不同改良剂对滨海盐碱化土壤水盐运移特性的影响

相龙康，高佩玲,2*，张晴雯，赵亚东，王世斌，杨大明

(1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000； 2. 山东理工大学资源与环境工程学院，山东 淄博 255000； 3. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

黄河三角洲地域广阔，拥有丰富的土地资源，但该地区存在着大量的盐碱土壤，由于气候原因、海水浸渍、水文地质条件的影响，土壤盐渍化问题日益严重.盐渍化土壤作为一种重要的后备土地资源，合理改良和利用盐碱地，可以有效地提高土地利用效率、解决农业用地短缺等问题.因此，如何改善和调控盐渍化土壤的水盐分布已成为解决制约该地区农业生产重要问题的手段[1-2].

目前，关于盐渍化土壤改良方面已进行了大量研究，提出了很多改良措施，例如农田水利措施、化学改良和物理改良措施等.由于土壤掺沙和掺生物炭改良具有操作简单、材料来源广等特点，是目前比较常用的盐渍土物理改良措施.在掺沙改良方面，已有学者研究证明表层掺沙能显著加快土壤入渗速率，提高土壤深层含水率，大幅减弱土层蒸发能力和表层盐分累积[3-4].蔺亚莉等[5]研究发现盐化碱土掺沙有利于降低土壤容重，提高土壤通气透水性，具有良好的脱碱压盐效果.近年来，生物炭作为一种新型改良剂，被广泛应用于土壤改良[6-8].岑睿等[9]在黏壤土中研究表明秸秆生物炭能显著提高入渗速率和累计入渗量，在田间处理效果明显.刘易等[10]研究表明生物炭对于轻中度盐渍化土壤的入渗速率和入渗量有显著提高.王凡等[11]发现低浓度生物炭用量可以降低土壤蒸发强度并抑制土壤表层的返盐程度，高浓度生物炭用量通过提高土表温度以提高土壤蒸发强度并增加土壤表层的返盐程度.综上所述，前人在掺沙和掺生物炭对盐渍土的改良措施方面进行了大量研究[12]，但研究工作多集中在单一掺沙或者掺生物炭对于盐渍土改良效果的影响，缺乏2种改良剂对于盐渍土改良效果的对比研究结果.

由于盐渍化土壤的团粒结构被破坏，土壤板结比较严重，土壤透气透水性受到严重影响，导致盐分集聚渗透压上升，严重妨碍了作物根系对水分的吸收利用.掺沙、掺生物炭能够有效地改变土壤孔隙结构，影响土壤水分再分布，是改良盐渍土的理想改良剂.目前对于2种改良剂虽然进行了一系列研究，但缺乏2种改良剂改良效果的对比研究结果，迫切地需要研究分析2种改良剂改良效果的差异，以确定出一种制作方便、成本低、效果优良的改良剂改良盐渍土.基于此，为了比较2种物理改良剂的改良效果，文中以黄河三角洲地区的滨州中度盐碱耕地为研究对象，利用室内一维垂直积水入渗试验方法，参照大田试验的2种改良剂添加量，在土壤表层加入不同比例生物炭和河沙，探究2种改良物质对中度盐碱土土壤水分入渗特性和分布规律，以及入渗结束之后土壤的脱盐深度与脱盐率的影响，分析河沙和生物炭在改善土壤入渗性能和调节盐分中的作用，为黄河三角洲盐渍化改良问题提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自山东省滨州市滨城区中裕农牧产业园中度盐碱化土壤，取土壤剖面层次为0～20，20～40，40～60 cm的原状土和扰动土.在取扰动土的同时, 利用200 mm3环刀分层 (0～20, 20～40, 40～60 cm) 取原状土，测定土壤容重和田间持水率.扰动土经风干，过2 mm筛混合制备成室内试验用土.原状土基本理化性质：盐化土，容重为1.39 g/cm3，田间持水率为28.62%，电导率EC5∶1为0.961，pH值为8.19，全盐量质量比为2.381 g/kg.

试验用沙为当地河沙，经过了淘洗、晾干，过2 mm筛处理.为避免河沙带入杂质对试验产生影响，利用Mastersizer3000型激光粒度仪测定土壤颗粒组成，并按照国际制土壤质地分类标准对试验土壤质地进行划分，具体结果见表1，表中ρ为颗粒组成质量百分数，d为粒径，土壤质地为粉砂质壤土.

表1 土壤和河沙颗粒组成Tab.1 Soil particle size distribution of tested soil and sand

生物质炭是不完全燃烧生成的黑色粉末，购自山东省铭宸环卫设备有限公司，原材料为棉花秸秆，裂解温度小于800 ℃，反应时间约为72 h.生物质炭pH值为8.6，密度为0.297 g/cm3.

1.2 试验装置

土柱由透明有机玻璃制成，高90 cm，内径为8 cm.土柱两侧每隔5 cm开1个直径为15 mm的取样孔；土柱口用保鲜膜封盖，以减少试验水分蒸发和外来污染.试验结束后，用特制取样器从土柱内取样.采用高50 cm、内径为8 cm的马氏瓶自动供水，入渗水头控制在2 cm左右.

1.3 土柱室内试验

在室内进行一维土柱试验.试验按照质量分数加入生物炭和河沙，分别设置7个处理：CK(对照)，S1(掺沙5%)，S2(掺沙10%)，S3(掺沙15%)，C1(掺生物炭0.5%)，C2(掺生物炭1%)，C3(掺生物炭2%)，每种处理重复3次.土柱高度为80 cm.将土样按土壤容重1.39 g/cm3分16层装填，每层控制装填深度为5 cm，压实后用毛刷梳理土壤表面，使各装填土层接触良好.前20 cm土层掺沙、掺生物炭处理，20～60 cm土层为纯土层.装填完毕后，在土壤表层放一张滤纸，避免马氏瓶供水时对土表造成冲刷.根据计划湿润区深度60 cm、土壤容重和田间持水率计算灌水定额为1 115.6 mL，调整马氏瓶的位置使入渗水头控制在2 cm左右.试验过程中记录马氏瓶的水位变化和湿润锋的运移变化.试验结束，立即用取样器从土柱内分层取出土样，测定土壤质量含水率、土壤含盐量.

1.4 测定项目及方法

土壤含水率：采用烘干法.

土壤含盐量：将风干土样过1 mm筛，提取土壤浸提液(水土比5∶1)，利用电导率仪测定浸提液电导率，通过对土壤浸提液和已测得的土壤含盐量建立线性关系，得到公式：土壤含盐量=2.160 6EC5∶1+ 0.303[13]，将电导率转化为土壤含盐量.

2 结果与分析

主要分析表层掺沙、掺生物炭对土壤水分入渗、水分垂直分布，以及对土壤盐分再分布的影响.

2.1 对土壤水分入渗的影响

表层掺沙、掺生物炭对累计入渗量I和湿润锋的影响如图1和2所示，图中Zf为湿润锋运移深度，t为入渗时间.

图1 土壤表层掺沙、掺生物炭处理土壤累计入渗量随时间的变化Fig.1 Cumulative infiltration versus time curves in soil with surface layer mixed with sand and biochar

图2 土壤表层掺沙、掺生物炭处理土壤湿润锋深度随时间的变化Fig.2 Wetting front depth versus time curves in soil with surface layer mixed with sand and biochar

由图1可得，7个处理的累积入渗量均随着时间延长而增加，但增加的速度逐渐减缓，相同灌溉定额入渗结束的时间由大到小按处理排序依次是C3，S3，S2，C2，S1，C1，CK.从图2可得，入渗260 min时CK的湿润锋在20 cm处，处理S1，S2，S3，C1，C2，C3的湿润锋比CK的分别提高了4.0%，6.0%，14.0%，10.5%，13.5%，23.0%.综上所述，掺沙、掺生物炭均能加快土壤水分入渗，且掺生物炭处理增强土壤水分入渗能力优于掺沙处理.

2.2 对土壤水分垂直分布的影响

当土层表面积水消失时，土壤入渗进入水分再分布的阶段.此时再分布水分的分布情况，决定了入渗水分的利用状况和有效性.表层掺沙、掺生物炭各土层土壤质量含水率θ变化见表2，表中h为土层深度.

表2 表层掺沙、掺生物炭处理各土层土壤质量含水率的关系Tab.2 Relationship between soil moisture in different soil layers in soil with surface layer mixed with sand and biochar

由表2可见在(0，20] cm掺沙、掺生物炭土层中，掺生物炭土层的土壤含水率远大于掺沙土层的含水率，掺生物炭处理随生物炭添加比例增大而土壤含水率逐渐增大，掺沙处理随着河沙添加比例增大而土壤含水率逐渐减小.在25 cm处，各处理土壤质量含水率均大于CK，土壤质量含水率由大到小按处理排序为C3，C2，S3，C1，S1，S2，CK.在(20，40] cm土层中，掺生物炭土层土壤质量含水率与掺沙土层土壤质量含水率相近，土壤质量含水率均大于CK的，处理C1，C2，C3，S1，S2，S3的平均质量含水率比CK的分别提高了6.5%，8.9%，11.2%，5.1%，6.4%，7.4%.在(40，60] cm土层中，掺沙处理土壤质量含水率远大于掺生物炭处理土壤质量含水率，土壤质量含水率由大到小按处理排序为S3，S2，S1，CK，C1，C2，C3.在改良剂添加层(0，20] cm土层中，掺生物炭处理土壤质量含水率大于河沙处理，在添加层以下的(20，60] cm土层中，河沙处理土壤质量含水率大于生物炭处理，这说明表层掺生物炭有利于提高土壤表层土壤含水率，可增大土壤表面的蒸发强度，但不利于入渗水分有效利用；而表层掺沙提高了作物根系密集区的土壤含水率，为作物生长提供了良好生长环境.

2.3 对土壤盐分再分布的影响

“盐随水走”.土壤盐分对于作物生长起到重要作用，少量盐分存在，可促进作物生长，但当盐分集聚时就会对作物生长产生影响，例如盐分胁迫.盐渍化土壤由于盐分含量较高，土壤结构硬化，水分入渗性能差，易引起水盐联合胁迫，影响作物生长，甚至造成植物局部甚至整株死亡.因此，利用改良剂对盐渍化土壤进行改良，必须将脱盐效果作为重要的参考因素.

表层掺沙、掺生物炭处理各土层土壤盐分再分布特征如图3所示，图中ms为含盐质量比.由图可得，掺沙处理土壤各土层土壤含盐量均小于掺生物炭处理各土层土壤含盐量；掺沙处理中，掺沙比例越大，各土层土壤含盐量越小.由图3a和3b可得，掺沙处理含盐量均小于CK，掺生物炭处理含盐量大于CK，可见在植物根系密集区(0，40] cm处，表层掺沙更有利于盐分洗脱；由图3c可得，土壤盐分在55 cm土层处开始大量累积，呈现一种突变状态，各处理土壤含盐量质量比由大到小按处理排序为C3，C2，C1，CK，S1，S2，S3.说明在同一入渗条件下，表层掺生物炭由于本身带有的一定盐分，在“压盐”方面弱于表层掺沙处理；表层掺沙处理掺加比例越大，“压盐”效果越好.

图3 土壤表层掺沙、掺生物炭处理各土层土壤盐分再分布特征Fig.3 Redistribution characteristics of soil salinity in different soil layers in soil with surface layer mixed with sand and biochar

为了进一步分析表层掺沙、掺生物炭处理各土层土壤盐分分布特征，引入了一系列指标对脱盐效果进行评价.土壤脱盐率为土壤中脱去盐分占原有盐分的百分比，平均脱盐率为各深度脱盐率的平均值ra；土壤含盐量低于土壤初始含盐量的深度称为土壤脱盐区深度Ds；土壤脱盐区深度与入渗结束时的湿润锋运移深度的比值称为脱盐区深度系数fDs；根据当地种植作物冬小麦和夏玉米的耐盐限度，认为土壤含盐质量比小于2 g/kg时作物可以正常生长，当土壤含盐质量比小于2 g/kg时的深度为达标脱盐区深度Dss；达标脱盐区深度与湿润锋运移深度的比值称为达标脱盐区深度系数fDss[13].表3为土壤表层掺沙、掺生物炭处理土壤盐分分布指标.

表3 土壤表层掺沙、掺生物炭处理土壤盐分分布指标Tab.3 Salinity distribution index in soil with surface layer mixed with sand and biochar

由表3可得，表层掺沙处理的脱盐区深度、达标脱盐深度和达标脱盐深度系数均大于表层掺生物炭处理的；脱盐区深度系数由于掺生物炭处理湿润锋深度低于掺沙处理湿润锋深度而与其他指标相反；表层掺沙处理脱盐率平均值远远大于表层掺生物炭处理脱盐率平均值，与CK脱盐率平均值相近.并且,处理S3的平均脱盐率比掺生物炭处理提高了14.5%～27.7%.说明表层掺沙处理脱盐效果更好，能够减小作物遭受土层整体和局部高盐胁迫的风险.

3 结 论

通过一维室内积水入渗试验，探究黄河三角洲盐渍化土壤表层掺入改良物质后的水盐运移特征，可得以下主要结论：

1) 在参照大田试验的前提下，在一定入渗条件时，表层掺沙、掺生物炭均能提高盐渍化土壤的土壤入渗性能，两者改良效果相近；表层掺沙处理在添加层(0～20 cm)的含水率小于表层掺生物炭处理；表层掺生物炭处理提高了土层(0～20 cm)的蓄水能力，而掺沙处理提高了添加层以下的保水性(20～60 cm)，抑制了土壤表层水分蒸发，提高了该地区水利用效率，以表层掺沙15%效果最佳.

2) 不同措施处理下，表层掺沙、掺生物炭的含盐量在0～55 cm土层的作物根系主要活动区变化趋势相同，表层掺沙处理各土层土壤含盐量均小于表层掺生物炭处理，表层掺沙改良盐渍化土壤脱盐效果显著，有利于降低中下层土壤含盐量.

综上所述，河沙作为一种方便、成本低、效果好的改良剂，能有效改良黄河三角洲地区盐渍化土壤的水盐分布，为作物生长提供一个良好的环境.