腐植酸对水分入渗的影响试验研究

何 靖，罗林涛

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,西安 710075)

0 引 言

腐植酸是一种普遍存在的、来源于植物的、棕黑色聚合酸[1]，具有弱酸性、亲水性、离子交换性、络合性、氧化还原性及生理活性等性质。腐植酸与金属、有机物通过复杂反应形成络合物来影响农业环境[1]。现阶段，腐植酸可以从不同成熟度的玉米植株中提取[2]，研究腐植酸的结构和组成[3,4]，以期更好的了解腐植酸的作用。腐植酸现已广泛应用于农业生产和土壤修复[5-9]等领域，深度参与土壤改良[10,11]、节水抗旱[12,13]、肥料增效[1]、促进植物生长[14,15]等。但腐植酸对于水分入渗的影响机理鲜有报道，且集中在对作物水分利用效率的影响研究[16]。将腐植酸溶液覆盖在土壤表面进行水分入渗试验，在前人研究的基础上探讨腐植酸的作用效应，以便更好的服务农业生产。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验用土取自陕西省咸阳市杨陵区水土保持研究所附近20～40 cm土层深度，将土壤风干、研磨、过2 mm筛，制备为试验土样。采用Mastersize 3000 激光粒度分析仪进行土壤颗粒级配测定(表1)，为黏质壤土。

表1 试验土壤的颗粒级配分析Tab.1 Particle size distribution of the soil

腐植酸采用风化煤腐植酸，其成分含量为黄腐酸3.74%、水不溶物3.23%、絮凝11%、K2O 13.47%、有机质64.37%、水分含量15.19%，pH为10.08，呈弱碱性。

试验装置由马氏瓶(内径×高：Φ5 cm×50 cm)、有机玻璃土柱(内径×高：Φ5 cm×50 cm)、可调高度铁架(0～1.8 m)3部分组成(图1)。试验时，腐植酸溶液盛放于马氏瓶中；有机玻璃土柱在土样装填完成后，在其表面形成15 mm厚的积水层，进行积水入渗。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 试验设计

本试验为腐植酸一维垂直入渗的探究性试验，故仅考虑腐植酸溶液浓度、土壤容重和土壤初始含水率3个试验因素，每个因素取4个不同的试验水平(浓度：12.5%、16.7%、25.0%、50.0%；容重：1.32、1.35、1.37、1.39 g/cm3；初始含水率：2%、5%、8%、11%)。见表2。

为了在减少试验工作量的前提下，保证试验的准确性和科学性，采用正交试验设计L16(45)安排本次试验方案(表2)。

表2 试验设计Tab.2 Experimental design

另增加1组空白对照试验(空白：清水入渗，容重1.32 g/cm3，初始含水率11%)，以验证试验结果。每组试验方案进行3次重复。

试验过程中，入渗时间的观测按照先密后疏的原则，前10 min 内，观测时间间隔为1min；10～60 min 内，观测时间间隔为10 min；60～240 min内，观察时间间隔为30 min。每组试验方案入渗时间均为240 min。

2 结果与分析

2.1 累积入渗量与入渗因素量化关系式

水分在腐植酸作用下的累积入渗量随时间的动态变化过程见图2所示。

图2 累积入渗量动态变化规律Fig.2 Dynamics of cumulative infiltration

由图2可知：累积入渗量随着入渗时间的累积逐渐趋于稳定，但每一组的累积入渗量差异极大，这是由腐植酸溶液浓度、试验土壤容重和土壤初始含水率不同而造成。

采用多元回归分析，构建累积入渗量与腐植酸溶液浓度、土壤容重、土壤初始含水率和入渗时间之间的量化关系式：

I=K·ρa·γβ·θτ·Tμ

(1)

式中：I指水分累积入渗量，cm；K指入渗常数；ρ指腐植酸溶液浓度，%；γ指土壤容重，g/cm3；θ指土壤初始含水率，%；T指入渗时间，min；a、β、τ、μ均为各对应变量的指数。

采用t检验法分析各影响因素对累积入渗量影响的显著程度，按α=0.05 时进行检验，检验值t值为2.776。模型回归得K、α、β、τ、μ的t值分别为-6.87、-18.14、-12.40、-7.12 和38.95，绝对值均大于2.776，表明入渗常数、腐植酸溶液浓度、土壤容重、土壤初始含水率和入渗时间对入渗量I 的影响是显著的，且其显著程度由大到小依次为入渗时间、腐植酸溶液浓度、土壤容重、土壤初始含水率、入渗常数；t检验值大于0，表明影响因素与累积入渗量I为正相关，反之为负相关。累积入渗量与入渗时间为正相关，与入渗常数、腐植酸溶液浓度、土壤容重、土壤初始含水率为负相关。

利用试验16(未参与回归分析)对回归分析拟合的经验公式(1)进行验证(表3)，表明拟合经验公式能够很好地反映累积入渗量与各影响因素之间的关系。

2.2 敏感性分析

利用SPSS 19.0计算各变量之间的相关系数与偏相关系数，结果如表4、表5所示。

表3 累积入渗量经验公式验证Tab.3 Cumulative infiltration model validation

表4 相关系数Tab.4 Correlation coefficient

表5 偏相关系数Tab.5 Partial correlation coefficient

rIρ、rIγ、rIθ、rIT分别表示累积入渗量I与腐植酸溶液浓度ρ、土壤容重γ、土壤初始含水率θ和入渗时间T之间的相关系数；rIρ=-0.420**表示随着腐植酸溶液浓度ρ的增大，累积入渗量I极显著减小；rIγ=-0.134*表明随着土壤容重γ增大，累积入渗量I显著减小；rIθ=-0.143*表明累积入渗量I随着土壤初始含水率θ增大，呈显著减小；rIT=0.660**表明累积入渗量I随着累积入渗时间T的增大而极显著增大。

rIρ·、rIγ·、rIθ·、rIT·则分别表示累积入渗量I与腐植酸溶液浓度ρ、土壤容重γ、土壤初始含水率θ和入渗时间T之间的偏相关系数；rIρ·=-0.579**表明土壤容重、初始含水率、入渗时间不变，累积入渗量I随着腐植酸溶液浓度ρ增大而极显著减小；rIγ·=-0.221**表明腐植酸溶液浓度、初始含水率、入渗时间恒定不变时，累积入渗量I随土壤容重γ增大呈极显著减小；rIθ·=-0.235**，表明腐植酸溶液浓度、土壤容重、入渗时间不变，土壤初始含水率θ增大，累积入渗量I极显著减小；rIT·=0.745**表明腐植酸溶液浓度、土壤容重、初始含水率不变，累积入渗量I随入渗时间T增大而极显著增大。以上分析表明：当腐植酸溶液浓度ρ、土壤容重γ、土壤初始含水率θ增大时，累积入渗量I极显著减小，为负相关；入渗时间T增大时，累积入渗量I极显著增大，为正相关。

2.3 腐植酸浓度的减渗效果分析

从表6可知：当土壤容重、土壤初始含水率、入渗时间相同时，添加腐植酸可以有效的减少水分入渗量。空白组3次重复试验的累积入渗量分别为5.67、5.74、5.63 cm，平均累积入渗量为5.68 cm；试验13的3次重复试验的累积入渗量分别为5.32、5.47、5.29 cm，平均累积入渗量为5.36 cm；其相对应的减渗率分别为6.17%、4.70%、6.04%，平均减渗率为5.63%。上述分析表明，腐植酸的施用能够有效的减少水分入渗，有明显的减渗作用。

表6 腐植酸减渗结果Tab.6 The results of infiltration-reducing of humic acids

3 结 论

(1)构建累积入渗量与腐植酸浓度、土壤容重、土壤初始含水率、入渗时间之间的量化关系式，实测值与拟合值二者之间的相关系数R为0.993 5，表明模型能够较好地反应累积入渗量与影响因素之间的量化关系。

(2)腐植酸浓度、土壤容重、土壤初始含水率与累积入渗量之间呈极显著负相关关系，入渗时间与累积入渗量之间呈极显著正相关关系。

(3)空白组平均累积入渗量为5.68 cm，腐植酸浓度为50.0%时，平均累积入渗量为5.36 cm，累积入渗量的减渗率为5.63%。