脱硫石膏施用量对滨海盐碱土水分运移的影响

徐文硕 李克升 孔维航 耿雨晗 李全新 刘传孝

摘 要：通过室內土柱试验，研究了5种脱硫石膏质量掺加比（0、5%、10%、15%和20%）对滨海盐碱土水分入渗能力的影响，结果表明：掺加不同比例石膏均可提高土壤入渗能力，较高的石膏掺加比对土壤湿润锋和累计入渗量的促进作用下降;5%石膏掺加比可明显促进盐碱土中水分运移;360 min时掺加5%脱硫石膏盐碱土的湿润锋运移深度是原状盐碱土的近2倍;湿润锋运移距离和时间呈幂函数关系，累计入渗量与时间的关系符合Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型;适量掺加脱硫石膏可提高土壤入渗能力，对改善滨海盐碱土中的水分运移状态效果显著。

关键词：滨海盐碱土;水分运移;脱硫石膏;湿润锋;累计入渗量

中图分类号：S156.4;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.021

引用格式：徐文硕，李克升，孔维航，等.脱硫石膏施用量对滨海盐碱土水分运移的影响[J].人民黄河，2021，43（9）：110-114.

Effect of Application Amount of Desulphurization Gypsum on Water Transport of Coastal Saline-Alkali Soil

XU Wenshuo， LI Kesheng， KONG Weihang， GENG Yuhan， LI Quanxin， LIU Chuanxiao

（College of Water Conservancy and Civil Engineering， Shandong Agriculture University， Tai an 271018， China）

Abstract： The influence of the mass mixing ratio （0， 5%， 10%， 15% and 20%） of five desulphurized gypsum to the water infiltration capacity of coastal saline-alkali soil was studied by laboratory soil column test. The results show that adding different proportions of gypsum can improve the soil infiltration capacity and the higher ratio of gypsum can reduce the promoting effect of soil wetting front and cumulative infiltration. The mixing ratio of 5% gypsum can obviously promote the water migration in saline-alkali soil. At 360 min， the wet fronts migration depth of C5 is nearly twice that of the undisturbed saline-alkali soil. At the same time， the migration of wetting front and time fitting of each treatment have a power function relationship and the fitting of cumulative infiltration amount and time is consistent with the Kostiakov infiltration model and Philip infiltration model. The results show that proper amount of desulphurized gypsum can improve soil infiltration capacity and has reference value for improving water transport in coastal saline-alkali soil.

Key words： coastal saline-alkali soil; water migration; desulphurization gypsum; wet front; cumulative infiltration

土壤盐碱化是指水溶性盐在土壤表层或风化层中不断积累的现象，严重影响农业生产、环境和经济发展Symbol[A@Symbolq@@Symbol]A@。据统计，我国盐碱土面积达3 600万hm2，占可开发土地面积的4.9%Symbol[A@2Symbol]A@，其中滨海地区盐碱土总面积达500万hm2，亟待修复开发Symbol[A@3Symbol]A@。黄河三角洲地区地处《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》《山东半岛蓝色经济区发展规划》两大国家战略重叠地带，地理位置优越，开发前景广阔，土地资源丰富，是国家重要的粮棉生产基地，是渤海粮仓科技示范工程的主战场，但黄河冲淤后受海水倒灌、气候条件等综合因素影响，土壤盐碱化区域分布广泛，农业生产低效Symbol[A@Symbolt@@-Symbolu@@Symbol]A@。水分入渗是农业生产中水资源有效利用的重要过程，不仅决定着田间土壤对水资源的利用效率，而且关乎地表径流和土壤侵蚀的强度等级Symbol[A@Symbolv@@Symbol]A@。因此，研究并采取措施改善土壤入渗能力，是促进黄河三角洲地区农业实现可持续发展的有效途径。

脱硫石膏（FGD）是對含硫燃料（煤、油等）燃烧后产生的烟气脱硫净化处理后得到的工业副产石膏Symbol[A@Symbolw@@Symbol]A@，其主要成分为CaSO4和CaSO3Symbol[A@Symbolx@@Symbol]A@。脱硫石膏具有制作成本低、对盐碱地治理效果好、固碳能力强、污染小等优点，因此广泛应用于盐碱地治理。通过脱硫石膏中Ca2+与土壤中Na+的交换Symbol[A@Symboly@@Symbol]A@，调节土壤物理特性和密实度，改良盐碱地Symbol[A@Symbolq@@Symbolp@@Symbol]A@，对土壤入渗能力的影响与其施用量密切相关。YAZDANPANAH等Symbol[A@Symbolq@@Symbolq@@Symbol]A@在研究不同改良剂对石灰性盐碱土复垦的影响时发现，石膏不会影响石灰性盐碱土的呼吸速率。唐珧等Symbol[A@Symbolx@@Symbol]A@利用脱硫石膏对重度苏打盐化土进行改良发现，脱硫石膏使土壤的pH值和电导率（EC）降低，Ca2+含量增加，Na+含量降低。Wang等Symbol[A@Symbolw@@Symbol]A@通过田间试验发现，脱硫石膏改良后盐碱土性能大大改善，土壤中具有了适合植物生长的微量元素，同时其固碳能力增强，可以有效缓解温室效应。毛玉梅等Symbol[A@Symbolq@@Symbolr@@Symbol]A@评估不同脱硫石膏施用量对上海南汇滩涂盐碱土理化性质和植物生长的影响发现，适当施加脱硫石膏可以降低土壤盐碱性，促进植物生长，但当脱硫石膏施加量达到50 g/kg时，会阻碍植物生长。

脱硫石膏的掺加比及人为因素等均会对其改良效果产生干扰，而脱硫石膏施加量必然会对耕层盐碱土产生影响。脱硫石膏对盐碱土修复的研究主要集中在内陆干旱半干旱地区Symbol[A@13-14Symbol]A@，针对滨海地区盐碱土的研究较少。因此，笔者在实验室条件下探究脱硫石膏施用量对黄河三角洲地区滨海盐碱土水分运移的影响，旨在找出脱硫石膏的最佳掺入比，为脱硫石膏改良滨海地区盐碱土提供科学依据和技术参考。

1 研究方法

1.1 试验材料

以黄河三角洲东部滨海盐碱土为供试土壤，取自山东省东营市滨海新区的无干扰区。黄河三角洲地区属温带季风气候区，气温变化四季分明，多年平均气温约为12.5 ℃，年无霜期为206 d，年降水量为550～680 mm，且多集中于夏季，年平均日照时长为2 407.1 h。取土方式采用Z形采样方法，取土深度为0～20 cm。所采集土样的容重利用环刀法测得，为1.4 g/cm3，土样去除杂质后，自然条件下风干并碾压过2 mm筛备用。脱硫石膏为河北盛益矿业公司生产的产品。利用BT-9300S激光粒度分析仪进行土壤机械组成测定，土样黏粒、粉粒和砂粒含量分别为5.28%、74.70%、20.02%。

1.2 试验设计

入渗试验中脱硫石膏的添加方式为固定土壤密度1.4 g/cm3不变，将脱硫石膏与试验土壤按不同质量比混合，试验依次设置石膏质量比分别为0%（CK）、5%（C5）、10%（C10）、15%（C15）、20%（C20），每组试验重复3次。根据土柱体积确定所需土壤和脱硫石膏的总质量后，按照不同脱硫石膏掺入比求出两者各需质量，见表1。

1.3 土柱制备

试验采用一维垂直入渗法测定土壤的水分运移能力。入渗装置（见图1）由土柱和马氏瓶组成，土柱内径10 cm、高25 cm，土柱圆筒（透明的有机玻璃圆筒）外壁每隔5 cm高度打圆孔，土柱圆筒内壁均匀涂抹凡士林以减小内壁对水分入渗的影响。装土前为防止土颗粒流失，于土柱底部放置两层纱布。土柱填土20 cm，填土过程中，按5 cm一层分别填入混合料并充分压实，每层界面处谨慎刮毛，以避免混合料分层并保证层与层之间充分混合。填土完成后，在土柱顶部放置一层滤纸，预防土壤侵蚀。

1.4 测定方法

实验室内平均温度为20 ℃，平均湿度为26%，土柱顶部水头固定，为4 cm。马氏瓶开关打开后试验开始，读取湿润锋与马氏瓶水位变化情况，并计算得到湿润锋与累计入渗量的变化过程。入渗过程用秒表计时，试验开始即按下秒表，前10 min每隔1 min记录1次数据，10～30 min每隔2 min记录1次数据，30～60 min每隔3 min记录1次数据，60～120 min每隔10 min记录1次数据，120 min以后每隔30 min记录1次数据，当土柱饱和后计时停止，同时停止供水，并立即将土柱顶部的多余水分吸出。

1.5 数据分析处理

试验重复3次，数据采用Excel 2010处理，Origin 2018作图，并用SPSS软件中LSD法对湿润锋运移和累计入渗量变化进行显著性分析（显著性水平p<0.05）。

2 结果与分析

2.1 脱硫石膏施用量对湿润锋运移的影响

土柱内水分入渗过程中，土壤从水面沿剖面向下依次为饱和层、延伸层、湿润层和湿润锋Symbol[A@Symbolq@@Symbolu@@Symbol]A@。其中，在土壤湿润带的末端，土壤中含水量会发生突变，形成一层湿润带末端与干土之间的明显交界面，称为湿润锋Symbol[A@Symbolq@@Symbolv@@Symbol]A@。根据湿润锋的变化情况可以得到土壤中水分入渗的速度和运动特征。不同脱硫石膏施用量下土壤湿润锋的运移情况见图2。由图2可知，不同脱硫石膏用量均影响湿润锋运移，与CK相比，施加石膏的试验组湿润锋运移速度更快，但土柱饱和快慢不同。以试验进行到360 min为例，CK湿润锋下移8.0 cm;C5湿润锋下移16.1 cm，湿润锋运移速度最快;C10湿润锋运移速度次之，为13.8 cm;C15与C20湿润锋运移速度较慢，分别下移11.5、12.1 cm。各数据差异性显著（p<0.05）。同时，随着入渗试验的进行，所有试验组湿润锋运移速度随时间延长呈减慢趋势。从脱硫石膏掺入量对盐碱土水分入渗的影响分析，C5水分入渗效果最好，C10次之，当脱硫石膏掺入量达到15%时，再加大脱硫石膏掺入量对土壤水分运移状态无明显影响。

对湿润锋下移距离和时间的关系进行拟合，拟合结果符合幂函数Y=atb关系，其中a、b为经验常数Symbol[A@Symbolq@@Symbolw@@Symbol]A@，拟合结果见表2。各试验组决定系数R2均大于等于0.977，证明幂函数可以较好地拟合不同脱硫石膏施用量下湿润锋随时间运移的规律。CK与C5、C10、C15相比差异性显著，C15与C20没有明显差异，说明适当掺加脱硫石膏会对土壤水分运移状态产生明显影响，当掺加比大于15%时影响效果不再明显。

2.2 脱硫石膏施用量对水分累计入渗量的影响

土壤的累计入渗量数学意义是指对于入渗率的积分，宏观讲是指入渗试验开始后，在一定时间内通过土柱表面入渗到土柱内部的水量，即马氏瓶水位变化值。累计入渗量可以衡量入渗过程中不同比例混合料的水分运移能力Symbol[A@Symbolq@@Symbolx@@Symbol]A@。试验土壤累计入渗量随时间的动态变化见图3，各试验组的累计入渗量均随时间的延长而增大，CK、C5、C10、C15、C20马氏瓶水位变化值依次是3.96、7.03、6.80、6.30、7.08 cm，C5、C10、C15、C20土柱饱和后的总入渗量均大于CK的，且差异性显著（p<0.05）。C5、C10与C15相比较，C5的累计入渗量最大，随着脱硫石膏施用量的增加累计入渗量呈减小趋势。C20的累计入渗量大于其他试验组的，原因是脱硫石膏耐水性差，加水后会不断吸水。以试验进行至360 min为例，CK马氏瓶水位下移3.29 cm，此时C5累计入渗量最大，马氏瓶水位下移5.66 cm，C10次之，为4.50 cm，C15与C20马氏瓶水位分别下移3.25、4.23 cm。综上，向盐碱土中掺加脱硫石膏可以增强土壤入渗能力，但当施用量过高时，对盐碱土入渗能力增强效果不显著，试验所得最优脱硫石膏掺入比为5%，在此施加量下，入渗试验土柱最早达到饱和，湿润锋运移速度最快且累计入渗量最大。

2.3 脱硫石膏施用量与水分累计入渗量的拟合

入渗模型是模拟和预测土壤水分入渗过程的重要方法，是土壤改良学的重点研究内容之一。笔者采用Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型Symbol[A@Symbolq@@Symboly@@Symbol]A@对累计入渗量与时间的关系进行拟合。

（1）Kostiakov入渗模型。Kostiakov入渗模型：

I（t）=Ktn（1）

式中：I（t）为累计入渗量，mm;t为入渗时间，min;K、n为经验常数。

拟合结果见表3，决定系数R2均大于等于0.980，拟合结果较好。C5、C10、C15随着脱硫石膏施用量的增加，参数K逐渐减小，参数n逐渐增大。由拟合结果发现，参数K、n随脱硫石膏掺入比的变化呈一定规律性变化，C20中参数K与n反常是脱硫石膏吸水导致的。

（2）Philip入渗模型。Philip入渗模型：

I（t）=St0.5+At（2）

式中：I（t）为累计入渗量;S为吸渗率;A为稳渗率;t为入渗时间。

土壤的吸渗率S和稳渗率A是衡量土壤下渗能力的重要指标，吸渗率指在水分入渗前期，土壤利用自身毛管压力吸水和放水的能力;稳渗率是在度过水分入渗前期后，土壤中较为稳定的水分下渗强度。对累计入渗量和入渗时间两者的关系进行拟合，拟合结果见表4，由表4可以看出，除CK外，其他试验组拟合效果良好，决定系数R2均大于等于0.989。4个试验组中，CK稳渗率为-0.008 00，入渗速度随时间变慢，其余4个试验组稳渗率大致相同，且存在显著性差异（p<0.05）。除CK外，各试验组中C5吸渗率最大，C5、C10、C15随着脱硫石膏施用量的增加吸渗率减小，说明C5初始入渗速度最快。

3 讨 论

在掺加不同比例脱硫石膏后，各试验组湿润锋和累计入渗量均随入渗时间的延长而增大，试验终值均大于未添加脱硫石膏的，说明掺加脱硫石膏可以增强盐碱土水分入渗能力。该结论与樊丽琴等Symbol[A@20-21Symbol]A@的研究结果一致。脱硫石膏的作用机制是，通过Ca2+与土壤中Na+的交换Symbol[A@22Symbol]A@使土壤胶体表面吸附大量Ca2+，从而改变土壤的电位势，促使土壤颗粒胶结并形成土壤团聚体Symbol[A@23Symbol]A@，增强土壤通透性。脱硫石膏的粒径为30～50 μmSymbol[A@24Symbol]A@，呈棱柱状、片状，存在较多裂痕和破碎颗粒Symbol[A@25Symbol]A@，而试验用盐碱土以粉质土（5～75 μm）为主，因此加入脱硫石膏改变了土壤颗粒级配，增强了土壤水分入渗能力。

向土壤中掺加5%的脱硫石膏会显著提高土壤的入渗能力，随着脱硫石膏施用量的增加，脱硫石膏改善盐碱土水分入渗能力的效果变差，原因是，在Ca2+与Na+的交换过程中，会有大量Ca2+以交换性态的形式留在土壤中，与土壤中丰富的磷酸根离子反应生成难溶物[26]，而脱硫石膏作为一种中等溶解度盐，随着施用量的增加，其溶解后会产生大量Na2SO4，进一步抑制脱硫石膏溶解，阻塞土壤内部通道。这与梁嘉平等[27]的研究结果大致相同，不同的是，梁嘉平等认为向盐碱土中施加石膏会减弱土壤水分入渗的能力，原因是梁嘉平等選取试验用土砂粒（75～2 000 μm）含量大于78%，粒径远大于脱硫石膏，在施加脱硫石膏后反而阻塞土壤内部孔隙，抑制土壤水分运移。试验组C20的累计入渗量较C15更大，原因是脱硫石膏黏性强、吸水能力强，更多的水被脱硫石膏吸收。

4 结 语

施加脱硫石膏可以有效改善盐碱土水分运移能力，增加土壤中水分累计入渗量。不同脱硫石膏施用量对土壤入渗能力的影响不同，以入渗时间为360 min为例，C5、C10、C15、C20的湿润锋运移深度较CK分别增加101.3%、72.5%、43.8%、51.3%，累计入渗量较CK依次增加72.0%、36.8%、5.4%、28.6%。土柱饱和时，C5、C10、C15、C20累计入渗量较CK依次增加77.5%、71.7%、59.1%、78.8%，但土柱达到饱和的速度变慢。说明向盐碱土掺加适当脱硫石膏（5%）可以明显提升土壤水分运移能力，而随着掺加量的增加，脱硫石膏对其入渗能力改善不再明显。

脱硫石膏不同施用量下湿润锋运移距离与时间的关系符合幂函数关系，累计入渗量与时间的关系可以用Kostiakov入渗模型和Philip入渗模型来描述，且拟合效果良好。脱硫石膏不同施用量对盐碱土水分运移的影响程度不同，因此在选择脱硫石膏作为盐碱土改良剂时要确定最佳掺加比，本研究确定脱硫石膏最佳掺加比为5%。

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【责任编辑 吕艳梅】