含腐植酸褐煤施用下苏打盐碱土持水特性研究

顾 鑫，任翠梅，张宏宇，王丽娜，杨 丽，李 娜，韩 墨

（黑龙江省农业科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163316）

0 引 言

黑龙江省西部大庆地区分布着大量以Na2CO3和NaHCO3为主要盐分的苏打盐碱土［1］，是重要的后备土壤资源。土壤是粮食生产的重要支柱，良好的土壤条件是保障作物生存的物质基础，而苏打盐碱土生产力不佳，是我国土地保护利用的前沿屏障。苏打盐碱土由于质地黏重、交换性Na+偏高、有机质偏低而导致土壤性质极差［2］，恶劣的土壤性质是导致苏打盐碱土可耕性差的重要因素［3］。苏打盐碱土湿时颗粒高度分散、透水透气性降低，干时剧烈收缩、板结成硬块［4］，使土壤出现“湿时一团糟，干时一把刀”的状态，土壤持水能力弱，耕作十分困难，严重妨碍地上作物的生长。因此，提高苏打盐碱土吸水持水能力有利于改善土壤质量。大量研究指出土壤中有机质含量越高，其中的有机胶体越丰富，土壤的吸附和保持水分的能力越强［5，6］。腐植酸是一种有机大分子亲水胶体，具有很强的吸水蓄水能力，能够提高土壤水分含量［7］。含腐植酸褐煤是煤化程度较低的煤，颜色较深，质地较为疏松和柔软，是补充土壤腐植酸的有效来源［8］，作为土壤改良物质应用能够吸附钝化重金属［9］，促进土壤有机无机复合体的形成［10］，提高土壤肥效［11］，改善土壤性状［12］。然而，含腐植酸褐煤施用下的苏打盐碱土持水特性研究仍然不足，为此，本研究以苏打盐碱土为研究对象，通过室内培养方法，研究含腐植酸褐煤对苏打盐碱土持水特性的影响以及土壤持水特性指标的相关回归分析，旨在为苏打盐碱土改良利用提供一定科学思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为黑龙江省大庆地区苏打盐碱土，其基本性质为pH 11.3、EC1 350 μS/cm、有机质11.4 g/kg、碱解氮109.2 mg/kg、有效磷12.9 mg/kg、速效钾191.3 mg/kg、粗砂粒（2～0.5 mm）32.50%、细砂粒（0.5～0.05 mm）52.29%、粉粒（0.05～0.002 mm）14.82%、黏粒（<0.002 mm）0.39%。供试褐煤pH 5.88、EC85 μS/cm，含有50.1%总腐植酸。

1.2 试验设计

将供试土壤与褐煤均研磨过2 mm筛子，褐煤按不同质量分数与土壤混匀以后装入盆内（高25 cm、内口径30 cm，底带托盘），置室内常温培养。褐煤的质量分数分别设定为0%（CK）、5%（C1）、10%（C2）、15%（C3）、20%（C4）、25%（C5）、30%（C6）共七个处理，各个处理重复3次，随机排列，每隔3 d向托盘中注入等量纯净水。培养720 d时，用环刀采集原状土壤，用于测定土壤持水量（包括饱和持水量、毛管持水量、田间持水量）、容重和孔隙度（包括毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度），同时原位测定土壤紧实度。

1.3 测定方法

土壤持水量和孔隙度采用环刀法测定［13］：标准体积为100 cm3环刀的重量记为M0；将盛有原状土壤的环刀有孔盖子面朝下，无孔盖子面朝上放入平底容器中，缓慢加入水，保持水面比环刀上缘低1～2 mm，浸泡24 h，充分吸水至饱和，取出称重记为M1；再将其放置在铺有干沙的盘中，经过2 h下渗过程后，取出称重记为M2；再将其放至干沙上继续经过6 h下渗后，取出称重记为M3；再将其放入105～110 ℃烘干箱中烘干至恒重，取出称重记为M4。

土壤紧实度利用紧实度测定仪（TJSD-750-II）测定。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2016软件进行整理，采用SPSS 25软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）与多重比较（Duncan’s新复极差法），采用Origin 2017软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤持水量

土壤持水量测定结果如表1。饱和持水量20.20%～60.04%，不同处理间均达到差异显著，C1、C2、C3、C4、C5、C6分别 比CK高24.70%、51.88%、63.51%、88.17%、154.21%、197.23%。毛管持水量19.68%～58.66%，不同处理间均达到差异显著，C1、C2、C3、C4、C5、C6分别比CK高24.75%、52.24%、63.52%、89.08%、154.07%、198.07%。田间持水量19.99%～56.20%，不同处理间均达到差异显著，C1、C2、C3、C4、C5、C6分别 比CK高19.81%、41.07%、55.28%、81.09%、138.92%、181.14%。可见，饱和持水量、毛管持水量和田间持水量均随着褐煤用量的增加呈升高趋势，且饱和持水量与毛管持水量比田间持水量提升幅度略大。

表1 不同处理下土壤持水量 %Tab.1 Soil water holding capacity under different treatments

2.2 土壤孔隙度

土壤孔隙度测定结果如表2。毛管孔隙度27.88%～47.45%，C1、C2、C3、C4、C5、C6均显著高于CK，分别高15.67%、24.89%、26.29%、30.77%、50.65%、70.19%。非毛管孔隙度0.75%～1.12%，C5、C6均显著高于CK，分别高50.67%和49.33%，其余处理间差异不显著。总孔隙度28.63%～48.57%，C1、C2、C3、C4、C5、C6均显著高于CK，分别高15.58%、24.52%、26.23%、30.11%、50.65%、69.65 %。可见，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均随着褐煤用量的增加呈升高趋势，但在褐煤用量较低时（<25%）非毛管孔隙度变化不显著。

表2 不同处理下土壤孔隙度 %Tab.2 Soil porosity under different treatments

2.3 土壤容重和紧实度

土壤容重和紧实度测定结果如图1。容重0.81～1.42 g/cm3，不同处理间均达到差异显著，C1、C2、C3、C4、C5、C6分别比CK低7.75%、18.31%、23.24%、30.99%、40.85%、42.96%。紧实度57.47～327.57 kPa，C1、C2、C3、C4、C5、C6均显著低于CK，分别低58.20%、68.82%、78.63%、79.15%、82.04%、82.46%。可见，容重和紧实度均随着褐煤用量的增加呈降低趋势。

图1 不同处理下土壤容重和紧实度Fig.1 Soil bulk density and compactness under different treatments

2.4 相关分析

土壤持水量、孔隙度、容重及紧实度之间关系如表3。饱和持水量与毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均呈极显著正相关，相关系数分别为0.972、0.697和0.970；与容重和紧实度呈极显著负相关，相关系数分别为-0.948和-0.693。毛管持水量与毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均呈极显著正相关，相关系数分别为0.972、0.691和0.970；与容重和紧实度呈极显著负相关，相关系数分别为-0.948和-0.694。田间持水量与毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均呈极显著正相关，相关系数分别为0.965、0.673和0.965；与容重和紧实度呈极显著负相关，相关系数分别为-0.943和-0.677。可见，土壤松紧程度显著影响土壤持水量。

表3 土壤性质指标之间相关性Tab.3 Correlation between soil property indexes

2.5 回归分析

土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量与容重及紧实度的回归分析如图2。将饱和持水量、毛管持水量、田间持水量与容重指标进一步拟合，得到回归方程分别为y=38.801x-1.738（R2=0.962 3）、y=37.862x-1.741（R2=0.962 8）、y=36.514x-1.675（R2=0.960 2）。将饱和持水量、毛管持水量、田间持水量与紧实度指标进一步拟合，得到回归方程分别为y=409.13x-0.541（R2=0.785 0）、y=401.47x-0.542（R2=0.785 9）、y=339.19x-0.512（R2=0.755 6）。决定系数R2越大，表示拟合方程参考价值越高。可见，土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量与容重、紧实度的回归趋势线均符合y=axb（a、b为常数）的幂函数线性关系，拟合优度较好。

图2 土壤持水量与容重、紧实度的回归分析Fig.2 Regression analysis of soil water holding capacity with bulk density and compactness

3 讨 论

土壤持水量反映了某种状态下土壤抵抗重力所能吸持的最大水量，与土壤质地、结构、颗粒大小及垒结性密切相关［14］。本研究表明施用含腐植酸褐煤可以显著提高苏打盐碱土饱和持水量、毛管持水量和田间持水量，土壤饱和持水量与毛管持水量上升幅度较一致，略高于田间持水量上升幅度。已有研究表明土壤持水量与土壤有机质含量呈显著正相关［15］，提高土壤有机质可以提升土壤持水量，含腐植酸褐煤作为有机物料有利于土壤有机质的提升［16］。本研究结果与前人研究结果相似，张艳等［17］研究表明长期施用有机肥显著提高了土壤持水量，刘森森等［18］研究表明腐植酸复合肥能够提高土壤田间持水量和最大分子持水量。土壤孔隙是水分运动和储存的场所，是影响土壤渗透性能、决定地表产流量和产流时间的关键要素［19］。本研究表明施用含腐植酸褐煤可以显著提高苏打盐碱土孔隙度。毛管孔隙度和总孔隙度上升幅度较为一致，非毛管孔隙度略有上升但在低褐煤用量时变化表现不明显，由此说明含腐植酸褐煤首先是通过改变苏打盐碱土毛管孔隙进而影响土壤总孔隙。原因可能是含腐植酸褐煤本身质地较轻，单位体积质量较低并具有较高孔隙度以及较大比表面积［20］，同时在不断分解的过程中释放的有机胶结物质容易与土壤颗粒形成团聚结构从而影响土壤孔隙的分布［21］。陈士更等［22］研究表明施用土壤调理剂后土壤孔隙度有一定程度提高，其中以含腐植酸土壤调理剂处理对土壤孔隙度的影响较大。研究指出土壤保存利用水分主要通过土壤孔隙状况实现，其毛管孔隙越丰富，土壤持水能力越高［23］。

4 结 论

本研究通过室内培养方法研究了含腐植酸褐煤对苏打盐碱土持水特性的影响，并对土壤持水特性指标进行相关和回归分析，综上所述得出以下结论。

（1）施用含腐植酸褐煤能够有效改善苏打盐碱土孔隙状况，使得土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均升高（褐煤用量<25%时非毛管孔隙度变化不显著），显著降低土壤容重和紧实度，提高土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量，并且各个土壤持水量均随着褐煤用量的增加而呈升高趋势。

（2）土壤松紧程度对土壤持水量产生显著的影响。土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量均与毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度呈极显著正相关，与容重和紧实度呈极显著负相关（P<0.01）。

（3）土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量与容重、紧实度拟合趋势线均呈现y=axb（a、b为常数）的幂函数线性关系，可以用其拟合方程间接估算相应土壤持水量。各个土壤持水量与容重拟合曲线决定系数R2均大于0.95，拟合优度相对较好；与紧实度拟合曲线决定系数R2大于0.75小于0.8，拟合优度相对次之。