綠色保濕增肥塊的土壤保濕效果研究

張 潘，徐福利，，于欽民

(1.中國科學(xué)院/水利部 水土保持研究所，陜西楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

我國人口多用水量大，并且水資源污染嚴重，導(dǎo)致了我國水資源的嚴重不足。地下水的大量開采，使得地下水位下降，導(dǎo)致表層土壤含水量嚴重降低。水在土壤中起著重要的作用，例如物質(zhì)運移、物質(zhì)轉(zhuǎn)化等，并且土壤水是植物需水的主要來源［1］。影響土壤保水性的主要因素有土壤結(jié)構(gòu)、孔徑分布、容重、有機質(zhì)含量以及黏土礦物等［2］。土壤蒸發(fā)受太陽輻射、溫度、濕度、風(fēng)速等外界條件和土壤含水量、土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)、地表情況、土壤色澤等內(nèi)在因素的影響［3］，很多學(xué)者提出了土壤水分蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型，雖然由于參數(shù)復(fù)雜和特定的條件導(dǎo)致這些模型的應(yīng)用受到了限制，但對解釋土壤水分蒸發(fā)的機理做出了不可忽視的貢獻［4－6］。分析土壤水分蒸發(fā)的機理及影響因素，可提高土壤水分的利用效率，達到科學(xué)用水、節(jié)水的目的［3］。

我國農(nóng)業(yè)用地作物連作嚴重，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量降低。據(jù)統(tǒng)計，全球耕地約有2/5缺磷，中國缺磷尤其嚴重［7］。研究表明，作物的產(chǎn)量約有65%取決于土壤肥力［8］，為了提高作物的產(chǎn)量就必須增加土壤的肥力。但化肥的大量使用既污染了環(huán)境，又對土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物性狀產(chǎn)生了負面影響。秸稈還田能增加土壤肥力、改善土壤物理性狀、促進養(yǎng)分循環(huán)等，是促進作物增產(chǎn)的有效手段［9］，但是秸稈直接還田不但費工費力，而且也不能明顯地提高土壤肥力和作物產(chǎn)量［10］，將秸稈粉碎后還田是加快秸稈腐解速度的有效辦法。2006年中國秸稈資源量超過7.6億 t，秸稈還田僅占24.3%，所以優(yōu)化管理秸稈資源仍是現(xiàn)階段需要解決的重要問題［11］。保濕增肥塊(簡稱G塊)就是為農(nóng)業(yè)節(jié)水和秸稈的合理利用而研究出的產(chǎn)品，它是秸稈粉碎后加入適量保水劑黏合擠壓而成的，既可以保水，又可以有效地利用秸稈，是一種費用低、功能多的綠色材料。本研究的目的就是探查G塊的保水情況，為秸稈的有效利用與農(nóng)業(yè)節(jié)水的合理結(jié)合提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2011年9—12月在陜西省楊凌區(qū)中國科學(xué)院/水利部水土保持研究所土壤－植物營養(yǎng)研究試驗地進行。楊凌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原西部，地處東經(jīng) 107°59'—108°08'、北 緯 34°14'—34°20'，海 拔418.0—540.1 m，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，冬季平均氣溫2℃，夏季平均氣溫27℃，多年平均氣溫12.5℃，極端最高氣溫42℃、最低氣溫－19.4℃，年均日照時數(shù)2 153.8 h，無霜期210 d，年均降水量632 mm，主要集中在8—9月，降水分配不均勻，年均蒸發(fā)量1 400 mm左右，蒸發(fā)量明顯大于降水量。

1.2 試驗材料與設(shè)計

1.2.1 試驗材料

綠色保濕增肥塊是研制的最新材料(不含水)，基本組成是秸稈碎末、保水劑等，是一種長、寬、高分別為9.0、8.7、1.5 cm 的固體塊，中間有個直徑為 2.0 cm 的圓孔，平均重量為83.145 g，吸水后可以迅速分解成細小的顆粒。試驗所用土壤為中壤土，將土壤在自然狀態(tài)下晾干，過0.5 cm篩，裝盆后土壤容重為 1.35 g/cm3，試驗前測得含水量為5.23%。

1.2.2 試驗設(shè)計

根據(jù)不同的使用量，采用以下3種處理:①對照(CK)，不加G塊;②處理Ⅰ，添加一塊G塊;③處理Ⅱ，添加兩塊G塊。

試驗采用盆裝試驗的方式，花盆是普通的塑料盆，底部無洞，上口平均直徑為20.0 cm，高度為18.0 cm，平均質(zhì)量為0.150 kg。盆內(nèi)分別添加土壤、G塊，使各處理連花盆總質(zhì)量均為4.000 kg。把G塊橫著埋入土壤表層下大約5.0 cm深處，然后加入1.500 kg的水，水直接倒在土壤表層，使其自動下滲，最后各處理花盆總質(zhì)量均為5.500 kg。試驗重復(fù)3次，采用隨機排列方式，放在室外自然條件下，下雨或陰天把花盆放入四周無遮擋、頂部為弓形塑料板的棚子內(nèi)。

1.3 測量項目與方法

試驗從9月22日開始。由于試驗期間降雨和陰天較多，導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)較少，所以每2 d記錄一次總質(zhì)量。試驗方法采用稱量法，每次減少的量即蒸發(fā)量。稱量工具采用上海申橫電子有限公司制造的電子秤，最大稱量為30 kg，分度值為10 g。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠色保濕增肥塊對土壤水分蒸發(fā)量的影響

綠色保濕增肥塊對蒸發(fā)量的影響見圖1，結(jié)果表明G塊對土壤蒸發(fā)的影響顯著。試驗前期，加入G塊的土壤蒸發(fā)較快，并且加入兩塊的蒸發(fā)最快，原因是處理Ⅰ和處理Ⅱ中的土壤加入水后表層會有一個凸起，加入兩塊的凸起最大，土壤表層的凸起導(dǎo)致土壤表層有很多裂縫。土壤表層有凸起的原因是G塊吸水后會迅速膨脹，而G塊僅埋在土壤表層下5 cm左右，土壤是過0.5 cm篩的細顆粒，壓力不夠，導(dǎo)致凸起。G塊吸水膨脹后，在土壤里形成海綿狀的透氣層，這為植物根的生長提供了有利條件，透氣層也可以儲存大量的水分，減少水分向下的滲透，從而提高水分利用率。李鳳博等人的研究也表明秸稈還田可以降低土壤的容重和堅實度，增加總孔隙度和非毛管孔隙度［12］。從圖1可以看出，隨著試驗的進行，處理Ⅰ和處理Ⅱ的蒸發(fā)量慢慢地減少，試驗開始后19 d(第10組數(shù)據(jù))，對照中的土壤水分蒸發(fā)量超過處理Ⅰ和處理Ⅱ，以后幾乎都是對照土壤水分蒸發(fā)得快。原因是處理Ⅰ和處理Ⅱ中的G塊吸水后膨脹，使土壤變得疏松，水分很快下滲到土壤下層，另外G塊含有少量保水劑，具有保水的作用，而對照加入水后，土壤表層的水分飽和后水分才會滲透到下層，導(dǎo)致表層水分較多，蒸發(fā)較快。

在理想狀態(tài)下，試驗開始階段土壤水分最多，蒸發(fā)應(yīng)該最快，后期慢慢減少。由于溫度和降雨的影響，使得試驗過程中土壤水分蒸發(fā)量變化較大，最大蒸發(fā)量為145 g/2d，最小蒸發(fā)量為0，平均蒸發(fā)量較小，其中對照為 37.59 g/2d、處理Ⅰ為 35.82 g/2d、處理Ⅱ為33.79 g/2d。與對照相比，處理Ⅰ和處理Ⅱ每2 d減少的蒸發(fā)量分別為4.94%和11.25%。平均蒸發(fā)量比較小的原因是試驗是從9月22日開始的，那時大氣溫度已開始降低，并且試驗期間降雨較多，空氣濕度較大，而蒸發(fā)強度取決于土壤表層的水汽壓和土壤表層大氣中水汽壓的差值，當水汽壓差＞0時土壤水分蒸發(fā)，當差值=0時蒸發(fā)為0，當差值＜0時大氣中的水汽進入土壤［3］，因此空氣濕度較大時，兩者的水汽壓差較小，導(dǎo)致蒸發(fā)較慢。

圖1 保濕增肥塊對土壤水分蒸發(fā)量的影響

2.2 綠色保濕增肥塊對土壤水分累計蒸發(fā)量的影響

G塊對土壤水分累計蒸發(fā)量的影響見圖2。從圖2中可以看出:試驗開始的前30 d(第1—15組數(shù)據(jù))，土壤水分累計蒸發(fā)量處于迅速增加階段;第31—40 d土壤水分累計蒸發(fā)量處于緩慢增加階段;第41—46 d土壤水分累計蒸發(fā)量幾乎不再增加，處于平穩(wěn)階段;而48 d以后，土壤水分累計蒸發(fā)量又開始緩慢增加。平穩(wěn)后又緩慢增加的原因是，平穩(wěn)期間降雨量較大，溫度較低，導(dǎo)致蒸發(fā)極少，天氣好轉(zhuǎn)后，溫度回升，蒸發(fā)又開始增強。

圖2 保濕增肥塊對土壤水分累計蒸發(fā)量的影響

本試驗把土壤水分累計蒸發(fā)量分為迅速增加、緩慢增加和平穩(wěn)3個階段。王征友等［3］把土壤水分蒸發(fā)量分為以下3個階段:初期固定蒸發(fā)速率階段;蒸發(fā)速率遞減階段;蒸發(fā)消滯階段。蔡樹英等［13］的研究表明，當蒸發(fā)進行到大約18 d時，土壤表層會形成很小一層干土，土壤水分蒸發(fā)量就會減少。與本試驗相比，蔡樹英等的試驗到緩慢增加階段的時間明顯縮短，原因是他們的試驗是在室內(nèi)進行的，溫度較高，受天氣影響很小。

2.3 綠色保濕增肥塊對土壤含水量的影響

試驗開始時土壤含水量為46.67%，之后隨著時間增加含水量逐漸減小，結(jié)果見圖3。開始時對照土壤水分蒸發(fā)慢，所以土壤含水量相對較大，隨著試驗的進行，處理Ⅰ和處理Ⅱ都減少了土壤水分的蒸發(fā)，試驗結(jié)束后處理Ⅰ和處理Ⅱ分別提高土壤含水量14.24%和30.63%?？梢酝茢啵寥乐屑拥腉塊越多，保水效果越好，但單位體積土壤中加入G塊的最優(yōu)量是多少還需要進一步研究。試驗開始28 d，處理Ⅰ和處理Ⅱ的土壤含水量開始大于對照，此時對照中土壤含水量為20.27%，處理Ⅰ中土壤含水量為20.59%，處理Ⅱ中為21.53%。從圖1可以看出，對照的土壤水分蒸發(fā)量開始大于處理Ⅰ和處理Ⅱ時為20 d時，而從圖3可看出，此時對照、處理Ⅰ和處理Ⅱ的土壤含水量分別為30.41%、29.09%、28.83%，說明 G塊的保濕作用在土壤含水量為30%左右才開始顯示出來，試驗前期由于試驗土壤表層凸起造成的裂縫和天氣原因?qū)е翯塊的保濕效果不明顯。由此可知，土壤表層裂縫會掩蓋部分試驗結(jié)果，對試驗產(chǎn)生負面影響，所以在做與表層土壤相關(guān)的試驗時應(yīng)盡量避免土壤表層有裂縫。

圖3 保濕增肥塊對土壤含水量的影響

3 結(jié)論

綠色保濕增肥塊是利用作物秸稈和保水物質(zhì)通過物理原理壓制而成的保水增肥新型材料，其對土壤水分的蒸發(fā)產(chǎn)生的影響表現(xiàn)在:①G塊減少了土壤水分的蒸發(fā)，提高了土壤的含水量，平均蒸發(fā)量對照為37.59 g/2d，處理Ⅰ為 35.82 g/2d，處理Ⅱ為 33.79 g/2d，與對照相比，處理Ⅰ和處理Ⅱ每2 d減少的蒸發(fā)量分別為4.94%和11.25%，試驗結(jié)束后處理Ⅰ和處理Ⅱ提高土壤含水量分別為14.24%和30.63%。②G塊吸水后可以在土壤內(nèi)部形成透氣層，使水分滯留在透氣層內(nèi)，從而使植物可以不斷地吸收到水分，提高了水分的利用率。③溫度和空氣濕度是影響土壤水分蒸發(fā)的主要因素，試驗過程中最大蒸發(fā)量為145 g/2d，最小蒸發(fā)量為0，變化較大。④土壤水分的蒸發(fā)可以分為迅速增加、緩慢增加和平穩(wěn)3個階段，并隨著環(huán)境的改變而稍有變化。⑤土壤表層有裂縫對土壤水分蒸發(fā)影響較大，在做與土壤表層相關(guān)的試驗時應(yīng)盡量避免土壤表層有裂縫。

水資源是限制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要條件，因而農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的發(fā)展非常迅速，并取得了很多成果［14－16］。中國的秸稈資源量大，其利用主要以秸稈還田、燃燒和飼料為主，其中東北和華東地區(qū)秸稈主要用作燃燒(比例接近50%)。秸稈燃燒既浪費了資源也污染了環(huán)境，把農(nóng)業(yè)節(jié)水與秸稈還田合理結(jié)合起來，是解決中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑和措施。綠色保濕增肥塊是最新研究的廉價、功能多的綠色產(chǎn)品，既能保水解決水資源的問題，也能增加作物秸稈的還田量，解決秸稈燃燒帶來的環(huán)境問題，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了良機。

［1］黃昌勇.土壤學(xué)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000:98－110.

［2］Hillel D.Environmental Soil Physics［M］.San Diego:Academic Press，1998.

［3］王征友.土壤水分蒸發(fā)的影響因素分析［J］.山西水利，2003(2):26－29.

［4］Ventura F，Snyder R L，Bali K M.Estimating evaporation from bare soil using soil moisture data［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2006，132(2):153 －158.

［5］史文娟，沈冰，汪志榮，等.夾砂層狀土壤潛水蒸發(fā)特性及計算模型［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(2):17 －20.

［6］Mutziger A J，Burt C M，Howes D J，et al.Comparison of measured and FAO-56 modeled evaporation from bare soil［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2005，131(1):59－72.

［7］劉建中.利用植物自身潛力提高土壤中磷的生物有效性［J］.生態(tài)農(nóng)業(yè)研究，1994(2):16 －23.

［8］朱玉芹，岳玉蘭.玉米秸稈還田培肥地力研究綜述［J］.玉米科學(xué)，2004，12(3):106 －108.

［9］武志杰，張海軍，許廣山，等.玉米秸稈還田培肥土壤的效果［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13(5):539 －542.

［10］顏麗，宋楊，賀靖，等.玉米秸稈還田時間和還田方式對土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響［J］.土壤通報，2004，35(2):143－148.

［11］高利偉，馬林，張衛(wèi)峰，等.中國作物秸稈養(yǎng)分資源數(shù)量估算及其利用狀況［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(7):173－179.

［12］李鳳博，牛永志，高文玲，等.耕作方式和秸稈還田對直播稻田土壤理化性質(zhì)及其產(chǎn)量的影響［J］.土壤通報，2008，39(3):549－552.

［13］蔡樹英，張瑜芳.溫度影響下土壤水分蒸發(fā)的數(shù)值分析［J］.水利學(xué)報，1991(11):1 －8.

［14］徐建新，商崇菊，曹玉升，等.集雨節(jié)灌工程綜合效益評價方法研究［J］.灌溉排水學(xué)報，2006，17(4):24 －27.

［15］崔治芬，王玉英，孫敏章，等.基于AHP和Rough Set的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)綜合評價［J］.生態(tài)學(xué)報，2012，32(3):931－941.

［16］劉曉敏，夏來坤，王慧軍.黑龍港區(qū)小麥玉米農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)集成模式綜合評價及推廣建議［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27(4):268 －275.