沼液理化性質(zhì)對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

鄭 健， 殷李高， 李欣怡， 潘占鵬， 顏 斐

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050； 3.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 蘭州 730050)

土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)是指土壤全部孔隙都充滿水的情況下，在單位水勢(shì)梯度作用下，通過垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量或滲流速度[1]。它是表示孔隙介質(zhì)透水性能的綜合比例參數(shù)[2]，同時(shí)也被作為研究土壤水分運(yùn)移規(guī)律和影響水文模型精度的重要水力參數(shù)[3-4]。目前，國內(nèi)外對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的研究多集中在測(cè)定方法和模型預(yù)測(cè)的研究，在影響飽和水分運(yùn)動(dòng)因素上，主要是集中在對(duì)土壤的容重[5]、有機(jī)質(zhì)含量[6]、溫度[7]、孔隙度[8]、初始含水率[9]、pH值[10]等方面，但關(guān)于不同灌溉介質(zhì)對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率影響的相關(guān)的研究相對(duì)較少。

近年來，戶用沼氣和規(guī)?；託夤こ贪l(fā)展迅速，利用生物質(zhì)能已經(jīng)是我國村鎮(zhèn)能源建設(shè)的主要方向之一[11]。截至2015年底，我國已有5000多萬口戶用沼氣池,但沼氣的生產(chǎn)伴隨著沼液的產(chǎn)生，大量沼液的隨意排放，必然會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害[12]。而沼液是人畜糞便、秸稈等有機(jī)物經(jīng)過厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的殘留物，是一種養(yǎng)分全面、速緩肥效兼?zhèn)涞膬?yōu)質(zhì)有機(jī)肥料[13]。研究表明，沼液施用后能夠提高作物的產(chǎn)量品質(zhì)，改善作物根區(qū)土壤環(huán)境[13-14]，但沼液施用量和施用周期的不合理，不但會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染，同時(shí)也是對(duì)資源的極大浪費(fèi)[15]，因此在沼液的施用過程中應(yīng)充分考慮作物和農(nóng)田對(duì)于沼液的承載能力[12]，獲得合理的灌溉制度。而要解決這個(gè)問題首先就要探明影響沼液水分、養(yǎng)分在土壤中運(yùn)移、分布規(guī)律的重要影響參數(shù)—土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)。

基于此，文章將采用變水頭滲透試驗(yàn)的方法，來測(cè)定不同沼液配比在不同土壤容重下對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響，通過分析沼液理化性質(zhì)對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響進(jìn)一步為獲得合理的沼液配比、制定合理的沼液灌溉制度及灌溉模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年5月至8月在蘭州理工大學(xué)水利水電工程研究所實(shí)驗(yàn)室內(nèi)(36°06′N，103°78′E)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室位于一層，層高6 m，空間較大，且安裝有空調(diào)，在試驗(yàn)周期內(nèi)能夠保持溫度變化±2℃，故可不考慮溫度對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自甘肅省蘭州市魏嶺鄉(xiāng)狗牙村正常耕作的農(nóng)田，采集土層深度為0～40 cm，土樣采集后自然風(fēng)干、碾壓、均勻混合、過2 mm篩備用，并采用TM-85土壤甲種比重計(jì)進(jìn)行土壤粒徑分析，結(jié)果如表1所示，按國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，供試土樣為粉壤土。

表1 試驗(yàn)土壤的機(jī)械組成 (%)

1.2.2 試驗(yàn)沼液

試驗(yàn)用的沼液取自蘭州市花莊鎮(zhèn)的甘肅荷斯坦良種奶牛繁育中心正常發(fā)酵、正常產(chǎn)氣的沼氣池中，經(jīng)曝氣靜置2個(gè)月，待其理化性質(zhì)穩(wěn)定后備用，該沼氣工程以牛糞為發(fā)酵原料。沼液原液pH值為7.23，有機(jī)質(zhì)含量10.75 g·L-1，全氮含量為1.036 g·L-1，全磷含量為0.533 g·L-1，全鉀含量為1.186 g·L-1，試驗(yàn)前用4層紗布(32目)過濾掉沼液中較大的懸浮顆粒備用。

1.3 試驗(yàn)方法及裝置

試驗(yàn)在蘭州理工大學(xué)水利水電工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，土壤飽和導(dǎo)水率采用變水頭滲透試驗(yàn)法測(cè)定(結(jié)果換算成10℃下的飽和導(dǎo)水率)[16]。試驗(yàn)設(shè)備采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TST-55滲透儀，試驗(yàn)裝置如下圖1所示。

1.滲透容器； 2.進(jìn)水管夾； 3.變水頭管； 4.供水瓶； 5.接水源管； 6.排氣水管； 7.出水管

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置原液，1∶1(體積比 沼液∶水)，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10等11個(gè)沼液配比，處理編號(hào)分別為T1～T11，并設(shè)置1個(gè)純水的對(duì)照組CK。根據(jù)當(dāng)?shù)靥镩g土壤容重情況，試驗(yàn)設(shè)置1.35 g·cm-3和1.40 g·cm-3兩個(gè)土壤容重。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目和方法

靜置穩(wěn)定以后沼液黏度采用比較法測(cè)量(奧氏黏度計(jì))，靜置穩(wěn)定以后的沼液電導(dǎo)率用電導(dǎo)率儀測(cè)量(上海雷磁，DDS-11A型)，靜置穩(wěn)定后的沼液pH值采用pH計(jì)電位法測(cè)定(PHS-25型便攜式pH計(jì)，上海雷磁)，沼液干物質(zhì)的量用烘干稱量法測(cè)定。

1.6 數(shù)據(jù)分析和處理

采用SPSS20.0軟件進(jìn)行多元逐步回歸分析，數(shù)值擬合采用Origin9.0軟件，圖表繪制采用Origin9.0和Excel2017軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液配比對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

為了便于比較和數(shù)據(jù)分析，將沼液配比換成小數(shù)形式表示。從圖2中可以看出，土壤容重為1.35 g·cm-3的土壤飽和導(dǎo)水率在不同沼液配比處理下均高于1.40 g·cm-3；同時(shí)，從試驗(yàn)結(jié)果可知，CK在1.35 g·cm-3和1.40 g·cm-3土壤容重下的土壤飽和導(dǎo)水率為0.009 cm·min-1和0.007 cm·min-1，T11處理僅為0.00169 cm·min-1和0.00135 cm·min-1，表明沼液對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率會(huì)產(chǎn)生較大影響；不同沼液配比土壤飽和導(dǎo)水率亦不相同，隨沼液配比增大土壤飽和導(dǎo)水率呈下降趨勢(shì)。為進(jìn)一步探求沼液配比對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響規(guī)律，將不同沼液配比與土壤飽和導(dǎo)水率數(shù)值進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明，土壤飽和導(dǎo)水率和沼液配比呈很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度R2均大于0.98，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為F=1492.65，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=1044.39，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 沼液電導(dǎo)率對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

電導(dǎo)率是一個(gè)用來表征溶液傳導(dǎo)電流的性能，該性質(zhì)會(huì)引起土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的改變，從而影響土壤飽和導(dǎo)水率。如圖3所示，在不同土壤容重條件下土壤飽和導(dǎo)水率均隨沼液電導(dǎo)率的增加而減?。煌瑫r(shí)試驗(yàn)測(cè)得的純水電導(dǎo)率僅為0.01 ms·cm-1，遠(yuǎn)小于不同沼液配比的電導(dǎo)率值(例如配比最低的T11處理，其電導(dǎo)率值為2.23)，說明在沼液入滲過程中沼液電導(dǎo)率對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響較大。為進(jìn)一步探求沼液電導(dǎo)率對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響規(guī)律，將不同沼液電導(dǎo)率與土壤飽和導(dǎo)水率數(shù)值進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明：兩個(gè)容重條件下的擬合優(yōu)度R2均大于0.98，土壤飽和導(dǎo)水率和沼液電導(dǎo)率呈很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為F=1609.04，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=1188.34，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明指數(shù)函數(shù)方程可以反映土壤飽和導(dǎo)水率隨沼液電導(dǎo)率增減的變化特征。

圖2 不同容重條件下土壤飽和導(dǎo)水率與沼液配比的擬合趨勢(shì)圖

圖3 沼液電導(dǎo)率與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

2.3 沼液黏度對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

黏度是一個(gè)用來表征液體流動(dòng)難易程度的物理量，該性質(zhì)對(duì)于液體入滲過程有著重要的影響。試驗(yàn)中測(cè)得純水黏度為0.894×10-3p·s，均小于各處理的沼液黏度。由圖4可以看出，在不同土壤容重條件下土壤飽和導(dǎo)水率均與沼液黏度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即Ks隨沼液黏度的增大而減小，說明沼液黏度對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率存在一定影響。為了探求沼液黏度和土壤飽和導(dǎo)水率的變化規(guī)律，將所測(cè)數(shù)值進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)值擬合分析，結(jié)果表明，兩個(gè)容重條件下的擬合優(yōu)度R2均大于0.98，土壤飽和導(dǎo)水率和沼液黏度呈很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為F=1032.70，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=1285.82，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖4 沼液黏度與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

2.4 沼液干物質(zhì)量對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

沼液干物質(zhì)量反映了不同沼液配比中的無機(jī)鹽、有機(jī)質(zhì)以及微粒等含量的高低程度，而這些物質(zhì)對(duì)沼液溶液的入滲過程有著很大的影響[17]。試驗(yàn)中CK(純水)的干物質(zhì)的量以0計(jì)。由圖5可知，在不同容重條件下，土壤飽和導(dǎo)水率均與沼液干物質(zhì)的量呈負(fù)相關(guān)，即土壤飽和導(dǎo)水率隨沼液干物質(zhì)的量的變大而變小，表明沼液干物質(zhì)量的多少影響了土壤飽和導(dǎo)水率。為進(jìn)一步探求兩者之間的變化規(guī)律，將沼液干物質(zhì)的量與土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)不同土壤容重條件下不同配比沼液的干物質(zhì)量與土壤飽和導(dǎo)水率呈很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度均大于0.98，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別為F=1158.45，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=1247.58，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.5 沼液pH值對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

如圖6所示，不同容重條件下，土壤飽和導(dǎo)水率均隨沼液pH值的增大而減小，但不同沼液配比其pH值差異不大，為進(jìn)一步分析pH值微小差異對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響，將不同處理的沼液pH值與測(cè)得土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行數(shù)值擬合，發(fā)現(xiàn)不同處理的沼液pH值和土壤飽和導(dǎo)水率呈很好的拋物線關(guān)系，擬合優(yōu)度均大于0.97。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別為F=788.03，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=785.91，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，采用一元二次函數(shù)方程能夠反映土壤飽和導(dǎo)水率隨沼液pH值增減的變化特征。

圖5 沼液干物質(zhì)的量與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

圖6 沼液pH值與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

2.6 多元逐步回歸分析

由表2中沼液理化因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的相關(guān)分析可以看出，沼液的理化性質(zhì)均與土壤飽和導(dǎo)水率具有極顯著的相關(guān)性(p<0.01)，其相關(guān)系數(shù)的大小順序?yàn)檎右焊晌镔|(zhì)的量>沼液電導(dǎo)率>沼液配比>沼液pH值>沼液黏度，但沼液在入滲的過程中，沼液的理化性質(zhì)因子存在交互作用。因此，單一影響因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的相關(guān)系數(shù)只能反映其它因子在不變化的情況下的變化規(guī)律，并不能準(zhǔn)確反映實(shí)際的沼液入滲情況下其它因子交互作用產(chǎn)生的影響，而多元逐步回歸分析方法則可以獲得每個(gè)解釋變量對(duì)被解釋變量的影響程度，當(dāng)方程出現(xiàn)異方差性，影響了回歸方程的準(zhǔn)確性，則要把這個(gè)變量剔除。因此，本文選擇多元逐步回歸分析的方法來分析因子之間的交互影響，并篩選出對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率影響最大的因子。為充分反映沼液理化性質(zhì)因子與土壤飽和導(dǎo)水率的真實(shí)關(guān)系，本文將沼液配比(X1)，沼液電導(dǎo)率(X2)，沼液黏度(X3)，沼液干物質(zhì)的量(X4)，沼液pH值(X5)五個(gè)因素作為自變量因子，以土壤飽和導(dǎo)水率作為因變量Y，采用多元逐步回歸分析，篩選出影響土壤飽和導(dǎo)水率的相對(duì)重要因子，結(jié)果為：

Y=0.088-0.012X4-0.007X3

通過檢驗(yàn)，F(xiàn)=114.91>(F0.01=2.85)，R2=0.924，p<0.001，表明回歸方程達(dá)到極顯著水平，從方程的篩選的主要因子來看，沼液干物質(zhì)含量和沼液黏度是影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因子。

表2 沼液理化因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的相關(guān)分析

注：*表示在p=0.01水平上相關(guān)性顯著。

表3說明了主要土壤因子對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的直接作用和間接作用的方向及大小(Durbin-Waston統(tǒng)計(jì)量等于0.982，接近于1，說明各個(gè)殘差間均呈正相關(guān))。土壤飽和導(dǎo)水率與其主要相關(guān)因子的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值為沼液干物質(zhì)的量>沼液黏度。沼液干物質(zhì)的量的直接通徑系數(shù)為-0.784，對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生直接的負(fù)效應(yīng)最強(qiáng)，同時(shí)又通過沼液黏度間接對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生一定的負(fù)效應(yīng)；沼液黏度對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生的直接負(fù)效應(yīng)為-0.650，同時(shí)又通過沼液pH值間接對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率一定的負(fù)效應(yīng)。

表3 沼液理化因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的通徑系數(shù)

3 討論

土壤飽和導(dǎo)水率與土壤質(zhì)地、體積質(zhì)量和孔隙度關(guān)系緊密[18]，土壤容重是土壤的一個(gè)基本物理性質(zhì)，對(duì)土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移特征以及土壤的抗侵蝕能力均有非常大的影響[19]。國內(nèi)外許多學(xué)者均證實(shí)土壤飽和導(dǎo)水率隨土壤容重的增大而減小[20-22]，本文研究進(jìn)一步證實(shí)這一觀點(diǎn)。

不同的沼液配比會(huì)致使沼液電導(dǎo)率、沼液黏度、沼液干物質(zhì)的量、沼液pH值存在差異，進(jìn)而造成沼液的入滲過程中土壤飽和導(dǎo)水率的差異。鄭健[23]等通過水平和垂直土柱入滲試驗(yàn)得出各處理的累積入滲量均隨沼液配比和土壤容重的增加而降低，這與本文研究發(fā)現(xiàn)沼液配比和土壤飽和導(dǎo)水率呈負(fù)相關(guān)系的結(jié)果研究一致。從土壤組成和物理性質(zhì)分析，粉粒的礦物組成和物理性質(zhì)一般與砂粒相似，但顆粒相對(duì)較小，具有更大的外表面積和較小的顆粒內(nèi)擴(kuò)散距離，粉粒含量的增加使得結(jié)合水膜變厚，土體中孔隙減小[24-25]，進(jìn)而降低沼液在土壤中的流動(dòng)性和土壤的滲透性，而本試驗(yàn)中所采用土壤為粉質(zhì)壤土，粉粒含量較高。本試驗(yàn)結(jié)果與唐勝強(qiáng)[26]等研究表明微咸水入滲可以增加土壤的入滲性能力的結(jié)果有差異，表明沼液自身特性與傳統(tǒng)清水、水鹽及水肥溶液存在差異。初步分析是由于試驗(yàn)測(cè)定的沼液黏度明顯高于純水，且隨沼液配比的增大而增大，而黏性大的液體其流動(dòng)性比黏性小的液體差[27]。同時(shí)，何利昌[28]等的研究表明，在入滲過程中，懸浮顆粒會(huì)堵塞土壤中的孔隙，有效降低土壤的基質(zhì)吸附作用和毛管作用，而沼液中含有一定量的有機(jī)懸浮顆粒，在入滲過程中同樣也會(huì)降低入滲速率。本試驗(yàn)中沼液電導(dǎo)率與飽和導(dǎo)水率呈負(fù)相關(guān)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這與張俐[29]等研究入滲水質(zhì)對(duì)土壤導(dǎo)水特性中電導(dǎo)率與土壤入滲性能呈正相關(guān)關(guān)系的結(jié)果存在差異，初步分析可能是由于沼液中鹽分淋洗高于土壤黏粒凝絮值，導(dǎo)致土壤黏粒膨脹堵塞了原土壤中的入滲孔隙，進(jìn)而降低了沼液入滲過程中土壤飽和導(dǎo)水率。入滲介質(zhì)的pH值也會(huì)對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生一定影響[30-31]，本試驗(yàn)中測(cè)得的沼液pH值與土壤飽和導(dǎo)水率呈負(fù)相關(guān)的拋物線關(guān)系，初步分析這主要是由于隨著pH值減小，水分?jǐn)U散度增大，引起了土壤飽和導(dǎo)水率的增加，而水分?jǐn)U散度可以反映土壤的孔隙度、空隙大小分布以及導(dǎo)水性能，這與龔恩磊[30]等研究結(jié)果相似。

本文分析結(jié)果表明，土壤飽和導(dǎo)水率會(huì)受到沼液理化性質(zhì)的影響，在研究分析沼液入滲對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率影響時(shí)，除要考慮土壤機(jī)械組成、土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)含量等土壤因素帶來的影響外，還要考慮沼液理化特性對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)論

(1)土壤飽和導(dǎo)水率隨土壤容重的增加而減??；土壤飽和導(dǎo)水率與沼液配比、沼液電導(dǎo)率、沼液黏度、沼液干物質(zhì)的量之間呈不同的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤飽和導(dǎo)水率和沼液pH值呈拋物線關(guān)系。

(2)多元逐步線性回歸分析結(jié)果表明，沼液干物質(zhì)的量和沼液黏度是沼液入滲過程中影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因子。