腐殖酸對濱海黏質(zhì)鹽土持水性能的影響

郭同鎧，毛偉兵，孫玉霞，夏立娟

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018）

0 引 言

黃河三角洲是我國東部沿海土地后備資源最多的地區(qū)，區(qū)內(nèi)未利用土地5.01×105hm2，約占山東省未利用土地面積的 33%。受自然環(huán)境等多因素影響，區(qū)域內(nèi)鹽堿土占總面積的 31.14%，特別是濱州、東營等地，鹽堿土總面積超過 50%[1-2]。黏質(zhì)鹽土是黃河三角洲地區(qū)最重要的土壤類型，各類黏質(zhì)鹽土占黃河三角洲鹽堿土總面積的42.16%[3-4]。土地退化、土壤鹽堿化、生態(tài)環(huán)境惡化等多種資源環(huán)境問題交織的嚴(yán)峻局面，嚴(yán)重影響黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。王睿彤等[5]通過研究土壤改良劑對黃河三角洲鹽堿土的生化特性得出：牛糞、石膏和秸稈改良效果明顯。盧星辰等[6]通過研究不同改良材料對黃河三角洲鹽堿土改良效果，確定了蚯蚓糞、脫硫石膏、沸石和糠醛渣配施改良效果明顯。侯亞玲等[7]通過研究枯草芽孢桿菌對鹽堿土水分運動的影響，得出枯草芽孢桿菌可以有效降低土壤水分運動?？紫榍宓萚8]通過研究生物炭對鹽堿土理化性質(zhì)的影響，明確生物炭可以提高土壤滲透速率，提高土壤水分運動性。同時，蚯蚓柱、硫酸鋁等也是優(yōu)質(zhì)改良材料[9-10]。Abel等[11]研究了生物炭對土壤持水能力的影響，得出生物炭可以保持土壤水分。腐殖酸是自然界中一類芳香稠環(huán)聚合程度不同的含雜環(huán)有機化合物,具有改良土壤，增加土壤有機質(zhì)，提高土壤肥力的功能。然而目前國內(nèi)外鮮有針對腐殖酸改變土壤持水性能的相關(guān)研究，特別是針對黏質(zhì)鹽土的報道。本研究通過探討不同腐殖酸配比下黏質(zhì)鹽土持水性能變化，旨在揭示腐殖酸對黏質(zhì)鹽土持水性影響規(guī)律，同時為黏質(zhì)鹽土改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗用土取自山東省濱州市陽信縣水落坡鄉(xiāng)洼里趙村（37°35′22″N，117°59′46″E），腐殖酸基礎(chǔ)材料來自山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司。將風(fēng)干鹽堿土和腐殖酸按照試驗設(shè)計質(zhì)量進行稱量，試驗設(shè)計體積質(zhì)量模擬田間土壤體積質(zhì)量為1.49 g/cm3，土和腐殖酸總質(zhì)量不變，腐殖酸配比按0、450、3 600 kg/hm2進行混合，壓制成高1 cm、直徑5 cm的土餅于環(huán)刀。試驗共9組，分別按T0—T8編號，每組3次重復(fù)，具體配比如表1所示。黏質(zhì)鹽土加入腐殖酸后進行恒溫箱30 ℃培養(yǎng)40 d后，采用1500F1型壓力膜儀測定各組處理土壤水分特征曲線。土壤含水率由烘干法測定。飽和導(dǎo)水率由KSAT飽和導(dǎo)水率儀測定。土壤蒸發(fā)試驗使用直徑20 cm、高10 cm的圓柱形PVC管，將土壤按照體積質(zhì)量1.49 g/cm3，壓制成2 cm厚的土餅，土壤飽和后在恒溫60 ℃條件下持續(xù)蒸發(fā) 12 h。土壤飽和導(dǎo)水率和土壤蒸發(fā)腐殖酸配比與土壤水分特征曲線測定試驗相同。

表1 土壤水分特征曲線測定試驗中材料配量Table 1 Determination of material content in soil moisture characteristic curve test

1.2 研究方法

采用van Genuchten模型（VG模型）進行土壤水分特征曲線擬合，VG模型具有擬合精度高、適應(yīng)性廣泛的優(yōu)點[12-15]。VG方程表達式：

式中：w為土壤含水率（%）；wr為土壤殘余含水率（%）；ws是土壤飽和含水率（%）；h是土壤水吸力（mH2O）；α、n和m是方程參數(shù)。含水率單位均為體積含水率。

利用已知 VG模型進行參數(shù)求解，利用 matlab中的lsqcurve fit函數(shù)進行非線性最小二乘法求解?；緮?shù)學(xué)模型為：

通過輸入xdata值和得到的ydata值，找出與函數(shù)F（x，xdata）的最佳擬合值x。本文中VG方程僅需要求得參數(shù)α和n（n中含m，m=1-1/n）。

采用均方根誤差（RMSE）評價模型擬合效果，表達式為：

式中：N為設(shè)定壓力總個數(shù)；Pi為第i個壓力值所對應(yīng)的土壤含水率模擬值；θi為第i個壓力值對應(yīng)的土壤含水率實測值。RMSE是定量描述實測值和擬合值關(guān)系的指標(biāo)，該值越小則擬合越好[16-17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐殖酸添加量對土壤水分特征曲線的影響

2.1.1 腐殖酸添加量土壤水分特征曲線擬合

采用matlab軟件中的VG模型對土壤水分特征曲線實測值進行擬合，得到R2取值范圍為0.956~0.999，擬合度較高（表 2）。通過計算不同水吸力下土壤含水率實測值和擬合值間的均方根誤差，結(jié)果為RMSE＜0.017 6，擬合效果較好，表明使用VG模型對腐殖酸配施后的黏質(zhì)鹽土水分特征曲線擬合非常吻合，可以用于表示配施腐殖酸的黏質(zhì)鹽土水分特征曲線。

2.1.2 腐殖酸添加量對土壤水分特征曲線的影響

隨著腐殖酸施加量增加，土壤水分特征曲線發(fā)生顯著變化，即土壤水分特征曲線曲率顯著變?。▓D1）。在低吸力段（＜1.0×105Pa）的較窄范圍內(nèi)，曲線斜率較大，隨著水吸力的增加，土壤含水率急劇下降，可以看出土壤持水能力隨腐殖酸配施量增加而增加。在中吸力段（1.0×105~15×105Pa）的區(qū)間內(nèi)，隨著土壤水吸力增加，土壤含水率下降明顯變緩，且逐漸穩(wěn)定，持水能力大小與低吸力段相同。高吸力段（＞15×105Pa），屬于凋萎含水率以下的無效水，基本無法被作物吸收。在同一水吸力下，土壤含水率隨腐殖酸添加量的增加而增加，說明土壤持水能力增強。不同腐殖酸添加量的處理持水能力大小依次是：T0處理＜T1處理＜T2處理＜T3處理＜T4處理＜T5處理＜T6處理＜T7處理＜T8處理。

2.2 腐殖酸添加量對土壤水分常數(shù)的影響

腐殖酸對土壤水分常數(shù)影響顯著，隨著腐殖酸添加量增加，土壤飽和含水率、土壤田間持水率、土壤毛管含水率和土壤凋萎含水率均呈上升趨勢（圖2）。與T0處理相比，各處理土壤飽和含水率分別增加了6.24%、13.68%、5.50%、8.10%、11.51%、7.97%、8.63、9.87%，其中T2和T5處理增加顯著。土壤田間持水率分別增加了 13.01%、21.92%、34.25%、44.77%、53.82%、69.84%、68.63%、77.89%。土壤毛管含水率分別增加了 12.96%、20.34%、19.97%、25.02%、29.80%、28.35%、29.02%、30.98%。土壤凋萎含水量除T1處理外，分別增加了15.97%、13.69%、19.10%、24.56%、27.44%、19.00%、35.24%，T1處理降低了1.65%。說明腐殖酸能有效提高土壤水分常數(shù)，即提高土壤含水率，有利于作物生長和作物產(chǎn)量，對改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境有重要作用。

2.3 腐殖酸添加量對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

隨著腐殖酸施加量的增加，土壤飽和導(dǎo)水率呈增加趨勢（圖3）。與T0處理相比，除T6處理外，其余處理土壤飽和含水率分別增加了 5.59%、36.96%、8.59%、8.70%、59.52%、73.29%、128.05%，T6處理與T0處理相比降低了2.17%，其中T2處理和T5處理增加最為明顯。表明添加腐殖酸可以增加土壤飽和導(dǎo)水率，對土壤水分運動有促進作用，對黏質(zhì)鹽土鹽分淋洗具有促進作用。

圖3 不同腐殖酸施加量對飽和導(dǎo)水率的影響Fig.3 Effect of different humic acid application on saturated hydraulic conductivity

2.4 腐殖酸添加量對土壤水分蒸發(fā)的影響

隨著腐殖酸施加量的增加，土壤水分蒸發(fā)量呈先上升后降低趨勢（圖4）。在6 h累計蒸發(fā)中，T1處理、T6－T8處理與T0處理相比分別增加了5.29%、3.65%、2.13%、7.46%，T2－T5處理與T0處理相比分別降低了 4.66%、3.89%、7.47%、5.39%。以 T4處理降低最為明顯，說明T4處理保水能力最強。在12 h累計蒸發(fā)中，T1處理和T5－T8處理與T0處理相比分別增加了 3.45%、2.15%、7.08%、11.07%、13.68%，T2－T4處理與 T0處理相比分別降低了2.82%、0.40%、2.68%。以T2和T4處理降低最為明顯，說明T2處理和T4處理保水性最強。但是腐殖酸添加量對土壤水分蒸發(fā)影響不顯著（p<0.05）。

圖4 土壤累計蒸發(fā)量Fig.4 Cumulative soil evaporation

3 討 論

本文通過對不同腐殖酸配施量下黏質(zhì)鹽土進行土壤水分特征曲線、飽和導(dǎo)水率和土壤蒸發(fā)量測定，定量分析了腐殖酸對土壤持水性能的影響，明確了腐殖酸對土壤水分特征曲線、土壤水分常數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率和土壤水分蒸發(fā)的影響，得出了在各試驗處理下，土壤持水能力最強的腐殖酸配比，使試驗結(jié)論更具有現(xiàn)實意義。黏質(zhì)鹽土配施腐殖酸后，土壤水分含量升高，是因為黏質(zhì)鹽土質(zhì)地黏重，透水性能差，導(dǎo)致水分積聚于土壤表面進而產(chǎn)生水分蒸發(fā)，而腐殖酸能提高黏質(zhì)鹽土含水率，增強土壤飽和導(dǎo)水率，促進鹽分淋洗，改善土壤物理性狀，從而對黏質(zhì)鹽土改良有重要意義。腐殖酸對土壤飽和導(dǎo)水率的影響研究較少，本文針對土壤飽和導(dǎo)水率和腐殖酸配施量展開研究，腐殖酸是大分子有機化合物，分子外有很多具有親水性官能團，水分聚集于官能團的吸附位點上[18]，當(dāng)土壤飽和時，土壤孔隙水分運動帶動官能團上的水分運動，使土壤水分運動性增加，試驗結(jié)果表明腐殖酸能有效提高黏質(zhì)鹽土飽和導(dǎo)水率，對土壤水分運動與鹽分淋洗具有積極的促進作用。在土壤水分蒸發(fā)過程中，分析土壤蒸發(fā)量與腐殖酸配施量的關(guān)系，由試驗數(shù)據(jù)得出腐殖酸在T2—T4處理配比下蒸發(fā)量較少，主要原因是T5—T8處理腐殖酸配施多，腐殖酸具有較強的吸水性，導(dǎo)致土壤初始含水量較高，初始含水率對蒸發(fā)的影響大于腐殖酸吸水性，導(dǎo)致蒸發(fā)量升高，但在蒸發(fā)條件下，腐殖酸仍能保持土壤水分，增強土壤持水能力，降低土壤水分蒸發(fā)強度。腐殖酸不僅增強了黏質(zhì)鹽土持水性，保證作物生長用水，還提高了飽和導(dǎo)水率，促進鹽分淋洗，降低土壤水分蒸發(fā)量，增強土壤持水保水性能。

黃河三角洲地區(qū)土壤鹽堿化嚴(yán)重、土壤質(zhì)地黏重、物理性狀不良，鹽害十分嚴(yán)重，導(dǎo)致作物產(chǎn)量低下，甚至寸草不生，土壤資源難以利用[19-22]。腐殖酸質(zhì)地較輕，營養(yǎng)成分高，將腐殖酸施加到黏質(zhì)鹽土中，對土壤水分提高起到了一定的改善作用，與前人研究結(jié)果基本一致[23-24]。隨腐殖酸的添加量增加，土壤含水率升高，這一結(jié)論與顧鑫的研究結(jié)果基本一致[25]。

900 kg/hm2的腐殖酸配施量下的黏質(zhì)鹽土飽和導(dǎo)水率提升顯著，土壤持水保水能力增強最明顯，可為田間試驗提供理論基礎(chǔ)，為研究田間適用性與田間實際情況的效果奠定基礎(chǔ)。后續(xù)應(yīng)進行田間腐殖酸配施量下的黏質(zhì)鹽土改良試驗，以證實試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外應(yīng)針對土壤持水能力和腐殖酸配施量變化，進行定量的關(guān)系研究，從機理層面解決土壤持水能力變化與腐殖酸的關(guān)系。

4 結(jié) 論

1）VG模型擬合濱海鹽堿土土壤水分特征曲線具有較好的效果，且參數(shù)α隨腐殖酸配施量的增加發(fā)生明顯降低，從0.014 5到0.001 1，參數(shù)n明顯升高，從1.314 4增加到1.710 1。

2）從VG模型參數(shù)α和n和土壤水分特征曲線可以看出，腐殖酸對濱海黏質(zhì)鹽土持水能力有明顯提高作用。

3）隨腐殖酸配施量增加，土壤飽和導(dǎo)水率提高，T2處理和 T5處理升高最明顯，比對照分別提高了38.69%、64.13%，有利于促進黏質(zhì)鹽土洗鹽、排鹽。

4）在6 h累計蒸發(fā)中，T4處理保水性最強。在12 h累計蒸發(fā)中，T2處理和T4處理保水性最強，因此在蒸發(fā)條件下，T4處理的保水性最強。