腐植酸對(duì)水分入滲的影響試驗(yàn)研究

何 靖，羅林濤

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安 710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,西安 710075)

0 引 言

腐植酸是一種普遍存在的、來(lái)源于植物的、棕黑色聚合酸[1]，具有弱酸性、親水性、離子交換性、絡(luò)合性、氧化還原性及生理活性等性質(zhì)。腐植酸與金屬、有機(jī)物通過(guò)復(fù)雜反應(yīng)形成絡(luò)合物來(lái)影響農(nóng)業(yè)環(huán)境[1]。現(xiàn)階段，腐植酸可以從不同成熟度的玉米植株中提取[2]，研究腐植酸的結(jié)構(gòu)和組成[3,4]，以期更好的了解腐植酸的作用。腐植酸現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤修復(fù)[5-9]等領(lǐng)域，深度參與土壤改良[10,11]、節(jié)水抗旱[12,13]、肥料增效[1]、促進(jìn)植物生長(zhǎng)[14,15]等。但腐植酸對(duì)于水分入滲的影響機(jī)理鮮有報(bào)道，且集中在對(duì)作物水分利用效率的影響研究[16]。將腐植酸溶液覆蓋在土壤表面進(jìn)行水分入滲試驗(yàn)，在前人研究的基礎(chǔ)上探討腐植酸的作用效應(yīng)，以便更好的服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)用土取自陜西省咸陽(yáng)市楊陵區(qū)水土保持研究所附近20～40 cm土層深度，將土壤風(fēng)干、研磨、過(guò)2 mm篩，制備為試驗(yàn)土樣。采用Mastersize 3000 激光粒度分析儀進(jìn)行土壤顆粒級(jí)配測(cè)定(表1)，為黏質(zhì)壤土。

表1 試驗(yàn)土壤的顆粒級(jí)配分析Tab.1 Particle size distribution of the soil

腐植酸采用風(fēng)化煤腐植酸，其成分含量為黃腐酸3.74%、水不溶物3.23%、絮凝11%、K2O 13.47%、有機(jī)質(zhì)64.37%、水分含量15.19%，pH為10.08，呈弱堿性。

試驗(yàn)裝置由馬氏瓶(內(nèi)徑×高：Φ5 cm×50 cm)、有機(jī)玻璃土柱(內(nèi)徑×高：Φ5 cm×50 cm)、可調(diào)高度鐵架(0～1.8 m)3部分組成(圖1)。試驗(yàn)時(shí)，腐植酸溶液盛放于馬氏瓶中；有機(jī)玻璃土柱在土樣裝填完成后，在其表面形成15 mm厚的積水層，進(jìn)行積水入滲。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為腐植酸一維垂直入滲的探究性試驗(yàn)，故僅考慮腐植酸溶液濃度、土壤容重和土壤初始含水率3個(gè)試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取4個(gè)不同的試驗(yàn)水平(濃度：12.5%、16.7%、25.0%、50.0%；容重：1.32、1.35、1.37、1.39 g/cm3；初始含水率：2%、5%、8%、11%)。見(jiàn)表2。

為了在減少試驗(yàn)工作量的前提下，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)L16(45)安排本次試驗(yàn)方案(表2)。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Experimental design

另增加1組空白對(duì)照試驗(yàn)(空白：清水入滲，容重1.32 g/cm3，初始含水率11%)，以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。每組試驗(yàn)方案進(jìn)行3次重復(fù)。

試驗(yàn)過(guò)程中，入滲時(shí)間的觀測(cè)按照先密后疏的原則，前10 min 內(nèi)，觀測(cè)時(shí)間間隔為1min；10～60 min 內(nèi)，觀測(cè)時(shí)間間隔為10 min；60～240 min內(nèi)，觀察時(shí)間間隔為30 min。每組試驗(yàn)方案入滲時(shí)間均為240 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 累積入滲量與入滲因素量化關(guān)系式

水分在腐植酸作用下的累積入滲量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程見(jiàn)圖2所示。

圖2 累積入滲量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律Fig.2 Dynamics of cumulative infiltration

由圖2可知：累積入滲量隨著入滲時(shí)間的累積逐漸趨于穩(wěn)定，但每一組的累積入滲量差異極大，這是由腐植酸溶液濃度、試驗(yàn)土壤容重和土壤初始含水率不同而造成。

采用多元回歸分析，構(gòu)建累積入滲量與腐植酸溶液濃度、土壤容重、土壤初始含水率和入滲時(shí)間之間的量化關(guān)系式：

I=K·ρa(bǔ)·γβ·θτ·Tμ

(1)

式中：I指水分累積入滲量，cm；K指入滲常數(shù)；ρ指腐植酸溶液濃度，%；γ指土壤容重，g/cm3；θ指土壤初始含水率，%；T指入滲時(shí)間，min；a、β、τ、μ均為各對(duì)應(yīng)變量的指數(shù)。

采用t檢驗(yàn)法分析各影響因素對(duì)累積入滲量影響的顯著程度，按α=0.05 時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)值t值為2.776。模型回歸得K、α、β、τ、μ的t值分別為-6.87、-18.14、-12.40、-7.12 和38.95，絕對(duì)值均大于2.776，表明入滲常數(shù)、腐植酸溶液濃度、土壤容重、土壤初始含水率和入滲時(shí)間對(duì)入滲量I 的影響是顯著的，且其顯著程度由大到小依次為入滲時(shí)間、腐植酸溶液濃度、土壤容重、土壤初始含水率、入滲常數(shù)；t檢驗(yàn)值大于0，表明影響因素與累積入滲量I為正相關(guān)，反之為負(fù)相關(guān)。累積入滲量與入滲時(shí)間為正相關(guān)，與入滲常數(shù)、腐植酸溶液濃度、土壤容重、土壤初始含水率為負(fù)相關(guān)。

利用試驗(yàn)16(未參與回歸分析)對(duì)回歸分析擬合的經(jīng)驗(yàn)公式(1)進(jìn)行驗(yàn)證(表3)，表明擬合經(jīng)驗(yàn)公式能夠很好地反映累積入滲量與各影響因素之間的關(guān)系。

2.2 敏感性分析

利用SPSS 19.0計(jì)算各變量之間的相關(guān)系數(shù)與偏相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表4、表5所示。

表3 累積入滲量經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證Tab.3 Cumulative infiltration model validation

表4 相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient

表5 偏相關(guān)系數(shù)Tab.5 Partial correlation coefficient

rIρ、rIγ、rIθ、rIT分別表示累積入滲量I與腐植酸溶液濃度ρ、土壤容重γ、土壤初始含水率θ和入滲時(shí)間T之間的相關(guān)系數(shù)；rIρ=-0.420**表示隨著腐植酸溶液濃度ρ的增大，累積入滲量I極顯著減??；rIγ=-0.134*表明隨著土壤容重γ增大，累積入滲量I顯著減??；rIθ=-0.143*表明累積入滲量I隨著土壤初始含水率θ增大，呈顯著減??；rIT=0.660**表明累積入滲量I隨著累積入滲時(shí)間T的增大而極顯著增大。

rIρ·、rIγ·、rIθ·、rIT·則分別表示累積入滲量I與腐植酸溶液濃度ρ、土壤容重γ、土壤初始含水率θ和入滲時(shí)間T之間的偏相關(guān)系數(shù)；rIρ·=-0.579**表明土壤容重、初始含水率、入滲時(shí)間不變，累積入滲量I隨著腐植酸溶液濃度ρ增大而極顯著減?。籸Iγ·=-0.221**表明腐植酸溶液濃度、初始含水率、入滲時(shí)間恒定不變時(shí)，累積入滲量I隨土壤容重γ增大呈極顯著減?。籸Iθ·=-0.235**，表明腐植酸溶液濃度、土壤容重、入滲時(shí)間不變，土壤初始含水率θ增大，累積入滲量I極顯著減小；rIT·=0.745**表明腐植酸溶液濃度、土壤容重、初始含水率不變，累積入滲量I隨入滲時(shí)間T增大而極顯著增大。以上分析表明：當(dāng)腐植酸溶液濃度ρ、土壤容重γ、土壤初始含水率θ增大時(shí)，累積入滲量I極顯著減小，為負(fù)相關(guān)；入滲時(shí)間T增大時(shí)，累積入滲量I極顯著增大，為正相關(guān)。

2.3 腐植酸濃度的減滲效果分析

從表6可知：當(dāng)土壤容重、土壤初始含水率、入滲時(shí)間相同時(shí)，添加腐植酸可以有效的減少水分入滲量?？瞻捉M3次重復(fù)試驗(yàn)的累積入滲量分別為5.67、5.74、5.63 cm，平均累積入滲量為5.68 cm；試驗(yàn)13的3次重復(fù)試驗(yàn)的累積入滲量分別為5.32、5.47、5.29 cm，平均累積入滲量為5.36 cm；其相對(duì)應(yīng)的減滲率分別為6.17%、4.70%、6.04%，平均減滲率為5.63%。上述分析表明，腐植酸的施用能夠有效的減少水分入滲，有明顯的減滲作用。

表6 腐植酸減滲結(jié)果Tab.6 The results of infiltration-reducing of humic acids

3 結(jié) 論

(1)構(gòu)建累積入滲量與腐植酸濃度、土壤容重、土壤初始含水率、入滲時(shí)間之間的量化關(guān)系式，實(shí)測(cè)值與擬合值二者之間的相關(guān)系數(shù)R為0.993 5，表明模型能夠較好地反應(yīng)累積入滲量與影響因素之間的量化關(guān)系。

(2)腐植酸濃度、土壤容重、土壤初始含水率與累積入滲量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，入滲時(shí)間與累積入滲量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

(3)空白組平均累積入滲量為5.68 cm，腐植酸濃度為50.0%時(shí)，平均累積入滲量為5.36 cm，累積入滲量的減滲率為5.63%。