吉林西部蘇打鹽堿土在不同添加物下水分入滲特性

徐 航,張禮紹,高金花

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012)

吉林省西部是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，是中國(guó)鹽堿土面積最大的地區(qū)，鹽堿土面積為2.13×106hm2，屬于世界三大鹽堿土地區(qū)之一。受降雨、氣溫及植被等條件的影響，形成了東南到西北土壤質(zhì)地由砂土到粘土的變化，土壤堿性逐漸變大。由于土壤水分入滲能力差，天然降雨及灌溉水入滲淺，不能滿足作物的需要，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。近年來(lái)不合理的灌溉、施肥使植被遭到破壞，土壤鹽堿化趨勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)重，制約了吉林西部糧食增產(chǎn)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)該區(qū)的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅，故改善農(nóng)田土壤滲透特性是亟待解決的問題[1-5]。

為了改變土壤的理化性質(zhì)，常采用添加植物纖維的方法[6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞添加植物纖維改變土壤的理化性質(zhì)做了一系列研究。梅楠等[7]研究了秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明秸稈還田有顯著降低土壤容重的效果，使土壤孔隙度明顯增大。任倩慧[8]研究了在土壤中摻入玉米葉與玉米芯對(duì)土壤水分入滲的影響，結(jié)果表明玉米葉能降低土壤的入滲速率，增加淺層土壤的含水率。Cheng等[9]研究了秸稈還田對(duì)土壤的理化性質(zhì)影響，得出秸稈還田可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量。Bordoloi等[10]選用相同長(zhǎng)寬比的枇杷、椰棕和水葫蘆灰渣纖維，在3種不同纖維比例、不同密度下加固土體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比所有土纖維復(fù)合材料的入滲速率均有所增加。相龍康等[11]在不同河沙、生物炭用量下改良蘇打鹽堿土，結(jié)果表明河沙改良措施顯著提高了土壤摻沙層以下土壤含水率。

國(guó)內(nèi)外研究表明，混摻稻殼、玉米秸稈、河沙對(duì)水分入滲有一定影響，從經(jīng)濟(jì)效益方面來(lái)看3種材料價(jià)格便宜，并且在研究區(qū)容易獲取，因此，本研究選用稻殼、玉米秸稈、河沙3種材料作為添加物，從土壤累計(jì)入滲量、入滲速率、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離3個(gè)方面針對(duì)蘇打鹽堿土水分入滲性能進(jìn)行研究，分析不同添加物在不同摻量下對(duì)蘇打鹽堿土水分入滲特性的影響，為灌排工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)與理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省西部位于松嫩平原的西南部、東北地區(qū)中部，屬半干旱半濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。全年溫差較大，年平均氣溫4.9℃，年均降水量350～500 mm，主要集中在6—8月，年均蒸發(fā)量1 500～1 900 mm，年均蒸發(fā)量與降水量的比值約為3.4～4.9。本試驗(yàn)用土為吉林省西部洮南市安定鎮(zhèn)內(nèi)蘇打鹽堿土，安定鎮(zhèn)地處東經(jīng)122°15′37″～122°29′52″，北緯45°02′24″～45°19′46″，取土點(diǎn)地理位置見圖1。

圖1 取土點(diǎn)地理位置及土壤情況Fig.1 Geographical location and soil conditionof borrowing point

試驗(yàn)土壤所含鹽分類型為碳酸氫鹽，初始含鹽量3.0～4.5 g·kg-1，依照吉林西部平原鹽堿化土壤的分級(jí)指標(biāo)[12]可知試驗(yàn)土壤為中鹽堿土，按國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)[13]可知土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤飽和含水量及田間持水量，用Eye Tech激光粒度粒型分析儀測(cè)定土壤顆粒組成，土壤基本物理性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)選取稻殼、玉米秸稈、河沙3種材料作為土壤混摻添加物，試驗(yàn)方案見表2。其中玉米秸稈長(zhǎng)度為3～5 mm，河沙為吉林省段白棋村松花江沉積沙，粒徑為0.2～2 mm。

表2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置主要由馬氏瓶與土柱結(jié)構(gòu)組成，馬氏瓶高70 cm、內(nèi)徑21 cm，用于恒壓供水。馬氏瓶?jī)?nèi)壁安裝智能計(jì)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄馬氏瓶?jī)?nèi)水位變化。土柱結(jié)構(gòu)采用與馬氏瓶相同規(guī)格的有機(jī)玻璃圓管，為消除氣相阻力對(duì)入滲的影響，在土柱底部均勻布設(shè)排氣孔。

采用室內(nèi)一維土柱入滲試驗(yàn)，試驗(yàn)在長(zhǎng)春工程學(xué)院水利館實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。具體操作過程為：將添加物均勻混摻后的土壤分層裝入土柱內(nèi)，每層厚度為5 cm，到設(shè)計(jì)高度50 cm，層間打毛以便良好接觸。將馬氏瓶出水口與土柱的進(jìn)水口相連，馬氏瓶供水水頭為5 cm。入滲開始后每隔1 h記錄1次濕潤(rùn)鋒位置，并記錄相應(yīng)時(shí)刻馬氏瓶讀數(shù)，145 h結(jié)束入滲試驗(yàn)。從土壤表面開始取土樣，向下每隔5 cm取1次，取至濕潤(rùn)鋒位置處。每層取3個(gè)重復(fù)樣，采用烘干法測(cè)定土壤含水量。通過每小時(shí)所對(duì)應(yīng)的馬氏瓶液面高度與初始液面高度之差計(jì)算累計(jì)入滲量[14]。各處理進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn)，取均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft excel 2016對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，使用Origin軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同添加物混摻下土壤水分累計(jì)入滲量與入滲時(shí)間的關(guān)系

累計(jì)入滲量是指入滲開始后t時(shí)間段內(nèi)，通過地表單位面積入滲到土壤中的總水量[15]。累計(jì)入滲量定量地反映了土壤的入滲情況，對(duì)農(nóng)田灌溉、水資源有效利用以及鹽堿土改良具有重要意義。

不同添加物混摻下土壤水分累計(jì)入滲量的規(guī)律(圖2)符合考斯加可夫(Kostiakov)入滲模型I=ktα，式中，I為累計(jì)入滲量，t為入滲時(shí)間，k和α為模型參數(shù)。累計(jì)入滲量擬合數(shù)據(jù)見表3，各處理決定系數(shù)(R2)均達(dá)到0.99以上，擬合度好。比較不同種類添加物下累計(jì)入滲量，同一時(shí)刻下累計(jì)入滲量的關(guān)系為玉米秸稈>稻殼>河沙。在入滲初期擬合曲線斜率逐漸增大，擬合參數(shù)與累計(jì)入滲量呈正相關(guān)。比較不同摻量添加物下累計(jì)入滲量，摻量越大則累計(jì)入滲量越高。這是由于添加植物纖維可增加土壤孔隙度，使水分能沿著孔隙通道迅速入滲，增強(qiáng)透水能力，進(jìn)而增加累計(jì)入滲量[16]。

圖2 土壤水分累計(jì)入滲量與入滲時(shí)間的關(guān)系Fig.2 The relationship between cumulative infiltrationof soil water and infiltration time

表3 土壤水分累計(jì)入滲量擬合數(shù)據(jù)

不同添加物混摻下累計(jì)入滲量與對(duì)照組土壤的對(duì)比見表4?；鞊?%、3%、5%稻殼處理比CK分別提高了136.11%、530%、605.56%，混摻1%、3%、5%玉米秸稈處理比CK分別提高了145.56%、668.89%、850%，混摻25%、40%、55%稻殼處理比CK分別提高了38.89%、50%、66.67%。由吉林省用水定額可知：洮南市作物需水量達(dá)到7 mm·d-1，對(duì)照組土壤入滲量?jī)H能達(dá)到3 mm·d-1，混摻河沙土壤入滲量?jī)H能達(dá)到4～5 mm·d-1。混摻1%稻殼、玉米秸稈土壤入滲量分別為7.08、7.37 mm·d-1，灌溉時(shí)由于蒸發(fā)等原因會(huì)造成水分損失，灌溉效果不顯著?；鞊?%稻殼、玉米秸稈土壤入滲量分別達(dá)到18.9、23.07 mm·d-1，能達(dá)到作物需水量要求，灌溉效果良好。

表4 不同添加物混摻下土壤水分累計(jì)入滲量與對(duì)照的對(duì)比

2.2 不同添加物混摻下土壤水分入滲速率與入滲時(shí)間的關(guān)系

入滲速率是單位時(shí)間內(nèi)地表土壤的入滲水量，能夠反映土壤的入滲性能，穩(wěn)定入滲率可以用來(lái)表征土壤的滲透特性[17]。

不同添加物混摻下入滲速率的規(guī)律如圖3，各處理入滲速率的斜率在初始1 h內(nèi)變化很大。對(duì)照組土壤1 h內(nèi)斜率為0.281；混摻稻殼土壤1 h內(nèi)斜率均值為0.34，1～40 h斜率逐漸減小，40 h后趨于穩(wěn)定；混摻玉米秸稈土壤斜率均值為0.42，1～20 h斜率逐漸減小，20 h后趨于穩(wěn)定；混摻河沙土壤斜率均值為0.42，1～10 h斜率逐漸減小，10 h后趨于穩(wěn)定。降雨時(shí)淺層土壤與雨水直接接觸，入滲初期土壤含水量很低，土壤水的吸力較高，從而初始入滲速率較大，水分能快速入滲至土壤深層。隨著時(shí)間的推移，土壤對(duì)水分入滲產(chǎn)生阻力，水分入滲速率減小，土壤水的吸力隨著含水率的增加逐漸減小，土壤基質(zhì)勢(shì)能升高，對(duì)水分接受能力下降，入滲速率趨于穩(wěn)定[18-19]。不同種類添加物處理，同一時(shí)刻下入滲速率的關(guān)系為玉米秸稈>稻殼>河沙。不同摻量添加物下，摻量越大則入滲速率越大。

不同添加物混摻下的穩(wěn)定入滲率與滲透系數(shù)見表5。對(duì)照組土壤穩(wěn)定入滲速率為0.04 mm·h-1，混摻1%、3%、5%稻殼土壤穩(wěn)定入滲速率分別為0.17、0.55、0.60 mm·h-1；混摻1%、3%、5%玉米秸稈土壤穩(wěn)定入滲速率分別為0.25、0.70、1.00 mm·h-1；混摻25%、40%、55%河沙土壤穩(wěn)定入滲速率為0.08、0.09、0.10 mm·h-1。對(duì)照組土壤滲透系數(shù)為1.39×10-6，混摻3%、5%植物纖維時(shí)，滲透系數(shù)較大，滲透效果較好?；鞊街参锢w維改善了土壤結(jié)構(gòu)和孔隙的分布狀況，土壤孔隙度增加，進(jìn)而增強(qiáng)土壤入滲水流的有效過水?dāng)嗝婷娣e，提高滲透系數(shù)，加快土壤水分入滲速率?？焖偃霛B會(huì)使土壤水分滯留在土壤表層的時(shí)間減少，使得表層水分更快地滲入深層土壤，為農(nóng)作物提供足夠水分，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)有利[20-22]。

表5 不同添加物混摻下土壤水分穩(wěn)定入滲率與滲透系數(shù)

2.3 不同添加物混摻下土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的關(guān)系

濕潤(rùn)鋒即為濕潤(rùn)區(qū)的前緣，可表征水分在土壤基質(zhì)吸力和重力作用下的運(yùn)動(dòng)特征。濕潤(rùn)鋒隨著土壤水分入滲向下運(yùn)移，運(yùn)移距離決定地表以下濕潤(rùn)區(qū)的深度，可以反映土壤的輸水能力，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉有著重要意義[23-25]。

不同添加物混摻下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的規(guī)律如圖4，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系。濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離擬合數(shù)據(jù)見表6，各處理決定系數(shù)R2均達(dá)到0.99以上，擬合度好。不同種類添加物同一時(shí)刻下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離為玉米秸稈>稻殼>河沙。添加物不同摻量，摻量越大則濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離越大，浸潤(rùn)范圍越廣。

圖4 土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲時(shí)間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the moving distance ofwetting front and the infiltration time

表6 土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離擬合數(shù)據(jù)

不同添加物混摻下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與對(duì)照土壤的對(duì)比見表7?；鞊?%、3%、5%稻殼處理比CK分別提高了106.12%、512.24%、681.63%，混摻1%、3%、5%玉米秸稈處理比CK分別提高了136.73%、553.06%、859.18%，混摻25%、40%、55%河沙處理比CK分別提高了32.65%、59.18%、83.67%。農(nóng)作物根系深度約在30～40 cm，對(duì)照組土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離僅為4.9 cm，混摻河沙土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離僅在6.5～9 cm?；鞊?%稻殼、玉米秸稈土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離分別為10.1、11.6 cm，浸潤(rùn)范圍沒有到達(dá)作物根系。混摻3%、5%稻殼土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離為30、38.3 cm，混摻3%、5%玉米秸稈后濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離為32、47 cm，浸潤(rùn)范圍可以到達(dá)作物根系，增加根層土壤的水分，有效改善蘇打鹽堿土水分入滲性能，為作物提供足夠的根系吸水量，提高作物產(chǎn)量。

表7 不同添加物混摻下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與對(duì)照的對(duì)比

3 討 論

混摻稻殼、玉米秸稈可顯著增加土壤累計(jì)入滲量，提高水分入滲速率，有效改善蘇打鹽堿土水分入滲性能。稻殼為橢圓片狀，與土壤混摻后形成較為疏松的孔隙結(jié)構(gòu)，增加了土壤大孔隙含量，減緩了堵塞層的形成。孔隙數(shù)量越多，入滲能力越強(qiáng)，水分通量就越大。稻殼內(nèi)外兩側(cè)相對(duì)光滑，對(duì)土壤入滲水具有導(dǎo)流作用，進(jìn)一步促進(jìn)土壤水入滲?；鞊降練た梢愿纳仆寥澜Y(jié)構(gòu)和土壤孔隙的分布狀況，增大土壤入滲水流的有效過水?dāng)嗝婷娣e，提升土壤水力傳導(dǎo)度，增強(qiáng)水分入滲能力，這與梅楠等[7]研究結(jié)果一致。玉米秸稈外側(cè)光滑，內(nèi)側(cè)附瓤。在水力坡度的作用下水流沿著秸稈外側(cè)光滑面更容易傳輸。玉米秸稈內(nèi)側(cè)附瓤吸水膨脹，在膨脹力的作用下，土壤體積增大，孔隙度增加，比表面積增大，水流通道增加，進(jìn)一步促進(jìn)水分傳輸?；鞊接衩捉斩捒梢愿纳仆寥澜Y(jié)構(gòu)，增加根層土壤的水分，有利于為作物提供足夠的根系吸水量，提高灌溉水及降雨利用率，增加作物產(chǎn)量，這與任倩慧[8]研究結(jié)果一致。本研究通過對(duì)累計(jì)入滲量、入滲速率、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離進(jìn)行分析，得出混摻5%玉米秸稈可以大幅度增加土壤累計(jì)入滲量，提高水分入滲速率，浸潤(rùn)深層土壤，有效改善蘇打鹽堿土水分入滲性能，為農(nóng)作物提供較多水分，對(duì)作物生長(zhǎng)有利。

4 結(jié) 論

1)混摻植物纖維能增加土壤累計(jì)入滲量，提高水分入滲速率，有效改善蘇打鹽堿土水分入滲性能。累計(jì)入滲量規(guī)律符合Kostiakov入滲模型。洮南市作物需水量達(dá)到7 mm·d-1，混摻5%玉米秸稈土壤累計(jì)入滲量達(dá)到28.5 mm·d-1。

2)混摻植物纖維可加深濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，擴(kuò)大浸潤(rùn)范圍。農(nóng)作物根系深度約在30～40 cm土層，混摻5%玉米秸稈土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離達(dá)到47 cm，浸潤(rùn)范圍可以到達(dá)作物根系。

綜上可知，混摻5%玉米秸稈在改善累計(jì)入滲量、入滲速率、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離等方面最為顯著，因此添加物改良蘇打鹽堿土適宜方案為5%玉米秸稈摻量與土壤混摻，可提升吉林西部蘇打鹽堿土入滲效果，有利于綜合提高土壤水分入滲和保水性能。