脫硫石膏施用量對濱海鹽堿土水分運移的影響

徐文碩 李克升 孔維航 耿雨晗 李全新 劉傳孝

摘 要：通過室內(nèi)土柱試驗，研究了5種脫硫石膏質(zhì)量摻加比（0、5%、10%、15%和20%）對濱海鹽堿土水分入滲能力的影響，結(jié)果表明：摻加不同比例石膏均可提高土壤入滲能力，較高的石膏摻加比對土壤濕潤鋒和累計入滲量的促進作用下降;5%石膏摻加比可明顯促進鹽堿土中水分運移;360 min時摻加5%脫硫石膏鹽堿土的濕潤鋒運移深度是原狀鹽堿土的近2倍;濕潤鋒運移距離和時間呈冪函數(shù)關(guān)系，累計入滲量與時間的關(guān)系符合Kostiakov入滲模型和Philip入滲模型;適量摻加脫硫石膏可提高土壤入滲能力，對改善濱海鹽堿土中的水分運移狀態(tài)效果顯著。

關(guān)鍵詞：濱海鹽堿土;水分運移;脫硫石膏;濕潤鋒;累計入滲量

中圖分類號：S156.4;TV882.1

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.021

引用格式：徐文碩，李克升，孔維航，等.脫硫石膏施用量對濱海鹽堿土水分運移的影響[J].人民黃河，2021，43（9）：110-114.

Effect of Application Amount of Desulphurization Gypsum on Water Transport of Coastal Saline-Alkali Soil

XU Wenshuo， LI Kesheng， KONG Weihang， GENG Yuhan， LI Quanxin， LIU Chuanxiao

（College of Water Conservancy and Civil Engineering， Shandong Agriculture University， Tai an 271018， China）

Abstract： The influence of the mass mixing ratio （0， 5%， 10%， 15% and 20%） of five desulphurized gypsum to the water infiltration capacity of coastal saline-alkali soil was studied by laboratory soil column test. The results show that adding different proportions of gypsum can improve the soil infiltration capacity and the higher ratio of gypsum can reduce the promoting effect of soil wetting front and cumulative infiltration. The mixing ratio of 5% gypsum can obviously promote the water migration in saline-alkali soil. At 360 min， the wet fronts migration depth of C5 is nearly twice that of the undisturbed saline-alkali soil. At the same time， the migration of wetting front and time fitting of each treatment have a power function relationship and the fitting of cumulative infiltration amount and time is consistent with the Kostiakov infiltration model and Philip infiltration model. The results show that proper amount of desulphurized gypsum can improve soil infiltration capacity and has reference value for improving water transport in coastal saline-alkali soil.

Key words： coastal saline-alkali soil; water migration; desulphurization gypsum; wet front; cumulative infiltration

土壤鹽堿化是指水溶性鹽在土壤表層或風(fēng)化層中不斷積累的現(xiàn)象，嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展Symbol[A@Symbolq@@Symbol]A@。據(jù)統(tǒng)計，我國鹽堿土面積達3 600萬hm2，占可開發(fā)土地面積的4.9%Symbol[A@2Symbol]A@，其中濱海地區(qū)鹽堿土總面積達500萬hm2，亟待修復(fù)開發(fā)Symbol[A@3Symbol]A@。黃河三角洲地區(qū)地處《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》《山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》兩大國家戰(zhàn)略重疊地帶，地理位置優(yōu)越，開發(fā)前景廣闊，土地資源豐富，是國家重要的糧棉生產(chǎn)基地，是渤海糧倉科技示范工程的主戰(zhàn)場，但黃河沖淤后受海水倒灌、氣候條件等綜合因素影響，土壤鹽堿化區(qū)域分布廣泛，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)低效Symbol[A@Symbolt@@-Symbolu@@Symbol]A@。水分入滲是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源有效利用的重要過程，不僅決定著田間土壤對水資源的利用效率，而且關(guān)乎地表徑流和土壤侵蝕的強度等級Symbol[A@Symbolv@@Symbol]A@。因此，研究并采取措施改善土壤入滲能力，是促進黃河三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

脫硫石膏（FGD）是對含硫燃料（煤、油等）燃燒后產(chǎn)生的煙氣脫硫凈化處理后得到的工業(yè)副產(chǎn)石膏Symbol[A@Symbolw@@Symbol]A@，其主要成分為CaSO4和CaSO3Symbol[A@Symbolx@@Symbol]A@。脫硫石膏具有制作成本低、對鹽堿地治理效果好、固碳能力強、污染小等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于鹽堿地治理。通過脫硫石膏中Ca2+與土壤中Na+的交換Symbol[A@Symboly@@Symbol]A@，調(diào)節(jié)土壤物理特性和密實度，改良鹽堿地Symbol[A@Symbolq@@Symbolp@@Symbol]A@，對土壤入滲能力的影響與其施用量密切相關(guān)。YAZDANPANAH等Symbol[A@Symbolq@@Symbolq@@Symbol]A@在研究不同改良劑對石灰性鹽堿土復(fù)墾的影響時發(fā)現(xiàn)，石膏不會影響石灰性鹽堿土的呼吸速率。唐珧等Symbol[A@Symbolx@@Symbol]A@利用脫硫石膏對重度蘇打鹽化土進行改良發(fā)現(xiàn)，脫硫石膏使土壤的pH值和電導(dǎo)率（EC）降低，Ca2+含量增加，Na+含量降低。Wang等Symbol[A@Symbolw@@Symbol]A@通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，脫硫石膏改良后鹽堿土性能大大改善，土壤中具有了適合植物生長的微量元素，同時其固碳能力增強，可以有效緩解溫室效應(yīng)。毛玉梅等Symbol[A@Symbolq@@Symbolr@@Symbol]A@評估不同脫硫石膏施用量對上海南匯灘涂鹽堿土理化性質(zhì)和植物生長的影響發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)施加脫硫石膏可以降低土壤鹽堿性，促進植物生長，但當(dāng)脫硫石膏施加量達到50 g/kg時，會阻礙植物生長。

脫硫石膏的摻加比及人為因素等均會對其改良效果產(chǎn)生干擾，而脫硫石膏施加量必然會對耕層鹽堿土產(chǎn)生影響。脫硫石膏對鹽堿土修復(fù)的研究主要集中在內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)Symbol[A@13-14Symbol]A@，針對濱海地區(qū)鹽堿土的研究較少。因此，筆者在實驗室條件下探究脫硫石膏施用量對黃河三角洲地區(qū)濱海鹽堿土水分運移的影響，旨在找出脫硫石膏的最佳摻入比，為脫硫石膏改良濱海地區(qū)鹽堿土提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 研究方法

1.1 試驗材料

以黃河三角洲東部濱海鹽堿土為供試土壤，取自山東省東營市濱海新區(qū)的無干擾區(qū)。黃河三角洲地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫變化四季分明，多年平均氣溫約為12.5 ℃，年無霜期為206 d，年降水量為550～680 mm，且多集中于夏季，年平均日照時長為2 407.1 h。取土方式采用Z形采樣方法，取土深度為0～20 cm。所采集土樣的容重利用環(huán)刀法測得，為1.4 g/cm3，土樣去除雜質(zhì)后，自然條件下風(fēng)干并碾壓過2 mm篩備用。脫硫石膏為河北盛益礦業(yè)公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。利用BT-9300S激光粒度分析儀進行土壤機械組成測定，土樣黏粒、粉粒和砂粒含量分別為5.28%、74.70%、20.02%。

1.2 試驗設(shè)計

入滲試驗中脫硫石膏的添加方式為固定土壤密度1.4 g/cm3不變，將脫硫石膏與試驗土壤按不同質(zhì)量比混合，試驗依次設(shè)置石膏質(zhì)量比分別為0%（CK）、5%（C5）、10%（C10）、15%（C15）、20%（C20），每組試驗重復(fù)3次。根據(jù)土柱體積確定所需土壤和脫硫石膏的總質(zhì)量后，按照不同脫硫石膏摻入比求出兩者各需質(zhì)量，見表1。

1.3 土柱制備

試驗采用一維垂直入滲法測定土壤的水分運移能力。入滲裝置（見圖1）由土柱和馬氏瓶組成，土柱內(nèi)徑10 cm、高25 cm，土柱圓筒（透明的有機玻璃圓筒）外壁每隔5 cm高度打圓孔，土柱圓筒內(nèi)壁均勻涂抹凡士林以減小內(nèi)壁對水分入滲的影響。裝土前為防止土顆粒流失，于土柱底部放置兩層紗布。土柱填土20 cm，填土過程中，按5 cm一層分別填入混合料并充分壓實，每層界面處謹慎刮毛，以避免混合料分層并保證層與層之間充分混合。填土完成后，在土柱頂部放置一層濾紙，預(yù)防土壤侵蝕。

1.4 測定方法

實驗室內(nèi)平均溫度為20 ℃，平均濕度為26%，土柱頂部水頭固定，為4 cm。馬氏瓶開關(guān)打開后試驗開始，讀取濕潤鋒與馬氏瓶水位變化情況，并計算得到濕潤鋒與累計入滲量的變化過程。入滲過程用秒表計時，試驗開始即按下秒表，前10 min每隔1 min記錄1次數(shù)據(jù)，10～30 min每隔2 min記錄1次數(shù)據(jù)，30～60 min每隔3 min記錄1次數(shù)據(jù)，60～120 min每隔10 min記錄1次數(shù)據(jù)，120 min以后每隔30 min記錄1次數(shù)據(jù)，當(dāng)土柱飽和后計時停止，同時停止供水，并立即將土柱頂部的多余水分吸出。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

試驗重復(fù)3次，數(shù)據(jù)采用Excel 2010處理，Origin 2018作圖，并用SPSS軟件中LSD法對濕潤鋒運移和累計入滲量變化進行顯著性分析（顯著性水平p<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫硫石膏施用量對濕潤鋒運移的影響

土柱內(nèi)水分入滲過程中，土壤從水面沿剖面向下依次為飽和層、延伸層、濕潤層和濕潤鋒Symbol[A@Symbolq@@Symbolu@@Symbol]A@。其中，在土壤濕潤帶的末端，土壤中含水量會發(fā)生突變，形成一層濕潤帶末端與干土之間的明顯交界面，稱為濕潤鋒Symbol[A@Symbolq@@Symbolv@@Symbol]A@。根據(jù)濕潤鋒的變化情況可以得到土壤中水分入滲的速度和運動特征。不同脫硫石膏施用量下土壤濕潤鋒的運移情況見圖2。由圖2可知，不同脫硫石膏用量均影響濕潤鋒運移，與CK相比，施加石膏的試驗組濕潤鋒運移速度更快，但土柱飽和快慢不同。以試驗進行到360 min為例，CK濕潤鋒下移8.0 cm;C5濕潤鋒下移16.1 cm，濕潤鋒運移速度最快;C10濕潤鋒運移速度次之，為13.8 cm;C15與C20濕潤鋒運移速度較慢，分別下移11.5、12.1 cm。各數(shù)據(jù)差異性顯著（p<0.05）。同時，隨著入滲試驗的進行，所有試驗組濕潤鋒運移速度隨時間延長呈減慢趨勢。從脫硫石膏摻入量對鹽堿土水分入滲的影響分析，C5水分入滲效果最好，C10次之，當(dāng)脫硫石膏摻入量達到15%時，再加大脫硫石膏摻入量對土壤水分運移狀態(tài)無明顯影響。

對濕潤鋒下移距離和時間的關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果符合冪函數(shù)Y=atb關(guān)系，其中a、b為經(jīng)驗常數(shù)Symbol[A@Symbolq@@Symbolw@@Symbol]A@，擬合結(jié)果見表2。各試驗組決定系數(shù)R2均大于等于0.977，證明冪函數(shù)可以較好地擬合不同脫硫石膏施用量下濕潤鋒隨時間運移的規(guī)律。CK與C5、C10、C15相比差異性顯著，C15與C20沒有明顯差異，說明適當(dāng)摻加脫硫石膏會對土壤水分運移狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響，當(dāng)摻加比大于15%時影響效果不再明顯。

2.2 脫硫石膏施用量對水分累計入滲量的影響

土壤的累計入滲量數(shù)學(xué)意義是指對于入滲率的積分，宏觀講是指入滲試驗開始后，在一定時間內(nèi)通過土柱表面入滲到土柱內(nèi)部的水量，即馬氏瓶水位變化值。累計入滲量可以衡量入滲過程中不同比例混合料的水分運移能力Symbol[A@Symbolq@@Symbolx@@Symbol]A@。試驗土壤累計入滲量隨時間的動態(tài)變化見圖3，各試驗組的累計入滲量均隨時間的延長而增大，CK、C5、C10、C15、C20馬氏瓶水位變化值依次是3.96、7.03、6.80、6.30、7.08 cm，C5、C10、C15、C20土柱飽和后的總?cè)霛B量均大于CK的，且差異性顯著（p<0.05）。C5、C10與C15相比較，C5的累計入滲量最大，隨著脫硫石膏施用量的增加累計入滲量呈減小趨勢。C20的累計入滲量大于其他試驗組的，原因是脫硫石膏耐水性差，加水后會不斷吸水。以試驗進行至360 min為例，CK馬氏瓶水位下移3.29 cm，此時C5累計入滲量最大，馬氏瓶水位下移5.66 cm，C10次之，為4.50 cm，C15與C20馬氏瓶水位分別下移3.25、4.23 cm。綜上，向鹽堿土中摻加脫硫石膏可以增強土壤入滲能力，但當(dāng)施用量過高時，對鹽堿土入滲能力增強效果不顯著，試驗所得最優(yōu)脫硫石膏摻入比為5%，在此施加量下，入滲試驗土柱最早達到飽和，濕潤鋒運移速度最快且累計入滲量最大。

2.3 脫硫石膏施用量與水分累計入滲量的擬合

入滲模型是模擬和預(yù)測土壤水分入滲過程的重要方法，是土壤改良學(xué)的重點研究內(nèi)容之一。筆者采用Kostiakov入滲模型和Philip入滲模型Symbol[A@Symbolq@@Symboly@@Symbol]A@對累計入滲量與時間的關(guān)系進行擬合。

（1）Kostiakov入滲模型。Kostiakov入滲模型：

I（t）=Ktn（1）

式中：I（t）為累計入滲量，mm;t為入滲時間，min;K、n為經(jīng)驗常數(shù)。

擬合結(jié)果見表3，決定系數(shù)R2均大于等于0.980，擬合結(jié)果較好。C5、C10、C15隨著脫硫石膏施用量的增加，參數(shù)K逐漸減小，參數(shù)n逐漸增大。由擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，參數(shù)K、n隨脫硫石膏摻入比的變化呈一定規(guī)律性變化，C20中參數(shù)K與n反常是脫硫石膏吸水導(dǎo)致的。

（2）Philip入滲模型。Philip入滲模型：

I（t）=St0.5+At（2）

式中：I（t）為累計入滲量;S為吸滲率;A為穩(wěn)滲率;t為入滲時間。

土壤的吸滲率S和穩(wěn)滲率A是衡量土壤下滲能力的重要指標(biāo)，吸滲率指在水分入滲前期，土壤利用自身毛管壓力吸水和放水的能力;穩(wěn)滲率是在度過水分入滲前期后，土壤中較為穩(wěn)定的水分下滲強度。對累計入滲量和入滲時間兩者的關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果見表4，由表4可以看出，除CK外，其他試驗組擬合效果良好，決定系數(shù)R2均大于等于0.989。4個試驗組中，CK穩(wěn)滲率為-0.008 00，入滲速度隨時間變慢，其余4個試驗組穩(wěn)滲率大致相同，且存在顯著性差異（p<0.05）。除CK外，各試驗組中C5吸滲率最大，C5、C10、C15隨著脫硫石膏施用量的增加吸滲率減小，說明C5初始入滲速度最快。

3 討 論

在摻加不同比例脫硫石膏后，各試驗組濕潤鋒和累計入滲量均隨入滲時間的延長而增大，試驗終值均大于未添加脫硫石膏的，說明摻加脫硫石膏可以增強鹽堿土水分入滲能力。該結(jié)論與樊麗琴等Symbol[A@20-21Symbol]A@的研究結(jié)果一致。脫硫石膏的作用機制是，通過Ca2+與土壤中Na+的交換Symbol[A@22Symbol]A@使土壤膠體表面吸附大量Ca2+，從而改變土壤的電位勢，促使土壤顆粒膠結(jié)并形成土壤團聚體Symbol[A@23Symbol]A@，增強土壤通透性。脫硫石膏的粒徑為30～50 μmSymbol[A@24Symbol]A@，呈棱柱狀、片狀，存在較多裂痕和破碎顆粒Symbol[A@25Symbol]A@，而試驗用鹽堿土以粉質(zhì)土（5～75 μm）為主，因此加入脫硫石膏改變了土壤顆粒級配，增強了土壤水分入滲能力。

向土壤中摻加5%的脫硫石膏會顯著提高土壤的入滲能力，隨著脫硫石膏施用量的增加，脫硫石膏改善鹽堿土水分入滲能力的效果變差，原因是，在Ca2+與Na+的交換過程中，會有大量Ca2+以交換性態(tài)的形式留在土壤中，與土壤中豐富的磷酸根離子反應(yīng)生成難溶物[26]，而脫硫石膏作為一種中等溶解度鹽，隨著施用量的增加，其溶解后會產(chǎn)生大量Na2SO4，進一步抑制脫硫石膏溶解，阻塞土壤內(nèi)部通道。這與梁嘉平等[27]的研究結(jié)果大致相同，不同的是，梁嘉平等認為向鹽堿土中施加石膏會減弱土壤水分入滲的能力，原因是梁嘉平等選取試驗用土砂粒（75～2 000 μm）含量大于78%，粒徑遠大于脫硫石膏，在施加脫硫石膏后反而阻塞土壤內(nèi)部孔隙，抑制土壤水分運移。試驗組C20的累計入滲量較C15更大，原因是脫硫石膏黏性強、吸水能力強，更多的水被脫硫石膏吸收。

4 結(jié) 語

施加脫硫石膏可以有效改善鹽堿土水分運移能力，增加土壤中水分累計入滲量。不同脫硫石膏施用量對土壤入滲能力的影響不同，以入滲時間為360 min為例，C5、C10、C15、C20的濕潤鋒運移深度較CK分別增加101.3%、72.5%、43.8%、51.3%，累計入滲量較CK依次增加72.0%、36.8%、5.4%、28.6%。土柱飽和時，C5、C10、C15、C20累計入滲量較CK依次增加77.5%、71.7%、59.1%、78.8%，但土柱達到飽和的速度變慢。說明向鹽堿土摻加適當(dāng)脫硫石膏（5%）可以明顯提升土壤水分運移能力，而隨著摻加量的增加，脫硫石膏對其入滲能力改善不再明顯。

脫硫石膏不同施用量下濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系，累計入滲量與時間的關(guān)系可以用Kostiakov入滲模型和Philip入滲模型來描述，且擬合效果良好。脫硫石膏不同施用量對鹽堿土水分運移的影響程度不同，因此在選擇脫硫石膏作為鹽堿土改良劑時要確定最佳摻加比，本研究確定脫硫石膏最佳摻加比為5%。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】