鈉吸附比和鹽分濃度對(duì)新疆典型砂壤土物理性質(zhì)的影響

許尊秋，陳 陽，毛曉敏

鈉吸附比和鹽分濃度對(duì)新疆典型砂壤土物理性質(zhì)的影響

許尊秋，陳 陽，毛曉敏※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 甘肅武威綠洲農(nóng)業(yè)高效用水國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，武威 733000）

新疆土壤鹽堿化問題嚴(yán)重影響農(nóng)田水鹽運(yùn)移和作物產(chǎn)量。為探究鈉吸附比（Sodium Adsorption Ratio，SAR）和鹽分濃度對(duì)當(dāng)?shù)氐湫蜕叭劳廖锢硇再|(zhì)的影響，該研究測(cè)定了4個(gè)SAR水平（40，30，20，15，10，5 (mmol/L)1/2）和8個(gè)鹽分濃度水平（200，150，100，50，20，10，5，2 mmol/L）下土壤團(tuán)聚體快速濕潤過程中的團(tuán)聚體水穩(wěn)性；并測(cè)定了4個(gè)SAR水平（40，30，20，5 (mmol/L)1/2）和3個(gè)鹽分濃度水平（200，100，20 mmol/L）溶液處理后的土壤水分特征曲線（Soil Water Characteristic Curve，SWCC），量化了土壤脫水過程中土體壓縮量與溶液SAR和鹽分濃度的關(guān)系。結(jié)果表明：1）土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性與SAR和鹽分濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，SAR高于30 (mmol/L)1/2時(shí)，土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性才會(huì)顯著下降；2）SAR對(duì)新疆典型砂壤土的SWCC有影響，且這種影響與鹽分濃度有關(guān)；3）鹽分濃度和SAR對(duì)土壤壓縮量的影響存在交互作用。研究結(jié)果可為合理選用不同鹽分組成和濃度微咸水灌溉以最大程度保護(hù)農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)和土壤水環(huán)境提供理論依據(jù)。

鹽分；團(tuán)聚體；土壤；SAR；SWCC；壓縮量；新疆；砂壤土

0 引 言

砂壤土為新疆農(nóng)田典型土壤，含鹽量較高，由于當(dāng)?shù)氐Y源匱乏，大量農(nóng)田采用咸水灌溉，極有可能進(jìn)一步破壞土壤結(jié)構(gòu)，改變土壤的持水能力和保肥能力，威脅作物生長和糧食安全[1-2]。因此研究不同鹽溶液對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響具有重要意義。

土壤團(tuán)聚體能夠協(xié)調(diào)土壤水、氣、熱和養(yǎng)分的矛盾，是土壤肥沃的標(biāo)志之一[3-4]。團(tuán)聚體應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性，以保證在其受到外部機(jī)械力的作用時(shí)不會(huì)失去其原有的孔隙結(jié)構(gòu)。這種機(jī)械力可能來自于1）施于地表的壓力，如大型收割機(jī)或者牲畜經(jīng)過；2）深耕；3）土壤濕潤過程[5]。其中土壤濕潤過程涉及到水穩(wěn)性團(tuán)聚體的概念。水穩(wěn)性團(tuán)聚體是指土壤結(jié)構(gòu)體經(jīng)水浸后不立即散開，保持土壤結(jié)構(gòu)體形態(tài)不破碎。Emerson等[6]定義了水穩(wěn)性團(tuán)聚體分解的2個(gè)過程：崩解和分散。其中崩解是由于團(tuán)聚體內(nèi)存在密閉的空氣，爆破時(shí)導(dǎo)致團(tuán)聚體分解[7]，分散是由于土壤中的黏粒組分遇水發(fā)生膨脹，因此在濕潤-干燥交界面形成剪切力從而導(dǎo)致團(tuán)聚體分散、分解。土壤含鹽量增大，電解質(zhì)濃度隨之增大，會(huì)增強(qiáng)顆粒的分散作用，破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和水穩(wěn)性，大于0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量減小[8]。團(tuán)聚體的數(shù)量影響著土壤結(jié)構(gòu)，例如改變土壤的孔隙分布，進(jìn)而改變土壤的水分特征曲線。土壤水分特征曲線反映了土壤水勢(shì)和土壤含水率之間的關(guān)系，它間接地反映了土壤中孔隙大小的分布[9]，是量化土壤水力特性的重要指標(biāo)，在土壤水、溶質(zhì)運(yùn)移的模擬研究中必不可少。土壤水分特征曲線受到土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、容重等多種因素的影響[10]。鹽溶液處理后，土壤黏粒膨脹、離子交換作用產(chǎn)生，會(huì)改變土壤持水性[11]。一般來說，含鹽量增加，黏粒分散，小孔隙增加，土壤持水性增強(qiáng)[12]。但也有研究得到相反結(jié)論，即鹽分濃度增大使得土壤水分特征曲線向左偏移，土壤持水性降低[13]；此外，鹽分對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響也會(huì)受到土壤自身鹽分基底值的影響，有研究表明輕度鹽漬化土壤中含鹽量增大會(huì)使土壤持水性增加，重度鹽漬化土壤中過多的鹽分含量則使土壤持水性減小[9]。目前對(duì)于團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤水分特征曲線的研究主要是以純水作為外源物[14-15]，即假定灌溉水中不存在其他可溶性化學(xué)物質(zhì)，而對(duì)于新疆或其他缺水地區(qū)，灌溉水中常伴有一定的鹽分離子，且隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展及水資源日益緊缺，再生水灌溉成為越來越常用的灌溉方式[16]，因此僅研究純水影響下的團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤水分特征曲線的變化顯然是不夠的。在此背景下，徐爽等[17]提出土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性不僅局限于機(jī)械穩(wěn)定性、水力學(xué)穩(wěn)定性和生物學(xué)穩(wěn)定性3類，還應(yīng)包括“化學(xué)穩(wěn)定性”的概念，胡節(jié)等[18]在此基礎(chǔ)上探究了幾種不同濃度的硝酸鉀和硝酸鈣溶液對(duì)3種類型壤土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響，認(rèn)為電解質(zhì)濃度的增大會(huì)使團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。也有一些其他研究[12-13,19]針對(duì)不同濃度單組分鹽溶液對(duì)土壤特征曲線的影響，但對(duì)于混合鹽溶液以及不同鈉吸附比（Sodium Adsorption Ratio，SAR）的電解質(zhì)溶液影響下的團(tuán)聚體穩(wěn)定性及對(duì)土壤水分特征曲線的影響研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

離心機(jī)法測(cè)定土壤水分特征曲線效率高，在土壤脫水過程中，土壤壓縮和含水率的變化與土壤吸力的變化相對(duì)同步，因此土壤壓縮的特征具有實(shí)際意義，應(yīng)在土壤水分特征曲線（Soil Water Characteristic Curve，SWCC）測(cè)量中加以考慮。此外，鹽分濃度和鹽離子種類是影響土壤壓縮特性的主要因素，但這些研究主要針對(duì)鹽分含量較低的肥沃土壤，對(duì)于基底值含鹽量較高的土壤以及不同SAR對(duì)土壤收縮性的影響尚未可知且鮮有研究，新疆地區(qū)土壤自身含鹽量高，因此鹽分濃度對(duì)其收縮性是否具有進(jìn)一步影響需要探究。

南疆典型農(nóng)區(qū)灌溉用水礦化度為2～10 g/L，多屬于重碳酸鹽型鈉質(zhì)水，主要離子包括Na+、Ca2+、Cl-和HCO3-[20]?；诖?，本研究關(guān)注新疆農(nóng)區(qū)典型砂壤土，采用該地區(qū)常見的離子如Na+、Ca2+、Cl-配比不同SAR和濃度的電解質(zhì)溶液對(duì)土壤進(jìn)行處理，探究兩者對(duì)該地區(qū)土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性和土壤水分特征曲線的影響，同時(shí)量化土壤脫水過程中土壤壓縮量的變化，分析土體的孔隙水電導(dǎo)率分布，以期為微咸水灌溉背景下的新疆典型農(nóng)區(qū)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)和作物生長提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤于2020年采集于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師水利局灌溉實(shí)驗(yàn)站（81°11'42''E，40°37'27''N）。該站處暖溫帶干旱型氣候區(qū)，具有大陸性氣候的顯著特征。氣候干燥，蒸發(fā)量大，降水稀少，且年、季變化大。晴天多，年日照時(shí)間長，氣候變化劇烈，冬季干冷，夏季酷熱，晝夜溫差較大，年平均風(fēng)速小。土壤選自試驗(yàn)田中多年閑置區(qū)域表層0～40 cm，初始肥力低，含鹽量高。土壤的砂粒（2～0.05 mm）、粉粒（>0.05～0.002 mm）和黏粒（<0.002 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.9%、26.2%和70.9%，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地劃分標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)土壤的質(zhì)地類型為砂壤土。土壤的電導(dǎo)率值為910S/cm，土壤全鹽量為3.889 g/kg，有機(jī)質(zhì)為1.10%。土壤浸提液（1∶5）中主要離子為Na+，K+，Ca2+，Mg2+，Cl?和SO42-。土壤大團(tuán)聚體占18%、小團(tuán)聚體占19%、微團(tuán)聚體占13%、粉砂與黏土組分總計(jì)60%。

室內(nèi)試驗(yàn)于2020年11月—2021年3月在位于甘肅省武威市的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河流域農(nóng)業(yè)生態(tài)節(jié)水實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。將土壤運(yùn)往實(shí)驗(yàn)站開展試驗(yàn)，土壤運(yùn)輸過程中盡可能減小由于機(jī)械擾動(dòng)對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)的破壞，并選取未經(jīng)擾動(dòng)的土壤樣本開展試驗(yàn)。將采集的表層土壤置于陰涼干燥處風(fēng)干2周左右，直至土壤含水率接近殘余含水率，避免陽光照射。為防止大團(tuán)聚體的破環(huán)，晾曬過程中盡量避免較強(qiáng)的機(jī)械操作。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 團(tuán)聚體破碎試驗(yàn)

參考南疆典型農(nóng)區(qū)灌溉用水礦化度及離子組成，水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定中，設(shè)置6個(gè)SAR水平（40，30，20，15，10，5 (mmol/L)1/2）和8個(gè)鹽分濃度水平（200，150，100，50，20，10，5，2 mmol/L），共計(jì)48個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置4組重復(fù)試驗(yàn)。忽略Mg2+和其他陰離子的影響，所用的不同SAR和鹽分濃度的電解質(zhì)溶液僅采用NaCl和CaCl2配置而成，各處理中加入的NaCl和CaCl2質(zhì)量見表1。

表1 不同鈉吸附比和鹽分濃度水平設(shè)計(jì)中電解質(zhì)溶液中NaCl和CaCl2質(zhì)量

1.2.2 土壤水分特征曲線測(cè)定試驗(yàn)

土壤水分特征曲線測(cè)定時(shí)，發(fā)現(xiàn)高濃度溶液處理及高SAR溶液處理后的SWCC與無鹽處理（PW）相比，SWCC沒有較大偏移，因此在水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定的處理基礎(chǔ)上，減少了2個(gè)SAR水平和5個(gè)鹽分濃度水平。即設(shè)置4個(gè)SAR水平（40，30，20，5 (mmol/L)1/2）和3個(gè)鹽分濃度水平（200，100，20 mmol/L），外加1組無鹽處理，共計(jì)13個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置4組重復(fù)試驗(yàn)。各處理SAR和鹽分濃度配置情況見表1。

1.3 指標(biāo)測(cè)定和計(jì)算

1.3.1 團(tuán)聚體指標(biāo)

借鑒Le Bissonnais （LB）法[21]中的快速濕潤法（Fast Wetting，F(xiàn)W）測(cè)定團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。將自然風(fēng)干后的土壤進(jìn)行篩分，取3～5 mm粒徑的團(tuán)聚體在40 ℃條件下烘干24 h，目的是保證團(tuán)聚體樣品的初始含水率一致。之后，選取5 g團(tuán)聚體平鋪于經(jīng)過純水清洗且烘干冷卻的培養(yǎng)皿中，放置過程中盡可能避免機(jī)械力對(duì)團(tuán)聚體的破壞，向培養(yǎng)皿中加入濃度為99%的酒精，直至酒精完全浸沒所有團(tuán)聚體，等待10 min。采用洗耳球?qū)⑴囵B(yǎng)皿中的酒精吸出，并使用少量酒精將團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移到100 mL的錐形瓶中。向錐形瓶中分別加入25 mL不同SAR和鹽分濃度的電解質(zhì)溶液，震蕩20次后靜置30 min。使用99%的酒精將破碎后的團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至團(tuán)聚體儀（XY-100，中國祥宇）的最上層篩網(wǎng)上，團(tuán)聚體儀的篩網(wǎng)大小從上至下依次為3、2、1、0.5、0.25、0.053 mm，在酒精中上下震蕩20次，收集篩子上的團(tuán)聚體顆粒，在105℃下烘干（8 h以上），稱取質(zhì)量。

平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）。

式中為篩網(wǎng)個(gè)數(shù)；X為篩分出的第級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑，mm；W為第級(jí)粒徑范圍團(tuán)聚體占土壤樣品質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，%。

根據(jù)Fu等[22]對(duì)于土壤團(tuán)聚體的分類標(biāo)準(zhǔn)，將篩分后的團(tuán)聚體重新組合并劃分為4類：大團(tuán)聚體（Large Aggregates，LAs：>2 mm）、小團(tuán)聚體（Small Aggregates，SAs：>0.25～2 mm）、微團(tuán)聚體（Microaggregates，MAs：>0.053～0.25 mm）和粉砂與黏土組分（Silt and Clay fractions，SC：<0.053 mm）。

1.3.2 水分特征曲線參數(shù)

室內(nèi)土壤水分特征曲線的測(cè)定方法主要有壓力膜法、離心機(jī)法和張力計(jì)法等，其中，離心機(jī)法耗時(shí)較短，采用離心機(jī)法測(cè)定土壤水分特征曲線能夠快速提高試驗(yàn)效率。采用高速冷凍離心機(jī)（CR22N，Himac，Japan）分別測(cè)定不同電解質(zhì)溶液飽和處理后的土壤水分特征曲線，為了去除土壤中摻入的殘留地膜、礫石、秸稈等，將風(fēng)干土樣過2 mm篩備用。按照1.55 g/cm3分層均勻壓實(shí)回填到容積為100 cm3的離心機(jī)環(huán)刀中，每層土壤之間進(jìn)行層間打毛，防止土壤分層。將回填后的環(huán)刀浸泡在4個(gè)不同SAR和3個(gè)不同濃度的電解質(zhì)溶液中，溶液低于環(huán)刀頂部3 mm左右，浸泡時(shí)間為24 h。轉(zhuǎn)速和平衡時(shí)間參考Xing等[13]的試驗(yàn)方法。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)轉(zhuǎn)速下的土壤壓縮量，并采用電導(dǎo)率儀（FE38-Standard，METTLER，Switzerland）測(cè)量每個(gè)轉(zhuǎn)速下的孔隙水電導(dǎo)率。

通常情況下，計(jì)算吸力時(shí)不考慮土樣的壓縮，即土樣在離心過程中干密度不變；但當(dāng)轉(zhuǎn)速高于6 000 r/min時(shí)，不考慮土樣壓縮的吸力計(jì)算誤差較大[16]，故采用考慮土樣壓縮的改進(jìn)公式計(jì)算吸力，改進(jìn)公式[12]為

式中為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的土壤吸力，cm；為離心機(jī)轉(zhuǎn)速半徑，cm；為離心機(jī)軸心到離心盒蓋頂端的距離，cm；1為土壤壓縮高度，cm。

若設(shè)想土壤水的吸力是由土壤中的某種孔徑的圓形毛細(xì)管力作用的結(jié)果，那么土壤水吸力和毛管直徑的關(guān)系可以表示為[12]

=4/（3）

式中為水的表面張力系數(shù)，室溫下近似取0.075 N/m；為當(dāng)量孔隙直徑，mm；為土壤水吸力，hPa。

1.3.3 其他指標(biāo)測(cè)定和計(jì)算

采用離子色譜儀（ECO-IC-940，Metrohm，Switzerland）測(cè)定土壤浸提液（1∶5）中主要離子組成。采用馬爾文激光粒度分析儀（Malvern Mastersizer 2000，Malvern，UK）對(duì)土壤進(jìn)行顆粒分析；采用電導(dǎo)率儀（FE38-Standard，METTLER，Switzerland）測(cè)量土壤浸提液（土水比：1∶5）得到供試土壤的電導(dǎo)率，將其按照試驗(yàn)所得擬合式轉(zhuǎn)化為土壤全鹽量

=3.175EC1∶5（4）

式中為土壤含鹽量，g/kg；EC1∶5為電導(dǎo)率，mS/m。

SAR是指灌溉水或土壤溶液中鈉離子和鈣鎂離子的相對(duì)數(shù)量[23]，其計(jì)算方法如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同SAR和鹽分濃度對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

2.1.1 不同SAR對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

圖1為不同SAR處理下的大團(tuán)聚體、小團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、粉砂與黏土組分及平均重量直徑。線性擬合結(jié)果表明，隨著SAR的降低，LAs和SAs數(shù)量逐漸增加，SC數(shù)量逐漸降低，反映團(tuán)聚體穩(wěn)定性的MWD逐漸增加且變化趨勢(shì)在SAR為15～40 (mmol/L)1/2范圍內(nèi)較為明顯，當(dāng)SAR小于15 (mmol/L)1/2時(shí)，LAs、SAs和MWD增加的趨勢(shì)和SC降低的趨勢(shì)趨于平緩，MAs數(shù)量變化不顯著?？梢?，LAs和SAs數(shù)量的增加是導(dǎo)致MWD增加的主要原因，即使SC降低，由于其粒徑小，在計(jì)算MWD時(shí)所占比例較小，因此對(duì)MWD影響不大。

采用線性擬合，得出了5種團(tuán)聚體指標(biāo)與SAR的擬合方程。其中，LAs、SAs、SC和MWD與SAR的擬合方程的決定系數(shù)分別為0.801、0.854、0.746和0.867，且值均小于0.05，表現(xiàn)出良好的線性擬合效果。而MAs與SAR的擬合方程的決定系數(shù)僅為0.015，MAs與SAR不具有顯著的相關(guān)性。6種SAR處理中，只有40 (mmol/L)1/2處理下的LAs、SAs、SC和MWD與其他5種處理有顯著性差異，雖然隨著SAR的降低，LAs、SAs和MWD有增加的趨勢(shì)，但當(dāng)SAR小于30 (mmol/L)1/2時(shí)，各處理之間差異并不顯著。以上結(jié)果表明，只有當(dāng)灌溉水中的SAR達(dá)到40 (mmol/L)1/2時(shí)，才會(huì)對(duì)新疆典型區(qū)砂壤土的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，SAR較低時(shí)（小于30 (mmol/L)1/2），可以認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)一般不會(huì)遭到破壞。

2.1.2 不同鹽分濃度對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

圖2為不同鹽分濃度處理下的大團(tuán)聚體、小團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、粉砂與黏土組分及平均重量直徑的線性關(guān)系。圖中表明，隨著電解質(zhì)溶液鹽分濃度的降低，LAs和SAs數(shù)量逐漸增加，SC數(shù)量逐漸降低，反映團(tuán)聚體穩(wěn)定性的MWD逐漸增加，MAs數(shù)量變化不明顯，變化趨勢(shì)較為平緩。LAs和SAs數(shù)量的增加是導(dǎo)致MWD增加的主要原因。

注：不同小寫字母表示不同SAR處理間達(dá)0.05的顯著水平。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences among different SAR treatments at the 0.05 probability level. Same as below.

圖1 不同SAR處理下的土壤團(tuán)聚體各項(xiàng)指標(biāo)

Fig.1 Indicators of soil aggregates under different SAR treatments

注：所有方程P>0.05。

采用線性擬合，得到5種團(tuán)聚體指標(biāo)與電解質(zhì)溶液鹽分濃度的擬合方程。5種團(tuán)聚體指標(biāo)，即，LAs、SAs、MAs、SC和MWD與鹽分濃度的擬合方程的決定系數(shù)2均低于0.5，且這種相關(guān)關(guān)系均不顯著（>0.05），不同鹽分處理下各指標(biāo)的數(shù)值之間沒有顯著性差異，這說明5種團(tuán)聚體指標(biāo)與鹽分濃度之間不具有顯著的相關(guān)關(guān)系。以上結(jié)果表明，灌溉水中的SAR處于較低水平且鹽分濃度低于等于200 mmol/L（礦化度低于等于19.1 g/L）時(shí)，可以認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)一般不會(huì)遭到破壞。

2.1.3 SAR和鹽分濃度對(duì)土壤團(tuán)聚體的綜合影響

采用雙因素方差分析探究SAR和鹽分濃度對(duì)土壤團(tuán)聚體各項(xiàng)指標(biāo)的綜合影響，如表2。表中可以看出，鹽分濃度對(duì)LAs、SAs和MAs沒有顯著影響。在0.01水平下，鹽分濃度對(duì)SC有極顯著影響；在0.05水平下，鹽分濃度對(duì)MWD有顯著影響。SAR對(duì)LAs、SAs、SC和MWD具有極顯著影響（<0.01），對(duì)MAs沒有顯著影響。鹽分濃度和SAR的交互作用對(duì)SAs沒有顯著影響（>0.05）；在0.05水平下，兩者的交互作用對(duì)LAs和MAs有顯著影響；在0.01水平下，兩者的交互作用對(duì)SC和MWD均有極顯著影響。

表2 SAR和鹽分濃度對(duì)土壤團(tuán)聚體各指標(biāo)影響的方差分析

注：NS，不顯著；*，<0.05；**，<0.01。下同。

Note: NS, no significant differences. *,<0.05；**,<0.01. Same as below.

表3為SAR、鹽分濃度及土壤團(tuán)聚體5項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)性?？梢钥闯?種粒徑的團(tuán)聚體（LAs、SAs、MAs和SC）存在強(qiáng)烈的此消彼長的關(guān)系。特別是SC，與其他3種粒徑團(tuán)聚體（LAs、SAs、MAs）均呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.05），表明其他3種團(tuán)聚體的增加必然導(dǎo)致SC的減少。LAs與SAs呈顯著正相關(guān)（<0.05）。SAR和鹽分濃度與LAs和SAs均呈負(fù)相關(guān)，其中SAR與LAs，SAs、鹽分濃度與LAs呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.05），這表明，隨著SAR和鹽分濃度的增加，會(huì)使土壤中的大團(tuán)聚體和小團(tuán)聚體遭到破壞，進(jìn)而使得微團(tuán)聚體或粉砂與黏土組分增加。此時(shí)，較大粒徑的團(tuán)聚體所占權(quán)重降低，較小粒徑的團(tuán)聚體所占權(quán)重增加，導(dǎo)致MWD減小。由表3可知，MWD與各指標(biāo)各因素均呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性（<0.05），其中，與LAs和SAs呈正相關(guān)，與SAR、鹽分濃度、MAs和SC呈負(fù)相關(guān)。其中，SAR與SAs、SC和MWD的相關(guān)系數(shù)分別為-0.54，0.46和-0.43，而鹽分濃度與LAs、SAs、MAs、SC及MWD的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均小于0.2。

表3 SAR、鹽分濃度及土壤團(tuán)聚體5項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

2.2 不同SAR和鹽分濃度對(duì)土壤水分特征曲線的影響

試驗(yàn)測(cè)得的不同SAR和鹽分濃度的飽和溶液處理后的SWCC如圖3。土壤脫濕過程中曲線較為平緩，這是因?yàn)榈臀﹄A段的土壤水分主要由大孔隙保持，較小的吸力變化會(huì)引起較大的含水率變化；隨著吸力增大，水分由越來越小的孔隙保持，脫水過程越來越難，故曲線變陡。

由圖3可以看出，當(dāng)飽和溶液的SAR為5 (mmol/L)1/2時(shí)，土壤水分特征曲線與PW處理下的土壤水分特征曲線基本重合，當(dāng)飽和溶液的SAR大于或等于20 (mmol/L)1/2時(shí)，會(huì)對(duì)土壤水分特征曲線產(chǎn)生影響，并且在不同鹽分濃度下，SAR對(duì)SWCC的影響方式不同。如圖3a，當(dāng)鹽分濃度為200 mmol/L時(shí)，隨著SAR從20 (mmol/L)1/2提高到40 (mmol/L)1/2，SWCC向左偏移，表明土壤持水能力降低。如圖3b和圖3c，隨著SAR從20 (mmol/L)1/2提高到40 (mmol/L)1/2，SWCC先向左偏移，后向右偏移，表明土壤持水能力先降低后升高。

圖3 不同SAR處理下的土壤水分特征曲線對(duì)比

圖4分別代表飽和溶液的SAR分別為40，30，20，5 (mmol/L)1/2下的不同鹽分濃度處理下的SWCC關(guān)系圖。如圖4所示，不同鹽分濃度的飽和溶液處理后的SWCC幾乎沒有差異，表明鹽分濃度不會(huì)影響土壤水分特征曲線。

圖4 不同鹽分濃度處理下的土壤水分特征曲線對(duì)比

2.3 土壤壓縮量的變化

土壤壓縮量在土壤脫水過程中的變化如圖5。其中，圖5a～圖5c分別代表鹽分濃度分別為200，100和20 mmol/L下的不同SAR處理的土壤壓縮量在土壤脫水過程中的變化，圖5d～圖5g分別代表飽和溶液的SAR分別為40，30，20，5 (mmol/L)1/2下的不同鹽分濃度處理下的土壤壓縮量在土壤脫水過程中的變化?？梢钥闯觯寥缐嚎s量隨吸力的增加逐漸增加，且鹽分濃度和SAR對(duì)脫水過程中的土壤壓縮量大小均有影響。

由圖5a～圖5c可以看出，通過對(duì)比不同SAR處理的土壤壓縮量變化趨勢(shì)，隨著飽和溶液的SAR增加，土壤壓縮量逐漸減小，且3種溶液鹽分濃度下的規(guī)律一致。脫水過程結(jié)束時(shí)，在溶液鹽分濃度為200 mmol/L情況下，4種SAR處理下（由低到高）的土壤壓縮量分別為6.37、5.97、5.76、5.67 mm；在溶液鹽分濃度為100 mmol/L情況下，4種SAR處理下（由低到高）的土壤壓縮量分別為6.39、6.23、6.16、6.11 mm；在溶液鹽分濃度為20 mmol/L情況下，4種SAR處理下（由低到高）的土壤壓縮量分別為6.31、5.99、5.96、5.72 mm。將SAR與土壤最大壓縮量之間的關(guān)系繪制于圖6a中，可以看出，兩者之間存在線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，且2均達(dá)到0.96以上。擬合直線與軸的截距理論上等于在純水飽和情況下的土壤最大壓縮量，分別為6.39，6.37和6.36 mm，與實(shí)測(cè)PW處理最大土壤壓縮量的相對(duì)誤差分別為0.31%，0和0.16%。

圖5 不同鈉吸附比和鹽分濃度處理下的土壤壓縮量變化

由圖5d～圖5g通過對(duì)比不同溶液鹽分濃度處理的土壤壓縮量變化可以看出，SAR=5 (mmol/L)1/2下3種溶液鹽分濃度處理的土壤壓縮量散點(diǎn)圖幾乎重合（圖 5g），而其他3個(gè)SAR水平下（SAR=40，30 和20 (mmol/L)1/2）3種溶液鹽分濃度處理的土壤壓縮量散點(diǎn)圖存在差異（圖 5d～圖5f）。當(dāng)SAR=40，30 和20 (mmol/L)1/2時(shí)，溶液鹽分濃度為100 mmol/L時(shí)的土壤壓縮量最大，溶液鹽分濃度為200 mmol/L和溶液鹽分濃度為5 mmol/L處理下的土壤壓縮量基本一致。圖6b展示了土壤最大壓縮量與溶液鹽分濃度之間的關(guān)系，可以看出，土壤最大壓縮量隨著溶液鹽分濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且變化幅度與飽和溶液的SAR有關(guān)。飽和溶液的SAR越高，土壤最大壓縮量隨溶液鹽分濃度的變化幅度越大。

以上結(jié)果表明，溶液鹽分濃度和SAR是影響土壤壓縮量的重要因素，且溶液鹽分濃度和SAR對(duì)土壤壓縮量的影響存在交互作用。

3 討 論

鹽漬土中分散性陽離子如鈉離子會(huì)改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，影響土壤的穩(wěn)定性、持水性和導(dǎo)水特性等土壤物理性質(zhì)[24]，從而進(jìn)一步地影響土壤的水鹽運(yùn)動(dòng)過程及作物生長。在新疆典型農(nóng)業(yè)區(qū)，由于水資源短缺、蒸發(fā)強(qiáng)烈，常采用微咸水進(jìn)行灌溉，進(jìn)一步加劇了土壤的鹽漬化。灌溉水中攜帶的鹽分會(huì)進(jìn)一步加劇土壤孔隙中的鹽分含量，改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤的其他物理化學(xué)性質(zhì)。

鹽分導(dǎo)致土壤退化的關(guān)鍵過程包括團(tuán)聚體的崩解和黏粒的膨脹[18]。有研究表明，在有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤中，相比于有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤，團(tuán)聚體破碎對(duì)黏粒含量更為敏感[25]。本研究中的研究對(duì)象為有機(jī)質(zhì)含量較低的砂壤土，且黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（低于3%），因此當(dāng)采用不同SAR的電解質(zhì)溶液對(duì)土壤團(tuán)聚體進(jìn)行破碎試驗(yàn)時(shí)，僅發(fā)現(xiàn)SAR最高（40 (mmol/L)1/2）的電解質(zhì)溶液處理的土壤團(tuán)聚體的各項(xiàng)指標(biāo)與其他處理有顯著性差異。因?yàn)镾AR未能達(dá)到一定程度時(shí)，少量的黏粒含量的輕度膨脹對(duì)團(tuán)聚體影響不大。

Sameni等[24]指出，無論何種土壤，黏粒的分散和膨脹與土壤溶液中的鹽分濃度呈反比，與SAR呈正比。但本研究中發(fā)現(xiàn)，粉砂與黏土組分SC與電解質(zhì)溶液的濃度呈現(xiàn)不顯著關(guān)系。這可能是因?yàn)楣┰囃寥辣旧淼柠}分含量較高，在前期土壤結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭受到嚴(yán)重的破壞，團(tuán)聚體中含有較多的可溶性鹽分，當(dāng)團(tuán)聚體遇水時(shí)，這些鹽分就會(huì)溶解，從而導(dǎo)致土壤顆粒直接的黏結(jié)力消弱甚至消失，電解質(zhì)濃度的增加僅僅輕度影響了破碎程度。且在本研究中，濃度最高的電解質(zhì)溶液200 mmol/L，換算為礦化度約是19.1 g/L，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)毓喔人甗19]和地下水[26]的礦化度值，因此可認(rèn)為，在新疆典型農(nóng)區(qū)采用微咸水灌溉，只要灌溉水的鈉吸附比不高于40 (mmol/L)1/2，可以認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)不會(huì)遭到進(jìn)一步破壞。

在親水性團(tuán)聚體中，隨著溶液表面張力的增加，溶液進(jìn)入團(tuán)聚體的速率會(huì)增大，進(jìn)而加速對(duì)團(tuán)聚體的破壞，并且快速破碎的團(tuán)聚體趨向于崩解為粒徑更小的團(tuán)聚體。對(duì)于無機(jī)鹽溶液，根據(jù)膠體與表面化學(xué)，其表面張力會(huì)隨著其自身濃度的升高呈現(xiàn)直線增大。因此，隨著電解質(zhì)溶液濃度的增加，溶液的表面張力增大，加速了團(tuán)聚體破碎為粒徑更小的團(tuán)聚體，從而使得粒徑較大的團(tuán)聚體的整體數(shù)量呈下降的趨勢(shì)，粒徑較小的團(tuán)聚體整體數(shù)量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最終導(dǎo)致團(tuán)聚體的平均重量直徑減小，團(tuán)聚體穩(wěn)定性變差。歐陽躍軍[27]發(fā)現(xiàn)在濃度相同的情況下，氯化鈉的表面張力比氯化鈣小，SAR較大的電解質(zhì)溶液的氯化鈉含量更高，因此相同濃度情況下，隨著SAR的增加溶液的表面張力會(huì)減小，但在本研究中，SAR增加卻加重了團(tuán)聚體的破碎，這與以上討論相背。因此針對(duì)新疆土壤的研究，對(duì)于不同SAR處理的鹽溶液，團(tuán)聚體崩解可能并不是團(tuán)聚體破碎的主要原因，而黏粒膨脹才是。

土壤團(tuán)聚體不僅是土壤肥力的物理基礎(chǔ)，而且保護(hù)和維持著土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng)。土壤質(zhì)地也影響著團(tuán)聚體的分布，有研究表明，土壤大團(tuán)聚體含量隨著土壤質(zhì)地由細(xì)變粗逐漸減少，且與土壤黏粒含量呈顯著正相關(guān)[28]，這是因?yàn)?，土壤黏粒中含有豐富的膠結(jié)物質(zhì)，隨著黏粒含量的增加，土壤顆粒之間的相互作用增強(qiáng)，有利于土壤顆粒之間形成大團(tuán)聚體[29]，黏粒含量增加時(shí)，土壤陽離子交換量也會(huì)隨之增加。本研究針對(duì)新疆典型砂壤土，質(zhì)地相對(duì)較粗，因此，土壤本身的黏粒含量相對(duì)較低，大團(tuán)聚體數(shù)量較少。當(dāng)遇到不同鹽分含量和SAR的電解質(zhì)溶液，大團(tuán)聚體的數(shù)量均處于較低水平，僅有SAR最高處理的大團(tuán)聚體數(shù)量與其他處理有顯著性的差異。若考慮到不同的土壤質(zhì)地，SAR和鹽分濃度可能會(huì)對(duì)團(tuán)聚體含量產(chǎn)生不同影響。

此外，土壤前期含水率也會(huì)影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性[30]。一般來說，預(yù)濕潤狀態(tài)下的土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性均高于風(fēng)干狀態(tài)下的團(tuán)聚體水穩(wěn)性。但也有研究持相反的結(jié)論，認(rèn)為增加含水量會(huì)降低團(tuán)聚體的抗張強(qiáng)度和土壤黏聚力[30]。馬仁明等[15]探究2種紅壤在不同前期含水率情況下的土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性，發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體水穩(wěn)性隨著前期含水率的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。本研究未考慮土壤前期含水率的差異對(duì)土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性的影響，所取3～5 mm團(tuán)聚體處于風(fēng)干狀態(tài)。而田間土壤一般具有一定的含水率，因此，可能會(huì)一定程度提高團(tuán)聚體的水穩(wěn)性。

土壤水分特征曲線是土壤基質(zhì)勢(shì)和含水率的關(guān)系曲線，對(duì)研究土壤水分的有效性、溶質(zhì)運(yùn)移及作物生長具有重要作用[13,31]。鹽分會(huì)使非鹽漬土或輕度鹽漬土的土壤水分特征曲線右移，提高土壤的持水性[9,12]，這是因?yàn)橥寥李w粒受到鹽分作用使得土壤顆粒分散，土壤結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，但與此同時(shí)，土壤中的中小孔隙增加導(dǎo)致土壤的連通性變差，但重度鹽漬土?xí)雇寥莱炙宰儾頪9]。本研究中土壤水分特征曲線測(cè)定的是填裝土，且土壤經(jīng)過2 mm篩，因此不存在大團(tuán)聚體，僅存在小團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體及粉砂與黏土組分。隨著SAR的增加，黏粒分散，土壤中原有的大孔隙被黏粒阻塞或是分解成為多個(gè)微小孔隙，理論上，隨著SAR的增加，土壤水分特征曲線右移，但本研究結(jié)果中，SAR為5 (mmol/L)1/2時(shí)，土壤水分特征曲線未發(fā)生變化，可能是由于測(cè)試土壤鹽分基底值較高，采用較低SAR溶液處理后的孔隙水SAR沒有較大改變。而當(dāng)飽和溶液的SAR大于或等于20 (mmol/L)1/2時(shí)，會(huì)對(duì)土壤水分特征曲線產(chǎn)生影響，并且這種影響與溶液濃度相關(guān)。因此在研究SAR對(duì)土壤水分特征曲線的影響時(shí)應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮土壤鹽分的基底值和溶液濃度。

鹽離子種類和鹽分濃度會(huì)影響土壤的收縮性，但針對(duì)此類研究較少，且沒有給出科學(xué)的解釋。有研究表明[13]較高濃度的K+和Na+會(huì)減小土壤脫水過程中的收縮量。本研究中，隨著SAR增加，土壤最大壓縮量較小，這與前人研究結(jié)果相似，可能是黏粒膨脹導(dǎo)致的。同時(shí)，不同濃度背景下SAR的影響不同，也是不可忽視的。

本研究僅探討了鹽分和SAR對(duì)新疆砂壤土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤水分特征曲線短期效應(yīng)的影響，長期咸水灌溉下，鹽分和SAR對(duì)新疆砂壤土的物理性質(zhì)的影響還有待進(jìn)一步探究。

4 結(jié) 論

通過開展鈉吸附比和鹽分濃度對(duì)新疆典型砂壤土物理性質(zhì)的影響研究，結(jié)論如下：

1）土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與鈉吸附比（Sodium Adsorption Ratio，SAR）、鹽分濃度均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。鹽分濃度對(duì)5種團(tuán)聚體指標(biāo)，即大團(tuán)聚體（Large Aggregates，LAs）、小團(tuán)聚體（Small Aggregates，SAs）、微團(tuán)聚體（microaggregates，MAs）和粉砂與黏土組分（Silt and Clay fractions，SC）和平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）均沒有顯著影響；SAR對(duì)LAs、SAs、SC和MWD具有極顯著影響（<0.01），僅對(duì)大團(tuán)聚體MAs沒有顯著影響。

2）只有SAR為40 (mmol/L)1/2的溶液處理下的團(tuán)聚體指標(biāo)及土壤水分特征曲線與其他處理有顯著性差異。因此可以認(rèn)為在新疆典型農(nóng)區(qū)采用微咸水灌溉，只要灌溉水的鈉吸附比不高于30 (mmol/L)1/2，可以認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)不會(huì)受到進(jìn)一步破壞。

3）溶液SAR對(duì)新疆典型砂壤土的土壤水分特征曲線有影響，且這種影響與鹽分濃度有關(guān)。溶液鹽分濃度和SAR是影響土壤壓縮量的重要因素，且溶液鹽分濃度和SAR對(duì)土壤壓縮量的影響存在交互作用。在探究SAR或鹽離子對(duì)SWCC和土壤壓縮量的影響時(shí)，溶液鹽分濃度不可忽視。

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Influences of salt adsorption ratio and salt concentration on the physical properties of typical sandy loam in Xinjiang

Xu Zunqiu, Chen Yang, Mao Xiaomin※

(1.,,100083,; 2.,733000,)

Electrical Conductivity (EC) and Cation Ratio Of Soil Structural Stability (CROSS) are important indexes to evaluate the effects of brackish water on soil permeability. Although CROSS comprehensively considers the complex effects of Na+, K+, Ca2+and Mg2+on the stability of soil structure, the applicability of the ion concentration coefficient of CROSS varies in different regions. Therefore, it is necessary to determine the classification criteria based on the EC and CROSS assessment methods according to the local water quality conditions. Brackish water irrigation destroys the soil structure, changes the water and fertilizer retention capacity, and threatens crop growth and food security in Xinjiang Province. Based on this background, this study focused on the typical sandy loam soil in agricultural regions of Xinjiang and used common ions including Na+, Ca2+, Cl-to treat the soil with solutions under different Salt Adsorption Ratio (SAR) and salinity concentrations to explore the effects of SAR and concentration on physical properties of typical sandy loam in Xinjiang Province. Soil aggregates were measured according to Le Bissonnais (LB) method, which were quickly wetted by solutions at six SAR levels (40, 30, 20, 15, 10, 5 (mmol/L)1/2) and eight salinity concentration levels (200, 150, 100, 50, 20, 10, 5, 2 mmol/L). Soil Water Characteristic Curve (SWCC) was measured using a high-speed refrigerated centrifuge at four SAR levels (40, 30, 20, 5 (mmol/L)1/2) and three salinity concentration levels (200, 100, 20 mmol/L). Soil shrinkage during soil dehydration was recorded with vernier caliper at each centrifuge speed to investigate how SAR and salinity concentration influenced soil shrinkage. The results showed that The stability of soil aggregates showed a significant negative correlation with SAR and salinity concentration. The concentration of salinity didn’t significantly affect five aggregates, namely, the Large Aggregates (LAs), the Small Aggregates (SAs), the Microaggregates (MAs) and Silt and Clay fractions (SC) and Mean Weight Diameter (MWD). SAR had a significant effect on LAs, SAs, SC and MWD (<0.01), but had no significant effect on MAs. When the SAR value was lower than 30 (mmol/L)1/2, the stability of soil aggregates remained constant. The above result indicated that when the SAR in the irrigation water was at a low level and the salinity concentration was lower than 200 mmol/L (approximately 19.1 g/L), it could be considered that the soil structure was not damaged. Besides, SAR influenced SWCC of typical sandy loam in Xinjiang Province, which depended on the salinity concentration. SAR showed the negative effect on soil shrinkage, while the maximum soil shrinkage increased and then decreased with the increase of the salinity concentration, which was related to the SAR of the saturated solution. Those results can provide valuable information for the rational selection of brackish water for irrigation with different salt composition and concentration to protect the soil structure of farmland. What’s more, this study discussed the short-term effects of salinity and SAR on the sandy loam soil aggregate structure and soil water retention curve in Xinjiang Province. Long-term effects of salinity and SAR on soil physical properties remain to be further explored in the future.

salinity; aggregates; soils; SAR; SWCC; shrinkage; Xinjiang; sandy loam

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.010

S157

A

1002-6819(2022)-20-0086-10

許尊秋，陳陽，毛曉敏. 鈉吸附比和鹽分濃度對(duì)新疆典型砂壤土物理性質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(20)：86-95.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.010 http://www.tcsae.org

Xu Zunqiu, Chen Yang, Mao Xiaomin. Influences of salt adsorption ratio and salt concentration on the physical properties of typical sandy loam in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 86-95. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.010 http://www.tcsae.org

2022-06-24

2022-08-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51790535）

許尊秋，博士生，研究方向?yàn)樗乃Y源。Email：xuzunqiu@cau.edu.cn

毛曉敏，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗乃Y源與農(nóng)業(yè)水土工程。Email：maoxiaomin@cau.edu.cn