生化黃腐酸對鹽堿土水鹽運移特征的影響

孫 燕 王 建 王全九 曲 植 王春宏 張曦元

(西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室， 西安 710048)

0 引言

土地鹽堿化使得土壤通氣性和透水性變差，延緩地表土壤溫度的回升、降低土壤酶活性，對農(nóng)作物生長及其產(chǎn)量產(chǎn)生一定的負面作用，威脅著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。新疆是我國最大的鹽堿土區(qū)，其鹽堿化面積占全國鹽堿土地總面積的1/3和新疆耕地面積的32.07%[2]。合理改善土壤鹽堿化、提高鹽堿化耕地的糧食生產(chǎn)水平對實現(xiàn)旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義[3]。目前，向土壤中添加化學(xué)改良劑(如脫硫石膏、硫酸亞鐵等)是鹽堿土改良常用的化學(xué)方法，主要通過改變鹽堿土膠體吸附性陽離子的組成，調(diào)節(jié)土壤pH值，改善土壤結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)狀況，進而達到改良鹽堿土的目的[4]。然而添加上述化學(xué)改良劑可能會造成土壤的二次污染，如大量施用脫硫石膏會造成土壤重金屬污染[5]，長期施用硫酸亞鐵會造成土壤板結(jié)[6]等現(xiàn)象。

研究表明，施用黃腐酸(Fulvic acid，F(xiàn)A)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤鹽分、提高土壤養(yǎng)分有效性、增強作物抗逆性，進而促進作物生長，是一種綠色高效的鹽堿土改良措施[7-14]。目前黃腐酸的制備主要是從褐煤、風(fēng)化煤等礦物源中提取[15]，提取過程中需消耗大量的酸、堿等化學(xué)物質(zhì)，甚至需要高壓、高溫等劇烈反應(yīng)條件及嚴(yán)格的工藝技術(shù)，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢水和廢氣，不利于農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展[16]。同時，褐煤、風(fēng)化煤等均屬于不可再生資源，過度開采會破壞生態(tài)環(huán)境[17]。利用微生物技術(shù)對農(nóng)業(yè)廢棄物進行發(fā)酵、固液分離、提取、濃縮后生產(chǎn)生化黃腐酸(Biochemical fulvic acid，BFA)，具有使用原材料易于獲取、價格低廉、制備周期短、無污染等優(yōu)點，同時可以為農(nóng)業(yè)廢棄物再利用提供有效途徑[18]。楊曉玲[19]研究表明，生化黃腐酸能夠促進小麥幼苗根系生長，提高小麥幼苗葉片中的可溶性糖和可溶性蛋白含量。賈愛萍等[20]研究認為，生化黃腐酸能明顯提高番茄的株高和生物量，并降低青枯病的發(fā)生率。楊宇等[21]研究發(fā)現(xiàn)，生化黃腐酸能夠增加土壤團粒結(jié)構(gòu)含量，提高小白菜干物質(zhì)量。目前，生化黃腐酸相關(guān)研究主要集中在促進作物生長發(fā)育和增產(chǎn)等方面，而施加生化黃腐酸后的鹽堿土水鹽分布影響作物根系生長和分布，研究施加生化黃腐酸后的土壤水鹽運移特征以及定量分析其入滲過程能夠為揭示生化黃腐酸促進作物生長機理提供理論支撐。

因此，本文將不同施加量的生化黃腐酸與鹽堿土混合均勻，采用一維垂直土柱入滲試驗，研究不同生化黃腐酸施加量條件下鹽堿土的入滲特征及水鹽分布特征，分析生化黃腐酸對土壤入滲模型參數(shù)的影響，以期為改善農(nóng)田水鹽狀況、篩選改良中度鹽堿土的生化黃腐酸合理施加量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土樣取自新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒灌溉試驗站0～20 cm表層土壤，將取回土樣置于陰涼處風(fēng)干，去除土樣中的枯枝、殘留物，過2 mm篩備用。土壤機械組成采用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀(英國馬爾文儀器有限公司)進行測定，土壤物理性砂粒、粉粒體積分數(shù)分別為85.37%、12.48%，依據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，判定該土壤質(zhì)地為壤質(zhì)砂土。供試土壤初始體積含水率為0.007 8 cm3/cm3，飽和體積含水率為0.375 cm3/cm3，初始含鹽量為9.49 g/kg，土壤pH值為9.18，屬于中度鹽堿土[22]。試驗所用的生化黃腐酸為山東廊坊松本科技有限公司生產(chǎn)，棕色粉末狀，BFA質(zhì)量分數(shù)大于等于90%。

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗于2021年5月在西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室進行，采用一維垂直入滲系統(tǒng)開展不同生化黃腐酸施加量的入滲試驗。土壤入滲試驗裝置由馬氏瓶、試驗土柱、支架等組成，其中馬氏瓶高度為50 cm、內(nèi)徑為8 cm；試驗土柱高50 cm、內(nèi)徑為8 cm，底部設(shè)有排水孔。生化黃腐酸施加量分別為0、1、2、4、8 g/kg(以干土質(zhì)量計)，每個處理設(shè)置3次重復(fù)。土柱裝土高度為45 cm，以土壤容重(1.65 g/cm3)分9層(每層5 cm)裝填，保證層與層之間充分接觸，不出現(xiàn)分層。入滲開始前，向土柱頂部倒入定量的試驗用水(淡水)，以減小累積入滲量的初始誤差。試驗開始時利用秒表計時，并定時記錄馬氏瓶水位和土柱濕潤鋒深度。由于試驗初期濕潤鋒移動較快，試驗數(shù)據(jù)記錄按照先密后疏的原則。當(dāng)土柱濕潤鋒深度達到30 cm(入滲深度為整個土柱長度的2/3)時，停止供水同時用吸管吸出土柱頂部積水。質(zhì)量含水率采用干燥法((105±2)℃)測定，質(zhì)量含水率乘以容重得到體積含水率。將干燥后的土樣進行研磨并按照1∶5土水質(zhì)量比進行浸提，將浸提液靜置8 h后利用電導(dǎo)率儀(DDS-307型)測定其電導(dǎo)率，通過計算轉(zhuǎn)換即可得到土壤含鹽量。使用恒水頭飽和導(dǎo)水率測定儀測定土壤飽和導(dǎo)水率。

1.3 入滲模型

為了分析生化黃腐酸不同施加量對入滲模型相關(guān)參數(shù)的影響，分別采用Philip入滲模型[23]、Green-Ampt入滲模型[24]和代數(shù)模型[25]分析添加生化黃腐酸后的土壤入滲特性。

均質(zhì)土一維垂直入滲條件下，Philip入滲模型的累積入滲量表達式為

I=St0.5+At

(1)

在短歷時情況下，式(1)可簡化為

I=St0.5

(2)

式中I——土壤累積入滲量，cm

t——入滲時間，min

S——吸滲率，cm/min0.5

A——穩(wěn)定入滲率，cm/min

Green-Ampt入滲模型研究的是初始干燥的土壤在薄層積水時的入滲問題，當(dāng)入滲時間較短、積水深度較小時其表達式為

(3)

式中i——土壤水分入滲速率，cm/min

Ks——土壤飽和導(dǎo)水率，cm/min

Sf——概化濕潤鋒處吸力，cm

Zf——概化濕潤鋒深度，cm

對于短歷時入滲，Philip入滲模型中的吸滲率可以根據(jù)Green-Ampt入滲模型中的飽和導(dǎo)水率Ks和概化濕潤鋒處吸力Sf表示[26]，即

S=2KsSf(θs-θi)

(4)

式中θs——土壤飽和含水率，cm3/cm3

θi——土壤初始含水率，cm3/cm3

一維垂直積水入滲的代數(shù)模型可以較好地描述累積入滲量和積水入滲后不同土層深度的含水率分布, 且模型中的參數(shù)容易確定, 具體表達式為

(5)

(6)

式中θr——滯留體積含水率，cm3/cm3

α——土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率綜合形狀系數(shù)

Z——任意土壤深度，cm

θ——土壤體積含水率，cm3/cm3

1.4 土壤水分特征曲線模型

本試驗根據(jù)飽和導(dǎo)水率、飽和含水率、累積入滲量與時間的關(guān)系數(shù)據(jù)，通過Hydrus-1D軟件反推出Van Genuchten模型中的滯留含水率θr和形狀系數(shù)n。Van Genuchten模型具體形式為

(7)

式中h——土壤水吸力，cm

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)均取3次重復(fù)的平均值，采用Office 2016進行數(shù)據(jù)處理及制圖；Origin和SPSS 25進行模型參數(shù)擬合和統(tǒng)計分析，LSD法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 生化黃腐酸對土壤水分入滲特征的影響

圖1為不同生化黃腐酸施加量(0、1、2、4、8 g/kg)下濕潤鋒深度隨時間的變化曲線。由圖1可知，入滲初期，各處理濕潤鋒深度的差異并不顯著(P>0.05)，隨時間的增加生化黃腐酸逐漸發(fā)揮作用。在相同入滲時間下，濕潤鋒深度隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，當(dāng)施加量為4 g/kg時，濕潤鋒深度最小。在180 min時，施加1、2、4、8 g/kg生化黃腐酸后的濕潤峰深度相比于不施加處理分別降低10.01%、27.00%、33.67%、19.33%，各處理差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同生化黃腐酸施加量下土壤濕潤鋒深度變化曲線Fig.1 Variation curves of soil wetting front depth under different application amounts of BFA

圖2為各處理下土壤累積入滲量和入滲速率隨時間的變化曲線。由圖2可知，入滲結(jié)束(濕潤鋒深度均為30 cm)后，土壤累積入滲量均隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，生化黃腐酸施加量為1、2、4、8 g/kg后的土壤累積入滲量與未施加相比分別增加1.00%、4.67%、7.14%、3.44%，土壤水分入滲速率隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，各處理差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同生化黃腐酸施加量下土壤累積入滲量和水分入滲速率變化曲線Fig.2 Variation curves of soil cumulative infiltration and water infiltration rate under different application amounts of BFA

通過分析土壤累積入滲量和水分入滲速率發(fā)現(xiàn)，生化黃腐酸施入土壤后能夠有效減慢土壤水分入滲速度和提高相同濕潤鋒深度下的土壤累積入滲量。產(chǎn)生的主要原因是由于生化黃腐酸可作為腐殖質(zhì)中有機膠體施入土壤中[27]，在膠結(jié)作用下使土粒、微團粒相互團聚，促進了土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成[28]，改善了土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況，從而改良了壤質(zhì)砂土保水性差的特點；同時，生化黃腐酸本身含有大量羧基和羥基，能夠溶于水后與水分子通過氫鍵結(jié)合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加水的鋪展面積[29]和粘滯性[30]，降低了水分入滲速率，使更多的水分滯留在土層中，不易向下運輸。楊宇等[21]研究表明，相比于未施加生化黃腐酸，施加生化黃腐酸能夠顯著增加土壤團粒結(jié)構(gòu)含量，且施用時間越長，土壤的團粒結(jié)構(gòu)含量越大。本試驗結(jié)果表明，當(dāng)生化黃腐酸施加量為8 g/kg時，入滲速率呈現(xiàn)增大的趨勢，這可能是因為當(dāng)生化黃腐酸施加量過多時自身會發(fā)生聚合吸水膨脹[31-32]，土壤孔隙增大，從而使得水分入滲速率加快。

2.2 生化黃腐酸對土壤水鹽分布的影響

圖3為入滲結(jié)束后不同生化黃腐酸施加量(0、1、2、4、8 g/kg)下土壤含水率分布曲線。由圖3可知，土壤含水率隨著土層深度的增加而降低，而施加生化黃腐酸可以提高土壤含水率，其中施加量4 g/kg下效果最為明顯。在土層深度0、5、10、15、20、25、30 cm，施加量4 g/kg處理的土壤含水率分別高于對照13.07%、13.01%、14.11%、17.07%、23.08%、43.09%、86.79%。入滲結(jié)束后，與未施加生化黃腐酸相比，生化黃腐酸施加量為1、2、4、8 g/kg下的土壤剖面平均體積含水率分別增加了8.90%、17.70%、20.41%、11.67%。這是因為生化黃腐酸增加了土壤團粒結(jié)構(gòu)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤保水能力，然而當(dāng)生化黃腐酸施加量過多會自身發(fā)生聚合吸水膨脹，擴大土壤孔隙，使土壤水分流失。

圖3 不同生化黃腐酸施加量下土壤含水率變化曲線Fig.3 Variation curves of soil moisture content under different application amounts of BFA

圖4為不同生化黃腐酸施加量(0、1、2、4、8 g/kg)下土壤含鹽量分布曲線。由圖4可知，由于淋洗作用，各處理的土壤含鹽量會隨著土層深度的增加而增加。入滲結(jié)束后，施加生化黃腐酸后的土壤含鹽量和未施加生化黃腐酸后的土壤含鹽量差值與未施加生化黃腐酸后的土壤含鹽量相比，比值為正值時定義為相對脫鹽率(%)，比值為負值時定義為相對積鹽率(%)。各處理在土層0～30 cm范圍脫鹽效果和積鹽效果不同，計算得出土層深度0～30 cm內(nèi)，不同生化黃腐酸施加量下的土壤相對脫鹽率和相對積鹽率(表1)。在0～20 cm土層，與未施加生化黃腐酸相比，施加1、2、4、8 g/kg生化黃腐酸后的土壤平均相對脫鹽率分別為5.29%、27.04%、42.77%、14.74%。而在20～30 cm土層，土壤含鹽量則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，說明鹽分主要被淋洗到20 cm土層以下，施加生化黃腐酸1、2、4、8 g/kg后土壤平均相對積鹽率分別為-14.84%、-39.06%、-60.05%、-23.66%，這說明生化黃腐酸具有抑制鹽分在土壤表層積累的作用。主要原因可能是：施加生化黃腐酸處理的土壤水分入滲速率變慢，土壤中的鹽分離子能更充分地溶解在水中，使隨水向下運移的鹽分增加；土壤累積入滲量的增加，也使得更多的水分參與洗鹽過程中，增強了壓鹽效果；此外，生化黃腐酸的巨大比表面積[33]能對鹽分離子產(chǎn)生表面吸附，同時其自身含有的羥基、羧基等活性功能團能夠絡(luò)合[34-35]土壤溶液中的鹽分離子，使土壤表層鹽分離子與生化黃腐酸一同隨水向下運移。鄭敏娜等[36]研究表明，黃腐酸能夠顯著提高土壤淋洗液中Na+含量；劉小媛等[37]研究表明，施加黃腐酸能夠顯著降低0～10 cm土壤處電導(dǎo)率。

圖4 不同生化黃腐酸施加量下土壤含鹽量變化曲線Fig.4 Variation curves of soil salt content under different BFA application amounts

表1 不同生化黃腐酸施加量對脫鹽效果的影響Tab.1 Effect of different application amounts of BFA on desalination %

2.3 生化黃腐酸對土壤水分特征曲線的影響

土壤水分特征曲線表征土壤水吸力與土壤含水率的關(guān)系，反映了土壤水能量與數(shù)量之間的關(guān)系，是研究土壤水分保持和運動的基本特性曲線[38]。不同生化黃腐酸施加量的水分特征曲線的反推結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)土壤含水率相同時，土壤水吸力隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中施加量為4 g/kg的土壤水吸力最大，即向土壤中施入生化黃腐酸后能夠使土壤基質(zhì)勢降低，土壤對水分的保持能力增強，這是由于生化黃腐酸可作為腐殖質(zhì)中可溶于水且?guī)ж撾姾傻挠袡C膠體施入土壤中，在膠結(jié)作用下使土粒、微團粒相互團聚，促進了土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，改善了土壤結(jié)構(gòu)，從而增強了土壤的保水性能。

圖5 生化黃腐酸施用量對土壤水分特征曲線的影響Fig.5 Effect of BFA on water characteristic curves

2.4 生化黃腐酸對入滲模型參數(shù)的影響

將不同生化黃腐酸施加量(0、1、2、4、8 g/kg)下累積入滲量與時間的關(guān)系、入滲率與概化濕潤鋒的關(guān)系、累積入滲量與濕潤鋒的關(guān)系分別采用Philip模型、Green-Ampt模型和代數(shù)模型進行擬合，各參數(shù)擬合結(jié)果如表2所示。由表2可知，各處理的決定系數(shù)R2均大于0.97，說明Philip模型、Green-Ampt模型和代數(shù)模型均能較好地模擬不同生化黃腐酸施加量下的土壤水分入滲規(guī)律。

表2 不同生化黃腐酸施加量對入滲模型參數(shù)的影響Tab.2 Influence of different BFA application amounts on infiltration model parameters

吸滲率S表示土壤依靠毛管力吸收或釋放水分能力[39]，將吸滲率S與生化黃腐酸施加量進行二次項擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，對于Philip入滲模型，吸滲率S隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，表明土壤入滲能力隨生化黃腐酸施加量的增加先減小后增大，這與濕潤鋒和累積入滲量變化規(guī)律一致。當(dāng)生化黃腐酸施加量為4 g/kg時，吸滲率S最小，低于對照組30.02%。

圖6 生化黃腐酸施加量與吸滲率的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between application amount of BFA and sorptivety

對于Green-Ampt模型，飽和導(dǎo)水率Ks隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，在施加量為4 g/kg時，飽和導(dǎo)水率Ks最小，低于對照組58.79%。而概化濕潤鋒處吸力Sf則隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在施加量為4 g/kg時，概化濕潤鋒處吸力最大，高于對照組71.26%。將飽和導(dǎo)水率Ks和概化濕潤鋒處吸力Sf與生化黃腐酸施加量的關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，擬合R2均大于0.96，說明飽和導(dǎo)水率Ks和濕潤鋒處吸力Sf均與生化黃腐酸施加量之間呈較好的二次多項式關(guān)系。

圖7 生化黃腐酸施加量與飽和導(dǎo)水率和概化濕潤鋒處吸力的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between application amount of BFA and saturated hydraulic conductivity and suction at generalized wetting front

將土壤飽和導(dǎo)水率的實測值與擬合值進行擬合，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，實測值與擬合值存在較好的線性關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.997，但實測值與擬合值之間仍存在一定的誤差。諸多因素均可引起實測值和擬合值的誤差，例如軟件反推土壤模型參數(shù)時存在參數(shù)的置信度問題；測定土壤飽和導(dǎo)水率和水分入滲時的水溫差異也會對測量值的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。

圖8 各處理下土壤飽和導(dǎo)水率實測值與擬合值關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between measured and fitted value of soil saturated hydraulic conductivity under each treatment

利用式(4)對比分析施加生化黃腐酸入滲條件下Philip入滲模型和Green-Ampt入滲模型參數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，結(jié)果如表3所示。由表3可知，兩個入滲模型參數(shù)中S和KsSf的擬合值隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，且在施加量為4 g/kg時達到最小值，這與兩個入滲模型參數(shù)的擬合值變化規(guī)律一致。然而擬合值和計算值存在相對誤差，這是因為生化黃腐酸改善了土壤團粒結(jié)構(gòu)，從而使得入滲公式參數(shù)發(fā)生變化，最終影響了Philip模型和Green-Ampt模型參數(shù)互相轉(zhuǎn)換的精度。

表3 不同生化黃腐酸施加量對入滲模型擬合結(jié)果的影響Tab.3 Effect of different application amounts of BFA on fitting results of infiltration model

2.5 代數(shù)模型描述土壤施加生化黃腐酸入滲后土壤含水率準(zhǔn)確性分析

將擬合得到的綜合形狀系數(shù)α利用式(6)計算土壤含水率，圖9為土壤含水率計算值和實測值之間的關(guān)系。由圖9可以看出，土壤含水率計算值與實測值之間吻合程度較好。為了更好地說明代數(shù)模型的計算效果，對土壤含水率計算值和實測值之間進行誤差分析。結(jié)果表明，隨著生化黃腐酸施加量的增加，各處理的平均絕對誤差分別為 1.36%、1.19%、3.15%、3.52%、2.04%。由此可見，代數(shù)模型能夠較好地模擬計算施加生化黃腐酸后一維垂直入滲條件下的土壤含水率。

圖9 土壤含水率計算值與實測值Fig.9 Theoretical and measured values of soil moisture content

3 結(jié)論

(1)生化黃腐酸具有減緩水分入滲速率的作用。施加生化黃腐酸后，相同時間內(nèi)能夠降低濕潤鋒運移速率；而當(dāng)濕潤鋒深度相等時，生化黃腐酸能夠增大累積入滲量。相同時間內(nèi)，濕潤鋒深度隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，在施加量為4 g/kg時濕潤鋒深度最小。入滲至相同濕潤鋒時，土壤累積入滲量隨著施加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在施加量為4 g/kg時土壤累積入滲量最大。

(2)生化黃腐酸具有保水脫鹽的作用。入滲結(jié)束后，與未施用相比，施加生化黃腐酸能夠提高土壤含水率，且土壤含水率隨著施加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，施加量為4 g/kg時土壤含水率最大。同時在土層0～20 cm，施加生化黃腐酸能夠提高土壤脫鹽率，與未施加相比，施加生化黃腐酸1、2、4、8 g/kg后的土壤平均脫鹽率分別為5.29%、27.04%、42.77%、14.74%，其中施加量為4 g/kg時土壤脫鹽效果最好。

(3)Philip模型、Green-Ampt模型和代數(shù)模型均能較好地模擬不同生化黃腐酸施加量下土壤水分入滲規(guī)律。吸滲率S和飽和導(dǎo)水率Ks隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，施加量4 g/kg時S、Ks最小。概化濕潤鋒處吸力Sf和綜合形狀系數(shù)α隨著生化黃腐酸施加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，施加量4 g/kg時Sf、α最大，且代數(shù)模型能夠較為準(zhǔn)確地擬合施加生化黃腐酸一維垂直入滲條件下的土壤含水率。