海綿型保水材料對(duì)土壤水力特性的影響

胡雅張瑞慶

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075；5.自然資源部土地工程技術(shù)創(chuàng)新中心，陜西 西安 710075)

引言

秦巴山區(qū)降水均勻，夏季短時(shí)暴雨造成水力侵蝕、良田破壞、土壤肥力減退，而降水少時(shí)，連續(xù)干旱造成土壤失水嚴(yán)重，農(nóng)作物枯萎，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。商洛地區(qū)土壤為砂壤質(zhì)地，粘粒含量較低，土壤保水保肥性能差。土地整治過程對(duì)土體進(jìn)行改良，添加保水材料能夠增加土壤的保水能力，在一定程度上減輕干旱及暴雨對(duì)耕地的負(fù)面影響[1]。

隨著干旱農(nóng)業(yè)研究的不斷深入，保水材料近年來受到學(xué)者的廣泛重視[2]。目前應(yīng)用較為普遍的保水材料為高吸水性聚合物，保水劑(SAP)是一種人工合成的高分子化合物，可以吸持85%以上植物可以利用的有效水，吸持水量是自身質(zhì)量數(shù)百倍[3]。保水劑吸水后的水凝膠通過緩慢釋放水分供作物利用，起到蓄水保墑作用[4]。有學(xué)者研究表明，土壤中添加保水劑除了可減少土壤水分和養(yǎng)分流失，還能調(diào)節(jié)土壤水肥[5]。超吸水纖維(SAF)是一種新型功能材料，通過化學(xué)吸收原理吸收液體，吸水溶脹形成內(nèi)聚力的凝膠，是一種功能纖維，當(dāng)凝膠纖維失水干燥，即可恢復(fù)原來的形態(tài)，仍具有吸水能力，可循環(huán)利用[6]。與傳統(tǒng)吸水材料如脫脂棉、纖維素纖維等相比，超吸水纖維吸水速度快，且無毒無害。保水劑(SAP)與超吸水纖維(SAF)均有“吸水—釋水—吸水”可循環(huán)利用的作用，因此本研究稱之為“海綿型”保水材料。

飽和水流能夠代表土壤介質(zhì)中飽和水分運(yùn)動(dòng)的最大能力，土壤飽和導(dǎo)水率反映土壤的滲漏特性，是研究土壤中水分運(yùn)動(dòng)的重要水力參數(shù)[7-9]。土壤水分特征曲線用來評(píng)價(jià)土壤的持水特性和孔隙分布狀況，受土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、容重等諸多因素影響[10-12]。目前，結(jié)合土壤飽和導(dǎo)水率和水分變化特征研究不同保水材料的水分調(diào)控和蓄水能力的報(bào)道較少。因此，本研究對(duì)2種“海綿型”保水材料施用后的土壤飽和水電導(dǎo)率和土壤水分特征曲線進(jìn)行了測(cè)試分析，研究了“海綿型”保水材料對(duì)土壤的保水作用，研究結(jié)果可為生態(tài)用地保水材料的選擇提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

商州區(qū)位于E109°56′26″～109°57′28″，N34°02′31″～34°03′44″，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。最熱月平均氣溫24.9℃，最冷月平均氣溫0.1℃，≥0℃積溫4731.5℃，無霜期208d。受地理位置、地形、氣候等條件的影響，降水時(shí)空分布不均，多年平均降雨量740mm。年日照時(shí)數(shù)1973h，光熱條件好。主要?dú)庀鬄?zāi)害有干旱、暴雨、霜凍和冰雹。土壤類型主要以褐土為主，呈淡黃褐色。粘粒含量較低，砂壤質(zhì)地，上層疏松多孔，下層稍緊實(shí)。易耕作，吸熱快，散熱快，不易積水，供肥性快，但保水保肥性能差。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

供試保水材料分別為任丘市輝達(dá)化工有限公司生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)抗旱保水劑(SAP)，選用南通江潮纖維制品有限公司生產(chǎn)的超吸水纖維(SAF)。實(shí)驗(yàn)采用兩因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，包括不同保水材料(保水劑、超吸水纖維)和施用量(5%、2%)，共設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理3組重復(fù)，以不添加保水材料為對(duì)照。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

1.3 飽和導(dǎo)水率和土壤水分特征曲線的測(cè)定

1.3.1 飽和導(dǎo)水率

土樣在蒸餾水中充分飽和后，采用四點(diǎn)式土壤透水性測(cè)定儀在恒定水頭法下測(cè)定土壤飽和導(dǎo)水率。在相同的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)定出水流量，直到幾次時(shí)間間隔所測(cè)得出水流量不變作為測(cè)定終點(diǎn)。土壤飽和導(dǎo)水率測(cè)定后將環(huán)刀土樣烘干以測(cè)土壤容重[8]。飽和導(dǎo)水率計(jì)算公式:

式中，Kt為溫度t時(shí)的飽和導(dǎo)水率，mm·min-1；V為滲透速度，mm·min-1；h為水層厚度，cm；L為土層厚度，cm。

1.3.2 土壤水分特征曲線

根據(jù)農(nóng)田土壤實(shí)際體積質(zhì)量，將供試土壤按1.45g·cm-3的體積質(zhì)量分層壓實(shí)、刮毛后裝入體積為100cm3的環(huán)刀內(nèi)?；靥钔寥罉颖窘菰谌プ詠硭?4h，浸水時(shí)保持水面與環(huán)刀上口平齊，勿使水淹到環(huán)刀上口的土面，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。

用CR21G型號(hào)離心機(jī)測(cè)定土壤水分特征曲線，測(cè)定時(shí)溫度恒定20℃。設(shè)置離心機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速分別在10min、12min、16.6min、21.3min、26.2min、41.5min、48.5min、53.2min、58.2min、67.8min、73.4min、80.5min、90.1min、91.2min達(dá)到平衡，對(duì)應(yīng)加壓分別為0.01kPa、0.03kPa、0.05kPa、0.07kPa、0.1kPa、0.3kPa、0.5kPa、0.7kPa、1kPa、2kPa、3kPa、5kPa、7kPa、10kPa、12kPa，平衡后平衡后取出環(huán)刀稱質(zhì)量，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量土體沉降量，試驗(yàn)完成后在105℃下恒溫干燥至質(zhì)量不變并用千分之一天平稱質(zhì)量，采用RETC軟件，選擇van Genuchten模型進(jìn)行模擬，并用Excel繪制土壤水分特征曲線。van Genuchten 模型(簡(jiǎn)稱VG模型)擬合水分特征曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水材料對(duì)土壤容重的影響

添加保水材料后土壤容重表現(xiàn)為CK>5%SAP>10%SAP>5%SAF>10%SAF，見表2，添加保水劑各添加量的土壤容重(1.28g·cm-3、1.25g·cm-3)均高于添加超吸水纖維(1.21g·cm-3、1.17g·cm-3)，平均高出5.7%～6.8%，且無添加處理(1.3g·cm-3)容重最大。隨著保水材料用量的增加，土壤容重呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，添加5%SAP處理較10%SAP處理容重高2.3%，5%SAF處理較10%SAF處理容重高3.3%。添加超吸水纖維的土壤容重比較低主要是因?yàn)槌w維的物理結(jié)構(gòu)是纖維狀，空間結(jié)構(gòu)大，相同體積的土壤和超吸水纖維相比，土壤質(zhì)量更大。

表2 不同保水材料對(duì)土壤容重的影響

2.2 不同保水材料對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

土壤飽和導(dǎo)水率作為研究土壤水分運(yùn)移工作的重要參數(shù)之一，是反映農(nóng)田土壤滲透性能的指標(biāo)，直接影響作物的生長發(fā)育。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)重復(fù)取平均值。

表3 不同保水材料對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

添加不同保水材料后的土壤飽和導(dǎo)水率存在明顯差異，由表3可以看出，添加5%SAF處理飽和導(dǎo)水率最大(30.58mm·h-1)，添加10%SAF處理飽和導(dǎo)水率最小(0.44mm·h-1)，添加5%SAP與10%SAP處理飽和導(dǎo)水率較CK變化幅度較小。這說明添加5%超吸水纖維是較為合適的保水材料添加量，飽和導(dǎo)水率并不隨著保水材料添加量的增加而增加，這是因?yàn)楫?dāng)添加超吸水纖維過多時(shí)，超吸水纖維吸水膨脹并填充滿土壤孔隙，水分通道受阻，導(dǎo)水率降低。5%SAF處理的飽和導(dǎo)水率是10%SAF處理的70倍，5%SAP處理的飽和導(dǎo)水率是10%SAP的處理1.5倍，這也說明不同添加量時(shí)添加超吸水纖維對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率影響更敏感。

2.3 不同保水材料處理下的土壤水分特征曲線

土壤水分特征曲線反映了土壤水吸力與土壤含水量間的關(guān)系，通過其可以了解土壤的持水和保水性能。將土壤水吸力劃分為低吸力和高吸力2個(gè)吸力段，低吸力段吸力水頭值<1000S/kPa，高吸力段吸力水頭值>1000S/kPa。不同處理下土壤含水率隨土壤水吸力表現(xiàn)為在高吸力段曲線變化平緩，土壤含水率變化??；在低吸力段曲線斜率增大，含水率急劇降低，見圖1。

圖1 不同保水材料處理下的土壤水分特征曲線

添加保水材料后，水分特征曲線均處于對(duì)照實(shí)驗(yàn)右側(cè)，且同一類型保水材料隨添加量的增加，水分特征曲線偏離對(duì)照實(shí)驗(yàn)越遠(yuǎn)。不同處理間的土壤水分特征曲線差異明顯。當(dāng)土壤含水量一定時(shí)，隨保水材料添加量增加其土壤水吸力也同步增大，如土壤含水量為25%時(shí)，5%SAF和10%SAF處理的土壤水吸力分別為105.4和273.6，即隨著保水材料添加量的增加，土壤持水性明顯增加。土壤持水能力依次為10%SAF>5%SAF>10%SAP>5%SAP>CK，說明添加SAF較添加SAP土壤持水性更強(qiáng)，也就是說在土壤中添加超吸水纖維能夠有效解決砂壤土保水能力差的問題。

2.4 不同保水材料對(duì)土壤水分特征曲線參數(shù)的影響

表4 土壤水分特征參數(shù)擬合結(jié)果

van Genuchten模型能夠較好地模擬保水材料含量對(duì)土壤水分特征曲線的影響。通過RETC軟件進(jìn)行模擬，得到不同處理的土壤水分特征曲線模型參數(shù)。CK處理的滯留含水率(θr)和飽和含水率(θs)均小于其它處理，見表4。a值是水分特征曲線接近飽和時(shí)拐點(diǎn)吸力值的倒數(shù)，a值越大土壤持水性越差，保水材料的添加使4個(gè)處理的a值均低于CK，由此可見，保水劑和超級(jí)水纖維的添加明顯提高了砂壤土持水性能,增強(qiáng)了其保水性。

3 結(jié)論

添加保水材料會(huì)降低土壤容重，增大土壤供水能力。添加保水劑比添加超吸水纖維土壤容重平均高出5.7%～6.8%；添加5%SAF處理飽和導(dǎo)水率最大，較無添加處理增大了近6倍。隨著保水材料添加比例的增大，飽和導(dǎo)水率呈減小趨勢(shì)。添加SAF較添加SAP保水率減小幅度更明顯；隨保水材料添加量增加土壤水吸力也同步增大，添加SAF處理較添加SAP處理土壤持水性更強(qiáng)。