保水劑對(duì)紅砂巖土壤持水特性的影響

李陽明，涂安國，謝頌華*，鄭海金，盧玉東

(1. 長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054； 2. 江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 3. 長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

紅砂巖土壤約占江西省土地面積的10%，主要分布在海拔30～300 m的低丘陵崗地，存在土壤結(jié)構(gòu)差、蓄水能力弱、有機(jī)質(zhì)含量低、水土流失嚴(yán)重等問題[1].該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 具有降雨豐沛、熱量充足, 春秋短、夏冬長的特點(diǎn).但此地降雨時(shí)空分布不均，與蒸發(fā)不同步，4—6月降雨量約占全年總降雨量的50%，7—9月蒸發(fā)量接近全年的50%.由此，該區(qū)常出現(xiàn)嚴(yán)重伏、秋季節(jié)性干旱災(zāi)害，從而阻礙農(nóng)作物生長，甚至引起成災(zāi)絕收現(xiàn)象.因此，提高紅砂巖土壤的水土保持能力，是促進(jìn)旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措.

保水劑是近年來迅猛發(fā)展的一種新型高分子材料[2]，具有反復(fù)吸收和釋放水分的功能，可增強(qiáng)土壤保水性[3-5]，減少土壤水分和養(yǎng)分流失，在增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量[6]、緩解農(nóng)田干旱缺水現(xiàn)狀、提高土壤保水保肥能力等方面發(fā)揮重要作用.研究發(fā)現(xiàn)，保水劑在一定濃度范圍內(nèi)，具有降低土壤密度、提高土壤孔隙度的功效[7].在保水劑對(duì)入滲性能的影響方面，學(xué)者們的觀點(diǎn)不完全一致，有的發(fā)現(xiàn)施用保水劑能夠增加入滲率，減少土壤侵蝕[8]；有的則發(fā)現(xiàn)保水劑對(duì)土壤入滲的影響具有范圍性[9].還有的發(fā)現(xiàn)，保水劑可使垂直入滲率在各時(shí)間點(diǎn)有不同程度減小，累積入滲量增加了42%左右，滲吸持續(xù)時(shí)間增長了134%～390%，滲透系數(shù)減小了65%～85%，且這4種變化具有隨保水劑用量增加而加劇的趨勢(shì)[10].因?yàn)楸Ｋ畡┍Ｋ?、改善土壤結(jié)構(gòu)的功效，隨著施用量的增加，其抑制土壤水分蒸發(fā)速率的能力也越強(qiáng)[11]；同時(shí)保水劑可以提高土壤水分的利用率，當(dāng)土壤水分虧缺時(shí)，保水劑吸收的水能釋放補(bǔ)充土壤水分[12]，增強(qiáng)保水抗旱效益.然而已有研究結(jié)果也表明，在不同地區(qū)、不同土質(zhì)的土壤中施用保水劑均出現(xiàn)不同的反應(yīng).

因此，文中針對(duì)南方紅壤區(qū)季節(jié)性干旱的氣候特點(diǎn)，開展在主要土壤類型為由紅砂巖發(fā)育形成的紅壤的柑橘果樹種植園內(nèi)施用保水劑，以應(yīng)對(duì)土壤抗旱問題的應(yīng)用性研究，通過控制保水劑施用量，進(jìn)行土柱入滲試驗(yàn)、土壤水分蒸發(fā)試驗(yàn)和土壤水分特征曲線測(cè)定，以探究保水劑對(duì)紅砂巖土壤持水特性的影響及最優(yōu)施用量，旨在為南方丘陵季節(jié)性干旱區(qū)保水劑科學(xué)施用、提高水資源利用及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的紅砂巖土壤取自江西省寧都縣石上鎮(zhèn)一旱坡地(116°4′19″E,26°37′2″N).采集0～40 cm土層的土壤，取樣后將其充分混合，自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)，過2 mm篩后制成樣品備用.通過比重計(jì)法對(duì)供試土壤進(jìn)行顆粒分析，其砂粒含量90.22%、粉粒含量7.93%、黏粒含量1.85%，按照國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，土壤定名為壤質(zhì)砂土.保水劑為東營華業(yè)新材料有限公司生產(chǎn)的沃特多功能保水劑，顆粒大小2.36 mm左右，主要成分為丙烯酰胺+丙烯酸+氫氧化鉀+凹凸棒，可反復(fù)吸放水.經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，沃特多功能保水劑在去離子水中的吸水倍率約為220倍，在0.9%生理鹽水中的吸水倍率約為90倍.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置

土柱入滲試驗(yàn)裝置由土柱裝置和供水裝置2個(gè)部分組成，如圖1所示.土柱裝置分為上下2個(gè)部分，材質(zhì)均為有機(jī)玻璃，上部為土柱，下部是集水裝置.有機(jī)玻璃管土柱底部用0.074 mm濾布封底口，并在濾布上墊少量砂子(約2 cm厚)，便于土柱通氣排水.供水裝置包括馬氏瓶、電子天平(精度0.01 g)和升降平臺(tái).試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)升降平臺(tái)的高度保證水頭供水，土柱外側(cè)貼有刻度尺，方便觀測(cè)并記錄濕潤鋒進(jìn)尺深度.利用電子天平讀取馬氏瓶內(nèi)剩余水量.

圖1 試驗(yàn)裝置簡圖

1.2.2 土柱入滲試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)保水劑占干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)δ分別為0，0.25‰，0.50‰，1.00‰和2.00‰，共5個(gè)處理，分別記為CK，T1，T2，T3和T4.將保水劑按設(shè)定比例與紅砂巖土壤混合均勻后，根據(jù)野外田間測(cè)定的土壤容重，裝填土壤容重設(shè)定為1.4 g/cm3，總裝填深度為25 cm，整個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次.

入滲試驗(yàn)利用馬氏瓶供水并保持土柱表面2.0 cm的液面深度.濕潤鋒進(jìn)度和馬氏瓶內(nèi)水量消耗(入滲量)將按試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)間間隔記錄，0～1 min每0.5 min記錄1次，1～6 min每1 min記錄1次，6 min以后每2 min記錄1次.

入滲試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)每個(gè)土柱逐漸加入1 000 mL水，以保證土壤處于飽和狀態(tài).之后每日上午利用時(shí)域反射儀(TDR)測(cè)定記錄土壤含水量，首次測(cè)量前將進(jìn)行TDR校準(zhǔn)，每個(gè)土柱重復(fù)測(cè)量3次，最后取平均值，試驗(yàn)連續(xù)35 d.

1.2.3 土壤水分特征曲線的測(cè)定及曲線擬合

將5個(gè)處理的土樣按1.4 g/cm3的容重裝填后充分吸水24 h，測(cè)定其土壤水分特征曲線，每個(gè)處理設(shè)2個(gè)重復(fù).土壤水分特征曲線所采用的儀器是美國Soil Moisture公司生產(chǎn)的1.5 MPa壓力膜儀.儀器設(shè)定9個(gè)壓力，分別為0.01，0.03，0.05，0.07，0.10，0.15，0.30，0.50，1.00和1.50 MPa.

采用Van Genuchten(VG)模型，通過非線性最小二乘法并借助RETC軟件求解擬合模型的各參數(shù).

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 2016軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑對(duì)土壤水分特征曲線的影響

土壤水分特征曲線反映了土壤中含水量(質(zhì)量或者體積含水量)與土壤水吸力之間的關(guān)系.圖2為不同保水劑施用量處理土壤水分特征曲線，圖中ω為質(zhì)量含水量、h為土壤水吸力(水柱高度).由圖可知，保水劑沒有明顯改變紅砂巖持水的基本特征，即與未施用保水劑的土壤一樣(CK)，土壤均大約在水吸力196.13 kPa(2 000 cm水柱)范圍內(nèi)仍然保持著一個(gè)明顯的快速失水區(qū)域.根據(jù)張斌等[13]研究得出紅壤土壤水分的有效庫容量為30 kPa(水柱305 cm)～1 500 kPa(水柱153 000 cm)的土壤貯水量，這表明在土壤中施用保水劑不會(huì)對(duì)作物根系吸水造成影響.

圖2 不同保水劑施用量處理土壤水分特征曲線

土壤水分含量隨著土壤水吸力增大而減小.楊浩等[14]將800 kPa作為土壤水吸力低吸力階段(水柱0～8 160 cm)和高吸力階段(水柱8 160～15 300 cm)的分水嶺.低吸力階段，土壤重力水從大孔隙流失，脫水過程迅速，土壤持水能力較弱，土壤含水量隨吸力增大而下降明顯，土壤水分特征曲線表現(xiàn)為“陡直狀”；高吸力階段，受到土壤顆粒表面分子吸附力的作用，脫水過程緩慢，土壤持水能力較強(qiáng)，含水量隨吸力增大而變化不明顯，土壤水分特征曲線表現(xiàn)為“平緩狀”.這說明土壤水分消耗處于低吸力階段時(shí)，通過增加保水劑施用量以提高土壤水分含量效果顯著；而高吸力階段，通過增加保水劑施用量以提高土壤水分含量的意義不大.

邢旭光等[15]對(duì)多個(gè)模型開展適應(yīng)性研究，得出VG模型對(duì)于不同土壤質(zhì)地的土壤水分特征曲線，具有模擬精度高、普適性強(qiáng)和擬合效果好的特點(diǎn).表1為VG模型的擬合參數(shù)值，表中物理量分別為殘余含水量θr(體積)，飽和含水量θs(體積)，進(jìn)氣值相關(guān)參數(shù)α，開關(guān)系數(shù)n，確定性系數(shù)R2，標(biāo)準(zhǔn)差σ.由表可以看出，添加保水劑的紅砂巖土壤水分特征曲線VG模型確定性系數(shù)(R2)均大于0.996，標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.000 2，且擬合曲線與實(shí)測(cè)值基本重合.表明VG模型對(duì)不同保水劑施用量的紅砂巖土壤水分特征曲線擬合效果好、精度高.

表1 VG模型的擬合參數(shù)值

由表1還可知，隨保水劑施用量增加，除θs呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)外，其余θr，α和n總體上呈先增大后減小的規(guī)律.θs升高的原因在于土體內(nèi)部的保水劑吸水后形成的水凝膠體積膨脹，擠壓周圍土體，提高了土壤內(nèi)部的孔隙度，使得土壤中重力水含量增加.

綜上可知，保水劑主要增強(qiáng)低吸力階段的紅砂巖土壤水分含量.因此保水劑對(duì)紅砂巖土壤的持水作用在于改善土壤大孔隙持水能力，即增加重力水，而不是增強(qiáng)土壤顆粒表面分子吸附力.

2.2 保水劑對(duì)土壤入滲的影響2.2.1 保水劑對(duì)累積入滲量的影響

圖3為不同保水劑施用量條件下紅砂巖土壤的入滲過程，圖中物理量：累積入滲量Q，入滲率μ，濕潤鋒運(yùn)移距離H，入滲時(shí)間t.分析圖3a可得，累積入滲量與入滲時(shí)間呈良好的冪函數(shù)關(guān)系(P<0.01).相同入滲時(shí)間內(nèi)，不施用保水劑(CK)的紅砂巖土壤的累積入滲量最大，且隨著施用量增加，累積入滲量持續(xù)減少.例如入滲至30 min時(shí)，處理CK，T1，T2，T3，T4的累積入滲量分別為6.72，6.35，5.83，6.29，5.28 cm；相對(duì)于CK，經(jīng)保水劑處理的T1，T2，T3，T4累積入滲量分別減少5.4%，13.2%，6.3%和21.4%.這說明保水劑處理降低了水分入滲量，抑制了紅砂巖土壤的入滲性能.

圖3 不同保水劑施用下的入滲過程

2.2.2 保水劑對(duì)土壤入滲率的影響

由圖3b可知，整個(gè)入滲過程中，各處理的土壤入滲率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，入滲率與入滲時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.根據(jù)入滲率隨入滲時(shí)間的變化關(guān)系，可將入滲過程分成初滲階段和穩(wěn)滲階段.初滲階段入滲率較大，在0～7 min急劇減小；后隨入滲時(shí)間推移，進(jìn)入穩(wěn)滲階段，該階段土壤入滲率減小趨勢(shì)愈來愈小并逐漸趨于穩(wěn)定.保水劑是一種高分子聚合物，吸水后發(fā)生膨脹，初滲階段土壤入滲率主要受到土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，而穩(wěn)滲階段則受到土壤中溶解離子的影響增大，使得保水劑吸水倍率降低，導(dǎo)致土壤入滲率減少并逐漸趨于平緩.

初滲階段0～7 min，處理CK的平均入滲率最大，為109.1 cm/min，而受到抑制程度最大的是處理T4，其平均入滲率為76.8 cm/min，抑制程度達(dá)到了29.6%；穩(wěn)滲階段各處理平均入滲率基本一致，保水劑對(duì)該階段的平均入滲率影響不大.由此可知，保水劑的施用對(duì)土壤水分入滲率的抑制效果主要作用在初滲階段.試驗(yàn)結(jié)果與王昱程等[10]研究所得出的關(guān)于土壤添加保水劑后對(duì)水分入滲率隨時(shí)間變化規(guī)律及保水劑有著降低水分垂直入滲率的結(jié)果一致，但與于健等[8]的研究結(jié)果不一致，其研究顯示施用保水劑能夠增加入滲率，這可能與試驗(yàn)土質(zhì)的不同有關(guān).因?yàn)槠涫褂玫墓┰囃寥罏樯叭劳?，砂粒含量約為60%，而文中的土壤為壤質(zhì)砂土，砂粒含量接近90%.

2.2.3 保水劑對(duì)土壤濕潤鋒運(yùn)移的影響

由圖3c可知，土體濕潤鋒運(yùn)移距離隨入滲時(shí)間的變化趨勢(shì)和累積入滲量隨入滲時(shí)間的變化規(guī)律具有一致性，兩者均與入滲時(shí)間存在正相關(guān)關(guān)系，隨著入滲時(shí)間延長，保水劑施用量對(duì)濕潤鋒推移距離的影響不斷加大.

同一時(shí)刻，入滲濕潤鋒推移距離與保水劑施用量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，不施用保水劑的對(duì)照組CK的濕潤鋒推進(jìn)深度最大，隨著保水劑施用量增加，濕潤鋒運(yùn)移距離越短.當(dāng)入滲時(shí)間處于60 min時(shí)，處理CK，T1，T2，T3和T4的濕潤鋒推進(jìn)距離分別為25.0，22.8，22.2，21.3，20.7 cm，相對(duì)于CK的濕潤鋒推進(jìn)距離，處理T1，T2，T3和T4的分別減少8.8%，11.2%，14.8%和17.2%.處理CK，T1，T2，T3和T4的入滲持續(xù)時(shí)間分別為60，68，72，76，80 min，相對(duì)于CK入滲至土柱底部的時(shí)間，處理T1，T2，T3和T4分別增加了13.3%，20.0%，26.7%和33.3%.表明保水劑能延緩入滲，延長入滲持續(xù)時(shí)間.這與費(fèi)良軍等[16]的研究結(jié)果一致，土壤內(nèi)部的保水劑吸水，延緩了濕潤鋒推移進(jìn)程，說明紅砂巖土壤中保水劑施用量的增加，有助于土壤保水性能的提升.

2.2.4 保水劑施用對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

圖4為蒸發(fā)過程中土壤水分含量變化，圖中θ為體積含水率，td為水分蒸發(fā)時(shí)間.通過擬合曲線，土壤水分含量變化擬合曲線的斜率分別為-0.627，-0.576，-0.556，-0.532和-0.501，其正值即為土壤水分蒸發(fā)速率γ.由此可知，隨著保水劑施用量增加，土柱內(nèi)土壤水分蒸發(fā)速率顯著減小，通過統(tǒng)計(jì)分析，整個(gè)過程中處理T1，T2，T3和T4相比CK的土壤水分蒸發(fā)速率分別降低了8.1%，11.3%，15.2%和20.1%，其中T4對(duì)土壤含水量變化率的降幅最大，可達(dá)20.1%.經(jīng)過35 d自然蒸發(fā)后，相對(duì)于CK，處理T1，T2，T3和T4的土壤水分含量分別高26.6%，43.6%，35.6%和58.5%.可見，通過保水劑抑制土壤水分蒸散發(fā)是提高紅砂巖土壤水分利用率和土壤持水抗旱能力的重要途經(jīng).這與王露等[17]的研究結(jié)果是一致的.

圖4 土壤35 d水分含量

2.3 保水劑最佳施用量

以保水劑施用量(即保水劑占干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)δ)、飽和含水量θs和蒸發(fā)速率γ為基礎(chǔ)計(jì)算效益表，見表2，表中Δθs為飽和含水量提升率、λ為蒸發(fā)抑制程度.通過繪制散點(diǎn)圖，擬合二次函數(shù)曲線求其倒數(shù)，獲得極值，確定最佳保水劑施用量.

表2 保水劑施用量效益表

以表2中保水劑施用量為橫坐標(biāo)，以其土壤飽和含水量提升率為縱坐標(biāo)，制作散點(diǎn)圖，如圖5所示，將兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，得到一元二次函數(shù)，經(jīng)求導(dǎo)后取得極值，保水劑最佳施用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.88‰，最佳飽和含水量提升率為29.75%.同理，以表2中保水劑施用量為橫坐標(biāo)，以其土壤蒸發(fā)抑制程度為縱坐標(biāo)，制作散點(diǎn)圖，如圖6所示，可知在蒸發(fā)方面保水劑最佳施用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.71‰，最佳蒸散發(fā)抑制程度為32.65%.

圖5 保水劑施用量與飽和含水量提升率的關(guān)系

圖6 保水劑施用量與蒸散發(fā)抑制程度的關(guān)系

因此，在僅考慮保水劑施用量、飽和含水量提升率與蒸發(fā)抑制程度的前提下，由二次函數(shù)法可得，紅砂巖土壤最佳保水劑施用量范圍為0.50‰～1.00‰，此范圍飽和含水量提升率與蒸發(fā)抑制程度均能取得極值.今后研究中應(yīng)加強(qiáng)該濃度區(qū)間插值分析.

3 結(jié) 論

通過紅砂巖土壤的保水劑土柱試驗(yàn)和測(cè)定土壤水分特征曲線，對(duì)比分析了不同保水劑施用量對(duì)紅砂巖土壤持水性能的影響，得到以下主要結(jié)論：

1) 施用保水劑主要增強(qiáng)低吸力階段的紅砂巖土壤含水量，增加重力水.

2) 保水劑的施用可抑制紅砂巖土壤的入滲性能，降低水分垂直入滲率，延長入滲持續(xù)時(shí)間，從而提升土壤保水性能.

3) 保水劑施用量的增加，能顯著降低土壤水分蒸發(fā)速率，增強(qiáng)紅砂巖土壤的抗旱能力.

4) 紅砂巖土壤最佳保水劑施用量范圍為0.50‰～1.00‰，此區(qū)間內(nèi)最佳飽和含水量提升率可達(dá)29.75%，最佳蒸散發(fā)抑制程度可達(dá)32.65%.

5) 保水劑能夠有效增強(qiáng)紅砂巖土壤持水性能，減少土壤水分流失，提高土壤抗旱能力，是促進(jìn)旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施.