施加黃腐酸鉀對(duì)黑壚土土壤結(jié)構(gòu)的影響

張路，吳軍虎，楊曉偉，雷震遠(yuǎn)，白雪

施加黃腐酸鉀對(duì)黑壚土土壤結(jié)構(gòu)的影響

張路，吳軍虎*，楊曉偉，雷震遠(yuǎn)，白雪

（西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

【目的】探究黃腐酸鉀對(duì)黑壚土水分運(yùn)移、土壤孔隙和團(tuán)聚體分布的影響。【方法】通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，向黑壚土中施加不同質(zhì)量配比（0%、0.1%、0.5%和1%）的黃腐酸鉀，得到對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改良效果的最佳黃腐酸鉀施量。【結(jié)果】①用含1%黃腐酸鉀處理后的土樣效果是最優(yōu)的，土壤累積入滲量、入滲率（90 min）、穩(wěn)滲率和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離分別增加了43.96%、182.5%、47.06%和28.41%。②3種入滲模型參數(shù)擬合結(jié)果顯示，Kostiakov公式中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)從1.648 7減小至0.901 3，經(jīng)驗(yàn)指數(shù)從0.478 1增加至0.537 5。Philip公式中穩(wěn)滲率在0.002 0到0.003 2的范圍內(nèi)，吸滲率在0.956 2到1.004 2范圍波動(dòng)。改進(jìn)后Kostiakov公式中，穩(wěn)定入滲率從0.012 6增加至0.084 6。③摻加含1%黃腐酸鉀的土樣對(duì)土壤孔隙度的影響最大，土壤總孔隙度和土壤通氣孔隙度分別增加了2.65%和64.29%，土壤毛管孔隙度降低了17.00%。同時(shí)土樣中摻入黃腐酸鉀的質(zhì)量配比越大，在單位體積上相較于對(duì)照組，土壤體積質(zhì)量減小了2.99%。④隨著培養(yǎng)時(shí)間增長(zhǎng)，粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體量顯著增加，同時(shí)粒徑＜0.045 mm團(tuán)聚體量逐漸減少。平均幾何直徑與黃腐酸鉀施量之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)和土壤可蝕性因子隨黃腐酸鉀施量增加呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，分形維數(shù)隨著時(shí)間與黃腐酸鉀施量的增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。【結(jié)論】施加質(zhì)量配比為1%黃腐酸鉀對(duì)黑壚土結(jié)構(gòu)改良效果是最佳的，該研究成果為揭示不同施量黃腐酸鉀對(duì)黑壚土水分運(yùn)移和結(jié)構(gòu)改良效果方面提供參考。

黃腐酸鉀；水分運(yùn)移；土壤孔性；水穩(wěn)性團(tuán)聚體；土壤結(jié)構(gòu)

0 引 言

【研究意義】黑壚土作為一種良性的耕作土壤，同時(shí)也是黃土高原地區(qū)分布廣泛的土壤類型之一，一直受到眾多學(xué)者的研究[1]，而考察黑壚土土壤結(jié)構(gòu)是必不可少的一環(huán)[2]。近些年，人們一直通過(guò)土壤改良劑來(lái)改善黑壚土的土壤結(jié)構(gòu)，增加作物產(chǎn)量創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。腐殖酸類產(chǎn)品作為一種綠色高效的土壤改良劑逐漸進(jìn)入大眾視野[4]，黃腐酸鉀作為腐殖酸中較為精致的一類，其芳香度低，官能團(tuán)多和溶解性好，在改善土壤結(jié)構(gòu)和提高作物抗性方面十分突出[5-6]?！狙芯窟M(jìn)展】在性質(zhì)方面；Ghazy等[7]將黃腐酸鉀作為共穿劑，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部的官能團(tuán)與材料的官能團(tuán)發(fā)生強(qiáng)烈的縮聚反應(yīng)并能夠形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加物質(zhì)的吸水性。Mohamed等[8]發(fā)現(xiàn)；黃腐酸鉀絡(luò)合能力與離子交換能力很強(qiáng)，可以加速與增強(qiáng)細(xì)胞纖維素和丙烯酸的接枝共聚，生成的聚合物甚至可以和一些金屬離子（Cu2+）發(fā)生螯合反應(yīng)。在土壤改良方面；倪幸等[9]將黃腐酸鉀活化劑，與其他材料活化劑作對(duì)比，黃腐酸鉀能與土壤形成膠狀物質(zhì)來(lái)增加團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，能夠降低土壤體積質(zhì)量，提高土壤溶液中可溶性鹽電導(dǎo)率（）值，改善土壤微環(huán)境[10]。其中黃腐酸鉀官能團(tuán)中鉀鹽基交換容量大，能夠降低土壤鹽分濃度和調(diào)節(jié)土壤酸堿度，避免土壤鹽堿化[11-12]。在土壤修復(fù)方面；馬閃閃等[13]發(fā)現(xiàn)黃腐酸鉀可以降低土壤中交換性的鋁和酸，增加交換性鹽基，對(duì)酸性土壤起到很好的改良效果。同時(shí)黃腐酸鉀配施化肥，可以使肥效利用最優(yōu)化，顯著增加了土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量。在作物生長(zhǎng)方面；還有學(xué)者[14-15]將黃腐酸鉀類產(chǎn)品應(yīng)用于綠色植物生長(zhǎng)階段，發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)能夠幫助土壤積攢肥力和提高氮肥利用率。Othman等[16-17]發(fā)現(xiàn)黃腐酸鉀也可以協(xié)助作物細(xì)胞提高滲透勢(shì)來(lái)達(dá)到抗旱性，提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量，幫助人們提高生活品質(zhì)。

【切入點(diǎn)】研究發(fā)現(xiàn)[18]，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化占用了大量耕地，農(nóng)業(yè)投入品的過(guò)量使用，導(dǎo)致耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量不斷下降，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。黃腐酸鉀作為一種優(yōu)秀的土壤改良劑，在改良土壤結(jié)構(gòu)和促進(jìn)水分運(yùn)移方面應(yīng)用十分廣泛[19]。其能夠使該地區(qū)土壤資源得到重新利用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，十分契合綠色農(nóng)業(yè)的主題。而當(dāng)前向黑壚土中單獨(dú)施加黃腐酸鉀，對(duì)土壤入滲特征、土壤內(nèi)部孔隙變化和土壤結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)在作用機(jī)理尚未明確?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究向黑壚土中施加不同質(zhì)量配比的黃腐酸鉀，結(jié)合入滲試驗(yàn)、孔隙測(cè)定試驗(yàn)和團(tuán)聚體培養(yǎng)試驗(yàn)。探究黃腐酸鉀對(duì)土壤入滲特性和土壤結(jié)構(gòu)改良的作用機(jī)理，為黑壚土改良和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料概況

1.1.1 試驗(yàn)區(qū)土壤概況

試驗(yàn)用土取自咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣王東溝流域試驗(yàn)區(qū)，取土深度為表層0～30 cm，土地利用類型為坡荒地。該地區(qū)坐標(biāo)107°34′E，35°12′N，為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，土壤土質(zhì)疏松，透氣性好，年平均降水量維持在580 mm左右。試驗(yàn)樣土陰干過(guò)2 mm篩備用，利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測(cè)定土壤的機(jī)械組成，土壤的黏粒、粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)分別為8.56%、81.31%、10.13%，根據(jù)國(guó)際土壤質(zhì)地分類法，確定供試土壤為粉砂質(zhì)壤土，土壤體積質(zhì)量為1.35 g/cm3，土壤初始含水率為0.15 cm3/cm3，飽和含水率為0.45 cm3/cm3，土壤鹽分量為1.85 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)量為5.27 g/kg。土壤pH值為8.1。

1.1.2 黃腐酸鉀材料選擇

試驗(yàn)選用的處理材料為山東某公司生產(chǎn)的黃腐酸鉀粉末（粒徑為0.15～0.30 mm，其中60～80目約占62%，80～100目約占38%），該物質(zhì)外觀為棕黃色，常用作土壤改良劑和肥料增效的緩效劑。其中黃腐酸鉀量≥85%，有機(jī)質(zhì)量≥65%，氨基酸量≥8.8%，K2CO3≥12%，P≥0.3%,N≥3%，微量元素量≥2%，pH值5.6～5.8。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 室內(nèi)入滲試驗(yàn)

試驗(yàn)于2021年3月10日—6月15日在西安理工大學(xué)土壤物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)前先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。當(dāng)黑壚土中施加黃腐酸鉀質(zhì)量比大于1.5%時(shí)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)樣土的土壤結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，不利于后續(xù)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。當(dāng)試驗(yàn)樣土和黃腐酸鉀摻加質(zhì)量比大于1%時(shí)，發(fā)現(xiàn)累積入滲量、入滲率和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離較摻入1%黃腐酸鉀土樣分別增長(zhǎng)為3.5%、2.1%和5.9%，增長(zhǎng)速率明顯減緩。因此，可認(rèn)為土樣中摻加質(zhì)量比1%黃腐酸鉀，是上述各因素間增長(zhǎng)的最高拐點(diǎn)。

試驗(yàn)選用高為45 cm內(nèi)直徑為5 cm的有機(jī)玻璃土柱，將處理好的土樣按體積質(zhì)量1.35 g/cm3分7次裝入土柱中，土柱高度為35 cm。其中黃腐酸鉀按照質(zhì)量配比0%、0.1%、0.5%和1%與土樣混合均勻后分別裝入各土柱中，記為T0、T1、T2處理和T3處理。每層裝土?xí)r保持土樣質(zhì)量不變，即每層裝土與黃腐酸鉀的混合質(zhì)量恒為132.5 g。在土柱各層間刮毛，防止分層，并在各土柱底部和頂部需平鋪1層濾紙，防止土層被沖刷破壞影響試驗(yàn)結(jié)果。供水裝置采用直徑為5 cm的馬氏瓶，水頭控制在3 cm，試驗(yàn)開始時(shí)記錄時(shí)間、累積入滲量和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，試驗(yàn)時(shí)間為420 min。試驗(yàn)共4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3組重復(fù)。裝置如圖1所示。

注 1.進(jìn)氣管（與外界大氣壓連通）；2.為橡皮塞（塞住注水孔，使密封）；3.為注水孔；4.為馬氏瓶邊壁厚度（2 mm）；5.外壁帶刻度內(nèi)直徑為5 cm的馬氏瓶；6.內(nèi)部溶液（純水）；7.出水口；8.馬氏瓶底座（厚5 mm）；9.橡膠管；10.外壁帶刻度直徑為5 cm的土柱；11.土柱邊壁厚度（2 mm）；12.土柱內(nèi)部試驗(yàn)樣土；13.為出水口。

1.2.2 土壤孔隙試驗(yàn)

選取試驗(yàn)樣土40 kg，平均分為4份，每份按質(zhì)量比混入0%、0.1%、0.5%和1%的黃腐酸鉀。攪拌均勻，體積質(zhì)量為1.35 g/cm3，分別置于大花盆中培養(yǎng)。每隔3 d澆水1次，培養(yǎng)時(shí)間為60 d。用環(huán)刀取培養(yǎng)后的土樣，將環(huán)刀有孔的一面墊入濾紙，此面朝下置于裝有純水的容器中，容器水深保持在3 mm，浸水12 h，待2次稱質(zhì)量浸水環(huán)刀質(zhì)量不再改變時(shí)，則用刀將環(huán)刀表面吸水膨脹后的土樣刮下，立即稱取刮下的土樣質(zhì)量，保留3位有效數(shù)字。繼續(xù)稱取環(huán)刀內(nèi)飽和后的土樣5 g，采用烘干法測(cè)定其土壤吸水后的含水率，換算環(huán)刀中烘干土質(zhì)量[20]。試驗(yàn)共4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3組重復(fù)。

1.2.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體試驗(yàn)

將處理好的土壤按體積質(zhì)量1.35 g/cm3裝入直徑為16 cm的土柱中培養(yǎng)，分層裝土，每層裝2 cm，裝至20 cm高。其中各土柱之間，分別按質(zhì)量比加入0%、0.1%、0.5%和1%的黃腐酸鉀，記為T0、T1、T2處理和T3處理，保證每層土樣質(zhì)量不變，裝土質(zhì)量恒為542.6 g，做3組重復(fù)處理。定期稱質(zhì)量補(bǔ)充水分至田間持水率的70%，分別在第30、60、90天時(shí)測(cè)量各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體量[21-22]并計(jì)算其團(tuán)聚體粒徑大于0.025 mm量（0.25）、平均幾何直徑（）、不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（LT）、土壤可蝕性因子（）、分形維數(shù)（）等指標(biāo)。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體量采用Wet Sieving Apparatus（濕篩分裝置）分析，該裝置測(cè)定的粒級(jí)分別為0.45、0.53、0.63、0.125、0.25、0.5、1 mm和2 mm。測(cè)定前取培養(yǎng)后的土壤，將該套裝置中的16個(gè)鋼罐稱質(zhì)量記錄，按篩罐孔徑大小順序，分別裝入4 g土樣。1～8號(hào)鋼罐中裝入約鋼罐3/4體積的純水，9～16號(hào)鋼罐中加入1 g/mL的六偏磷酸鈉溶液，加之鋼罐體積的3/4。開始前將1～8號(hào)鋼罐放在篩罐下方，開啟濕篩分裝置振蕩3 min，取下1～8號(hào)鋼罐，放入9～16號(hào)鋼罐，振蕩8 min。儀器停止后將16個(gè)鋼罐放入烘箱中，編為一組，在105 ℃下烘干8 h，稱質(zhì)量（保留3位有效數(shù)字），重復(fù)3次。

1.3 相關(guān)入滲模型與評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 土壤水分入滲模型

采用Origin 2018軟件和SPSS軟件對(duì)常用的土壤入滲模型擬合和分析，發(fā)現(xiàn)Kostiakov模型、Philip模型和修正的Kostiakov模型對(duì)水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程的參數(shù)擬合和顯著性分析方面更為準(zhǔn)確，因此本文選用Kostiakov模型、Philip模型和修正的Kostiakov模型來(lái)擬合黃腐酸鉀對(duì)土壤入滲特性的影響[23]。

1）Kostiakov入滲公式[24]

=kt， （1）

式中：為累積入滲量（cm）；為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（cm/min）；為入滲時(shí)間（min）；為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，無(wú)量綱。

2）Philip入滲公式

=0.5+， （2）

式中：為吸滲率（cm/min0.5）；為穩(wěn)滲率（cm/min）。

3）修正的Kostiakov入滲公式[25-26]

=kt+0， （3）

式中：0為穩(wěn)定入滲率（cm/min）。

1.3.2 土壤孔隙評(píng)價(jià)指標(biāo)

利用環(huán)刀法測(cè)定原狀土壤的土壤體積質(zhì)量，土壤總孔隙度測(cè)定采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[20]。

=93.947-32.995， （4）

式中：為土壤體積質(zhì)量（g/cm3）；為土壤總孔隙度（%）。

式中：為環(huán)刀內(nèi)部土壤保持的水量（cm3）；為環(huán)刀容積（cm3）。

=-， （6）

式中：為土壤通氣孔隙度（%）；為土壤總孔隙度（%）；為土壤毛管孔隙度（%）。

1.3.3 各粒級(jí)團(tuán)聚體量與可蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)

具體計(jì)算涉及的公式如下[21-22, 25]：

1）水穩(wěn)性團(tuán)聚體量：

水穩(wěn)性團(tuán)聚體量（%）=水穩(wěn)性團(tuán)聚體

質(zhì)量（g）/土壤樣品總質(zhì)量（g）×100%。

2）團(tuán)聚體粒徑大于0.25 mm量（0.25）的計(jì)算式：

3）平均幾何直徑（）的計(jì)算：

4）不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（LT）的計(jì)算：

5）土壤可蝕性因子（），采用計(jì)算方式為：