含腐植酸褐煤施用下蘇打鹽堿土持水特性研究

顧 鑫，任翠梅，張宏宇，王麗娜，楊 麗，李 娜，韓 墨

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163316）

0 引 言

黑龍江省西部大慶地區(qū)分布著大量以Na2CO3和NaHCO3為主要鹽分的蘇打鹽堿土［1］，是重要的后備土壤資源。土壤是糧食生產(chǎn)的重要支柱，良好的土壤條件是保障作物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，而蘇打鹽堿土生產(chǎn)力不佳，是我國土地保護利用的前沿屏障。蘇打鹽堿土由于質(zhì)地黏重、交換性Na+偏高、有機質(zhì)偏低而導致土壤性質(zhì)極差［2］，惡劣的土壤性質(zhì)是導致蘇打鹽堿土可耕性差的重要因素［3］。蘇打鹽堿土濕時顆粒高度分散、透水透氣性降低，干時劇烈收縮、板結(jié)成硬塊［4］，使土壤出現(xiàn)“濕時一團糟，干時一把刀”的狀態(tài)，土壤持水能力弱，耕作十分困難，嚴重妨礙地上作物的生長。因此，提高蘇打鹽堿土吸水持水能力有利于改善土壤質(zhì)量。大量研究指出土壤中有機質(zhì)含量越高，其中的有機膠體越豐富，土壤的吸附和保持水分的能力越強［5，6］。腐植酸是一種有機大分子親水膠體，具有很強的吸水蓄水能力，能夠提高土壤水分含量［7］。含腐植酸褐煤是煤化程度較低的煤，顏色較深，質(zhì)地較為疏松和柔軟，是補充土壤腐植酸的有效來源［8］，作為土壤改良物質(zhì)應(yīng)用能夠吸附鈍化重金屬［9］，促進土壤有機無機復合體的形成［10］，提高土壤肥效［11］，改善土壤性狀［12］。然而，含腐植酸褐煤施用下的蘇打鹽堿土持水特性研究仍然不足，為此，本研究以蘇打鹽堿土為研究對象，通過室內(nèi)培養(yǎng)方法，研究含腐植酸褐煤對蘇打鹽堿土持水特性的影響以及土壤持水特性指標的相關(guān)回歸分析，旨在為蘇打鹽堿土改良利用提供一定科學思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為黑龍江省大慶地區(qū)蘇打鹽堿土，其基本性質(zhì)為pH 11.3、EC1 350 μS/cm、有機質(zhì)11.4 g/kg、堿解氮109.2 mg/kg、有效磷12.9 mg/kg、速效鉀191.3 mg/kg、粗砂粒（2～0.5 mm）32.50%、細砂粒（0.5～0.05 mm）52.29%、粉粒（0.05～0.002 mm）14.82%、黏粒（<0.002 mm）0.39%。供試褐煤pH 5.88、EC85 μS/cm，含有50.1%總腐植酸。

1.2 試驗設(shè)計

將供試土壤與褐煤均研磨過2 mm篩子，褐煤按不同質(zhì)量分數(shù)與土壤混勻以后裝入盆內(nèi)（高25 cm、內(nèi)口徑30 cm，底帶托盤），置室內(nèi)常溫培養(yǎng)。褐煤的質(zhì)量分數(shù)分別設(shè)定為0%（CK）、5%（C1）、10%（C2）、15%（C3）、20%（C4）、25%（C5）、30%（C6）共七個處理，各個處理重復3次，隨機排列，每隔3 d向托盤中注入等量純凈水。培養(yǎng)720 d時，用環(huán)刀采集原狀土壤，用于測定土壤持水量（包括飽和持水量、毛管持水量、田間持水量）、容重和孔隙度（包括毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度），同時原位測定土壤緊實度。

1.3 測定方法

土壤持水量和孔隙度采用環(huán)刀法測定［13］：標準體積為100 cm3環(huán)刀的重量記為M0；將盛有原狀土壤的環(huán)刀有孔蓋子面朝下，無孔蓋子面朝上放入平底容器中，緩慢加入水，保持水面比環(huán)刀上緣低1～2 mm，浸泡24 h，充分吸水至飽和，取出稱重記為M1；再將其放置在鋪有干沙的盤中，經(jīng)過2 h下滲過程后，取出稱重記為M2；再將其放至干沙上繼續(xù)經(jīng)過6 h下滲后，取出稱重記為M3；再將其放入105～110 ℃烘干箱中烘干至恒重，取出稱重記為M4。

土壤緊實度利用緊實度測定儀（TJSD-750-II）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件進行整理，采用SPSS 25軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA）與多重比較（Duncan’s新復極差法），采用Origin 2017軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤持水量

土壤持水量測定結(jié)果如表1。飽和持水量20.20%～60.04%，不同處理間均達到差異顯著，C1、C2、C3、C4、C5、C6分別 比CK高24.70%、51.88%、63.51%、88.17%、154.21%、197.23%。毛管持水量19.68%～58.66%，不同處理間均達到差異顯著，C1、C2、C3、C4、C5、C6分別比CK高24.75%、52.24%、63.52%、89.08%、154.07%、198.07%。田間持水量19.99%～56.20%，不同處理間均達到差異顯著，C1、C2、C3、C4、C5、C6分別 比CK高19.81%、41.07%、55.28%、81.09%、138.92%、181.14%?？梢姡柡统炙?、毛管持水量和田間持水量均隨著褐煤用量的增加呈升高趨勢，且飽和持水量與毛管持水量比田間持水量提升幅度略大。

表1 不同處理下土壤持水量 %Tab.1 Soil water holding capacity under different treatments

2.2 土壤孔隙度

土壤孔隙度測定結(jié)果如表2。毛管孔隙度27.88%～47.45%，C1、C2、C3、C4、C5、C6均顯著高于CK，分別高15.67%、24.89%、26.29%、30.77%、50.65%、70.19%。非毛管孔隙度0.75%～1.12%，C5、C6均顯著高于CK，分別高50.67%和49.33%，其余處理間差異不顯著?？偪紫抖?8.63%～48.57%，C1、C2、C3、C4、C5、C6均顯著高于CK，分別高15.58%、24.52%、26.23%、30.11%、50.65%、69.65 %?？梢?，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均隨著褐煤用量的增加呈升高趨勢，但在褐煤用量較低時（<25%）非毛管孔隙度變化不顯著。

表2 不同處理下土壤孔隙度 %Tab.2 Soil porosity under different treatments

2.3 土壤容重和緊實度

土壤容重和緊實度測定結(jié)果如圖1。容重0.81～1.42 g/cm3，不同處理間均達到差異顯著，C1、C2、C3、C4、C5、C6分別比CK低7.75%、18.31%、23.24%、30.99%、40.85%、42.96%。緊實度57.47～327.57 kPa，C1、C2、C3、C4、C5、C6均顯著低于CK，分別低58.20%、68.82%、78.63%、79.15%、82.04%、82.46%。可見，容重和緊實度均隨著褐煤用量的增加呈降低趨勢。

圖1 不同處理下土壤容重和緊實度Fig.1 Soil bulk density and compactness under different treatments

2.4 相關(guān)分析

土壤持水量、孔隙度、容重及緊實度之間關(guān)系如表3。飽和持水量與毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.972、0.697和0.970；與容重和緊實度呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.948和-0.693。毛管持水量與毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.972、0.691和0.970；與容重和緊實度呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.948和-0.694。田間持水量與毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.965、0.673和0.965；與容重和緊實度呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.943和-0.677?？梢姡寥浪删o程度顯著影響土壤持水量。

表3 土壤性質(zhì)指標之間相關(guān)性Tab.3 Correlation between soil property indexes

2.5 回歸分析

土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量與容重及緊實度的回歸分析如圖2。將飽和持水量、毛管持水量、田間持水量與容重指標進一步擬合，得到回歸方程分別為y=38.801x-1.738（R2=0.962 3）、y=37.862x-1.741（R2=0.962 8）、y=36.514x-1.675（R2=0.960 2）。將飽和持水量、毛管持水量、田間持水量與緊實度指標進一步擬合，得到回歸方程分別為y=409.13x-0.541（R2=0.785 0）、y=401.47x-0.542（R2=0.785 9）、y=339.19x-0.512（R2=0.755 6）。決定系數(shù)R2越大，表示擬合方程參考價值越高。可見，土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量與容重、緊實度的回歸趨勢線均符合y=axb（a、b為常數(shù)）的冪函數(shù)線性關(guān)系，擬合優(yōu)度較好。

圖2 土壤持水量與容重、緊實度的回歸分析Fig.2 Regression analysis of soil water holding capacity with bulk density and compactness

3 討 論

土壤持水量反映了某種狀態(tài)下土壤抵抗重力所能吸持的最大水量，與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、顆粒大小及壘結(jié)性密切相關(guān)［14］。本研究表明施用含腐植酸褐煤可以顯著提高蘇打鹽堿土飽和持水量、毛管持水量和田間持水量，土壤飽和持水量與毛管持水量上升幅度較一致，略高于田間持水量上升幅度。已有研究表明土壤持水量與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)［15］，提高土壤有機質(zhì)可以提升土壤持水量，含腐植酸褐煤作為有機物料有利于土壤有機質(zhì)的提升［16］。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果相似，張艷等［17］研究表明長期施用有機肥顯著提高了土壤持水量，劉森森等［18］研究表明腐植酸復合肥能夠提高土壤田間持水量和最大分子持水量。土壤孔隙是水分運動和儲存的場所，是影響土壤滲透性能、決定地表產(chǎn)流量和產(chǎn)流時間的關(guān)鍵要素［19］。本研究表明施用含腐植酸褐煤可以顯著提高蘇打鹽堿土孔隙度。毛管孔隙度和總孔隙度上升幅度較為一致，非毛管孔隙度略有上升但在低褐煤用量時變化表現(xiàn)不明顯，由此說明含腐植酸褐煤首先是通過改變蘇打鹽堿土毛管孔隙進而影響土壤總孔隙。原因可能是含腐植酸褐煤本身質(zhì)地較輕，單位體積質(zhì)量較低并具有較高孔隙度以及較大比表面積［20］，同時在不斷分解的過程中釋放的有機膠結(jié)物質(zhì)容易與土壤顆粒形成團聚結(jié)構(gòu)從而影響土壤孔隙的分布［21］。陳士更等［22］研究表明施用土壤調(diào)理劑后土壤孔隙度有一定程度提高，其中以含腐植酸土壤調(diào)理劑處理對土壤孔隙度的影響較大。研究指出土壤保存利用水分主要通過土壤孔隙狀況實現(xiàn)，其毛管孔隙越豐富，土壤持水能力越高［23］。

4 結(jié) 論

本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)方法研究了含腐植酸褐煤對蘇打鹽堿土持水特性的影響，并對土壤持水特性指標進行相關(guān)和回歸分析，綜上所述得出以下結(jié)論。

（1）施用含腐植酸褐煤能夠有效改善蘇打鹽堿土孔隙狀況，使得土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均升高（褐煤用量<25%時非毛管孔隙度變化不顯著），顯著降低土壤容重和緊實度，提高土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量，并且各個土壤持水量均隨著褐煤用量的增加而呈升高趨勢。

（2）土壤松緊程度對土壤持水量產(chǎn)生顯著的影響。土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量均與毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度呈極顯著正相關(guān)，與容重和緊實度呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）。

（3）土壤飽和持水量、毛管持水量和田間持水量與容重、緊實度擬合趨勢線均呈現(xiàn)y=axb（a、b為常數(shù)）的冪函數(shù)線性關(guān)系，可以用其擬合方程間接估算相應(yīng)土壤持水量。各個土壤持水量與容重擬合曲線決定系數(shù)R2均大于0.95，擬合優(yōu)度相對較好；與緊實度擬合曲線決定系數(shù)R2大于0.75小于0.8，擬合優(yōu)度相對次之。