模拟降雨条件下保水剂对沙质土壤水分的影响

王猛,雷虹娟,高永,汪季†,肖芳,张文

(1.内蒙古农业大学生态环境学院,010018,呼和浩特;2.包头市达茂旗林业局,014500,内蒙古包头)

模拟降雨条件下保水剂对沙质土壤水分的影响

王猛1,雷虹娟2,高永1,汪季1†,肖芳1,张文1

(1.内蒙古农业大学生态环境学院,010018,呼和浩特;2.包头市达茂旗林业局,014500,内蒙古包头)

为了探究保水剂对沙质土壤水分的影响,采用室内重建土柱,在人工模拟降雨条件下研究不同用量保水剂对沙质土壤(0～30 cm)含水率的影响。结果表明:土壤含水率随着保水剂用量的增加而增加,保水剂用量为0.2%时不但省时省力,而且0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 3个土层土壤含水率分别为45.42%、48.48%、46.16%,既能满足植物的生长需要,又能节省经济成本,可为干旱、半干旱区节水造林及保水剂的合理使用提供理论依据。

模拟降雨;保水剂;风沙土;土壤含水率

降雨不足或季节性分配不均是制约我国干旱、半干旱地区农林业生产的主要因子,尤其我国北方部分地区,水资源开发利用已经超过资源环境的承载能力[1-2]。保水剂(water retention)是近30年来发展起来的一种具有三维交联网状结构的新型高分子材料[3],具有超强的水分吸附能力,可显著提高土壤含水率,有效改善土壤密度、孔隙度、团粒结构等土壤物理性质,减少水土流失[4-6],同时还能起到保持土壤养分的作用,在干旱半干旱地区,常作为农作物干旱时的“微型水库”[7],其用途广、投资少、见效快的特点,在农业生产等诸多方面具有较广泛的应用发展前景[8]。保水剂不仅能增强土壤的吸水能力,提高土壤的吸水速率,且在土壤中质量分数为0.05% ～0.1%范围内吸水率最大[9]。吸水饱和后的保水剂在0～15 MPa范围内所吸持的水分约占98%,能缓慢释放出大部分水量,吸持的水分几乎全部可为植物吸收利用,成为作物吸收利用的有效水[10-11]。保水剂还能使土壤饱和导水率显著降低,土壤团聚作用增强,土壤中保水剂在0.005% ～0.01%范围时,土壤团聚体显著增加,土壤保水剂质量分数在0.1%以下时,可显著减少径流和土壤流失量,对粗质地的土壤保水效果最好[8,12-13]。 保水剂较强的反复吸释水和抗低温冷冻、反复冻融性,使其在复杂的环境影响下的吸水倍率和保水性仍能维持在较高水平[14-15]。

近年来,对保水剂的研究主要集中在简单的吸水释水性能、降低土壤饱和导水率、增加土壤团聚体、减少径流和土壤流失量等方面[2-15],但关于保水剂对风沙土的水分垂直分布影响研究较少[16]。为此,笔者采用人工模拟降雨方法,通过施用不同用量的保水剂对地表0～30 cm范围内风沙混合土土壤水分垂直分布规律进行研究,以期为保水剂在风沙土区域农业生产、水资源的可持续开发利用以及土壤改良等方面提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

施用的保水剂为唐山博亚科技集团有限公司生产的农林保水剂高分子聚丙烯酸钠,为白色晶体颗粒。风沙土采自毛乌素沙地腹地乌审旗境内的裸沙丘,地理坐标E 108°54′46.3″,N 38°39′54.8″,风干处理后密度为1.57 g/cm3,田间持水量4.58%,其土壤主要成分及质量分数见表1。

表1 风沙土主要成分及质量分数Tab.1 Main components and content of aeolian sandy soils

1.2 试验设计

1)保水剂用量。采用土柱模拟方法,主要控制因素是土壤中施用保水剂用量。由于沙生灌木主要影响20～40 cm土层的含水率,固设计土柱为30 cm,保水剂处理水平分别为0、0.1%、0.2%、0.4% (以保水剂和烘干土的质量比为梯度计算单位),每个处理3个重复,共计12个试验。

2)原状土柱模拟。将采集回来的风沙土采用烘干法在烘箱内以105℃ 烘干24 h至恒质量后,分别与4个处理水平的保水剂充分混匀后,参照S.Paramasivam等[17]的方法装入自制土壤入渗仪内,重建土壤密度根据试验地土壤实测密度1.57 g/ cm3确定,同时以未施用保水剂的风沙土为对照,每种处理3次重复。入渗仪的规格为口径8 cm、深65 cm的有机玻璃管重建土柱,管底面上垫200目石英砂网封底,管底留孔,使土壤水分向下漏出(图1)。为了收集土柱淋溶水,在入渗仪下用小烧杯收集。在土柱上面铺一层玻璃纤维以防加水时扰乱土层。

3)入渗试验设计。为了保证避免土壤水分蒸发对试验精度的影响,在23℃恒温室内自重建土柱后当天开始按每5 d模拟一次30 mm的降雨,共模拟6次,累计模拟降雨量为180 mm(该地区多年平均降雨量的50%)。当累计降雨量达到180 mm且土柱内水分稳定时,分别自上而下对0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土样采用烘干法测定土柱的土壤含水率,每层3次重复,取其均值为该层土壤含水率。

图1 模拟降雨试验装置Fig.1 Artificial rainfall simulator

1.3 测定方法

土壤含水率的测定方法为

式中:W为土壤含水率,%;Sw为湿土质量,g;Sd为干土质量,g。

1.4 数据处理方法

试验数据采用Excel2003和SAS9.0进行处理,方差分析采用在0.05水平下单因素分析法。

2 结果与分析

2.1 不同保水剂用量对0～10 cm土层含水率的影响

表2为不同用量保水剂0～10 cm土层含水率。可以看出,在4个保水剂施用量梯度下,0～10 cm土层土壤含水率随着保水剂施用量的增加而增加(y=1.190 1x2+7.463 9x+8.180 1,R2=0.959 7)。保水剂用量0.1%、0.2%、0.4%处理下的土壤含水率分别较CK(18.21%)增加了30.34%、149.68%和204.67%,均与CK达到显著差异(P＜0.05),其中0.4%处理与CK达到极显著差异(P＜0.01),说明保水剂不同施用量对表层0～10 cm土层的含水率有显著影响,由此可知,保水剂具有超强的水分吸附能力,可显著提高土壤含水率[4,6]。

表2 不同用量保水剂0～10 cm土层含水率Tab.2 Effects of different dosages of water retention agent on the moisture content of 0-10 cm soil %

2.2 不同保水剂用量对10～20 cm土层含水率的影响

表3为保水剂不同用量10～20 cm土层含水率。可以看出,10～20 cm土层土壤含水率随着保水剂用量的增加而增加,但增加的幅度并非呈线性关系(y=1.141x2+8.575 8x+7.441 4,R2=0.947 7)。保水剂用量0.1%、0.2%、0.4%处理下的含水率分别为24.11%、48.48%、58.32%,较CK(18.84%)相比增加28.29%、157.52%、208.85%,经方差检验,保水剂用量0.1%与CK达到显著差异(P＜0.05),0.2%、0.4%与 CK达到极显著差异(P＜0.01),说明保水剂施用量越大导致混合层含水率越大,土层含水率差异越明显。不同保水剂用量处理下含水率最大值、最小值、平均含水率均随保水剂用量的增加而增加。对于在风沙区10 cm左右干沙层上大面积、低成本地使用保水剂调整灌溉具有一定的指导意义。

表3 保水剂不同用量10～20 cm土层含水率Tab.3 Effects of different dosages of water retention agent on the moisture content of 10-20 cm soil %

2.3 不同保水剂用量对20～30 cm土层含水率的影响

表4为保水剂不同用量20～30 cm土层含水率。可以看出,20～30 cm土层土壤含水率随着保水剂用量的增加而增加,但增加的幅度并非呈线性关系(y=1.032x2+8.258 3x+7.959 9,R2=0.959 6)。保水剂用量0.1%、0.2%、0.4%处理下的含水率分别为24.46%、46.16%、56.12%,较CK(18.63%)相比增加31.43%、152.56%、204.27%,均与CK达到显著差异(P＜0.05),其中0.2%、0.4%处理与CK达到极显著差异(P＜0.01)。说明保水剂施用量越大,土层含水率差异越明显,不同保水剂用量处理下含水率最大值、最小值、平均含水率均随保水剂用量的增加而增加。由于沙生灌木主要影响20～40 cm层的土壤含水量[18],说明保水剂对于提高在20～30 cm左右的小半灌木根系土层含水率具有极其重要的作用。

表4 保水剂不同用量20～30 cm土层含水率Tab.4 Effects of different dosages of water retention agent on the moisture content of 20-30 cm soil %

2.4 不同保水剂用量对土柱土壤含水率的χ2检验分析

将不同保水剂用量条件下各土层含水率进行汇总,结果见表5。保水剂用量0(CK)、0.1%、0.2%、0.4%处理下的 0～30 cm含水率分别维持在18.56% ±0.44%、24.13% ±1.44%、47.01% ± 2.01%、56.78%±1.68%。保水剂能大幅度增加土壤0～30 cm含水率,增加的幅度并非呈线性关系。表5中理论值为理论含水率,如保水剂用量0.1%处理下0～10 cm的理论含水率计算过程为(18.21%+23.76%+45.42%+55.70%)÷4= 35.77%。

表5 不同保水剂条件下土柱含水率R×C列联表Tab.5 R×C contingency table of moisture content of soil column under different dosages of water __________retention agent %

对表4内土柱含水率情况进行卡方检验,计算χ2值如下:

査χ2表,当自由度df=(3-1)×(4-1)=6时,=12.59,=16.81,计算得χ2=81.16＞16.81,可知,试验处理的4个保水剂用量对土柱0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的含水率的影响存在极显著联系,说明在人工模拟降雨条件下,4个保水剂用量处理下均存在极显著相关。

3 结论与讨论

1)在人工模拟降雨条件下,0～30 cm不同土层的含水率随着保水剂用量的增加而增加。这与宋海燕等[19]根据保水剂的施用量研究保水效果得到的保水剂用量越大,保水效果越好的结论基本相符。有些研究结果表明,随着保水剂用量的增加,保水效果并没有表现出增加的趋势[20-21],只有适量保水剂和土壤充分混合才具有明显的保水效果。当保水剂用量为0.4%处理时,各土层的土壤含水率为最大值,虽然其最大吸水量可以提高,但是吸水效率却低,对于价格较昂贵的保水剂(50元/kg),如超过最佳施用量,从经济效益上来说是不合算的(0.2%较0.4%费用降低480元/hm2)。一般认为,保水剂对作物生长的适宜浓度范围为0.1%～0.3%,如果将过多的保水剂混入土壤,不仅吸水效率会降低,保水剂还会呈现出凝胶状膨胀、固结,使保水剂的效率降低,土壤液相部分增加,气相部分被迫减少,这对作物生长是不利的[9]。

2)保水剂不同用量可显著地影响土柱含水率(P＜0.05),不同保水剂用量处理下存在极显著相关。这一结论与白文波等[16]关于保水剂对土壤水分垂直入渗特征的影响的研究结果基本一致,这对于在风沙土上大面积、低成本地使用保水剂调整降水或灌溉时具有一定的指导意义。

在抗旱造林中使用保水剂时,用量太小,发挥不了蓄水保墒的功效,用量太大,不仅会提高造林费用,而且雨季会导致土壤蓄水过量,造成树根腐蚀,一般用量因使用方法、目的、土壤质地等因素的不同而不同;因此,在实际保水剂用量操作过程中,必须综合考虑保水剂的价格、混合率、吸水效率及经济合理性。保水剂用量0.2%处理时不但省时省力,而且各土层含水率分别为 45.42%、48.48%、46.16%,均能满足干旱、半干旱地区作物不同层次的耗水量,且选择结果不会影响作物的适宜生长,可以为以后造林中合理推广使用保水剂提供理论依据。

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(责任编辑:宋如华)

Effects of water retention agent on the moisture content of sandy soil under rainfall simulation

Wang Meng1,Lei Hongjuan2,Gao Yong1,Wang Ji1,Xiao Fang1,Zhang Wen1
(1.College of Ecological and Environment,Inner Mongolia Agricultural University,010018,Hohhot,China; 2.Damao Banner Forestry Bureau of Baotou City,014500,Baotou,Inner Mongolia,China)

In order to explore the effect of water retention agent on the moisture content of sandy soil,the reconstruction of laboratory soil column and artificial rainfall simulation test method were applied.The distribution of soil moisture content within 0-30 cm depth of soil mixed with different dosages of water retention agent was analyzed.The result showed that with the increasing dosage of moisture retaining agent,the soil moisture content rose apparently.When the dosage of water retention agent was 0.2%,it was time-saving and efficient,and the soil moisture contents of three layers(0-10 cm,10-20 cm,20-30 cm)were 45.42%,48.48%,and 46.16%,respectively,which not only met the needs for growth of plants,but was also cost-saving.Our results are helpful for the rational use of water-saving afforestation and water retention agent,and provide a theoretical basis for arid and semiarid areas as well.

aimulated rainfall;water retention;sandy soil;soil moisture content

S152.7

A

1672-3007(2015)01-0096-05

2014- 06- 03

2014- 11- 07

项目名称:国家林业公益性行业科研专项“中国沙地补充考察与沙地志编研”(201304325)

王猛(1990—),男,硕士研究生。主要研究方向:水土保持与荒漠化防治。E-mail:wangmengzhisha@126.com

†通信作者简介:汪季(1957—),男,教授,博士生导师。主要研究方向:荒漠化防治。E-mail:wangji1957@163.com