土壤斥水性的产生原因及改良方法浅析

赵洁丽，丁继辉，金 秋

(1.江苏圣泰环境科技股份有限公司，江苏 南京 211106； 2.南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，江苏 南京 210098； 3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

土壤斥水性是指某些土壤不能或者很难被水分湿润的现象[1]。强土壤斥水性会延缓或阻止自然降水或灌溉水进入土体，导致土体内水分分布不均，降低作物土壤水分利用效率；同时还会增加地表径流流量，带来一系列环境问题[2-3]。过去若干年里，众多研究者从土壤斥水性产生的原因、土壤斥水性的定量测定方法及土壤斥水性的改良方面开展了大量工作[4-7]，然而对各种改良方法的优缺点进行比较的研究较少。为此，本研究从土壤斥水性的产生机理出发，论述现有各种改良方法的利弊，以期为区域土壤斥水性改良和水土资源保护提供理论参考。

1 土壤斥水性产生的原因

1.1 斥水性有机物的来源

土壤中的斥水性有机物是土壤产生斥水性的根本原因，它主要由一些蜡质、树脂和芳香烃类化合物组成[2]。自然条件下，土壤斥水性有机物的含量主要与植被类型有关，松科松属(Pinus)、桃金娘科桉属(Eucalyptus)、杜鹃花科越橘属(Vaccinium)、禾本科剪股颖属(Agrostis)及壳斗科(Fagaceae)的植物都能分泌大量斥水性物质。这些植物一方面可通过凋落物增加表层土壤斥水性有机物的含量，另一方面也可通过根际分泌物使斥水性物质直接进入深层土壤。在人为条件下，土壤斥水性有机物的含量主要与灌溉、施肥及喷洒农药等农业管理措施有关。污水灌溉过程中，大量斥水性有机物随灌溉水进入土壤，从而显著增加了土壤斥水性[8]。有机肥和部分农药本身就含有大量斥水性有机物，施用过程中由于土壤本身的固定作用可导致土壤斥水性物质含量的增加[9]。

1.2 斥水性有机物的积累

斥水性有机物进入土壤后，其保存和积累主要受到土壤微生物活动的影响。土壤斥水性有机物质中的蜡质、树脂及芳香烃类化合物一般都有较高的碳氮比，这使得这类斥水性有机物较难被土壤生物利用，有利于其在土壤中积累和长期保存[1]。土壤中生物的活性主要受土地利用方式、管理方式、气候及其他土壤条件影响，外界条件改变导致土壤生物活性降低将减缓斥水性有机物的分解。例如：外界条件导致的土壤中细菌真菌数量比、蚯蚓等腐生生物的数量与活性变化均会影响斥水性有机物量的积累。试验发现土壤斥水性与土壤中真菌活性显著相关[10]，而土壤碳氮比可能是影响土壤斥水性强弱的关键因子[11]。

2 斥水性土壤改良方法

土壤斥水性的改良方法可分为化学方法、物理方法和生物方法三大类。按改良机理又可分为“治标”和“治本”两类。“治标”是指不考虑斥水性产生的原因，通过改变外界条件或是添加土壤改良剂去缓解土壤斥水性。“治本”是指通过减少斥水性有机物的投入或是促进土壤中斥水性有机物的分解来降低土壤斥水性。各种改良方法的优缺点见表1。

2.1 化学方法

化学方法可分为“治标”调节剂法和“治本”改良剂法两大类。“治标”调节剂主要包括表面活性剂、增湿剂、土壤调节剂三大类。调节剂主要的有效成分都是两亲分子，同时含有亲水基团和斥水基团，因此可以降低斥水性有机物对水分的排斥作用，促进土壤水分与土壤颗粒结合。“治本”改良剂主要包括施用黏土矿物、石灰、真菌抑制剂及缓释肥料。黏土矿物具有较大的比表面能，施入土壤能够对斥水性有机物产生较强的包裹作用，加上其自身的亲水性，一般具有较好的斥水性改良效果。石灰通常能够增加土壤微生物生物量及其活性，促进斥水性有机质的分解。有研究表明，当石灰用量在3～15 t/hm2时，土壤斥水性的改良效果会随着石灰用量的增加而增强；但也有研究表明大面积施用石灰存在降低土壤有机质及增加土壤温室气体排放的风险[12]。理论上讲，真菌抑制剂能够抑制真菌活性，减少真菌分泌斥水性有机物的数量，然而在田间条件下投入高、效果不稳定，并存在环境风险。缓释肥料能够持续调节土壤碳氮比及营养元素组成，促进斥水性有机物质的分解，然而其对环境条件要求较高，仅在室内模拟条件下取得了极显著的效果，在田间试验条件下效果并不显著[13]。

表1 土壤斥水性改良方法的优缺点分析

2.2 物理方法

物理方法主要包括灌溉、耕作和物理压实三种。勤灌是缓解表层土壤斥水性最有效的措施之一。研究表明，对于高强度利用下的土壤和泥炭土壤而言，减少单次灌溉量、增加灌溉次数能够使得表层土壤含水率始终保持在斥水性临界值以上，进而促进作物生长[14]。相比普通沟灌和喷灌，滴灌方式在缓解土壤斥水性方面具有更佳的效果[15]。耕作措施一般能够增加土壤的通气性，促进微生物活动，加快斥水性有机物的分解。此外，斥水性有机物一般分布在土壤表层，深翻耕能够在土体垂直方向上产生置换作用，因此能够显著降低表层土壤的斥水性。耕作措施对土壤斥水性的改良效果还受到气象条件和土壤类型的影响。陈俊英等[16]的研究结果表明，对斥水性土壤进行翻耕处理的物理方法可以暂时消除土壤的斥水性，但斥水性又会在灌溉一段时间后重新出现，经过多次翻耕可有效地消除土壤的斥水性，消除效果与翻耕次数、时长和翻耕深度呈显著的正相关关系。翻耕法对黏性土壤的改良效果明显好于砂质土壤。耕作措施对新开垦的强斥水性土壤改良效果最为显著，但耕作措施在潮湿多雨的条件下对土壤斥水性影响较小[17]。模拟研究表明，物理压实对粉壤土的斥水性具有显著的改良效果[18]，但由于压实作用本身对土壤结构存在较大的破坏作用，因此该方法并无实用价值。

2.3 生物方法

土壤斥水性改良最直接的方法是促进土壤中斥水性有机物分解，因此研究者多以斥水性蜡质材料为基质筛选出土壤斥水性改良的功能性微生物菌群。按照分离出的微生物菌群特征可以将其分为两个大类：一类具有斥水性细胞膜(如链霉菌属的和分枝杆菌属的部分物种)，另一类能够产生生物表面活性剂(如红球菌属部分物种)[19]。虽然上述两类微生物菌群在实验室条件下对土壤斥水性的改良均有显著效果，但菌剂在田间应用过程中仍然存在诸多限制，改良效果并不稳定。主要原因在于复杂的野外环境条件限制了功能菌群活性，无法达到分解斥水性有机质的目的。有研究表明，菌剂与石灰或是有机肥配合施用的情况下对土壤斥水性的改良效果最佳[20]，但与单一施用石灰或是有机肥措施相比提升效果并不明显，且微生物菌剂生产所需的经济成本较高，田间推广价值受限。除微生物菌剂外，蚯蚓等原生动物也曾被尝试用于土壤斥水性改良。以蚯蚓为例，其改良机理主要体现在以下几个方面：一是蚯蚓本身的活动能够增加土壤大孔隙数量，改良土壤通透性；二是蚯蚓的活动有利于斥水性较强的表土与斥水性较弱的心土混合，从而缓解土体的斥水性；三是蚯蚓生活过程中会产生大量蚓粪，蚓粪本身可以促进微生物活动，加速斥水性有机物的分解。

3 主要结论

尽管对土壤斥水性的产生原因及其危害的研究已有近百年的历史，然而土壤有机质转化过程的复杂性和土壤田间状况的不确定性，使得人们对土壤斥水性的发生机理与过程尚未完全搞清楚。根据现有研究成果分析得出如下结论：斥水性有机物是土壤斥水性产生的根本性原因，影响土壤斥水性有机物量的消长是斥水性土壤改良效果的关键所在。在土壤斥水性改良方法选择过程中应兼顾土壤质地、土壤结构、土壤肥力及环境的影响；长期效果与短期效果兼顾，以及化学、物理与生物方法相结合可能是土壤斥水性改良技术发展的方向。

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[作者简介] 赵洁丽(1982—)，女，宁夏平罗县人，工程师，硕士，主要从事水土环境保护及污染物调控对策方面的研究。

[收稿日期] 2017-10-15