几种保水材料对砂质潮土水分参数的影响

仝昊天, 韩燕来, 李培培, 梁小东, 陈 龙

(河南农业大学 资源与环境学院, 郑州 450002)

黄淮海平原是我国主要的冬小麦夏玉米产区，其中沙薄地分布广泛，以黄河故道及沿黄两岸为主，面积约203.1万hm2，主要的土壤类型为砂质潮土，该类型土壤种植最大的障碍就是其保水能力不足[1]，土壤质地为砂质，结构疏松，有机质含量低，养分匮乏，漏水漏肥现象严重，属于中低产田。目前，水资源短缺，加剧了该地砂质潮土区农业生产的问题，如何在有限的水资源条件下，改善沙土水分保持，减少水分的渗漏，以较少的水获取较大的产量已成该地区亟待解决的问题。

保水剂是近年来快速发展的一项用来抗旱节水的材料，具有羧基、羟基等亲水性基团，且吸水性极强和保水性优良的新型高分子树脂，它能吸收大量的水，可有效提高土壤水分含量和减少氮素损失[2-3]。在旱作区使用保水剂可以提高冬小麦不同时期土壤含水量与水分利用率[4]，增加小麦穗长、穗粒数和千粒重，从而提高小麦的产量[5]。有研究认为保水剂的效果受施用方式的影响，保水剂的层施和混施对土壤入渗性能产生影响，但受限于土柱高度及入渗时间，对其后续效果探索并不明确[6]。生物炭是指生物质在相对低温的条件下，经厌氧热解而形成的一类较稳定且含碳丰富的固体物质，具有丰富的表面活性官能团、孔隙度、较大的比表面积，是一种呈碱性且吸附能力强的多用途材料[7]。生物炭施入土壤后有一定保水作用，几种土壤类型上的研究皆表明其能增加田间土壤水分含量[8-10]，而Jeffery等[11]研究认为生物炭对土壤的水文能力改善效果并不明显，但肖茜等[12]的研究认为生物炭对湿润锋进程与累积入渗量的影响受添加量及土壤质地的影响。综上，生物炭在沙土保水中的认识并不统一，保水机理的研究尚有缺失。虽然生物炭材料本身的稳定性较好，但长期的环境作用可能会导致其理化性质发生一定的改变。近期研究认为生物炭在老化的过程中其理化性质及微观结构都发生较大变化，而这些改变将影响它对土壤pH值以及肥水环境等协调能力[13]。因此生物炭与沙土培养自然老化后，对沙土中水的入渗能力、持水能力的影响状况和机理需要深入探究。

本研究利用土柱试验对比研究保水剂、生物炭和秸秆等材料对沙土水分参数的改善，通过分析不同施入方式和时间条件下土柱的湿润锋、入渗率、不同土层的含水量及饱和导水率的变化，对不同处理的水分参数进行对比分析。研究结果可以为砂质土壤地区作物种植的保水改良提供理论依据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤于2017年7月3日取自河南省郑州市花园口黄河滩区耕地，是典型的河南黄河滩地区的砂质潮土，取0—40 cm土层土壤样品，带回实验室处理。试验前将土壤过2 mm筛剔除植物根系及杂物后，自然风干备用。砾石和石英砂用水冲洗后风干备用。土壤机械组成为87.1%砂粒、3.6%粉粒、8.1%黏粒，土壤质地为砂土。

保水用试验材料：秸秆为小麦秸秆，烘干粉碎后过20目筛备用；生物炭购自商丘三利生物能源有限公司，原料为小麦秸秆，经厌氧500℃高温炭化而成，过20目筛备用；保水剂为细颗粒状聚丙烯酰胺类化学保水剂。

1.2 试验装置

入渗装置选用圆柱一维积水入渗装置。包含有高50 cm，壁厚0.2 cm，内径14.6 cm的有机玻璃柱和高35 cm，内径9.5 cm，量程为2 000 ml的马氏瓶。玻璃柱和马氏瓶之间用硬质橡胶导管连接，底部铺有高度为1.5 cm的砾石，砾石上部是0.5 cm厚的石英砂，石英砂与土壤之间以纱布隔开，玻璃柱底部侧边开有小孔。铺设打底砾石和石英砂以及小孔是为了消除气相阻力对入渗的影响。土柱可用高度共计40 cm，其中填充试验用土和保水材料，试验过程中通过马氏瓶向土柱表层提供深度为2 cm的稳定水头，进行积水入渗试验。

1.3 试验设计与方法

本研究共设计2个试验：试验1研究不同保水材料铺层和混匀2种施用方式土柱的水分参数，试验2研究土柱培养30 d后水分参数的变化。

试验设计1：试验设置了7个处理，分别为在25 cm处，2%的生物炭铺层；在25 cm处，2%的秸秆铺层；在25 cm处，0.1%的保水剂铺层；2%生物炭和沙土混匀；2%秸秆和沙土混匀；0.1%保水剂和沙土混匀；不添加任何材料的空白对照(CK)。

试验设计2：选取试验1中材料与沙土混匀的土柱进行培养，包括2%生物炭与沙土混匀，并在培养箱中25℃培养30 d(2%生物炭混匀—30 d)；2%秸秆和沙土混匀，并同样培养30 d(2%秸秆混匀—30 d)；0.1%保水剂和沙土混匀，并培养30 d(0.1%保水剂混匀—30 d)。

试验方法：沙土进行土柱填装时，每填装5 cm厚度的沙土压实(以尽量避免由于掺混不匀引起土壤容重变化带来的误差)，每个处理设置6个重复。填装到40 cm后，在沙土上铺上一层纱布，再覆盖0.5 cm厚度的石英砂，以防止水流将土壤冲开，导致下渗不匀。

试验于2017年7月7日—8月5日于河南农业大学资源与环境学院实验室内进行。

1.4 测定指标

马氏瓶通水后即开始观察并记录湿润锋及入渗率变化情况，前30 min每1 min测量记录1次，30 min后每5 min测量并记录1次，直至入渗完成。在入渗结束后随机选择3个重复试验继续等待，先用橡胶塞堵住玻璃导管，待水将打底砾石部分灌满后，打开橡胶塞，待水流稳定后，用10 ml量筒接经由玻璃导管导出的水。每1 min读1次数，共读数10 min。用来计算饱和导水率，计算方法参照文献[15]。另外3个重复在入渗结束后立即将2 cm水头排净，取出0—5，5—15，15—25，25—35，35—40 cm的5个层次的土测含水量。

1.5 数据统计与分析

应用Excel对所得数据进行整理分析，利用SPSS 23进行方差分析及LSD法多重比较(p<0.05)，采用Origin 2016进行绘图。

2 结果与分析

2.1 混匀和铺层两种施用方式间湿润锋及入渗率的差异性

2%生物炭的铺层处理的湿润锋入渗完成用时45 min，混匀处理的时间为85 min，而CK处理入渗完成的时间为60 min，混匀比铺层入渗时间提升了1.88倍，比CK提升了1.42倍。2%秸秆铺层处理湿润锋入渗完成时间(60 min)=CK处理(60 min)<混匀处理(100 min)，混匀比铺层入渗时间提升了2.04倍。而0.1%保水剂铺层处理优于混匀，由图1可知，其铺层处理的湿润锋入渗时间为319 min，混匀处理入渗时间170 min。保水剂铺层的处理阻碍水分渗漏最为明显，入渗时间是CK的5.32倍，是混匀处理的1.88倍，而混匀处理的入渗时间是CK的2.83倍。

虽然保水剂铺层处理对水分下渗阻碍效果最好，但是在湿润锋下渗到25 cm之前，3个铺层处理的湿润锋位移趋势基本一致；而3个混匀处理前期下渗趋势基本一致，在中后期才逐渐分开，表现出了不同的入渗效果，且在前期3个混匀处理对水分入渗阻碍效果大于3个铺层处理。整体上，总入渗时间是保水剂铺层>保水剂混匀>秸秆混匀>生物炭混匀>CK=秸秆混匀>生物炭混匀。

图1 不同材料间混匀和铺层处理的湿润锋位移比较

几种材料不同施用方式间的入渗率比较见图2，各处理的入渗率随时间变化的趋势大致相同，入渗开始阶段入渗率较大，在前5 min内迅速减小，随后减小趋势越来越小并逐渐趋于恒定。

生物炭和秸秆的铺层处理入渗率均大于混匀处理和CK，与湿润锋的描述一致，说明水在两种材料铺层处理中入渗能力较高。生物炭铺层在入渗完成后的入渗率为0.52 cm/min，是混匀处理0.14 cm/min的3.71倍，是CK处理0.3 cm/min的1.73倍。秸秆铺层处理入渗完成时入渗率为0.2 cm/min，和秸秆混匀入渗完成时入渗率0.2 cm/min一致，是CK处理入渗完成时的0.66倍。保水剂的2个施入方式处理入渗的前期，铺层的入渗率大于混匀处理，但是随着时间推移，铺层处理的入渗率发生了急速下降，并低于混匀处理，直到混匀处理快完成入渗时，两者的入渗率基本趋于一致。保水剂铺层和混匀两种方式入渗完成时的入渗率分别为0.04 cm/min和0.08 cm/min，分别比CK降低7.75，3.87倍。进一步说明了保水剂可以阻碍水分在沙土中的入渗，降低沙土的漏水能力。

秸秆和生物炭粒径较大的材料直接使用，不能对沙土中的水分入渗起到阻碍效果，反而因为其疏水性，对水分的入渗起到了促进的作用；而保水剂这种高分子吸水材料，铺层使用对水分的入渗阻碍效果比混匀效果更好。

图2 不同材料间混匀和铺层两种不同施用方式入渗率比较

2.2 不同材料培养30 d后湿润锋及入渗率比较

3种保水处理培养30 d前后的湿润锋时间对比见图3，CK入渗完成时间60 min，与之相比，几个保水处理对水份的入渗都起到了抑制作用，其中加入0.1%保水剂的处理入渗完成时间为175 min，是CK的2.92倍；2%秸秆(100 min)和2%生物炭(85 min)两个处理对比CK分别提升1.67倍，1.42倍。

与土壤培养30 d后，湿润锋入渗完成时间均大于未培养的处理。2%生物炭培养30 d后其入渗时间为245 min，是未培养的2.88倍，CK的4.08倍。2%秸秆在土壤中培养30 d后其入渗时间是150 min，是未培养的1.5倍，CK的2.5倍；0.1%保水剂培养30 d后入渗时间是235 min，是未培养的1.34倍，CK的3.92倍。

图4为各保水材料培养前后的入渗率，可见，所有处理的入渗率均随时间趋于平缓，CK的入渗率均大于保水处理，除了保水剂，其余材料培养后入渗完成时的入渗速率均降低。2%生物炭与沙土混合培养30 d后入渗率为0.08 cm/min，比培养前降低42.9%；秸秆培养后入渗率0.16 cm/min，比培养前降低20.0%；0.1%保水剂培养后入渗率0.1 cm/min，比培养前增加25.0%。

总体比较，不同处理的持水效果依次为：2%生物炭混匀培养30 d>0.1%保水剂混匀培养30 d>0.1%混匀保水剂>2%秸秆混匀培养30 d>2%秸秆混匀>混匀2%生物炭>CK。

图3 不同材料之间湿润锋位移比较

2.3 水分下渗完成后不同处理土层间含水率

不同处理各层次间土壤含水量如图5所示，在所有的处理中，0—5 cm土层的含水量均高于其余4个土层含水量。2%生物炭处理的5个土层含水量由培养前的28.4%，23.8%，22.9%，22.5%，22.0%增加到培养后的30.6%，27.4%，25.8%，24.6%，22.8%；2%秸秆处理培养前各层含水量为25.7%，24.7%，25.0%，24.9%，24.7%，培养后为27.8%，24.7%，26.3%，23.3%，22.1%。可以看出，生物炭和秸秆经30 d培养后增加了土壤的持水能力。

2.4 不同处理土柱的饱和导水率

不同材料与沙土混合培养前后饱和导水率见表6，除了2 %秸秆处理，其余各处理土柱培养后饱和导水率均呈现下降的趋势。CK的饱和导水率培养前后无显著差异；2%生物炭培养前与CK相比没有显著差异，而培养后显著低于培养前和CK，为0.28 cm/min，比培养前降低75.0%，比CK降低77.2%；0.1%保水剂培养前后的饱和导水率最小，为0.21～0.22 cm/min，培养前后无显著差异，培养后比CK显著降低了79.1%。生物炭与沙土混匀培养后，对土壤饱和导水率降低幅度最大，而2%秸秆培养后饱和导水率呈现显著增加的趋势。

图4 不同处理随时间的入渗率比较

图5 不同处理各层次间土壤含水量对比

3 讨 论

3.1 不同保水材料与土壤混匀或铺层的差异

秸秆和生物炭处理与沙土混匀的持水效果比铺层好，相反保水剂的铺层处理效果最好，原因是保水剂有高度的吸水性，只有完全吸水膨胀饱和后才开始下渗，所以铺层后形成封闭的水膜，湿润锋下移速率大大降低[6]。而秸秆粉末和生物炭材料本身孔隙较大，其铺层造成土壤大的孔隙，使沙土漏水更为严重。秸秆和生物炭混匀效果优于铺层，尽管混匀后对沙土的持水性能改善也不理想，但秸秆材料在土壤里会发生腐解[17]，生物炭会发生表面结构的改变[13]，培养一段时间后，随着秸秆和生物炭理化性质的变化，对沙土保水和持水性能有所改善。

表6 不同处理土柱的饱和导水率 cm/min

注：不同字母表示处理间差异显著p<0.05。

3.2 几种保水材料持水性能的比较

入渗率即湿润锋在土柱中径向移动的速率，它能反映出水在不同处理土柱中的移动速度，进而看出每个处理间的不同持水能力[18]。本研究结果表明，保水剂在沙土持水方面效果最佳(图1)，在沙土中添加保水剂能有效改善土壤结构，为增加作物产量做出较大贡献[4-5,19]。与之相比，掺入生物炭和秸秆后，土壤持水效果较CK有提升，但提升效果小于保水剂。有研究表明，生物炭并不能很明显地改善土壤的水文能力[11]，但是生物炭经老化处理后，可以显著影响土壤的保水能力及土壤中的水含量[13]。成熟秸秆的表层富含蜡质等疏水结构，其吸水性和持水性也不佳。

3.3 几种材料与土壤混合培养30 d后保水性能比较

培养试验设置了秸秆、生物炭及保水剂3种材料与土壤混合培养30 d，模拟大田试验条件下不同材料与土壤作用后的持水性能。结果表明，与其他材料相比，生物炭与土壤培养30 d后对沙土的持水能力提升最为显著。有研究表明生物炭老化后其物理结构有所改变，进而会影响生物炭施入土壤后，对土壤持水能力的改善效果[8,13]。生物炭老化是一个亲水性和极性改变的过程，通过扫描电镜及傅立叶红外图谱分析，发现生物炭老化后，其物理结构及表面官能团都有改变，增强了生物炭的亲水性，进而增强了生物炭对水的吸附能力，将水储存在生物炭的孔隙中。所以当生物炭与沙土在适宜的温度和水分条件培养30 d自然老化后，其持水能力明显增强。

很多研究表明秸秆还田可以提升土壤持水能力，秸秆与沙土培养30 d后，持水能力显著高于未培养，推测为随着秸秆的腐熟，原本富含蜡质疏水性的秸秆表面分解为亲水性的物质表面，提升土壤的持水与保水能力[20]。随着培养时间，保水剂保水性能也得到提高，但提升幅度小于秸秆与生物炭，这有可能是保水剂在培养过程中与土壤充分混匀后结合的孔隙更小，增大了比表面积，增大了其持水能力。

3.4 不同土层含水量间的差异

2%生物炭、2%生物炭培养30 d和2%秸秆培养30 d这3个处理不同层次间含水量差异最明显。整体来说，2%生物炭培养30 d土壤含水量略高于其余两个处理，说明生物炭与土壤培养后改良了土壤的蓄水能力。而0.1%保水剂的处理含水量差异性在0—5，5—15，15—25 cm土层最显著，而25—35，35—40 cm两个层次出现了较大反差，说明水在下渗的过程中，一直在被上层保水剂吸收，因为重力作用才会有部分水下渗，来形成湿润锋，而下层土壤虽然已经湿润，但是其含水量并未达到最大持水量，保水剂也处于未吸水饱和状态[21]。而在CK、2%秸秆、2%生物炭3个处理中，除了0—5 cm的土层含水量较高外，其余4个层次含水量无显著性差异，说明这3个处理并不能显著增加土壤的蓄水能力，使土壤孔隙中能保持住更多的水分。

3.5 不同材料间饱和导水率的差异

土壤饱和导水率是表述土壤渗透性能的重要参数，主要受土壤质地、容重、孔隙结构的影响[16]。同一质地土壤其入渗性能越大其土壤传输水分的能力就越大[22-23]。影响土壤饱和导水率的重要因素是土壤结构性质[24-25]，沙土饱和导水率过高，不利于水分在土壤中的保持。本研究发现在沙土中混合保水剂、生物炭和秸秆，可以不同程度地改变土壤的饱和导水率，这与其他研究得出的结果一致[26]。不同处理间饱和导水率的差异反映出不同材料对土壤结构改变的差异，土壤孔隙大小对土壤饱和导水率影响最大[27]，所以可以得出混匀材料通过改变土壤孔隙来达到增强持水性的效果。但是要深入认识不同材料在土壤中对沙土水分参数的影响，还需要延长培养时间进一步研究其作用规律。

4 结 论

(1) 0.1%保水剂在土柱中铺层处理比混匀处理的入渗时间延长1.82倍，2%生物炭和2%秸秆与沙土混匀入渗时间分别为各自铺层处理的1.88倍，1.66倍。不同土柱总入渗时间依次为0.1%保水铺层>0.1%保水剂混匀>2%秸秆混匀>2%生物炭混匀>CK=2%秸秆铺层>2%生物炭铺层，说明保水剂在铺层使用时对沙土持水性能的改善最佳，而生物炭和秸秆混匀最佳。

(2) 2%生物炭处理培养30 d后入渗时间是未培养的2.88倍，是CK的4.08倍，培养30 d后入渗完成时入渗率比未培养降低42.9%；2%秸秆培养30 d后入渗时间是未培养的1.5倍，是CK的2.5倍，培养30 d后入渗完成时入渗率比未培养降低20.0%。不同土柱总入渗时间依次为2%生物炭混匀培养30 d>0.1%保水剂混匀培养30 d>0.1%混匀保水剂>2%秸秆混匀培养30 d>2%秸秆混匀>混匀2%生物炭>CK。可以得出生物炭施入初期持水效果不如保水剂和秸秆，与土壤混合培养30 d后其持水及蓄水能力高于保水剂；秸秆在施入初期持水效果不如保水剂，与土壤混合培养30 d后，其持水能力与蓄水能力大幅度提高，是比较廉价易得的保水材料。