沼液理化性质对土壤饱和导水率的影响

2019-12-06殷李高李欣怡潘占鹏

中国沼气 2019年4期

郑健，殷李高，李欣怡，潘占鹏，颜斐

(1.兰州理工大学西部能源与环境研究中心，兰州 730050； 2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，兰州 730050； 3.兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050)

土壤饱和导水率(Ks)是指土壤全部孔隙都充满水的情况下，在单位水势梯度作用下，通过垂直于水流方向的单位面积土壤的水流通量或渗流速度[1]。它是表示孔隙介质透水性能的综合比例参数[2]，同时也被作为研究土壤水分运移规律和影响水文模型精度的重要水力参数[3-4]。目前，国内外对土壤饱和导水率的研究多集中在测定方法和模型预测的研究，在影响饱和水分运动因素上，主要是集中在对土壤的容重[5]、有机质含量[6]、温度[7]、孔隙度[8]、初始含水率[9]、pH值[10]等方面，但关于不同灌溉介质对土壤饱和导水率影响的相关的研究相对较少。

近年来，户用沼气和规模化沼气工程发展迅速，利用生物质能已经是我国村镇能源建设的主要方向之一[11]。截至2015年底，我国已有5000多万口户用沼气池,但沼气的生产伴随着沼液的产生，大量沼液的随意排放，必然会对环境造成危害[12]。而沼液是人畜粪便、秸秆等有机物经过厌氧发酵后产生的残留物，是一种养分全面、速缓肥效兼备的优质有机肥料[13]。研究表明，沼液施用后能够提高作物的产量品质，改善作物根区土壤环境[13-14]，但沼液施用量和施用周期的不合理，不但会对环境造成一定污染，同时也是对资源的极大浪费[15]，因此在沼液的施用过程中应充分考虑作物和农田对于沼液的承载能力[12]，获得合理的灌溉制度。而要解决这个问题首先就要探明影响沼液水分、养分在土壤中运移、分布规律的重要影响参数—土壤饱和导水率(Ks)。

基于此，文章将采用变水头渗透试验的方法，来测定不同沼液配比在不同土壤容重下对土壤饱和导水率的影响，通过分析沼液理化性质对土壤饱和导水率的影响进一步为获得合理的沼液配比、制定合理的沼液灌溉制度及灌溉模式提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年5月至8月在兰州理工大学水利水电工程研究所实验室内(36°06′N，103°78′E)进行。实验室位于一层，层高6 m，空间较大，且安装有空调，在试验周期内能够保持温度变化±2℃，故可不考虑温度对土壤饱和导水率的影响。

1.2 试验材料

1.2.1 试验土样

试验土样取自甘肃省兰州市魏岭乡狗牙村正常耕作的农田，采集土层深度为0～40 cm，土样采集后自然风干、碾压、均匀混合、过2 mm筛备用，并采用TM-85土壤甲种比重计进行土壤粒径分析，结果如表1所示，按国际制土壤质地分类标准，供试土样为粉壤土。

表1 试验土壤的机械组成 (%)

1.2.2 试验沼液

试验用的沼液取自兰州市花庄镇的甘肃荷斯坦良种奶牛繁育中心正常发酵、正常产气的沼气池中，经曝气静置2个月，待其理化性质稳定后备用，该沼气工程以牛粪为发酵原料。沼液原液pH值为7.23，有机质含量10.75 g·L-1，全氮含量为1.036 g·L-1，全磷含量为0.533 g·L-1，全钾含量为1.186 g·L-1，试验前用4层纱布(32目)过滤掉沼液中较大的悬浮颗粒备用。

1.3 试验方法及装置

试验在兰州理工大学水利水电工程实验室进行，土壤饱和导水率采用变水头渗透试验法测定(结果换算成10℃下的饱和导水率)[16]。试验设备采用南京土壤仪器厂生产的TST-55渗透仪，试验装置如下图1所示。

1.渗透容器； 2.进水管夹； 3.变水头管； 4.供水瓶； 5.接水源管； 6.排气水管； 7.出水管

1.4 试验设计

试验设置原液，1∶1(体积比沼液∶水)，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10等11个沼液配比，处理编号分别为T1～T11，并设置1个纯水的对照组CK。根据当地田间土壤容重情况，试验设置1.35 g·cm-3和1.40 g·cm-3两个土壤容重。每组试验重复3次，取均值作为试验结果。

1.5 测定项目和方法

静置稳定以后沼液黏度采用比较法测量(奥氏黏度计)，静置稳定以后的沼液电导率用电导率仪测量(上海雷磁，DDS-11A型)，静置稳定后的沼液pH值采用pH计电位法测定(PHS-25型便携式pH计，上海雷磁)，沼液干物质的量用烘干称量法测定。

1.6 数据分析和处理

采用SPSS20.0软件进行多元逐步回归分析，数值拟合采用Origin9.0软件，图表绘制采用Origin9.0和Excel2017软件。

2 结果与分析

2.1 沼液配比对土壤饱和导水率的影响

为了便于比较和数据分析，将沼液配比换成小数形式表示。从图2中可以看出，土壤容重为1.35 g·cm-3的土壤饱和导水率在不同沼液配比处理下均高于1.40 g·cm-3；同时，从试验结果可知，CK在1.35 g·cm-3和1.40 g·cm-3土壤容重下的土壤饱和导水率为0.009 cm·min-1和0.007 cm·min-1，T11处理仅为0.00169 cm·min-1和0.00135 cm·min-1，表明沼液对土壤饱和导水率会产生较大影响；不同沼液配比土壤饱和导水率亦不相同，随沼液配比增大土壤饱和导水率呈下降趋势。为进一步探求沼液配比对土壤饱和导水率的影响规律，将不同沼液配比与土壤饱和导水率数值进行拟合分析，结果表明，土壤饱和导水率和沼液配比呈很好的指数函数关系，拟合优度R2均大于0.98，其显著性检验结果为F=1492.65，p<0.001(土壤容重为1.35 g·cm-3)；F=1044.39，p<0.001(土壤容重为1.40 g·cm-3)，表明方程均具有极显著的统计学意义。

2.2 沼液电导率对土壤饱和导水率的影响

电导率是一个用来表征溶液传导电流的性能，该性质会引起土壤质地和结构的改变，从而影响土壤饱和导水率。如图3所示，在不同土壤容重条件下土壤饱和导水率均随沼液电导率的增加而减小；同时试验测得的纯水电导率仅为0.01 ms·cm-1，远小于不同沼液配比的电导率值(例如配比最低的T11处理，其电导率值为2.23)，说明在沼液入渗过程中沼液电导率对土壤饱和导水率的影响较大。为进一步探求沼液电导率对土壤饱和导水率的影响规律，将不同沼液电导率与土壤饱和导水率数值进行拟合分析，结果表明：两个容重条件下的拟合优度R2均大于0.98，土壤饱和导水率和沼液电导率呈很好的指数函数关系，其显著性检验结果为F=1609.04，p<0.001(土壤容重为1.35 g·cm-3)；F=1188.34，p<0.001(土壤容重为1.40 g·cm-3)，表明方程均具有极显著的统计学意义，说明指数函数方程可以反映土壤饱和导水率随沼液电导率增减的变化特征。

图2 不同容重条件下土壤饱和导水率与沼液配比的拟合趋势图

图3 沼液电导率与土壤饱和导水率的关系

2.3 沼液黏度对土壤饱和导水率的影响

黏度是一个用来表征液体流动难易程度的物理量，该性质对于液体入渗过程有着重要的影响。试验中测得纯水黏度为0.894×10-3p·s，均小于各处理的沼液黏度。由图4可以看出，在不同土壤容重条件下土壤饱和导水率均与沼液黏度呈负相关关系，即Ks随沼液黏度的增大而减小，说明沼液黏度对土壤饱和导水率存在一定影响。为了探求沼液黏度和土壤饱和导水率的变化规律，将所测数值进行进一步的数值拟合分析，结果表明，两个容重条件下的拟合优度R2均大于0.98，土壤饱和导水率和沼液黏度呈很好的指数函数关系，其显著性检验结果为F=1032.70，p<0.001(土壤容重为1.35 g·cm-3)；F=1285.82，p<0.001(土壤容重为1.40 g·cm-3)，表明方程均具有极显著的统计学意义。

图4 沼液黏度与土壤饱和导水率的关系

2.4 沼液干物质量对土壤饱和导水率的影响

沼液干物质量反映了不同沼液配比中的无机盐、有机质以及微粒等含量的高低程度，而这些物质对沼液溶液的入渗过程有着很大的影响[17]。试验中CK(纯水)的干物质的量以0计。由图5可知，在不同容重条件下，土壤饱和导水率均与沼液干物质的量呈负相关，即土壤饱和导水率随沼液干物质的量的变大而变小，表明沼液干物质量的多少影响了土壤饱和导水率。为进一步探求两者之间的变化规律，将沼液干物质的量与土壤饱和导水率进行拟合，发现不同土壤容重条件下不同配比沼液的干物质量与土壤饱和导水率呈很好的指数函数关系，拟合优度均大于0.98，显著性检验结果分别为F=1158.45，p<0.001(土壤容重为1.35 g·cm-3)；F=1247.58，p<0.001(土壤容重为1.40 g·cm-3)，表明方程均具有极显著的统计学意义。

2.5 沼液pH值对土壤饱和导水率的影响

如图6所示，不同容重条件下，土壤饱和导水率均随沼液pH值的增大而减小，但不同沼液配比其pH值差异不大，为进一步分析pH值微小差异对土壤饱和导水率的影响，将不同处理的沼液pH值与测得土壤饱和导水率进行数值拟合，发现不同处理的沼液pH值和土壤饱和导水率呈很好的抛物线关系，拟合优度均大于0.97。显著性检验结果分别为F=788.03，p<0.001(土壤容重为1.35 g·cm-3)；F=785.91，p<0.001(土壤容重为1.40 g·cm-3)，表明方程均具有极显著的统计学意义。因此，采用一元二次函数方程能够反映土壤饱和导水率随沼液pH值增减的变化特征。

图5 沼液干物质的量与土壤饱和导水率的关系

图6 沼液pH值与土壤饱和导水率的关系

2.6 多元逐步回归分析

由表2中沼液理化因子与土壤饱和导水率之间的相关分析可以看出，沼液的理化性质均与土壤饱和导水率具有极显著的相关性(p<0.01)，其相关系数的大小顺序为沼液干物质的量>沼液电导率>沼液配比>沼液pH值>沼液黏度，但沼液在入渗的过程中，沼液的理化性质因子存在交互作用。因此，单一影响因子与土壤饱和导水率之间的相关系数只能反映其它因子在不变化的情况下的变化规律，并不能准确反映实际的沼液入渗情况下其它因子交互作用产生的影响，而多元逐步回归分析方法则可以获得每个解释变量对被解释变量的影响程度，当方程出现异方差性，影响了回归方程的准确性，则要把这个变量剔除。因此，本文选择多元逐步回归分析的方法来分析因子之间的交互影响，并筛选出对土壤饱和导水率影响最大的因子。为充分反映沼液理化性质因子与土壤饱和导水率的真实关系，本文将沼液配比(X1)，沼液电导率(X2)，沼液黏度(X3)，沼液干物质的量(X4)，沼液pH值(X5)五个因素作为自变量因子，以土壤饱和导水率作为因变量Y，采用多元逐步回归分析，筛选出影响土壤饱和导水率的相对重要因子，结果为：

Y=0.088-0.012X4-0.007X3

通过检验，F=114.91>(F0.01=2.85)，R2=0.924，p<0.001，表明回归方程达到极显著水平，从方程的筛选的主要因子来看，沼液干物质含量和沼液黏度是影响土壤饱和导水率的主要因子。

表2 沼液理化因子与土壤饱和导水率之间的相关分析

注：*表示在p=0.01水平上相关性显著。

表3说明了主要土壤因子对土壤饱和导水率的直接作用和间接作用的方向及大小(Durbin-Waston统计量等于0.982，接近于1，说明各个残差间均呈正相关)。土壤饱和导水率与其主要相关因子的直接通径系数绝对值为沼液干物质的量>沼液黏度。沼液干物质的量的直接通径系数为-0.784，对土壤饱和导水率产生直接的负效应最强，同时又通过沼液黏度间接对土壤饱和导水率产生一定的负效应；沼液黏度对土壤饱和导水率产生的直接负效应为-0.650，同时又通过沼液pH值间接对土壤饱和导水率一定的负效应。

表3 沼液理化因子与土壤饱和导水率之间的通径系数

3 讨论

土壤饱和导水率与土壤质地、体积质量和孔隙度关系紧密[18]，土壤容重是土壤的一个基本物理性质，对土壤的透气性、入渗性能、持水能力、溶质迁移特征以及土壤的抗侵蚀能力均有非常大的影响[19]。国内外许多学者均证实土壤饱和导水率随土壤容重的增大而减小[20-22]，本文研究进一步证实这一观点。

不同的沼液配比会致使沼液电导率、沼液黏度、沼液干物质的量、沼液pH值存在差异，进而造成沼液的入渗过程中土壤饱和导水率的差异。郑健[23]等通过水平和垂直土柱入渗试验得出各处理的累积入渗量均随沼液配比和土壤容重的增加而降低，这与本文研究发现沼液配比和土壤饱和导水率呈负相关系的结果研究一致。从土壤组成和物理性质分析，粉粒的矿物组成和物理性质一般与砂粒相似，但颗粒相对较小，具有更大的外表面积和较小的颗粒内扩散距离，粉粒含量的增加使得结合水膜变厚，土体中孔隙减小[24-25]，进而降低沼液在土壤中的流动性和土壤的渗透性，而本试验中所采用土壤为粉质壤土，粉粒含量较高。本试验结果与唐胜强[26]等研究表明微咸水入渗可以增加土壤的入渗性能力的结果有差异，表明沼液自身特性与传统清水、水盐及水肥溶液存在差异。初步分析是由于试验测定的沼液黏度明显高于纯水，且随沼液配比的增大而增大，而黏性大的液体其流动性比黏性小的液体差[27]。同时，何利昌[28]等的研究表明，在入渗过程中，悬浮颗粒会堵塞土壤中的孔隙，有效降低土壤的基质吸附作用和毛管作用，而沼液中含有一定量的有机悬浮颗粒，在入渗过程中同样也会降低入渗速率。本试验中沼液电导率与饱和导水率呈负相关的指数函数关系，这与张俐[29]等研究入渗水质对土壤导水特性中电导率与土壤入渗性能呈正相关关系的结果存在差异，初步分析可能是由于沼液中盐分淋洗高于土壤黏粒凝絮值，导致土壤黏粒膨胀堵塞了原土壤中的入渗孔隙，进而降低了沼液入渗过程中土壤饱和导水率。入渗介质的pH值也会对土壤饱和导水率产生一定影响[30-31]，本试验中测得的沼液pH值与土壤饱和导水率呈负相关的抛物线关系，初步分析这主要是由于随着pH值减小，水分扩散度增大，引起了土壤饱和导水率的增加，而水分扩散度可以反映土壤的孔隙度、空隙大小分布以及导水性能，这与龚恩磊[30]等研究结果相似。

本文分析结果表明，土壤饱和导水率会受到沼液理化性质的影响，在研究分析沼液入渗对土壤饱和导水率影响时，除要考虑土壤机械组成、土壤容重、土壤有机质含量等土壤因素带来的影响外，还要考虑沼液理化特性对土壤饱和导水率产生的影响。