脱硫石膏对苏打盐碱土水盐入渗过程的影响

2021-06-28杜学军闫彬伟许紫峻任雪芹钱铭杰

干旱地区农业研究 2021年3期

杜学军，闫彬伟，许紫峻，任雪芹，钱铭杰

(1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083)

据统计，松嫩平原西部盐碱地面积达373万hm2，是世界三大片苏打盐碱土集中分布区之一，同时也是我国最大的苏打盐渍土分布区[1]，土壤中含大量Na2CO3和NaHCO3，是典型的苏打盐碱土[2]。东北作为是我国粮食主要产区之一，土壤盐渍化问题已经成为制约当地农业可持续发展的重要因素[3]，因此有效治理和合理开发利用这些土地资源对经济、社会和生态可持续发展具有重要意义。盐碱地改良方法主要分为生物改良、水利改良、物理改良和化学改良，其中以化学改良最为方便和有效[4]。近年来针对苏打盐碱土的土壤改良剂主要有脱硫石膏[5]、生物炭[6]、硫酸铝[7]等。

脱硫石膏是燃煤烟气脱硫过程中产生的副产物，据不完全统计我国2018年脱硫石膏产量约4 300万t，而且产量还在逐年上升。早在1995年徐旭常等就提出利用脱硫石膏改良盐碱地，并在我国进行了一项利用脱硫石膏对盐碱土进行改良的田间试验试验，取得了很好的效果，验证了该技术的可行性[8]。而少量的脱硫石膏施入土壤对环境不会造成不良影响[9]。

土壤水盐遵循“盐随水来、水去盐存”的自然规律[10]，脱硫石膏主要成分为硫酸钙，钙离子可以置换土壤胶体吸附的钠离子，进而通过自然降水和灌溉水淋洗到土壤深层。樊丽琴等[11]发现脱硫石膏对增加盐碱土水分入渗和土壤脱盐率有积极影响。廖栩等[12]发现脱硫石膏处理显著提高盐碱土壤饱和导水率和降低钠吸附比。程镜润等[13]则发现脱硫石膏可以提高盐碱土脱盐效率。这主要是因为脱硫石膏主要通过钙离子直接参与土壤有机无机复合体的形成改善盐碱土团聚体组成和稳定性，增加土壤了孔隙[14]。前人研究还表明脱硫石膏可以明显降低pH值和碱化度[15]，提高水溶性钙离子和硫酸根离子含量，降低碳酸根和碳酸氢根离子含量[5]，提高作物成活率40%以上[16]，提高农作物叶片的叶绿素含量和光合电子传递效率．缓解盐碱胁迫程度[17]。

但目前为止，利用入渗模型揭示脱硫石膏对苏打盐碱土改良机理的研究不多，因此，本文基于室内土柱入渗试验，比较不同添加量脱硫石膏对苏打盐碱土水盐运移特征和入渗模型参数的影响，进而明确脱硫石膏在苏打盐碱土改良中的作用，以期为苏打盐碱土改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及装置

1.2 试验设计与方法

室内土柱模拟试验于2020年6月6—10日在中国农业大学资源与环境学院实验室内进行，将脱硫石膏(施加量参考Wang等[8]田间用量换算所得，最大用量为2.0%)分别按照土重的0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%与土样混合均匀，分6层(0～10、10～20、30～40、40～50、50～60 cm)依次按田间实际容重1.45 g·cm-3装入土柱。利用马氏瓶控制水头高度为5 cm。试验开始后，记录马氏瓶水位高度和湿润锋，当底部有水渗出时立即停止供水并处理掉土柱上部积水，分6层收集土样。

土壤指标测定方法参考鲍士旦[18]《土壤农化分析》(第3版)，土壤含水率用105℃烘箱烘干测定，电导率(水土比为5∶1)由DDS-307型电导率仪测定，试验数据统计分析与作图应用Excel 2016和SPSS 19.0统计软件。

1.3 入渗模型

(1)Philip入渗模型[19]是一种适用于均质土壤一维垂直入渗情况的理论模型，应用最为广泛，具有参数容易确定、物理意义强等特点，其表达式为：

I=St-0.5+At

(1)

式中，I为累积入渗量(cm)，S为吸渗率(cm·min-0.5)，t为入渗时间(min)，A为稳定入渗率(cm·min-1)。

(2)Kostiakov入渗模型[20]是最常用的经验模型，其表达式为：

I=Kt1-β

(2)

式中，K为经验入渗系数，表示入渗开始后，截止到第一个单位时间段时的累积入渗量(cm·min-1)；β为经验入渗指数。

2 结果与分析

2.1 脱硫石膏对累积入渗量和入渗率的影响

本研究采用累积入渗量和入渗率评价土壤入渗能力。累积入渗量指入渗过程马氏瓶水位下降高度，由图1可知，在入渗试验初期阶段(0～200 min)，脱硫石膏对累积入渗量的影响并不显著，但随入渗时间的延长，对累积入渗的影响越来越大。5个处理累积入渗量大小顺序为1.5%>2.0%>1.0%>0.5%>0.0%，这表明脱硫石膏可以增加土壤水分入渗能力，1.5%处理的累积入渗量分别比2.0%、1.0%、0.5%和0.0%处理分别增加了3.91%、12.71%、34.34%、61.23%。入渗率是单位时间内通过单位面积入渗的水量，图2显示了脱硫石膏对土壤入渗率的影响，可以看出，随脱硫石膏用量的增加入渗率逐渐增加；随入渗时间延长，各处理入渗率趋于稳定。2.0%、1.5%、1.0%、0.5%处理第一个单位时间内入渗率比0.0%处理分别增加了29.62%、67.31%、76.92%、130.77%，在630 min时，分别比0.0%处理增加了64.94%、233.33%、271.86%、339.83%。这主要是因为脱硫石膏的加入可以改善土壤结构，增加土壤透水透气性能，促进水分向下入渗[12]。

2.2 脱硫石膏对湿润锋的影响

湿润锋是指入渗过程明显的干土和湿土交界面，也是反映土壤入渗能力重要指标之一，可直观反映入渗速率的快慢，图3显示了脱硫石膏对入渗过程中湿润锋的影响，与累积入渗量变化趋势相似。由图3可知，入渗初始阶段各处理湿润锋运移距离差距不大，但随着入渗时间的推移，在入渗100 min后，脱硫石膏对湿润锋运移距离的影响开始显著，各处理运移距离逐渐增大。在相同时间内，随脱硫石膏用量的增加湿润锋深度逐渐增加，脱硫石膏用量2.0%的处理率先完成入渗。处理0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%湿润锋到达60 cm所用时间分别为2 160，1 440，780，780，630 min；在630 min时湿润锋分别为17.0、31.1、48.1、50.4、60 cm。这表明脱硫石膏可以促进入渗湿润锋的运移，且随用量的增加促进程度越大。

2.3 脱硫石膏对入渗模型参数的影响

为了更好地分析研究脱硫石膏对土壤水分的影响，利用Philip入渗模型和Kostiakov入渗模型分别对土壤入渗过程进行拟合，表1为模型各参数拟合结果。Philip公式拟合结果决定系数均在0.95以上，Kostiakov公式拟合结果决定系数均在0.99以上，表明两种模型对入渗过程模拟效果较好。由表1可知，对于Philip公式，随着脱硫石膏用量的增加，吸渗率S从0.0647 cm·min-0.5增加到0.0957 cm·min-0.5，稳定入渗率A从0.0024 cm·min-1增加到0.0189 cm·min-1，呈正相关关系。由表1可知，对于Kostiakov公式，随着脱硫石膏用量的增加，经验指数K从0.0165增加到了0.0698，经验指数K表示第一个入渗时间段内水分累积入渗量，表明脱硫石膏可以提高入渗初期土壤的水分入渗能力；经验系数β表示后期入渗能力衰减速率，由表可知，1.5%处理β值最小，表明脱硫石膏用量为1.5%时入渗能力衰减较为缓慢。表1中各参数的变化表明脱硫石膏可以明显增加土壤入渗性能。

表1 不同处理下入渗模型的参数拟合结果

2.4 脱硫石膏对土壤含水率和电导率的影响

为研究脱硫石膏对土壤水分和盐分的影响，测定了入渗结束后各层土壤的质量含水率(图4)和电导率(图5)。整体上来看，不同脱硫石膏用量土壤含水率均随着土壤深度的加深而下降，且添加脱硫石膏处理含水率均高于0.0%处理，1.5%处理含水率最高。从土壤剖面电导率来看(图5)，0～20 cm土壤表层电导率较低，且各处理电导率变化不大；20～50 cm土层深度0.0%处理电导率最高，1.5%和2.0%处理电导率较低；0.0%处理50～60 cm土层深度电导率最低，与40～50 cm土层差距不大，说明盐分主要集中在40～60 cm。而1.5%和2.0%处理电导率50～60 cm最高，并且明显大于40～50 cm电导率，说明盐分主要集中在50～60 cm，脱盐效率增大。以上结果说明脱硫石膏可以降低苏打盐碱土表层土壤盐分，这可能是土壤入渗性能增加导致盐分随水向下迁移造成的结果。

3 讨论

从水分入渗结果(图1)可以看出，相比于2.0%处理，1.5%处理土壤累积入渗量更大。但2.0%处理土壤30～60 cm电导率小于1.5%处理，这说明2.0%处理脱盐效率高于1.5%处理。这可能是由于1.5%处理的入渗经验指数β值大于2.0%处理，表明1.5%处理的入渗速率衰减缓慢，因此增大了入渗累积入渗量。本试验研究结果与杨军等[26]的研究结果相似，他们发现脱硫石膏应用下适量的灌溉水量对苏打盐碱土改良洗盐效果最好，因此水利淋洗措施对脱硫石膏改良苏打盐碱土至关重要。