有机硅功能肥对土壤水分运移和盐分的影响

2021-08-04宋福如程东娟王利书

节水灌溉 2021年7期

周客，宋福如，程东娟，王利书，齐鸣

（1.河北工程大学，河北邯郸056107；2.河北硅谷肥业有限公司，河北邯郸057154）

21 世纪土壤盐碱化趋势加重，据统计，全球盐碱地每年以100～150 万hm2的速度增长。我国尚有80%左右的盐渍土尚未得到开发利用，是重要的土地资源，有着巨大的发展潜力[1]。近年来，随着中国面临的粮食短缺和土地资源不足的压力逐渐加大，开发利用荒芜的盐碱地，使之转变为可耕种的土地，不仅可以提高粮食总产量，缓解粮食危机，而且可以扩大绿化面积，改善生态环境，提高人们的生活质量。

大量研究者通过各种改良措施降低盐碱地中土壤盐分的含量。范富[2]等人通过玉米秸秆夹层增加了盐碱土中微生物数量和土壤中酶的活性，进而增加了出苗率和作物产量；刘莉萍[3]等人通过新型改良剂和牛粪对苏北滨海盐碱土土壤盐分影响的研究得出，改良剂在一定程度上降低土壤盐分，促进植物的生长。王睿彤[4]等人研究牛粪、石膏、秸秆、保水剂4 种改良剂能够提高养分含量，通过4 因素4 水平正交设计方案，得出A4B4C1D4土壤改良效果最好。郝敏[5]等人通过玉米秸秆和污泥制备的生物质炭改良盐碱土，提高了土壤养分含量和肥力指标，降低了土壤重金属有效态含量。前人的改良措施，虽然能够一定程度上改善盐碱土壤环境的状况，但面临着技术周期长、使用不方便、效果不理想等问题，使得这些改良措施难以大面积推广应用。

近来，一种利用有机硅新材料自主研发的有机硅功能肥，在治理盐碱土壤领域取得重要突破，有望破解盐碱土壤大难题[6]。研究表明硅能有效促进作物生长，缓解作物生长压力，

减轻重金属毒性，硅减轻重金属毒性主要通过减少土壤pH 值升高导致的重金属有效性[9]。同时，磷肥配施硅肥可显著促进盐渍化土壤水稻根系生长，提高磷素有效性、水稻产量及经济效益[7]。盐渍土施用硅肥后，土壤中的氮、磷、钾、硅含量都有提高，尤其是碱解氮、速效磷增加明显[8]。有机硅功能肥作为一种复合肥料具有改良治理盐碱土壤与补充营养元素的多种功能，施用简便易行，为我国盐碱地改良治理创造了一套技术体系[6]。但，有机硅功能肥在改善盐碱土中盐分含量变化还需要进一步的研究，因此，本文试图通过室内土柱试验研究有机硅功能肥在不同施用量下对土壤入渗特性和盐分的影响，旨在为有机硅功能肥科学施用及改良盐碱土提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

为研究不同改良剂对盐碱土电导率的影响，在室内进行一维垂直均匀土柱入渗试验。试验于2020年7月在河北省邢台市宁晋县原种场实验基地进行。供试土壤为盐碱土，自然风干过1 mm 土筛，按照土壤初始含水率2%进行配土，土壤容重均为1.3 g/cm3。有机硅功能肥由河北省硅谷农业科学研究院提供，采用小麦作物秸秆经过粉碎后均小于5 mm，经过105 ℃下杀青15 min，并于65 ℃下烘干。

1.2 试验设计

试验主要由土柱组成，采用固定水头8 cm 为土柱供水。土柱采用内径为5 cm、高30 cm 的透明有机玻璃管，其内部按照土壤容重1.3 g/cm3，每层均匀填装52 g左右的风干土。土柱每层高为2 cm。

试验以8 cm 水头的水量结束，试验设置9 个处理，有机硅肥（W）不同添加量处理：W0.5%、W1.0%、W1.5%、W2.0%；秸秆(J)不同添加量处理：J0.5%、J1.0%、J1.5%、J2.0%，同时设置空白对照处理CK（不施改良剂）。改良措施主要改变有机硅功能肥和秸秆施用量改良盐碱土，按照一定比例添加有机硅功能肥与盐碱土进行混合，反应15 d 后，均匀装入土柱。秸秆按照不同添加量与盐碱土混合均匀，装入土柱。

1.3 测定项目及方法

入渗开始后，用秒表计时，每隔5 min 读取土柱水头下降的高度，同时，用记号笔在土柱外侧表面标记湿润锋入渗距离随时间的变化。入渗结束后从土层表面向下用小勺取土，取土位置分别是0～2、2～4、4～6、6～8、8～10、10～12、12～14、14～16、16～18、18～20 cm，用烘干法测定土壤质量含水率。土壤电导率测定采用雷磁DDS-11A，在25 ℃，电极常数为1，电极数值为0.972，土和水按照质量比1∶5，土壤样品称取10 g。

1.4 数据的处理与分析

图中所用的数据采用Excel进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对湿润锋运移的影响

图1分别为有机硅功能肥和秸秆，湿润锋运移距离随时间的变化关系图。由图1可知，湿润锋运移距离随着时间的延长而增大。同一入渗时刻下，改良剂施用量越高，湿润锋运移距离就越小，且均小于对照组。相同改良剂下，湿润锋运移距离随着施用量的增加而逐渐减小。

2.2 不同改良剂对累积入渗量影响

图2分别为有机硅功能肥和秸秆，累积入渗量随时间的变化关系图。由图2可知，累积入渗量在不同改良剂下随着改良剂施用量的增加而逐渐减小，与湿润锋运移距离的规律大致相同。有机硅功能肥入渗时间与秸秆相比较短，秸秆对水分的阻碍更强。入渗后期，秸秆施用量对累积入渗量的影响明显。

2.3 不同改良剂对含水量影响

图3分别为有机硅功能肥和秸秆，含水量随时间的变化关系。由图3可知，改良剂的种类和施用量影响着土壤含水量的分布。有机硅功能肥的用量对土壤含水量影响较小，秸秆用量对土壤含水量影响较大。对于有机硅功能肥而言，根据土层含水量的剖面可划分0～3 cm和3～20 cm；在0～3 cm，土壤含水量急剧下降；3～20 cm，下降相对平缓，各处理差异性较小且均大于对照组。对于秸秆而言，随着土层深度的增加，土壤含水量下降；相同土层深度下，土壤含水量随着秸秆施用量的增加而增加且均高于对照组。在同一土层深度下，秸秆与有机硅功能肥相比提高土壤含水量明显。如在土层深度3 cm 处，J0.5%、J1%、J1.5%、J2%、CK 的含水量分别为40%、41%、 47%、 50%、 36%，即CK＜J0.5%＜J1%＜J1.5%＜J2%；W0.5%、W1%、W1.5%、W2%的土壤含水量分别为35%、35%、33%、34%；土层深度7 cm 处，J0.5%、J1%、J1.5%、J2%、CK 的含水量分别为34%、36%、40%、42%、32%；W0.5%、W1%、W1.5%、W2%的土壤含水量分别为33%、34%、32%、34%；相同施用量下，施用秸秆土层含水量高于施用有机硅功能肥土层含水量。

2.4 不同改良剂对电导率的影响

图4分别为有机硅功能肥和秸秆，电导率随土层深度的变化关系图。图4中竖线表示供试土壤初始电导率，竖线左侧为脱盐区，竖线右侧为积盐区，有机硅功能肥脱盐区与积盐区的分界线大致在土层深度14 cm 处[10]。秸秆脱盐区与积盐区的分界线大致在土层深度8 cm处。

土壤电导率是限制植物和微生物活性的阈值，会影响到土壤养分和污染物的转化存在状态及有效性，是反映土壤电化学特性和肥力特性的基础指标，通过土壤电导率的测定，能及时有效地掌握土壤盐分浓度和水分状况等，对于盐碱地及盐渍土的合理利用具有理论意义[11]。土壤电导率反映了在一定水分条件下土壤盐分的实际状况，在一定浓度范围内，土壤溶液含盐量与电导率呈正相关，溶解的盐类越多，溶液电导率就越大[12]。由图4 可知，有机硅功能肥和秸秆施用量影响不同土层深度下电导率的分布。土壤电导率随着土层深度的增加而增大。有机硅功能肥在一定土层深度范围内（0～10 cm）能够降低土壤电导率，随着有机硅功能肥施用量的增加而减小且均低于对照处理；在土层深度10 cm 以下，土壤电导率逐渐大于对照组，并随着有机硅功能肥施用量的增加而增加。秸秆的存在一定程度上增加了土壤电导率，土壤电导率随着秸秆施用量的增加而增加且均大于对照处理。表1是各处理在不同土层深度下电导率的变化。

表1 不同土层深度下，各处理所对应的电导率大小 mS/cmTab.1 The electrical conductivity of each treatment under different soil depth

由表1可知，改良剂的种类和施用量影响着不同土层深度下的电导率的大小。如在土层深度9 cm，与对照CK 相比W0.5%、 W1%、 W1.5%、 W2% 电导率分别减少28.3%、31.2%、35.4%、40.8%；其中有机硅功能肥施用量2%（W2%）电导率最小。而在积盐区同一土层土壤电导率与脱盐区相反，电导率随着有机硅功能肥施用量的增加而逐渐增加且都大于对照组。在土层深度15 cm，与对照组CK 相比较，W0.5%、W1%、W1.5%、W2% 电导率分别增加了15.7%、21.9%、25.1%、35.4%，其中，有机硅功能肥施用量2%(W2%)土壤电导率最大。在土层深度7 cm，J0.5%、J1%、J1.5%、J2%与对照组CK 相比电导率增加了8.8%、16.2%、24.6%、25.9%。在土层深度15 cm，J0.5%、J1%、J1.5%、J2%与对照组CK 相比电导率增加了26.9%、33.7%、37.6%、45.5%。

在土壤水分入渗过程中，电导率随着土层深度的增加而逐渐增加，即上层土壤中的盐分溶入水中并随着水流的入渗向下迁移，使得大量盐分聚集在湿润锋附近，土壤剖面呈现出上层脱盐、下层积盐的现象[13]。有机硅功能肥能促进土壤团粒形成，加速盐分的淋洗，破除土壤板结，增加土壤孔隙度[6]，盐分就会从土壤表层随着水分下渗。由于水头水位的降低，水分下渗缓慢，水量减少，水分中能够携带的盐分会减少，随着土层深度的加深部分盐分会停留在深层土壤中，导致土层深度越深盐分就会相对变大。另外，秸秆具有保水性，使土层中溶于水中的可溶性盐，一部分随水分向下入渗，一部分储存在秸秆中。由于水分入渗会加速土壤盐分的淋洗，土壤盐分会随着土层深度越深含量越大，所测电导率就会越大。

有机硅功能肥和秸秆对盐碱土的改良造成不同土层深度下电导率的差异。有机硅功能肥会加速土壤盐分的淋洗，在一定土层深度范围内（0～10 cm)会使土壤盐分含量相对减小，电导率会随着有机硅功能肥施用量增加而逐渐减小，即W0.5%＞W1%＞W1.5%＞W2%；超过土层深度10 cm，电导率会随着有机硅功能肥混施含量增加而逐渐增大，即W0.5%＜W1%＜W1.5%＜W2%，这主要是由于有机硅功能肥会随着水分加速淋洗浅层土壤盐分，有机硅功能肥混施含量越大会使深层盐分含量增加。秸秆的存在会在一定程度上阻碍水分下渗，土壤中盐分相对于对照组而言，盐分含量较大，所测电导率偏大，但秸秆相对于有机硅功能肥而言不会加速盐分淋洗，抑制水分入渗和储存盐分，这就造成有机硅功能肥深层土壤所测电导率比秸秆偏小[14]。