吉林西部苏打盐碱土在不同添加物下水分入渗特性

2021-08-11张礼绍高金花

干旱地区农业研究 2021年4期

徐航,张礼绍,高金花

(1.长春工程学院水利与环境工程学院，吉林长春 130012；2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，吉林长春 130012)

吉林省西部是我国粮食主产区，是中国盐碱土面积最大的地区，盐碱土面积为2.13×106hm2，属于世界三大盐碱土地区之一。受降雨、气温及植被等条件的影响，形成了东南到西北土壤质地由砂土到粘土的变化，土壤碱性逐渐变大。由于土壤水分入渗能力差，天然降雨及灌溉水入渗浅，不能满足作物的需要，导致农作物减产。近年来不合理的灌溉、施肥使植被遭到破坏，土壤盐碱化趋势越来越严重，制约了吉林西部粮食增产及农业可持续发展，对该区的生态环境与经济发展构成严重威胁，故改善农田土壤渗透特性是亟待解决的问题[1-5]。

为了改变土壤的理化性质，常采用添加植物纤维的方法[6]。国内外学者围绕添加植物纤维改变土壤的理化性质做了一系列研究。梅楠等[7]研究了秸秆还田对土壤理化性质的影响，结果表明秸秆还田有显著降低土壤容重的效果，使土壤孔隙度明显增大。任倩慧[8]研究了在土壤中掺入玉米叶与玉米芯对土壤水分入渗的影响，结果表明玉米叶能降低土壤的入渗速率，增加浅层土壤的含水率。Cheng等[9]研究了秸秆还田对土壤的理化性质影响，得出秸秆还田可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度，促进植物生长，提高产量。Bordoloi等[10]选用相同长宽比的枇杷、椰棕和水葫芦灰渣纤维，在3种不同纤维比例、不同密度下加固土体，结果发现与对照组相比所有土纤维复合材料的入渗速率均有所增加。相龙康等[11]在不同河沙、生物炭用量下改良苏打盐碱土，结果表明河沙改良措施显著提高了土壤掺沙层以下土壤含水率。

国内外研究表明，混掺稻壳、玉米秸秆、河沙对水分入渗有一定影响，从经济效益方面来看3种材料价格便宜，并且在研究区容易获取，因此，本研究选用稻壳、玉米秸秆、河沙3种材料作为添加物，从土壤累计入渗量、入渗速率、湿润锋运移距离3个方面针对苏打盐碱土水分入渗性能进行研究，分析不同添加物在不同掺量下对苏打盐碱土水分入渗特性的影响，为灌排工程的规划设计提供参考依据与理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吉林省西部位于松嫩平原的西南部、东北地区中部，属半干旱半湿润的大陆性季风气候区。全年温差较大，年平均气温4.9℃，年均降水量350～500 mm，主要集中在6—8月，年均蒸发量1 500～1 900 mm，年均蒸发量与降水量的比值约为3.4～4.9。本试验用土为吉林省西部洮南市安定镇内苏打盐碱土，安定镇地处东经122°15′37″～122°29′52″，北纬45°02′24″～45°19′46″，取土点地理位置见图1。

图1 取土点地理位置及土壤情况Fig.1 Geographical location and soil conditionof borrowing point

试验土壤所含盐分类型为碳酸氢盐，初始含盐量3.0～4.5 g·kg-1，依照吉林西部平原盐碱化土壤的分级指标[12]可知试验土壤为中盐碱土，按国际制土壤质地分类标准[13]可知土壤质地为砂质壤土。采用环刀法测定土壤饱和含水量及田间持水量，用Eye Tech激光粒度粒型分析仪测定土壤颗粒组成，土壤基本物理性质见表1。

表1 土壤基本物理性质

1.2 试验装置与方法

试验选取稻壳、玉米秸秆、河沙3种材料作为土壤混掺添加物，试验方案见表2。其中玉米秸秆长度为3～5 mm，河沙为吉林省段白棋村松花江沉积沙，粒径为0.2～2 mm。

表2 试验方案

试验装置主要由马氏瓶与土柱结构组成，马氏瓶高70 cm、内径21 cm，用于恒压供水。马氏瓶内壁安装智能计量系统，实时监测、记录马氏瓶内水位变化。土柱结构采用与马氏瓶相同规格的有机玻璃圆管，为消除气相阻力对入渗的影响，在土柱底部均匀布设排气孔。

采用室内一维土柱入渗试验，试验在长春工程学院水利馆实验中心进行。具体操作过程为：将添加物均匀混掺后的土壤分层装入土柱内，每层厚度为5 cm，到设计高度50 cm，层间打毛以便良好接触。将马氏瓶出水口与土柱的进水口相连，马氏瓶供水水头为5 cm。入渗开始后每隔1 h记录1次湿润锋位置，并记录相应时刻马氏瓶读数，145 h结束入渗试验。从土壤表面开始取土样，向下每隔5 cm取1次，取至湿润锋位置处。每层取3个重复样，采用烘干法测定土壤含水量。通过每小时所对应的马氏瓶液面高度与初始液面高度之差计算累计入渗量[14]。各处理进行3组重复试验，取均值。

1.3 数据分析

利用Microsoft excel 2016对原始数据进行整理与分析，使用Origin软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同添加物混掺下土壤水分累计入渗量与入渗时间的关系

累计入渗量是指入渗开始后t时间段内，通过地表单位面积入渗到土壤中的总水量[15]。累计入渗量定量地反映了土壤的入渗情况，对农田灌溉、水资源有效利用以及盐碱土改良具有重要意义。

不同添加物混掺下土壤水分累计入渗量的规律(图2)符合考斯加可夫(Kostiakov)入渗模型I=ktα，式中，I为累计入渗量，t为入渗时间，k和α为模型参数。累计入渗量拟合数据见表3，各处理决定系数(R2)均达到0.99以上，拟合度好。比较不同种类添加物下累计入渗量，同一时刻下累计入渗量的关系为玉米秸秆>稻壳>河沙。在入渗初期拟合曲线斜率逐渐增大，拟合参数与累计入渗量呈正相关。比较不同掺量添加物下累计入渗量，掺量越大则累计入渗量越高。这是由于添加植物纤维可增加土壤孔隙度，使水分能沿着孔隙通道迅速入渗，增强透水能力，进而增加累计入渗量[16]。

图2 土壤水分累计入渗量与入渗时间的关系Fig.2 The relationship between cumulative infiltrationof soil water and infiltration time

表3 土壤水分累计入渗量拟合数据

不同添加物混掺下累计入渗量与对照组土壤的对比见表4。混掺1%、3%、5%稻壳处理比CK分别提高了136.11%、530%、605.56%，混掺1%、3%、5%玉米秸秆处理比CK分别提高了145.56%、668.89%、850%，混掺25%、40%、55%稻壳处理比CK分别提高了38.89%、50%、66.67%。由吉林省用水定额可知：洮南市作物需水量达到7 mm·d-1，对照组土壤入渗量仅能达到3 mm·d-1，混掺河沙土壤入渗量仅能达到4～5 mm·d-1。混掺1%稻壳、玉米秸秆土壤入渗量分别为7.08、7.37 mm·d-1，灌溉时由于蒸发等原因会造成水分损失，灌溉效果不显著。混掺3%稻壳、玉米秸秆土壤入渗量分别达到18.9、23.07 mm·d-1，能达到作物需水量要求，灌溉效果良好。

表4 不同添加物混掺下土壤水分累计入渗量与对照的对比

2.2 不同添加物混掺下土壤水分入渗速率与入渗时间的关系

入渗速率是单位时间内地表土壤的入渗水量，能够反映土壤的入渗性能，稳定入渗率可以用来表征土壤的渗透特性[17]。

不同添加物混掺下入渗速率的规律如图3，各处理入渗速率的斜率在初始1 h内变化很大。对照组土壤1 h内斜率为0.281；混掺稻壳土壤1 h内斜率均值为0.34，1～40 h斜率逐渐减小，40 h后趋于稳定；混掺玉米秸秆土壤斜率均值为0.42，1～20 h斜率逐渐减小，20 h后趋于稳定；混掺河沙土壤斜率均值为0.42，1～10 h斜率逐渐减小，10 h后趋于稳定。降雨时浅层土壤与雨水直接接触，入渗初期土壤含水量很低，土壤水的吸力较高，从而初始入渗速率较大，水分能快速入渗至土壤深层。随着时间的推移，土壤对水分入渗产生阻力，水分入渗速率减小，土壤水的吸力随着含水率的增加逐渐减小，土壤基质势能升高，对水分接受能力下降，入渗速率趋于稳定[18-19]。不同种类添加物处理，同一时刻下入渗速率的关系为玉米秸秆>稻壳>河沙。不同掺量添加物下，掺量越大则入渗速率越大。

不同添加物混掺下的稳定入渗率与渗透系数见表5。对照组土壤稳定入渗速率为0.04 mm·h-1，混掺1%、3%、5%稻壳土壤稳定入渗速率分别为0.17、0.55、0.60 mm·h-1；混掺1%、3%、5%玉米秸秆土壤稳定入渗速率分别为0.25、0.70、1.00 mm·h-1；混掺25%、40%、55%河沙土壤稳定入渗速率为0.08、0.09、0.10 mm·h-1。对照组土壤渗透系数为1.39×10-6，混掺3%、5%植物纤维时，渗透系数较大，渗透效果较好。混掺植物纤维改善了土壤结构和孔隙的分布状况，土壤孔隙度增加，进而增强土壤入渗水流的有效过水断面面积，提高渗透系数，加快土壤水分入渗速率。快速入渗会使土壤水分滞留在土壤表层的时间减少，使得表层水分更快地渗入深层土壤，为农作物提供足够水分，对农作物生长有利[20-22]。

表5 不同添加物混掺下土壤水分稳定入渗率与渗透系数

2.3 不同添加物混掺下土壤湿润锋运移距离与入渗时间的关系

湿润锋即为湿润区的前缘，可表征水分在土壤基质吸力和重力作用下的运动特征。湿润锋随着土壤水分入渗向下运移，运移距离决定地表以下湿润区的深度，可以反映土壤的输水能力，对农业灌溉有着重要意义[23-25]。

不同添加物混掺下湿润锋运移距离的规律如图4，湿润锋运移距离与入渗时间的关系符合幂函数关系。湿润锋运移距离拟合数据见表6，各处理决定系数R2均达到0.99以上，拟合度好。不同种类添加物同一时刻下湿润锋运移距离为玉米秸秆>稻壳>河沙。添加物不同掺量，掺量越大则湿润锋运移距离越大，浸润范围越广。

图4 土壤湿润锋运移距离与入渗时间的关系Fig.4 The relationship between the moving distance ofwetting front and the infiltration time

表6 土壤湿润锋运移距离拟合数据

不同添加物混掺下湿润锋运移距离与对照土壤的对比见表7。混掺1%、3%、5%稻壳处理比CK分别提高了106.12%、512.24%、681.63%，混掺1%、3%、5%玉米秸秆处理比CK分别提高了136.73%、553.06%、859.18%，混掺25%、40%、55%河沙处理比CK分别提高了32.65%、59.18%、83.67%。农作物根系深度约在30～40 cm，对照组土壤湿润锋运移距离仅为4.9 cm，混掺河沙土壤湿润锋运移距离仅在6.5～9 cm。混掺1%稻壳、玉米秸秆土壤湿润锋运移距离分别为10.1、11.6 cm，浸润范围没有到达作物根系。混掺3%、5%稻壳土壤湿润锋运移距离为30、38.3 cm，混掺3%、5%玉米秸秆后湿润锋运移距离为32、47 cm，浸润范围可以到达作物根系，增加根层土壤的水分，有效改善苏打盐碱土水分入渗性能，为作物提供足够的根系吸水量，提高作物产量。

表7 不同添加物混掺下湿润锋运移距离与对照的对比

3 讨论

混掺稻壳、玉米秸秆可显著增加土壤累计入渗量，提高水分入渗速率，有效改善苏打盐碱土水分入渗性能。稻壳为椭圆片状，与土壤混掺后形成较为疏松的孔隙结构，增加了土壤大孔隙含量，减缓了堵塞层的形成。孔隙数量越多，入渗能力越强，水分通量就越大。稻壳内外两侧相对光滑，对土壤入渗水具有导流作用，进一步促进土壤水入渗。混掺稻壳可以改善土壤结构和土壤孔隙的分布状况，增大土壤入渗水流的有效过水断面面积，提升土壤水力传导度，增强水分入渗能力，这与梅楠等[7]研究结果一致。玉米秸秆外侧光滑，内侧附瓤。在水力坡度的作用下水流沿着秸秆外侧光滑面更容易传输。玉米秸秆内侧附瓤吸水膨胀，在膨胀力的作用下，土壤体积增大，孔隙度增加，比表面积增大，水流通道增加，进一步促进水分传输。混掺玉米秸秆可以改善土壤结构，增加根层土壤的水分，有利于为作物提供足够的根系吸水量，提高灌溉水及降雨利用率，增加作物产量，这与任倩慧[8]研究结果一致。本研究通过对累计入渗量、入渗速率、湿润锋运移距离进行分析，得出混掺5%玉米秸秆可以大幅度增加土壤累计入渗量，提高水分入渗速率，浸润深层土壤，有效改善苏打盐碱土水分入渗性能，为农作物提供较多水分，对作物生长有利。