粉煤灰和蚯蚓粪施用对土壤蒸发的影响

米美霞，陈玉鹏，武小钢，甄志磊

（1.山西农业大学城乡建设学院，山西太谷030801；2.山西农业大学林学院，山西太谷030801）

在干旱半干旱区土壤水分是制约农业生长的关键因素，土壤蒸发是土壤水分损失的重要途径。向土壤中施用改良剂是常用的抑制土壤蒸发的措施，选用适宜的土壤改良物质是实现土壤改良目的的关键。天然改良剂如天然矿物、有机无机固体废弃物、有机肥料等取材方便、成本低，适用于大面积施用和推广。粉煤灰是燃煤火力发电过程中产生的固体废弃物，主要成分为SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等[1]。粉煤灰具有大量的孔洞和网格玻璃质，对土壤性质和肥力具有改善作用，在农田土壤改良方面具有巨大潜力[1,2]。粉煤灰的施用能够增加黏土中粉粒和砂粒含量，风沙土中粘粒含量，利于土壤团聚体形成，提高土壤持水性能[3-7]。Adriano 和Weber[8]研究发现粉煤灰施用对与之具相似容重的土壤容重无显著影响，若施用量足够高（1 120 t/hm2），可增加土壤中细小孔隙数量，提高植物总有效水量，但粉煤灰施用带来的重金属毒害等负面影响也随之增加。赵智等[4]研究表明添加粉煤灰减小了沙土容重，粉煤灰施用量为120 mg/kg，土壤容重减小了11%。Yunusa 等[9]通过模型模拟得出沙土中施用细颗粒粉煤灰（<20µm）能够减小土壤饱和导水率，黏土中施用粗颗粒粉煤灰（>20µm）则增加饱和导水率。此外，粉煤灰施用可改变土壤入渗和蒸发过程。沙土中施用粉煤灰可以延长入渗时间，有效地减小土壤蒸发[10,11]。砂姜黑土中“施肥+粉煤灰”处理则比单一“施肥”处理累积入渗量增加了29.4%，稳渗率提高了1.29倍[12]。

蚯蚓粪是一种经蚯蚓吞食消化处理的有机废弃物，富含有机质、矿物质养分和有益微生物，具有改善土壤健康和营养状况的作用，已被广泛用于农田土壤培肥和改良[13-15]。蚯蚓粪施用能够改善土壤结构，提升土壤团聚体数量和稳定性，提高土壤持水性能，改变土壤入渗和蒸发过程。研究表明，蚯蚓粪施用量由0%增加至3%，≤0.25 mm 粒径土壤团聚体降低，黑垆土降低比例最低，黄绵土次之，风沙土降低比例最高，但水稳性团聚体和粒径>0.25 mm 团聚体含量显著提高，施用量由3%增加至5%，土壤团聚体则无显著改变[16]。模拟降雨试验表明，蚯蚓粪覆盖能够延缓降雨入渗，并影响黄土区土壤水分再分配过程，对降雨后表层以下的水分增加具有促进作用[17]。土柱试验研究表明，蚯蚓粪与土壤混施，湿润锋迁移速率加快[18]；土层内部混施时，施用量超过75 g/kg，蚯蚓粪对湿润锋迁移具有抑制作用，层施与混施对湿润锋迁移的影响不同[19]。蚯蚓粪覆盖对土壤蒸发具有显著的抑制作用，且随覆盖厚度和覆盖面积增加，对蒸发的抑制作用增强[20,21]。此外，蚯蚓粪对土壤蒸发的抑制作用随蚯蚓粪尺寸变化：与大颗粒蚯蚓粪相比，小颗粒的蚯蚓粪施用提升土壤持水性能和抑制蒸发的效果更佳[22]。微咸水灌溉条件下蚯蚓粪与土壤混合施用时具有抑制土壤蒸发、阻碍土壤入渗的作用，此作用随施用量增加而加强[23]。

可见，粉煤灰和蚯蚓粪施用对土壤物理性质和水文过程的影响程度随土壤质地、蚯蚓粪或粉煤灰类型、大小、含量和施用方式变化。目前关于这两种改良物质对土壤水分特征的研究多集中于单一粉煤灰或单一蚯蚓粪，对两种改良物质施用的对比研究较少，尚未有针对土壤蒸发等水动力学特征影响的对比研究。两种土壤改良物质施用效果的对比研究是选择适宜改良剂及制定粉煤灰和蚯蚓粪联合施用方案的关键依据。另外，粉煤灰和蚯蚓粪的来源不同，其物理化学性质具有一定差异。不同地区土壤理化性质也具有一定差异。应用粉煤灰和蚯蚓粪进行当地土壤改良时，探寻适宜的施用方式（施用量和施用方法）是制定科学配方的基础。本研究设计混施和覆盖两种施用方式，分析粉煤灰和蚯蚓粪施用对土壤蒸发影响的差异性，结合土壤水分物理性质和有机质含量，探讨两种物质影响土壤蒸发的机制，为粉煤灰和蚯蚓粪的合理利用及农田水分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自山西省晋中太谷区东山底村一日光温室中的耕层（种植年限10年左右）。样品取回后去掉枯枝落叶和根系，自然风干。试验所采用粉煤灰为电厂粉煤灰，蚯蚓粪为牛粪经过蚯蚓处理后所获得的残余物，购买于祁县某公司。土壤和蚯蚓粪均研磨过2 mm 筛，备用。土壤、粉煤灰和蚯蚓粪基本理化性质见表1。

表1 土壤、粉煤灰和蚯蚓粪的基本理化性质Tab.1 Chemical and physical properties of the soil，fly ash and earthworm cast

1.2 试验方法

试验用小型蒸发器为内径20 cm、壁厚0.5 cm、高40 cm的圆柱形聚氯乙烯（PVC）管，底部均匀分布8 个直径为0.4 cm 的圆孔，铺一层直径略大于PVC 管内径的纱布，防止土壤漏出。粉煤灰和蚯蚓粪施加方案如图1所示，两种物质分别设计覆盖和混施（按照一定质量配比混合后填装）两种施用方式。覆盖厚度分别为1 cm、2.5 cm 和4 cm，分别表示为FC1、FC2、FC3、EC1、EC2和EC3。混施质量配比为10%、20%、30%和40%，分别表示为FM1、FM2、FM3、FM4、EM1、EM2、EM3和EM4。无粉煤灰和蚯蚓粪土壤为对照，表示为S。各处理填装总高度均为35 cm，每个处理设计3 次重复，共准备小型蒸发器45 个。填装时参考容重：土壤1.32 g/cm3（取样日光温室耕层土壤平均容重），蚯蚓粪填装容重为1.16 g/cm3，粉煤灰填装容重为1.40 g/cm3。填装好之后沉降3 d，之后从蒸发器上部供水至底部出水，每个土柱下方放置一个托盘，向托盘内加水，让蒸发器内土壤继续吸水，以保证土壤充分饱和，之后拿走托盘，将蒸发器底部空置，静置48 h 排除重力水，静置期间PVC 管顶部覆盖一层塑料薄膜防止水分蒸发。重力水排除后将蒸发器搬至室外一空旷区域内，在自然条件下进行连续蒸发。于2021年4月16日至5月2日每日17∶00 进行称重，通过质量差减法来确定每日蒸发量。称重电子称精度为0.1 g，共称重17 次，获取16日蒸发量。遇降雨使用遮雨棚遮雨，降雨结束后，移开遮雨棚。

蒸发试验结束后，取样测定各处理表层5 cm 土壤毛管孔隙度、总孔隙度、田间持水量、饱和含水量（环刀-浸泡法）和有机碳含量。使用土钻分层（深度间隔为5 cm）取样测定土壤含水量。覆盖处理取样时首先将覆盖层与土层小心分离，取走表层覆盖物后从土壤表面开始取样。采用高温（1 100 ℃）燃烧直接测定土壤有机碳含量（Multi N/C 2100，德国），乘以系数1.724 得到有机质含量。经典烘干法（105 ℃下烘干8 h）测定含水量。

1.3 数据分析

气象数据从中国气象数据网下载（http：//data.cma.cn/）。为分析气象条件对土壤蒸发结果的影响，本文利用联合国粮农组织推荐的Penman-Montith 公式计算了参考作物蒸散量，计算公式及过程参考《气象干旱等级》（GB/T 20481 一2017）进行。采用Microsoft Excel 2018 进行数据计算，Origin2018 进行制图。SPSS 25.0 计算各变量的描述性统计特征值及单因素方差分析，分析各处理间土壤蒸发和其他性质差异均在95%置信区间内进行，多重比较用LSD法。

2 结果分析

2.1 气象条件和蒸发速率

研究期间相对湿度、气温、降雨和日照时数如图2所示。平均气温为14.5°C，气温变化范围为10.2～19.4°C。平均相对湿度为41.3%，相对湿度变化为18.8%～78.5%。4月21日（5 d） 和26日（10 d） 有降雨发生，降雨量分别为4.3 和0.3 mm。

前11 d 各处理土壤蒸发速率随时间动态变化与参考作物蒸散量基本一致（图3）。第1、4、11 d 三日蒸发速率最高[图3(b)～图3(e)]，与气象条件变化具有密切联系。4月17日（1 d）日照时数最长，为12.2 h。4月20日气温（4 d）最高。4月27日（11 d）则较为干燥，相对湿度最小，为18.8%。11 d 后参考作物蒸散量较高，呈波动变化，但土壤蒸发速率持续降低（图3），土壤蒸发的动态变化符合土壤蒸发的阶段性变化特征。土壤蒸发是水分由土壤内部运移至表层，然后经表层扩散至大气中的过程。蒸发初期，土壤水分充足，蒸发速率主要受大气蒸发力控制，因此土壤蒸发与参考作物蒸散量变化趋势基本一致。蒸发中期则主要受土壤含水量影响，至土壤中毛管水全部蒸发，则进入水汽扩散阶段，此时蒸发速率最低。

粉煤灰和蚯蚓粪覆盖对土壤蒸发速率均具有显著影响（p≤0.05）。粉煤灰覆盖厚度为1 cm、2.5 cm 和4 cm，土壤蒸发速率平均值分别为2.44±0.36、2.29±0.32 和2.37±0.32 mm/d。蚯蚓粪覆盖厚度为1 cm、2.5 cm和4 cm，土壤蒸发速率平均值分别为2.88±1.43、2.29±0.37、1.82±0.89 mm/d。粉煤灰和蚯蚓粪覆盖处理土壤蒸发速率均低于对照（3.48±0.39 mm/d）。随着覆盖厚度的增加，粉煤灰处理对土壤蒸发速率无显著影响，蚯蚓粪处理土壤蒸发速率则逐渐降低。覆盖厚度为1 cm 时，覆盖粉煤灰土壤蒸发速率低于覆盖蚯蚓粪；覆盖厚度为2.5 cm，土壤蒸发前者与后者相当；覆盖厚度为4 cm，则是前者大于后者。另外，不同粉煤灰或蚯蚓粪含量处理土壤蒸发速率无显著差异（p>0.05），说明无论是粉煤灰还是蚯蚓粪，覆盖对土壤蒸发的抑制效果优于混施。

2.2 累积蒸发量

累积蒸发量结果绘于图4。粉煤灰覆盖土壤累积蒸发量显著小于对照（p=0.00），1 cm、2.5 cm和4 cm 3个覆盖厚度土壤累积蒸发量分别减小30%、34%和32%。3 个覆盖厚度差异不显著（p>0.05），说明厚度为1 cm 的粉煤灰覆盖就对土壤蒸发具有较强的抑制作用。随蚯蚓粪覆盖厚度的增加，土壤累积蒸发量逐渐减小，说明蚯蚓粪覆盖越厚，抑制蒸发的效果越好。蚯蚓粪覆盖厚度为1 cm、2.5 cm和4 cm，累积蒸发量分别减小了17%、34%和48%。

粉煤灰和蚯蚓粪混施处理对土壤累积蒸发量的影响在统计学角度均未达到显著水平（p>0.05），但由图4(c)和图4(d)可看出随着时间推移，各处理土壤累积蒸发量间差异逐渐增大，尤其是施用蚯蚓粪处理。蒸发持续16 d，粉煤灰施用量为40%，比对照累积蒸发量小6%，土壤中蚯蚓粪含量为10%、20%、30%和40%，累积蒸发量分别减小了4%、9.0%、14%和9%。这对于应用粉煤灰和蚯蚓粪减少田间土壤无效蒸发，提高土壤持水能力为目的进行土壤改良剂筛选仍具用一定启示作用。

2.3 土壤水分物理性质和有机质含量

蒸发结束后两种改良剂施用处理下不同土层深度土壤水分分布情况见图5，各处理平均含水量比较结果列于表2 和表3。粉煤灰和蚯蚓粪覆盖各土层深度平均土壤含水量均显著高于无覆盖土壤（p<0.05），相同覆盖厚度下粉煤灰和蚯蚓粪处理平均土壤含水量差异不显著（表2）。粉煤灰覆盖厚度为1 cm、2.5 cm和4 cm，平均土壤含水量分别比对照高29%、28%和23%。蚯蚓粪覆盖厚度为1 cm、2.5 cm和4 cm，土壤含水量分别比裸土高29%、34%和33%。可见，土表覆盖薄层（1 cm）的粉煤灰就能具有较好的保持土壤水分的效果，而蚯蚓粪覆盖厚度为2.5 cm 和4 cm 保水效果优于1 cm。粉煤灰与土壤混施对土壤含水量无显著影响，蚯蚓粪与土壤混施处理土壤含水量均显著高于对照（表3），蚯蚓粪含量为10%、20%、30%和40%，平均土壤含水量分别比对照高10%、19%、27%和27%。施用量为10%时，粉煤灰与蚯蚓粪处理土壤含水量无显著差异，其他施用量均为蚯蚓粪处理土壤含水量显著高于粉煤灰处理（表3）。覆盖处理5 cm 深度土壤含水量与对照差异最大，随着深度增加，差异逐渐减小。混施则表层含水量差异较小，随着深度增加，含水量差异逐渐增大（图5）。

粉煤灰和蚯蚓粪覆盖和混施处理各土壤水分物理性质和有机质含量比较结果分别列于表2 和表3。粉煤灰和蚯蚓粪覆盖对土壤孔隙状况、田间持水量无显著影响，覆盖1 cm 厚度的粉煤土壤饱和含水量小于对照。粉煤灰混施对土壤毛管孔隙度、总孔隙度、田间持水量和饱和含水量均无显著影响。蚯蚓粪混施则提高了土壤毛管孔隙度、总孔隙度、田间持水量和饱和持水量，随着蚯蚓粪施用量增加，提升效果越明显。相同覆盖厚度，粉煤灰和蚯蚓粪处理土壤水分物理性质无显著差异（表2）。除10%施用量外，其他施用量各土壤水分物理参数均为蚯蚓粪处理大于粉煤灰处理，说明蚯蚓粪混施对土壤物理性质的改善作用优于粉煤灰。另外，覆盖和混施处理土壤有机质含量均高于对照，说明粉煤灰和蚯蚓粪的施用对土壤有机质含量提升具有积极作用。随着施用量提高，提升有机质含量效果越明显。粉煤灰施用量为10%、20%、30%和40%，有机质含量分别提高了24%、28%、49%和46%。相同量的蚯蚓粪施用，土壤有机质含量分别提高了23%、39%、45%和51%。混施蚯蚓粪含量超过20%，提高土壤有机质含量的效果优于粉煤灰。

表2 粉煤灰和蚯蚓粪覆盖对土壤水分物理性质和有机质含量的影响Tab.2 Effects of fly ash and earthworm cast coverage on soil hydro-physical properties and organic matter content

表3 粉煤灰和蚯蚓粪施用量对土壤水分物理性质和有机质含量的影响Tab.3 Effects of fly ash and earthworm cast content on soil hydro-physical properties and organic matter content

3 讨 论

在无植物生长条件下，土壤蒸发受大气蒸发力和土壤性质影响。在大气蒸发力一致的情况下，土壤结构、孔隙状况、温度、水分条件等决定土壤蒸发量和蒸发速率。本研究中粉煤覆盖对土壤蒸发具有显著影响，但混施效果不佳。混施对土壤蒸发的影响弱于成钢等[11]针对沙土的研究。成钢等[11]研究中供试土壤砂粒含量高达95%，粉煤灰则以粉粒为主（72%），粉煤灰施用量为40%，累积蒸发量比对照低27.2%，本研究仅为6%。粉煤灰能否对土壤物理性质具有改良作用受土壤和粉煤灰质地影响。本研究中供试土壤为粉质壤土（国际制分类），粉粒含量最高，其次为砂粒含量。粉煤灰质地较粗，粉粒含量低于土壤、砂粒含量则较高。土壤和粉煤灰质地差异较小，因此对土壤蒸发的影响较小。覆盖和混施蚯蚓粪均能够显著抑制土壤蒸发，与其他学者研究结果一致[20-22]，而且覆盖抑制蒸发的效果优于混施。覆盖处理时土表的粉煤灰和蚯蚓粪阻止土壤与大气环境的直接接触，受外界环境影响减小。而且延长了水汽传输的路径，增加了水汽传输阻力。另外，降低太阳能对土壤表面的直接辐射，降低土表温度。土壤有机质是形成土壤理化性质的基础，有机质的输入能够影响土壤的比表面积，改善土壤孔隙特征，促进土壤团聚体的形成，增加土壤团聚体的稳定性[16,24,25]，进而影响土壤的蓄水保水性能[26]。本研究供试粉煤灰和蚯蚓粪中有机质含量分别为土壤有机质含量的2.3 倍和3.6 倍，覆盖和混施均能使土壤中有机质含量提高，且混施蚯蚓粪显著提高土壤总孔隙度和持水容量。因此，施用粉煤灰和蚯蚓粪提高有机质含量是影响土壤蒸发的重要机制之一。

粉煤灰和蚯蚓类施用对土壤蒸发的影响具有差异。除有机质含量差异外（粉煤灰有机质含量低于蚯蚓粪），粉煤灰和蚯蚓粪其他特性，如粒度、颜色、导热特性等因素也影响土壤蒸发。粉煤灰中<0.2 mm 的颗粒百分比均大于蚯蚓粪，0.2～2 mm 颗粒百分比则远小于蚯蚓粪。蚯蚓粪近50%颗粒大于0.05 mm。颗粒越粗，表面积越小，不利于水分蒸发。而且，与蚯蚓粪相比，粉煤灰与供试土壤的颗粒组成更为接近。粉煤灰有机质含量低于蚯蚓粪，混施蚯蚓粪后土壤总孔隙度和毛管孔隙度增大，对土壤吸水和保水性能提升更具优势。蚯蚓粪颗粒较粗、有机质含量高，改善土壤孔隙状况是其抑制土壤蒸发的主要原因。本研究所用粉煤灰为灰色，蚯蚓粪颜色则较深（接近黑色），易吸收热量，导致土面温度高，反而有促进蒸发的作用。另外，粉煤灰具有导热性能较差，如包头市土壤导热率约为粉煤灰的2 倍[27]，低导热性也可能是粉煤灰抑制土壤蒸发的原因之一，还需进一步进行定量化研究。本研究中3个粉煤灰覆盖处理间土壤蒸发速率和累积蒸发量接近，覆盖1 cm 厚粉煤灰抑制土壤蒸发的效果优于覆盖相同厚度的蚯蚓粪，与覆盖2.5 cm 厚蚯蚓粪的效果接近，说明粉煤灰和蚯蚓粪覆盖对土壤蒸发影响的差异性随覆盖厚度变化。覆盖厚度较小（<2.5 cm）时，粉煤灰抑制蒸发的效果较好，覆盖厚度超过2.5 cm，反之。

土壤含水量主要受初始含水量和土壤蒸发的影响。粉煤灰覆盖和混施对土壤田间持水量均无显著影响，含水量结果与蒸发结果相对，即累积蒸发量小对应含水量高，粉煤灰覆盖厚度为1 cm 就能够达到较好地保持水分的效果。蚯蚓粪施用既提高了土壤的持水容量，又能够抑制土壤蒸发，具有较强的保持土壤水分的能力。若施用方式为覆盖，粉煤灰和蚯蚓粪保水效果接近；若施用方式为混施，则蚯蚓粪的保水效果更好。针对粉煤灰施用带来的重金属污染问题，将低含量的粉煤灰与农家肥、混合肥以及生物肥料混合施用既可利用粉煤灰的优势，也可利用其他肥料的吸附和缓冲特性去除和缓减重金属毒害。已有研究证实粉煤灰与有机肥、化肥配施，改良土壤和促进作物生长的效果更佳[28,29]。蚯蚓粪可作为理想的配施肥料。从抑制土壤蒸发，提高土壤储水性能的角度，覆盖是较为理想的施用方式，但粉煤灰与蚯蚓粪配施方案还需进一步研究。

4 结论

施用粉煤灰和蚯蚓粪对土壤蒸发的抑制作用受施用方式和施用量影响，两种物质对土壤蒸发的抑制作用有差异。覆盖处理，两种物质均对土壤蒸发具有显著的抑制作用，覆盖粉煤灰土壤累积蒸发量比对照减小30%～34%，覆盖蚯蚓粪土壤累积蒸发比对照减小17%～48%，覆盖厚度对蚯蚓粪抑制土壤蒸发的效果影响较大。与土壤混施，蚯蚓粪抑制土壤蒸发的效果优于粉煤灰。施用粉煤灰，土壤累积蒸发量比对照减小0%～6%，施用蚯蚓粪，土壤累积蒸发量比对照减小4%～14%。粉煤灰和蚯蚓粪施用均能够提高土壤有机质含量，是影响土壤蒸发的主要因素，蚯蚓粪混施能够显著提高土壤孔隙度和持水容量。粉煤灰和蚯蚓粪覆盖、蚯蚓粪混施均能够改善土壤水分条件。