施加黄腐酸钾对黑垆土土壤结构的影响

张路，吴军虎，杨晓伟，雷震远，白雪

施加黄腐酸钾对黑垆土土壤结构的影响

张路，吴军虎*，杨晓伟，雷震远，白雪

（西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048）

【目的】探究黄腐酸钾对黑垆土水分运移、土壤孔隙和团聚体分布的影响。【方法】通过室内试验，向黑垆土中施加不同质量配比（0%、0.1%、0.5%和1%）的黄腐酸钾，得到对土壤结构改良效果的最佳黄腐酸钾施量。【结果】①用含1%黄腐酸钾处理后的土样效果是最优的，土壤累积入渗量、入渗率（90 min）、稳渗率和湿润锋运移距离分别增加了43.96%、182.5%、47.06%和28.41%。②3种入渗模型参数拟合结果显示，Kostiakov公式中经验系数从1.648 7减小至0.901 3，经验指数从0.478 1增加至0.537 5。Philip公式中稳渗率在0.002 0到0.003 2的范围内，吸渗率在0.956 2到1.004 2范围波动。改进后Kostiakov公式中，稳定入渗率从0.012 6增加至0.084 6。③掺加含1%黄腐酸钾的土样对土壤孔隙度的影响最大，土壤总孔隙度和土壤通气孔隙度分别增加了2.65%和64.29%，土壤毛管孔隙度降低了17.00%。同时土样中掺入黄腐酸钾的质量配比越大，在单位体积上相较于对照组，土壤体积质量减小了2.99%。④随着培养时间增长，粒径大于0.25 mm团聚体量显著增加，同时粒径＜0.045 mm团聚体量逐渐减少。平均几何直径与黄腐酸钾施量之间呈现正相关关系，而不稳定团粒指数和土壤可蚀性因子随黄腐酸钾施量增加呈现负相关，分形维数随着时间与黄腐酸钾施量的增大呈现减小趋势。【结论】施加质量配比为1%黄腐酸钾对黑垆土结构改良效果是最佳的，该研究成果为揭示不同施量黄腐酸钾对黑垆土水分运移和结构改良效果方面提供参考。

黄腐酸钾；水分运移；土壤孔性；水稳性团聚体；土壤结构

0 引 言

【研究意义】黑垆土作为一种良性的耕作土壤，同时也是黄土高原地区分布广泛的土壤类型之一，一直受到众多学者的研究[1]，而考察黑垆土土壤结构是必不可少的一环[2]。近些年，人们一直通过土壤改良剂来改善黑垆土的土壤结构，增加作物产量创造经济价值[3]。腐殖酸类产品作为一种绿色高效的土壤改良剂逐渐进入大众视野[4]，黄腐酸钾作为腐殖酸中较为精致的一类，其芳香度低，官能团多和溶解性好，在改善土壤结构和提高作物抗性方面十分突出[5-6]。【研究进展】在性质方面；Ghazy等[7]将黄腐酸钾作为共穿剂，发现其内部的官能团与材料的官能团发生强烈的缩聚反应并能够形成互穿网络结构，增加物质的吸水性。Mohamed等[8]发现；黄腐酸钾络合能力与离子交换能力很强，可以加速与增强细胞纤维素和丙烯酸的接枝共聚，生成的聚合物甚至可以和一些金属离子（Cu2+）发生螯合反应。在土壤改良方面；倪幸等[9]将黄腐酸钾活化剂，与其他材料活化剂作对比，黄腐酸钾能与土壤形成胶状物质来增加团粒结构，能够降低土壤体积质量，提高土壤溶液中可溶性盐电导率（）值，改善土壤微环境[10]。其中黄腐酸钾官能团中钾盐基交换容量大，能够降低土壤盐分浓度和调节土壤酸碱度，避免土壤盐碱化[11-12]。在土壤修复方面；马闪闪等[13]发现黄腐酸钾可以降低土壤中交换性的铝和酸，增加交换性盐基，对酸性土壤起到很好的改良效果。同时黄腐酸钾配施化肥，可以使肥效利用最优化，显著增加了土壤养分和作物产量。在作物生长方面；还有学者[14-15]将黄腐酸钾类产品应用于绿色植物生长阶段，发现该物质能够帮助土壤积攒肥力和提高氮肥利用率。Othman等[16-17]发现黄腐酸钾也可以协助作物细胞提高渗透势来达到抗旱性，提高作物品质和产量，帮助人们提高生活品质。

【切入点】研究发现[18]，随着社会的不断发展，工业化和城镇化占用了大量耕地，农业投入品的过量使用，导致耕地数量和质量不断下降，农业可持续发展面临巨大挑战。黄腐酸钾作为一种优秀的土壤改良剂，在改良土壤结构和促进水分运移方面应用十分广泛[19]。其能够使该地区土壤资源得到重新利用，实现可持续发展，十分契合绿色农业的主题。而当前向黑垆土中单独施加黄腐酸钾，对土壤入渗特征、土壤内部孔隙变化和土壤结构方面的内在作用机理尚未明确。【拟解决的关键问题】本研究向黑垆土中施加不同质量配比的黄腐酸钾，结合入渗试验、孔隙测定试验和团聚体培养试验。探究黄腐酸钾对土壤入渗特性和土壤结构改良的作用机理，为黑垆土改良和绿色农业发展提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料概况

1.1.1 试验区土壤概况

试验用土取自咸阳市长武县王东沟流域试验区，取土深度为表层0～30 cm，土地利用类型为坡荒地。该地区坐标107°34′E，35°12′N，为温带大陆性季风气候，土壤土质疏松，透气性好，年平均降水量维持在580 mm左右。试验样土阴干过2 mm筛备用，利用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定土壤的机械组成，土壤的黏粒、粉粒和砂粒体积分数分别为8.56%、81.31%、10.13%，根据国际土壤质地分类法，确定供试土壤为粉砂质壤土，土壤体积质量为1.35 g/cm3，土壤初始含水率为0.15 cm3/cm3，饱和含水率为0.45 cm3/cm3，土壤盐分量为1.85 g/kg，土壤有机质量为5.27 g/kg。土壤pH值为8.1。

1.1.2 黄腐酸钾材料选择

试验选用的处理材料为山东某公司生产的黄腐酸钾粉末（粒径为0.15～0.30 mm，其中60～80目约占62%，80～100目约占38%），该物质外观为棕黄色，常用作土壤改良剂和肥料增效的缓效剂。其中黄腐酸钾量≥85%，有机质量≥65%，氨基酸量≥8.8%，K2CO3≥12%，P≥0.3%,N≥3%，微量元素量≥2%，pH值5.6～5.8。

1.2 试验设计

1.2.1 室内入渗试验

试验于2021年3月10日—6月15日在西安理工大学土壤物理实验室进行，试验前先进行预试验。当黑垆土中施加黄腐酸钾质量比大于1.5%时，发现试验样土的土壤结构被严重破坏，不利于后续研究和农业生产应用。当试验样土和黄腐酸钾掺加质量比大于1%时，发现累积入渗量、入渗率和湿润锋运移距离较掺入1%黄腐酸钾土样分别增长为3.5%、2.1%和5.9%，增长速率明显减缓。因此，可认为土样中掺加质量比1%黄腐酸钾，是上述各因素间增长的最高拐点。

试验选用高为45 cm内直径为5 cm的有机玻璃土柱，将处理好的土样按体积质量1.35 g/cm3分7次装入土柱中，土柱高度为35 cm。其中黄腐酸钾按照质量配比0%、0.1%、0.5%和1%与土样混合均匀后分别装入各土柱中，记为T0、T1、T2处理和T3处理。每层装土时保持土样质量不变，即每层装土与黄腐酸钾的混合质量恒为132.5 g。在土柱各层间刮毛，防止分层，并在各土柱底部和顶部需平铺1层滤纸，防止土层被冲刷破坏影响试验结果。供水装置采用直径为5 cm的马氏瓶，水头控制在3 cm，试验开始时记录时间、累积入渗量和湿润锋运移距离，试验时间为420 min。试验共4个处理，每个处理设3组重复。装置如图1所示。

注 1.进气管（与外界大气压连通）；2.为橡皮塞（塞住注水孔，使密封）；3.为注水孔；4.为马氏瓶边壁厚度（2 mm）；5.外壁带刻度内直径为5 cm的马氏瓶；6.内部溶液（纯水）；7.出水口；8.马氏瓶底座（厚5 mm）；9.橡胶管；10.外壁带刻度直径为5 cm的土柱；11.土柱边壁厚度（2 mm）；12.土柱内部试验样土；13.为出水口。

1.2.2 土壤孔隙试验

选取试验样土40 kg，平均分为4份，每份按质量比混入0%、0.1%、0.5%和1%的黄腐酸钾。搅拌均匀，体积质量为1.35 g/cm3，分别置于大花盆中培养。每隔3 d浇水1次，培养时间为60 d。用环刀取培养后的土样，将环刀有孔的一面垫入滤纸，此面朝下置于装有纯水的容器中，容器水深保持在3 mm，浸水12 h，待2次称质量浸水环刀质量不再改变时，则用刀将环刀表面吸水膨胀后的土样刮下，立即称取刮下的土样质量，保留3位有效数字。继续称取环刀内饱和后的土样5 g，采用烘干法测定其土壤吸水后的含水率，换算环刀中烘干土质量[20]。试验共4个处理，每个处理设3组重复。

1.2.3 水稳性团聚体试验

将处理好的土壤按体积质量1.35 g/cm3装入直径为16 cm的土柱中培养，分层装土，每层装2 cm，装至20 cm高。其中各土柱之间，分别按质量比加入0%、0.1%、0.5%和1%的黄腐酸钾，记为T0、T1、T2处理和T3处理，保证每层土样质量不变，装土质量恒为542.6 g，做3组重复处理。定期称质量补充水分至田间持水率的70%，分别在第30、60、90天时测量各粒级水稳性团聚体量[21-22]并计算其团聚体粒径大于0.025 mm量（0.25）、平均几何直径（）、不稳定团粒指数（LT）、土壤可蚀性因子（）、分形维数（）等指标。

水稳性团聚体量采用Wet Sieving Apparatus（湿筛分装置）分析，该装置测定的粒级分别为0.45、0.53、0.63、0.125、0.25、0.5、1 mm和2 mm。测定前取培养后的土壤，将该套装置中的16个钢罐称质量记录，按筛罐孔径大小顺序，分别装入4 g土样。1～8号钢罐中装入约钢罐3/4体积的纯水，9～16号钢罐中加入1 g/mL的六偏磷酸钠溶液，加之钢罐体积的3/4。开始前将1～8号钢罐放在筛罐下方，开启湿筛分装置振荡3 min，取下1～8号钢罐，放入9～16号钢罐，振荡8 min。仪器停止后将16个钢罐放入烘箱中，编为一组，在105 ℃下烘干8 h，称质量（保留3位有效数字），重复3次。

1.3 相关入渗模型与评价指标

1.3.1 土壤水分入渗模型

采用Origin 2018软件和SPSS软件对常用的土壤入渗模型拟合和分析，发现Kostiakov模型、Philip模型和修正的Kostiakov模型对水分运动过程的参数拟合和显著性分析方面更为准确，因此本文选用Kostiakov模型、Philip模型和修正的Kostiakov模型来拟合黄腐酸钾对土壤入渗特性的影响[23]。

1）Kostiakov入渗公式[24]

=kt， （1）

式中：为累积入渗量（cm）；为经验系数（cm/min）；为入渗时间（min）；为经验指数，无量纲。

2）Philip入渗公式

=0.5+， （2）

式中：为吸渗率（cm/min0.5）；为稳渗率（cm/min）。

3）修正的Kostiakov入渗公式[25-26]

=kt+0， （3）

式中：0为稳定入渗率（cm/min）。

1.3.2 土壤孔隙评价指标

利用环刀法测定原状土壤的土壤体积质量，土壤总孔隙度测定采用经验公式计算[20]。

=93.947-32.995， （4）

式中：为土壤体积质量（g/cm3）；为土壤总孔隙度（%）。

式中：为环刀内部土壤保持的水量（cm3）；为环刀容积（cm3）。

=-， （6）

式中：为土壤通气孔隙度（%）；为土壤总孔隙度（%）；为土壤毛管孔隙度（%）。

1.3.3 各粒级团聚体量与可蚀性评价指标

具体计算涉及的公式如下[21-22, 25]：

1）水稳性团聚体量：

水稳性团聚体量（%）=水稳性团聚体

质量（g）/土壤样品总质量（g）×100%。

2）团聚体粒径大于0.25 mm量（0.25）的计算式：

3）平均几何直径（）的计算：

4）不稳定团粒指数（LT）的计算：

5）土壤可蚀性因子（），采用计算方式为：