土壤斥水性影响因素及管理措施研究综述

2023-03-22吴小雨涂安国李国辉

中国水土保持 2023年1期

吴小雨，涂安国，李国辉，胡皓

(1.江西省水利科学院，江西南昌 330029； 2.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌 330029)

土壤斥水性(Soil Water Repellency，SWR)指的是水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象，具有斥水性的土壤被称作斥水性土壤(Water Repellent Soil)。斥水性是一个相对的概念，实际上不存在完全会对液体产生排斥力的表面，任何固体与液面间都存在吸引力，因此在实际中没有表面是完全斥水的土壤[1]。近年来，土壤斥水性已成为国内外生态水文学研究的一个重要科学问题，众多学者对SWR的影响因素、测量方法及改良方法进行了大量的研究。我国国土面积广阔，土壤类型丰富，深入了解土壤斥水性对提高作物产量、防治面源污染、控制水土流失至关重要。

1 土壤斥水性研究进展

最早有关SWR的研究是在19世纪加州草原中的“蘑菇圈”和“干燥斑”现象被发现后[2-3]，一些学者在研究腐殖质土壤中的有机化学物质含量时，发现有一种土壤是不能被水润湿的，这是相关文献首次明确提出SWR的概念。近十几年来，因生态环境的不断恶化，SWR引起了人们的广泛关注。在全球范围内，SWR广泛存在。国内有关SWR的研究相对开展得较晚，但近年来随着水土流失和水环境恶化等问题的加剧，国内学者对SWR的研究也逐渐深入。在我国，已有针对不同类型土壤的相关研究，发现在内蒙古、湖南、安徽、云南、山西、新疆和山东等地都存在不同程度的斥水性土壤。

SWR产生的原因复杂，影响因素也较多。学者们普遍认为SWR是由土壤中的斥水性有机化合物引起的，而它们主要来源于植物或微生物[4-5]。SWR的产生、持久性和强度与土壤水分、质地、黏土含量、pH值、化学特性、生物活性、土壤类型、有机质含量和质量、土地利用与管理方式密切相关[6-8]。

有研究显示，SWR的强度可以用土壤颗粒及土壤表面的斥水性化合物的数量与来源、水合状态以及分子间排列来表示[7]。在某些特定的情况下，轻度SWR可能对土壤有益，它可以增加土壤团聚体稳定性和固氮作用[9]，有助于减少土壤表层的崩解剥离，在土壤表层起到保护作用。但目前大多数研究表明，斥水性是一种消极的土壤特性[4,10]。通常，SWR会影响土壤水分运动，从而使可溶性营养元素如氮素和磷素等，经过优先流运移途径或土壤重力水随水分迅速到达土壤深层部位及地下水中，造成养分流失的同时还使土壤肥力下降，此外还会导致地下水污染，造成面源污染[11]。SWR会阻碍自然降水或农田灌溉水渗入土壤，加剧水分在土壤中的不平衡性，降低植物利用土壤水分的效率，降低作物产量，同时还会增加地表径流流量，造成土壤侵蚀。由于SWR具有时空多变性，因此关于SWR对生态的不同意义的研究目前还很有限。

2 土壤斥水性影响因素研究进展

2.1 土壤水分

目前很多研究显示，含水率是影响SWR的重要因素之一，当含水率增加到某一值后，斥水性土壤可能会变为亲水性土壤[12]，这可能是因为土壤水分增加过程中将土壤中的斥水性有机物溶解了，此时的含水率为临界含水率。BOND[13]通过研究得出土壤含水率对SWR有影响，当土壤的含水率过小或过大时，土壤基本没有斥水性，但当土壤含水率接近临界值时，几乎都呈现出斥水性。杨松等[14]通过对不同强度的斥水性土壤进行干湿循环，发现当含水率降低时，黏土和黏壤土在增湿或脱湿过程中，SWR先增大后减小；而壤质砂土SWR随含水率降低而不断增强，在整个增湿或脱湿过程中未出现峰值。然而，并非所有土壤的斥水性都会表现出随含水率的降低而增加。

SEATONet al.[15]研究结果显示，SWR是由土壤表面的液体行为决定的，SWR会引起水珠状的水滴形成，阻碍毛细管吸收，进而彻底改变水分渗入土壤的途径。陈俊英等[16]建立了SWR和含水率的模型，结果显示SWR持续时长与含水率的关系为一单峰曲线，最佳拟合模型为正态模型。

2.2 土壤有机质

土壤有机质是诱导SWR产生的重要原因之一。众多学者研究得出，SWR是由土壤中表面附着矿物颗粒的有机质引起的，这些有机质主要源于植物生长发育过程中根系的分泌物[17]，土壤有机质的类型、含量和质量决定了SWR的强度[18]。大量研究表明，SWR随着有机质含量的增加而增加[19-20]。而土壤有机质含量对SWR的影响，大部分取决于土壤有机碳(SOC)与矿物基质的比例，该比例可以用来表征土壤有机碳分子的可能方向：SOC比例较低时，亲水功能团朝向矿物质表面，向外的疏水基则引起SWR；SOC比例较高时，土壤有机质分子呈垂直排列，向外的亲水基则导致土壤较高的亲水性[21]。MCKISSOCK et al.[22]提出，建立SWR与SOC相关性模型时，应考虑土壤中存在的SOC类型而非简单考虑SOC总量。SANDOR et al.[23]的研究结果表明，SWR不太可能存在于气候潮湿且质地较为细腻的土壤中，相反，更容易存在于气候干燥且有机质含量较高、颗粒较大的土壤中。

2.3 土壤质地

很多研究表明，土壤质地是SWR的关键影响因子。GAO et al.[24]的研究表明，草原土壤的SWR与土壤粒径大小呈负相关，随土壤粒径减小，SWR持续时间显著增加，这是因为黏土表面具有吸附性的斥水化合物，使其产生SWR，也因此大部分研究都集中在细黏土对SWR的影响上。有研究指出，有机斥水性物质本身就是细颗粒，所以使得细颗粒土壤SWR增加[25]。而DOERR et al.[4]和JIMÉNEZ-MORILLO et al.[8]研究得出，SWR随着大粒径团聚体含量的增加而增加；ZHENG et al.[26]通过Meta分析SWR与土壤团聚体的关系得出，当土壤砂粒含量大于40%时，SWR与土壤砂粒含量呈正相关关系，即SWR在大颗粒土壤中发生的可能性更高。

2.4 土壤pH值

人们普遍认为土壤pH值能够影响SWR，但目前对于两者相关性的研究还较少，其中一个重要原因是改变土壤pH值时通常也会改变土壤水分，而土壤水分又显著影响着SWR。有研究提出在讨论土壤pH值与SWR的关系时，应排除土壤水分变化所造成的潜在影响。DIEHL et al.[27]通过气相调节土壤pH值，从而最小程度地减少土壤水分变化，发现土壤在自然pH值条件下SWR最大，随着pH值增大，去质子化增大，导致负表面电荷增加，SWR减小。胡廷飞等[28]的研究结果也表明，红壤SWR与pH值呈负相关。

2.5 土地利用和管理方式

研究还发现，SWR与土地利用方式密切相关，农田、草地、林地等的SWR都有着不同程度的差异[23,29]。土地利用方式的差异对SWR的影响主要表现在土壤中碳含量、pH值和生物群落的变化上[30]。

BENITO et al.[31]研究发现，天然栎树生态系统与海岸松和桉树人工林下SWR水平和变异性的差异源于碳含量和碳氮比的变化，并且在干燥条件下，草地上层土SWR明显高于林地，而在下层土中则相反；在潮湿条件下，所有土层都不存在SWR。

LI et al.[30]的试验结果表明，保护性耕作下SOC和微生物量碳(MBC)高于常规耕作下，且保护性耕作有助于提高土壤孔隙度与连通性，通过土壤孔隙结构与斥水性物质共同作用来影响SWR，使得SWR较常规耕作下更高。MÜLLER et al.[32]的研究结果显示在长期耕作条件下，SWR随耕作强度降低而显著增高，这可能是因为耕作的机械干扰导致土壤的水稳性和渗透性减弱。MILLER et al.[33]提出在免耕措施下作物残茬留在土壤表面，相比于有耕作措施的农田，土壤表面SOC含量增加，因此SWR增大。FILIPE et al.[10]的研究表明不同的种植模式和耕作管理会通过影响土壤团聚体稳定性来影响SWR强度，它与轮作中的作物选择关系紧密[34]。

有机肥中含有大量斥水性化合物，JIMÉNEZ-DE-SANTIAGO et al.[35]发现施用有机肥会显著增加SWR，在谷物分蘖期追肥7天后SWR达到最大值。有研究显示，长期施肥可能会增加SOC和土壤微生物，从而产生斥水性化合物，这是因为施肥提高了农作物产量，使得更多的残茬返回土壤[36]。

再生水灌溉是一种有效的节水途径。商艳玲等[37]的试验结果证明SWR随再生水灌溉量和时长增加而显著增强，而胡廷飞等[28]的研究表明再生水与蒸馏水交替灌溉对SWR有抑制作用，刘春成等[38]的试验结果表明再生水灌溉较清水灌溉可以降低SWR。

3 土壤斥水性管理措施研究进展

目前针对SWR的改善方法，主要有化学、物理和生物三大类。化学方法主要包括表面活性剂、黏土矿物、缓释肥料和石灰，如种子包衣技术将表面活性剂涂在种子表面，降雨后表面活性剂被溶解进土壤中，有助于改善SWR，增强种子对土壤水分的吸收，提高幼苗成活率。物理方法则是通过灌溉、耕作措施、改良土壤通气性和压实土壤来降低SWR。如陈俊英等[39]试验得出，对斥水性土壤进行翻耕处理可以暂时消除土壤的斥水性，消除效果与翻耕次数、时长和翻耕深度呈显著的正相关关系。但也有研究表明，土壤斥水性随着开垦年限的增加而不断增加[40]。生物方法主要集中在真菌抑制剂、微生物菌剂、原生动物及植物修复上。

尽管学者们对改良SWR进行了不同方向的研究，但改良SWR目前仍是一个难以解决的问题，可能存在投入高、破坏土壤结构、重金属污染、效果不稳定等问题。

GUPTA et al.[41]发现相比于亲水性土壤，20 mm厚的斥水性土壤能显著增加鹰嘴豆幼苗及根系的生长。RUTHROF et al.[42]则建议在日后研究中关注SWR潜在的长期利益，提出只需要在种植作物时暂时缓解SWR，再利用部分微生物能产生SWR的特性，将其大规模地喷洒到土壤上，形成疏水层，以此保持表层土以下部分的水分，将有利于农业活动。此外，研究显示在亲水性土壤下添加一层斥水性土壤也有助于增加作物的株高和根长[43]。由于灌溉用水有限，因此利用SWR特性可减少土壤水分蒸发，缓解农业灌溉用水压力，这在干旱和半干旱区域有重大意义。