綠色保濕增肥塊的土壤保濕效果研究

張 潘，徐福利，，于欽民

(1.中國科學院/水利部 水土保持研究所，陜西楊凌 712100;2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

我國人口多用水量大，并且水資源污染嚴重，導致了我國水資源的嚴重不足。地下水的大量開采，使得地下水位下降，導致表層土壤含水量嚴重降低。水在土壤中起著重要的作用，例如物質運移、物質轉化等，并且土壤水是植物需水的主要來源［1］。影響土壤保水性的主要因素有土壤結構、孔徑分布、容重、有機質含量以及黏土礦物等［2］。土壤蒸發受太陽輻射、溫度、濕度、風速等外界條件和土壤含水量、土壤質地及結構、地表情況、土壤色澤等內在因素的影響［3］，很多學者提出了土壤水分蒸發的數學模型，雖然由于參數復雜和特定的條件導致這些模型的應用受到了限制，但對解釋土壤水分蒸發的機理做出了不可忽視的貢獻［4－6］。分析土壤水分蒸發的機理及影響因素，可提高土壤水分的利用效率，達到科學用水、節水的目的［3］。

我國農業用地作物連作嚴重，導致土壤養分含量降低。據統計，全球耕地約有2/5缺磷，中國缺磷尤其嚴重［7］。研究表明，作物的產量約有65%取決于土壤肥力［8］，為了提高作物的產量就必須增加土壤的肥力。但化肥的大量使用既污染了環境，又對土壤物理性質、化學性質和生物性狀產生了負面影響。秸稈還田能增加土壤肥力、改善土壤物理性狀、促進養分循環等，是促進作物增產的有效手段［9］，但是秸稈直接還田不但費工費力，而且也不能明顯地提高土壤肥力和作物產量［10］，將秸稈粉碎后還田是加快秸稈腐解速度的有效辦法。2006年中國秸稈資源量超過7.6億 t，秸稈還田僅占24.3%，所以優化管理秸稈資源仍是現階段需要解決的重要問題［11］。保濕增肥塊(簡稱G塊)就是為農業節水和秸稈的合理利用而研究出的產品，它是秸稈粉碎后加入適量保水劑黏合擠壓而成的，既可以保水，又可以有效地利用秸稈，是一種費用低、功能多的綠色材料。本研究的目的就是探查G塊的保水情況，為秸稈的有效利用與農業節水的合理結合提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2011年9—12月在陜西省楊凌區中國科學院/水利部水土保持研究所土壤－植物營養研究試驗地進行。楊凌區位于陜西省關中平原西部，地處東經 107°59'—108°08'、北 緯 34°14'—34°20'，海 拔418.0—540.1 m，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，冬季平均氣溫2℃，夏季平均氣溫27℃，多年平均氣溫12.5℃，極端最高氣溫42℃、最低氣溫－19.4℃，年均日照時數2 153.8 h，無霜期210 d，年均降水量632 mm，主要集中在8—9月，降水分配不均勻，年均蒸發量1 400 mm左右，蒸發量明顯大于降水量。

1.2 試驗材料與設計

1.2.1 試驗材料

綠色保濕增肥塊是研制的最新材料(不含水)，基本組成是秸稈碎末、保水劑等，是一種長、寬、高分別為9.0、8.7、1.5 cm 的固體塊，中間有個直徑為 2.0 cm 的圓孔，平均重量為83.145 g，吸水后可以迅速分解成細小的顆粒。試驗所用土壤為中壤土，將土壤在自然狀態下晾干，過0.5 cm篩，裝盆后土壤容重為 1.35 g/cm3，試驗前測得含水量為5.23%。

1.2.2 試驗設計

根據不同的使用量，采用以下3種處理:①對照(CK)，不加G塊;②處理Ⅰ，添加一塊G塊;③處理Ⅱ，添加兩塊G塊。

試驗采用盆裝試驗的方式，花盆是普通的塑料盆，底部無洞，上口平均直徑為20.0 cm，高度為18.0 cm，平均質量為0.150 kg。盆內分別添加土壤、G塊，使各處理連花盆總質量均為4.000 kg。把G塊橫著埋入土壤表層下大約5.0 cm深處，然后加入1.500 kg的水，水直接倒在土壤表層，使其自動下滲，最后各處理花盆總質量均為5.500 kg。試驗重復3次，采用隨機排列方式，放在室外自然條件下，下雨或陰天把花盆放入四周無遮擋、頂部為弓形塑料板的棚子內。

1.3 測量項目與方法

試驗從9月22日開始。由于試驗期間降雨和陰天較多，導致土壤水分蒸發較少，所以每2 d記錄一次總質量。試驗方法采用稱量法，每次減少的量即蒸發量。稱量工具采用上海申橫電子有限公司制造的電子秤，最大稱量為30 kg，分度值為10 g。

2 結果與分析

2.1 綠色保濕增肥塊對土壤水分蒸發量的影響

綠色保濕增肥塊對蒸發量的影響見圖1，結果表明G塊對土壤蒸發的影響顯著。試驗前期，加入G塊的土壤蒸發較快，并且加入兩塊的蒸發最快，原因是處理Ⅰ和處理Ⅱ中的土壤加入水后表層會有一個凸起，加入兩塊的凸起最大，土壤表層的凸起導致土壤表層有很多裂縫。土壤表層有凸起的原因是G塊吸水后會迅速膨脹，而G塊僅埋在土壤表層下5 cm左右，土壤是過0.5 cm篩的細顆粒，壓力不夠，導致凸起。G塊吸水膨脹后，在土壤里形成海綿狀的透氣層，這為植物根的生長提供了有利條件，透氣層也可以儲存大量的水分，減少水分向下的滲透，從而提高水分利用率。李鳳博等人的研究也表明秸稈還田可以降低土壤的容重和堅實度，增加總孔隙度和非毛管孔隙度［12］。從圖1可以看出，隨著試驗的進行，處理Ⅰ和處理Ⅱ的蒸發量慢慢地減少，試驗開始后19 d(第10組數據)，對照中的土壤水分蒸發量超過處理Ⅰ和處理Ⅱ，以后幾乎都是對照土壤水分蒸發得快。原因是處理Ⅰ和處理Ⅱ中的G塊吸水后膨脹，使土壤變得疏松，水分很快下滲到土壤下層，另外G塊含有少量保水劑，具有保水的作用，而對照加入水后，土壤表層的水分飽和后水分才會滲透到下層，導致表層水分較多，蒸發較快。

在理想狀態下，試驗開始階段土壤水分最多，蒸發應該最快，后期慢慢減少。由于溫度和降雨的影響，使得試驗過程中土壤水分蒸發量變化較大，最大蒸發量為145 g/2d，最小蒸發量為0，平均蒸發量較小，其中對照為 37.59 g/2d、處理Ⅰ為 35.82 g/2d、處理Ⅱ為33.79 g/2d。與對照相比，處理Ⅰ和處理Ⅱ每2 d減少的蒸發量分別為4.94%和11.25%。平均蒸發量比較小的原因是試驗是從9月22日開始的，那時大氣溫度已開始降低，并且試驗期間降雨較多，空氣濕度較大，而蒸發強度取決于土壤表層的水汽壓和土壤表層大氣中水汽壓的差值，當水汽壓差＞0時土壤水分蒸發，當差值=0時蒸發為0，當差值＜0時大氣中的水汽進入土壤［3］，因此空氣濕度較大時，兩者的水汽壓差較小，導致蒸發較慢。

圖1 保濕增肥塊對土壤水分蒸發量的影響

2.2 綠色保濕增肥塊對土壤水分累計蒸發量的影響

G塊對土壤水分累計蒸發量的影響見圖2。從圖2中可以看出:試驗開始的前30 d(第1—15組數據)，土壤水分累計蒸發量處于迅速增加階段;第31—40 d土壤水分累計蒸發量處于緩慢增加階段;第41—46 d土壤水分累計蒸發量幾乎不再增加，處于平穩階段;而48 d以后，土壤水分累計蒸發量又開始緩慢增加。平穩后又緩慢增加的原因是，平穩期間降雨量較大，溫度較低，導致蒸發極少，天氣好轉后，溫度回升，蒸發又開始增強。

圖2 保濕增肥塊對土壤水分累計蒸發量的影響

本試驗把土壤水分累計蒸發量分為迅速增加、緩慢增加和平穩3個階段。王征友等［3］把土壤水分蒸發量分為以下3個階段:初期固定蒸發速率階段;蒸發速率遞減階段;蒸發消滯階段。蔡樹英等［13］的研究表明，當蒸發進行到大約18 d時，土壤表層會形成很小一層干土，土壤水分蒸發量就會減少。與本試驗相比，蔡樹英等的試驗到緩慢增加階段的時間明顯縮短，原因是他們的試驗是在室內進行的，溫度較高，受天氣影響很小。

2.3 綠色保濕增肥塊對土壤含水量的影響

試驗開始時土壤含水量為46.67%，之后隨著時間增加含水量逐漸減小，結果見圖3。開始時對照土壤水分蒸發慢，所以土壤含水量相對較大，隨著試驗的進行，處理Ⅰ和處理Ⅱ都減少了土壤水分的蒸發，試驗結束后處理Ⅰ和處理Ⅱ分別提高土壤含水量14.24%和30.63%。可以推斷，土壤中加的G塊越多，保水效果越好，但單位體積土壤中加入G塊的最優量是多少還需要進一步研究。試驗開始28 d，處理Ⅰ和處理Ⅱ的土壤含水量開始大于對照，此時對照中土壤含水量為20.27%，處理Ⅰ中土壤含水量為20.59%，處理Ⅱ中為21.53%。從圖1可以看出，對照的土壤水分蒸發量開始大于處理Ⅰ和處理Ⅱ時為20 d時，而從圖3可看出，此時對照、處理Ⅰ和處理Ⅱ的土壤含水量分別為30.41%、29.09%、28.83%，說明 G塊的保濕作用在土壤含水量為30%左右才開始顯示出來，試驗前期由于試驗土壤表層凸起造成的裂縫和天氣原因導致G塊的保濕效果不明顯。由此可知，土壤表層裂縫會掩蓋部分試驗結果，對試驗產生負面影響，所以在做與表層土壤相關的試驗時應盡量避免土壤表層有裂縫。

圖3 保濕增肥塊對土壤含水量的影響

3 結論

綠色保濕增肥塊是利用作物秸稈和保水物質通過物理原理壓制而成的保水增肥新型材料，其對土壤水分的蒸發產生的影響表現在:①G塊減少了土壤水分的蒸發，提高了土壤的含水量，平均蒸發量對照為37.59 g/2d，處理Ⅰ為 35.82 g/2d，處理Ⅱ為 33.79 g/2d，與對照相比，處理Ⅰ和處理Ⅱ每2 d減少的蒸發量分別為4.94%和11.25%，試驗結束后處理Ⅰ和處理Ⅱ提高土壤含水量分別為14.24%和30.63%。②G塊吸水后可以在土壤內部形成透氣層，使水分滯留在透氣層內，從而使植物可以不斷地吸收到水分，提高了水分的利用率。③溫度和空氣濕度是影響土壤水分蒸發的主要因素，試驗過程中最大蒸發量為145 g/2d，最小蒸發量為0，變化較大。④土壤水分的蒸發可以分為迅速增加、緩慢增加和平穩3個階段，并隨著環境的改變而稍有變化。⑤土壤表層有裂縫對土壤水分蒸發影響較大，在做與土壤表層相關的試驗時應盡量避免土壤表層有裂縫。

水資源是限制農業可持續發展的重要條件，因而農業節水技術的發展非常迅速，并取得了很多成果［14－16］。中國的秸稈資源量大，其利用主要以秸稈還田、燃燒和飼料為主，其中東北和華東地區秸稈主要用作燃燒(比例接近50%)。秸稈燃燒既浪費了資源也污染了環境，把農業節水與秸稈還田合理結合起來，是解決中國農業可持續發展的有效途徑和措施。綠色保濕增肥塊是最新研究的廉價、功能多的綠色產品，既能保水解決水資源的問題，也能增加作物秸稈的還田量，解決秸稈燃燒帶來的環境問題，為農業的可持續發展提供了良機。

［1］黃昌勇.土壤學［M］.北京:中國農業出版社，2000:98－110.

［2］Hillel D.Environmental Soil Physics［M］.San Diego:Academic Press，1998.

［3］王征友.土壤水分蒸發的影響因素分析［J］.山西水利，2003(2):26－29.

［4］Ventura F，Snyder R L，Bali K M.Estimating evaporation from bare soil using soil moisture data［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2006，132(2):153 －158.

［5］史文娟，沈冰，汪志榮，等.夾砂層狀土壤潛水蒸發特性及計算模型［J］.農業工程學報，2007，23(2):17 －20.

［6］Mutziger A J，Burt C M，Howes D J，et al.Comparison of measured and FAO-56 modeled evaporation from bare soil［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2005，131(1):59－72.

［7］劉建中.利用植物自身潛力提高土壤中磷的生物有效性［J］.生態農業研究，1994(2):16 －23.

［8］朱玉芹，岳玉蘭.玉米秸稈還田培肥地力研究綜述［J］.玉米科學，2004，12(3):106 －108.

［9］武志杰，張海軍，許廣山，等.玉米秸稈還田培肥土壤的效果［J］.應用生態學報，2002，13(5):539 －542.

［10］顏麗，宋楊，賀靖，等.玉米秸稈還田時間和還田方式對土壤肥力和作物產量的影響［J］.土壤通報，2004，35(2):143－148.

［11］高利偉，馬林，張衛峰，等.中國作物秸稈養分資源數量估算及其利用狀況［J］.農業工程學報，2009，25(7):173－179.

［12］李鳳博，牛永志，高文玲，等.耕作方式和秸稈還田對直播稻田土壤理化性質及其產量的影響［J］.土壤通報，2008，39(3):549－552.

［13］蔡樹英，張瑜芳.溫度影響下土壤水分蒸發的數值分析［J］.水利學報，1991(11):1 －8.

［14］徐建新，商崇菊，曹玉升，等.集雨節灌工程綜合效益評價方法研究［J］.灌溉排水學報，2006，17(4):24 －27.

［15］崔治芬，王玉英，孫敏章，等.基于AHP和Rough Set的農業節水技術綜合評價［J］.生態學報，2012，32(3):931－941.

［16］劉曉敏，夏來坤，王慧軍.黑龍港區小麥玉米農藝節水技術集成模式綜合評價及推廣建議［J］.中國農學通報，2011，27(4):268 －275.