喀斯特石灰土水土保持劑的篩選

黃耀思 張曉聲 楊鈣仁 陸衛 尹建

摘要：【目的】篩選出適合喀斯特石灰土的最佳水土保持劑，為喀斯特地區的石漠化治理重建提供參考依據?！痉椒ā炕诓煌参镄圆牧纤治展δ艿牟町?，制備6種配方的水土保持劑，并在人工模擬降雨條件下進行喀斯特石灰土水土保持劑篩選試驗?！窘Y果】稻草比木糠（桉樹）更有利于土壤物理結構改善，添加有稻草配方水土保持劑的土壤容重比空白對照處理（CK，未施用任何水土保持劑）約降低14.0%、總孔隙度約增大13.0%、最大持水量約增加31.0%。硅酸鹽黏合劑能增加地表產流量，其中以單獨施用硅酸鹽黏合劑的累積產流量最高（3307 mL），極顯著高于其他配方（P<0.01，下同），其地表產流量在降雨過程的各階段也最高。6種配方的水土保持劑均能極顯著減少土壤侵蝕，比CK分別降低了37.4%、26.1%、32.6%、47.5%、50.0%和55.9%。【結論】硅酸鹽黏合劑、稻草和木糠配合使用能充分發揮出各自的土壤保持功能，且硅酸鹽黏合劑、木糠（加適量甘油）、稻草（加適量甘油）按2∶1∶1比例進行配制的配方水土保持功能最強。

關鍵詞： 水土保持劑；硅酸鹽黏合劑；稻草；木糠；喀斯特石灰土；篩選

中圖分類號： S157.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）02-0201-05

0 引言

【研究意義】我國西南喀斯特山區因母巖成土物質先天不足，致使其巖溶區成土速度十分緩慢（袁道先和蔡桂鴻，1988），加上自然與人為因素的雙重影響，造成地表植被遭受破壞，水土流失及石漠化程度非常嚴重（Busscher et al.，2007）。土壤稀缺、雨水難以保存是石漠化區生態修復的難點，因此，篩選出適用于喀斯特山區的水土保持劑，對提高石漠化治理重建的生態系統生物多樣性及實現可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】至今，已有許多學者從國家目標和學術思想等不同角度對石漠化治理進行了廣泛探討（彭晚霞等，2008；王明云等，2010），并一致認為水土保持是石漠化區生態重建的核心任務。廣西巖溶區土壤類型主要為石灰土（陳平和梁其彪，1991），其質地較黏重，易發生水土流失（李月臣等，2008）。在喀斯特石漠化區尤其是城郊區喀斯特石山的生態系統快速重建過程中，一般土壤系統重建多采用客土方法，若未采取合理的水土保持措施，客土則會在短期內被侵蝕殆盡。使用土壤改良劑可改善土壤物理結構及化學性質，因此是維持重建生態系統健康的一種重要手段（楊文艷和周忠學，2014）。科學使用土壤改良產品可有效緩解肥力下降、結構惡化、水土流失加快等問題，因此土壤改良產品的研發與應用逐漸受到青睞。目前，市場上存在各種類型的改良劑，主要有保濕劑、松土劑、固沙劑、增肥劑、消毒劑和降酸堿劑等，按其物質來源及形態可分為天然改良劑（天然礦物如膨潤石、無機固體廢棄物如粉煤灰、天然提取高分子化合物）、人工合成土壤改良劑、天然—合成共聚物改良劑等（陳義群和董元華，2008；劉肖肖等，2013）。其中，利用天然有機物制備土壤改良劑因其功能強大且容易獲得，已成為當前該領域研究的熱點和重點。農業生產實踐也證明，作物秸稈還田可有效降低地表徑流量和土壤侵蝕量（盛良學等，2006）、減少養分元素流失（劉紅江等，2010）、提高土壤肥力（黃景等，2012），但利用作物秸稈制備土壤改良劑需通過接枝共聚反應（苗永剛等，2009；左廣玲等，2010）或其他化學手段提取植物中的天然高分子物質，由于工藝復雜、成本高等原因，目前尚未實現規模化生產。【本研究切入點】喀斯特石灰土與其他類型土壤在物理化學性質方面存在較大差異，在其他類型土壤上獲得成功的水土保持劑不一定適用于石灰土，因此有必要對喀斯特石灰土的水土保持劑進行深入研究和篩選。【擬解決的關鍵問題】基于不同植物性材料水分吸收功能的差異，在人工模擬降雨條件下進行喀斯特石灰土水土保持劑的篩選試驗，以期為喀斯特地區的石漠化治理重建提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 水土保持劑制備

試驗共制備6種配方。配方A：硅酸鹽親水黏合劑，成分主要有硅酸鹽粉劑、聚乙烯醇等（現配現用）。配方B：木糠（桉樹）+甘油等，新鮮木糠（粒徑 3 mm）加水調節水分含量約60%后保濕避光，在25 ℃以上的條件下發酵20 d，然后均勻加入適量（5%）甘油備用。配方C：稻草+甘油等，新鮮稻草經脫谷機打細并剪短（長度 20 mm），加水調節水分含量約65%保濕避光，在25 ℃以上的條件下發酵20 d，然后均勻加入適量（5%）甘油備用。配方D：配方A+配方B（1∶1，現配現用）。配方E：配方A+配方C（1∶1，現配現用）。配方F：配方A+配方B+配方C（2∶1∶1，現配現用）。

1. 2 土壤抗侵蝕性試驗

1. 2. 1 供試土壤 在廣西都安縣地蘇鎮拉棠村喀斯特灌木林下采集0～20 cm土壤作為供試土壤，土壤類型為石灰土，基本物理性質見表1。供試土壤經風干碾碎并過5 mm篩備用。

1. 2. 2 試驗處理 水土保持劑各配方均為現配現用。分別將制備的水土保持劑按3∶100拌入供試土壤，并充分混合均勻，然后將供試土壤平鋪于2.00 m×1.00 m×0.25 m的長方形PVC箱內，土層厚度20 cm，鋪好土后均勻灑水（3 L/m2），并用薄膜覆蓋2 d；PVC箱一端底部設有凹型集水槽，用于收集徑流。將PVC箱無凹型槽的一端墊高，使箱內土面形成18°坡度，開始進行人工降雨試驗。同時以未施用任何水土保持劑為對照處理（CK）。每處理3次重復。

1. 2. 3 人工降雨試驗 采用自制的人工模擬降雨系統進行模擬降雨（蘇曉琳，2014），降雨高度5.0 m，降雨總量30 mm，降雨歷時60 min，雨滴直徑0.5～2.5 mm，降雨均勻度75%～91%。供試土壤初始水含量20.3%。人工模擬降雨結束后自然風干5 d，用環刀采集PVC箱內土樣，用于土壤物理性質測試分析。

1. 2. 4 徑流量與侵蝕量測定 人工模擬降雨開始后，以1000 mL的塑料燒杯置于凹型槽出水口收集徑流，每10 min更換一次燒杯，然后用量筒測量徑流體積，并保存所有徑流用于泥沙含量分析。含有泥沙的徑流先6000 r/min離心5 min，棄上清液，剩余泥沙與渾濁液于102 ℃烘箱烘干后稱重。

1. 3 統計分析

采用Excel 2010對試驗數據進行整理，再以SPSS 13.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2. 1 不同配方水土保持劑對供試土壤物理性質的影響

由表1可知，除配方A外，其余配方的水土保持劑對土壤物理性質均有明顯影響。其中，配方B、C、D、E和F均極顯著降低土壤容重及增加土壤最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度（P<0.01，下同），且以添加有稻草的配方（C、E、F）變化最明顯，其土壤容重比CK約降低14.0%，總孔隙度約增大13.0%，最大持水量約增加31.0%。

2. 2 不同配方水土保持劑對人工降雨產流的影響

由圖1可以看出，不同處理土壤在不同時間段的產流量存在明顯差異，且各處理的地表產流量均隨人工降雨時間延長而逐漸增加，在人工降雨21 min后，其產流量增幅最大，比11～20 min階段增加了3～5倍，而后每10 min的產流量會比前10 min增加5%～15%，在降雨的最后階段（51～60 min）地表產流量達最大值（642～801 mL）；降雨停止后，地表產流仍持續5～8 min，產流量為257～448 mL。

不同處理間的累積產流量也存在明顯差異（圖2），其中以配方A的累積產流量最高（3307 mL），極顯著高于其他處理，其產流量在降雨過程的各階段也是最高，但在人工降雨停止后產流量最少（圖1），說明配方A水土保持劑對土壤的持水效果最差。配方C的累積產流量（2631 mL）極顯著低于其他處理組，僅為配方A的79.6%；配方E和F的累積產流量也較低，分別為2697和2716 mL，均極顯著低于CK和配方A。

2. 3 不同配方水土保持劑對土壤侵蝕的影響

由圖3可以看出，除41～50 min階段的配方B外，在各人工降雨階段，添加水土保持劑的土壤侵蝕量均顯著低于CK（P<0.05），表明水土保持劑具有良好的土壤保持作用。在人工降雨過程中，各處理的土壤侵蝕量與其產流量密切相關，侵蝕量均隨產流量的增加而增加，土壤侵蝕主要發生在21～60 min階段，說明在相同條件下（同一處理），降低產流量能有效降低土壤侵蝕量。

由圖4可以看出，6種配方的水土保持劑均能極顯著減少土壤侵蝕，比CK分別降低了37.4%、26.1%、32.6%、47.5%、50.0%和55.9%。不同配方水土保持劑的土壤保持功能也存在明顯差異，其中以配方B的侵蝕量最高，其次為配方C，而配方F最低，前兩者分別為后者的1.68和1.53倍，其差異達極顯著水平。可見，添加硅酸鹽黏合劑及植物性材料均能提高土壤的抗侵蝕能力，且硅酸鹽粘合劑的作用效果優于植物性材料；同時添加木糠、稻草和硅酸鹽黏合劑（配方F）對提高土壤抗侵蝕功能效果最佳。

3 討論

本研究結果表明，植物性材料（木糠、稻草等）的添加能使土壤容重降低、孔隙度增大，有利于水分入滲，且植物材料孔隙度大、持水量大，尤其是稻草，進而有效減少地表產流量。沈穎等（2013）也曾研究發現，添加少量（<0.3%）的植物纖維雖不能顯著降低土壤容重，但可有效提高土壤的保水性能。稻草具有較強的吸水性（陳曦等，2009），因此施用大量稻草可降低地表徑流量和土壤侵蝕量（盛良學等，2006）。本研究中，配方B、C、D、E和F的水土保持劑均能顯著改善土壤物理結構，促進土壤水分入滲，可能與其添加有機物量較多（>1.0%）有關（左廣玲等，2010），但與農作物秸稈還田相比（盛良學等，2006；劉紅江等，2010），本研究配制的水土保持劑對土壤物理結構的改善作用相對有限。由于稻草纖維比較細長，在土壤中能起到土壤編織和連接作用，因此其土壤保持功能較木糠強；而木糠的添加能增加土壤的抗濺蝕能力和雨滴緩沖能力，并降低雨滴動能。植物性材料的添加促進了土壤水分入滲，減少地表徑流，進而降低表面流對土壤的切割和沖刷，起到保水保土作用。

硅酸鹽黏合劑能有效增加土壤顆粒間的黏合度，土壤顆粒間的連接變緊密、大孔隙減少，土壤水分下滲阻力增加，而導致其地表產流量有所增加（陳義群和董元華，2008）。本研究結果表明，在6個配方中以配方A的累積產流量最高（3307 mL），極顯著高于其他配方，其產流量在降雨過程的各階段也最高，但在人工降雨停止后產流量最少，說明該水土保持劑對土壤的持水效果最差。添加硅酸鹽黏合劑和植物性材料均能提高土壤抗侵蝕能力，其中硅酸鹽黏合劑是通過增強土壤顆粒間的黏結作用，有利于土壤團聚體的形成；植物性材料則是通過其植物纖維起到土壤編織和連接作用?？梢姡杷猁}黏合劑、稻草和木糠配合使用，能充分發揮出各自的土壤保持功能，且以配方F的水土保持功能最強，即硅酸鹽黏合劑、木糠（加適量甘油）、稻草（加適量甘油）按2∶1∶1比例進行配制。

4 結論

硅酸鹽黏合劑、稻草和木糠配合使用能充分發揮出各自的土壤保持功能，且硅酸鹽黏合劑、木糠（加適量甘油）、稻草（加適量甘油）按2∶1∶1比例進行配制的配方水土保持功能最強。

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（責任編輯 鄧慧靈）