土壤斥水性的產生原因及改良方法淺析

趙潔麗，丁繼輝，金 秋

(1.江蘇圣泰環境科技股份有限公司，江蘇 南京 211106； 2.南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

土壤斥水性是指某些土壤不能或者很難被水分濕潤的現象[1]。強土壤斥水性會延緩或阻止自然降水或灌溉水進入土體，導致土體內水分分布不均，降低作物土壤水分利用效率；同時還會增加地表徑流流量，帶來一系列環境問題[2-3]。過去若干年里，眾多研究者從土壤斥水性產生的原因、土壤斥水性的定量測定方法及土壤斥水性的改良方面開展了大量工作[4-7]，然而對各種改良方法的優缺點進行比較的研究較少。為此，本研究從土壤斥水性的產生機理出發，論述現有各種改良方法的利弊，以期為區域土壤斥水性改良和水土資源保護提供理論參考。

1 土壤斥水性產生的原因

1.1 斥水性有機物的來源

土壤中的斥水性有機物是土壤產生斥水性的根本原因，它主要由一些蠟質、樹脂和芳香烴類化合物組成[2]。自然條件下，土壤斥水性有機物的含量主要與植被類型有關，松科松屬(Pinus)、桃金娘科桉屬(Eucalyptus)、杜鵑花科越橘屬(Vaccinium)、禾本科剪股穎屬(Agrostis)及殼斗科(Fagaceae)的植物都能分泌大量斥水性物質。這些植物一方面可通過凋落物增加表層土壤斥水性有機物的含量，另一方面也可通過根際分泌物使斥水性物質直接進入深層土壤。在人為條件下，土壤斥水性有機物的含量主要與灌溉、施肥及噴灑農藥等農業管理措施有關。污水灌溉過程中，大量斥水性有機物隨灌溉水進入土壤，從而顯著增加了土壤斥水性[8]。有機肥和部分農藥本身就含有大量斥水性有機物，施用過程中由于土壤本身的固定作用可導致土壤斥水性物質含量的增加[9]。

1.2 斥水性有機物的積累

斥水性有機物進入土壤后，其保存和積累主要受到土壤微生物活動的影響。土壤斥水性有機物質中的蠟質、樹脂及芳香烴類化合物一般都有較高的碳氮比，這使得這類斥水性有機物較難被土壤生物利用，有利于其在土壤中積累和長期保存[1]。土壤中生物的活性主要受土地利用方式、管理方式、氣候及其他土壤條件影響，外界條件改變導致土壤生物活性降低將減緩斥水性有機物的分解。例如：外界條件導致的土壤中細菌真菌數量比、蚯蚓等腐生生物的數量與活性變化均會影響斥水性有機物量的積累。試驗發現土壤斥水性與土壤中真菌活性顯著相關[10]，而土壤碳氮比可能是影響土壤斥水性強弱的關鍵因子[11]。

2 斥水性土壤改良方法

土壤斥水性的改良方法可分為化學方法、物理方法和生物方法三大類。按改良機理又可分為“治標”和“治本”兩類?！爸螛恕笔侵覆豢紤]斥水性產生的原因，通過改變外界條件或是添加土壤改良劑去緩解土壤斥水性。“治本”是指通過減少斥水性有機物的投入或是促進土壤中斥水性有機物的分解來降低土壤斥水性。各種改良方法的優缺點見表1。

2.1 化學方法

化學方法可分為“治標”調節劑法和“治本”改良劑法兩大類?！爸螛恕闭{節劑主要包括表面活性劑、增濕劑、土壤調節劑三大類。調節劑主要的有效成分都是兩親分子，同時含有親水基團和斥水基團，因此可以降低斥水性有機物對水分的排斥作用，促進土壤水分與土壤顆粒結合?！爸伪尽备牧紕┲饕ㄊ┯灭ね恋V物、石灰、真菌抑制劑及緩釋肥料。黏土礦物具有較大的比表面能，施入土壤能夠對斥水性有機物產生較強的包裹作用，加上其自身的親水性，一般具有較好的斥水性改良效果。石灰通常能夠增加土壤微生物生物量及其活性，促進斥水性有機質的分解。有研究表明，當石灰用量在3～15 t/hm2時，土壤斥水性的改良效果會隨著石灰用量的增加而增強；但也有研究表明大面積施用石灰存在降低土壤有機質及增加土壤溫室氣體排放的風險[12]。理論上講，真菌抑制劑能夠抑制真菌活性，減少真菌分泌斥水性有機物的數量，然而在田間條件下投入高、效果不穩定，并存在環境風險。緩釋肥料能夠持續調節土壤碳氮比及營養元素組成，促進斥水性有機物質的分解，然而其對環境條件要求較高，僅在室內模擬條件下取得了極顯著的效果，在田間試驗條件下效果并不顯著[13]。

表1 土壤斥水性改良方法的優缺點分析

2.2 物理方法

物理方法主要包括灌溉、耕作和物理壓實三種。勤灌是緩解表層土壤斥水性最有效的措施之一。研究表明，對于高強度利用下的土壤和泥炭土壤而言，減少單次灌溉量、增加灌溉次數能夠使得表層土壤含水率始終保持在斥水性臨界值以上，進而促進作物生長[14]。相比普通溝灌和噴灌，滴灌方式在緩解土壤斥水性方面具有更佳的效果[15]。耕作措施一般能夠增加土壤的通氣性，促進微生物活動，加快斥水性有機物的分解。此外，斥水性有機物一般分布在土壤表層，深翻耕能夠在土體垂直方向上產生置換作用，因此能夠顯著降低表層土壤的斥水性。耕作措施對土壤斥水性的改良效果還受到氣象條件和土壤類型的影響。陳俊英等[16]的研究結果表明，對斥水性土壤進行翻耕處理的物理方法可以暫時消除土壤的斥水性，但斥水性又會在灌溉一段時間后重新出現，經過多次翻耕可有效地消除土壤的斥水性，消除效果與翻耕次數、時長和翻耕深度呈顯著的正相關關系。翻耕法對黏性土壤的改良效果明顯好于砂質土壤。耕作措施對新開墾的強斥水性土壤改良效果最為顯著，但耕作措施在潮濕多雨的條件下對土壤斥水性影響較小[17]。模擬研究表明，物理壓實對粉壤土的斥水性具有顯著的改良效果[18]，但由于壓實作用本身對土壤結構存在較大的破壞作用，因此該方法并無實用價值。

2.3 生物方法

土壤斥水性改良最直接的方法是促進土壤中斥水性有機物分解，因此研究者多以斥水性蠟質材料為基質篩選出土壤斥水性改良的功能性微生物菌群。按照分離出的微生物菌群特征可以將其分為兩個大類：一類具有斥水性細胞膜(如鏈霉菌屬的和分枝桿菌屬的部分物種)，另一類能夠產生生物表面活性劑(如紅球菌屬部分物種)[19]。雖然上述兩類微生物菌群在實驗室條件下對土壤斥水性的改良均有顯著效果，但菌劑在田間應用過程中仍然存在諸多限制，改良效果并不穩定。主要原因在于復雜的野外環境條件限制了功能菌群活性，無法達到分解斥水性有機質的目的。有研究表明，菌劑與石灰或是有機肥配合施用的情況下對土壤斥水性的改良效果最佳[20]，但與單一施用石灰或是有機肥措施相比提升效果并不明顯，且微生物菌劑生產所需的經濟成本較高，田間推廣價值受限。除微生物菌劑外，蚯蚓等原生動物也曾被嘗試用于土壤斥水性改良。以蚯蚓為例，其改良機理主要體現在以下幾個方面：一是蚯蚓本身的活動能夠增加土壤大孔隙數量，改良土壤通透性；二是蚯蚓的活動有利于斥水性較強的表土與斥水性較弱的心土混合，從而緩解土體的斥水性；三是蚯蚓生活過程中會產生大量蚓糞，蚓糞本身可以促進微生物活動，加速斥水性有機物的分解。

3 主要結論

盡管對土壤斥水性的產生原因及其危害的研究已有近百年的歷史，然而土壤有機質轉化過程的復雜性和土壤田間狀況的不確定性，使得人們對土壤斥水性的發生機理與過程尚未完全搞清楚。根據現有研究成果分析得出如下結論：斥水性有機物是土壤斥水性產生的根本性原因，影響土壤斥水性有機物量的消長是斥水性土壤改良效果的關鍵所在。在土壤斥水性改良方法選擇過程中應兼顧土壤質地、土壤結構、土壤肥力及環境的影響；長期效果與短期效果兼顧，以及化學、物理與生物方法相結合可能是土壤斥水性改良技術發展的方向。

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[作者簡介] 趙潔麗(1982—)，女，寧夏平羅縣人，工程師，碩士，主要從事水土環境保護及污染物調控對策方面的研究。

[收稿日期] 2017-10-15