沼液施用對設施土壤飽和導水率的影響

鄭 健，殷李高，馮正江，李欣怡，馬 彪

(1.蘭州理工大學西部能源與環境研究中心，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

土壤飽和導水率是指土壤全部孔隙都充滿水情況下，在單位水勢梯度作用下，通過垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量或滲流速度[1]。土壤飽和導水率是計算土壤剖面中水的通量和設計灌溉、排水系統工程的一個重要土壤參數[2,3]。目前，國內外對于土壤飽和導水率的研究多集中在測定方法和模型預測方面，對于影響土壤飽和導水率因素的研究主要集中在土壤有機質含量[4,5]、土壤孔隙度[6]、土壤容重[7-9]、土壤溫度[10]、土壤初始含水率[11]、土壤pH值[12]、保水劑添加[13]、測定時間[14]、空間變異[15-17]及水質[18]等方面。但上述研究均未考慮作物種植的條件下混合灌溉介質對土壤飽和導水率的影響，尤其是在作物全生育期采用沼液灌溉條件下作物根系不同土層深度土壤飽和導水率的研究更少。

沼液是人畜糞便、秸稈等有機物經過厭氧發酵后產生的殘留物，是一種養分全面、速緩肥效兼備的優質有機肥料，沼液施用后能夠提高作物的產量品質，改善作物根區土壤環境[19,20]，使得其在農業生產中的應用越來越廣泛[21-24]。但目前對于沼液灌溉所采用的方式普遍較為粗放，且多為水、沼分離灌溉，從灌溉技術和灌溉制度上缺乏科學的理論指導，而土壤飽和導水率是制定合理灌溉制度的重要參數之一。同時，本課題組在沼液入滲研究中發現隨土壤容重和沼液配比增加，沼液入滲速率減小，累積入滲量也隨之降低，并初步明確了影響沼液入滲的主要因素為土壤理化特征和沼液黏度以及沼液所含有的有機懸浮顆粒含量[25]。但對于作物施用沼液后根區土壤飽和導水率的變化情況還未見到相關研究。

基于此，采用變水頭滲透試驗的方法，研究全生育期沼液灌溉對番茄根區不同土層深度土壤飽和導水率的影響，并從土壤pH值、土壤容重、土壤總孔隙度、土壤機械組成、土壤初始含水率和土壤有機質含量等因素的變化規律分析沼液灌溉對土壤飽和導水率的影響機理，為獲得合理的沼液配比、制定合理的沼液灌溉制度及灌溉模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2017年8-9月份在蘭州理工大學水利水電工程研究所實驗室內(36°06′N，103°78′E)進行。實驗室位于一層，層高6 m、空間較大，且安裝有空調，在試驗周期內能夠保持溫度變化±2 ℃，故可不考慮溫度對土壤飽和導水率的影響。

1.2 研究方法

1.2.1 供試土壤

供試土樣取樣地位于甘肅省蘭州市七里河區魏嶺鄉綠化村的設施蔬菜水肥一體化示范點的溫室大棚。待種植作物試驗結束，選取不同處理番茄植株根系不同土層深度(0～40 cm)的原狀土，用兩種不同規格的環刀(一種為內徑61.8 mm、高40 mm；一種為內徑50 mm、高51 mm)分別在同一土層剖面取三個土樣備用(用于重復試驗處理)。具體作物試驗期間的沼液施用情況見表1。

表1 沼液不同配比及不同灌溉量Tab.1 Different proportions of biogas slurry and different irrigation amount

注：W=Kc×A×Ep；Kc為作物-皿系數；A為小區面積，本試驗中為30 cm×50 cm，Ep為蒸發皿蒸發量。

1.2.2 供試沼液

試驗用的沼液取自蘭州市花莊鎮的甘肅荷斯坦良種奶牛繁育中心正常發酵、正常產氣的沼氣池中，經曝氣靜置2個月，待其理化性質穩定后施用，該沼氣工程以牛糞為發酵原料。沼液原液pH值為7.23，養分狀況為有機質10.75 g/L，全氮含量為1.036 g/L，全磷含量為0.533 g/L，全鉀含量為1.186 g/L，試驗前將沼液靜置2個月，待其理化性質穩定后，用4層紗布(32目)過濾掉沼液中較大的懸浮顆粒備用。

1.2.3 試驗設計

試驗采用變水頭滲透試驗的方法，用純水測定在試驗大棚所取的不同處理的土樣的土壤飽和導水率。具體試驗組別分類與大棚試驗沼液施用分類一致，試驗設置了T1到T5以及C0和CK對照等7個大組試驗，每組試驗重復三次，取平均值作為試驗結果。T1到T5處理均為沼液施用過后的番茄根區土樣，不同沼液配比(沼液∶水，1∶4、1∶6和1∶8，體積比)和灌溉量(0.6Ep、0.8Ep和1.0Ep，Ep為兩次灌水間隔蒸發皿累計蒸發量)；C0處理為灌溉量0.8Ep的純水施用后的番茄根區土樣；CK處理為試驗大棚內未經過任何耕作處理的土樣作為對照分析處理。

1.3 測定項目與方法

規格為內徑61.8 mm、高40 mm的環刀取樣采用變水頭法用純水測定土壤飽和導水率(結果換算成10 ℃下的土壤飽和導水率)[26]；規格為內徑50 mm、高51 mm的環刀取樣用來測土壤干容重、初始含水率、有機質、土壤機械組成、孔隙度、pH值等。其中，土壤容重用環刀法測定[27]；土壤初始含水率測定采用烘干法測定(105 ℃，8 h)[28]；土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法[29]；土壤機械組成采用比重計法(0～60 cm甲種比重計)測定[30]；土壤pH值采用pH計電位法測定(PHS-25型便攜式pH計，上海雷磁)。

1.4 數據處理

采用SPSS20.0軟件對土壤飽和導水率與土壤物理因子的關系進行多元逐步回歸分析，試驗圖表繪制均采用Origin9.0、Excel2017軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 沼液施用對土壤pH值的影響

由表2可知：①沼液灌溉條件下各土層pH值均小于C0和CK處理，且隨著土層深度的增加各處理土壤pH值均有降低的趨勢，其降低幅度為1.25%～3.75%(P<0.05)；②不同沼液配比和灌溉量的沼液灌施以后土壤pH值在各土層降低的變化規律呈T3>T2>T4>T5>T1，即相同灌溉量下，隨著沼液配比增大，對土壤pH值的降低作用也越逐漸增強，而在相同沼液配比條件下，隨著灌溉量的增加土壤pH值也逐漸下降；③純水處理表層土壤(0-20 cm)的pH值略有下降。說明灌施沼液有利于土壤pH值的降低，可為溫室土壤的次生鹽漬化防治提供新思路。

表2 不同土層深度pH值Tab.2 pH value of different depth of soil layer

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的顯著性差異(Duncan檢驗)。

2.2 土壤有機質與土壤飽和導水率的關系

從表3中可以看出土壤有機質與沼液配比及沼液灌溉量呈正相關關系，即土壤有機質含量隨沼液配比以及沼液灌溉量的增加而增大；CK和C0處理的土壤有機質含量隨土層深度增加而出現下降趨勢；沼液處理后的土壤有機質含量隨土層深度增加呈拋物線趨勢，在10～20 cm出現峰值，當土層深度大于20 cm，土壤有機質含量出現下降趨勢。

為進一步探明土壤有機質含量和土壤飽和導水率之間的關系，對其進行了數據擬合，如圖1所示。結果表明，在0～40 cm土層內，各處理的土壤有機質含量和土壤飽和導水率的關系呈二次曲線關系(R2=0.821 0，p<0.01)，閾值出現在土壤有機質含量為18.51 g/kg時，飽和導水率達到最高值0.073 6 cm/min；當有機質含量小于18.51 g/kg時，土壤飽和導水率隨土壤有機質含量增加而增大，當有機質含量大于18.51 g/kg時，土壤飽和導水率呈下降趨勢。

表3 不同土層深度的土壤有機質含量 g/kg

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的顯著性差異(Duncan檢驗)。

圖1 有機質與土壤飽和導水率的關系Fig.1 Relation between organic matter and saturated water conductivity of soil

2.3 不同處理對土壤物理指標的影響

2.3.1 土壤容重

從表4中可以看出，隨土層深度增加土壤容重呈上升的趨勢，相對C0和CK處理，各施用沼液處理土壤容重均有所降低，降低程度呈T3>T2>T4>T1>T5，降低幅度在2.13%～8.97%之間(P<0.05)，表明沼液配比越大、灌溉量越大，降低容重的幅度越大；C0處理的土壤容重較CK有所增大，增幅在2.07%～2.90%之間(P<0.05)。表明施用沼液可以適度降低土壤容重，而純水灌溉會增加土壤容重，這與王建東[31]等的研究結果相同。

表4 不同土層深度容重值 g/cm3

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的顯著性差異(Duncan檢驗)。

2.3.2 土壤顆粒機械組成

從表5中可以看出，砂粒含量隨土層深度增加呈上升的趨勢，粉粒含量隨土層深度呈現先降低后增加的趨勢，而黏粒的含量隨土層深度呈現先增加后降低的趨勢，閾值均出現在土層深度10～20 cm；由表5中T1、T2和T3處理可知，在相同沼液配比的條件下，粉粒和黏粒含量與沼液灌溉量呈正相關關系，粉粒和黏粒含量隨沼液灌溉量的增加而增加，而砂粒含量和灌溉量呈負相關關系，砂粒含量隨沼液灌溉量的增大而減小；由表5中T2、T4和T5處理可知，在相同沼液灌溉量的條件下，黏粒含量與沼液配比呈正相關，黏粒含量隨沼液配比量的增加而增加，而砂粒含量與沼液配比負相關關系，砂粒含量隨沼液配比量的增大而減小；與CK相比，在施用純水以后，黏粒含量和粉粒含量呈上升趨勢，砂粒呈下降趨勢。

2.3.3 土壤總孔隙度

從表6中可以看出，①土壤總孔隙度與土層深度呈負相關，即隨著土層深度增加總孔隙度呈下降趨勢；②由T1、T2和T3處理可知，相同沼液配比的條件下，不同土層深度土壤總孔隙度與沼液灌溉量呈正相關關系，不同土層深度土壤總孔隙度隨沼液灌溉量的增大而增加；由T2、T4和T5處理可知，相同沼液灌溉量的條件下，不同土層深度土壤總孔隙度與沼液配比呈正相關關系，不同土層深度土壤總孔隙度隨沼液配比量的增大而增加；③與CK相比，C0處理各層土壤總孔隙度均有所下降，說明灌純水會導致不同土層深度土壤總孔隙度下降。

表5 不同土層深度的土壤顆粒機械組成 %

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的顯著性差異(Duncan檢驗)。

表6 不同土層深度土壤總孔隙度 %

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的顯著性差異(Duncan檢驗)。

2.3.4 土壤含水率

從表7中可以看出，不同土層深度的土壤含水率與施用沼液配比無關，與沼液灌溉量呈正相關關系，沼液灌溉量越大，土壤含水率越高；與CK相比，CK組土壤初始含水率隨土層深度呈現自上到下的增加趨勢，而施用沼液和純水的各處理，土壤含水率隨土層深度呈現出先增大后減小的拋物線趨勢，主要表現為：在0～20 cm之間先逐漸增加，閾值出現在10～20 cm，過了閾值以后出現下降趨勢，在20～40 cm之間逐漸減少。

表7 不同土層深度的土壤含水率 %

注：a，b，c等不同字母表示P=0.05水平下的顯著性差異(Duncan檢驗)。

2.4 土壤剖面飽和導水率變化特征

由圖2所示，在垂直剖面上，土壤剖面的飽和導水率均隨土壤深度的增加而下降；相對于CK沼液灌溉以后的土壤飽和導水率均呈上升趨勢，而純水灌溉后的土壤飽和導水率較CK處理略有下降；T3處理平均飽和導水率最大，C0處理最小，各沼液處理的平均土壤飽和導水率與沼液配比以及灌溉量呈正相關關系，即隨沼液配比和沼液灌溉量的增大，平均土壤飽和導水率增大。

圖2 不同處理的沼液灌溉下土壤剖面飽和導水率的比較Fig.2 Comparison of saturated hydraulic conductivity of soil profiles under different treatments of biogas slurry irrigation

2.5 土壤因子對土壤飽和導水率的影響

土壤因子之間存在著交互作用，單一的土壤因子對土壤飽和導水率的影響只能表明其在其他土壤因子不變化的情況下的變化規律，并不能準確的反映實際情況下土壤飽和導水率與土壤因子之間的真實關系[32]。Hendry等[33]的研究表明土壤飽和導水率與土壤容重、土壤質地和孔隙度關系密切。砂、粉、黏粒含量變量總和為1，其中只有兩個變量是獨立的，故本文回歸分析選用影響土壤飽和導水率較大的砂粒和黏粒因子；土壤含水率雖對土壤飽和導水率會有影響，但受季節和氣象條件變化較大，故本文回歸分析不選用；總孔隙度可根據土壤容重和比重進行計算，因此容重和總孔隙度這兩個變量是不獨立的，分析時只取其一，故本文回歸分析不選用總孔隙度。由表8可見，除黏粒與土壤飽和導水率相關性不顯著外(p=0.244)。其他土壤因子與土壤飽和導水率均呈顯著相關(p<0.01)，其相關系數的大小順序為土壤容重>砂粒含量>土壤有機質>土壤pH值>黏粒含量。為了充分反映土壤因子與土壤飽和導水率之間的真正關系，選擇以下砂粒含量X1，黏粒含量X2，土壤容重X3，土壤有機質X4和土壤pH值X55個因素作為自變量因子，選取飽和導水率作為因變量Y，采用多元逐步回歸分析，篩選出影響土壤飽和導水率的相對重要因子，結果為：

Y=0.742-0.952X3+0.01X4-0.176X2

通過檢驗，F=7.634>(F0.01=3.13)，R2=0.961，P<0.001，說明回歸方程達到極顯著水平，結果說明土壤容重、黏粒含量和土壤有機質是影響土壤飽和導水率的主要因子。

表8 土壤理化因子與土壤飽和導水率之間的相關分析Tab.8 Correlation analysis between soil physicochemical factors and saturated hydraulic conductivity of soil

注：*表示在P=0.01水平上相關性顯著。

表9說明了主要土壤因子對土壤飽和導水率的直接作用和間接作用的方向及大小(Durbin-Waston統計量等于1.84，接近于2)。土壤飽和導水率與其主要相關因子的直接通徑系數絕對值為土壤容重>土壤有機質含量>黏粒含量。土壤容重的直接通徑系數為-0.800，對土壤飽和導水率產生直接的負效應最強，同時又通過黏粒含量和土壤有機質含量間接對土壤飽和導水率產生一定的負效應；土壤有機質含量對土壤飽和導水率產生的直接正效應最強，直接通徑系數為0.313，同時又通過土壤容重和黏粒含量間接對土壤飽和導水率一定的正效應。

表9 土壤主要因子對土壤飽和導水率的通徑系數Tab.9 Path coefficient of soil main factors on saturated hydraulic conductivity of soil

3 討 論

土壤pH值能夠客觀反映土壤酸堿程度。設施栽培中土壤鹽分積累是最突出的問題，也是最大的土壤障礙因子[34]。土壤飽和導水率高，導水性能好，土壤鹽化和堿化程度均會降低[35]，同時，農明英[36]等的研究表明采用外源有機物料能夠有效降低土壤全鹽含量和電導率，對改良溫室大棚土壤的次生鹽漬化有顯著作用。本研究中灌施沼液各處理均能夠降低試驗區內不同土層深度土壤的pH值，也再次證明了上述結論。同時，研究中還發現隨著沼液配比和灌溉量的增加，降低土壤pH值的能力會逐漸增強，而純水灌溉僅略微降低了土壤pH值，主要是沼液中富含多糖和腐殖酸這些弱酸性功能團不僅能降低堿性土壤的pH值，還能提高土壤對酸堿度變化的緩沖性能[37]，且隨沼液配比和灌溉量增加，多糖和腐殖酸的量增大，中和土壤pH的能力越強，而純水灌溉是將測定土壤中的鹽分帶到土體的深層，從而導致表層土壤pH值的下降。因此，在溫室大棚次生鹽漬化土壤的改良中可以考慮采用沼液。

土壤容重、機械組成、總孔隙度和土壤含水率等物理性質的變化會影響土壤飽和導水率。趙曉艷等[38]研究表明有機肥中里含有大量的微生物，而微生物能夠分解土壤中的有機物產生多糖膠、脂肪、蠟等物質能起到膠結作用，達到改善土壤團粒結構，從而降低土壤容重，提高總孔隙度。本研究的試驗結果表明沼液作為一種優質的有機肥，施用也能降低試驗區土壤容重，增大試驗區土壤總孔隙度，這與楊樂[39]和侯東梅[40]等的研究相同；此外沼液施用會使作物根系越來越發達，根系對土壤的穿插分割作用使土體碎裂，能降低土壤緊實度，根系死亡后分解會使土壤孔隙增加[41]，并且隨著作物的生長形成的凋落物和根系死亡后形成的有機質進入土壤有利于降低土壤容重；同時隨著作物的生長會使土壤微生物類群數量增加[42]，分解代謝活動加強，利于降低土壤容重和提高孔隙度。土壤飽和導水率與土壤砂粒含量呈極顯著正相關關系，與土壤黏粒含量之間呈顯著負相關[43]。研究結果表明隨著土層深度的增加，砂粒含量逐漸增加，此外不同土層砂粒含量隨沼液灌溉量的增加而降低，粉粒和黏粒含量隨沼液配比量的增加而增加，這是因為隨著沼液灌溉量的增加會使作物根系微生物活動和酶促反應變得活躍，從而產生較多的有機酸，溶解土壤中的黏土礦物，使土壤顆粒變細，利于提高粉粒和黏粒含量，減低砂粒含量[32]，此外因為沼液灌溉淋溶作用沿剖面向下層移動，在20 cm土層形成淀積層，故黏粒含量閾值出現在0～20 cm土層。賈小旭等[44]的研究表明單因素中基于土壤飽和導水率的土壤含水率模擬效果最佳，可以通過土壤含水率的變化反映土壤飽和導水率的變化情況。本研究中不同土層深度的土壤含水率大小與施用沼液配比大小無關，而與沼液灌溉量呈正相關，且土壤含水率與土壤飽和導水率呈正相關，表明通過沼液灌溉量的變化能夠影響不同土層深度的土壤土壤飽和導水率。

有機質能吸附較多的陽離子，使土壤具有較高的保肥性和緩沖性，同時還能疏松土壤，有利于土壤結構體的形成[19]，故與單純灌水相比，灌施沼液不僅能夠大幅度增加土壤有機質含量，還能改善土壤物理性能，從而影響土壤飽和導水率。同時，有機質對土壤飽和導水率的影響受閾值影響，高于閾值時，土壤飽和導率呈下降趨勢，土壤有機質含量和土壤飽和導水率的關系呈二次曲線關系，出現了有機質含量閾值，這與單秀枝、彭舜磊和梁向峰等人的研究結果一致[4,32,45]。說明土壤有機質在一定范圍內提高了土壤飽和導水率，但是當土壤有機質含量達到一定值以后，土壤有機質含量對土壤水分的吸附作用將大于增加孔隙度的導水作用，從而降低土壤的入滲性能[4]。

4 結 論

(1)隨著土層深度的增加各沼液灌溉處理土壤pH值均有所降低，隨著沼液配比增大和灌溉量的增加，對土壤pH值的降低作用逐漸增強。

(2)施用沼液可以降低土壤容重，增大土壤總孔隙度；不同土層砂粒含量隨沼液灌溉量的增加而降低，粉粒和黏粒含量隨沼液配比量的增加逐漸增大，說明合理的沼液灌溉量和配比能夠通過改善土壤機械組成來提高土壤飽和導水率；土壤容重和黏粒含量以及土壤有機質含量是影響試驗區土壤飽和導水率的主要因子。

(3)不同土層深度的土壤含水率與施用沼液配比大小無關，與沼液灌溉量呈正相關關系；沼液灌溉以后的土壤飽和導水率均有上升趨勢，而C0處理土壤飽和導水率較CK略有下降；各處理的平均土壤飽和導水率與沼液配比和灌溉量呈正相關關系，T3處理平均土壤飽和導水率最高。

(4)土壤有機質與沼液配比及沼液灌溉量呈正相關關系，各沼液處理的土壤有機質和飽和導水率的關系符合二次曲線，有機質對土壤飽和導水率提高的閾值為18.51 g/kg，高于閾值時，飽和導水率呈下降趨勢。

綜合考慮沼液對土壤物理性質和土壤飽和導水率的影響，建議最優沼液配比和灌溉量為T2處理(1∶4，0.8Ep)，但是其長期施用效果還有待于進一步驗證。此外，由于根系具有一定的直徑、長度和表面積等特性，根系生長過程必然會對其所在土體的土壤孔隙以及試驗取土造成影響，后續研究還應更多的分析根系對土壤物理特性的影響。