腐殖酸對濱海黏質鹽土持水性能的影響

郭同鎧，毛偉兵，孫玉霞，夏立娟

（山東農業大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018）

0 引 言

黃河三角洲是我國東部沿海土地后備資源最多的地區，區內未利用土地5.01×105hm2，約占山東省未利用土地面積的 33%。受自然環境等多因素影響，區域內鹽堿土占總面積的 31.14%，特別是濱州、東營等地，鹽堿土總面積超過 50%[1-2]。黏質鹽土是黃河三角洲地區最重要的土壤類型，各類黏質鹽土占黃河三角洲鹽堿土總面積的42.16%[3-4]。土地退化、土壤鹽堿化、生態環境惡化等多種資源環境問題交織的嚴峻局面，嚴重影響黃河三角洲高效生態經濟區建設和可持續發展。王睿彤等[5]通過研究土壤改良劑對黃河三角洲鹽堿土的生化特性得出：牛糞、石膏和秸稈改良效果明顯。盧星辰等[6]通過研究不同改良材料對黃河三角洲鹽堿土改良效果，確定了蚯蚓糞、脫硫石膏、沸石和糠醛渣配施改良效果明顯。侯亞玲等[7]通過研究枯草芽孢桿菌對鹽堿土水分運動的影響，得出枯草芽孢桿菌可以有效降低土壤水分運動?？紫榍宓萚8]通過研究生物炭對鹽堿土理化性質的影響，明確生物炭可以提高土壤滲透速率，提高土壤水分運動性。同時，蚯蚓柱、硫酸鋁等也是優質改良材料[9-10]。Abel等[11]研究了生物炭對土壤持水能力的影響，得出生物炭可以保持土壤水分。腐殖酸是自然界中一類芳香稠環聚合程度不同的含雜環有機化合物,具有改良土壤，增加土壤有機質，提高土壤肥力的功能。然而目前國內外鮮有針對腐殖酸改變土壤持水性能的相關研究，特別是針對黏質鹽土的報道。本研究通過探討不同腐殖酸配比下黏質鹽土持水性能變化，旨在揭示腐殖酸對黏質鹽土持水性影響規律，同時為黏質鹽土改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗用土取自山東省濱州市陽信縣水落坡鄉洼里趙村（37°35′22″N，117°59′46″E），腐殖酸基礎材料來自山東農大肥業科技有限公司。將風干鹽堿土和腐殖酸按照試驗設計質量進行稱量，試驗設計體積質量模擬田間土壤體積質量為1.49 g/cm3，土和腐殖酸總質量不變，腐殖酸配比按0、450、3 600 kg/hm2進行混合，壓制成高1 cm、直徑5 cm的土餅于環刀。試驗共9組，分別按T0—T8編號，每組3次重復，具體配比如表1所示。黏質鹽土加入腐殖酸后進行恒溫箱30 ℃培養40 d后，采用1500F1型壓力膜儀測定各組處理土壤水分特征曲線。土壤含水率由烘干法測定。飽和導水率由KSAT飽和導水率儀測定。土壤蒸發試驗使用直徑20 cm、高10 cm的圓柱形PVC管，將土壤按照體積質量1.49 g/cm3，壓制成2 cm厚的土餅，土壤飽和后在恒溫60 ℃條件下持續蒸發 12 h。土壤飽和導水率和土壤蒸發腐殖酸配比與土壤水分特征曲線測定試驗相同。

表1 土壤水分特征曲線測定試驗中材料配量Table 1 Determination of material content in soil moisture characteristic curve test

1.2 研究方法

采用van Genuchten模型（VG模型）進行土壤水分特征曲線擬合，VG模型具有擬合精度高、適應性廣泛的優點[12-15]。VG方程表達式：

式中：w為土壤含水率（%）；wr為土壤殘余含水率（%）；ws是土壤飽和含水率（%）；h是土壤水吸力（mH2O）；α、n和m是方程參數。含水率單位均為體積含水率。

利用已知 VG模型進行參數求解，利用 matlab中的lsqcurve fit函數進行非線性最小二乘法求解?；緮祵W模型為：

通過輸入xdata值和得到的ydata值，找出與函數F（x，xdata）的最佳擬合值x。本文中VG方程僅需要求得參數α和n（n中含m，m=1-1/n）。

采用均方根誤差（RMSE）評價模型擬合效果，表達式為：

式中：N為設定壓力總個數；Pi為第i個壓力值所對應的土壤含水率模擬值；θi為第i個壓力值對應的土壤含水率實測值。RMSE是定量描述實測值和擬合值關系的指標，該值越小則擬合越好[16-17]。

2 結果與分析

2.1 腐殖酸添加量對土壤水分特征曲線的影響

2.1.1 腐殖酸添加量土壤水分特征曲線擬合

采用matlab軟件中的VG模型對土壤水分特征曲線實測值進行擬合，得到R2取值范圍為0.956~0.999，擬合度較高（表 2）。通過計算不同水吸力下土壤含水率實測值和擬合值間的均方根誤差，結果為RMSE＜0.017 6，擬合效果較好，表明使用VG模型對腐殖酸配施后的黏質鹽土水分特征曲線擬合非常吻合，可以用于表示配施腐殖酸的黏質鹽土水分特征曲線。

2.1.2 腐殖酸添加量對土壤水分特征曲線的影響

隨著腐殖酸施加量增加，土壤水分特征曲線發生顯著變化，即土壤水分特征曲線曲率顯著變?。▓D1）。在低吸力段（＜1.0×105Pa）的較窄范圍內，曲線斜率較大，隨著水吸力的增加，土壤含水率急劇下降，可以看出土壤持水能力隨腐殖酸配施量增加而增加。在中吸力段（1.0×105~15×105Pa）的區間內，隨著土壤水吸力增加，土壤含水率下降明顯變緩，且逐漸穩定，持水能力大小與低吸力段相同。高吸力段（＞15×105Pa），屬于凋萎含水率以下的無效水，基本無法被作物吸收。在同一水吸力下，土壤含水率隨腐殖酸添加量的增加而增加，說明土壤持水能力增強。不同腐殖酸添加量的處理持水能力大小依次是：T0處理＜T1處理＜T2處理＜T3處理＜T4處理＜T5處理＜T6處理＜T7處理＜T8處理。

2.2 腐殖酸添加量對土壤水分常數的影響

腐殖酸對土壤水分常數影響顯著，隨著腐殖酸添加量增加，土壤飽和含水率、土壤田間持水率、土壤毛管含水率和土壤凋萎含水率均呈上升趨勢（圖2）。與T0處理相比，各處理土壤飽和含水率分別增加了6.24%、13.68%、5.50%、8.10%、11.51%、7.97%、8.63、9.87%，其中T2和T5處理增加顯著。土壤田間持水率分別增加了 13.01%、21.92%、34.25%、44.77%、53.82%、69.84%、68.63%、77.89%。土壤毛管含水率分別增加了 12.96%、20.34%、19.97%、25.02%、29.80%、28.35%、29.02%、30.98%。土壤凋萎含水量除T1處理外，分別增加了15.97%、13.69%、19.10%、24.56%、27.44%、19.00%、35.24%，T1處理降低了1.65%。說明腐殖酸能有效提高土壤水分常數，即提高土壤含水率，有利于作物生長和作物產量，對改善當地環境有重要作用。

2.3 腐殖酸添加量對土壤飽和導水率的影響

隨著腐殖酸施加量的增加，土壤飽和導水率呈增加趨勢（圖3）。與T0處理相比，除T6處理外，其余處理土壤飽和含水率分別增加了 5.59%、36.96%、8.59%、8.70%、59.52%、73.29%、128.05%，T6處理與T0處理相比降低了2.17%，其中T2處理和T5處理增加最為明顯。表明添加腐殖酸可以增加土壤飽和導水率，對土壤水分運動有促進作用，對黏質鹽土鹽分淋洗具有促進作用。

圖3 不同腐殖酸施加量對飽和導水率的影響Fig.3 Effect of different humic acid application on saturated hydraulic conductivity

2.4 腐殖酸添加量對土壤水分蒸發的影響

隨著腐殖酸施加量的增加，土壤水分蒸發量呈先上升后降低趨勢（圖4）。在6 h累計蒸發中，T1處理、T6－T8處理與T0處理相比分別增加了5.29%、3.65%、2.13%、7.46%，T2－T5處理與T0處理相比分別降低了 4.66%、3.89%、7.47%、5.39%。以 T4處理降低最為明顯，說明T4處理保水能力最強。在12 h累計蒸發中，T1處理和T5－T8處理與T0處理相比分別增加了 3.45%、2.15%、7.08%、11.07%、13.68%，T2－T4處理與 T0處理相比分別降低了2.82%、0.40%、2.68%。以T2和T4處理降低最為明顯，說明T2處理和T4處理保水性最強。但是腐殖酸添加量對土壤水分蒸發影響不顯著（p<0.05）。

圖4 土壤累計蒸發量Fig.4 Cumulative soil evaporation

3 討 論

本文通過對不同腐殖酸配施量下黏質鹽土進行土壤水分特征曲線、飽和導水率和土壤蒸發量測定，定量分析了腐殖酸對土壤持水性能的影響，明確了腐殖酸對土壤水分特征曲線、土壤水分常數、土壤飽和導水率和土壤水分蒸發的影響，得出了在各試驗處理下，土壤持水能力最強的腐殖酸配比，使試驗結論更具有現實意義。黏質鹽土配施腐殖酸后，土壤水分含量升高，是因為黏質鹽土質地黏重，透水性能差，導致水分積聚于土壤表面進而產生水分蒸發，而腐殖酸能提高黏質鹽土含水率，增強土壤飽和導水率，促進鹽分淋洗，改善土壤物理性狀，從而對黏質鹽土改良有重要意義。腐殖酸對土壤飽和導水率的影響研究較少，本文針對土壤飽和導水率和腐殖酸配施量展開研究，腐殖酸是大分子有機化合物，分子外有很多具有親水性官能團，水分聚集于官能團的吸附位點上[18]，當土壤飽和時，土壤孔隙水分運動帶動官能團上的水分運動，使土壤水分運動性增加，試驗結果表明腐殖酸能有效提高黏質鹽土飽和導水率，對土壤水分運動與鹽分淋洗具有積極的促進作用。在土壤水分蒸發過程中，分析土壤蒸發量與腐殖酸配施量的關系，由試驗數據得出腐殖酸在T2—T4處理配比下蒸發量較少，主要原因是T5—T8處理腐殖酸配施多，腐殖酸具有較強的吸水性，導致土壤初始含水量較高，初始含水率對蒸發的影響大于腐殖酸吸水性，導致蒸發量升高，但在蒸發條件下，腐殖酸仍能保持土壤水分，增強土壤持水能力，降低土壤水分蒸發強度。腐殖酸不僅增強了黏質鹽土持水性，保證作物生長用水，還提高了飽和導水率，促進鹽分淋洗，降低土壤水分蒸發量，增強土壤持水保水性能。

黃河三角洲地區土壤鹽堿化嚴重、土壤質地黏重、物理性狀不良，鹽害十分嚴重，導致作物產量低下，甚至寸草不生，土壤資源難以利用[19-22]。腐殖酸質地較輕，營養成分高，將腐殖酸施加到黏質鹽土中，對土壤水分提高起到了一定的改善作用，與前人研究結果基本一致[23-24]。隨腐殖酸的添加量增加，土壤含水率升高，這一結論與顧鑫的研究結果基本一致[25]。

900 kg/hm2的腐殖酸配施量下的黏質鹽土飽和導水率提升顯著，土壤持水保水能力增強最明顯，可為田間試驗提供理論基礎，為研究田間適用性與田間實際情況的效果奠定基礎。后續應進行田間腐殖酸配施量下的黏質鹽土改良試驗，以證實試驗結果的準確性。另外應針對土壤持水能力和腐殖酸配施量變化，進行定量的關系研究，從機理層面解決土壤持水能力變化與腐殖酸的關系。

4 結 論

1）VG模型擬合濱海鹽堿土土壤水分特征曲線具有較好的效果，且參數α隨腐殖酸配施量的增加發生明顯降低，從0.014 5到0.001 1，參數n明顯升高，從1.314 4增加到1.710 1。

2）從VG模型參數α和n和土壤水分特征曲線可以看出，腐殖酸對濱海黏質鹽土持水能力有明顯提高作用。

3）隨腐殖酸配施量增加，土壤飽和導水率提高，T2處理和 T5處理升高最明顯，比對照分別提高了38.69%、64.13%，有利于促進黏質鹽土洗鹽、排鹽。

4）在6 h累計蒸發中，T4處理保水性最強。在12 h累計蒸發中，T2處理和T4處理保水性最強，因此在蒸發條件下，T4處理的保水性最強。