粉煤灰和蚯蚓糞施用對土壤蒸發的影響

米美霞，陳玉鵬，武小鋼，甄志磊

（1.山西農業大學城鄉建設學院，山西太谷030801；2.山西農業大學林學院，山西太谷030801）

在干旱半干旱區土壤水分是制約農業生長的關鍵因素，土壤蒸發是土壤水分損失的重要途徑。向土壤中施用改良劑是常用的抑制土壤蒸發的措施，選用適宜的土壤改良物質是實現土壤改良目的的關鍵。天然改良劑如天然礦物、有機無機固體廢棄物、有機肥料等取材方便、成本低，適用于大面積施用和推廣。粉煤灰是燃煤火力發電過程中產生的固體廢棄物，主要成分為SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等[1]。粉煤灰具有大量的孔洞和網格玻璃質，對土壤性質和肥力具有改善作用，在農田土壤改良方面具有巨大潛力[1,2]。粉煤灰的施用能夠增加黏土中粉粒和砂粒含量，風沙土中粘粒含量，利于土壤團聚體形成，提高土壤持水性能[3-7]。Adriano 和Weber[8]研究發現粉煤灰施用對與之具相似容重的土壤容重無顯著影響，若施用量足夠高（1 120 t/hm2），可增加土壤中細小孔隙數量，提高植物總有效水量，但粉煤灰施用帶來的重金屬毒害等負面影響也隨之增加。趙智等[4]研究表明添加粉煤灰減小了沙土容重，粉煤灰施用量為120 mg/kg，土壤容重減小了11%。Yunusa 等[9]通過模型模擬得出沙土中施用細顆粒粉煤灰（<20μm）能夠減小土壤飽和導水率，黏土中施用粗顆粒粉煤灰（>20μm）則增加飽和導水率。此外，粉煤灰施用可改變土壤入滲和蒸發過程。沙土中施用粉煤灰可以延長入滲時間，有效地減小土壤蒸發[10,11]。砂姜黑土中“施肥+粉煤灰”處理則比單一“施肥”處理累積入滲量增加了29.4%，穩滲率提高了1.29倍[12]。

蚯蚓糞是一種經蚯蚓吞食消化處理的有機廢棄物，富含有機質、礦物質養分和有益微生物，具有改善土壤健康和營養狀況的作用，已被廣泛用于農田土壤培肥和改良[13-15]。蚯蚓糞施用能夠改善土壤結構，提升土壤團聚體數量和穩定性，提高土壤持水性能，改變土壤入滲和蒸發過程。研究表明，蚯蚓糞施用量由0%增加至3%，≤0.25 mm 粒徑土壤團聚體降低，黑壚土降低比例最低，黃綿土次之，風沙土降低比例最高，但水穩性團聚體和粒徑>0.25 mm 團聚體含量顯著提高，施用量由3%增加至5%，土壤團聚體則無顯著改變[16]。模擬降雨試驗表明，蚯蚓糞覆蓋能夠延緩降雨入滲，并影響黃土區土壤水分再分配過程，對降雨后表層以下的水分增加具有促進作用[17]。土柱試驗研究表明，蚯蚓糞與土壤混施，濕潤鋒遷移速率加快[18]；土層內部混施時，施用量超過75 g/kg，蚯蚓糞對濕潤鋒遷移具有抑制作用，層施與混施對濕潤鋒遷移的影響不同[19]。蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發具有顯著的抑制作用，且隨覆蓋厚度和覆蓋面積增加，對蒸發的抑制作用增強[20,21]。此外，蚯蚓糞對土壤蒸發的抑制作用隨蚯蚓糞尺寸變化：與大顆粒蚯蚓糞相比，小顆粒的蚯蚓糞施用提升土壤持水性能和抑制蒸發的效果更佳[22]。微咸水灌溉條件下蚯蚓糞與土壤混合施用時具有抑制土壤蒸發、阻礙土壤入滲的作用，此作用隨施用量增加而加強[23]。

可見，粉煤灰和蚯蚓糞施用對土壤物理性質和水文過程的影響程度隨土壤質地、蚯蚓糞或粉煤灰類型、大小、含量和施用方式變化。目前關于這兩種改良物質對土壤水分特征的研究多集中于單一粉煤灰或單一蚯蚓糞，對兩種改良物質施用的對比研究較少，尚未有針對土壤蒸發等水動力學特征影響的對比研究。兩種土壤改良物質施用效果的對比研究是選擇適宜改良劑及制定粉煤灰和蚯蚓糞聯合施用方案的關鍵依據。另外，粉煤灰和蚯蚓糞的來源不同，其物理化學性質具有一定差異。不同地區土壤理化性質也具有一定差異。應用粉煤灰和蚯蚓糞進行當地土壤改良時，探尋適宜的施用方式（施用量和施用方法）是制定科學配方的基礎。本研究設計混施和覆蓋兩種施用方式，分析粉煤灰和蚯蚓糞施用對土壤蒸發影響的差異性，結合土壤水分物理性質和有機質含量，探討兩種物質影響土壤蒸發的機制，為粉煤灰和蚯蚓糞的合理利用及農田水分管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自山西省晉中太谷區東山底村一日光溫室中的耕層（種植年限10年左右）。樣品取回后去掉枯枝落葉和根系，自然風干。試驗所采用粉煤灰為電廠粉煤灰，蚯蚓糞為牛糞經過蚯蚓處理后所獲得的殘余物，購買于祁縣某公司。土壤和蚯蚓糞均研磨過2 mm 篩，備用。土壤、粉煤灰和蚯蚓糞基本理化性質見表1。

表1 土壤、粉煤灰和蚯蚓糞的基本理化性質Tab.1 Chemical and physical properties of the soil，fly ash and earthworm cast

1.2 試驗方法

試驗用小型蒸發器為內徑20 cm、壁厚0.5 cm、高40 cm的圓柱形聚氯乙烯（PVC）管，底部均勻分布8 個直徑為0.4 cm 的圓孔，鋪一層直徑略大于PVC 管內徑的紗布，防止土壤漏出。粉煤灰和蚯蚓糞施加方案如圖1所示，兩種物質分別設計覆蓋和混施（按照一定質量配比混合后填裝）兩種施用方式。覆蓋厚度分別為1 cm、2.5 cm 和4 cm，分別表示為FC1、FC2、FC3、EC1、EC2和EC3。混施質量配比為10%、20%、30%和40%，分別表示為FM1、FM2、FM3、FM4、EM1、EM2、EM3和EM4。無粉煤灰和蚯蚓糞土壤為對照，表示為S。各處理填裝總高度均為35 cm，每個處理設計3 次重復，共準備小型蒸發器45 個。填裝時參考容重：土壤1.32 g/cm3（取樣日光溫室耕層土壤平均容重），蚯蚓糞填裝容重為1.16 g/cm3，粉煤灰填裝容重為1.40 g/cm3。填裝好之后沉降3 d，之后從蒸發器上部供水至底部出水，每個土柱下方放置一個托盤，向托盤內加水，讓蒸發器內土壤繼續吸水，以保證土壤充分飽和，之后拿走托盤，將蒸發器底部空置，靜置48 h 排除重力水，靜置期間PVC 管頂部覆蓋一層塑料薄膜防止水分蒸發。重力水排除后將蒸發器搬至室外一空曠區域內，在自然條件下進行連續蒸發。于2021年4月16日至5月2日每日17∶00 進行稱重，通過質量差減法來確定每日蒸發量。稱重電子稱精度為0.1 g，共稱重17 次，獲取16日蒸發量。遇降雨使用遮雨棚遮雨，降雨結束后，移開遮雨棚。

蒸發試驗結束后，取樣測定各處理表層5 cm 土壤毛管孔隙度、總孔隙度、田間持水量、飽和含水量（環刀-浸泡法）和有機碳含量。使用土鉆分層（深度間隔為5 cm）取樣測定土壤含水量。覆蓋處理取樣時首先將覆蓋層與土層小心分離，取走表層覆蓋物后從土壤表面開始取樣。采用高溫（1 100 ℃）燃燒直接測定土壤有機碳含量（Multi N/C 2100，德國），乘以系數1.724 得到有機質含量。經典烘干法（105 ℃下烘干8 h）測定含水量。

1.3 數據分析

氣象數據從中國氣象數據網下載（http：//data.cma.cn/）。為分析氣象條件對土壤蒸發結果的影響，本文利用聯合國糧農組織推薦的Penman-Montith 公式計算了參考作物蒸散量，計算公式及過程參考《氣象干旱等級》（GB/T 20481 一2017）進行。采用Microsoft Excel 2018 進行數據計算，Origin2018 進行制圖。SPSS 25.0 計算各變量的描述性統計特征值及單因素方差分析，分析各處理間土壤蒸發和其他性質差異均在95%置信區間內進行，多重比較用LSD法。

2 結果分析

2.1 氣象條件和蒸發速率

研究期間相對濕度、氣溫、降雨和日照時數如圖2所示。平均氣溫為14.5°C，氣溫變化范圍為10.2～19.4°C。平均相對濕度為41.3%，相對濕度變化為18.8%～78.5%。4月21日（5 d） 和26日（10 d） 有降雨發生，降雨量分別為4.3 和0.3 mm。

前11 d 各處理土壤蒸發速率隨時間動態變化與參考作物蒸散量基本一致（圖3）。第1、4、11 d 三日蒸發速率最高[圖3(b)～圖3(e)]，與氣象條件變化具有密切聯系。4月17日（1 d）日照時數最長，為12.2 h。4月20日氣溫（4 d）最高。4月27日（11 d）則較為干燥，相對濕度最小，為18.8%。11 d 后參考作物蒸散量較高，呈波動變化，但土壤蒸發速率持續降低（圖3），土壤蒸發的動態變化符合土壤蒸發的階段性變化特征。土壤蒸發是水分由土壤內部運移至表層，然后經表層擴散至大氣中的過程。蒸發初期，土壤水分充足，蒸發速率主要受大氣蒸發力控制，因此土壤蒸發與參考作物蒸散量變化趨勢基本一致。蒸發中期則主要受土壤含水量影響，至土壤中毛管水全部蒸發，則進入水汽擴散階段，此時蒸發速率最低。

粉煤灰和蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發速率均具有顯著影響（p≤0.05）。粉煤灰覆蓋厚度為1 cm、2.5 cm 和4 cm，土壤蒸發速率平均值分別為2.44±0.36、2.29±0.32 和2.37±0.32 mm/d。蚯蚓糞覆蓋厚度為1 cm、2.5 cm和4 cm，土壤蒸發速率平均值分別為2.88±1.43、2.29±0.37、1.82±0.89 mm/d。粉煤灰和蚯蚓糞覆蓋處理土壤蒸發速率均低于對照（3.48±0.39 mm/d）。隨著覆蓋厚度的增加，粉煤灰處理對土壤蒸發速率無顯著影響，蚯蚓糞處理土壤蒸發速率則逐漸降低。覆蓋厚度為1 cm 時，覆蓋粉煤灰土壤蒸發速率低于覆蓋蚯蚓糞；覆蓋厚度為2.5 cm，土壤蒸發前者與后者相當；覆蓋厚度為4 cm，則是前者大于后者。另外，不同粉煤灰或蚯蚓糞含量處理土壤蒸發速率無顯著差異（p>0.05），說明無論是粉煤灰還是蚯蚓糞，覆蓋對土壤蒸發的抑制效果優于混施。

2.2 累積蒸發量

累積蒸發量結果繪于圖4。粉煤灰覆蓋土壤累積蒸發量顯著小于對照（p=0.00），1 cm、2.5 cm和4 cm 3個覆蓋厚度土壤累積蒸發量分別減小30%、34%和32%。3 個覆蓋厚度差異不顯著（p>0.05），說明厚度為1 cm 的粉煤灰覆蓋就對土壤蒸發具有較強的抑制作用。隨蚯蚓糞覆蓋厚度的增加，土壤累積蒸發量逐漸減小，說明蚯蚓糞覆蓋越厚，抑制蒸發的效果越好。蚯蚓糞覆蓋厚度為1 cm、2.5 cm和4 cm，累積蒸發量分別減小了17%、34%和48%。

粉煤灰和蚯蚓糞混施處理對土壤累積蒸發量的影響在統計學角度均未達到顯著水平（p>0.05），但由圖4(c)和圖4(d)可看出隨著時間推移，各處理土壤累積蒸發量間差異逐漸增大，尤其是施用蚯蚓糞處理。蒸發持續16 d，粉煤灰施用量為40%，比對照累積蒸發量小6%，土壤中蚯蚓糞含量為10%、20%、30%和40%，累積蒸發量分別減小了4%、9.0%、14%和9%。這對于應用粉煤灰和蚯蚓糞減少田間土壤無效蒸發，提高土壤持水能力為目的進行土壤改良劑篩選仍具用一定啟示作用。

2.3 土壤水分物理性質和有機質含量

蒸發結束后兩種改良劑施用處理下不同土層深度土壤水分分布情況見圖5，各處理平均含水量比較結果列于表2 和表3。粉煤灰和蚯蚓糞覆蓋各土層深度平均土壤含水量均顯著高于無覆蓋土壤（p<0.05），相同覆蓋厚度下粉煤灰和蚯蚓糞處理平均土壤含水量差異不顯著（表2）。粉煤灰覆蓋厚度為1 cm、2.5 cm和4 cm，平均土壤含水量分別比對照高29%、28%和23%。蚯蚓糞覆蓋厚度為1 cm、2.5 cm和4 cm，土壤含水量分別比裸土高29%、34%和33%。可見，土表覆蓋薄層（1 cm）的粉煤灰就能具有較好的保持土壤水分的效果，而蚯蚓糞覆蓋厚度為2.5 cm 和4 cm 保水效果優于1 cm。粉煤灰與土壤混施對土壤含水量無顯著影響，蚯蚓糞與土壤混施處理土壤含水量均顯著高于對照（表3），蚯蚓糞含量為10%、20%、30%和40%，平均土壤含水量分別比對照高10%、19%、27%和27%。施用量為10%時，粉煤灰與蚯蚓糞處理土壤含水量無顯著差異，其他施用量均為蚯蚓糞處理土壤含水量顯著高于粉煤灰處理（表3）。覆蓋處理5 cm 深度土壤含水量與對照差異最大，隨著深度增加，差異逐漸減小。混施則表層含水量差異較小，隨著深度增加，含水量差異逐漸增大（圖5）。

粉煤灰和蚯蚓糞覆蓋和混施處理各土壤水分物理性質和有機質含量比較結果分別列于表2 和表3。粉煤灰和蚯蚓糞覆蓋對土壤孔隙狀況、田間持水量無顯著影響，覆蓋1 cm 厚度的粉煤土壤飽和含水量小于對照。粉煤灰混施對土壤毛管孔隙度、總孔隙度、田間持水量和飽和含水量均無顯著影響。蚯蚓糞混施則提高了土壤毛管孔隙度、總孔隙度、田間持水量和飽和持水量，隨著蚯蚓糞施用量增加，提升效果越明顯。相同覆蓋厚度，粉煤灰和蚯蚓糞處理土壤水分物理性質無顯著差異（表2）。除10%施用量外，其他施用量各土壤水分物理參數均為蚯蚓糞處理大于粉煤灰處理，說明蚯蚓糞混施對土壤物理性質的改善作用優于粉煤灰。另外，覆蓋和混施處理土壤有機質含量均高于對照，說明粉煤灰和蚯蚓糞的施用對土壤有機質含量提升具有積極作用。隨著施用量提高，提升有機質含量效果越明顯。粉煤灰施用量為10%、20%、30%和40%，有機質含量分別提高了24%、28%、49%和46%。相同量的蚯蚓糞施用，土壤有機質含量分別提高了23%、39%、45%和51%。混施蚯蚓糞含量超過20%，提高土壤有機質含量的效果優于粉煤灰。

表2 粉煤灰和蚯蚓糞覆蓋對土壤水分物理性質和有機質含量的影響Tab.2 Effects of fly ash and earthworm cast coverage on soil hydro-physical properties and organic matter content

表3 粉煤灰和蚯蚓糞施用量對土壤水分物理性質和有機質含量的影響Tab.3 Effects of fly ash and earthworm cast content on soil hydro-physical properties and organic matter content

3 討 論

在無植物生長條件下，土壤蒸發受大氣蒸發力和土壤性質影響。在大氣蒸發力一致的情況下，土壤結構、孔隙狀況、溫度、水分條件等決定土壤蒸發量和蒸發速率。本研究中粉煤覆蓋對土壤蒸發具有顯著影響，但混施效果不佳。混施對土壤蒸發的影響弱于成鋼等[11]針對沙土的研究。成鋼等[11]研究中供試土壤砂粒含量高達95%，粉煤灰則以粉粒為主（72%），粉煤灰施用量為40%，累積蒸發量比對照低27.2%，本研究僅為6%。粉煤灰能否對土壤物理性質具有改良作用受土壤和粉煤灰質地影響。本研究中供試土壤為粉質壤土（國際制分類），粉粒含量最高，其次為砂粒含量。粉煤灰質地較粗，粉粒含量低于土壤、砂粒含量則較高。土壤和粉煤灰質地差異較小，因此對土壤蒸發的影響較小。覆蓋和混施蚯蚓糞均能夠顯著抑制土壤蒸發，與其他學者研究結果一致[20-22]，而且覆蓋抑制蒸發的效果優于混施。覆蓋處理時土表的粉煤灰和蚯蚓糞阻止土壤與大氣環境的直接接觸，受外界環境影響減小。而且延長了水汽傳輸的路徑，增加了水汽傳輸阻力。另外，降低太陽能對土壤表面的直接輻射，降低土表溫度。土壤有機質是形成土壤理化性質的基礎，有機質的輸入能夠影響土壤的比表面積，改善土壤孔隙特征，促進土壤團聚體的形成，增加土壤團聚體的穩定性[16,24,25]，進而影響土壤的蓄水保水性能[26]。本研究供試粉煤灰和蚯蚓糞中有機質含量分別為土壤有機質含量的2.3 倍和3.6 倍，覆蓋和混施均能使土壤中有機質含量提高，且混施蚯蚓糞顯著提高土壤總孔隙度和持水容量。因此，施用粉煤灰和蚯蚓糞提高有機質含量是影響土壤蒸發的重要機制之一。

粉煤灰和蚯蚓類施用對土壤蒸發的影響具有差異。除有機質含量差異外（粉煤灰有機質含量低于蚯蚓糞），粉煤灰和蚯蚓糞其他特性，如粒度、顏色、導熱特性等因素也影響土壤蒸發。粉煤灰中<0.2 mm 的顆粒百分比均大于蚯蚓糞，0.2～2 mm 顆粒百分比則遠小于蚯蚓糞。蚯蚓糞近50%顆粒大于0.05 mm。顆粒越粗，表面積越小，不利于水分蒸發。而且，與蚯蚓糞相比，粉煤灰與供試土壤的顆粒組成更為接近。粉煤灰有機質含量低于蚯蚓糞，混施蚯蚓糞后土壤總孔隙度和毛管孔隙度增大，對土壤吸水和保水性能提升更具優勢。蚯蚓糞顆粒較粗、有機質含量高，改善土壤孔隙狀況是其抑制土壤蒸發的主要原因。本研究所用粉煤灰為灰色，蚯蚓糞顏色則較深（接近黑色），易吸收熱量，導致土面溫度高，反而有促進蒸發的作用。另外，粉煤灰具有導熱性能較差，如包頭市土壤導熱率約為粉煤灰的2 倍[27]，低導熱性也可能是粉煤灰抑制土壤蒸發的原因之一，還需進一步進行定量化研究。本研究中3個粉煤灰覆蓋處理間土壤蒸發速率和累積蒸發量接近，覆蓋1 cm 厚粉煤灰抑制土壤蒸發的效果優于覆蓋相同厚度的蚯蚓糞，與覆蓋2.5 cm 厚蚯蚓糞的效果接近，說明粉煤灰和蚯蚓糞覆蓋對土壤蒸發影響的差異性隨覆蓋厚度變化。覆蓋厚度較小（<2.5 cm）時，粉煤灰抑制蒸發的效果較好，覆蓋厚度超過2.5 cm，反之。

土壤含水量主要受初始含水量和土壤蒸發的影響。粉煤灰覆蓋和混施對土壤田間持水量均無顯著影響，含水量結果與蒸發結果相對，即累積蒸發量小對應含水量高，粉煤灰覆蓋厚度為1 cm 就能夠達到較好地保持水分的效果。蚯蚓糞施用既提高了土壤的持水容量，又能夠抑制土壤蒸發，具有較強的保持土壤水分的能力。若施用方式為覆蓋，粉煤灰和蚯蚓糞保水效果接近；若施用方式為混施，則蚯蚓糞的保水效果更好。針對粉煤灰施用帶來的重金屬污染問題，將低含量的粉煤灰與農家肥、混合肥以及生物肥料混合施用既可利用粉煤灰的優勢，也可利用其他肥料的吸附和緩沖特性去除和緩減重金屬毒害。已有研究證實粉煤灰與有機肥、化肥配施，改良土壤和促進作物生長的效果更佳[28,29]。蚯蚓糞可作為理想的配施肥料。從抑制土壤蒸發，提高土壤儲水性能的角度，覆蓋是較為理想的施用方式，但粉煤灰與蚯蚓糞配施方案還需進一步研究。

4 結論

施用粉煤灰和蚯蚓糞對土壤蒸發的抑制作用受施用方式和施用量影響，兩種物質對土壤蒸發的抑制作用有差異。覆蓋處理，兩種物質均對土壤蒸發具有顯著的抑制作用，覆蓋粉煤灰土壤累積蒸發量比對照減小30%～34%，覆蓋蚯蚓糞土壤累積蒸發比對照減小17%～48%，覆蓋厚度對蚯蚓糞抑制土壤蒸發的效果影響較大。與土壤混施，蚯蚓糞抑制土壤蒸發的效果優于粉煤灰。施用粉煤灰，土壤累積蒸發量比對照減小0%～6%，施用蚯蚓糞，土壤累積蒸發量比對照減小4%～14%。粉煤灰和蚯蚓糞施用均能夠提高土壤有機質含量，是影響土壤蒸發的主要因素，蚯蚓糞混施能夠顯著提高土壤孔隙度和持水容量。粉煤灰和蚯蚓糞覆蓋、蚯蚓糞混施均能夠改善土壤水分條件。