土壤斥水性影響因素及管理措施研究綜述

吳小雨 ，涂安國，李國輝，胡 皓

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗室，江西 南昌 330029)

土壤斥水性(Soil Water Repellency，SWR)指的是水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象，具有斥水性的土壤被稱作斥水性土壤(Water Repellent Soil)。斥水性是一個相對的概念，實(shí)際上不存在完全會對液體產(chǎn)生排斥力的表面，任何固體與液面間都存在吸引力，因此在實(shí)際中沒有表面是完全斥水的土壤[1]。近年來，土壤斥水性已成為國內(nèi)外生態(tài)水文學(xué)研究的一個重要科學(xué)問題，眾多學(xué)者對SWR的影響因素、測量方法及改良方法進(jìn)行了大量的研究。我國國土面積廣闊，土壤類型豐富，深入了解土壤斥水性對提高作物產(chǎn)量、防治面源污染、控制水土流失至關(guān)重要。

1 土壤斥水性研究進(jìn)展

最早有關(guān)SWR的研究是在19世紀(jì)加州草原中的“蘑菇圈”和“干燥斑”現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后[2-3]，一些學(xué)者在研究腐殖質(zhì)土壤中的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)含量時，發(fā)現(xiàn)有一種土壤是不能被水潤濕的，這是相關(guān)文獻(xiàn)首次明確提出SWR的概念。近十幾年來，因生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，SWR引起了人們的廣泛關(guān)注。在全球范圍內(nèi)，SWR廣泛存在。國內(nèi)有關(guān)SWR的研究相對開展得較晚，但近年來隨著水土流失和水環(huán)境惡化等問題的加劇，國內(nèi)學(xué)者對SWR的研究也逐漸深入。在我國，已有針對不同類型土壤的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)蒙古、湖南、安徽、云南、山西、新疆和山東等地都存在不同程度的斥水性土壤。

SWR產(chǎn)生的原因復(fù)雜，影響因素也較多。學(xué)者們普遍認(rèn)為SWR是由土壤中的斥水性有機(jī)化合物引起的，而它們主要來源于植物或微生物[4-5]。SWR的產(chǎn)生、持久性和強(qiáng)度與土壤水分、質(zhì)地、黏土含量、pH值、化學(xué)特性、生物活性、土壤類型、有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量、土地利用與管理方式密切相關(guān)[6-8]。

有研究顯示，SWR的強(qiáng)度可以用土壤顆粒及土壤表面的斥水性化合物的數(shù)量與來源、水合狀態(tài)以及分子間排列來表示[7]。在某些特定的情況下，輕度SWR可能對土壤有益，它可以增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和固氮作用[9]，有助于減少土壤表層的崩解剝離，在土壤表層起到保護(hù)作用。但目前大多數(shù)研究表明，斥水性是一種消極的土壤特性[4,10]。通常，SWR會影響土壤水分運(yùn)動，從而使可溶性營養(yǎng)元素如氮素和磷素等，經(jīng)過優(yōu)先流運(yùn)移途徑或土壤重力水隨水分迅速到達(dá)土壤深層部位及地下水中，造成養(yǎng)分流失的同時還使土壤肥力下降，此外還會導(dǎo)致地下水污染，造成面源污染[11]。SWR會阻礙自然降水或農(nóng)田灌溉水滲入土壤，加劇水分在土壤中的不平衡性，降低植物利用土壤水分的效率，降低作物產(chǎn)量，同時還會增加地表徑流流量，造成土壤侵蝕。由于SWR具有時空多變性，因此關(guān)于SWR對生態(tài)的不同意義的研究目前還很有限。

2 土壤斥水性影響因素研究進(jìn)展

2.1 土壤水分

目前很多研究顯示，含水率是影響SWR的重要因素之一，當(dāng)含水率增加到某一值后，斥水性土壤可能會變?yōu)橛H水性土壤[12]，這可能是因為土壤水分增加過程中將土壤中的斥水性有機(jī)物溶解了，此時的含水率為臨界含水率。BOND[13]通過研究得出土壤含水率對SWR有影響，當(dāng)土壤的含水率過小或過大時，土壤基本沒有斥水性，但當(dāng)土壤含水率接近臨界值時，幾乎都呈現(xiàn)出斥水性。楊松等[14]通過對不同強(qiáng)度的斥水性土壤進(jìn)行干濕循環(huán)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率降低時，黏土和黏壤土在增濕或脫濕過程中，SWR先增大后減小；而壤質(zhì)砂土SWR隨含水率降低而不斷增強(qiáng)，在整個增濕或脫濕過程中未出現(xiàn)峰值。然而，并非所有土壤的斥水性都會表現(xiàn)出隨含水率的降低而增加。

SEATONet al.[15]研究結(jié)果顯示，SWR是由土壤表面的液體行為決定的，SWR會引起水珠狀的水滴形成，阻礙毛細(xì)管吸收，進(jìn)而徹底改變水分滲入土壤的途徑。陳俊英等[16]建立了SWR和含水率的模型，結(jié)果顯示SWR持續(xù)時長與含水率的關(guān)系為一單峰曲線，最佳擬合模型為正態(tài)模型。

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是誘導(dǎo)SWR產(chǎn)生的重要原因之一。眾多學(xué)者研究得出，SWR是由土壤中表面附著礦物顆粒的有機(jī)質(zhì)引起的，這些有機(jī)質(zhì)主要源于植物生長發(fā)育過程中根系的分泌物[17]，土壤有機(jī)質(zhì)的類型、含量和質(zhì)量決定了SWR的強(qiáng)度[18]。大量研究表明，SWR隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加[19-20]。而土壤有機(jī)質(zhì)含量對SWR的影響，大部分取決于土壤有機(jī)碳(SOC)與礦物基質(zhì)的比例，該比例可以用來表征土壤有機(jī)碳分子的可能方向：SOC比例較低時，親水功能團(tuán)朝向礦物質(zhì)表面，向外的疏水基則引起SWR；SOC比例較高時，土壤有機(jī)質(zhì)分子呈垂直排列，向外的親水基則導(dǎo)致土壤較高的親水性[21]。MCKISSOCK et al.[22]提出，建立SWR與SOC相關(guān)性模型時，應(yīng)考慮土壤中存在的SOC類型而非簡單考慮SOC總量。SANDOR et al.[23]的研究結(jié)果表明，SWR不太可能存在于氣候潮濕且質(zhì)地較為細(xì)膩的土壤中，相反，更容易存在于氣候干燥且有機(jī)質(zhì)含量較高、顆粒較大的土壤中。

2.3 土壤質(zhì)地

很多研究表明，土壤質(zhì)地是SWR的關(guān)鍵影響因子。GAO et al.[24]的研究表明，草原土壤的SWR與土壤粒徑大小呈負(fù)相關(guān)，隨土壤粒徑減小，SWR持續(xù)時間顯著增加，這是因為黏土表面具有吸附性的斥水化合物，使其產(chǎn)生SWR，也因此大部分研究都集中在細(xì)黏土對SWR的影響上。有研究指出，有機(jī)斥水性物質(zhì)本身就是細(xì)顆粒，所以使得細(xì)顆粒土壤SWR增加[25]。而DOERR et al.[4]和JIMéNEZ-MORILLO et al.[8]研究得出，SWR隨著大粒徑團(tuán)聚體含量的增加而增加；ZHENG et al.[26]通過Meta分析SWR與土壤團(tuán)聚體的關(guān)系得出，當(dāng)土壤砂粒含量大于40%時，SWR與土壤砂粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，即SWR在大顆粒土壤中發(fā)生的可能性更高。

2.4 土壤pH值

人們普遍認(rèn)為土壤pH值能夠影響SWR，但目前對于兩者相關(guān)性的研究還較少，其中一個重要原因是改變土壤pH值時通常也會改變土壤水分，而土壤水分又顯著影響著SWR。有研究提出在討論土壤pH值與SWR的關(guān)系時，應(yīng)排除土壤水分變化所造成的潛在影響。DIEHL et al.[27]通過氣相調(diào)節(jié)土壤pH值，從而最小程度地減少土壤水分變化，發(fā)現(xiàn)土壤在自然pH值條件下SWR最大，隨著pH值增大，去質(zhì)子化增大，導(dǎo)致負(fù)表面電荷增加，SWR減小。胡廷飛等[28]的研究結(jié)果也表明，紅壤SWR與pH值呈負(fù)相關(guān)。

2.5 土地利用和管理方式

研究還發(fā)現(xiàn)，SWR與土地利用方式密切相關(guān)，農(nóng)田、草地、林地等的SWR都有著不同程度的差異[23,29]。土地利用方式的差異對SWR的影響主要表現(xiàn)在土壤中碳含量、pH值和生物群落的變化上[30]。

BENITO et al.[31]研究發(fā)現(xiàn)，天然櫟樹生態(tài)系統(tǒng)與海岸松和桉樹人工林下SWR水平和變異性的差異源于碳含量和碳氮比的變化，并且在干燥條件下，草地上層土SWR明顯高于林地，而在下層土中則相反；在潮濕條件下，所有土層都不存在SWR。

LI et al.[30]的試驗結(jié)果表明，保護(hù)性耕作下SOC和微生物量碳(MBC)高于常規(guī)耕作下，且保護(hù)性耕作有助于提高土壤孔隙度與連通性，通過土壤孔隙結(jié)構(gòu)與斥水性物質(zhì)共同作用來影響SWR，使得SWR較常規(guī)耕作下更高。MüLLER et al.[32]的研究結(jié)果顯示在長期耕作條件下，SWR隨耕作強(qiáng)度降低而顯著增高，這可能是因為耕作的機(jī)械干擾導(dǎo)致土壤的水穩(wěn)性和滲透性減弱。MILLER et al.[33]提出在免耕措施下作物殘茬留在土壤表面，相比于有耕作措施的農(nóng)田，土壤表面SOC含量增加，因此SWR增大。FILIPE et al.[10]的研究表明不同的種植模式和耕作管理會通過影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性來影響SWR強(qiáng)度，它與輪作中的作物選擇關(guān)系緊密[34]。

有機(jī)肥中含有大量斥水性化合物，JIMéNEZ-DE-SANTIAGO et al.[35]發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥會顯著增加SWR，在谷物分蘗期追肥7天后SWR達(dá)到最大值。有研究顯示，長期施肥可能會增加SOC和土壤微生物，從而產(chǎn)生斥水性化合物，這是因為施肥提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，使得更多的殘茬返回土壤[36]。

再生水灌溉是一種有效的節(jié)水途徑。商艷玲等[37]的試驗結(jié)果證明SWR隨再生水灌溉量和時長增加而顯著增強(qiáng)，而胡廷飛等[28]的研究表明再生水與蒸餾水交替灌溉對SWR有抑制作用，劉春成等[38]的試驗結(jié)果表明再生水灌溉較清水灌溉可以降低SWR。

3 土壤斥水性管理措施研究進(jìn)展

目前針對SWR的改善方法，主要有化學(xué)、物理和生物三大類。化學(xué)方法主要包括表面活性劑、黏土礦物、緩釋肥料和石灰，如種子包衣技術(shù)將表面活性劑涂在種子表面，降雨后表面活性劑被溶解進(jìn)土壤中，有助于改善SWR，增強(qiáng)種子對土壤水分的吸收，提高幼苗成活率。物理方法則是通過灌溉、耕作措施、改良土壤通氣性和壓實(shí)土壤來降低SWR。如陳俊英等[39]試驗得出，對斥水性土壤進(jìn)行翻耕處理可以暫時消除土壤的斥水性，消除效果與翻耕次數(shù)、時長和翻耕深度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。但也有研究表明，土壤斥水性隨著開墾年限的增加而不斷增加[40]。生物方法主要集中在真菌抑制劑、微生物菌劑、原生動物及植物修復(fù)上。

盡管學(xué)者們對改良SWR進(jìn)行了不同方向的研究，但改良SWR目前仍是一個難以解決的問題，可能存在投入高、破壞土壤結(jié)構(gòu)、重金屬污染、效果不穩(wěn)定等問題。

GUPTA et al.[41]發(fā)現(xiàn)相比于親水性土壤，20 mm厚的斥水性土壤能顯著增加鷹嘴豆幼苗及根系的生長。RUTHROF et al.[42]則建議在日后研究中關(guān)注SWR潛在的長期利益，提出只需要在種植作物時暫時緩解SWR，再利用部分微生物能產(chǎn)生SWR的特性，將其大規(guī)模地噴灑到土壤上，形成疏水層，以此保持表層土以下部分的水分，將有利于農(nóng)業(yè)活動。此外，研究顯示在親水性土壤下添加一層斥水性土壤也有助于增加作物的株高和根長[43]。由于灌溉用水有限，因此利用SWR特性可減少土壤水分蒸發(fā)，緩解農(nóng)業(yè)灌溉用水壓力，這在干旱和半干旱區(qū)域有重大意義。

4 展 望

土壤斥水性是影響土壤水分入滲、植物根系吸水和營養(yǎng)物質(zhì)遷移等的重要因素，近年來已成為生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)，在其影響因素及水文效應(yīng)研究等方面取得了很多有意義的成果，但仍處于探索階段，很多問題有待深入研究。未來，我國SWR的研究要重視以下幾個方面：

(1)有關(guān)SWR的影響因素，國內(nèi)學(xué)者的研究大多集中在土壤水分與土壤質(zhì)地上，針對其他影響因素的研究還很少。未來需要重點(diǎn)研究微生物和植物根系分泌物、外源添加物等因素對SWR的影響過程及機(jī)理。

(2)SWR對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。SWR作用下作物根部得不到水分的補(bǔ)充，可能會造成作物生長緩慢或減產(chǎn)等。當(dāng)前，除研究SWR對種子萌發(fā)的不利影響外，鮮有針對作物生長發(fā)育過程中SWR變化特征的研究。有學(xué)者對SWR在夏玉米生長過程中的影響進(jìn)行了研究，但對其他作物的研究還較少。

(3)SWR的時空異質(zhì)性。影響SWR的因素較為復(fù)雜，且時空尺度依賴性強(qiáng)，導(dǎo)致不同區(qū)域的研究結(jié)果差異明顯。時空尺度的SWR精確測量仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，哪個因素主導(dǎo)了SWR的時空動態(tài)變化，仍然缺乏綜合性的定量結(jié)果。

(4)國內(nèi)關(guān)于SWR的研究起步較晚，針對斥水性土壤在我國的分布及SWR強(qiáng)度的研究還有待繼續(xù)開展。