王猛,雷虹娟,高永,汪季?,肖芳,張文

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,010018,呼和浩特;2.包頭市達(dá)茂旗林業(yè)局,014500,內(nèi)蒙古包頭)

模擬降雨條件下保水劑對(duì)沙質(zhì)土壤水分的影響

王猛1,雷虹娟2,高永1,汪季1?,肖芳1,張文1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院,010018,呼和浩特;2.包頭市達(dá)茂旗林業(yè)局,014500,內(nèi)蒙古包頭)

為了探究保水劑對(duì)沙質(zhì)土壤水分的影響,采用室內(nèi)重建土柱,在人工模擬降雨條件下研究不同用量保水劑對(duì)沙質(zhì)土壤(0～30 cm)含水率的影響。結(jié)果表明:土壤含水率隨著保水劑用量的增加而增加,保水劑用量為0.2%時(shí)不但省時(shí)省力,而且0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 3個(gè)土層土壤含水率分別為45.42%、48.48%、46.16%,既能滿足植物的生長需要,又能節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本,可為干旱、半干旱區(qū)節(jié)水造林及保水劑的合理使用提供理論依據(jù)。

模擬降雨;保水劑;風(fēng)沙土;土壤含水率

降雨不足或季節(jié)性分配不均是制約我國干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的主要因子,尤其我國北方部分地區(qū),水資源開發(fā)利用已經(jīng)超過資源環(huán)境的承載能力[1-2]。保水劑(water retention)是近30年來發(fā)展起來的一種具有三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型高分子材料[3],具有超強(qiáng)的水分吸附能力,可顯著提高土壤含水率,有效改善土壤密度、孔隙度、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等土壤物理性質(zhì),減少水土流失[4-6],同時(shí)還能起到保持土壤養(yǎng)分的作用,在干旱半干旱地區(qū),常作為農(nóng)作物干旱時(shí)的“微型水庫”[7],其用途廣、投資少、見效快的特點(diǎn),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等諸多方面具有較廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景[8]。保水劑不僅能增強(qiáng)土壤的吸水能力,提高土壤的吸水速率,且在土壤中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05% ～0.1%范圍內(nèi)吸水率最大[9]。吸水飽和后的保水劑在0～15 MPa范圍內(nèi)所吸持的水分約占98%,能緩慢釋放出大部分水量,吸持的水分幾乎全部可為植物吸收利用,成為作物吸收利用的有效水[10-11]。保水劑還能使土壤飽和導(dǎo)水率顯著降低,土壤團(tuán)聚作用增強(qiáng),土壤中保水劑在0.005% ～0.01%范圍時(shí),土壤團(tuán)聚體顯著增加,土壤保水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%以下時(shí),可顯著減少徑流和土壤流失量,對(duì)粗質(zhì)地的土壤保水效果最好[8,12-13]。 保水劑較強(qiáng)的反復(fù)吸釋水和抗低溫冷凍、反復(fù)凍融性,使其在復(fù)雜的環(huán)境影響下的吸水倍率和保水性仍能維持在較高水平[14-15]。

近年來,對(duì)保水劑的研究主要集中在簡單的吸水釋水性能、降低土壤飽和導(dǎo)水率、增加土壤團(tuán)聚體、減少徑流和土壤流失量等方面[2-15],但關(guān)于保水劑對(duì)風(fēng)沙土的水分垂直分布影響研究較少[16]。為此,筆者采用人工模擬降雨方法,通過施用不同用量的保水劑對(duì)地表0～30 cm范圍內(nèi)風(fēng)沙混合土土壤水分垂直分布規(guī)律進(jìn)行研究,以期為保水劑在風(fēng)沙土區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源的可持續(xù)開發(fā)利用以及土壤改良等方面提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

施用的保水劑為唐山博亞科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的農(nóng)林保水劑高分子聚丙烯酸鈉,為白色晶體顆粒。風(fēng)沙土采自毛烏素沙地腹地烏審旗境內(nèi)的裸沙丘,地理坐標(biāo)E 108°54′46.3″,N 38°39′54.8″,風(fēng)干處理后密度為1.57 g/cm3,田間持水量4.58%,其土壤主要成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1 風(fēng)沙土主要成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Main components and content of aeolian sandy soils

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)保水劑用量。采用土柱模擬方法,主要控制因素是土壤中施用保水劑用量。由于沙生灌木主要影響20～40 cm土層的含水率,固設(shè)計(jì)土柱為30 cm,保水劑處理水平分別為0、0.1%、0.2%、0.4% (以保水劑和烘干土的質(zhì)量比為梯度計(jì)算單位),每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共計(jì)12個(gè)試驗(yàn)。

2)原狀土柱模擬。將采集回來的風(fēng)沙土采用烘干法在烘箱內(nèi)以105℃ 烘干24 h至恒質(zhì)量后,分別與4個(gè)處理水平的保水劑充分混勻后,參照S.Paramasivam等[17]的方法裝入自制土壤入滲儀內(nèi),重建土壤密度根據(jù)試驗(yàn)地土壤實(shí)測密度1.57 g/ cm3確定,同時(shí)以未施用保水劑的風(fēng)沙土為對(duì)照,每種處理3次重復(fù)。入滲儀的規(guī)格為口徑8 cm、深65 cm的有機(jī)玻璃管重建土柱,管底面上墊200目石英砂網(wǎng)封底,管底留孔,使土壤水分向下漏出(圖1)。為了收集土柱淋溶水,在入滲儀下用小燒杯收集。在土柱上面鋪一層玻璃纖維以防加水時(shí)擾亂土層。

3)入滲試驗(yàn)設(shè)計(jì)。為了保證避免土壤水分蒸發(fā)對(duì)試驗(yàn)精度的影響,在23℃恒溫室內(nèi)自重建土柱后當(dāng)天開始按每5 d模擬一次30 mm的降雨,共模擬6次,累計(jì)模擬降雨量為180 mm(該地區(qū)多年平均降雨量的50%)。當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到180 mm且土柱內(nèi)水分穩(wěn)定時(shí),分別自上而下對(duì)0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土樣采用烘干法測定土柱的土壤含水率,每層3次重復(fù),取其均值為該層土壤含水率。

圖1 模擬降雨試驗(yàn)裝置Fig.1 Artificial rainfall simulator

1.3 測定方法

土壤含水率的測定方法為

式中:W為土壤含水率,%;Sw為濕土質(zhì)量,g;Sd為干土質(zhì)量,g。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2003和SAS9.0進(jìn)行處理,方差分析采用在0.05水平下單因素分析法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水劑用量對(duì)0～10 cm土層含水率的影響

表2為不同用量保水劑0～10 cm土層含水率?？梢钥闯?在4個(gè)保水劑施用量梯度下,0～10 cm土層土壤含水率隨著保水劑施用量的增加而增加(y=1.190 1x2+7.463 9x+8.180 1,R2=0.959 7)。保水劑用量0.1%、0.2%、0.4%處理下的土壤含水率分別較CK(18.21%)增加了30.34%、149.68%和204.67%,均與CK達(dá)到顯著差異(P＜0.05),其中0.4%處理與CK達(dá)到極顯著差異(P＜0.01),說明保水劑不同施用量對(duì)表層0～10 cm土層的含水率有顯著影響,由此可知,保水劑具有超強(qiáng)的水分吸附能力,可顯著提高土壤含水率[4,6]。

表2 不同用量保水劑0～10 cm土層含水率Tab.2 Effects of different dosages of water retention agent on the moisture content of 0-10 cm soil %

2.2 不同保水劑用量對(duì)10～20 cm土層含水率的影響

表3為保水劑不同用量10～20 cm土層含水率?？梢钥闯?10～20 cm土層土壤含水率隨著保水劑用量的增加而增加,但增加的幅度并非呈線性關(guān)系(y=1.141x2+8.575 8x+7.441 4,R2=0.947 7)。保水劑用量0.1%、0.2%、0.4%處理下的含水率分別為24.11%、48.48%、58.32%,較CK(18.84%)相比增加28.29%、157.52%、208.85%,經(jīng)方差檢驗(yàn),保水劑用量0.1%與CK達(dá)到顯著差異(P＜0.05),0.2%、0.4%與 CK達(dá)到極顯著差異(P＜0.01),說明保水劑施用量越大導(dǎo)致混合層含水率越大,土層含水率差異越明顯。不同保水劑用量處理下含水率最大值、最小值、平均含水率均隨保水劑用量的增加而增加。對(duì)于在風(fēng)沙區(qū)10 cm左右干沙層上大面積、低成本地使用保水劑調(diào)整灌溉具有一定的指導(dǎo)意義。

表3 保水劑不同用量10～20 cm土層含水率Tab.3 Effects of different dosages of water retention agent on the moisture content of 10-20 cm soil %

2.3 不同保水劑用量對(duì)20～30 cm土層含水率的影響

表4為保水劑不同用量20～30 cm土層含水率?？梢钥闯?20～30 cm土層土壤含水率隨著保水劑用量的增加而增加,但增加的幅度并非呈線性關(guān)系(y=1.032x2+8.258 3x+7.959 9,R2=0.959 6)。保水劑用量0.1%、0.2%、0.4%處理下的含水率分別為24.46%、46.16%、56.12%,較CK(18.63%)相比增加31.43%、152.56%、204.27%,均與CK達(dá)到顯著差異(P＜0.05),其中0.2%、0.4%處理與CK達(dá)到極顯著差異(P＜0.01)。說明保水劑施用量越大,土層含水率差異越明顯,不同保水劑用量處理下含水率最大值、最小值、平均含水率均隨保水劑用量的增加而增加。由于沙生灌木主要影響20～40 cm層的土壤含水量[18],說明保水劑對(duì)于提高在20～30 cm左右的小半灌木根系土層含水率具有極其重要的作用。

表4 保水劑不同用量20～30 cm土層含水率Tab.4 Effects of different dosages of water retention agent on the moisture content of 20-30 cm soil %

2.4 不同保水劑用量對(duì)土柱土壤含水率的χ2檢驗(yàn)分析

將不同保水劑用量條件下各土層含水率進(jìn)行匯總,結(jié)果見表5。保水劑用量0(CK)、0.1%、0.2%、0.4%處理下的 0～30 cm含水率分別維持在18.56% ±0.44%、24.13% ±1.44%、47.01% ± 2.01%、56.78%±1.68%。保水劑能大幅度增加土壤0～30 cm含水率,增加的幅度并非呈線性關(guān)系。表5中理論值為理論含水率,如保水劑用量0.1%處理下0～10 cm的理論含水率計(jì)算過程為(18.21%+23.76%+45.42%+55.70%)÷4= 35.77%。

表5 不同保水劑條件下土柱含水率R×C列聯(lián)表Tab.5 R×C contingency table of moisture content of soil column under different dosages of water __________retention agent %

對(duì)表4內(nèi)土柱含水率情況進(jìn)行卡方檢驗(yàn),計(jì)算χ2值如下:

査χ2表,當(dāng)自由度df=(3-1)×(4-1)=6時(shí),=12.59,=16.81,計(jì)算得χ2=81.16＞16.81,可知,試驗(yàn)處理的4個(gè)保水劑用量對(duì)土柱0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的含水率的影響存在極顯著聯(lián)系,說明在人工模擬降雨條件下,4個(gè)保水劑用量處理下均存在極顯著相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

1)在人工模擬降雨條件下,0～30 cm不同土層的含水率隨著保水劑用量的增加而增加。這與宋海燕等[19]根據(jù)保水劑的施用量研究保水效果得到的保水劑用量越大,保水效果越好的結(jié)論基本相符。有些研究結(jié)果表明,隨著保水劑用量的增加,保水效果并沒有表現(xiàn)出增加的趨勢[20-21],只有適量保水劑和土壤充分混合才具有明顯的保水效果。當(dāng)保水劑用量為0.4%處理時(shí),各土層的土壤含水率為最大值,雖然其最大吸水量可以提高,但是吸水效率卻低,對(duì)于價(jià)格較昂貴的保水劑(50元/kg),如超過最佳施用量,從經(jīng)濟(jì)效益上來說是不合算的(0.2%較0.4%費(fèi)用降低480元/hm2)。一般認(rèn)為,保水劑對(duì)作物生長的適宜濃度范圍為0.1%～0.3%,如果將過多的保水劑混入土壤,不僅吸水效率會(huì)降低,保水劑還會(huì)呈現(xiàn)出凝膠狀膨脹、固結(jié),使保水劑的效率降低,土壤液相部分增加,氣相部分被迫減少,這對(duì)作物生長是不利的[9]。

2)保水劑不同用量可顯著地影響土柱含水率(P＜0.05),不同保水劑用量處理下存在極顯著相關(guān)。這一結(jié)論與白文波等[16]關(guān)于保水劑對(duì)土壤水分垂直入滲特征的影響的研究結(jié)果基本一致,這對(duì)于在風(fēng)沙土上大面積、低成本地使用保水劑調(diào)整降水或灌溉時(shí)具有一定的指導(dǎo)意義。

在抗旱造林中使用保水劑時(shí),用量太小,發(fā)揮不了蓄水保墑的功效,用量太大,不僅會(huì)提高造林費(fèi)用,而且雨季會(huì)導(dǎo)致土壤蓄水過量,造成樹根腐蝕,一般用量因使用方法、目的、土壤質(zhì)地等因素的不同而不同;因此,在實(shí)際保水劑用量操作過程中,必須綜合考慮保水劑的價(jià)格、混合率、吸水效率及經(jīng)濟(jì)合理性。保水劑用量0.2%處理時(shí)不但省時(shí)省力,而且各土層含水率分別為 45.42%、48.48%、46.16%,均能滿足干旱、半干旱地區(qū)作物不同層次的耗水量,且選擇結(jié)果不會(huì)影響作物的適宜生長,可以為以后造林中合理推廣使用保水劑提供理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯:宋如華)

Effects of water retention agent on the moisture content of sandy soil under rainfall simulation

Wang Meng1,Lei Hongjuan2,Gao Yong1,Wang Ji1,Xiao Fang1,Zhang Wen1
(1.College of Ecological and Environment,Inner Mongolia Agricultural University,010018,Hohhot,China; 2.Damao Banner Forestry Bureau of Baotou City,014500,Baotou,Inner Mongolia,China)

In order to explore the effect of water retention agent on the moisture content of sandy soil,the reconstruction of laboratory soil column and artificial rainfall simulation test method were applied.The distribution of soil moisture content within 0-30 cm depth of soil mixed with different dosages of water retention agent was analyzed.The result showed that with the increasing dosage of moisture retaining agent,the soil moisture content rose apparently.When the dosage of water retention agent was 0.2%,it was time-saving and efficient,and the soil moisture contents of three layers(0-10 cm,10-20 cm,20-30 cm)were 45.42%,48.48%,and 46.16%,respectively,which not only met the needs for growth of plants,but was also cost-saving.Our results are helpful for the rational use of water-saving afforestation and water retention agent,and provide a theoretical basis for arid and semiarid areas as well.

aimulated rainfall;water retention;sandy soil;soil moisture content

S152.7

A

1672-3007(2015)01-0096-05

2014- 06- 03

2014- 11- 07

項(xiàng)目名稱:國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“中國沙地補(bǔ)充考察與沙地志編研”(201304325)

王猛(1990—),男,碩士研究生。主要研究方向:水土保持與荒漠化防治。E-mail:wangmengzhisha@126.com

?通信作者簡介:汪季(1957—),男,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:荒漠化防治。E-mail:wangji1957@163.com