高緒龍,毛偉兵,孫玉霞,曲英杰,曲曉玲
(1.山東農業(yè)大學水利土工程學院,山東泰安 271018;2.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心,濟南 250014;3.利津河務局,山東東營 257000)
黃河三角洲地區(qū)土壤鹽漬化程度十分嚴重,各類鹽漬土面積超過24 萬hm2,約占該地區(qū)土地總面積的44.04%[1]。濱海粘質鹽土是該地區(qū)最重要的土壤類型,占鹽堿土總面積的42.16%[2]。由于土壤有機質含量低、質地黏重,導致土壤結構不良、飽和導水率低[3,4],造成土壤鹽分淋洗困難、含鹽量高,影響作物生長和產量[5,6]。NaCl 是濱海粘質鹽土中的最主要鹽分,其含量占各類鹽分的70%以上,因此,如何降低土壤Na+、Cl-含量,成為濱海粘質鹽土降鹽機理研究的核心問題。各類有機材料在降低土壤鹽分含量的同時,還能增加土壤有機質含量[7-11],與脫硫石膏、沸石[12]等傳統(tǒng)無機材料相比優(yōu)勢明顯,因此,得到國內外學者的廣泛關注。腐殖酸鉀是一種綠色、高效、低廉的有機肥料,不僅能顯著增加土壤有機質含量,還可提高土壤持水能力、改善土壤吸收性能,在鹽堿土改良中可用于調控土壤各類鹽分離子的吸附、淋洗性能[13-16]。目前在眾多利用腐殖酸鉀改良鹽堿土的研究中,關注點主要集中在土壤養(yǎng)分、有機質含量以及作物生長和產量變化等方面[17-19],而關于腐殖酸鉀對土壤鹽分中不同離子吸附、淋洗特性影響的研究非常少見。本研究通過室內土柱模擬試驗,探究腐殖酸鉀對濱海粘質鹽土鹽分及主要離子吸附、淋洗特征的影響,明確腐殖酸鉀改良濱海粘質鹽土的降鹽機理,為黃河三角洲地區(qū)濱海粘質鹽土改良和高效利用提供科學的理論依據(jù)及技術支持。
研究區(qū)位于山東省濱州市無棣縣譚莊子村(117°92′21″E~117°93′40″E,37°93′38″N~37°94′40″N),是黃河三角洲地區(qū)濱海粘質鹽土分布最集中的區(qū)域。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候,多年平均降雨量為545 mm,且6-9月降雨量最為集中,占全年降雨量的75%以上,是山東省降雨量最少的地區(qū)。多年平均蒸發(fā)量為1 885 mm,年均蒸降比超過3,其中4、5月份蒸發(fā)量最大,約占全年蒸發(fā)量的42%。強烈的蒸發(fā)和極少的降雨導致研究區(qū)春季土壤返鹽嚴重,土壤鹽分表聚,表層土壤含鹽量一般在6.5~10 g/kg 之間,局部地區(qū)甚至超過25 g/kg。淺層地下水平均埋深約為1.5 m,礦化度一般為8~15 g/L,局部沿海地區(qū)可達30 g/L 以上,鹽分類型以NaCl 為主,占總鹽分比例超過70%,其中Cl-占陰離子總量的65%~85%左右,Na+占陽離子總量的60%~80%左右。
試驗用土取自山東省濱州市無棣縣譚莊子村田間試驗區(qū),腐殖酸鉀由山東農大肥業(yè)科技有限公司提供,試驗所用咸水取自試驗田旁淺層地下水,淡水為蒸餾水。腐殖酸鉀主要成分見表1,粘質鹽土和咸水的鹽分、離子含量見表2。
表1 腐殖酸鉀主要成分的測定結果Tab.1 Determination results of the main components of potassium humate
表2 粘質鹽土、咸水的鹽分及離子含量Tab.2 Salt and ion content of clayey saline soil and salt water
1.3.1 土柱設計和填裝
本研究采用的土柱外殼由PVC 管制成,土柱高度為200 mm,內徑為100 mm,土柱底部是與柱體相配套的圓形底蓋,底蓋上打有若干孔徑均勻的小孔作為出水口。為避免底層土壤滲漏,造成出水口堵塞,在土壤底部鋪蓋5 mm 厚的石英砂層,同時在石英砂層下鋪墊兩張與土柱等直徑濾紙,避免石英砂在淋洗過程中淋失,影響試驗結果。為便于土壤淋濾液的收集,利用塑料漏斗托住土柱底部,置于500 mL燒杯上方。
粘質鹽土經自然風干、研磨、過2 mm 篩后,與腐殖酸鉀混合均勻,按照田間土壤實際容重1.49 g/cm3填裝至土柱,控制各土柱質量基本一致。根據(jù)腐殖酸鉀添加量的不同,共設置5 組處理:CK(0 g/kg)、T1(0.6 g/kg)、T2(1.2 g/kg)、T3(1.8 g/kg)、T4(2.4 g/kg),每組處理設3個重復,各處理土柱的粘質鹽土和腐殖酸鉀設計重量見表3。
表3 室內土柱模擬試驗材料配比用量Tab.3 Proportion of materials for indoor soil column simulation test
1.3.2 試驗方法
土柱填裝完畢后,為確保腐殖酸鉀與粘質鹽土在自然狀態(tài)下充分混合,試驗開始前將土柱置于干燥通風的實驗室6個月。試驗開始后,首先用700 mL 咸水按少量多次的方法對土柱進行淋洗,靜置,待淋濾液體積不再增加為止;再用140 mL 淡水(模擬當?shù)靥镩g洗鹽灌水量)淋洗土柱。分別收集兩次淋洗后的土壤淋濾液,測定其體積、電導率值及離子含量。
(1)土壤含鹽量:風干土樣研磨后,過1 mm 篩,按照土水比1∶5 制取土壤浸提液,經振蕩、離心、過濾后,使用電導率儀(DDS-307A 型)測定電導率值,根據(jù)前期試驗得到的電導率值與土壤含鹽量間的標定方程,計算土壤含鹽量。
式中:y為土壤含鹽量,g/kg;x為25 ℃下土壤浸提液電導率值,mS/cm。
(2)離子含量:測定土壤含鹽量后的土壤溶液及土壤淋濾液經0.22 μm微孔濾膜過濾后,利用離子色譜儀(ICS-600型)測定土壤可溶性Na+、Cl-、SO42-含量。
利用Microsoft Excel 2010、SPSS 24.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,采用LSD 法,對不同處理進行差異顯著性檢驗,顯著性水平為0.05,極顯著性水平為0.01,文中所有圖形的繪制均在Microsoft Excel 2010中完成。
2.1.1 腐殖酸鉀添加量對土壤鹽分吸附的影響
從圖1可見,咸水淋洗前,土柱內土壤含鹽量呈現(xiàn)出隨腐殖酸鉀添加量增加而略有上升的變化趨勢,原因是腐殖酸鉀的含鹽量明顯高于粘質鹽土。經過少量多次的咸水淋洗,土柱內土壤吸附了咸水中的大量鹽分,使得各土柱內土壤含鹽量明顯增加,CK、T1、T2、T3、T4 五個處理的土壤含鹽量分別增加了20.67%、16.16%、12.62%、9.80%、11.21%,但腐殖酸鉀處理的土壤含鹽量增幅明顯小于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤含鹽量分別降低了3.74%、6.67%、9.01%、7.84%,均與CK差異極顯著(P<0.01)。
土壤含鹽量增加量為咸水淋洗后土柱內土壤鹽分吸附數(shù)量的增加量。由圖1可知,腐殖酸鉀處理的土壤含鹽量增加量均低于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤含鹽量增加量分別降低了26.68%、48.61%、67.13%、65.10%,與CK 的差異均達到極顯著水平(P<0.01)。結果表明,腐殖酸鉀能夠明顯改善粘質鹽土吸附特性,減少土壤鹽分吸附數(shù)量。
圖1 咸水淋洗后土柱內土壤含鹽量變化Fig.1 Changes of soil salt content in soil column after salt water leaching
2.1.2 腐殖酸鉀添加量對土壤鹽分淋洗的影響
由圖2可知,經過淡水淋洗,各處理土柱內土壤含鹽量明顯下降,CK、T1、T2、T3、T4 五個處理的土壤含鹽量分別降低了9.40%、14.29%、18.70%、20.59%、20.46%,且腐殖酸鉀處理的土壤含鹽量降幅明顯大于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤含鹽量分別降低了5.4%、10.27%、12.36%、12.21%,與CK的差異均達到極顯著水平(P<0.01)。
土壤含鹽量減少量為淡水淋洗后土柱內土壤鹽分的淋洗數(shù)量。從圖2可見,腐殖酸鉀處理的土壤含鹽量減少量均高于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤含鹽量減少量分別升高了12.22%、28.01%、23.20%、34.28%,其中T2、T3、T4 處理與CK 的差異達到極顯著水平(P<0.01)。結果表明,腐殖酸鉀能夠促進土壤鹽分淋洗,提高土壤鹽分淋洗效率,即在灌溉水量相同的條件下,能夠淋洗出更多的土壤鹽分,但由于腐殖酸鉀自身含有一定鹽分,利用其改良粘質鹽土時,需要將添加量控制在適宜范圍內。
圖2 淡水淋洗后土柱內土壤含鹽量變化Fig.2 Changes of soil salt content in soil column after freshwater leaching
2.2.1 腐殖酸鉀添加量對土壤Cl-吸附的影響
腐殖酸鉀的Cl-含量遠高于粘質鹽土,導致咸水淋洗前土柱內土壤Cl-含量隨腐殖酸鉀添加量增加而升高,見圖3。經過咸水淋洗,粘質鹽土吸附了大量Cl-,各處理土柱內土壤Cl-含量明顯升高,CK、T1、T2、T3、T4 五個處理的土壤Cl-含量分別增加了22.83%、17.52%、14.10%、12.53%、10.66%,但腐殖酸鉀處理的土壤Cl-含量增幅明顯小于CK。與CK相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤Cl-含量分別降低了4.33%、7.11%、8.39%、9.91%,均與CK差異極顯著(P<0.01)。
土壤Cl-含量增加量為咸水淋洗后土柱內土壤Cl-吸附數(shù)量的增加量。由圖3可知,腐殖酸鉀處理的土壤Cl-含量增加量均低于CK,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤Cl-含量增加量較CK 分別降低了28.06%、47.81%、59.45%、72.42%,與CK的差異均達到極顯著水平(P<0.01)。結果表明,腐殖酸鉀能夠抑制粘質鹽土對Cl-的吸附,且隨著腐殖酸鉀添加量增加,土壤Cl-含量增加量呈降低的變化趨勢。
圖3 咸水淋洗后土柱內土壤Cl-含量變化Fig.3 Changes of soil Cl-content in soil column after salt water leaching
2.2.2 腐殖酸鉀添加量對土壤Cl-淋洗的影響
從圖4可見,淡水淋洗后,各處理土柱內土壤Cl-含量明顯下降,CK、T1、T2、T3、T4 五個處理的土壤Cl-含量分別降低了13.23%、20.15%、23.64%、26.20%、27.48%,且腐殖酸鉀處理的土壤Cl-含量降幅明顯大于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤Cl-含量分別降低了7.97%、11.99%、14.94%、16.42%,與CK 的差異均達到極顯著水平(P<0.01)。
圖4 淡水淋洗后土柱內土壤Cl-含量變化Fig.4 Changes of soil Cl-content in soil column after fresh water leaching
土壤Cl-含量減少量為淡水淋洗后土柱內土壤Cl-的淋洗數(shù)量。由圖4可知,腐殖酸鉀處理的土壤Cl-含量減少量明顯高于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤Cl-含量減少量分別升高了19.56%、24.91%、34.61%、32.82%,均與CK差異極顯著(P<0.01)。結果表明,腐殖酸鉀能夠顯著提高土壤Cl-淋洗數(shù)量,促進土壤Cl-淋洗,且隨著腐殖酸鉀添加量增加,土壤Cl-含量減少量呈先升高后略微降低的變化趨勢。
2.3.1 腐殖酸鉀添加量對土壤SO42-吸附的影響
從圖5可見,咸水淋洗前土柱內土壤SO42-含量隨腐殖酸鉀添加量增加而升高,原因為腐殖酸鉀的SO42-含量高于粘質鹽土。經過咸水淋洗,大量SO42-被粘質鹽土吸附,各處理土壤SO42-含量明顯升高,CK、T1、T2、T3、T4 五個處理的土壤SO42-含量分別增加了16.57%、12.94%、10.40%、7.81%、5.09%,但腐殖酸鉀處理的土壤SO42-含量增幅明顯小于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤SO42-含量分別降低了3.12%、5.29%、7.52%、9.85%,均與CK 差異極顯著(P<0.01)。
圖5 咸水淋洗后土柱內土壤SO42-含量變化Fig.5 Changes of soil SO42-content in soil column after salt water leaching
土壤SO42-含量增加量為咸水淋洗后土柱內土壤SO42-吸附數(shù)量的增加量。由圖5可知,腐殖酸鉀處理的土壤SO42-含量增加量均低于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤SO42-含量增加量分別降低了27.01%、47.34%、68.04%、89.52%,與CK 的差異均達到極顯著水平(P<0.01)。結果表明,腐殖酸鉀能夠減少SO42-吸附數(shù)量,降低土壤SO42-含量,且隨著腐殖酸鉀添加量增加,土壤SO42-含量增加量基本呈線性降低的變化趨勢。
2.3.2 腐殖酸鉀添加量對土壤SO42-淋洗的影響
由圖6可知,淡水淋洗后,各處理土壤SO42-含量明顯降低,CK、T1、T2、T3、T4五個處理的土壤SO42-含量分別降低了12.01%、17.59%、20.94%、23.41%、26.94%,且腐殖酸鉀處理的土壤SO42-含量降幅明顯大于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤SO42-含量分別降低了6.34%、10.16%、12.95%、16.97%,與CK的差異均達到極顯著水平(P<0.01)。
土壤SO42-含量減少量為淡水淋洗后土柱內土壤SO42-的淋洗數(shù)量。從圖6可見,腐殖酸鉀處理的土壤SO42-含量減少量明顯高于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤SO42-含量減少量分別升高了20.51%、30.35%、32.33%、42.31%,其中TI 處理與CK 差異顯著(P<0.05),T2、T3、T4 處理與CK 的差異達到極顯著水平(P<0.01)。結果表明,腐殖酸鉀能夠提高土壤SO42-淋洗數(shù)量,促使SO42-排出土體,且隨著腐殖酸鉀添加量增加,土壤SO42-含量減少量呈上升的變化趨勢。
圖6 淡水淋洗后土柱內土壤SO42-含量變化Fig.6 Changes of soil SO42-content in soil column after fresh water leaching
2.4.1 腐殖酸鉀添加量對土壤Na+吸附的影響
從圖7可見,由于腐殖酸鉀的Na+含量明顯高于粘質鹽土,導致咸水淋洗前土壤Na+含量隨腐殖酸鉀添加量增加而增大。咸水淋洗后,土壤膠體吸附了大量Na+,各處理土壤Na+含量明顯升高,CK、T1、T2、T3、T4 五個處理的土壤Na+含量分別增加了22.83%、17.52%、14.10%、12.53%、10.66%,但腐殖酸鉀處理的土壤Na+含量增幅明顯小于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤Na+含量分別降低了4.14%、9.05%、10.16%、9.6%,其中T1 處理與CK 差異顯著(P<0.05),T2、T3、T4處理與CK的差異達到極顯著水平(P<0.01)。
圖7 咸水淋洗后土柱內土壤Na+含量變化Fig.7 Changes of soil Na+content in soil column after salt water leaching
土壤Na+含量增加量為咸水淋洗后土柱內土壤Na+吸附數(shù)量的增加量。由圖7可知,腐殖酸鉀處理的土壤Na+含量增加量均低于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤Na+含量增加量分別降低了21.84%、 47.51%、 54.10%、52.31%,其中T1 處理較CK 有顯著差異(P<0.05),T2、T3、T4處理與CK 差異極顯著(P<0.01)。結果表明,腐殖酸鉀能夠明顯改善粘質鹽土對Na+的吸附特性,減少Na+吸附數(shù)量,且隨著腐殖酸鉀添加量增加,土壤Na+含量增加量呈先下降后逐漸穩(wěn)定的變化趨勢。
2.4.2 腐殖酸鉀添加量對土壤Na+淋洗的影響
由圖8可知,淡水淋洗后,各處理土壤Na+含量明顯降低,CK、T1、T2、T3、T4 五個處理的土壤Na+含量分別降低了10.52%、17.60%、24.04%、25.07%、25.92%,且腐殖酸鉀處理的土壤Na+含量降幅明顯大于CK。與CK 相比,T1、T2、T3、T4 四個處理的土壤Na+含量分別降低了7.91%、15.1%、16.26%、17.21%,與CK的差異均達到極顯著水平(P<0.01)。
土壤Na+含量減少量為淡水淋洗后土柱內土壤Na+的淋洗數(shù)量。從圖8可見,腐殖酸鉀處理的土壤Na+含量減少量明顯高于CK。與CK相比,T1、T2、T3、T4四個處理的土壤Na+含量減少量分別升高了27.85%、42.41%、41.64%、55.04%,其中TI 處理與CK 差異顯著(P<0.05),T2、T3、T4 處理與CK 的差異達到極顯著水平(P<0.01)。結果表明,腐殖酸鉀可有效提高土壤Na+淋洗數(shù)量,降低土壤Na+含量,且隨著腐殖酸鉀添加量增加,土壤Na+含量減少量呈上升的變化趨勢。
圖8 淡水淋洗后土柱內土壤Na+含量變化Fig.8 Changes of soil Na+content in soil column after fresh water leaching
受區(qū)域內淺層地下水離子組成的影響,黃河三角洲地區(qū)的粘質鹽土為典型的氯化物型鹽漬土,而土壤Cl-含量過高,會破壞作物正常的生理代謝進程,嚴重危害作物生長[20,21]。因此,提高土壤Cl-淋洗效率,降低土壤Cl-含量對于作物生長環(huán)境的改善具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn):與CK 相比,腐殖酸鉀處理的土壤Cl-含量明顯降低,原因為腐殖酸鉀含有多種帶負電的官能團,溶于水后能夠明顯增強土壤膠體的電負性[22],進而增大了土壤膠體與Cl-間斥力,導致Cl-更難被土壤膠體吸附,吸附數(shù)量明顯降低,這有利于降低土壤Cl-濃度,減輕Cl-對作物生長的毒害作用,與劉雅輝[23],王鵬山[24]等人的研究結果相一致;同時Cl-自身性質穩(wěn)定,不易與土壤其他離子發(fā)生化學反應生成絡合物或沉淀,隨水分遷移運動速度快[25],添加腐殖酸鉀后,Cl-淋洗效率明顯提高,即在淋洗水量相同的條件下,更多的Cl-隨水分運動排出土體,這有助于減少灌溉洗鹽的淡水用量,可在一定程度上緩解黃河三角洲地區(qū)淡水資源緊張的現(xiàn)狀。
Na+作為重要的土壤分散劑,含量過高會導致土壤顆粒膨脹,使土壤粘粒和團聚體分散,造成土壤結構惡化,表現(xiàn)為土壤緊實板結,通透性差[26,27],土壤鹽分淋洗困難,成為限制黃河三角洲地區(qū)粘質鹽土資源高效利用的關鍵因素。研究表明,脫硫石膏能夠有效降低土壤Na+含量,但改良成本相對較高,難以在農田進行大面積推廣,同時脫硫石膏也會將Hg、As 等重金屬元素引入土壤,長期施用會增大土壤重金屬污染的潛在風險[28],故不適用于黃河三角洲地區(qū)粘質鹽土改良。腐殖酸鉀作為一種高效、綠色、經濟、實用的新型改良材料,含有羧基、羥基[29]等多種活性含氧基團,極大地增強了粘質鹽土陽離子交換能力,同時腐殖酸鉀本身含有的Ca2+、Mg2+與土壤膠體吸附力更強,能夠將被土壤膠體吸附的Na+置換到土壤溶液中,使得粘質鹽土對Na+的吸附作用減弱,Na+淋洗速率加快,Na+含量降低,土壤結構狀況改善,導水性能提升,有利于提高土壤鹽分淋洗效率[30,31],增強土壤鹽分淋洗效果,減輕黃河三角洲地區(qū)土壤鹽漬化程度[32,33]。
綜合考慮各處理腐殖酸鉀的降鹽效果和經濟成本,對黃河三角洲地區(qū)濱海粘質鹽土進行改良,腐殖酸鉀的推薦添加量為1.8 g/kg,后續(xù)應進一步開展腐殖酸鉀針對不同質地鹽漬土的降鹽機理研究。
基于室內土柱模擬試驗,本文系統(tǒng)研究了腐殖酸鉀對土壤鹽分、Cl-、SO42-、Na+含量變化的影響,并分別分析了咸、淡水淋洗后腐殖酸鉀對土壤鹽分及離子吸附、淋洗的影響,結論如下:
(1)與CK 相比,咸、淡水淋洗后腐殖酸鉀處理的土壤含鹽量、Cl-、SO42-、Na+含量均顯著降低,各離子含量的降低幅度依次為:Na+>Cl->SO42-。
(2)添加腐殖酸鉀能夠顯著降低粘質鹽土對鹽分、Cl-、SO42-、Na+的吸附數(shù)量,增強淡水對土壤鹽分、Cl-、SO42-、Na+的淋洗效果。
(3)綜合來看,當腐殖酸鉀添加量為1.8 g/kg 時,粘質鹽土的降鹽效果最為顯著,這一結果可為黃河三角洲地區(qū)濱海粘質鹽土改良提供參考。