李陽明，涂安國，謝頌華*，鄭海金，盧玉東

(1. 長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054； 2. 江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 3. 長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

紅砂巖土壤約占江西省土地面積的10%，主要分布在海拔30～300 m的低丘陵崗地，存在土壤結(jié)構(gòu)差、蓄水能力弱、有機(jī)質(zhì)含量低、水土流失嚴(yán)重等問題[1].該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 具有降雨豐沛、熱量充足, 春秋短、夏冬長的特點.但此地降雨時空分布不均，與蒸發(fā)不同步，4—6月降雨量約占全年總降雨量的50%，7—9月蒸發(fā)量接近全年的50%.由此，該區(qū)常出現(xiàn)嚴(yán)重伏、秋季節(jié)性干旱災(zāi)害，從而阻礙農(nóng)作物生長，甚至引起成災(zāi)絕收現(xiàn)象.因此，提高紅砂巖土壤的水土保持能力，是促進(jìn)旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措.

保水劑是近年來迅猛發(fā)展的一種新型高分子材料[2]，具有反復(fù)吸收和釋放水分的功能，可增強(qiáng)土壤保水性[3-5]，減少土壤水分和養(yǎng)分流失，在增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量[6]、緩解農(nóng)田干旱缺水現(xiàn)狀、提高土壤保水保肥能力等方面發(fā)揮重要作用.研究發(fā)現(xiàn)，保水劑在一定濃度范圍內(nèi)，具有降低土壤密度、提高土壤孔隙度的功效[7].在保水劑對入滲性能的影響方面，學(xué)者們的觀點不完全一致，有的發(fā)現(xiàn)施用保水劑能夠增加入滲率，減少土壤侵蝕[8]；有的則發(fā)現(xiàn)保水劑對土壤入滲的影響具有范圍性[9].還有的發(fā)現(xiàn)，保水劑可使垂直入滲率在各時間點有不同程度減小，累積入滲量增加了42%左右，滲吸持續(xù)時間增長了134%～390%，滲透系數(shù)減小了65%～85%，且這4種變化具有隨保水劑用量增加而加劇的趨勢[10].因為保水劑保水、改善土壤結(jié)構(gòu)的功效，隨著施用量的增加，其抑制土壤水分蒸發(fā)速率的能力也越強(qiáng)[11]；同時保水劑可以提高土壤水分的利用率，當(dāng)土壤水分虧缺時，保水劑吸收的水能釋放補(bǔ)充土壤水分[12]，增強(qiáng)保水抗旱效益.然而已有研究結(jié)果也表明，在不同地區(qū)、不同土質(zhì)的土壤中施用保水劑均出現(xiàn)不同的反應(yīng).

因此，文中針對南方紅壤區(qū)季節(jié)性干旱的氣候特點，開展在主要土壤類型為由紅砂巖發(fā)育形成的紅壤的柑橘果樹種植園內(nèi)施用保水劑，以應(yīng)對土壤抗旱問題的應(yīng)用性研究，通過控制保水劑施用量，進(jìn)行土柱入滲試驗、土壤水分蒸發(fā)試驗和土壤水分特征曲線測定，以探究保水劑對紅砂巖土壤持水特性的影響及最優(yōu)施用量，旨在為南方丘陵季節(jié)性干旱區(qū)保水劑科學(xué)施用、提高水資源利用及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用的紅砂巖土壤取自江西省寧都縣石上鎮(zhèn)一旱坡地(116°4′19″E,26°37′2″N).采集0～40 cm土層的土壤，取樣后將其充分混合，自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)，過2 mm篩后制成樣品備用.通過比重計法對供試土壤進(jìn)行顆粒分析，其砂粒含量90.22%、粉粒含量7.93%、黏粒含量1.85%，按照國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，土壤定名為壤質(zhì)砂土.保水劑為東營華業(yè)新材料有限公司生產(chǎn)的沃特多功能保水劑，顆粒大小2.36 mm左右，主要成分為丙烯酰胺+丙烯酸+氫氧化鉀+凹凸棒，可反復(fù)吸放水.經(jīng)試驗測定，沃特多功能保水劑在去離子水中的吸水倍率約為220倍，在0.9%生理鹽水中的吸水倍率約為90倍.

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置

土柱入滲試驗裝置由土柱裝置和供水裝置2個部分組成，如圖1所示.土柱裝置分為上下2個部分，材質(zhì)均為有機(jī)玻璃，上部為土柱，下部是集水裝置.有機(jī)玻璃管土柱底部用0.074 mm濾布封底口，并在濾布上墊少量砂子(約2 cm厚)，便于土柱通氣排水.供水裝置包括馬氏瓶、電子天平(精度0.01 g)和升降平臺.試驗通過調(diào)節(jié)升降平臺的高度保證水頭供水，土柱外側(cè)貼有刻度尺，方便觀測并記錄濕潤鋒進(jìn)尺深度.利用電子天平讀取馬氏瓶內(nèi)剩余水量.

圖1 試驗裝置簡圖

1.2.2 土柱入滲試驗

試驗設(shè)計保水劑占干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)δ分別為0，0.25‰，0.50‰，1.00‰和2.00‰，共5個處理，分別記為CK，T1，T2，T3和T4.將保水劑按設(shè)定比例與紅砂巖土壤混合均勻后，根據(jù)野外田間測定的土壤容重，裝填土壤容重設(shè)定為1.4 g/cm3，總裝填深度為25 cm，整個試驗重復(fù)3次.

入滲試驗利用馬氏瓶供水并保持土柱表面2.0 cm的液面深度.濕潤鋒進(jìn)度和馬氏瓶內(nèi)水量消耗(入滲量)將按試驗設(shè)計時間間隔記錄，0～1 min每0.5 min記錄1次，1～6 min每1 min記錄1次，6 min以后每2 min記錄1次.

入滲試驗結(jié)束后，對每個土柱逐漸加入1 000 mL水，以保證土壤處于飽和狀態(tài).之后每日上午利用時域反射儀(TDR)測定記錄土壤含水量，首次測量前將進(jìn)行TDR校準(zhǔn)，每個土柱重復(fù)測量3次，最后取平均值，試驗連續(xù)35 d.

1.2.3 土壤水分特征曲線的測定及曲線擬合

將5個處理的土樣按1.4 g/cm3的容重裝填后充分吸水24 h，測定其土壤水分特征曲線，每個處理設(shè)2個重復(fù).土壤水分特征曲線所采用的儀器是美國Soil Moisture公司生產(chǎn)的1.5 MPa壓力膜儀.儀器設(shè)定9個壓力，分別為0.01，0.03，0.05，0.07，0.10，0.15，0.30，0.50，1.00和1.50 MPa.

采用Van Genuchten(VG)模型，通過非線性最小二乘法并借助RETC軟件求解擬合模型的各參數(shù).

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)均采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，Origin 2016軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑對土壤水分特征曲線的影響

土壤水分特征曲線反映了土壤中含水量(質(zhì)量或者體積含水量)與土壤水吸力之間的關(guān)系.圖2為不同保水劑施用量處理土壤水分特征曲線，圖中ω為質(zhì)量含水量、h為土壤水吸力(水柱高度).由圖可知，保水劑沒有明顯改變紅砂巖持水的基本特征，即與未施用保水劑的土壤一樣(CK)，土壤均大約在水吸力196.13 kPa(2 000 cm水柱)范圍內(nèi)仍然保持著一個明顯的快速失水區(qū)域.根據(jù)張斌等[13]研究得出紅壤土壤水分的有效庫容量為30 kPa(水柱305 cm)～1 500 kPa(水柱153 000 cm)的土壤貯水量，這表明在土壤中施用保水劑不會對作物根系吸水造成影響.

圖2 不同保水劑施用量處理土壤水分特征曲線

土壤水分含量隨著土壤水吸力增大而減小.楊浩等[14]將800 kPa作為土壤水吸力低吸力階段(水柱0～8 160 cm)和高吸力階段(水柱8 160～15 300 cm)的分水嶺.低吸力階段，土壤重力水從大孔隙流失，脫水過程迅速，土壤持水能力較弱，土壤含水量隨吸力增大而下降明顯，土壤水分特征曲線表現(xiàn)為“陡直狀”；高吸力階段，受到土壤顆粒表面分子吸附力的作用，脫水過程緩慢，土壤持水能力較強(qiáng)，含水量隨吸力增大而變化不明顯，土壤水分特征曲線表現(xiàn)為“平緩狀”.這說明土壤水分消耗處于低吸力階段時，通過增加保水劑施用量以提高土壤水分含量效果顯著；而高吸力階段，通過增加保水劑施用量以提高土壤水分含量的意義不大.

邢旭光等[15]對多個模型開展適應(yīng)性研究，得出VG模型對于不同土壤質(zhì)地的土壤水分特征曲線，具有模擬精度高、普適性強(qiáng)和擬合效果好的特點.表1為VG模型的擬合參數(shù)值，表中物理量分別為殘余含水量θr(體積)，飽和含水量θs(體積)，進(jìn)氣值相關(guān)參數(shù)α，開關(guān)系數(shù)n，確定性系數(shù)R2，標(biāo)準(zhǔn)差σ.由表可以看出，添加保水劑的紅砂巖土壤水分特征曲線VG模型確定性系數(shù)(R2)均大于0.996，標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.000 2，且擬合曲線與實測值基本重合.表明VG模型對不同保水劑施用量的紅砂巖土壤水分特征曲線擬合效果好、精度高.

表1 VG模型的擬合參數(shù)值

由表1還可知，隨保水劑施用量增加，除θs呈現(xiàn)出增大的趨勢外，其余θr，α和n總體上呈先增大后減小的規(guī)律.θs升高的原因在于土體內(nèi)部的保水劑吸水后形成的水凝膠體積膨脹，擠壓周圍土體，提高了土壤內(nèi)部的孔隙度，使得土壤中重力水含量增加.

綜上可知，保水劑主要增強(qiáng)低吸力階段的紅砂巖土壤水分含量.因此保水劑對紅砂巖土壤的持水作用在于改善土壤大孔隙持水能力，即增加重力水，而不是增強(qiáng)土壤顆粒表面分子吸附力.

2.2 保水劑對土壤入滲的影響2.2.1 保水劑對累積入滲量的影響

圖3為不同保水劑施用量條件下紅砂巖土壤的入滲過程，圖中物理量：累積入滲量Q，入滲率μ，濕潤鋒運移距離H，入滲時間t.分析圖3a可得，累積入滲量與入滲時間呈良好的冪函數(shù)關(guān)系(P<0.01).相同入滲時間內(nèi)，不施用保水劑(CK)的紅砂巖土壤的累積入滲量最大，且隨著施用量增加，累積入滲量持續(xù)減少.例如入滲至30 min時，處理CK，T1，T2，T3，T4的累積入滲量分別為6.72，6.35，5.83，6.29，5.28 cm；相對于CK，經(jīng)保水劑處理的T1，T2，T3，T4累積入滲量分別減少5.4%，13.2%，6.3%和21.4%.這說明保水劑處理降低了水分入滲量，抑制了紅砂巖土壤的入滲性能.

圖3 不同保水劑施用下的入滲過程

2.2.2 保水劑對土壤入滲率的影響

由圖3b可知，整個入滲過程中，各處理的土壤入滲率隨時間的變化趨勢基本一致，入滲率與入滲時間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.根據(jù)入滲率隨入滲時間的變化關(guān)系，可將入滲過程分成初滲階段和穩(wěn)滲階段.初滲階段入滲率較大，在0～7 min急劇減?。缓箅S入滲時間推移，進(jìn)入穩(wěn)滲階段，該階段土壤入滲率減小趨勢愈來愈小并逐漸趨于穩(wěn)定.保水劑是一種高分子聚合物，吸水后發(fā)生膨脹，初滲階段土壤入滲率主要受到土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，而穩(wěn)滲階段則受到土壤中溶解離子的影響增大，使得保水劑吸水倍率降低，導(dǎo)致土壤入滲率減少并逐漸趨于平緩.

初滲階段0～7 min，處理CK的平均入滲率最大，為109.1 cm/min，而受到抑制程度最大的是處理T4，其平均入滲率為76.8 cm/min，抑制程度達(dá)到了29.6%；穩(wěn)滲階段各處理平均入滲率基本一致，保水劑對該階段的平均入滲率影響不大.由此可知，保水劑的施用對土壤水分入滲率的抑制效果主要作用在初滲階段.試驗結(jié)果與王昱程等[10]研究所得出的關(guān)于土壤添加保水劑后對水分入滲率隨時間變化規(guī)律及保水劑有著降低水分垂直入滲率的結(jié)果一致，但與于健等[8]的研究結(jié)果不一致，其研究顯示施用保水劑能夠增加入滲率，這可能與試驗土質(zhì)的不同有關(guān).因為其使用的供試土壤為砂壤土，砂粒含量約為60%，而文中的土壤為壤質(zhì)砂土，砂粒含量接近90%.

2.2.3 保水劑對土壤濕潤鋒運移的影響

由圖3c可知，土體濕潤鋒運移距離隨入滲時間的變化趨勢和累積入滲量隨入滲時間的變化規(guī)律具有一致性，兩者均與入滲時間存在正相關(guān)關(guān)系，隨著入滲時間延長，保水劑施用量對濕潤鋒推移距離的影響不斷加大.

同一時刻，入滲濕潤鋒推移距離與保水劑施用量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，不施用保水劑的對照組CK的濕潤鋒推進(jìn)深度最大，隨著保水劑施用量增加，濕潤鋒運移距離越短.當(dāng)入滲時間處于60 min時，處理CK，T1，T2，T3和T4的濕潤鋒推進(jìn)距離分別為25.0，22.8，22.2，21.3，20.7 cm，相對于CK的濕潤鋒推進(jìn)距離，處理T1，T2，T3和T4的分別減少8.8%，11.2%，14.8%和17.2%.處理CK，T1，T2，T3和T4的入滲持續(xù)時間分別為60，68，72，76，80 min，相對于CK入滲至土柱底部的時間，處理T1，T2，T3和T4分別增加了13.3%，20.0%，26.7%和33.3%.表明保水劑能延緩入滲，延長入滲持續(xù)時間.這與費良軍等[16]的研究結(jié)果一致，土壤內(nèi)部的保水劑吸水，延緩了濕潤鋒推移進(jìn)程，說明紅砂巖土壤中保水劑施用量的增加，有助于土壤保水性能的提升.

2.2.4 保水劑施用對土壤蒸發(fā)的影響

圖4為蒸發(fā)過程中土壤水分含量變化，圖中θ為體積含水率，td為水分蒸發(fā)時間.通過擬合曲線，土壤水分含量變化擬合曲線的斜率分別為-0.627，-0.576，-0.556，-0.532和-0.501，其正值即為土壤水分蒸發(fā)速率γ.由此可知，隨著保水劑施用量增加，土柱內(nèi)土壤水分蒸發(fā)速率顯著減小，通過統(tǒng)計分析，整個過程中處理T1，T2，T3和T4相比CK的土壤水分蒸發(fā)速率分別降低了8.1%，11.3%，15.2%和20.1%，其中T4對土壤含水量變化率的降幅最大，可達(dá)20.1%.經(jīng)過35 d自然蒸發(fā)后，相對于CK，處理T1，T2，T3和T4的土壤水分含量分別高26.6%，43.6%，35.6%和58.5%.可見，通過保水劑抑制土壤水分蒸散發(fā)是提高紅砂巖土壤水分利用率和土壤持水抗旱能力的重要途經(jīng).這與王露等[17]的研究結(jié)果是一致的.

圖4 土壤35 d水分含量

2.3 保水劑最佳施用量

以保水劑施用量(即保水劑占干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)δ)、飽和含水量θs和蒸發(fā)速率γ為基礎(chǔ)計算效益表，見表2，表中Δθs為飽和含水量提升率、λ為蒸發(fā)抑制程度.通過繪制散點圖，擬合二次函數(shù)曲線求其倒數(shù)，獲得極值，確定最佳保水劑施用量.

表2 保水劑施用量效益表

以表2中保水劑施用量為橫坐標(biāo)，以其土壤飽和含水量提升率為縱坐標(biāo)，制作散點圖，如圖5所示，將兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，得到一元二次函數(shù)，經(jīng)求導(dǎo)后取得極值，保水劑最佳施用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.88‰，最佳飽和含水量提升率為29.75%.同理，以表2中保水劑施用量為橫坐標(biāo)，以其土壤蒸發(fā)抑制程度為縱坐標(biāo)，制作散點圖，如圖6所示，可知在蒸發(fā)方面保水劑最佳施用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.71‰，最佳蒸散發(fā)抑制程度為32.65%.

圖5 保水劑施用量與飽和含水量提升率的關(guān)系

圖6 保水劑施用量與蒸散發(fā)抑制程度的關(guān)系

因此，在僅考慮保水劑施用量、飽和含水量提升率與蒸發(fā)抑制程度的前提下，由二次函數(shù)法可得，紅砂巖土壤最佳保水劑施用量范圍為0.50‰～1.00‰，此范圍飽和含水量提升率與蒸發(fā)抑制程度均能取得極值.今后研究中應(yīng)加強(qiáng)該濃度區(qū)間插值分析.

3 結(jié) 論

通過紅砂巖土壤的保水劑土柱試驗和測定土壤水分特征曲線，對比分析了不同保水劑施用量對紅砂巖土壤持水性能的影響，得到以下主要結(jié)論：

1) 施用保水劑主要增強(qiáng)低吸力階段的紅砂巖土壤含水量，增加重力水.

2) 保水劑的施用可抑制紅砂巖土壤的入滲性能，降低水分垂直入滲率，延長入滲持續(xù)時間，從而提升土壤保水性能.

3) 保水劑施用量的增加，能顯著降低土壤水分蒸發(fā)速率，增強(qiáng)紅砂巖土壤的抗旱能力.

4) 紅砂巖土壤最佳保水劑施用量范圍為0.50‰～1.00‰，此區(qū)間內(nèi)最佳飽和含水量提升率可達(dá)29.75%，最佳蒸散發(fā)抑制程度可達(dá)32.65%.

5) 保水劑能夠有效增強(qiáng)紅砂巖土壤持水性能，減少土壤水分流失，提高土壤抗旱能力，是促進(jìn)旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施.