劉 月，李孟釗，徐志杰，馬曉蔚，宋依依，張金鵬，王世斌，高佩玲,

(1.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

黃河三角洲地區(qū)區(qū)域條件優(yōu)越，在我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展中占據(jù)著重要地位[1]，但由于該地區(qū)地下水埋藏較淺，礦化度較高，土壤質(zhì)地以粉砂和細(xì)砂為主，地下水鹽分易集聚地表，導(dǎo)致土壤鹽漬化[2]。近年來該地區(qū)鹽漬化土地面積已達(dá)63.22萬hm2，占土壤總面積的50.88%[3]，土壤鹽分含量過高、鈉離子毒害作用加強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致植物吸水困難，土壤板結(jié)、肥力差[4]，嚴(yán)重制約植物的正常生長(zhǎng)，對(duì)糧食生產(chǎn)和生態(tài)安全造成威脅，影響經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，改良及合理開發(fā)利用鹽堿地對(duì)于改善土壤環(huán)境、提高農(nóng)作物產(chǎn)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鹽堿地改良做了許多研究，鹽堿地改良一般有水利、物理、化學(xué)、生物等措施，其中水利改良措施有灌排配套、蓄淡壓鹽和地下排鹽，物理措施有平整土地、深耕曬垡、抬高地形等，化學(xué)措施有向耕地中施加石膏、生物炭、腐殖酸、有機(jī)肥等物質(zhì)，生物措施為種植耐鹽作物、使用生物菌肥等[5-7]。黃河三角洲地區(qū)鹽堿土改良進(jìn)行了大規(guī)模的研究和治理工作，積累了有效措施和方法[8]。但水利措施投資大、維護(hù)費(fèi)用高；生物措施僅適用于土壤鹽漬化水平低的地域；而化學(xué)方法易導(dǎo)致土壤的次生鹽堿化。近年來隨著黃河流域自然環(huán)境的惡化、工業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，農(nóng)業(yè)用水所占比例下降[9]，而鹽堿地改良又需要消耗大量淡水資源，在水資源十分匱乏的黃河三角洲地區(qū)需要研發(fā)新型改良措施。作為目前比較常用的物理改良措施，土壤摻沙、生物炭具有操作簡(jiǎn)單、材料來源廣泛等特點(diǎn)而被應(yīng)用。

鹽漬化土壤的板結(jié)嚴(yán)重，土壤透氣、透水性變差，嚴(yán)重影響作物根系對(duì)水分的吸收利用。而施加沙、生物炭能有效改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)土壤水分的再分布，是改良鹽漬土的理想改良劑。在摻沙改良方面，有研究表明鹽堿土壤表層摻沙或覆沙可以改善土壤結(jié)構(gòu)，使土壤的有效孔隙度增大、通透性增強(qiáng)，從而改變鹽堿土的水鹽運(yùn)移規(guī)律，摻沙使土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，保水、蓄水能力增大[10-11]。劉俸[12]研究認(rèn)為覆砂能夠有效抑制土壤水分蒸發(fā)，影響土壤含水率分布，并且隨著砂石覆蓋量的增加，土壤平均含水率越高，水分蒸發(fā)作用越弱。近年來，生物炭作為一種新型改良劑，被廣泛應(yīng)用于土壤改良中。生物炭穩(wěn)定的芳香化結(jié)構(gòu)、高的比表面積、較多的官能團(tuán)和孔性，使其具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和吸附性，這些特性使得生物炭廣泛應(yīng)用于土壤固碳、提高作物產(chǎn)量、修復(fù)污染土壤等方面[13]。Glaser等[14]研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以吸水，改善土壤持水性。Lin等[15]研究表明，生物炭可以提高鹽堿土的生產(chǎn)力和碳固存，使生長(zhǎng)在濱海鹽堿土的小麥單株籽粒質(zhì)量增加了27.7%。為了更直觀地確定兩種物理改良劑的改良效果，本文以黃河三角洲地區(qū)的濱州中度鹽堿耕地為研究對(duì)象，以農(nóng)田廢棄物棉花秸稈制備的生物炭和引黃灌溉中形成的黃河沉沙作為土壤改良劑，利用室內(nèi)一維垂直積水入滲試驗(yàn)，在土壤表層加入不同比例生物炭和河沙，探究?jī)煞N改良物質(zhì)對(duì)中度鹽堿土土壤水分入滲特性的影響，以及入滲完成后土壤的脫鹽深度與脫鹽率，分析河沙和生物炭在改善土壤入滲性能和調(diào)節(jié)水鹽運(yùn)移中的作用，為黃河三角洲地區(qū)鹽堿地改良問題提供理論依據(jù)，以此達(dá)到降低鹽堿土改良成本，緩解廢棄物對(duì)環(huán)境造成的壓力，加強(qiáng)研發(fā)新型友好型改良劑的目的。

1 材料與方法

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)材料與裝置 試驗(yàn)用中度鹽堿土取自山東省濱州市濱城區(qū)中裕生態(tài)產(chǎn)業(yè)園，取土剖面層次為0～20、20～40、40～60、60～80 cm的擾動(dòng)土，經(jīng)晾曬風(fēng)干、過2 mm篩后均勻混合制成室內(nèi)試驗(yàn)用土。并采用環(huán)刀法[16]測(cè)定0～80 cm土壤平均容重和田間持水率，具體結(jié)果見表1。試驗(yàn)中的河沙取自黃河三角洲地區(qū)黃河河沙(不含鹽)，河沙經(jīng)過淘洗、晾干、過篩(2 mm)處理后，利用Mastersizer 3000型激光粒度儀測(cè)定土壤顆粒組成，并對(duì)試驗(yàn)土壤質(zhì)地進(jìn)行劃分，具體結(jié)果見表2。

表1 供試土壤的基本物理化學(xué)性質(zhì)

表2 供試土壤和河沙顆粒組成

生物炭購自山東省銘宸環(huán)衛(wèi)設(shè)備有限公司，原材料為棉花秸稈，裂解溫度在800℃以下，反應(yīng)時(shí)間約為72 h，是不完全燃燒生成的黑色粉末。生物質(zhì)炭pH值為8.6，密度是0.297 g·cm-3,含碳量為73%。

灌溉水量根據(jù)旱作物播前灌水定額的公式計(jì)算得到[17]，具體計(jì)算公式為：

M=H(θmax-θ0)γ土

(1)

式中，H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的深度，采用H=60 cm；θmax為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層所允許的最大含水率，一般取田間持水率，θmax=28.62%；θ0為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的初始含水率，θ0=2.00%；γ土為土壤容重，γ土=1.39 g·cm-3。由上述公式計(jì)算得到土柱模擬試驗(yàn)1次灌溉用水量為743.6 mL。

本研究基于室內(nèi)一維積水土柱入滲試驗(yàn)，故涉及到的主要試驗(yàn)裝置包括馬氏瓶和土柱；土柱是由有機(jī)玻璃管制成，尺寸為直徑8 cm，高90 cm；馬氏瓶為供水裝置，尺寸為截面積50.24 cm2，高50 cm，供水水頭控制在2 cm左右；在土柱10 cm以下，兩側(cè)每隔5 cm鉆一個(gè)直徑15 mm的對(duì)稱圓形取樣孔，以便試驗(yàn)結(jié)束后分層取出土樣，并為后期測(cè)定土壤中水、鹽提供原始土壤樣品；土柱口用保鮮膜封蓋，減少試驗(yàn)水分蒸發(fā)和外來污染；土柱和馬氏瓶側(cè)壁上均標(biāo)有刻度，用于觀測(cè)并記錄試驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

1-導(dǎo)氣管; 2-進(jìn)水口; 3-馬氏瓶; 4-輸水管; 5-止水夾;6-土柱;7-取樣口; 8-定水頭控制臺(tái)1-Air duct；2-Intake；3-Markov bottle; 4-Delivery pipe; 5-Flatjaw pinchcock;6-Soil column; 7-Sample connection；8-Fixed head control console

1.1.2 室內(nèi)土柱試驗(yàn) 2019年9月至11月在室內(nèi)進(jìn)行一維垂直積水入滲試驗(yàn)，研究不同摻沙和摻生物炭比例對(duì)土壤理化性質(zhì)和入滲機(jī)制的影響，試驗(yàn)分別設(shè)置摻沙比例(重量比)為：CK(摻沙或生物炭0%)、S1(摻沙5%)、S2(摻沙10%)、S3(摻沙20%)，摻生物炭比例(重量比)為：C1(摻生物炭0.5%)、C2(摻生物炭1%)、C3(摻生物炭2%)，共7個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。

土柱內(nèi)裝土高度為80 cm，將土樣按土壤容重1.39 g·cm-3、河沙容重1.60 g·cm-3，分16層，每層5 cm均勻填裝，且層間打毛，使各裝填土層接觸良好。前20 cm作摻沙、摻生物炭處理，摻沙和摻生物炭時(shí)按設(shè)計(jì)比例稱取相應(yīng)質(zhì)量的土、河沙或生物炭，將生物炭或河沙與土壤混合均勻后正常裝填；20～80 cm為純土層。裝填完畢后，在土壤表層放一張濾紙，避免馬氏瓶供水時(shí)對(duì)土表造成沖刷。同時(shí)調(diào)整馬氏瓶的高度，使入滲水頭在2 cm左右。試驗(yàn)過程中記錄馬氏瓶水位和濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移變化，灌溉定額結(jié)束后停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后立即從土表至濕潤(rùn)鋒處(5 cm)分層取樣，每層取3次重復(fù)，用以測(cè)定土壤含水率、土壤含鹽量。

1.2 樣品測(cè)定方法

土壤含水率：采用烘干法[18]測(cè)定，具體操作為：在已稱重的鋁盒中放入20～30 g鮮土，放入烘箱中在105℃下烘干12 h，冷卻后當(dāng)即稱重，計(jì)算質(zhì)量含水率。

土壤含鹽量：將風(fēng)干土樣研磨后過1 mm篩，制取土壤浸提液(水土比5∶1)，使用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測(cè)定浸提液電導(dǎo)率，并校正為25℃下的電導(dǎo)率。然后，根據(jù)土壤浸提液電導(dǎo)率和土壤含鹽量之間的關(guān)系[19-20]，將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為含鹽量。具體轉(zhuǎn)化公式為：

y=2.160EC5∶1+0.303

(2)

式中，y為土壤含鹽量(g· kg-1)；EC5∶1為25℃下水土比為5∶1的土壤浸提液電導(dǎo)(mS· cm-1)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，Origin 9.0軟件繪圖，SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用單因素方差分析LSD法比較不同處理間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層摻沙、摻生物炭對(duì)土壤水分入滲的影響

土壤表層摻沙、生物炭對(duì)累積入滲量和濕潤(rùn)鋒深度的影響見圖2、圖3。

圖2 土壤表層摻沙、摻生物炭處理的土壤累積入滲量隨時(shí)間變化曲線

圖3 土壤表層摻沙、摻生物炭處理的土壤濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間的變化曲線

由圖2可知，在相同入滲條件下，7個(gè)處理的累積入滲量和濕潤(rùn)鋒深度均隨著時(shí)間的延續(xù)而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在入滲初期，入滲速率較高，各處理之間的差異較小，隨入滲時(shí)間增加，各處理之間差異逐漸顯著，表現(xiàn)為：S3>S2>S1>CK，C3>C2>C1>CK。在入滲500 min時(shí)，各處理累積入滲量為S3(2 201.6 ml)>S2(1 905.3 ml)>S1(1 929.6 ml)>C3(1 749.2 ml)>C2(1 709.0 ml)>C1(1 658.7 ml)>CK(1 608.5 ml)，相同灌溉定額入滲結(jié)束的時(shí)間依次是S3、S2、S1、C3、C2、C1、CK。從圖3可得，入滲500 min時(shí)CK濕潤(rùn)鋒在22.60 cm處，S1、S2、S3、C1、C2、C3濕潤(rùn)鋒分別比CK提高了12%、23%、37%、2%、7%、8%。綜上所述，表層摻沙和摻生物炭會(huì)加快土壤水分的入滲速度。同一入滲歷時(shí)內(nèi)摻加改良劑比例越大，累積入滲量和濕潤(rùn)鋒深度越大，并且摻沙處理增強(qiáng)土壤水分入滲能力優(yōu)于摻生物炭處理。

為了定量分析兩者的關(guān)系，利用線性方程進(jìn)行擬合：

I=nZf

(3)

式中,I為累積入滲量(cm);Zf為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度(cm)；n為擬合參數(shù)。

由表3可知，表層摻沙和摻生物炭后，累積入滲量和濕潤(rùn)鋒深度與入滲時(shí)間關(guān)系的變化規(guī)律基本相同，與入滲時(shí)間形成的回歸方程的決定系數(shù)R2均大于0.98，說明兩者存在良好的線性關(guān)系?？傮w來看，摻生物炭處理n值大于摻沙處理，具體表現(xiàn)為：C3>C2>C1>CK>S1>S2>S3。綜上，灌溉定額結(jié)束時(shí)，改良劑比例越大濕潤(rùn)鋒深度越大。

表3 土壤表層摻沙、摻生物炭累積入滲量與濕潤(rùn)鋒深度關(guān)系的擬合系數(shù)

2.2 表層摻沙、摻生物炭對(duì)土壤水分垂直分布的影響

表層摻沙、摻生物炭條件下各土層土壤含水率變化及0～20 cm、20～40 cm土層平均值見表4。

由表4可知，不同摻沙、摻生物炭比例處理下，各土層含水率變化規(guī)律相同，均隨土層深度的增加而降低，摻生物炭土層含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻沙土層，摻生物炭比例越大土壤含水率越高，而摻沙比例越大土壤含水率降低越明顯。在0～20 cm土層中，摻生物炭處理土壤含水率與摻沙土層土壤含水率相近，土壤含水率分布為C3>C2>C1>CK>S1>S3>S2,說明在添加層(0～20 cm)中，生物炭處理優(yōu)于摻沙處理，表層摻生物炭更有利于提高土壤含水率。在20～40 cm土層中，摻沙處理土壤含水率大于摻生物炭處理含水率，且土壤含水率均大于CK，S1、S2、S3、C1、C2、C3平均含水率比CK分別提高了3.8%、5.1%、6.7%、2.2%、4.2%、5.1%，說明在添加層以下的20～40 cm土層中，表層摻沙更有利于為作物生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

表4 表層摻沙、生物炭處理下各土層土壤的含水率/%

2.3 表層摻沙、生物炭對(duì)土壤鹽分再分布的影響

土壤鹽分對(duì)于作物生長(zhǎng)起到重要作用，土壤中含鹽量較少時(shí)會(huì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)，當(dāng)產(chǎn)生鹽分脅迫時(shí)將抑制作物生長(zhǎng)。鹽漬化土壤會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)、通透性差、有機(jī)質(zhì)含量低等多種問題[21]，抑制作物生長(zhǎng)，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。因此，判斷改良劑對(duì)鹽漬化土壤的改良程度，需要將脫鹽效果作為重要的參考指標(biāo)。

不同摻沙、生物炭比例下土壤含鹽量隨深度變化規(guī)律如圖4所示，在0～40 cm深度范圍內(nèi)，土壤含鹽量均隨深度增加而增大，土壤含鹽量整體表現(xiàn)為S1>C1>CK>S2>S3>C3>C2。

圖4 土壤表層摻沙、生物炭處理各土層土壤鹽分再分布特征

由圖4a可知，在土層0～20 cm處，摻沙、生物炭處理含鹽量平均大于CK；由圖4b可知，土壤鹽分在土層35 cm處開始大量累積，呈現(xiàn)突變狀態(tài)，各處理土壤含鹽量大小為C3>C2>C1>CK>S1>S2>S3，說明在相同入滲條件下，表層摻生物炭處理在壓鹽方面弱于摻沙處理，摻沙壓鹽效果隨比例的增加而逐漸顯著。原因可能是：表層摻沙改變了摻沙層的土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤的水分運(yùn)移和鹽分運(yùn)移，進(jìn)而影響土壤鹽分的分布。

為了進(jìn)一步研究各土層土壤鹽分垂直再分布特征，引入表5所示指標(biāo)對(duì)脫鹽結(jié)果作進(jìn)一步評(píng)價(jià)。脫鹽率平均值為各脫鹽區(qū)域土壤的脫鹽量與原始含鹽量比值的平均值；土壤脫鹽區(qū)深度為土壤中含鹽量低于土壤初始含鹽量的深度；土壤脫鹽區(qū)深度與入滲完成時(shí)的濕潤(rùn)鋒深度的比值稱為脫鹽區(qū)深度系數(shù)；根據(jù)黃河三角洲地區(qū)作物冬小麥和夏玉米的最低耐鹽度，認(rèn)為當(dāng)土壤中含鹽量低于2 g·kg-1時(shí)作物可以正常生長(zhǎng)[22]；達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度為土壤含鹽量低于2 g·kg-1的深度；達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)為達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度與入滲結(jié)束時(shí)濕潤(rùn)鋒深度的比值。

由表5可知，表層摻沙處理脫鹽率平均值大于摻生物炭處理；脫鹽區(qū)深度和達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度大小均表現(xiàn)為：S3>S2>C3>C2>CK>C1>S1；表層摻沙處理脫鹽區(qū)深度和達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)相等，并且大于表層摻生物炭處理。表明表層摻沙處理脫鹽效果優(yōu)于摻生物炭處理，能滿足作物正常生長(zhǎng)的需求，保證作物免受高鹽脅迫的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 土壤表層摻沙、摻生物炭處理下土壤鹽分分布指標(biāo)對(duì)比分析

3 一維代數(shù)模型對(duì)土壤剖面含水率的模擬適用性

在農(nóng)業(yè)研究中，準(zhǔn)確模擬土壤含水率對(duì)于農(nóng)田水分管理、灌溉制度確定以及提高作物的產(chǎn)量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[23]。但目前常用的Green-Ampt、Philip、Kostiakov等土壤入滲模型都只重點(diǎn)關(guān)注土壤入滲率的計(jì)算，而沒有提出相應(yīng)的土壤含水率計(jì)算公式[24]。為了進(jìn)一步描述垂直一維積水入滲過程與土壤剖面含水率之間的關(guān)系，研究土壤中水分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，王全九等[25]基于一維垂直水分運(yùn)動(dòng)基本方程和Brooks-Corey模型建立了垂直一維代數(shù)模型。本文在室內(nèi)土柱入滲試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究鹽堿土類型、摻沙比例對(duì)土壤水分再分布規(guī)律的影響，利用一維代數(shù)模型模擬表層摻沙、生物炭后的土壤剖面含水率，并對(duì)模型適用性做出評(píng)價(jià)[26-27]。

一維垂直水分運(yùn)動(dòng)基本方程為：

(4)

式中，θ為土壤體積含水率(cm3·cm-3)；t為入滲時(shí)間(min)；D(θ)為擴(kuò)散率；z為垂直坐標(biāo)(cm)，取向下為正；k(θ)為土壤非飽和導(dǎo)水率(cm·min-1)；θi為土壤初始含水率(cm3·cm-3)；θs為土壤飽和含水率(cm3·cm-3)。

土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率由Brooks-Corey模型表示為：

(5)

式中，θr為土壤滯留含水率(cm3·cm-3)；hd為進(jìn)氣吸力(cm)；h為土壤吸力(cm)；n為土壤水分特征曲線形狀系數(shù)；k(h)為土壤非飽和導(dǎo)水率(cm·min-1)；ks為土壤飽和導(dǎo)水率(cm·min-1)；m為形狀系數(shù)。

基于公式(4)和(5)，并借助相應(yīng)假設(shè)推求出了描述土壤水分垂直分布特征的數(shù)學(xué)模型：

(6)

式中，z為觀測(cè)點(diǎn)與土柱土表的垂直距離(cm)；zf為實(shí)測(cè)的濕潤(rùn)鋒深度(cm)；α=n/m，為土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率綜合形狀系數(shù)，其可根據(jù)累積入滲量I與濕潤(rùn)鋒zf的線性關(guān)系求得：

(7)

如果土壤初始含水率很低，可以假定θr=θi，則公式(6)和(7)可以轉(zhuǎn)化為：

(8)

(9)

若使用一維代數(shù)模型模擬土壤剖面含水率，僅需知道α、θs、θr、θi等參數(shù)，其中θs、θr、θi為土壤水分特征值，一般可以根據(jù)土壤特性和初始條件獲得；α可以從公式(8)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到，初始含水率較低，即θi=1%，土壤滯留含水率θr與其相等，累積入滲量與濕潤(rùn)鋒之間的線性關(guān)系可以利用公式(8)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表3，然后根據(jù)擬合參數(shù)n值(n=(θs-θi)/(1+α))求取綜合形狀系數(shù)α，結(jié)果見表6。

由表6可知，累積入滲量和濕潤(rùn)鋒深度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性回歸方程決定系數(shù)R2均大于0.98。

表6 不同摻沙、摻生物炭比例下一維代數(shù)模型參數(shù)

引入2個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)一維代數(shù)模型的模擬效果，分別為均方根誤差(RMSE)和符合度指數(shù)(D)[28]，具體計(jì)算公式如下：

(10)

(11)

由圖5可知，在0～20 cm土層模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致，20～40 cm土層模擬值與實(shí)測(cè)值差距較大，模擬值均小于實(shí)測(cè)值，一維代數(shù)模型對(duì)摻加層以下土壤剖面含水率的擬合精確度較差。

圖5 不同摻沙、摻生物炭比例下土壤剖面含水率擬合效果

由表7可知，不同摻沙處理RMSE基本隨摻沙量比例增加而增加，而摻生物炭處理相反，說明一維代數(shù)模型的擬合精度受改良劑的影響；從整體模擬效果符合度指數(shù)D來看，除CK外其他處理均小于0.4，表示模擬值與實(shí)測(cè)值的分布趨勢(shì)吻合度較低，模擬效果不理想，摻沙處理符合度遠(yuǎn)小于摻生物炭處理，說明表層摻沙后模型精度會(huì)降低，鹽堿土表層摻沙對(duì)一維代數(shù)模型擬合效果影響較大。

表7 不同摻沙、摻生物炭比例下土壤剖面含水率模擬精度分析

4 討 論

研究表明，生物炭可降低土壤容重，增大土壤通透性，改善土壤中水分的入滲能力[29]，沙可以改良土壤顆粒組成、進(jìn)而改善土壤滲透性能[30]，這與本文研究結(jié)果相一致，土壤表層摻沙、生物炭均可以提高土壤的入滲性能，原因是表層摻沙和生物炭改變了土壤表層孔隙結(jié)構(gòu)，減少土壤表面與空氣的接觸，具有較好的保水效果。在相同的灌溉條件下，由擬合系數(shù)n可知C1>C3>CK>S1>C2>S2>S3，具體原因?yàn)樯锾烤哂休^強(qiáng)的吸附能力，使水分在摻加層(0～20 cm)內(nèi)大量匯聚，水分下滲量減少，而表層摻沙改變了鹽漬化土壤顆粒組成，導(dǎo)致水分在摻加層減少，入滲性能得以提升。

本試驗(yàn)研究表明，土壤表層摻沙處理使表層土壤含水率降低，土壤深層含水率提高，這與張宇航等[31]研究證明表層摻沙可以提高土壤入滲能力,入滲速率隨摻沙比例增大而增大的結(jié)論相一致。表層摻生物炭處理使土壤表層的含水率提高，深層土壤含水率降低，與王艷陽等[32]研究結(jié)果相一致。在0～20 cm土層中，表層摻沙處理土壤含水率小于表層摻生物炭處理，但兩種處理各土層土壤含水率均大于CK，在20～40 cm土層中，摻沙處理土壤含水率大于表層摻生物炭處理，且兩種處理各土層土壤含水率均大于CK，表明表層摻沙和摻生物炭均有助于使入滲水分在0～40 cm的作物根系密集層均勻分布，有利于作物根系的生長(zhǎng)。

土壤鹽分受降水、蒸發(fā)等因素制約。本研究發(fā)現(xiàn)，在相同入滲條件下，土壤表層(0～20 cm)摻沙可以提高土壤脫鹽率平均值，有效降低土壤含鹽量，表層摻生物炭能降低土壤平均脫鹽率，保證土壤中鹽分不喪失，這與前人研究覆砂可以降低土壤鹽分結(jié)論相一致。土壤表層摻沙處理土壤脫鹽率均大于摻生物炭處理，摻沙比例越大，各土層土壤含鹽量越小，20%摻沙處理平均脫鹽率比摻生物炭處理提高5.26%～13.80%，脫鹽區(qū)深度增加2.35%～3.92%，達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度增加1.70%～3.00%，說明表層摻沙處理比摻生物炭處理脫鹽效果更好，有利于降低鹽漬化土壤中的含鹽量，使作物正常生長(zhǎng)。

引入一維代數(shù)模型對(duì)土壤剖面含水率的模擬效果不理想，原因可能是土體不夠均勻，土層被破壞和未保持密封狀態(tài)導(dǎo)致水分丟失等誤差而造成的。

5 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)，探究黃河三角洲中度鹽堿土表層摻沙、生物炭后水鹽運(yùn)移特征得出：

(1)在相同入滲情況下，表層(0～20 cm)摻沙、生物炭均能提高鹽漬化土壤中水分入滲效果，兩者改良效果相近；在添加層(0～20 cm)摻沙處理含水率小于表層摻生物炭處理，表層摻生物炭處理提高了添加層的蓄水能力，而摻沙處理加強(qiáng)了添加層以下土層(20～40 cm)的保水性能，抑制表層土水分蒸發(fā)，表層摻沙20%效果最佳。

(2)兩種改良物質(zhì)處理下，土壤含鹽量在0～20 cm土層變化趨勢(shì)大致相同，表層摻沙處理各土層土壤含鹽量均小于表層摻生物炭處理，表層摻沙10%～20%顯著提高土壤脫鹽效率，有效降低中、下層土壤含鹽量，最佳摻沙比例為20%。

(3)不同摻沙處理RMSE在0.06～0.11之間，模擬精度隨摻沙比例增大而降低，模擬效果符合度指數(shù)D除CK外其他摻沙處理均小于0.4，說明一維代數(shù)模型對(duì)于中度鹽堿土表層摻沙的擬合精度較低，仍需進(jìn)一步修正。

綜上所述，黃河沉沙多而無用，作為一種方便易得、成本低、效果好的改良劑用于改良鹽堿地，一方面可以改善土壤結(jié)構(gòu)，延緩?fù)恋佧}堿化，另一方面在降低改良成本的同時(shí)，緩解廢棄物對(duì)環(huán)境造成的壓力，有效改良黃河三角洲地區(qū)鹽漬化土壤的水鹽分布，為作物生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)以農(nóng)業(yè)廢棄物為基礎(chǔ)的新型友好型改良劑的研發(fā)。