曲英杰 毛偉兵 孫玉霞 孫池濤 孫雪蓉

摘?要：為研究引黃泥沙對黏質(zhì)鹽土顆粒組成和土壤飽和導(dǎo)水率（Ks）的影響，以濱海地區(qū)黏質(zhì)鹽土為研究對象，利用黃河三角洲引黃灌區(qū)亟須處理的淤積泥沙作為改良劑，分別進(jìn)行了土壤顆粒組成和土壤飽和導(dǎo)水率測定試驗。結(jié)果表明：①黏質(zhì)鹽土隨配沙比例增大，極細(xì)砂含量由3.356 1%增長到61.461 1%，細(xì)砂含量由0.180 9%增長到2.459 7%，粗粉粒含量由47.437 4%降低至31.150 9%，細(xì)黏粒含量由29.015 3%降至3.893 9%;②土壤飽和導(dǎo)水率隨配沙比的增大而增大，二者為極其顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)為0.937 5，以理想飽和導(dǎo)水率為限制條件，適宜配沙比例為[45.7%，56.8%];③土壤粒級與土壤飽和導(dǎo)水率的作用強(qiáng)度大小排序為極細(xì)砂>細(xì)砂>粗粉粒>中砂>細(xì)粉粒>細(xì)黏粒>粗砂>粗黏粒>石礫;④建立了極細(xì)砂含量和細(xì)砂含量x與土壤飽和導(dǎo)水率的回歸方程，分別為Ks=0.018 6e0.083x，Ks=0.0160 7e2.122x。

關(guān)鍵詞：黏質(zhì)鹽土;引黃泥沙;土壤飽和導(dǎo)水率;土壤顆粒組成

中圖分類號：S156.4;TV882.1?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.031

Abstract： In order to study the effect of the Yellow River sediment on clay saline soil particle composition and saturated water conductivity of soil， the coastal clay saline soil was taken as the object of study and using the sediment which needs to be treated urgently in the irrigation area of the Yellow River delta as the improver to determine the soil particle composition and saturated water conductivity of soil respectively. The results show that a） as the increase of the proportion of clay saline soil， the content of very fine sand is increased from 3.356 1% to 61.461 1%， the content of fine sand is increased from 0.180 9% to 2.459 7%， the content of coarse powder is decreased from 47.437 4% to 31.150 9% and the content of fine clay is decreased from 29.015 3% to 3.893 9%. b） The saturated water conductivity of soil is increased with the increase of sand distribution， showing a very significant positive exponential function correlation. The R2 value reaches 0.937 5. Taking the ideal saturated water distribution as the limiting condition， the appropriate sediment ratio is 45.7% and 56.8%. c） The order of the interaction strength between soil particle size and soil saturated hydraulic conductivity is as follows： very fine sand > fine sand > coarse powder > medium sand > fine powder > fine clay > coarse sand > coarse clay > gravel. d） The regression equations of extremely fine sand content and fine sand content and saturated water conductivity of soil are established respectively.

Key words： clayey saline soil; Yellow River sediment; soil particle composition; soil saturated water conductivity

黏質(zhì)鹽土是黃河三角洲地區(qū)最重要的土壤類型，其土壤物理性質(zhì)一直是改良的關(guān)鍵與難點，其中土壤飽和導(dǎo)水率（Ks）低是制約黏質(zhì)鹽土改良的最重要因子[1-3]。土壤飽和導(dǎo)水率是土壤最重要的土壤水力學(xué)參數(shù)之一，決定著土壤的滲透性能和水鹽運(yùn)移狀況，也是土壤水分與溶質(zhì)運(yùn)移模型中的關(guān)鍵參數(shù)[4-6]。鄭健等[7]通過變水頭滲透試驗的方法研究認(rèn)為土壤飽和導(dǎo)水率隨著土壤容重的增大而降低;遲春明等[8]通過堿化鹽土剖面分析認(rèn)為土壤飽和導(dǎo)水率與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系是極顯著負(fù)相關(guān)。對于濱海地區(qū)的黏質(zhì)鹽土，大量鹽分在土壤中過度積累，造成土壤顆粒分散，阻塞水分流動和水分入滲。引黃泥沙中的沙粒含量豐富，可通過適宜的配沙量調(diào)控黏質(zhì)鹽土的顆粒組成，進(jìn)而改善土壤的飽和導(dǎo)水率。目前對于飽和土壤導(dǎo)水性能的研究主要集中在密度、有機(jī)質(zhì)等對其的影響，顆粒組成變化對土壤飽和導(dǎo)水率影響的研究很少。本研究采用自然土壤中添加引黃泥沙，形成不同配沙比例的土壤，研究配沙量對土壤顆粒組成和土壤飽和導(dǎo)水率的影響，為黃河三角洲地區(qū)利用引黃泥沙進(jìn)行鹽堿土改良提供理論和數(shù)據(jù)依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

室內(nèi)試驗所用土樣均取自山東省濱州市陽信縣水落坡鄉(xiāng)（東經(jīng)117°59′46″，北緯37°35′22″，高程3 m）小麥田深度為0～40 cm土層。引黃泥沙取自小開河灌區(qū)沉沙池。土壤顆粒組成共測定9個粒級：石礫2～1 mm，粗砂1～0.5 mm，中砂0.5～0.25 mm，細(xì)砂0.25～0.1 mm，極細(xì)砂0.1～0.05 mm，粗粉粒0.05～0.01 mm，細(xì)粉粒0.01～0.005 mm，粗黏粒0.005～0.002 mm，細(xì)黏粒<0.002 mm。土壤及引黃泥沙顆粒級配見表1。試驗期間水樣取自山東省濱州市無棣縣渤海糧倉項目試驗區(qū)淺層地下水，水樣礦化度為6.7 g/L，離子組成見表2。

1.2?試驗設(shè)計

為探究不同黏質(zhì)鹽土與引黃泥沙配比對土壤飽和導(dǎo)水率的影響，按0%、1.3%、2.6%、…、100%配比設(shè)置74個處理，每個處理3個重復(fù)。黏質(zhì)鹽土和引黃泥沙根據(jù)設(shè)定配比混合均勻后模擬田間原狀土，按田間實測土壤密度1.49 g/cm3壓實裝填至直徑為8 cm、高為5 cm的環(huán)刀。每個處理的黏質(zhì)鹽土和引黃泥沙用量見表3。

1.3?試驗方法

（1）土、沙顆粒級配：采用篩分和沉降相結(jié)合的濕篩-吸管法，具體步驟參考《土壤物理性質(zhì)測定法》[9]。

（2）土壤飽和導(dǎo)水率：用KSAT飽和導(dǎo)水率儀進(jìn)行試驗，在每個環(huán)刀底部放一層濾紙，用紗布小心地將土樣的底部包好，放入水平面約高出土樣頂部1 cm的水中浸泡3～5 d，使之飽和。將飽和后的土樣放置于KSAT飽和導(dǎo)水率儀內(nèi)，將水位調(diào)節(jié)器內(nèi)的水位調(diào)節(jié)至與容器中的水位一致，當(dāng)土樣頂部出現(xiàn)水層時，連接虹吸管，將集水圓筒內(nèi)的水導(dǎo)入漏斗，使之流入量管后開始測量。為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，均采用10 ℃時的飽和導(dǎo)水率。

1.4?統(tǒng)計分析

1.4.1?灰色關(guān)聯(lián)分析

本研究選用DPS軟件進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析?；疑P(guān)聯(lián)分析是一種定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，采用量化方法獲得灰色關(guān)聯(lián)度，以此來分清系統(tǒng)之間關(guān)系的密切程度[10-11]。按照灰色系統(tǒng)理論要求，在分析各顆粒組成對土壤飽和導(dǎo)水率的影響時，將9個粒級和飽和導(dǎo)水率看作一個灰色系統(tǒng)，以飽和導(dǎo)水率為參考序列，記為X0，其他為比較序列，記作Xi（i=1，2，3，…，h）。通過計算參考序列與各個比較序列的關(guān)聯(lián)度，可構(gòu)成關(guān)聯(lián)矩陣Ri。Ri可以直接反映出各個參考序列和比較序列之間的相互關(guān)系。關(guān)聯(lián)度計算公式為ri=1N∑ki=1ξ（k）。求得參考序列、比較序列的關(guān)聯(lián)度后，按其大小排序。

1.4.2?精確度檢驗

為評價回歸方程模擬效果，采用決定系數(shù)R2、和方差SSE、均方根RMSE對擬合值與實測值進(jìn)行定量分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?配沙后土壤顆粒組成變化

黏質(zhì)鹽土不同配沙比下土壤顆粒組成變化見圖1（石礫、粗砂、中砂含量很小，未在圖中繪出）。在試驗處理中，隨配沙量增加，土壤的顆粒組成發(fā)生顯著變化。土壤中極細(xì)砂、細(xì)砂的相對含量呈增大趨勢，斜率分別為0.795 9、0.031 2;其余各粒級均呈線性減小趨勢。根據(jù)土壤顆粒組成相對含量變化結(jié)果可知，極細(xì)砂含量由3.356 1%增長到61.461 1%，細(xì)砂含量由0.180 9%增長到2.459 7%，粗粉粒含量由47.437 4%降低至31.150 9%，細(xì)黏粒含量由29.015 3%降至3.893 9%。

根據(jù)引黃泥沙和黏質(zhì)鹽土的顆粒組成差異，引黃泥沙中0.1～0.05 mm粒級相對含量高、黏質(zhì)鹽土含量低的特點，通過向黏質(zhì)鹽土中施加引黃泥沙可以增加黏質(zhì)鹽土中砂粒的相對含量，降低黏質(zhì)鹽土中黏粒的相對含量，達(dá)到改善土壤顆粒組成等物理性狀的目的。

2.2?配沙改良下土壤飽和導(dǎo)水率的變化

不同配沙比條件下黏質(zhì)鹽土飽和導(dǎo)水率變化見圖2。配沙比在0～35%范圍內(nèi)，土壤飽和導(dǎo)水率隨著配沙量的增加緩慢增大，配沙比達(dá)到40%之后，土壤飽和導(dǎo)水率隨配沙量的增加迅速增大。Matlab軟件非線性回歸分析結(jié)果表明，配沙量與土壤飽和導(dǎo)水率之間存在極其顯著的指數(shù)函數(shù)正相關(guān)（P<0.01，R2=0.937 5）。

壤飽和導(dǎo)水率作為土壤持水和保水能力的主要指標(biāo)，對土壤水鹽運(yùn)移狀況有重要的影響。選擇當(dāng)?shù)匦←渾萎a(chǎn)超過7 500 kg/hm2的高產(chǎn)田作為利用引黃泥沙改良黏質(zhì)鹽土的參照標(biāo)準(zhǔn)，測定其土壤飽和導(dǎo)水率指標(biāo)，測得土壤飽和導(dǎo)水率的理想?yún)^(qū)間大致為[0.35 μm/s，0.55 μm/s]。依據(jù)適宜的土壤飽和導(dǎo)水率，推薦的黏質(zhì)鹽土配沙比范圍為[45.7%，56.8%]。

2.3?土壤顆粒組成與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

2.3.1?土壤顆粒組成與土壤飽和導(dǎo)水率關(guān)聯(lián)分析

以土壤飽和導(dǎo)水率為參考序列，土壤各顆粒組成為比較序列，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法，得到土壤各顆粒組成對土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)聯(lián)系數(shù)，見表4?？梢钥闯?，土壤飽和導(dǎo)水率與其他各顆粒組成的關(guān)聯(lián)度大小次序為極細(xì)砂>細(xì)砂>粗粉粒>中砂>細(xì)粉粒>細(xì)黏粒>粗砂>粗黏粒>石礫。極細(xì)砂（0.1～0.05 mm）和細(xì)砂（0.25～0.1 mm）的含量與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)聯(lián)度最高，說明極細(xì)砂和細(xì)砂對土壤飽和導(dǎo)水率的影響最為顯著。

由于粒徑0.1～0.05 mm的泥沙輸送困難，容易在干渠、輸沙渠淤積，因此在干支渠系和沉沙池淤積的泥沙中，80%～90%是粒徑0.1～0.05 mm的極細(xì)砂，其次是粒徑0.25～0.1 mm的細(xì)砂。極細(xì)砂和細(xì)砂在引黃泥沙中占比較高，但這兩個粒級在黏質(zhì)鹽土中的含量極小。在影響飽和導(dǎo)水率的顆粒組成因素中，對于改善黏質(zhì)鹽土的孔隙結(jié)構(gòu)，極細(xì)砂和細(xì)砂為主導(dǎo)因素。另外，引黃泥沙中石礫和粗砂（2～0.5mm）的顆粒含量極小，所以配沙后對土壤飽和導(dǎo)水率的作用強(qiáng)度較弱。雖然粗粉粒（0.05～0.01 mm）在引黃泥沙中占比較高，但在黏質(zhì)鹽土中，這一粒級也是主要組成成分，占總粒級的48%，配沙后相對增加量較小，不會成為土壤飽和導(dǎo)水率的主要影響因子。

2.3.2?土壤顆粒組成與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系方程

土壤飽和導(dǎo)水率的測定費時費力，建立土壤顆粒組成與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系方程，可以通過某一粒級的顆粒含量預(yù)測土壤飽和導(dǎo)水率?；疑P(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明，極細(xì)砂和細(xì)砂對土壤飽和導(dǎo)水率的影響最為顯著。極細(xì)砂含量與土壤飽和導(dǎo)水率和細(xì)砂含量與土壤飽和導(dǎo)水率的一元非線性回歸方程分別為Ks=0.018 6e0.083x、Ks=0.016 07e2.122x。方程的擬合值與實測值基本貼近，擬合精度較高（見表5）。

3?討?論

土壤導(dǎo)水能力受土壤顆粒組成的影響[12-15]，Sauer等[16]認(rèn)為隨土壤中碎石和砂粒含量的增大，土壤飽和導(dǎo)水率增大，入滲速度加快，與本研究結(jié)果一致。很多研究表明，黏質(zhì)鹽土中過量的Na+是導(dǎo)致土壤飽和導(dǎo)水率低的重要原因。Na+使土壤黏粒遇水高度分散，進(jìn)而堵塞土壤孔隙，導(dǎo)致土壤導(dǎo)水率下降，成為影響鹽分淋洗、土壤改良的嚴(yán)重障礙[17-19]。在黃河三角洲地區(qū)，一般砂粒含量比較高的土壤，飽和導(dǎo)水率大，導(dǎo)水性能好。根據(jù)白冰等[20]研究，黃河三角洲區(qū)域內(nèi)的土層屬低透水強(qiáng)度范圍，不利于鹽分淋洗。隨配沙比例的增大，土壤飽和導(dǎo)水率呈指數(shù)級增大趨勢，說明適宜的配沙比能夠有效提高黏質(zhì)鹽土的飽和導(dǎo)水率，但過高的飽和導(dǎo)水率影響土壤的持水保水能力，不僅會造成水肥流失，還容易導(dǎo)致土壤缺水，造成農(nóng)作物減產(chǎn)，對土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響[21]，因此本研究通過分析引黃泥沙對黏質(zhì)鹽土飽和導(dǎo)水率的影響，建立黏質(zhì)鹽土配沙量與飽和導(dǎo)水率的數(shù)值方程，在適宜的土壤飽和導(dǎo)水率指標(biāo)控制下，最終確定黏質(zhì)鹽土的最優(yōu)配沙比范圍。

土壤砂粒的比表面積較小，一直被認(rèn)為是土壤中的惰性成分，對土壤養(yǎng)分、鹽分的吸附性較弱[22]，因而在有關(guān)研究中很少涉及。李卓等[23]研究發(fā)現(xiàn)土壤入滲能力與黏粒含量成指數(shù)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，隨著黏粒含量的增大，毛管孔隙增多，大孔隙減少，毛管力對垂直一維入滲的水分驅(qū)動力——重力的抵消作用逐漸增強(qiáng)。而大量研究證實[24-25]，土壤黏粒含量越大，顆粒比表面積越大，含有的電荷數(shù)量越多，能吸引更多的水分子，抑制土壤的滲水能力。在利用引黃泥沙改良鹽堿土試驗的9種土壤粒級中，極細(xì)砂和細(xì)砂對土壤飽和導(dǎo)水率的正面影響最為顯著。前期通過核函數(shù)非參數(shù)估計算法進(jìn)行了不同土壤粒級對土壤鹽分吸附的敏感性分析，發(fā)現(xiàn)土壤砂粒不像黏粒那樣具有巨大的比表面積和高度的活性，但是這部分土壤顆粒的變化對于增加土壤極細(xì)砂粒的比例、減少土壤鹽分吸附、降低鹽堿土壤的含鹽量具有重要的作用[26-27]。因此，可以利用引黃泥沙配施黏質(zhì)鹽土，調(diào)控黏質(zhì)鹽土的顆粒組成，提高土壤中大孔隙的數(shù)量和比例，提高土壤飽和導(dǎo)水率。以往研究并沒有建立顆粒變化與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系，本研究推求的模擬方程能夠通過極細(xì)砂或細(xì)砂的含量預(yù)測土壤飽和導(dǎo)水率。本研究分析了顆粒級配與飽和導(dǎo)水率的關(guān)系，土壤密度及孔隙結(jié)構(gòu)等其他影響因子的顯著性關(guān)系還有待繼續(xù)研究。

4?結(jié)?論

本次濱海黏質(zhì)鹽土配沙改良試驗結(jié)果表明：①土壤中各粒級含量均發(fā)生明顯變化，極細(xì)砂含量、細(xì)砂含量分別由3.356 1%增長到61.461 1%、由0.180 9%增長到2.459 7%，粗粉粒含量、細(xì)黏粒含量分別由47.437 4%降低至31.150 9%、由29.015 3%降至3.893 9%，黏質(zhì)鹽土中砂粒含量提高，黏粒含量降低。②黏質(zhì)鹽土配沙改良后，土壤飽和導(dǎo)水率隨配沙量增加，呈顯著的指數(shù)函數(shù)形式提高;根據(jù)當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田的土壤飽和導(dǎo)水率，確定適宜的配沙比范圍為[45.7%，56.8%]。③對土壤粒級與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，土壤飽和導(dǎo)水率關(guān)聯(lián)度由大到小的排序為極細(xì)砂>細(xì)砂>粗粉粒>中砂>細(xì)粉粒>細(xì)黏粒>粗砂>粗黏粒>石礫。④根據(jù)對土壤飽和導(dǎo)水率作用強(qiáng)度最大的兩個粒級，建立極細(xì)砂含量對土壤飽和導(dǎo)水率和細(xì)砂含量對土壤飽和導(dǎo)水率的回歸方程，分別為Ks=0.018 6e0.083x，Ks=0.016 07e2.122x。

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【責(zé)任編輯?許立新】