徐 航,張禮紹,高金花

(1.長春工程學院水利與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130012；2.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室，吉林 長春 130012)

吉林省西部是我國糧食主產區(qū)，是中國鹽堿土面積最大的地區(qū)，鹽堿土面積為2.13×106hm2，屬于世界三大鹽堿土地區(qū)之一。受降雨、氣溫及植被等條件的影響，形成了東南到西北土壤質地由砂土到粘土的變化，土壤堿性逐漸變大。由于土壤水分入滲能力差，天然降雨及灌溉水入滲淺，不能滿足作物的需要，導致農作物減產。近年來不合理的灌溉、施肥使植被遭到破壞，土壤鹽堿化趨勢越來越嚴重，制約了吉林西部糧食增產及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，對該區(qū)的生態(tài)環(huán)境與經濟發(fā)展構成嚴重威脅，故改善農田土壤滲透特性是亟待解決的問題[1-5]。

為了改變土壤的理化性質，常采用添加植物纖維的方法[6]。國內外學者圍繞添加植物纖維改變土壤的理化性質做了一系列研究。梅楠等[7]研究了秸稈還田對土壤理化性質的影響，結果表明秸稈還田有顯著降低土壤容重的效果，使土壤孔隙度明顯增大。任倩慧[8]研究了在土壤中摻入玉米葉與玉米芯對土壤水分入滲的影響，結果表明玉米葉能降低土壤的入滲速率，增加淺層土壤的含水率。Cheng等[9]研究了秸稈還田對土壤的理化性質影響，得出秸稈還田可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度，促進植物生長，提高產量。Bordoloi等[10]選用相同長寬比的枇杷、椰棕和水葫蘆灰渣纖維，在3種不同纖維比例、不同密度下加固土體，結果發(fā)現(xiàn)與對照組相比所有土纖維復合材料的入滲速率均有所增加。相龍康等[11]在不同河沙、生物炭用量下改良蘇打鹽堿土，結果表明河沙改良措施顯著提高了土壤摻沙層以下土壤含水率。

國內外研究表明，混摻稻殼、玉米秸稈、河沙對水分入滲有一定影響，從經濟效益方面來看3種材料價格便宜，并且在研究區(qū)容易獲取，因此，本研究選用稻殼、玉米秸稈、河沙3種材料作為添加物，從土壤累計入滲量、入滲速率、濕潤鋒運移距離3個方面針對蘇打鹽堿土水分入滲性能進行研究，分析不同添加物在不同摻量下對蘇打鹽堿土水分入滲特性的影響，為灌排工程的規(guī)劃設計提供參考依據(jù)與理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省西部位于松嫩平原的西南部、東北地區(qū)中部，屬半干旱半濕潤的大陸性季風氣候區(qū)。全年溫差較大，年平均氣溫4.9℃，年均降水量350～500 mm，主要集中在6—8月，年均蒸發(fā)量1 500～1 900 mm，年均蒸發(fā)量與降水量的比值約為3.4～4.9。本試驗用土為吉林省西部洮南市安定鎮(zhèn)內蘇打鹽堿土，安定鎮(zhèn)地處東經122°15′37″～122°29′52″，北緯45°02′24″～45°19′46″，取土點地理位置見圖1。

圖1 取土點地理位置及土壤情況Fig.1 Geographical location and soil conditionof borrowing point

試驗土壤所含鹽分類型為碳酸氫鹽，初始含鹽量3.0～4.5 g·kg-1，依照吉林西部平原鹽堿化土壤的分級指標[12]可知試驗土壤為中鹽堿土，按國際制土壤質地分類標準[13]可知土壤質地為砂質壤土。采用環(huán)刀法測定土壤飽和含水量及田間持水量，用Eye Tech激光粒度粒型分析儀測定土壤顆粒組成，土壤基本物理性質見表1。

表1 土壤基本物理性質

1.2 試驗裝置與方法

試驗選取稻殼、玉米秸稈、河沙3種材料作為土壤混摻添加物，試驗方案見表2。其中玉米秸稈長度為3～5 mm，河沙為吉林省段白棋村松花江沉積沙，粒徑為0.2～2 mm。

表2 試驗方案

試驗裝置主要由馬氏瓶與土柱結構組成，馬氏瓶高70 cm、內徑21 cm，用于恒壓供水。馬氏瓶內壁安裝智能計量系統(tǒng)，實時監(jiān)測、記錄馬氏瓶內水位變化。土柱結構采用與馬氏瓶相同規(guī)格的有機玻璃圓管，為消除氣相阻力對入滲的影響，在土柱底部均勻布設排氣孔。

采用室內一維土柱入滲試驗，試驗在長春工程學院水利館實驗中心進行。具體操作過程為：將添加物均勻混摻后的土壤分層裝入土柱內，每層厚度為5 cm，到設計高度50 cm，層間打毛以便良好接觸。將馬氏瓶出水口與土柱的進水口相連，馬氏瓶供水水頭為5 cm。入滲開始后每隔1 h記錄1次濕潤鋒位置，并記錄相應時刻馬氏瓶讀數(shù)，145 h結束入滲試驗。從土壤表面開始取土樣，向下每隔5 cm取1次，取至濕潤鋒位置處。每層取3個重復樣，采用烘干法測定土壤含水量。通過每小時所對應的馬氏瓶液面高度與初始液面高度之差計算累計入滲量[14]。各處理進行3組重復試驗，取均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft excel 2016對原始數(shù)據(jù)進行整理與分析，使用Origin軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同添加物混摻下土壤水分累計入滲量與入滲時間的關系

累計入滲量是指入滲開始后t時間段內，通過地表單位面積入滲到土壤中的總水量[15]。累計入滲量定量地反映了土壤的入滲情況，對農田灌溉、水資源有效利用以及鹽堿土改良具有重要意義。

不同添加物混摻下土壤水分累計入滲量的規(guī)律(圖2)符合考斯加可夫(Kostiakov)入滲模型I=ktα，式中，I為累計入滲量，t為入滲時間，k和α為模型參數(shù)。累計入滲量擬合數(shù)據(jù)見表3，各處理決定系數(shù)(R2)均達到0.99以上，擬合度好。比較不同種類添加物下累計入滲量，同一時刻下累計入滲量的關系為玉米秸稈>稻殼>河沙。在入滲初期擬合曲線斜率逐漸增大，擬合參數(shù)與累計入滲量呈正相關。比較不同摻量添加物下累計入滲量，摻量越大則累計入滲量越高。這是由于添加植物纖維可增加土壤孔隙度，使水分能沿著孔隙通道迅速入滲，增強透水能力，進而增加累計入滲量[16]。

圖2 土壤水分累計入滲量與入滲時間的關系Fig.2 The relationship between cumulative infiltrationof soil water and infiltration time

表3 土壤水分累計入滲量擬合數(shù)據(jù)

不同添加物混摻下累計入滲量與對照組土壤的對比見表4?；鞊?%、3%、5%稻殼處理比CK分別提高了136.11%、530%、605.56%，混摻1%、3%、5%玉米秸稈處理比CK分別提高了145.56%、668.89%、850%，混摻25%、40%、55%稻殼處理比CK分別提高了38.89%、50%、66.67%。由吉林省用水定額可知：洮南市作物需水量達到7 mm·d-1，對照組土壤入滲量僅能達到3 mm·d-1，混摻河沙土壤入滲量僅能達到4～5 mm·d-1?；鞊?%稻殼、玉米秸稈土壤入滲量分別為7.08、7.37 mm·d-1，灌溉時由于蒸發(fā)等原因會造成水分損失，灌溉效果不顯著。混摻3%稻殼、玉米秸稈土壤入滲量分別達到18.9、23.07 mm·d-1，能達到作物需水量要求，灌溉效果良好。

表4 不同添加物混摻下土壤水分累計入滲量與對照的對比

2.2 不同添加物混摻下土壤水分入滲速率與入滲時間的關系

入滲速率是單位時間內地表土壤的入滲水量，能夠反映土壤的入滲性能，穩(wěn)定入滲率可以用來表征土壤的滲透特性[17]。

不同添加物混摻下入滲速率的規(guī)律如圖3，各處理入滲速率的斜率在初始1 h內變化很大。對照組土壤1 h內斜率為0.281；混摻稻殼土壤1 h內斜率均值為0.34，1～40 h斜率逐漸減小，40 h后趨于穩(wěn)定；混摻玉米秸稈土壤斜率均值為0.42，1～20 h斜率逐漸減小，20 h后趨于穩(wěn)定；混摻河沙土壤斜率均值為0.42，1～10 h斜率逐漸減小，10 h后趨于穩(wěn)定。降雨時淺層土壤與雨水直接接觸，入滲初期土壤含水量很低，土壤水的吸力較高，從而初始入滲速率較大，水分能快速入滲至土壤深層。隨著時間的推移，土壤對水分入滲產生阻力，水分入滲速率減小，土壤水的吸力隨著含水率的增加逐漸減小，土壤基質勢能升高，對水分接受能力下降，入滲速率趨于穩(wěn)定[18-19]。不同種類添加物處理，同一時刻下入滲速率的關系為玉米秸稈>稻殼>河沙。不同摻量添加物下，摻量越大則入滲速率越大。

不同添加物混摻下的穩(wěn)定入滲率與滲透系數(shù)見表5。對照組土壤穩(wěn)定入滲速率為0.04 mm·h-1，混摻1%、3%、5%稻殼土壤穩(wěn)定入滲速率分別為0.17、0.55、0.60 mm·h-1；混摻1%、3%、5%玉米秸稈土壤穩(wěn)定入滲速率分別為0.25、0.70、1.00 mm·h-1；混摻25%、40%、55%河沙土壤穩(wěn)定入滲速率為0.08、0.09、0.10 mm·h-1。對照組土壤滲透系數(shù)為1.39×10-6，混摻3%、5%植物纖維時，滲透系數(shù)較大，滲透效果較好?；鞊街参锢w維改善了土壤結構和孔隙的分布狀況，土壤孔隙度增加，進而增強土壤入滲水流的有效過水斷面面積，提高滲透系數(shù)，加快土壤水分入滲速率?？焖偃霛B會使土壤水分滯留在土壤表層的時間減少，使得表層水分更快地滲入深層土壤，為農作物提供足夠水分，對農作物生長有利[20-22]。

表5 不同添加物混摻下土壤水分穩(wěn)定入滲率與滲透系數(shù)

2.3 不同添加物混摻下土壤濕潤鋒運移距離與入滲時間的關系

濕潤鋒即為濕潤區(qū)的前緣，可表征水分在土壤基質吸力和重力作用下的運動特征。濕潤鋒隨著土壤水分入滲向下運移，運移距離決定地表以下濕潤區(qū)的深度，可以反映土壤的輸水能力，對農業(yè)灌溉有著重要意義[23-25]。

不同添加物混摻下濕潤鋒運移距離的規(guī)律如圖4，濕潤鋒運移距離與入滲時間的關系符合冪函數(shù)關系。濕潤鋒運移距離擬合數(shù)據(jù)見表6，各處理決定系數(shù)R2均達到0.99以上，擬合度好。不同種類添加物同一時刻下濕潤鋒運移距離為玉米秸稈>稻殼>河沙。添加物不同摻量，摻量越大則濕潤鋒運移距離越大，浸潤范圍越廣。

圖4 土壤濕潤鋒運移距離與入滲時間的關系Fig.4 The relationship between the moving distance ofwetting front and the infiltration time

表6 土壤濕潤鋒運移距離擬合數(shù)據(jù)

不同添加物混摻下濕潤鋒運移距離與對照土壤的對比見表7?；鞊?%、3%、5%稻殼處理比CK分別提高了106.12%、512.24%、681.63%，混摻1%、3%、5%玉米秸稈處理比CK分別提高了136.73%、553.06%、859.18%，混摻25%、40%、55%河沙處理比CK分別提高了32.65%、59.18%、83.67%。農作物根系深度約在30～40 cm，對照組土壤濕潤鋒運移距離僅為4.9 cm，混摻河沙土壤濕潤鋒運移距離僅在6.5～9 cm。混摻1%稻殼、玉米秸稈土壤濕潤鋒運移距離分別為10.1、11.6 cm，浸潤范圍沒有到達作物根系。混摻3%、5%稻殼土壤濕潤鋒運移距離為30、38.3 cm，混摻3%、5%玉米秸稈后濕潤鋒運移距離為32、47 cm，浸潤范圍可以到達作物根系，增加根層土壤的水分，有效改善蘇打鹽堿土水分入滲性能，為作物提供足夠的根系吸水量，提高作物產量。

表7 不同添加物混摻下濕潤鋒運移距離與對照的對比

3 討 論

混摻稻殼、玉米秸稈可顯著增加土壤累計入滲量，提高水分入滲速率，有效改善蘇打鹽堿土水分入滲性能。稻殼為橢圓片狀，與土壤混摻后形成較為疏松的孔隙結構，增加了土壤大孔隙含量，減緩了堵塞層的形成?？紫稊?shù)量越多，入滲能力越強，水分通量就越大。稻殼內外兩側相對光滑，對土壤入滲水具有導流作用，進一步促進土壤水入滲?；鞊降練た梢愿纳仆寥澜Y構和土壤孔隙的分布狀況，增大土壤入滲水流的有效過水斷面面積，提升土壤水力傳導度，增強水分入滲能力，這與梅楠等[7]研究結果一致。玉米秸稈外側光滑，內側附瓤。在水力坡度的作用下水流沿著秸稈外側光滑面更容易傳輸。玉米秸稈內側附瓤吸水膨脹，在膨脹力的作用下，土壤體積增大，孔隙度增加，比表面積增大，水流通道增加，進一步促進水分傳輸。混摻玉米秸稈可以改善土壤結構，增加根層土壤的水分，有利于為作物提供足夠的根系吸水量，提高灌溉水及降雨利用率，增加作物產量，這與任倩慧[8]研究結果一致。本研究通過對累計入滲量、入滲速率、濕潤鋒運移距離進行分析，得出混摻5%玉米秸稈可以大幅度增加土壤累計入滲量，提高水分入滲速率，浸潤深層土壤，有效改善蘇打鹽堿土水分入滲性能，為農作物提供較多水分，對作物生長有利。

4 結 論

1)混摻植物纖維能增加土壤累計入滲量，提高水分入滲速率，有效改善蘇打鹽堿土水分入滲性能。累計入滲量規(guī)律符合Kostiakov入滲模型。洮南市作物需水量達到7 mm·d-1，混摻5%玉米秸稈土壤累計入滲量達到28.5 mm·d-1。

2)混摻植物纖維可加深濕潤鋒運移距離，擴大浸潤范圍。農作物根系深度約在30～40 cm土層，混摻5%玉米秸稈土壤濕潤鋒運移距離達到47 cm，浸潤范圍可以到達作物根系。

綜上可知，混摻5%玉米秸稈在改善累計入滲量、入滲速率、濕潤鋒運移距離等方面最為顯著，因此添加物改良蘇打鹽堿土適宜方案為5%玉米秸稈摻量與土壤混摻，可提升吉林西部蘇打鹽堿土入滲效果，有利于綜合提高土壤水分入滲和保水性能。