保水剂作用下土壤水分室内入渗试验研究

保水剂作用下土壤水分室内入渗试验研究

0节水保水剂的出现及效果干旱、缺水和土壤侵蚀是限制我国农业可持续发展的重要因素。近年来,随着全球变化,干旱加剧,农业受旱面积不断扩大,全国年均农田受旱面积已由20世纪50年代的1330万hm新型节水保水材料——保水剂的出现为解决上述问题提供了一种新途径和新方法。保水剂能迅速吸收和保持比自身重几百倍甚至上千倍的水分,而且具有反复吸水功能;吸水膨胀,能缓慢释放水分供植物吸收利用水分在田间的入渗过程决定着降雨和灌溉水进入土壤的速度和数量,也决定着地表径流的大小和土壤侵蚀程度的强弱。尤其在水资源紧缺的情况下,关于入渗的理论和实践乃是发展节水型农业的重要依据之一。目前国内外已有大量研究关于土壤初始含水率、土壤容重、土壤质地等因素对土壤入渗特征的影响1材料和方法1.1保水剂的种类供试土壤采自中国农业科学院东门气象站的试验田内,自然风干过2mm土筛。土壤的基本理化性质为:有机质含量12.9g/kg,pH7.5,砂粒69.5%、粉粒26.3%、黏粒4.2%,按照国际质地分类标准,属砂质壤土。保水剂为美国DEGUSSAAG(德固萨)子公司STOCKHAUSENGmbH(斯托克豪森)生产的四达保水剂STOCKOSORB。其外观为白色颗粒,颗粒大小为0.2~2mm,成分为钾基聚丙烯酸脂聚丙烯酰胺三聚体型保水剂。四达保水剂在去离子水和0.9%NaCl溶液中的吸水倍率分别为263.9g/g和47.7g/g,1g四达保水剂在去离子水中的吸水速率见表1。1.2保水剂的使用方式试验主要由试验土柱和供水系统两部分组成。土柱采用内径4.2cm,高20cm的透明有机玻璃管,管内按照土壤容重1.3g/cm试验设置4个保水剂处理水平,即对照组(不施保水剂)和处理组0.1%、0.2%、0.3%(以保水剂和10cm厚风干土的质量比为梯度计算单位),每个处理3次重复。保水剂设计两种施用方式,一是混施组,分别在均质的供试土体内上层0~10cm和下层10~20cm内设计保水剂与土壤的混合层;二是层施组,在距离供试土体上表层5cm、10cm和15cm处集中施用保水剂。入渗开始后,用秒表计时,分别于0.5、1、2、3、4、6、8、10、12、15、20、25和30min时记录马氏瓶水位读数,观察湿润锋垂直入渗距离随时间的变化。对于层施处理组,入渗结束后分层取土,用烘干法测定土壤质量含水率。上述试验均在中国农业科学院东门实验室内进行。1.3数据处理和分析图中所有数据均为3次测定的平均值,采用SPSS11.5软件进行方差分析,并在0.05显著水平上进行Duncan多重比较。2结果与分析2.1保水剂对土壤入渗率的影响入渗率是单位时间内通过地表单位面积渗入到土壤中的水量,反映了土壤的入渗性能,受土壤质地、孔隙状况、供水强度等因素的影响由图1和图2可以看出,混施和层施保水剂后,入渗率随入渗时间的变化趋势是相同的,起始入渗的5min内,入渗率急剧减小,此后随着入渗时间的延长,入渗率平缓减小,并趋于恒定。入渗终止时,混施(0~10cm、10~20cm)和层施(5cm和10cm)保水剂0.3%处理组的入渗率分别比对照组显著减小了36.6%、10.2%、44.8%和11.5%。同对照相比,随着入渗进程,各处理组对入渗率呈现不同程度的抑制效应;但在15cm处层施保水剂则正好相反,反而在一定程度上增大了土壤入渗率,其入渗率的最大值出现在保水剂0.3%的处理组。上层混施(0~10cm)和层施(5cm)保水剂,除起始入渗外,入渗率基本随着保水剂用量的增加而减小。2.2保水剂对累积入渗量的影响了解累积入渗量随时间的变化,对于分析降雨和灌溉入渗等问题十分重要。水分在入渗过程中,如果入渗过深则可能导致深层渗漏发生,而入渗过浅则不能满足作物根系吸水的需求,产生水分胁迫导致减产图4a中,上层(5cm)层施保水剂,在起始入渗3min内,各处理间土壤水分累积入渗量差异不显著,此后保水剂处理组累积入渗量不仅远远小于对照组,而且其变化与保水剂用量大致呈负相关,入渗终止时累积入渗量分别达到73mm(对照)、69mm(0.1%)、39mm(0.2%)和40mm(0.3%)。整个入渗阶段,保水剂0.2%和0.3%处理组间差异始终不显著。下层(10cm和15cm)层施保水剂,随着入渗进程,累积入渗量与保水剂用量间呈不规则变化(图4b和图4c)。10cm处层施保水剂,入渗20min后,保水剂0.1%处理组的累积入渗量显著大于0.2%和0.3%的处理组,但与对照差异不显著(图4b)。15cm处层施,入渗20min后,保水剂0.1%处理组的累积入渗量急剧增大,达到了对照的1.1倍(图4c)。2.3保水剂对意识菌属间生长的影响土体湿润深度的变化趋势与累积入渗量一致,都随着入渗时间的延长而增大。上层混施(0~10cm)和层施(5cm)处理组中,湿润深度与保水剂用量呈负相关,但初始入渗的4min内,各处理间差异不显著(图5a和图6a)。下层(10~20cm)混施,保水剂处理组间差异始终不显著,但比对照组显著降低了7.1%(图5b)。下层(10cm和15cm)层施,当湿润深度到达150mm时,各处理间才表现出较大的差异;而且当层施保水剂0.1%时,湿润深度达到最大值,分别比保水剂0.3%的处理组和对照组显著增加了22.2%和12.9%(图6b和图6c)。相同入渗时间内,上层混施和层施处理组土体湿润深度均比下层处理组的小,这与保水剂对累积入渗量的影响是一致的。2.4保水剂用量对土壤含水率的影响图7显示的是层施保水剂对各土层土壤含水率垂直分布的影响。可以看出,对照组中土壤含水率随着土层深度的增加而显著减少。5cm处层施,处理组中4~6cm土层内的土壤含水率比对照中相应层位的显著增加了11.1%~42.2%(图7a),且当保水剂用量达到0.2%和0.3%时,其下层7~10cm土层内的土壤含水率也分别显著增加了86.5%和8.3%。10cm层施处理组(0.1%、0.2%和0.3%)中,7~10cm土层的土壤含水率不仅大于表层(0~3cm)的,而且随着保水剂用量的增加而显著增大(图7b)。15cm处层施,处理组(0.1%、0.2%和0.3%)15~17cm土层内土壤含水率分别比对照组显著增加了55.5%、56.8%和88.2%;相应的,其下层(18~20cm)土壤含水率也依次增加了15.5%、2.0%和3.6%,但各处理间差异不显著(图7c)。3保水剂对土壤水分入渗的影响1)保水剂对土壤入渗性能的影响因保水剂施用方式和施用比例的不同而变化。保水剂对土壤水分入渗率的影响具有稳定性和一致性。上层混施(0~10cm)和层施(5cm)对土壤水分垂直入渗的3个特征量:入渗率、累积入渗量和湿润锋移动都有不同程度的抑制,入渗终止时,土壤累积入渗量分别比对照组显著减少了17.3%~36.6%和5.5%~46.6%;而且随着保水剂用量的增加,限制效应更大。这种减缓入渗的程度在保水剂层施,且用量大于0.1%时表现尤为明显。这可能是因为层施处理中,保水剂分布集中,吸水膨胀对水分入渗在很大程度上形成阻滞作用,阻碍土壤水分向下运移。从限制水分蒸发的角度讲,保水剂应该避免施于土表,而应该在较深土层(10cm以下)施用。相对应的,下层(10~20cm)混施和层施(10cm和15cm)对土壤水分入渗的抑制效应是有限的,仅比对照减少了4.9%~11.9%。当下层层施保水剂0.1%时,随着入渗进程反而增加了土壤水分入渗,土壤累积入渗量达到对照的1.1倍;但整个入渗过程中,入渗率、累积入渗量和土体湿润深度随入渗时间变化的趋势与保水剂用量呈不规律变化。这可能与试验条件有关,本研究中,整个入渗时间较短(30min),尚未达到稳定入渗2)当湿润锋到达保水剂层施层位时,湿润锋移动出现滞缓现象。该现象很可能是因为保水剂层施,分布集中,保水剂遇水后势必会快速吸收水分,入渗量小于保水剂吸水速率,水分下渗相对缓慢;随着入渗的进行,保水剂吸水趋于饱和,吸水速率小于入渗量,但水分会继续下渗。由于保水剂吸水膨胀,膨胀层对水分入渗在很大程度上产生阻滞作用,形成“隔水层”,单就这个“隔水层”而言,在吸水过程中可看作是土壤中水分的“汇”,暂时蓄积适量的水分,当土壤水分因土表蒸发或植物根系吸水减少时,此“隔水层”又能发挥其“源”的功能。谢伯承等从防止上层土壤滞水的角度考虑,认为保水剂不应该在土体中某一层位集中施用,而应该混施于土壤中3)层施保水剂后,积水入渗保水剂层土壤含水率迅速增加,不仅大于对照组中相同层位的含水率,甚至大于表层土壤含水率(10cm处层