保水劑對土壤水分入滲性能和土壤水吸力的影響

保水劑對土壤水分入滲性能和土壤水吸力的影響

干旱、缺水和土壤侵蝕是限制我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。近年來，為緩解水資源匱乏，合理高效的利用水分，保水劑被廣泛應(yīng)用于我國抗旱節(jié)水、水土保持和土壤污染治理領(lǐng)域。保水劑作為保水材料的一種已被廣泛使用，能夠通過自身特殊的結(jié)構(gòu)改善土壤物理性狀，提高土壤水分利用率，影響土壤水分的時空分布，從一定程度上緩解農(nóng)田干旱缺水的現(xiàn)狀1材料和方法1.1維垂直均勻土柱入滲試驗為研究保水劑的施用量和層施深度對土壤水分運移分布特性的影響，在室內(nèi)進行一維垂直均勻土柱入滲試驗。試驗于2019年7月在河北工程大學(xué)實驗室進行。供試土壤為壤土，自然風(fēng)干過2mm土篩，按照土壤初始含水率2%進行配土。沃特多功能保水劑，具有吸水性好，凝膠強度高等特性。1.2機玻璃管內(nèi)部進水試驗主要由土柱和馬氏瓶（供水系統(tǒng)）組成。土柱采用內(nèi)徑為5cm、高20cm的透明有機玻璃管，其內(nèi)部按照土壤容重1.25g/cm試驗以入滲35min結(jié)束，馬氏瓶停止供水。試驗設(shè)置4個處理，分別為對照組CK（不施保水劑）和處理組0.1%(W0.1%,S0.1%）、0.3%(W0.3%,S0.3%）、0.5%(W0.5%,S0.5%)1.3土層深度測量入滲開始后，用秒表計時，分別于1、3、5、10、15、20、25、30和35min時記錄馬氏瓶水位讀數(shù)，同時觀察濕潤鋒入滲距離隨時間的變化。入滲結(jié)束后從土層表面向下用小勺取土，取土位置分別是0～2,2～4,4～6,6～8,8～10,10～12,12～14,14～16cm，用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量。對照組CK和處理組分別在層施保水劑相鄰位置，即土層深度為3、7和9、11cm，插入T5微型水勢傳感器，用于測量土壤水吸力。T5微型水勢傳感器采用美國METER品牌，其原理是土壤水勢通過陶瓷杯傳遞到傳感器內(nèi)部，造成傳感器內(nèi)水壓變化，位于傳感器內(nèi)的壓力傳感器以模擬信號輸出壓力變化情況，得到相應(yīng)的水勢1.4數(shù)據(jù)處理和分析圖中所用的數(shù)據(jù)均是重復(fù)3次的平均值，采用Excel和SPSS軟件分別進行作圖和統(tǒng)計分析。2結(jié)果與分析2.1保水劑層施深度圖2分別為保水劑在層施深度5cm、10cm處，濕潤鋒運移距離隨時間的變化關(guān)系圖。由圖可知，濕潤鋒運移距離隨隨著時間的延長而增大。在同一層施深度下，保水劑施用量的越大，濕潤鋒運移距離越小。在不同層施深度下，濕潤鋒運移距離隨時間的變化趨勢大致相同由表1可知，在保水劑層施深度5cm、10cm處，分別是在5和15min之后各處理之間出現(xiàn)差異，并隨著時間的延長各處理差異性越明顯。這主要是由于各處理之間因保水劑施用量的不同，保水劑吸水膨脹后對水分入滲形成阻滯作用有強有弱，即保水劑施用量越大，阻滯作用越強，阻礙土壤水分向下運移越明顯。層施保水劑分布集中，保水劑遇水后快速吸收水分，入滲量小于保水劑吸水速率，水分下滲相對緩慢，導(dǎo)致水分到達保水劑層施深度時，濕潤鋒移動出現(xiàn)滯緩現(xiàn)象2.2入滲時間的影響圖3分別為保水劑在層施深度5cm、10cm處，累積入滲量隨時間的變化關(guān)系圖。由圖3可知，累積入滲量與濕潤鋒運移距離隨入滲時間的變化趨勢一致，均是隨著入滲時間的延長逐漸增大。不同保水劑施用量下，累積入滲量均小于對照組。相同層施深度下，隨著保水劑含量的變化，累積入滲量變化小于濕潤鋒運移的變化。累積入滲量隨著保水劑含量的增大而逐漸減小由表1和表2對比可知，在不同層施深度和時刻下，保水劑施用量對累積入滲量的影響小于濕潤鋒運移。在相同層施深度下，累積入滲量隨著入滲時間的延長差異性不大。這是因為保水劑吸水膨脹體積增大，改變了土壤的微結(jié)構(gòu)，使得土壤的孔隙度減小，阻礙水分向下運移2.3對照土壤含水量圖4分別是保水劑在層施深度5和10cm處土壤含水量隨時間的變化關(guān)系。由圖4可知，保水劑影響著土壤含水量分布，總體而言，各處理土壤含水量隨著土層深度的增加而逐漸減小W0.5%>W0.3%>W0.1%>CK。5cm處層施，處理組中0～5cm土層深度內(nèi)的土壤含水量比對照中相應(yīng)層位的顯著增加。當(dāng)土層深度在7～15cm時，土壤含水量表現(xiàn)為CK>W0.1%>W0.3%>W0.5%；根據(jù)土壤含水量在剖面分布可劃分為0～3cm和3～15cm兩段，在0～3cm，處理組土壤含水量隨著保水劑含量的增加而逐漸增大，3～15cm土壤含水量逐漸的減小。10cm處層施，在不同保水劑施用量下，各處理土壤含水量變化趨勢一致，隨著土層深度的增大而減??；在0～10cm土層深度范圍內(nèi)，處理組的土壤含水量比對照組大，即S0.5%>S0.3%>S0.1%>CK;10～15cm，二者相比，對照組較大，即CK>S0.1%>S0.3%>S0.5%。保水劑能夠增加土壤上層土壤的含水量，隨著保水劑含量的增大，效果越明顯，這主要是由于保水劑能夠吸收水分，有效抑制水分的蒸發(fā)，改善土壤結(jié)構(gòu)，使水分入滲通道減少，阻礙水分向下入滲，使大量水分在保水劑上層停留2.4保水劑對土層深度影響圖5分別是保水劑在層施深度5cm和10cm，土層深度3、7、9、11cm土壤水吸力隨時間的變化情況。在不同土層深度下，不同保水劑含量的土壤水吸力隨時間變化趨勢基本是一致的。由圖5可知，在不同層施深度和保水劑含量下，不同土層深度土壤水吸力隨著時間速由小到大，再由大到小。不同土層深度下，各處理土壤水吸力達到峰值的時間和峰值大小各不相同。在相同層施深度下，不同土層深度下，保水劑含量對下層土壤水吸力影響較大，即保水劑施用量越大，峰值越大，到達峰值的時間越長。保水劑的存在一定程度上延緩水分入滲，同時保水劑能夠吸附水分膨脹，阻礙土層中水分的入滲，導(dǎo)致保水劑上下兩層土壤水吸力產(chǎn)生差異。由表3可知，層施深度和保水劑施用量對響土壤水吸力都有影響。土層深度越深和保水劑含量越大所對應(yīng)的土壤水吸力相對較大。保水劑層施深度5cm時，土層深度3cm在保水劑上層，因此在一定時間內(nèi)保水劑對此處土壤水吸力影響不明顯，當(dāng)T5逐漸到達平衡，各處理出現(xiàn)了差異性；在土層深度7cm時，土壤中的水流通過保水劑層，保水劑吸水膨脹體積增大，改變了土壤的微結(jié)構(gòu)，使得土壤的孔隙度減小，阻礙水分向下運移，且隨著保水劑含量的增加阻礙作用增強。同時，保水劑自身吸水形成凝膠，也減小了水分入滲的速率保水劑施用量越大，吸脹體積越大，形成凝膠量越多，對水分的阻滲能力也就越強。所以在土層深度7cm處的T5（微型張力計）周圍土壤水吸力隨著保水劑施用量的不同，峰值大小與到達峰值的時間出現(xiàn)差異性。當(dāng)保水劑層到達一定含水量時，水分向下運移，延長到達峰值的時間和大小，即保水劑含量越大，T5測量土壤水吸力越大，即峰值越大。這表明保水劑增加了上層土壤的含水量，隨著保水劑含量的增加各處理由峰值到達拐點值大小不同，即保水劑上層隨著保水劑含量的增加土壤水吸力拐點值越小，保水劑下層與之相反保水劑層施深度10cm時，層施位置相對較深，水分入滲相對緩慢，到達土層深度9cm時，各處理峰值大小有明顯不同，這主要是由于保水劑對土壤中的水分有吸附作用，且隨著保水劑含量增加對水分的吸附作用就越強，導(dǎo)致土層深度9cm處T5所測土壤水吸力峰值出現(xiàn)差異，同時，影響各處理到達拐點值時間11(S0.1%)、14(S0.3%)、14(S0.5%)、11(CK)min，大小依次是295(S0.1%）、265(S0.3%)、242(S0.5%)、302(CK)hPa。土層深度11cm處，保水劑層對土壤水分的阻礙作用有明顯的體現(xiàn)。各處理峰值大小和到達峰值時間有較大差異，此處各處理達到拐點的時間依次是22(S0.1%)、27(S0.3%)、34(S0.5%)、15(CK)min，大小依次是420(S0.1%)、458(S0.3%)、543(S0.5%)、400(CK)hPa。由以上分析可知，不同層施深度和保水劑施用量影響土層深度水吸力的變化。土壤水吸力的變化體現(xiàn)著張力計先釋水再吸水變化過程，這個過程同時也反映了土壤水吸力峰值的相對大小以及達到峰值的時刻。保水劑影響土壤水吸力整個變化過程，同時，不同土層深度也會造成土壤水吸力的差異。但，保水劑影響土壤水吸力更明顯，由于保水劑對水分具有很強的吸附性，會造成T5周圍水分含量的變化，進而引起土壤水吸力的變化。保水劑含量越大和層施位置越深，所對應(yīng)的土壤水吸力越大含水量越小，原因是保水劑層施，分布集中，遇水后快速吸收水分，入滲速率小于保水劑吸收的速率，水分下滲緩慢，此時，水分在保水劑層停留，導(dǎo)致保水劑下層T5探頭得到充分的釋水過程，隨著保水劑層吸水逐漸趨于飽和，吸水速率小于入滲量，水分會繼續(xù)下滲，T5探頭從土壤中再吸收水分,水吸力出現(xiàn)驟降。隨著入滲的進行，保水劑吸水趨于飽和，吸水速率小于入滲量，但水分會繼續(xù)下滲。保水劑含量和層施位置造成不同土層深度下土壤水吸力出現(xiàn)先變大后變小的差異3保水劑對含水量的影響(1）保水劑對土壤入滲性能的影響因保水劑層施深度和施用比例的不同而變化。保水劑對累積入滲量和濕潤鋒運移都有不同程度的抑制，即隨著保水劑含量的增加，累積入滲量和濕潤鋒運移逐漸減小。保水劑含量對濕潤鋒運移的影響較大且差異性更為顯著。(2）保水劑能夠有效提高土壤含水率。與對照組相比，保水劑主要提高上層土壤含水率，下層土壤含水率偏低。相同層施深度下，保水劑層