引黄泥沙对黏质盐土饱和导水率的影响
曲英杰 毛伟兵 孙玉霞 孙池涛 孙雪蓉
摘 要：为研究引黄泥沙对黏质盐土颗粒组成和土壤饱和导水率（Ks）的影响，以滨海地区黏质盐土为研究对象，利用黄河三角洲引黄灌区亟须处理的淤积泥沙作为改良剂，分别进行了土壤颗粒组成和土壤饱和导水率测定试验。结果表明：①黏质盐土随配沙比例增大，极细砂含量由3.356 1%增长到61.461 1%，细砂含量由0.180 9%增长到2.459 7%，粗粉粒含量由47.437 4%降低至31.150 9%，细黏粒含量由29.015 3%降至3.893 9%;②土壤饱和导水率随配沙比的增大而增大，二者为极其显著的指数函数关系，决定系数为0.937 5，以理想饱和导水率为限制条件，适宜配沙比例为[45.7%，56.8%];③土壤粒级与土壤饱和导水率的作用强度大小排序为极细砂>细砂>粗粉粒>中砂>细粉粒>细黏粒>粗砂>粗黏粒>石砾;④建立了极细砂含量和细砂含量x与土壤饱和导水率的回归方程，分别为Ks=0.018 6e0.083x，Ks=0.0160 7e2.122x。
關键词：黏质盐土;引黄泥沙;土壤饱和导水率;土壤颗粒组成
中图分类号：S156.4;TV882.1 文献标志码：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
黏质盐土是黄河三角洲地区最重要的土壤类型，其土壤物理性质一直是改良的关键与难点，其中土壤饱和导水率（Ks）低是制约黏质盐土改良的最重要因子[1-3]。土壤饱和导水率是土壤最重要的土壤水力学参数之一，决定着土壤的渗透性能和水盐运移状况，也是土壤水分与溶质运移模型中的关键参数[4-6]。郑健等[7]通过变水头渗透试验的方法研究认为土壤饱和导水率随着土壤容重的增大而降低;迟春明等[8]通过碱化盐土剖面分析认为土壤饱和导水率与土壤有机质的关系是极显著负相关。对于滨海地区的黏质盐土，大量盐分在土壤中过度积累，造成土壤颗粒分散，阻塞水分流动和水分入渗。引黄泥沙中的沙粒含量丰富，可通过适宜的配沙量调控黏质盐土的颗粒组成，进而改善土壤的饱和导水率。目前对于饱和土壤导水性能的研究主要集中在密度、有机质等对其的影响，颗粒组成变化对土壤饱和导水率影响的研究很少。本研究采用自然土壤中添加引黄泥沙，形成不同配沙比例的土壤，研究配沙量对土壤颗粒组成和土壤饱和导水率的影响，为黄河三角洲地区利用引黄泥沙进行盐碱土改良提供理论和数据依据。
1 材料与方法
1.1 試验材料
室内试验所用土样均取自山东省滨州市阳信县水落坡乡（东经117°59′46″，北纬37°35′22″，高程3 m）小麦田深度为0～40 cm土层。引黄泥沙取自小开河灌区沉沙池。土壤颗粒组成共测定9个粒级：石砾2～1 mm，粗砂1～0.5 mm，中砂0.5～0.25 mm，细砂0.25～0.1 mm，极细砂0.1～0.05 mm，粗粉粒0.05～0.01 mm，细粉粒0.01～0.005 mm，粗黏粒0.005～0.002 mm，细黏粒<0.002 mm。土壤及引黄泥沙颗粒级配见表1。试验期间水样取自山东省滨州市无棣县渤海粮仓项目试验区浅层地下水，水样矿化度为6.7 g/L，离子组成见表2。
1.2 试验设计
为探究不同黏质盐土与引黄泥沙配比对土壤饱和导水率的影响，按0%、1.3%、2.6%、…、100%配比设置74个处理，每个处理3个重复。黏质盐土和引黄泥沙根据设定配比混合均匀后模拟田间原状土，按田间实测土壤密度1.49 g/cm3压实装填至直径为8 cm、高为5 cm的环刀。每个处理的黏质盐土和引黄泥沙用量见表3。
1.3 试验方法
（1）土、沙颗粒级配：采用筛分和沉降相结合的湿筛-吸管法，具体步骤参考《土壤物理性质测定法》[9]。
（2）土壤饱和导水率：用KSAT饱和导水率仪进行试验，在每个环刀底部放一层滤纸，用纱布小心地将土样的底部包好，放入水平面约高出土样顶部1 cm的水中浸泡3～5 d，使之饱和。将饱和后的土样放置于KSAT饱和导水率仪内，将水位调节器内的水位调节至与容器中的水位一致，当土样顶部出现水层时，连接虹吸管，将集水圆筒内的水导入漏斗，使之流入量管后开始测量。为了统一标准，均采用10 ℃时的饱和导水率。
1.4 统计分析
1.4.1 灰色关联分析
本研究选用DPS软件进行灰色关联分析。灰色关联分析是一种定量和定性相结合的系统分析方法，采用量化方法获得灰色关联度，以此来分清系统之间关系的密切程度[10-11]。按照灰色系统理论要求，在分析各颗粒组成对土壤饱和导水率的影响时，将9个粒级和饱和导水率看作一个灰色系统，以饱和导水率为参考序列，记为X0，其他为比较序列，记作Xi（i=1，2，3，…，h）。通过计算参考序列与各个比较序列的关联度，可构成关联矩阵Ri。Ri可以直接反映出各个参考序列和比较序列之间的相互关系。关联度计算公式为ri=1N∑ki=1ξ（k）。求得参考序列、比较序列的关联度后，按其大小排序。
1.4.2 精确度检验
为评价回归方程模拟效果，采用决定系数R2、和方差SSE、均方根RMSE对拟合值与实测值进行定量分析。
2 结果与分析
2.1 配沙后土壤颗粒组成变化
黏质盐土不同配沙比下土壤颗粒组成变化见图1（石砾、粗砂、中砂含量很小，未在图中绘出）。在试验处理中，随配沙量增加，土壤的颗粒组成发生显著变化。土壤中极细砂、细砂的相对含量呈增大趋势，斜率分别为0.795 9、0.031 2;其余各粒级均呈线性减小趋势。根据土壤颗粒组成相对含量变化结果可知，极细砂含量由3.356 1%增长到61.461 1%，细砂含量由0.180 9%增长到2.459 7%，粗粉粒含量由47.437 4%降低至31.150 9%，细黏粒含量由29.015 3%降至3.893 9%。
根据引黄泥沙和黏质盐土的颗粒组成差异，引黄泥沙中0.1～0.05 mm粒级相对含量高、黏质盐土含量低的特点，通过向黏质盐土中施加引黄泥沙可以增加黏质盐土中砂粒的相对含量，降低黏质盐土中黏粒的相对含量，达到改善土壤颗粒组成等物理性状的目的。
2.2 配沙改良下土壤饱和导水率的变化
不同配沙比条件下黏质盐土饱和导水率变化见图2。配沙比在0～35%范围内，土壤饱和导水率随着配沙量的增加缓慢增大，配沙比达到40%之后，土壤饱和导水率随配沙量的增加迅速增大。Matlab软件非线性回归分析结果表明，配沙量与土壤饱和导水率之间存在极其显著的指数函数正相关（P<0.01，R2=0.937 5）。
壤饱和导水率作为土壤持水和保水能力的主要指标，对土壤水盐运移状况有重要的影响。选择当地小麦单产超过7 500 kg/hm2的高产田作为利用引黄泥沙改良黏质盐土的参照标准，测定其土壤饱和导水率指标，测得土壤饱和导水率的理想区间大致为[0.35 μm/s，0.55 μm/s]。依据适宜的土壤饱和导水率，推荐的黏质盐土配沙比范围为[45.7%，56.8%]。
2.3 土壤颗粒组成与土壤饱和导水率的关系
2.3.1 土壤颗粒组成与土壤饱和导水率关联分析
以土壤饱和导水率为参考序列，土壤各颗粒组成为比较序列，通过灰色关联分析法，得到土壤各颗粒组成对土壤饱和导水率的关联系数，见表4。可以看出，土壤饱和导水率与其他各颗粒组成的关联度大小次序为极细砂>细砂>粗粉粒>中砂>细粉粒>细黏粒>粗砂>粗黏粒>石砾。极细砂（0.1～0.05 mm）和细砂（0.25～0.1 mm）的含量与土壤饱和导水率的关联度最高，说明极细砂和细砂对土壤饱和导水率的影响最为显著。
由于粒径0.1～0.05 mm的泥沙输送困难，容易在干渠、输沙渠淤积，因此在干支渠系和沉沙池淤积的泥沙中，80%～90%是粒径0.1～0.05 mm的极细砂，其次是粒径0.25～0.1 mm的细砂。极细砂和细砂在引黄泥沙中占比较高，但这两个粒级在黏质盐土中的含量极小。在影响饱和导水率的颗粒组成因素中，对于改善黏质盐土的孔隙结构，极细砂和细砂为主导因素。另外，引黄泥沙中石砾和粗砂（2～0.5mm）的颗粒含量极小，所以配沙后对土壤饱和导水率的作用强度较弱。虽然粗粉粒（0.05～0.01 mm）在引黄泥沙中占比较高，但在黏质盐土中，这一粒级也是主要组成成分，占总粒级的48%，配沙后相对增加量较小，不会成为土壤饱和导水率的主要影响因子。
2.3.2 土壤顆粒组成与土壤饱和导水率的关系方程
土壤饱和导水率的测定费时费力，建立土壤颗粒组成与土壤饱和导水率的关系方程，可以通过某一粒级的颗粒含量预测土壤饱和导水率。灰色关联度分析结果表明，极细砂和细砂对土壤饱和导水率的影响最为显著。极细砂含量与土壤饱和导水率和细砂含量与土壤饱和导水率的一元非线性回归方程分别为Ks=0.018 6e0.083x、Ks=0.016 07e2.122x。方程的拟合值与实测值基本贴近，拟合精度较高（见表5）。
3 讨 论
土壤导水能力受土壤颗粒组成的影响[12-15]，Sauer等[16]认为随土壤中碎石和砂粒含量的增大，土壤饱和导水率增大，入渗速度加快，与本研究结果一致。很多研究表明，黏质盐土中过量的Na+是导致土壤饱和导水率低的重要原因。Na+使土壤黏粒遇水高度分散，进而堵塞土壤孔隙，导致土壤导水率下降，成为影响盐分淋洗、土壤改良的严重障碍[17-19]。在黄河三角洲地区，一般砂粒含量比较高的土壤，饱和导水率大，导水性能好。根据白冰等[20]研究，黄河三角洲区域内的土层属低透水强度范围，不利于盐分淋洗。随配沙比例的增大，土壤饱和导水率呈指数级增大趋势，说明适宜的配沙比能够有效提高黏质盐土的饱和导水率，但过高的饱和导水率影响土壤的持水保水能力，不仅会造成水肥流失，还容易导致土壤缺水，造成农作物减产，对土壤生态环境产生不良影响[21]，因此本研究通过分析引黄泥沙对黏质盐土饱和导水率的影响，建立黏质盐土配沙量与饱和导水率的数值方程，在适宜的土壤饱和导水率指标控制下，最终确定黏质盐土的最优配沙比范围。
土壤砂粒的比表面积较小，一直被认为是土壤中的惰性成分，对土壤养分、盐分的吸附性较弱[22]，因而在有关研究中很少涉及。李卓等[23]研究发现土壤入渗能力与黏粒含量成指数负相关的关系，随着黏粒含量的增大，毛管孔隙增多，大孔隙减少，毛管力对垂直一维入渗的水分驱动力——重力的抵消作用逐渐增强。而大量研究证实[24-25]，土壤黏粒含量越大，颗粒比表面积越大，含有的电荷数量越多，能吸引更多的水分子，抑制土壤的渗水能力。在利用引黄泥沙改良盐碱土试验的9种土壤粒级中，极细砂和细砂对土壤饱和导水率的正面影响最为显著。前期通过核函数非参数估计算法进行了不同土壤粒级对土壤盐分吸附的敏感性分析，发现土壤砂粒不像黏粒那样具有巨大的比表面积和高度的活性，但是这部分土壤颗粒的变化对于增加土壤极细砂粒的比例、减少土壤盐分吸附、降低盐碱土壤的含盐量具有重要的作用[26-27]。因此，可以利用引黄泥沙配施黏质盐土，调控黏质盐土的颗粒组成，提高土壤中大孔隙的数量和比例，提高土壤饱和导水率。以往研究并没有建立颗粒变化与土壤饱和导水率的关系，本研究推求的模拟方程能够通过极细砂或细砂的含量预测土壤饱和导水率。本研究分析了颗粒级配与饱和导水率的关系，土壤密度及孔隙结构等其他影响因子的显著性关系还有待继续研究。
4 结 论
本次滨海黏质盐土配沙改良试验结果表明：①土壤中各粒级含量均发生明显变化，极细砂含量、细砂含量分别由3.356 1%增长到61.461 1%、由0.180 9%增长到2.459 7%，粗粉粒含量、细黏粒含量分别由47.437 4%降低至31.150 9%、由29.015 3%降至3.893 9%，黏质盐土中砂粒含量提高，黏粒含量降低。②黏质盐土配沙改良后，土壤饱和导水率随配沙量增加，呈显著的指数函数形式提高;根据当地高产田的土壤饱和导水率，确定适宜的配沙比范围为[45.7%，56.8%]。③对土壤粒级与土壤饱和导水率的关联度大小进行灰色关联度分析，土壤饱和导水率关联度由大到小的排序为极细砂>细砂>粗粉粒>中砂>细粉粒>细黏粒>粗砂>粗黏粒>石砾。④根据对土壤饱和导水率作用强度最大的两个粒级，建立极细砂含量对土壤饱和导水率和细砂含量对土壤饱和导水率的回归方程，分别为Ks=0.018 6e0.083x，Ks=0.016 07e2.122x。
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