绿色保湿增肥块的土壤保湿效果研究

张 潘，徐福利，，于钦民

(1.中国科学院/水利部 水土保持研究所，陕西杨凌 712100;2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

我国人口多用水量大，并且水资源污染严重，导致了我国水资源的严重不足。地下水的大量开采，使得地下水位下降，导致表层土壤含水量严重降低。水在土壤中起着重要的作用，例如物质运移、物质转化等，并且土壤水是植物需水的主要来源［1］。影响土壤保水性的主要因素有土壤结构、孔径分布、容重、有机质含量以及黏土矿物等［2］。土壤蒸发受太阳辐射、温度、湿度、风速等外界条件和土壤含水量、土壤质地及结构、地表情况、土壤色泽等内在因素的影响［3］，很多学者提出了土壤水分蒸发的数学模型，虽然由于参数复杂和特定的条件导致这些模型的应用受到了限制，但对解释土壤水分蒸发的机理做出了不可忽视的贡献［4－6］。分析土壤水分蒸发的机理及影响因素，可提高土壤水分的利用效率，达到科学用水、节水的目的［3］。

我国农业用地作物连作严重，导致土壤养分含量降低。据统计，全球耕地约有2/5缺磷，中国缺磷尤其严重［7］。研究表明，作物的产量约有65%取决于土壤肥力［8］，为了提高作物的产量就必须增加土壤的肥力。但化肥的大量使用既污染了环境，又对土壤物理性质、化学性质和生物性状产生了负面影响。秸秆还田能增加土壤肥力、改善土壤物理性状、促进养分循环等，是促进作物增产的有效手段［9］，但是秸秆直接还田不但费工费力，而且也不能明显地提高土壤肥力和作物产量［10］，将秸秆粉碎后还田是加快秸秆腐解速度的有效办法。2006年中国秸秆资源量超过7.6亿 t，秸秆还田仅占24.3%，所以优化管理秸秆资源仍是现阶段需要解决的重要问题［11］。保湿增肥块(简称G块)就是为农业节水和秸秆的合理利用而研究出的产品，它是秸秆粉碎后加入适量保水剂黏合挤压而成的，既可以保水，又可以有效地利用秸秆，是一种费用低、功能多的绿色材料。本研究的目的就是探查G块的保水情况，为秸秆的有效利用与农业节水的合理结合提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2011年9—12月在陕西省杨凌区中国科学院/水利部水土保持研究所土壤－植物营养研究试验地进行。杨凌区位于陕西省关中平原西部，地处东经 107°59'—108°08'、北 纬 34°14'—34°20'，海 拔418.0—540.1 m，属暖温带半湿润季风气候，冬季平均气温2℃，夏季平均气温27℃，多年平均气温12.5℃，极端最高气温42℃、最低气温－19.4℃，年均日照时数2 153.8 h，无霜期210 d，年均降水量632 mm，主要集中在8—9月，降水分配不均匀，年均蒸发量1 400 mm左右，蒸发量明显大于降水量。

1.2 试验材料与设计

1.2.1 试验材料

绿色保湿增肥块是研制的最新材料(不含水)，基本组成是秸秆碎末、保水剂等，是一种长、宽、高分别为9.0、8.7、1.5 cm 的固体块，中间有个直径为 2.0 cm 的圆孔，平均重量为83.145 g，吸水后可以迅速分解成细小的颗粒。试验所用土壤为中壤土，将土壤在自然状态下晾干，过0.5 cm筛，装盆后土壤容重为 1.35 g/cm3，试验前测得含水量为5.23%。

1.2.2 试验设计

根据不同的使用量，采用以下3种处理:①对照(CK)，不加G块;②处理Ⅰ，添加一块G块;③处理Ⅱ，添加两块G块。

试验采用盆装试验的方式，花盆是普通的塑料盆，底部无洞，上口平均直径为20.0 cm，高度为18.0 cm，平均质量为0.150 kg。盆内分别添加土壤、G块，使各处理连花盆总质量均为4.000 kg。把G块横着埋入土壤表层下大约5.0 cm深处，然后加入1.500 kg的水，水直接倒在土壤表层，使其自动下渗，最后各处理花盆总质量均为5.500 kg。试验重复3次，采用随机排列方式，放在室外自然条件下，下雨或阴天把花盆放入四周无遮挡、顶部为弓形塑料板的棚子内。

1.3 测量项目与方法

试验从9月22日开始。由于试验期间降雨和阴天较多，导致土壤水分蒸发较少，所以每2 d记录一次总质量。试验方法采用称量法，每次减少的量即蒸发量。称量工具采用上海申横电子有限公司制造的电子秤，最大称量为30 kg，分度值为10 g。

2 结果与分析

2.1 绿色保湿增肥块对土壤水分蒸发量的影响

绿色保湿增肥块对蒸发量的影响见图1，结果表明G块对土壤蒸发的影响显著。试验前期，加入G块的土壤蒸发较快，并且加入两块的蒸发最快，原因是处理Ⅰ和处理Ⅱ中的土壤加入水后表层会有一个凸起，加入两块的凸起最大，土壤表层的凸起导致土壤表层有很多裂缝。土壤表层有凸起的原因是G块吸水后会迅速膨胀，而G块仅埋在土壤表层下5 cm左右，土壤是过0.5 cm筛的细颗粒，压力不够，导致凸起。G块吸水膨胀后，在土壤里形成海绵状的透气层，这为植物根的生长提供了有利条件，透气层也可以储存大量的水分，减少水分向下的渗透，从而提高水分利用率。李凤博等人的研究也表明秸秆还田可以降低土壤的容重和坚实度，增加总孔隙度和非毛管孔隙度［12］。从图1可以看出，随着试验的进行，处理Ⅰ和处理Ⅱ的蒸发量慢慢地减少，试验开始后19 d(第10组数据)，对照中的土壤水分蒸发量超过处理Ⅰ和处理Ⅱ，以后几乎都是对照土壤水分蒸发得快。原因是处理Ⅰ和处理Ⅱ中的G块吸水后膨胀，使土壤变得疏松，水分很快下渗到土壤下层，另外G块含有少量保水剂，具有保水的作用，而对照加入水后，土壤表层的水分饱和后水分才会渗透到下层，导致表层水分较多，蒸发较快。

在理想状态下，试验开始阶段土壤水分最多，蒸发应该最快，后期慢慢减少。由于温度和降雨的影响，使得试验过程中土壤水分蒸发量变化较大，最大蒸发量为145 g/2d，最小蒸发量为0，平均蒸发量较小，其中对照为 37.59 g/2d、处理Ⅰ为 35.82 g/2d、处理Ⅱ为33.79 g/2d。与对照相比，处理Ⅰ和处理Ⅱ每2 d减少的蒸发量分别为4.94%和11.25%。平均蒸发量比较小的原因是试验是从9月22日开始的，那时大气温度已开始降低，并且试验期间降雨较多，空气湿度较大，而蒸发强度取决于土壤表层的水汽压和土壤表层大气中水汽压的差值，当水汽压差＞0时土壤水分蒸发，当差值=0时蒸发为0，当差值＜0时大气中的水汽进入土壤［3］，因此空气湿度较大时，两者的水汽压差较小，导致蒸发较慢。

图1 保湿增肥块对土壤水分蒸发量的影响

2.2 绿色保湿增肥块对土壤水分累计蒸发量的影响

G块对土壤水分累计蒸发量的影响见图2。从图2中可以看出:试验开始的前30 d(第1—15组数据)，土壤水分累计蒸发量处于迅速增加阶段;第31—40 d土壤水分累计蒸发量处于缓慢增加阶段;第41—46 d土壤水分累计蒸发量几乎不再增加，处于平稳阶段;而48 d以后，土壤水分累计蒸发量又开始缓慢增加。平稳后又缓慢增加的原因是，平稳期间降雨量较大，温度较低，导致蒸发极少，天气好转后，温度回升，蒸发又开始增强。

图2 保湿增肥块对土壤水分累计蒸发量的影响

本试验把土壤水分累计蒸发量分为迅速增加、缓慢增加和平稳3个阶段。王征友等［3］把土壤水分蒸发量分为以下3个阶段:初期固定蒸发速率阶段;蒸发速率递减阶段;蒸发消滞阶段。蔡树英等［13］的研究表明，当蒸发进行到大约18 d时，土壤表层会形成很小一层干土，土壤水分蒸发量就会减少。与本试验相比，蔡树英等的试验到缓慢增加阶段的时间明显缩短，原因是他们的试验是在室内进行的，温度较高，受天气影响很小。

2.3 绿色保湿增肥块对土壤含水量的影响

试验开始时土壤含水量为46.67%，之后随着时间增加含水量逐渐减小，结果见图3。开始时对照土壤水分蒸发慢，所以土壤含水量相对较大，随着试验的进行，处理Ⅰ和处理Ⅱ都减少了土壤水分的蒸发，试验结束后处理Ⅰ和处理Ⅱ分别提高土壤含水量14.24%和30.63%。可以推断，土壤中加的G块越多，保水效果越好，但单位体积土壤中加入G块的最优量是多少还需要进一步研究。试验开始28 d，处理Ⅰ和处理Ⅱ的土壤含水量开始大于对照，此时对照中土壤含水量为20.27%，处理Ⅰ中土壤含水量为20.59%，处理Ⅱ中为21.53%。从图1可以看出，对照的土壤水分蒸发量开始大于处理Ⅰ和处理Ⅱ时为20 d时，而从图3可看出，此时对照、处理Ⅰ和处理Ⅱ的土壤含水量分别为30.41%、29.09%、28.83%，说明 G块的保湿作用在土壤含水量为30%左右才开始显示出来，试验前期由于试验土壤表层凸起造成的裂缝和天气原因导致G块的保湿效果不明显。由此可知，土壤表层裂缝会掩盖部分试验结果，对试验产生负面影响，所以在做与表层土壤相关的试验时应尽量避免土壤表层有裂缝。

图3 保湿增肥块对土壤含水量的影响

3 结论

绿色保湿增肥块是利用作物秸秆和保水物质通过物理原理压制而成的保水增肥新型材料，其对土壤水分的蒸发产生的影响表现在:①G块减少了土壤水分的蒸发，提高了土壤的含水量，平均蒸发量对照为37.59 g/2d，处理Ⅰ为 35.82 g/2d，处理Ⅱ为 33.79 g/2d，与对照相比，处理Ⅰ和处理Ⅱ每2 d减少的蒸发量分别为4.94%和11.25%，试验结束后处理Ⅰ和处理Ⅱ提高土壤含水量分别为14.24%和30.63%。②G块吸水后可以在土壤内部形成透气层，使水分滞留在透气层内，从而使植物可以不断地吸收到水分，提高了水分的利用率。③温度和空气湿度是影响土壤水分蒸发的主要因素，试验过程中最大蒸发量为145 g/2d，最小蒸发量为0，变化较大。④土壤水分的蒸发可以分为迅速增加、缓慢增加和平稳3个阶段，并随着环境的改变而稍有变化。⑤土壤表层有裂缝对土壤水分蒸发影响较大，在做与土壤表层相关的试验时应尽量避免土壤表层有裂缝。

水资源是限制农业可持续发展的重要条件，因而农业节水技术的发展非常迅速，并取得了很多成果［14－16］。中国的秸秆资源量大，其利用主要以秸秆还田、燃烧和饲料为主，其中东北和华东地区秸秆主要用作燃烧(比例接近50%)。秸秆燃烧既浪费了资源也污染了环境，把农业节水与秸秆还田合理结合起来，是解决中国农业可持续发展的有效途径和措施。绿色保湿增肥块是最新研究的廉价、功能多的绿色产品，既能保水解决水资源的问题，也能增加作物秸秆的还田量，解决秸秆燃烧带来的环境问题，为农业的可持续发展提供了良机。

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