鄭 健， 殷李高， 李欣怡， 潘占鵬， 顏 斐

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050； 3.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 蘭州 730050)

土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)是指土壤全部孔隙都充滿水的情況下，在單位水勢梯度作用下，通過垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量或滲流速度[1]。它是表示孔隙介質(zhì)透水性能的綜合比例參數(shù)[2]，同時也被作為研究土壤水分運(yùn)移規(guī)律和影響水文模型精度的重要水力參數(shù)[3-4]。目前，國內(nèi)外對土壤飽和導(dǎo)水率的研究多集中在測定方法和模型預(yù)測的研究，在影響飽和水分運(yùn)動因素上，主要是集中在對土壤的容重[5]、有機(jī)質(zhì)含量[6]、溫度[7]、孔隙度[8]、初始含水率[9]、pH值[10]等方面，但關(guān)于不同灌溉介質(zhì)對土壤飽和導(dǎo)水率影響的相關(guān)的研究相對較少。

近年來，戶用沼氣和規(guī)?；託夤こ贪l(fā)展迅速，利用生物質(zhì)能已經(jīng)是我國村鎮(zhèn)能源建設(shè)的主要方向之一[11]。截至2015年底，我國已有5000多萬口戶用沼氣池,但沼氣的生產(chǎn)伴隨著沼液的產(chǎn)生，大量沼液的隨意排放，必然會對環(huán)境造成危害[12]。而沼液是人畜糞便、秸稈等有機(jī)物經(jīng)過厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的殘留物，是一種養(yǎng)分全面、速緩肥效兼?zhèn)涞膬?yōu)質(zhì)有機(jī)肥料[13]。研究表明，沼液施用后能夠提高作物的產(chǎn)量品質(zhì)，改善作物根區(qū)土壤環(huán)境[13-14]，但沼液施用量和施用周期的不合理，不但會對環(huán)境造成一定污染，同時也是對資源的極大浪費(fèi)[15]，因此在沼液的施用過程中應(yīng)充分考慮作物和農(nóng)田對于沼液的承載能力[12]，獲得合理的灌溉制度。而要解決這個問題首先就要探明影響沼液水分、養(yǎng)分在土壤中運(yùn)移、分布規(guī)律的重要影響參數(shù)—土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)。

基于此，文章將采用變水頭滲透試驗(yàn)的方法，來測定不同沼液配比在不同土壤容重下對土壤飽和導(dǎo)水率的影響，通過分析沼液理化性質(zhì)對土壤飽和導(dǎo)水率的影響進(jìn)一步為獲得合理的沼液配比、制定合理的沼液灌溉制度及灌溉模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年5月至8月在蘭州理工大學(xué)水利水電工程研究所實(shí)驗(yàn)室內(nèi)(36°06′N，103°78′E)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室位于一層，層高6 m，空間較大，且安裝有空調(diào)，在試驗(yàn)周期內(nèi)能夠保持溫度變化±2℃，故可不考慮溫度對土壤飽和導(dǎo)水率的影響。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自甘肅省蘭州市魏嶺鄉(xiāng)狗牙村正常耕作的農(nóng)田，采集土層深度為0～40 cm，土樣采集后自然風(fēng)干、碾壓、均勻混合、過2 mm篩備用，并采用TM-85土壤甲種比重計(jì)進(jìn)行土壤粒徑分析，結(jié)果如表1所示，按國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，供試土樣為粉壤土。

表1 試驗(yàn)土壤的機(jī)械組成 (%)

1.2.2 試驗(yàn)沼液

試驗(yàn)用的沼液取自蘭州市花莊鎮(zhèn)的甘肅荷斯坦良種奶牛繁育中心正常發(fā)酵、正常產(chǎn)氣的沼氣池中，經(jīng)曝氣靜置2個月，待其理化性質(zhì)穩(wěn)定后備用，該沼氣工程以牛糞為發(fā)酵原料。沼液原液pH值為7.23，有機(jī)質(zhì)含量10.75 g·L-1，全氮含量為1.036 g·L-1，全磷含量為0.533 g·L-1，全鉀含量為1.186 g·L-1，試驗(yàn)前用4層紗布(32目)過濾掉沼液中較大的懸浮顆粒備用。

1.3 試驗(yàn)方法及裝置

試驗(yàn)在蘭州理工大學(xué)水利水電工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，土壤飽和導(dǎo)水率采用變水頭滲透試驗(yàn)法測定(結(jié)果換算成10℃下的飽和導(dǎo)水率)[16]。試驗(yàn)設(shè)備采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TST-55滲透儀，試驗(yàn)裝置如下圖1所示。

1.滲透容器； 2.進(jìn)水管夾； 3.變水頭管； 4.供水瓶； 5.接水源管； 6.排氣水管； 7.出水管

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置原液，1∶1(體積比 沼液∶水)，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10等11個沼液配比，處理編號分別為T1～T11，并設(shè)置1個純水的對照組CK。根據(jù)當(dāng)?shù)靥镩g土壤容重情況，試驗(yàn)設(shè)置1.35 g·cm-3和1.40 g·cm-3兩個土壤容重。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.5 測定項(xiàng)目和方法

靜置穩(wěn)定以后沼液黏度采用比較法測量(奧氏黏度計(jì))，靜置穩(wěn)定以后的沼液電導(dǎo)率用電導(dǎo)率儀測量(上海雷磁，DDS-11A型)，靜置穩(wěn)定后的沼液pH值采用pH計(jì)電位法測定(PHS-25型便攜式pH計(jì)，上海雷磁)，沼液干物質(zhì)的量用烘干稱量法測定。

1.6 數(shù)據(jù)分析和處理

采用SPSS20.0軟件進(jìn)行多元逐步回歸分析，數(shù)值擬合采用Origin9.0軟件，圖表繪制采用Origin9.0和Excel2017軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液配比對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

為了便于比較和數(shù)據(jù)分析，將沼液配比換成小數(shù)形式表示。從圖2中可以看出，土壤容重為1.35 g·cm-3的土壤飽和導(dǎo)水率在不同沼液配比處理下均高于1.40 g·cm-3；同時，從試驗(yàn)結(jié)果可知，CK在1.35 g·cm-3和1.40 g·cm-3土壤容重下的土壤飽和導(dǎo)水率為0.009 cm·min-1和0.007 cm·min-1，T11處理僅為0.00169 cm·min-1和0.00135 cm·min-1，表明沼液對土壤飽和導(dǎo)水率會產(chǎn)生較大影響；不同沼液配比土壤飽和導(dǎo)水率亦不相同，隨沼液配比增大土壤飽和導(dǎo)水率呈下降趨勢。為進(jìn)一步探求沼液配比對土壤飽和導(dǎo)水率的影響規(guī)律，將不同沼液配比與土壤飽和導(dǎo)水率數(shù)值進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明，土壤飽和導(dǎo)水率和沼液配比呈很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度R2均大于0.98，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為F=1492.65，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=1044.39，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 沼液電導(dǎo)率對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

電導(dǎo)率是一個用來表征溶液傳導(dǎo)電流的性能，該性質(zhì)會引起土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的改變，從而影響土壤飽和導(dǎo)水率。如圖3所示，在不同土壤容重條件下土壤飽和導(dǎo)水率均隨沼液電導(dǎo)率的增加而減??；同時試驗(yàn)測得的純水電導(dǎo)率僅為0.01 ms·cm-1，遠(yuǎn)小于不同沼液配比的電導(dǎo)率值(例如配比最低的T11處理，其電導(dǎo)率值為2.23)，說明在沼液入滲過程中沼液電導(dǎo)率對土壤飽和導(dǎo)水率的影響較大。為進(jìn)一步探求沼液電導(dǎo)率對土壤飽和導(dǎo)水率的影響規(guī)律，將不同沼液電導(dǎo)率與土壤飽和導(dǎo)水率數(shù)值進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明：兩個容重條件下的擬合優(yōu)度R2均大于0.98，土壤飽和導(dǎo)水率和沼液電導(dǎo)率呈很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為F=1609.04，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=1188.34，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明指數(shù)函數(shù)方程可以反映土壤飽和導(dǎo)水率隨沼液電導(dǎo)率增減的變化特征。

圖2 不同容重條件下土壤飽和導(dǎo)水率與沼液配比的擬合趨勢圖

圖3 沼液電導(dǎo)率與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

2.3 沼液黏度對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

黏度是一個用來表征液體流動難易程度的物理量，該性質(zhì)對于液體入滲過程有著重要的影響。試驗(yàn)中測得純水黏度為0.894×10-3p·s，均小于各處理的沼液黏度。由圖4可以看出，在不同土壤容重條件下土壤飽和導(dǎo)水率均與沼液黏度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即Ks隨沼液黏度的增大而減小，說明沼液黏度對土壤飽和導(dǎo)水率存在一定影響。為了探求沼液黏度和土壤飽和導(dǎo)水率的變化規(guī)律，將所測數(shù)值進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)值擬合分析，結(jié)果表明，兩個容重條件下的擬合優(yōu)度R2均大于0.98，土壤飽和導(dǎo)水率和沼液黏度呈很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為F=1032.70，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=1285.82，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖4 沼液黏度與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

2.4 沼液干物質(zhì)量對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

沼液干物質(zhì)量反映了不同沼液配比中的無機(jī)鹽、有機(jī)質(zhì)以及微粒等含量的高低程度，而這些物質(zhì)對沼液溶液的入滲過程有著很大的影響[17]。試驗(yàn)中CK(純水)的干物質(zhì)的量以0計(jì)。由圖5可知，在不同容重條件下，土壤飽和導(dǎo)水率均與沼液干物質(zhì)的量呈負(fù)相關(guān)，即土壤飽和導(dǎo)水率隨沼液干物質(zhì)的量的變大而變小，表明沼液干物質(zhì)量的多少影響了土壤飽和導(dǎo)水率。為進(jìn)一步探求兩者之間的變化規(guī)律，將沼液干物質(zhì)的量與土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)不同土壤容重條件下不同配比沼液的干物質(zhì)量與土壤飽和導(dǎo)水率呈很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合優(yōu)度均大于0.98，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別為F=1158.45，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=1247.58，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.5 沼液pH值對土壤飽和導(dǎo)水率的影響

如圖6所示，不同容重條件下，土壤飽和導(dǎo)水率均隨沼液pH值的增大而減小，但不同沼液配比其pH值差異不大，為進(jìn)一步分析pH值微小差異對土壤飽和導(dǎo)水率的影響，將不同處理的沼液pH值與測得土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行數(shù)值擬合，發(fā)現(xiàn)不同處理的沼液pH值和土壤飽和導(dǎo)水率呈很好的拋物線關(guān)系，擬合優(yōu)度均大于0.97。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別為F=788.03，p<0.001(土壤容重為1.35 g·cm-3)；F=785.91，p<0.001(土壤容重為1.40 g·cm-3)，表明方程均具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，采用一元二次函數(shù)方程能夠反映土壤飽和導(dǎo)水率隨沼液pH值增減的變化特征。

圖5 沼液干物質(zhì)的量與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

圖6 沼液pH值與土壤飽和導(dǎo)水率的關(guān)系

2.6 多元逐步回歸分析

由表2中沼液理化因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的相關(guān)分析可以看出，沼液的理化性質(zhì)均與土壤飽和導(dǎo)水率具有極顯著的相關(guān)性(p<0.01)，其相關(guān)系數(shù)的大小順序?yàn)檎右焊晌镔|(zhì)的量>沼液電導(dǎo)率>沼液配比>沼液pH值>沼液黏度，但沼液在入滲的過程中，沼液的理化性質(zhì)因子存在交互作用。因此，單一影響因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的相關(guān)系數(shù)只能反映其它因子在不變化的情況下的變化規(guī)律，并不能準(zhǔn)確反映實(shí)際的沼液入滲情況下其它因子交互作用產(chǎn)生的影響，而多元逐步回歸分析方法則可以獲得每個解釋變量對被解釋變量的影響程度，當(dāng)方程出現(xiàn)異方差性，影響了回歸方程的準(zhǔn)確性，則要把這個變量剔除。因此，本文選擇多元逐步回歸分析的方法來分析因子之間的交互影響，并篩選出對土壤飽和導(dǎo)水率影響最大的因子。為充分反映沼液理化性質(zhì)因子與土壤飽和導(dǎo)水率的真實(shí)關(guān)系，本文將沼液配比(X1)，沼液電導(dǎo)率(X2)，沼液黏度(X3)，沼液干物質(zhì)的量(X4)，沼液pH值(X5)五個因素作為自變量因子，以土壤飽和導(dǎo)水率作為因變量Y，采用多元逐步回歸分析，篩選出影響土壤飽和導(dǎo)水率的相對重要因子，結(jié)果為：

Y=0.088-0.012X4-0.007X3

通過檢驗(yàn)，F(xiàn)=114.91>(F0.01=2.85)，R2=0.924，p<0.001，表明回歸方程達(dá)到極顯著水平，從方程的篩選的主要因子來看，沼液干物質(zhì)含量和沼液黏度是影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因子。

表2 沼液理化因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的相關(guān)分析

注：*表示在p=0.01水平上相關(guān)性顯著。

表3說明了主要土壤因子對土壤飽和導(dǎo)水率的直接作用和間接作用的方向及大小(Durbin-Waston統(tǒng)計(jì)量等于0.982，接近于1，說明各個殘差間均呈正相關(guān))。土壤飽和導(dǎo)水率與其主要相關(guān)因子的直接通徑系數(shù)絕對值為沼液干物質(zhì)的量>沼液黏度。沼液干物質(zhì)的量的直接通徑系數(shù)為-0.784，對土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生直接的負(fù)效應(yīng)最強(qiáng)，同時又通過沼液黏度間接對土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生一定的負(fù)效應(yīng)；沼液黏度對土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生的直接負(fù)效應(yīng)為-0.650，同時又通過沼液pH值間接對土壤飽和導(dǎo)水率一定的負(fù)效應(yīng)。

表3 沼液理化因子與土壤飽和導(dǎo)水率之間的通徑系數(shù)

3 討論

土壤飽和導(dǎo)水率與土壤質(zhì)地、體積質(zhì)量和孔隙度關(guān)系緊密[18]，土壤容重是土壤的一個基本物理性質(zhì)，對土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移特征以及土壤的抗侵蝕能力均有非常大的影響[19]。國內(nèi)外許多學(xué)者均證實(shí)土壤飽和導(dǎo)水率隨土壤容重的增大而減小[20-22]，本文研究進(jìn)一步證實(shí)這一觀點(diǎn)。

不同的沼液配比會致使沼液電導(dǎo)率、沼液黏度、沼液干物質(zhì)的量、沼液pH值存在差異，進(jìn)而造成沼液的入滲過程中土壤飽和導(dǎo)水率的差異。鄭健[23]等通過水平和垂直土柱入滲試驗(yàn)得出各處理的累積入滲量均隨沼液配比和土壤容重的增加而降低，這與本文研究發(fā)現(xiàn)沼液配比和土壤飽和導(dǎo)水率呈負(fù)相關(guān)系的結(jié)果研究一致。從土壤組成和物理性質(zhì)分析，粉粒的礦物組成和物理性質(zhì)一般與砂粒相似，但顆粒相對較小，具有更大的外表面積和較小的顆粒內(nèi)擴(kuò)散距離，粉粒含量的增加使得結(jié)合水膜變厚，土體中孔隙減小[24-25]，進(jìn)而降低沼液在土壤中的流動性和土壤的滲透性，而本試驗(yàn)中所采用土壤為粉質(zhì)壤土，粉粒含量較高。本試驗(yàn)結(jié)果與唐勝強(qiáng)[26]等研究表明微咸水入滲可以增加土壤的入滲性能力的結(jié)果有差異，表明沼液自身特性與傳統(tǒng)清水、水鹽及水肥溶液存在差異。初步分析是由于試驗(yàn)測定的沼液黏度明顯高于純水，且隨沼液配比的增大而增大，而黏性大的液體其流動性比黏性小的液體差[27]。同時，何利昌[28]等的研究表明，在入滲過程中，懸浮顆粒會堵塞土壤中的孔隙，有效降低土壤的基質(zhì)吸附作用和毛管作用，而沼液中含有一定量的有機(jī)懸浮顆粒，在入滲過程中同樣也會降低入滲速率。本試驗(yàn)中沼液電導(dǎo)率與飽和導(dǎo)水率呈負(fù)相關(guān)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這與張俐[29]等研究入滲水質(zhì)對土壤導(dǎo)水特性中電導(dǎo)率與土壤入滲性能呈正相關(guān)關(guān)系的結(jié)果存在差異，初步分析可能是由于沼液中鹽分淋洗高于土壤黏粒凝絮值，導(dǎo)致土壤黏粒膨脹堵塞了原土壤中的入滲孔隙，進(jìn)而降低了沼液入滲過程中土壤飽和導(dǎo)水率。入滲介質(zhì)的pH值也會對土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生一定影響[30-31]，本試驗(yàn)中測得的沼液pH值與土壤飽和導(dǎo)水率呈負(fù)相關(guān)的拋物線關(guān)系，初步分析這主要是由于隨著pH值減小，水分?jǐn)U散度增大，引起了土壤飽和導(dǎo)水率的增加，而水分?jǐn)U散度可以反映土壤的孔隙度、空隙大小分布以及導(dǎo)水性能，這與龔恩磊[30]等研究結(jié)果相似。

本文分析結(jié)果表明，土壤飽和導(dǎo)水率會受到沼液理化性質(zhì)的影響，在研究分析沼液入滲對土壤飽和導(dǎo)水率影響時，除要考慮土壤機(jī)械組成、土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)含量等土壤因素帶來的影響外，還要考慮沼液理化特性對土壤飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)論

(1)土壤飽和導(dǎo)水率隨土壤容重的增加而減小；土壤飽和導(dǎo)水率與沼液配比、沼液電導(dǎo)率、沼液黏度、沼液干物質(zhì)的量之間呈不同的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤飽和導(dǎo)水率和沼液pH值呈拋物線關(guān)系。

(2)多元逐步線性回歸分析結(jié)果表明，沼液干物質(zhì)的量和沼液黏度是沼液入滲過程中影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因子。