湿润速度与化学材料对土壤水力特性的影响及机理研究

摘要

土壤结构不良是影响干旱半干旱地区农业发展的根本性问题，近年来研究化学调控材料改良措施的趋势蔚然成风。聚丙烯酰胺（简称PAM）和高吸水性树脂（简称SAP）因其独特的分子结构和水解特性已经在土壤入渗和土壤水分运动等方面发挥了积极的作用，但是其影响机理仍然不是十分明确，导致两种改良材料在不同类型土壤中推广应用还存在一些阻碍。由于两种材料与土壤结合发挥自身作用并不是一蹴而就，需要一定的作用时间来完成，所以不同的水流湿润速度和测定阶段就导致了两种材料不同的作用效果，而这方面的研究却并不多见。为此，本文通过室内试验与少部分田间试验相结合的方法，研究了不同湿润速度和两种材料对土壤水力特性的影响，并且通过测定土壤物理参数等手段探索影响机理，旨在探讨湿润速度和化学材料对土壤水分运动的影响规律，为PAM和SAP在土壤结构改良方面的应用提供必要的数据支撑和理论指导，研究结果如下：
　　（1）湿润速度显著影响土壤水力性质：湿润速度越大，同一吸力下的土壤质量含水率越大，对于 ESP值较高的粉砂壤土和粉质壤土，湿润速度对土壤水分特征曲线的影响程度减弱；湿润速度显著影响土壤累计入渗量和入渗速率，湿润速度越快，土壤累计入渗量越少，入渗速率越低，四种土壤均呈现这样的变化规律，随着湿润速度的加快，累计入渗量降低幅度在10.32％～32.67%之间变化，入渗速率减小幅度在24.16%～31.37%之间变化；湿润速度越大，土壤饱和导水率越小，湿润速度由0mm/h增加至16.25mm/h时，土壤饱和导水率降低幅度在17.08%～31.51%之间。
　　（2）湿润速度之所以对土壤水力性质产生影响是因为水流湿润过程的剪切力影响了土壤孔隙结构，湿润速度不同，剪切力的大小就不同，对土壤孔隙结构的影响程度亦不尽相同。湿润速度越大，土壤结构破坏越明显，孔隙度越低，导致了土壤质量含水率越大，土壤饱和导水率也越低。同时湿润速度的差异还改变了土壤孔隙分布状况的不同，尤其是土壤大孔隙含量的多少，通过试验表明湿润速度越大，土壤非毛管孔隙率和土壤导气率越小。
　　（3）PAM能够增加土壤持水能力，增加土壤水平扩散速率；在影响土壤入渗性能方面，在不同阶段呈现不同的规律：在湿润阶段，施用PAM阻碍了土壤中的水流运动，土壤累计入渗量降低范围在11.19%～29.85%之间；而在连续流阶段，施用PAM却促进了水流运动，土壤稳定入渗率增加幅度在25.98%～88.57%范围内变化；PAM之所以在不同阶段对土壤入渗产生不同的影响，是由于PAM本身的水解特性有关，在湿润阶段，干粉PAM遇水后逐渐水解，分子链不断延展伸长堵塞了土壤孔隙，阻碍了水流运动，而到了连续流阶段，经过了干燥后再湿润的PAM已经完全水解，发挥了稳固土壤结构的作用；此外，PAM还使得土壤饱和导水率减小，减小幅度在8.25%～17.11%之间。
　　（4）SAP同样能够增加土壤持水能力，增加土壤水平扩散速率；在影响土壤入渗性能方面，无论是湿润阶段还是连续流阶段均能起到促进水流入渗的作用。SAP处理使土壤累计入渗量增加11.19%～29.85%，稳定入渗率提高5.71%～25.00%；SAP之所以对土壤入渗产生积极的影响，是由于 SAP吸水后体积迅速膨胀，改变了土壤结构，使得土壤孔隙含量特别是大孔隙含量增加，从而为土壤中水流的运动提供了通道。
　　（5）PAM和 SAP之所以对土壤水力特性产生影响，主要是因为 PAM和 SAP改变了土壤的结构。PAM和SAP都能提高土壤总孔隙率，对于不同类型的土壤，提高幅度在2.76%～16.18%之间变化，另外PAM和SAP对土壤孔隙分布也产生了影响，在不同的作用时间影响效果并不相同：在两种材料遇水湿润阶段，PAM增加9.38%～21.59%的毛管孔隙率，同时降低土壤非毛管孔隙率和导气率，降低幅度在7.24%～16.16%之间；而SAP却降低了土壤毛管孔隙率，降低幅度在11.16%～20.10%之间变化，同时增加了25.23%～63.48%的土壤非毛管孔隙率和土壤导气率。经过了干湿循环后，PAM与土壤充分结合，降低9.33%～33.29%的土壤毛管孔隙率，同时增加土壤非毛管孔隙率和土壤导气率，增加幅度均达到30%以上，在31.63%～37.45%之间，而 SAP处理的土壤毛管孔隙率较对照有所增加，增加幅度在5.74%～20.21%之间变化，同时也提高了土壤非毛管孔隙率和土壤导气率，提高幅度在10.02%～15.41%之间。此外PAM和SAP还能够增加土壤团聚体含量，特别是PAM能够显著增加团聚体的水稳定性。PAM和SAP均改变了土壤的微观结构，PAM使土壤结构更加密实，颗粒表面的层次感减弱，而SAP使土壤颗粒的层次更加分明。
　　（6）统计结果表明，施用PAM和SAP均能达到优化土壤结构和水力特性参数的目的，且四种类型土壤均在PAM施用量为45kg/hm2时各项指标达到最优。在生产实践中，PAM和SAP均起到了增加作物整个生育期土壤亚表层和根层的土壤含水率，同时增加了作物产量，施用PAM的小麦增产率达到19.11%，而施用SAP的胡萝卜增产率为16.78%。说明PAM和SAP起到了提高水分利用效率和增加产量的作用。

目录

声明

1 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 表土结皮及湿润速度

1.3 PAM、SAP国内外研究动态

1.4 研究目标、内容及技术路线

1.5 创新点

2 湿润速度对土壤水力特性的影响

2.1 试验材料与试验方法

2.2 湿润速度对土壤水分特征曲线的影响

2.3 湿润速度对土壤累计入渗量的影响

2.4 湿润速度对土壤入渗速率的影响

2.5 湿润速度对土壤饱和导水率的影响

2.6 小结

3 湿润速度对土壤水力特性的影响机理

3.1 试验材料与试验方法

3.2 湿润速度对土壤入渗的影响机理

3.3 湿润速度对土壤饱和导水率的影响机理

3.4 小结

4 不同湿润速度下聚丙烯酰胺（PAM）对土壤水力性质的影响

4.1 试验材料与试验方法

4.2 PAM对土壤水分特征曲线的影响

4.3 PAM对土壤水平扩散率的影响

4.4 不同湿润速度下PAM对土壤入渗的影响

4.5 不同湿润速度下PAM对土壤饱和导水率的影响

4.6 小结

5 不同湿润速度下高吸水性树脂（SAP）对土壤水力性质的影响

5.1 试验材料与试验方法

5.2 SAP对不同类型土壤水分特征曲线的影响

5.3 SAP对土壤水平扩散率的影响

5.4 不同湿润速度下SAP对土壤入渗的影响

5.5 不同湿润速度下SAP对土壤饱和导水率的影响

5.6 小结

6 聚丙烯酰胺（PAM）对土壤水力性质的影响机理

6.1 试验材料与方法

6.2 PAM对土壤水力性质的影响机理

6.3 本章小结

7 高吸水性树脂（SAP）对土壤水力性质的影响机理

7.1 试验材料与方法

7.2 SAP对土壤水力性质的影响机理

7.3 小结

8 PAM和SAP处理对不同类型土壤的改良效果及其对作物产量的影响

8.1 PAM和SAP处理对土壤各指标综合得分

8.2 PAM和SAP在田间试验中对土壤含水率及作物产量的影响

8.3 PAM和SAP对土壤结构改良的综合讨论

8.4 小结

9 结论与展望

9.1 结论

9.2 不足与展望

致谢

参考文献

作 者 简 介