土壤斥水性的產(chǎn)生原因及改良方法淺析

趙潔麗，丁繼輝，金 秋

(1.江蘇圣泰環(huán)境科技股份有限公司，江蘇 南京 211106； 2.南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

土壤斥水性是指某些土壤不能或者很難被水分濕潤(rùn)的現(xiàn)象[1]。強(qiáng)土壤斥水性會(huì)延緩或阻止自然降水或灌溉水進(jìn)入土體，導(dǎo)致土體內(nèi)水分分布不均，降低作物土壤水分利用效率；同時(shí)還會(huì)增加地表徑流流量，帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題[2-3]。過(guò)去若干年里，眾多研究者從土壤斥水性產(chǎn)生的原因、土壤斥水性的定量測(cè)定方法及土壤斥水性的改良方面開(kāi)展了大量工作[4-7]，然而對(duì)各種改良方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較的研究較少。為此，本研究從土壤斥水性的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，論述現(xiàn)有各種改良方法的利弊，以期為區(qū)域土壤斥水性改良和水土資源保護(hù)提供理論參考。

1 土壤斥水性產(chǎn)生的原因

1.1 斥水性有機(jī)物的來(lái)源

土壤中的斥水性有機(jī)物是土壤產(chǎn)生斥水性的根本原因，它主要由一些蠟質(zhì)、樹(shù)脂和芳香烴類(lèi)化合物組成[2]。自然條件下，土壤斥水性有機(jī)物的含量主要與植被類(lèi)型有關(guān)，松科松屬(Pinus)、桃金娘科桉屬(Eucalyptus)、杜鵑花科越橘屬(Vaccinium)、禾本科剪股穎屬(Agrostis)及殼斗科(Fagaceae)的植物都能分泌大量斥水性物質(zhì)。這些植物一方面可通過(guò)凋落物增加表層土壤斥水性有機(jī)物的含量，另一方面也可通過(guò)根際分泌物使斥水性物質(zhì)直接進(jìn)入深層土壤。在人為條件下，土壤斥水性有機(jī)物的含量主要與灌溉、施肥及噴灑農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)管理措施有關(guān)。污水灌溉過(guò)程中，大量斥水性有機(jī)物隨灌溉水進(jìn)入土壤，從而顯著增加了土壤斥水性[8]。有機(jī)肥和部分農(nóng)藥本身就含有大量斥水性有機(jī)物，施用過(guò)程中由于土壤本身的固定作用可導(dǎo)致土壤斥水性物質(zhì)含量的增加[9]。

1.2 斥水性有機(jī)物的積累

斥水性有機(jī)物進(jìn)入土壤后，其保存和積累主要受到土壤微生物活動(dòng)的影響。土壤斥水性有機(jī)物質(zhì)中的蠟質(zhì)、樹(shù)脂及芳香烴類(lèi)化合物一般都有較高的碳氮比，這使得這類(lèi)斥水性有機(jī)物較難被土壤生物利用，有利于其在土壤中積累和長(zhǎng)期保存[1]。土壤中生物的活性主要受土地利用方式、管理方式、氣候及其他土壤條件影響，外界條件改變導(dǎo)致土壤生物活性降低將減緩斥水性有機(jī)物的分解。例如：外界條件導(dǎo)致的土壤中細(xì)菌真菌數(shù)量比、蚯蚓等腐生生物的數(shù)量與活性變化均會(huì)影響斥水性有機(jī)物量的積累。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤斥水性與土壤中真菌活性顯著相關(guān)[10]，而土壤碳氮比可能是影響土壤斥水性強(qiáng)弱的關(guān)鍵因子[11]。

2 斥水性土壤改良方法

土壤斥水性的改良方法可分為化學(xué)方法、物理方法和生物方法三大類(lèi)。按改良機(jī)理又可分為“治標(biāo)”和“治本”兩類(lèi)?！爸螛?biāo)”是指不考慮斥水性產(chǎn)生的原因，通過(guò)改變外界條件或是添加土壤改良劑去緩解土壤斥水性。“治本”是指通過(guò)減少斥水性有機(jī)物的投入或是促進(jìn)土壤中斥水性有機(jī)物的分解來(lái)降低土壤斥水性。各種改良方法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

2.1 化學(xué)方法

化學(xué)方法可分為“治標(biāo)”調(diào)節(jié)劑法和“治本”改良劑法兩大類(lèi)?！爸螛?biāo)”調(diào)節(jié)劑主要包括表面活性劑、增濕劑、土壤調(diào)節(jié)劑三大類(lèi)。調(diào)節(jié)劑主要的有效成分都是兩親分子，同時(shí)含有親水基團(tuán)和斥水基團(tuán)，因此可以降低斥水性有機(jī)物對(duì)水分的排斥作用，促進(jìn)土壤水分與土壤顆粒結(jié)合?！爸伪尽备牧紕┲饕ㄊ┯灭ね恋V物、石灰、真菌抑制劑及緩釋肥料。黏土礦物具有較大的比表面能，施入土壤能夠?qū)Τ馑杂袡C(jī)物產(chǎn)生較強(qiáng)的包裹作用，加上其自身的親水性，一般具有較好的斥水性改良效果。石灰通常能夠增加土壤微生物生物量及其活性，促進(jìn)斥水性有機(jī)質(zhì)的分解。有研究表明，當(dāng)石灰用量在3～15 t/hm2時(shí)，土壤斥水性的改良效果會(huì)隨著石灰用量的增加而增強(qiáng)；但也有研究表明大面積施用石灰存在降低土壤有機(jī)質(zhì)及增加土壤溫室氣體排放的風(fēng)險(xiǎn)[12]。理論上講，真菌抑制劑能夠抑制真菌活性，減少真菌分泌斥水性有機(jī)物的數(shù)量，然而在田間條件下投入高、效果不穩(wěn)定，并存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。緩釋肥料能夠持續(xù)調(diào)節(jié)土壤碳氮比及營(yíng)養(yǎng)元素組成，促進(jìn)斥水性有機(jī)物質(zhì)的分解，然而其對(duì)環(huán)境條件要求較高，僅在室內(nèi)模擬條件下取得了極顯著的效果，在田間試驗(yàn)條件下效果并不顯著[13]。

表1 土壤斥水性改良方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2 物理方法

物理方法主要包括灌溉、耕作和物理壓實(shí)三種。勤灌是緩解表層土壤斥水性最有效的措施之一。研究表明，對(duì)于高強(qiáng)度利用下的土壤和泥炭土壤而言，減少單次灌溉量、增加灌溉次數(shù)能夠使得表層土壤含水率始終保持在斥水性臨界值以上，進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)[14]。相比普通溝灌和噴灌，滴灌方式在緩解土壤斥水性方面具有更佳的效果[15]。耕作措施一般能夠增加土壤的通氣性，促進(jìn)微生物活動(dòng)，加快斥水性有機(jī)物的分解。此外，斥水性有機(jī)物一般分布在土壤表層，深翻耕能夠在土體垂直方向上產(chǎn)生置換作用，因此能夠顯著降低表層土壤的斥水性。耕作措施對(duì)土壤斥水性的改良效果還受到氣象條件和土壤類(lèi)型的影響。陳俊英等[16]的研究結(jié)果表明，對(duì)斥水性土壤進(jìn)行翻耕處理的物理方法可以暫時(shí)消除土壤的斥水性，但斥水性又會(huì)在灌溉一段時(shí)間后重新出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)多次翻耕可有效地消除土壤的斥水性，消除效果與翻耕次數(shù)、時(shí)長(zhǎng)和翻耕深度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。翻耕法對(duì)黏性土壤的改良效果明顯好于砂質(zhì)土壤。耕作措施對(duì)新開(kāi)墾的強(qiáng)斥水性土壤改良效果最為顯著，但耕作措施在潮濕多雨的條件下對(duì)土壤斥水性影響較小[17]。模擬研究表明，物理壓實(shí)對(duì)粉壤土的斥水性具有顯著的改良效果[18]，但由于壓實(shí)作用本身對(duì)土壤結(jié)構(gòu)存在較大的破壞作用，因此該方法并無(wú)實(shí)用價(jià)值。

2.3 生物方法

土壤斥水性改良最直接的方法是促進(jìn)土壤中斥水性有機(jī)物分解，因此研究者多以斥水性蠟質(zhì)材料為基質(zhì)篩選出土壤斥水性改良的功能性微生物菌群。按照分離出的微生物菌群特征可以將其分為兩個(gè)大類(lèi)：一類(lèi)具有斥水性細(xì)胞膜(如鏈霉菌屬的和分枝桿菌屬的部分物種)，另一類(lèi)能夠產(chǎn)生生物表面活性劑(如紅球菌屬部分物種)[19]。雖然上述兩類(lèi)微生物菌群在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)土壤斥水性的改良均有顯著效果，但菌劑在田間應(yīng)用過(guò)程中仍然存在諸多限制，改良效果并不穩(wěn)定。主要原因在于復(fù)雜的野外環(huán)境條件限制了功能菌群活性，無(wú)法達(dá)到分解斥水性有機(jī)質(zhì)的目的。有研究表明，菌劑與石灰或是有機(jī)肥配合施用的情況下對(duì)土壤斥水性的改良效果最佳[20]，但與單一施用石灰或是有機(jī)肥措施相比提升效果并不明顯，且微生物菌劑生產(chǎn)所需的經(jīng)濟(jì)成本較高，田間推廣價(jià)值受限。除微生物菌劑外，蚯蚓等原生動(dòng)物也曾被嘗試用于土壤斥水性改良。以蚯蚓為例，其改良機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是蚯蚓本身的活動(dòng)能夠增加土壤大孔隙數(shù)量，改良土壤通透性；二是蚯蚓的活動(dòng)有利于斥水性較強(qiáng)的表土與斥水性較弱的心土混合，從而緩解土體的斥水性；三是蚯蚓生活過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量蚓糞，蚓糞本身可以促進(jìn)微生物活動(dòng)，加速斥水性有機(jī)物的分解。

3 主要結(jié)論

盡管對(duì)土壤斥水性的產(chǎn)生原因及其危害的研究已有近百年的歷史，然而土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程的復(fù)雜性和土壤田間狀況的不確定性，使得人們對(duì)土壤斥水性的發(fā)生機(jī)理與過(guò)程尚未完全搞清楚。根據(jù)現(xiàn)有研究成果分析得出如下結(jié)論：斥水性有機(jī)物是土壤斥水性產(chǎn)生的根本性原因，影響土壤斥水性有機(jī)物量的消長(zhǎng)是斥水性土壤改良效果的關(guān)鍵所在。在土壤斥水性改良方法選擇過(guò)程中應(yīng)兼顧土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力及環(huán)境的影響；長(zhǎng)期效果與短期效果兼顧，以及化學(xué)、物理與生物方法相結(jié)合可能是土壤斥水性改良技術(shù)發(fā)展的方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 楊邦杰,BLACKWELL P S,NICHOLSON D F.土壤斥水性引起的土地退化、調(diào)查方法與改良措施研究[J].環(huán)境科學(xué),1993,15(4):88-90.

[2] 李金濤,劉文杰,盧洪健.土壤斥水性研究進(jìn)展[J].西南林學(xué)院學(xué)報(bào),2010,30(5):82-87.

[3] 劉方,朱健,羅海波,等.貴州喀斯特山區(qū)旱作土壤—水系統(tǒng)中氮磷遷移的變化特征[J].中國(guó)水土保持,2013(6):47-50.

[4] WALLACH R,BEN-ARIE O,GRABER E R.Soil water repellency induced by long-term irrigation with treated sewage effluent[J].Journal of Environmental Quality,2005,34(5):1910-1920.

[5] 吳延磊,李子忠,龔元石.兩種常用方法測(cè)定土壤斥水性結(jié)果的相關(guān)性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(7):8-13.

[6] BLAS E D,ALMENDROS G,SANZ J.Molecular characterization of lipid fractions from extremely water-repellent pine and eucalyptus forest soils[J].Geoderma,2013,206(9):75-84.

[7] 張培培,趙允格,王媛,等.黃土高原丘陵區(qū)生物結(jié)皮土壤的斥水性[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2014,25(3):657-663.

[8] 陳俊英,張智韜,GILLERMAN L,等.影響土壤斥水性的污灌水質(zhì)主成分分析[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,31(5):434-439.

[9] DYMOV A A,GABOV D N,MILANOVSKII E.13 C-NMR,PAHs,WSOC and water repellence of fire-affected soils (Albic Podzols) in lichen pine forests,Russia[J].Environmental Earth Sciences,2017,76(7):275.

[10] WHITE N A,HALLETT P D,FEENEY D,et al.Changes to water repellence of soil caused by the growth of white-rot fungi:studies using a novel microcosm system[J].Fems Microbiology Letters,2000,184(1):73-77.

[11] HALLETT P D,YOUNG I M.CHANGES to water repellence of soil aggregates caused by substrate-induced microbial activity[J].European Journal of Soil Science,1999,50(1):35-40.

[12] SHANMUGAM S,ABBOTT L K,MURPHY D V.Clay addition to lime-amended biosolids overcomes water repellence and provides nitrogen supply in an acid sandy soil[J].Biology & Fertility of Soils,2014,50(7):1047-1059.

[13] PRINCE R C,BARE R E,GARRETT R M,et al.Bioremediation of stranded oil on an arctic shoreline[J].Spill Science & Technology Bulletin,2003,8(3):303-312.

[14] WALLACH R,GRABER E R.Infiltration into effluent irrigation-induced repellent soils and the dependence of repellency on ambient relative humidity[J].Hydrological Processes,2007,21(17):2346-2355.

[15] COOLEY E T,LOWERY B,KELLING K A,et al.Water dynamics in drip and overhead sprinkler irrigated potato hills and development of dry zones[J].Hydrological Processes,2007,21(17):2390-2399.

[16] 陳俊英,吳普特,張智韜,等.翻耕法對(duì)土壤斥水性改良效果[J].灌排機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,30(4):479-484.

[17] WARD P R,ROPER M M,JONGEPIER R,et al.Impact of crop residue retention and tillage on water infiltration into a water-repellent soil[J].Biologia,2015,70(11):1480-1484.

[18] BRYANT R,DOERR S H,HUNT G,et al.Effects of compaction on soil surface water repellency[J].Soil Use & Management,2007,23(3):238-244.

[19] ROPER M M,DAVIES S L,BLACKWELL P S,et al.Management options for water-repellent soils in Australian dryland agriculture[J].Soil Research,2015,53(7):786-806.

[20] ROPER M M.Potential for remediation of water repellent soils by inoculation with wax-degrading bacteria in south-western Australia[J].Biologia,2006,61(S19):S358-S362.

[作者簡(jiǎn)介] 趙潔麗(1982—)，女，寧夏平羅縣人，工程師，碩士，主要從事水土環(huán)境保護(hù)及污染物調(diào)控對(duì)策方面的研究。

[收稿日期] 2017-10-15