物理改良措施是指通过物理手段或者向土壤施用结构改良剂来改善土壤物理性质的方法。饱和导水率低是苏打盐渍土物理性质恶化的标志性特征之一（USDA，1954；王遵亲等，1993），也是苏打盐渍土改良利用必须解决的关键性问题之一，即如何有效提高土壤导水性能促进盐分淋洗是松嫩平原苏打盐渍土改良利用的基本前提之一。
土壤饱和导水率与土壤容重、质地、结构、灌溉水质等因素密切相关。本书以松嫩平原典型苏打盐渍土为研究对象，采用降低容重、微咸水灌溉、添加砂粒、客土改良、施用PAM等方法改善土壤饱和导水率，分析了苏打盐渍土饱和导水率对盐分淋洗的影响，以期为苏打盐渍土水盐平衡和水盐调控提供科学依据，为该区苏打盐渍土改良提供理论支撑和方法借鉴。
一、材料与方法
（一）供试土样
供试土样采自中国科学院大安碱地生态试验站（N45°35′58″—N45°36′28″，E123°50′27″—123°51′31″）。采样地点为典型的碱斑地，俗称光板地。取样深度为0～20 cm。土样带回室内后自然风干，过2 mm筛。采用吸管法对土壤颗粒进行分析，根据国际土壤质地制分类标准，供试土样为黏土；采用土水比1∶5浸提液测定土壤电导率（EC）和pH；阳离子交换量采用氯化铵-乙酸铵法测定；交换性Na+含量采用乙酸铵-氢氧化铵-火焰光度法测定；碱化度（ESP）由计算求得，即
ESP=100×E Na/CEC
式中E Na——交换性Na+（cmolc·kg-1）；
CEC——阳离子交换量（cmolc·kg-1）。
土壤理化指标测定结果见表6.6。
表6.6 苏打盐渍土基本理化特征
注：①土水比1∶5浸提液，下同。
（二）实验处理
实验中采用降低土壤容重与微咸水灌溉（见实验Ⅰ）、添加砂粒（见实验Ⅱ）、客土压砂（见实验Ⅲ）和施用PAM（见实验Ⅳ）4种方法改善土壤通透性，从而获得不同梯度的饱和导水率数值。
实验I中，在1.08、1.17、1.25、1.33、1.42和1.50 g·cm-3五种土壤容重状态下，分别使用地下承压水、潜水、蒸馏水（模拟雨水）为供试水源，测定土壤饱和导水率。供试水样的化学性质见表6.7。地下承压水和潜水取自大安碱地生态试验站，其中，承压水井深80 m，潜水井深20 m。
表6.7 供试水源化学性质
实验Ⅱ中，将取自当地河流的河砂洗净风干，用不锈钢筛将砂粒筛分成4组粒径范围：0.075～0.25 mm，0.25～0.5 mm，0.5～1.0 mm，1.0～2.0 mm，将土样与上述4种粒径的砂粒分别按质量比9∶1，8∶2，7∶3，6∶4，5∶5均匀混合，即每个粒径设置5个添加量，共20个处理，以苏打盐渍土为对照。土壤与砂粒充分混合后按容重1.25 g·cm-3装人渗透率仪。
实验Ⅲ中，以砂土和黑土做为客土，二者的理化性质见表6.8。将砂土、黑土分别与苏打盐渍土按比例1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5均匀混合，以苏打盐渍土为对照。土样按容重1.25 g·cm-3装人渗透率仪。
表6.8 供试客土的基本理化性质
实验Ⅳ中，PAM的添加量为土壤质量的0.1%、0.5%和1.0%，土样与PAM充分混合后按容重1.30 g·cm-3装人渗透率仪。
（三）饱和导水率测定
饱和导水率采用南京土壤仪器厂生产的TST-55A型渗透率仪（常水头法）测定。实验I采用三种灌溉水源，其他实验采用当地常用灌溉水源——第四系地下承压水（见表6.7）。各处理土样按实验设计容重装人渗透率仪，每个处理重复3次。土样饱和后，用广口瓶收集出流液。对实验所用土壤而言，24 h后出流液流速可以达到完全稳定状态，此时换用小三角瓶收集出流液，每30 min测量一次出流液体积，共测定8次。饱和导水率采用达西定律计算：
式中K s——饱和导水率（cm·s-1）；
Q——渗透量（mL）；
A——渗透横截面面积（cm2）；
t——渗透时间（s）；
L——土柱长度（cm）；
H——水头高度（cm）。
为了消除温度的影响，将测定的饱和导水率换算成10℃下的饱和导水率，公式如下：
式中K s——某水温下的土壤饱和导水率（cm·s-1）；
K10——10℃时的土壤饱和导水率（cm·s-1）；
T——水的温度（℃）。
（四）出流液化学性质测定
实验中，盐分淋洗效果通过稳定出流液的电导率和pH表示。实验开始28 h后，收集120 min内的出流液，用于测定化学性质。EC采用DDS-307型电导率仪（上海精密仪器厂）测定，pH用PHS-3B型pH计（上海雷磁科学仪器厂）测定。由于实验测定的是流速稳定后出流液的EC和pH，因此该EC和pH可以在一定程度上反映苏打盐渍土淋洗后的化学性质。即稳定出流液的EC和pH越低，先前被淋洗的盐分就越多，盐分淋洗的效果也就越好。
二、实验结果
（一）降低土壤容重与微咸水灌溉对苏打盐渍土饱和导水率和盐分淋洗的影响
1.容重对苏打盐渍土饱和导水率的影响
容重对苏打盐渍土饱和导水率影响的统计分析结果见表6.9。采用潜水和承压水测定时，K10随容重的逐渐增加而逐渐升高。值得注意的是，用潜水测定时，容重达到1.25 g·cm-3后，K 10差异不显著；承压水测定时，容重在1.08～1.25 g·cm-3范围内，K10差异不显著，容重在1.33～1.50 g·cm-3范围内，K10差异也不显著。用蒸馏水测定的饱和导水率变化规律与潜水和承压水测定略有不同：K10在容重1.08、1.17、1.25和1.33 g·cm-3情况下都为0.11 mm·d-1；在容重1.42 g·cm-3和1.50 g·cm-3情况下，实验没有收集到出流液，因此，K10均为0 mm·d-1。尽管实验测得的K10为0 mm·d-1，但是实验只进行了28 h，如果延长实验时间可能会收集到出流液。因此，当蒸馏水人渗时，在容重较大的情况下，短时人渗不能获得苏打盐渍土饱和导水率的数值，长时人渗苏打盐渍土饱和导水率的数值也应该很小，几乎接近0。
表6.9 容重对苏打盐渍土饱和导水率的影响
注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（p＜0.05），下同。
一般而言，土壤容重越大，孔隙度越小，饱和导水率越小。但是，使用蒸馏水测定的饱和导水率数值表明：土壤容重不相等，饱和导水率却相同（见表6.9）。这说明饱和导水率除受土壤孔隙度影响外，还与土壤孔隙分布特征密切相关（Oades，1984）。在土壤容重差异很大，即土壤孔隙度相差很大时，如果土壤孔隙都以小孔隙存在（如孔隙直径＜2μm），那么土壤水分处于束缚水状态，其流动性极差甚至不流动。因此，容重相差很大的土壤其饱和导水率可能相同。本实验结果很好地说明了这一点。
2.水质对苏打盐渍土饱和导水率的影响
水质对苏打盐渍土饱和导水率的影响如图6.4所示。实验结果表明，在容重相等的情况下，供试土壤在不同水质下测定的饱和导水率从高到低的顺序为潜水＞承压水＞蒸馏水。而3种水源的EC（EC w）从高到低的顺序也是潜水＞承压水＞蒸馏水。这说明，在土壤性质相同的情况下，EC w越高，苏打盐渍土饱和导水率越高。这与国内外的研究结果相一致（Levy et al.，1999；Quirk，1955；王全九等，2004）。
图6.4 水质对盐渍土饱和导水率的影响
一般而言，过量交换性Na+的存在引发黏粒高度分散，从而堵塞土壤孔隙（Frenkel et al.，1978；），导致土壤导水性降低（Levy et al.，1999；Shainberg&Letey，1984）。而黏粒的絮凝作用与土壤溶液或灌溉用水的EC有关（Quirk，2001；Rengasamy et al.，1984）。具有较高EC的土壤溶液或灌溉水能促进黏粒的凝絮作用，增强土壤团聚体的稳定性，从而提高土壤导水性（Quirk，2001；Rengasamy et al.，1984；Shainberg et al.，1981）。在图6.4中，蒸馏水、承压水、潜水的EC w依次增加，因而其对应的饱和导水率也依次增加。
3.容重对盐渍土盐分淋洗的影响
容重对盐渍土出流液EC和pH的影响如图6.5和图6.6所示。由图6.5和图6.6可见，在潜水和承压水情况下，随着土壤容重的逐渐增加，出流液的EC和pH不断升高。因此，土壤容重越大，盐分淋洗效果越差。在蒸馏水情况下，随着土壤容重的升高，出流液的EC和pH基本不变。
图6.5 土壤容重对苏打盐渍土出流液电导率EC的影响
图6.6 土壤容重对苏打盐渍土出流液pH的影响
4.水质对苏打盐渍土盐分淋洗的影响
水质对苏打盐渍土出流液EC和pH的影响如图6.7和图6.8所示。由图6.7和图6.8可见，随着测定用水EC w增加（见表6.8），出流液EC和pH不断降低。因此，测定用水的EC越高，苏打盐渍土中的盐分越容易被淋洗。
图6.7 水质对不同容重苏打盐渍土出流液电导率EC的影响
图6.8 水质对不同容重苏打盐渍土出流液pH的影响
（二）添加砂粒对苏打盐渍土饱和导水率和盐分淋洗的影响
1.砂粒对苏打盐渍土饱和导水率的影响
（1）砂粒含量对土壤饱和导水率的影响
表6.10给出了饱和导水率的测定结果。由表6.10可见，砂粒能够有效提高苏打盐渍土的饱和导水率。总体而言，当砂粒含量达到30%时，土壤饱和导水率有了显著提高，恢复到正常土壤的水平。苏打盐渍土中由于存在大量的交换性Na+，土壤团聚体的稳定性遭到破坏，水稳性团聚体含量很低，甚至为零，饱和导水率极低。而砂粒有效地增加土壤大孔隙数量，从而显著提高苏打盐渍土的饱和导水率。
表6.10 一定粒径下不同砂粒含量对苏打盐渍土饱和导水率的影响
饱和导水率随砂粒含量增加而升高的趋势如图6.9所示。根据曲线的变化特征，可将其拟合成指数方程，即：
y=abx
式中y——饱和导水率（mm·d-1）；
x——砂粒质量百分含量（%）；
a，b——拟合系数。
拟合结果见表6.11。经显著性检验，本方程均具有极显著统计学意义（p＜0.01）。因此，指数方程可以反映苏打盐渍土饱和导水率随砂粒含量增减的变化特征。
图6.9 砂粒含量对苏打盐渍土饱和导水率的影响
表6.11 一定粒级下不同砂粒含量对苏打盐渍土饱和导水率影响的参数拟合结果
（2）砂粒粒径对苏打盐渍土饱和导水率的影响
砂粒粒径对苏打盐渍土饱和导水率的影响如图6.10所示。由图可见，不同砂粒含量下苏打盐渍土饱和导水率随砂粒粒径增加呈现不同的变化规律。砂粒含量在10%～30%时，饱和导水率随粒径的增加先降低后升高；砂粒含量为40%时，随砂粒粒径的增加饱和导水率先升高再降低而后再升高；砂粒含量增加到50%后，饱和导水率随砂粒粒径的增加先升高后降低。一般而言，砂粒含量的增加不仅使土壤大孔隙数量增加，还使土壤水分运动通道变得更加复杂，过水断面减少（Mehuys et al.，1975；Sauer&Sally，2002）。前一结果使土壤饱和导水率升高，后两个结果使土壤饱和导水率降低。当大孔隙效应大于后两个因素时，土壤饱和导水率升高，反之减小。本实验中，在不同砂粒含量下，随着砂粒粒径的增加，上述三种作用因素的综合效果也随之发生变化。因此，饱和导水率随砂粒粒径增加而呈现不同的变化规律。
图6.10 砂粒粒径对苏打盐渍土饱和导水率的影响
2.砂粒添加量和粒径对苏打盐渍土盐分淋洗的影响
（1）砂粒添加量对出流液EC和pH的影响
砂粒添加量对出流液EC和pH的影响分别如图6.11和图6.12所示。由图可见，随着砂粒添加量的逐渐增加，出流液EC和pH不断降低。因此，砂粒添加量越大，盐渍土中的盐分越容易被淋洗。
图6.11 砂粒添加量对苏打盐渍土出流液电导率的影响
图6.12 砂粒添加量对苏打盐渍土出流液pH的影响
由图6.11可知，出流液EC与砂粒添加量间存在很好的相关性。根据曲线形状，可以进行指数拟合，即
EC=A+BeCx
式中EC——出流液电导率（ds·m-1）；
x——砂粒质量百分含量（%）；
A，B，C，——拟合参数。
参数拟合结果见表6.12。显著性检验表明，方程具有显著统计学意义（p＜0.05）。因此，指数方程可以反映出流液EC与砂粒添加量之间的关系。
表6.12 一定粒级下不同砂粒添加量对盐渍土出流液电导率影响的参数拟合结果
（2）砂粒粒径对出流液EC和pH的影响
砂粒粒径对出流液EC和pH的影响如图6.13所示。由图可见，在不同的砂粒添加量下，出流液EC和pH都随砂粒粒径的增加呈不同的变化趋势。例如，在砂粒添加量为10%时，EC随粒径增加而降低；而在砂粒添加量为30%时，EC随着砂粒粒径的增加先升高后降低。再如，当砂粒添加量为20%时，pH随砂粒粒径的增加而降低；当砂粒添加量为40%时，pH随粒径的增加先升高后降低。比较EC和pH随粒径增加的变化趋势可以发现，除10%添加量外，在其他砂粒添加量下EC和pH随粒径的变化规律基本一致。
图6.13 砂粒粒径对苏打盐渍土出流液电导率和pH的影响
（三）客土压砂对苏打盐渍土饱和导水率和盐分淋洗的影响
1.客土对苏打盐渍土饱和导水率的影响
砂土和黑土对苏打盐渍土饱和导水率的影响如图6.14所示。由图可见，随砂土和黑土添加量逐渐增加，苏打盐渍土饱和导水率不断提高。而且，回归分析表明，客土添加量与土壤饱和导水率间具有极显著的相关性（p＜0.01）。
图6.14 客土对苏打盐渍土饱和导水率的影响
根据曲线形状，可将其拟合成直线方程，即
y=a+bx
式中y——饱和导水率（mm·d-1）；
x——客土质量百分含量（%）；
a，b——拟合系数。
参数拟合结果见表6.13。经显著性检验，两方程均具有极显著统计学意义（p＜0.001）。因此，直线方程可以反映苏打盐渍土饱和导水率随客土用量增减的变化特征。
表6.13 客土添加量与苏打盐渍土饱和导水率间直线关系的参数拟合结果
表6.13中，a值为不加客土时苏打盐渍土的饱和导水率，即实验中对照的饱和导水率。本文中对照饱和导水率为0.12 mm·d-1。可见，拟合值与实际情况十分接近。b值表示客土单位增加量对苏打盐渍土饱和导水率的影响程度。砂土处理的b值约为黑土处理b值的2倍。这表明在客土添加量相等时，砂土处理提高土壤饱和导水率的效果约为黑土处理的2倍，或者砂土添加量仅为黑土一半时就可达到黑土改善盐渍土饱和导水率的效果。例如，实验中50%的黑土添加量使苏打盐渍土饱和导水率提高了125%，而砂土添加量仅为20%就可达到这一效果。
苏打盐渍土中存在大量Na+离子，致使土壤团聚体不能稳定存在，黏粒高度分散，堵塞大孔隙，饱和导水率降低。砂土中砂粒含量很高，添加到盐渍土中能有效地增加土壤大孔隙数量，从而显高盐渍土饱和导水率；黑土中有机质含量很高，添加到盐渍土中能有效提高土壤团聚体稳定性，进而提高苏打盐渍土饱和导水率。供试土样中，砂土砂粒含量显著高于黑土，这可能是砂土处理改善苏打盐渍土饱和导水率高于黑土处理的主要原因。
2.客土改良对苏打盐渍土盐分淋洗的影响
砂土和黑土对出流液EC和pH的影响如图6.15所示。随砂土或黑土添加量不断增加，出流液EC［见图6.15（a）］和pH［见图6.15（b）］逐渐降低。
图6.15 客土含量对出流液电导率和pH的影响
由图6.15可知，砂土处理出流液的EC低于黑土处理，黑土处理出流液的pH低于砂土处理。土壤浸提液EC与其盐分浓度显著正相关（USDA，1954），可反映土壤盐分含量（蔡阿兴等，1997；刘广明等，2005）；土壤浸提液的pH与总碱度紧密正相关，可反映土壤HCO3
-+CO32-含量（Mashhady&Rowell，1978；Van Beek&Van Breemen，1973）。因此，土壤淋洗后砂土处理出流液EC低于黑土处理，说明其盐分总量低于黑土处理；黑土处理出流液pH低于砂土处理说明其HCO3-+CO3
2-总量低于砂土处理。即砂土处理被淋洗的盐分总量高于黑土处理，黑土处理被淋洗的HCO3-+CO32-总量高于砂土处理。砂土处理的饱和导水率显著高于黑土处理（见图6.14），这可能是砂土处理盐分淋洗效果高于黑土处理的主要原因；黑土有机质含量一般高于砂土，而有机质能有效促进盐渍土HCO-3和CO 2-的淋洗（谢承陶等，1993），这可能是黑土处理HCO-+33 CO32-淋洗效果强于砂土处理的原因。
（四）施用PAM对苏打盐渍土饱和导水率的影响
PAM对苏打盐渍土饱和导水率的影响如图6.16所示。由图可见，PAM能提高盐渍土饱和导水率，但随着PAM施用量逐渐增加，饱和导水率不断降低。而且，统计分析表明，在PAM添加量为0.5%和1%时，其饱和导水率与对照差异不显著（p＞0.05）。
图6.16 PAM对苏打盐渍土饱和导水率的影响
（五）盐分淋洗与土壤饱和导水率的关系
1.降低土壤容重与微咸水灌溉情况下盐分淋洗与饱和导水率的关系
实验I中，饱和导水率与出流液EC和pH的关系如图6.17和图6.18所示。总体趋势为，随着饱和导水率的增加，出流液EC和pH降低。
图6.17 实验I中饱和导水率与出流液电导率的关系
图6.18 实验I中饱和导水率与出流液pH的关系
根据曲线形状，可以进行指数方程拟合。EC与饱和导水率的曲线方程为：
pH与饱和导水率的关系方程为：
上述两方程经检验均具有极显著统计学意义（p＜0.001）。
2.添加砂粒情况下盐分淋洗与饱和导水率的关系
实验Ⅱ中，砂粒添加量相同但粒径不同的情况下，混合样品的盐分含量相同。因此，分析这种情况下饱和导水率与出流液EC和pH的关系即可得出饱和导水率对盐分淋洗的影响。统计分析表明，出流液EC和pH均与饱和导水率间存在极显著（p＜0.01）负相关性（见表6.14），二者均随饱和导水率的增加而降低。
表6.14 实验Ⅰ出流液电导率EC和pH与饱和导水率的相关关系
注：**p＜0.01。
回归分析表明，出流液EC和pH与饱和导水率间均可进行非线性方程拟合。出流液EC与饱和导水率的关系方程为：
式中EC——出流液电导率（dS·m-1）；
K10——饱和导水率（mm·d-1）；
m、n——拟合参数。
参数拟合结果见表6.15。显著性检验表明，方程均具有显著统计学意义（p＜0.001）。
表6.15 实验Ⅰ出流液电导率与饱和导水率间幂函数关系参数拟合结果
pH与饱和导水率的关系方程为：
式中pH——出流液的pH（dS·m-1）；
K10——饱和导水率（mm·d-1）；
j、h——拟合参数。
拟合结果见表6.16。显著性检验表明，方程均具有显著统计学意义（p＜0.001）。
表6.16 实验Ⅰ出流液pH与饱和导水率间幂函数关系参数拟合结果
3.客土条件下土壤饱和导水率与盐分淋洗关系
实验Ⅲ中，饱和导水率与出流液EC和pH的关系如图6.19所示。总体趋势为，随着饱和导水率的增加，出流液EC和pH降低。根据曲线形状，出流液EC与饱和导水率间可进行直线拟合，其方程为：
出流液pH与饱和导水率的非线性方程为：
显著性检验表明，方程均具有显著统计学意义（p＜0.001）。
图6.19 实验Ⅲ饱和导水率与出流液电导率和pH的关系
4.施用PAM盐分淋洗与饱和导水率的关系
实验IV中，出流液EC和pH与饱和导水率的关系如图6.20所示。由图可见，出流液EC和pH随饱和导水率的增加而降低。而且，出流液EC和pH与饱和导水率间均成幂函数关系。出流液EC与饱和导水率间的拟合方程为：
出流液pH与饱和导水率的拟合方程为：
图6.20 饱和导水率与盐分淋洗的关系
三、结论与讨论
在4个试验中，苏打盐渍土稳定出流液EC和pH随土壤饱和导水率的增加而降低，二者与饱和导水率间均呈幂函数关系。因此，苏打盐渍土盐分淋洗效果随饱和导水率的提高而增强。所以，提高土壤通透性是苏打盐渍土改良利用的必要前提之一。
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