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干旱区研究 >

2025 , Vol. 42 >Issue 4: 658 - 667

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2025.04.08

水土资源

三种植物基固沙剂对风沙土水分入渗和蒸发的影响

  • 刘玥 , 1 ,
  • 郭强 2 ,
  • 袁立敏 3, 4, 5 ,
  • 党晓宏 , 1 ,
  • 蒙仲举 1 ,
  • 董菁 6
展开
  • 1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010010
  • 2.呼和浩特市水资源与河湖保护中心，内蒙古呼和浩特 010020
  • 3.内蒙古自治区林业科学研究院林业和草原科技创新中心，内蒙古 呼和浩特 010010
  • 4.内蒙古自治区沙地（沙漠）生态系统与生态工程重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010010
  • 5.沙地生物资源保护与培育国家林业和草原局重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010010
  • 6.厦门大学王亚南经济研究院，福建 厦门 361005
党晓宏. E-mail:

刘玥（1999-），女，硕士研究生，主要从事水土保持与荒漠化防治方向的研究. E-mail:

收稿日期: 2024-10-23

  修回日期: 2025-01-25

  网络出版日期: 2025-08-14

基金资助

内蒙古自治区科技计划“呼伦贝尔沙地生态修复技术集成与示范” 项目(2022YFDZ0055)

收起

Effects of three plant-based sand-fixing agents on water infiltration and evaporation in aeolian sandy soil

  • LIU Yue , 1 ,
  • GUO Qiang 2 ,
  • YUAN Limin 3, 4, 5 ,
  • DANG Xiaohong , 1 ,
  • MENG Zhongju 1 ,
  • DONG Jing 6
Expand
  • 1. College of Desert Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China
  • 2. Hohhot Water Resources and River and Lake Protection Center, Hohhot 010020, Inner Mongolia, China
  • 3. Inner Mongolia Autonomous Region Forestry Research Institute Forestry and Grassland Science and Technology Innovation Center, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China
  • 4. Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Sandy (Desert) Ecosystem and Ecological Engineering, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China
  • 5. Key Laboratory of Conservation and Cultivation of Biological Resources in Sandy Land, National Forestry and Grassland Administration, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China
  • 6. The Wang Yanan Institute for Studies in Economics, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China

Received date: 2024-10-23

  Revised date: 2025-01-25

  Online published: 2025-08-14

Fold

摘要

植物基固沙剂是一种以全植物成分为主的环保型固沙剂，其能够有效固沙，且不会对土壤产生污染，分解成分对植物生长有促进作用。为明晰植物基固沙剂固结层的物理特性及其对沙质耕地土壤水分运移规律的影响，本文选取3种植物基固沙剂（沙蒿、亚麻、刺槐）及6种施用量（0.5 g·m-2、1.0 g·m-2、2.0 g·m-2、3.0 g·m-2、4.0 g·m-2、5.0 g·m-2）开展水分入渗与蒸发模拟试验，并以喷洒等量纯净水的风沙土为对照（CK）。结果表明：（1） 施用植物基固沙剂可改变土壤物理特性，固结层抗压强度表现为：刺槐>亚麻>沙蒿>CK，喷施刺槐、亚麻、沙蒿固沙剂后固结层平均抗压强度分别较CK增加了109.38%、95.06%、58.46%，同种固沙剂抗压强度随其施用量的增加而增加。随着固沙剂用量的增加，土壤容重逐渐增大，最大用量较CK提高3.76%；总孔隙度、饱和持水量、最小持水量均呈现递减趋势，最大较CK降低44.55%、47.65%、53.62%。（2） 喷施植物基固沙剂可有效减缓水分的入渗速率，表现为亚麻固沙剂（29.53 min）≈刺槐固沙剂（29.52 min）>沙蒿固沙剂（29.03 min）>CK（26.08 min），随着施用量的增加，刺槐和亚麻固沙剂入渗时间呈现U型变化趋势，沙蒿固沙剂呈现逐渐增大的趋势。（3） 喷施植物基固沙剂可有效减缓土壤水分蒸发速率，3种固沙剂均表现出2.0~4.0 g·m-2施用量效果较为显著。（4） 当固沙剂施用量为2.0~4.0 g·m-2时, 既可保证保水效果又能有效预防水分入渗过慢的问题。该研究为新型固沙剂的探索及在沙质耕地土壤风蚀防治方面提供理论依据。

关键词： 植物固沙剂; 固结层特性; 土壤水分运移; 沙质耕地

本文引用格式

刘玥 , 郭强 , 袁立敏 , 党晓宏 , 蒙仲举 , 董菁 . 三种植物基固沙剂对风沙土水分入渗和蒸发的影响[J]. 干旱区研究, 2025 , 42(4) : 658 -667 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.04.08

Abstract

Plant-based sand-fixing agents are ecofriendly materials that effectively stabilize sand without polluting the soil, and their decomposition products promote plant growth. This study investigated the physical characteristics of consolidated layers formed by plant-based sand-fixing agents and their effects on soil water movement in sandy farmland using water infiltration and evaporation simulation experiments with three plant-based sand-fixing agents (Artemisia desertorum, flax, and black locust) and six application rates (0.5 g·m-2, 1.0 g·m-2, 2.0 g·m-2, 3.0 g·m-2, 4.0 g·m-2, and 5.0 g·m-2). Wind-sand soil sprayed with the same amount of pure water served as the control (CK). The results showed the following: (1) The soil physical properties were altered. The compressive strength of the consolidated layer was in the order of black locust >flax >Artemisia desertorum>CK. The average compressive strength of the consolidated layer treated with the three agents increased by 109.38%, 95.06%, and 58.46% compared with CK, respectively. The compressive strength of the same agent increased with concentration. Soil bulk density increased with higher application rates, with a maximum increase of 3.76% compared with CK. Meanwhile, the total porosity and saturated and minimum water-holding capacity decreased by up to 44.55%, 47.65%, and 53.62%, respectively, compared with CK. (2) The water infiltration rate was effectively reduced. The infiltration times were as follows: flax (29.53 min)≈black locust (29.52 min) >Artemisia desertorum (29.03 min) >CK (26.08 min). As the application rate increased, the infiltration time showed a U-shaped trend for black locust and flax agents, whereas Artemisia desertorum increased gradually. (3) The soil water evaporation rates were significantly reduced. For all three agents, the application rates of 2.0-4.0 g·m-2 demonstrated the most pronounced effects. (4) Application rates of 2.0-4.0 g·m-2 improved water retention and prevented excessively slow water infiltration. This study provides theoretical support for the exploration of new sand-fixing agents and their application in the prevention of wind erosion in sandy farmland soils.

Key words： plant sand fixing agent; characteristics of the consolidated layer; soil water transport; sandy cultivated land

土壤风蚀是一个全球性的环境问题，主要发生在干旱半干旱地区[1-2]，北方沙质耕地尤为严重。春季播种后强风引发的风沙运动会使地表土壤被侵蚀，导致作物种子裸露、幼苗受损（沙打、沙割），进而引发耕地地力下降、农作物减产等问题[3]。目前，常见的风蚀防治措施如保护性耕作[4]、物理措施[5]和生物措施[6]，因施工难度大、费用高和见效慢等原因，特别是在春耕期难以广泛应用于沙质耕地。化学措施通过将固沙材料喷施在沙质耕地表面，将沙粒胶结形成具有一定抗风沙剪切力的固结层，从而固定土壤颗粒，防止风蚀[7-8]。植物基固沙材料是以沙蒿（Artemisia desertorum）、亚麻（Linum usitatissimum）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等植物的种子、果实等部位为原料，采用纯物理方法提取的亲水性胶体[9-10]。这类材料具有较好的保水性和热稳定性，其主要成分为多糖，粘度较为稳定。施用植物基固沙材料可有效避免材料降解对土壤造成二次污染的问题，且对作物生长无毒害作用，还可以提供部分农作物生长过程中所需要的营养元素，促进作物的生长发育[11-12]。
将植物基固沙剂喷施于沙质耕地表面后会渗入土壤颗粒间隙，与沙粒粘结形成固结层，阻止风沙流与土壤颗粒的接触。基于植物基固沙剂防风固沙性能展开研究发现，喷施固沙剂后土壤有机质、全氮含量显著提高[13]，水分蒸发后固结层抗压能力显著提升[14-15]，具有良好的耐高温、抗剪切能力[16]，防风蚀效果显著[17⇓⇓-20]。刺槐、亚麻、沙蒿固沙剂在防治土壤风蚀方面效果优良[21⇓-23]，适用于沙质耕地，有利于开展进一步研究。土壤入渗和蒸发是土壤水分运移的重要环节，直接决定着土壤水分分布和植物对水分的有效利用[24]。目前，固沙剂对于土壤水分运移影响方面的研究较多，P(VAc-BA-DMC)乳液型固沙剂[25]、生物基磺酸盐固沙剂[26]等材料可在长时间内延缓水分入渗速率，将雨水有效截留在土壤浅层，促进浅根系植物生长。尽管在植物基固沙剂是否会隔断部分毛管孔隙、影响土壤水分运移等方面研究较少，但已有研究表明，喷施适量的植物基固沙剂对小麦种子的萌发、萌蘖、芽生长有一定的促进作用[22] 。固沙剂对作物生长的影响机制是通过填充土壤孔隙，使土壤具有良好的亲水特性和保水性，影响了土壤水分的入渗和蒸发，将滞留水分有效用于植物种子的萌发和生长。目前，喷施不同种类植物基固沙剂后土壤持水机理还尚未明晰，其对水分运移特性的影响仍需要进一步研究。
基于此，本研究以3种植物基（沙蒿、亚麻、刺槐）固沙剂为研究对象，设置6种施用量（0.5 g·m-2、1.0 g·m-2、2.0 g·m-2、3.0 g·m-2、4.0 g·m-2、5.0 g·m-2）植物基固沙剂喷施沙质土壤应用效果试验，系统对比3种环保型固沙剂的固结层特性及保水性能，分析喷施量与土壤持水关系，探讨不同固沙剂对土壤持水机制的影响，为沙质耕地风蚀防治与防风固沙提供技术储备和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为内蒙古鄂尔多斯市库布齐沙漠北缘的沙质耕地0~20 cm表层土壤。将土壤去除杂质后带回实验室，在避光条件下自然风干，碾压过2 mm筛备用，确保土壤均质。采用筛分法测定土壤机械组成，单个土壤筛分时间为5 min。试供土壤粒级组成为：黏粒（<0.002 mm）质量分数占比为12.83%；粉粒（0.002~0.02 mm）质量分数占比为60.94%；砂粒（0.02~2 mm）质量分数占比为26.23%，土壤样品以粉粒居多、砂粒次之、黏粒最少[27-28]。通过环刀法测得土壤容重为1.33 g·m-3，作为蒸发入渗试验装填土样的标准。
供试固沙剂分别为：
（1） 沙蒿固沙剂（S）：该种固沙剂是从沙蒿种子中提取出的一种多糖物质，主要由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖和木糖等单糖组成，具有良好的稳定性、保水性和成膜性[29]。
（2） 刺槐固沙剂（F）：从刺槐的叶、花、果实等器官中提取的以半乳糖和甘露糖残基为结构单元的多糖化合物，常用于食品行业做粘稠剂。
（3） 亚麻固沙剂（R）：通过浸提亚麻籽饼粕提取出的一种亲水性胶体，主要含有具有粘性的多糖成分，粘度较为稳定。
三种固沙剂基本参数见表1。
表1 固沙剂基本参数

Tab. 1 Basic parameters of sand fixation agent

固沙剂名称 编号 提取原料 形态 颜色 应用方式
沙蒿固沙剂 S 沙蒿种子 粉末状 白色 水溶液
亚麻固沙剂 R 亚麻种子或其油渣饼粕 粉末状 白色 水溶液
刺槐固沙剂 F 刺槐果实或种子 粉末状 白色 水溶液

1.2 试验方法

3种植物固沙剂（S、R、F），每种固沙剂用量分别为：0.5 g·m-2、1 g·m-2、2 g·m-2、3 g·m-2、4 g·m-2、5 g·m-2，沙蒿固沙剂分别记为S1、S2、S3、S4、S5、S6，亚麻固沙剂分别记为R1、R2、R3、R4、R5、R6，刺槐固沙剂分别记为F1、F2、F3、F4、F5、F6。设置统一喷施溶液量为3 kg·m-2，并以喷施等量纯净水的土样作为对照（CK），每个处理设置3次重复。
（1） 固结层厚度：使用游标卡尺进行厚度(mm)测定，每个处理重复3次试验。
（2） 固结层抗压强度：将供试风干土样装填进自制的内径11 cm，壁厚0.5 cm，净高15 cm的PVC圆柱桶中，将三种固沙剂按照试验设计用量喷施于土样表面，待固结层形成后使用SL-100三量数显推拉力计测定土样抗压强度，每个处理3次重复。
（3） 固结层容重：利用环刀法在室内进行测定[22,30]。
F 1 = M 2 - M 1 / V
式中： F 1为土壤容重； M 1为环刀的重量（g）； M 2为环刀+干土重（g）；V为环刀的体积（cm3），值为100 m3 。
（4） 最大持水量、最小持水量的测定
F 2 = 100 % × M 3 - M 4 / M 4
F 3 = 100 % × M 5 - M 4 / M 4
式中： F 2为最大持水量/饱和持水量(%)； F 3为最小持水量/田间持水量（%）； M 3为浸润12 h后的湿土质量（g）； M 4为干土质量（g）； M 5为浸润12 h后干沙上搁置26 h的湿土质量（g）。
（5） 总孔隙度的测定
F 4 = 100 % × M 6 - M 4 / M 4
F 5 = F 2 - F 4 × F 1
F 6 = F 4 × F 1
F 7 = F 5 + F 6
式中： F 4为毛管持水量（%）； F 5为非毛管孔隙（体积%）； M 6为浸润12 h后干沙上搁置2 h的湿土质量（g）； F 6为毛管孔隙（体积%）； F 7为总孔隙度（体积%）。
（6） 入渗量的测定：使用自制式入渗装置开展试验（图1），采用风干土分层装填。将供试土壤以容重1.31~1.35 g·m-3装入土柱中约90 cm处，并在土柱表面喷施固沙剂，置于恒温室内3 d，待固结层形成后采用一维定水头法进行土壤入渗试验，使用马氏瓶维持2 cm恒定水头供水，试验过程中保持水流速度一致。入渗试验开始后，在1 min、3 min、5 min、10 min、20 min、30 min读取马氏瓶读数，之后每隔30 min读取1次，按照马氏瓶中减少的水量减去土柱表面定水头中的水量分别计算其不同时间段内的累积入渗量。同时，利用2个时段之间的累积入渗量差值，计算该时段的入渗速率。与此同时，以土壤表面为原点，在土柱外侧粘贴刻度尺，当水分入渗到相应时刻后直接在刻度尺上读取湿润锋的读数。同时分别计算湿润锋到达5 cm、10 cm、15 cm、20 cm处的累积入渗量，计算出相邻两处之间累积入渗量的差值。
图1 土壤水分入渗装置示意图

Fig. 1 Schematic diagram of soil water infiltration device

（7） 蒸发量的测定：采用PVC自制式小型蒸发器开展试验（图2），桶内径11 cm，壁厚0.5 cm，净高15 cm，桶底为厚0.5 cm的PVC板。在桶底均匀分布9个直径为0.5 cm的圆形孔洞。采用风干土分层装填，将供试土壤以容重1.31~1.35 g·m-3装入土柱中约10 cm处。将布置好的蒸发器放入水盆中吸水24 h。吸水过程中在表面覆盖一层塑料膜防止蒸发，吸水完成后静置排除重力水并称重。在每个蒸发器表面喷施不同用量的三种固沙剂，另设置3个蒸发器喷入等量清水作为对照，共计57个蒸发器。试验在室内平均湿度为45%条件下进行，采用逐日称重法探究固结层对风沙土水分蒸发的影响。根据试验结果，CK中的水分在第18 d基本蒸发完全，日蒸发量变化不明显。在第30 d后所有固沙剂处理下的土壤蒸发基本结束，重量变化处于稳定阶段，即视为蒸发试验全部结束，所以统一选取30 d为蒸发试验周期。
图2 土壤水分蒸发装置示意图

Fig. 2 Schematic diagram of soil water evaporation device

2 结果与分析

2.1 固结层物理特性

3种固沙剂喷施在风沙土表面后形成具有一定厚度的固结层。在室温条件下，喷施24 h后吸水量大小表现为：亚麻固沙剂>刺槐固沙剂>沙蒿固沙剂>CK，且同种固沙剂的固结层厚度随着其施用量增大呈增加趋势。固结层抗压强度表现为：刺槐固沙剂>亚麻固沙剂>沙蒿固沙剂>CK。喷施3种固沙剂后固结层平均抗压强度分别较CK增加109.38%、95.06%、58.46%（图3）。同种固沙剂抗压强度随着固沙剂施用量的增加而增加。随着喷施固沙剂施用量的增加，沙粒与固沙剂颗粒间相互作用更加明显；在CK处理下，沙粒之间粘结力弱，表面较为松散，基本未见固结层的形成，抗压强度显著低于其他喷施固沙剂处理。
图3 3种植物基固沙剂抗压强度对比

Fig. 3 Comparison of compressive strength of three plant-based sand-fixing agents

喷施刺槐、亚麻、沙蒿固沙剂后土壤容重随固沙剂施用量的增大而增大，分别较CK增大3.76%、3.76%和3.01%；土壤总孔隙度随着固沙剂施用量的增大而减小，分别较CK减小9.94%、35.42%和44.55%；土壤饱和持水量随着固沙剂施用量的增大而减小，分别较CK减小47.65%、37.32%、和4.33%；最小持水量随着固沙剂施用量的增大而减小；较CK减小53.62%、45.99%和6.02%。3种植物基固沙均有降低土壤总孔隙度、饱和持水量和最小持水量作用，但亚麻固沙剂效果不显著（P>0.05）（图4）。由于固沙剂为亲水性胶体，不同种类的固沙剂含有多糖含量不等，在土壤表层喷施固沙剂后，固沙剂颗粒填充到土壤颗粒中，多糖物质作为粘合剂将土壤颗粒粘结在一起，形成致密结构体，土壤孔隙度减小。固沙剂的加入使土壤质量增加，但体积变化较小，所以土壤容重发生变化，进而影响饱和持水量和最小持水量。
图4 不同施用量植物基固沙剂固结层物理特性

注：大写字母表示不同处理间物理特性的差异显著性（P≤0.05）。

Fig. 4 Physical properties of the consolidated layer of plant-based sand fixation agent applied at different concentrations

2.2 固结层抗蚀能力

喷施固沙剂后形成的固结层对于流沙固定至关重要，抗压强度是固结层力学性能的体现。有研究表明，固结层抗压强度与固沙剂施用量成正比：固沙剂施用量小，固结层易于破碎，抗压强度小；固沙剂施用量大，固结层结构紧致，不易破碎[31]。在喷施固沙剂与纯净水处理后，使用电镜扫描土壤颗粒放大至100倍和200倍（图5）。喷洒固沙剂较喷洒纯净水处理沙粒间隙明显减小。喷洒纯净水的沙粒颗粒间呈无序分散状态，易受风力吹蚀。喷洒固沙剂后，固沙剂颗粒可填充沙粒间空隙，产生粘连现象，将沙粒固定，待水分蒸发后固结层仍能抵抗外界风力干扰。当固沙剂施用量小时，固结层抗压强度小，受外力易于破碎。固沙剂施用量增大时，固结层抗压强度大，结构紧密[32]。
图5 植物基固沙剂及对照扫描电镜影像图

Fig. 5 Image of plant-based sand fixing agent and control SEM

2.3 固结层对土壤水分入渗的影响

固沙剂类型、施用量均对土壤水分的累积入渗时间有显著影响，具体表现为：亚麻固沙剂（29.53 min）≈刺槐固沙剂（29.52 min）>沙蒿固沙剂（29.03 min）>空白对照（26.08 min）。随着用量的增加，刺槐和亚麻固沙剂入渗时间呈现U型变化趋势，沙蒿固沙剂呈现逐渐增大的趋势。喷施固沙剂后湿润锋的运移速率显著降低。入渗初期（1 min时）喷施3种固沙剂效果显著，入渗速率较CK降低了10.61%、17.37%、13.43%，入渗中期（14 min时）较CK降低了8.38%、7.36%、3.30%，入渗后期（30 min时）较CK降低了3.36%、4.70%、1.01%。喷施固沙剂后土壤入渗速率随时间的变化规律基本一致，呈现出初始入渗速率较高，后瞬间下降，最后趋于稳定。3种植物基固沙剂均有延缓水分入渗速率的作用，亚麻固沙剂作用效果更为显著（图6）。
图6 生物基固沙剂对土壤水分入渗速率的影响

Fig. 6 Effect of bio-based sand fixing agent on soil water infiltration rate

2.4 固结层对土壤水分蒸发的影响

喷施固沙剂连续蒸发30 d后各处理累积蒸发量有明显差异（图7），表现为：空白对照（293.52 g）>刺槐固沙剂（293.08 g）>沙蒿固沙剂（290.78 g）>亚麻固沙剂（289.28 g）。3种固沙剂对土壤累积蒸发量影响最大的处理为F4、R4、S3，较CK分别降低了7.6%、16.72%和5.52%。每种固沙剂对于土壤蒸发速率的影响整体呈现U型分布，当施用量为2.0~4.0 g·m-2时减缓土壤水分蒸发效果较好。上述结果表明，亚麻固沙剂对水分蒸发影响最大，刺槐固沙剂影响最小。
图7 固沙剂对累积蒸发量的影响

注：大写字母表示不同处理间累积蒸发的差异显著（P≤0.05）。

Fig. 7 Effect of sand fixing agent on cumulative evaporation

3 讨论

3.1 保水效益影响因素分析

土壤自身容重、水分状况、孔隙结构、质地等特性是影响土壤入渗和蒸发过程的主要因素[33]，直接影响着土壤肥力和土壤水分的有效性[34]。探讨喷施固沙剂后固结层的物理特性有利于解释固沙剂对于水分运移影响的原理，判断不同种类和用量固沙剂的保水能力。相关性分析发现（图8），土壤容重与总孔隙度呈极显著负相关关系（P≤0.01），相关系数为-0.60、与土壤饱和持水量及最小持水量呈显著负相关关系（P≤0.05），相关系数分别为-0.48和-0.51。平均入渗速率与总孔隙度、最小持水量和饱和持水量呈极显著正相关关系（P≤0.01），相关系数分别为0.97、0.96、0.96；与容重呈显著负相关关系（P≤0.05），相关系数为-0.51。土壤容重、饱和持水量、最小持水量、总孔隙度与累积蒸发量呈负相关关系但并不显著（P>0.05）。3种固沙剂内皆含有糖类成分，且粘合性较为稳定。在土壤中施入固沙剂后，在水分的作用下固沙剂粉末填充到沙粒中间，剩余的部分结块滞留在沙粒表面。糖类将沙粒相互胶结形成固结层，土壤质量增大但体积变化较小，导致土壤孔隙度减小，容重增大，改变了土壤性状。当土壤孔隙度减少时，土壤透水能力减弱，引起土壤饱和持水量及最小持水量的降低，改变土壤水分结构[35]。土壤物理特性对水分入渗速率影响较大，固沙剂通过改变土壤物理特性进而对土壤水分运移造成影响。
图8 固沙剂物理特性及水分运移特性相关性热图

注：**表示显著水平为P<0.01；*表示显著水平为P<0.05。

Fig. 8 Heat map of correlation between physical characteristics and water transport characteristics of sand fixation agent

3.2 固结层对降水利用的影响

土壤改良材料的保水能力也是一项重要评价指标，降雨是沙区土壤水分的主要来源，土壤水分运移速率会对土壤含水量造成影响，进而影响植物可利用水分含量。本研究中风沙土质地较粗，颗粒间孔隙较大，吸附能力较弱，入渗速率快，不利于降雨资源的有效利用。植物固沙剂作为一种土壤改良材料，可以改变土体结构，促使土水势在固结层与土壤交界面之间发生变化，延长土壤水分入渗时间。固沙剂颗粒填满土壤颗粒之间的空隙，对土壤孔隙度和均一性造成影响，改变土壤质地，增加水分在土壤中的运移路径，完全浸湿土壤所需要的水量增加，减慢水分下渗速率，进而导致累积入渗时间的增长[36]。杨明坤[37]通过CMC固沙剂研究测试发现当固沙剂施用量低时，土壤水分渗透性能好，但固结层较薄易受破坏；当固沙剂施用量高时，土壤水分渗透性降低，与本文结论一致。尹应武等[38]对固沙材料渗水率存有不同观点，认为生物基磺酸盐浓度越高，固沙剂固结层的渗水速率越慢，可使雨水截流在土壤浅层，促进浅根系植物生长。但当固沙剂施用量较大时，固沙结壳厚度过大，水分入渗速率减慢，不利于土壤对降水的吸收，容易产生地表径流，形成坡面侵蚀，同时不利于深根植物对于土壤水分的吸收。
蒸发试验与鲁小珍等[39]使用木质素固沙材料进行的保水试验所得结果相似。赵永贵[40]研究使用掺有质量比为0.5%保水剂的饱和含水沙子与未经处理的对照组进行水分蒸发实验，半月之后，对照组中所添加的水分被完全蒸发，而试验组中的水分仍维持在12%左右。以上试验及结果证明植物基固沙剂具有良好的保水作用，它的施入减缓了土壤水分的蒸发速率。喷施固沙剂后固结层破坏了土壤与大气连通的毛细管，破坏了毛管作用，向沙地表层补给的毛管上升水减少，水分只能以水汽扩散的形式蒸发，蒸发量显著降低。在土壤水分蒸发后期，含水量成为影响蒸发速率的限制性因子，表层水分蒸发后，深层水分对其进行补给，最终水分保存在深层土壤中。但土壤水分蒸发的强度与生物固沙剂的种类或施用量之间的关系都不是唯一的，生物固沙剂的施用量逐渐变大，土壤水分蒸发量的变化趋势却不同，可能还与土壤表面温度以及气温的变化有关。
综上所述，在沙质土壤表面喷施固沙剂能有效减缓土壤水分入渗和蒸发速率，固沙结壳对水分束缚能力较强，可长期保持水分供给植物生长，较为适宜在沙质耕地推广应用。但当施用固沙剂施用量较大时，也会造成坡面侵蚀的不利影响；同时限制了深根植物对于土壤水分的吸收。根据本文研究结果，当固沙剂用量为2.0~4.0 g·m-2时，既可以保证其效果又能有效预防水分入渗过慢的问题，适宜沙质耕地应用。固沙剂在野外应用时还需考虑土壤类型、施用量及大面积喷洒等问题。此外本研究探究了不同种类、不同施用量固沙剂的性质，初步得出了固沙剂具有良好的保水作用，后续可关注其自然降解及与植物生长发育相关关系的研究，对其性能进一步评价，为植物基固沙剂在沙质耕地中的实际应用提供理论依据。

4 结论

通过对3种植物基固沙剂（沙蒿、亚麻、刺槐）及6种施用量（0.5 g·m-2、1.0 g·m-2、2.0 g·m-2、3.0 g·m-2、4.0 g·m-2、5.0 g·m-2）开展水分入渗与蒸发研究，得出如下主要结论：
（1） 喷施植物基固沙剂形成的固结层可改变土壤物理特性。固结层抗压强度表现为：刺槐固沙剂>亚麻固沙剂>沙蒿固沙剂>CK。喷施刺槐、亚麻、沙蒿固沙剂后固结层平均抗压强度分别较CK增加109.38%、95.06%、58.46%。同种固沙剂抗压强度的增加随着固沙剂施用量的增加而更加明显。随着固沙剂用量的增加，土壤容重逐渐增大，最大可较CK提高3.76%，总孔隙度、饱和持水量、最小持水量呈现减小的趋势，最大可较CK降低44.55%、47.65%、53.62%。
（2） 植物基固沙剂可有效减缓水分入渗和蒸发速率。喷施固沙剂后湿润锋运移速率显著降低，土壤湿润锋到达底部的时间均大于CK，整个过程中入渗速率均小于对照。土壤累积蒸发量较CK降低，三种固沙剂均表现出2.0~4.0 g·m-2施用量对土壤蒸发速率的减缓效果较好。
（3） 植物固沙剂降低土壤水分蒸发速率，减少土壤水分的流失，具有良好的持水和保水性能，但同时削弱了水分入渗能力。当固沙剂施用量为2.0~4.0 g·m-2时，既可以保证其效果又能有效预防水分入渗过慢的问题。
基于此，在沙质耕地地区风蚀防治过程中，建议应用3种植物基固沙剂，为耕地作物生长提供良好的水分环境，促进作物增产。

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