土壤混摻生物炭對微咸水入滲特性及水鹽分布特征的影響

鄭 健, 李永春, 王 燕, 石 聰, 鮑婷婷

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院,730050,蘭州; 2.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室,730050,蘭州)

隨著社會經濟的發展、人口急劇增長,我國淡水資源供需矛盾加劇。水資源匱乏和水土流失一直是土壤質量退化和限制農業可持續發展的主要威脅。特別是在世界各地干旱和半干旱地區,農業可替代性灌溉用水成為世界關注焦點[1]。據統計,我國微咸水資源約200億m3,其中可開采量為130億m3,利用微咸水進行農業灌溉具有巨大的應用潛力[2]。但研究表明,長期使用2～3 g/L的微咸水直接灌溉,可能造成土壤次生鹽漬化,對土壤結構也會產生潛在影響[3]。而土壤鹽堿化是土壤退化的主要問題,主要體現在土壤持水能力降低,鹽含量升高和有機質含量下降等,導致土壤的生產效率下降[4]。因此,如何科學開發、合理利用微咸水資源,對緩解水資源短缺和水土資源可持續利用具有重要意義。

生物炭是生物有機質在厭氧條件下高溫裂解產生的固體產物,通常含碳量為40%～75%[5],具有多孔性、比表面積大、離子交換能力強和孔隙結構豐富等特點[6],被廣泛用作提高土壤質量和作物生產力的提升[7]。生物炭的添加可以顯著降低土壤密度,改善土壤的孔隙度,提高土壤的通透性,增加土壤的氧氣供應,促進作物對養分的吸收,進而提高作物產量[8]。田丹等[9]的研究發現隨著生物炭量的增加,砂土的總孔隙度增大。Bruno等[10]研究表明,含生物質炭的耕作土比未含生物質炭土壤的持水率高18%左右。Liang等[11]通過3年田間試驗發現,施加90 t/hm2的生物炭可顯著增加土壤持水力,增加量達到9.0%。但在微咸水灌溉條件下土壤混摻生物炭后,對土壤持水能力、入滲特征和水鹽分布會產生怎樣的影響呢?

為此,筆者將生物炭改善土壤結構和土壤水力特性的特點應用于微咸水灌溉,通過設置不同的微咸水礦化度和生物炭混摻量,采用室內試驗,探求生物炭混摻對微咸水入滲、水鹽分布特征和土壤持水能力的影響。旨在為微咸水應用過程遇到的實際問題提供新的解決思路,同時豐富生物炭在水土保持和農業中的應用范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗供試土壤取樣點為甘肅省蘭州市魏嶺鄉狗牙山村正常耕作的農田(E 103°46′31″、 N 36°3′18″),土樣采集深度為0～40 cm,土樣采集完成后自然風干,去除肉眼可見根系殘葉等物質,過直徑2 mm篩,均勻混合后備用。采用土壤比重計法進行土壤粒徑分析(表1)。本地0～100 cm土層內平均土壤密度1.35 g/cm3,田間持水率為25%(質量含水率)根據本地農田土壤的密度狀況,在本試驗研究中,土壤密度設為1.35 g/cm3。土壤有機質質量分數為9.1 g/kg,pH值為8.03。土壤飽和體積含水率和土壤初始體積含水率分別為40.31和0.08 cm3/cm3。

表1 土壤粒徑分析結果Tab.1 Results of soil particle analysis

試驗采用的生物炭由山東復合肥料生產公司生產,小麥秸稈在550～600 ℃高溫有限氧條件下裂解而成。其理化性質:密度為0.19 g/cm3,固定碳為400 g/kg,速效磷10.20 g/kg,速效鉀56.55 g/kg,比表面積為9 m2/g,總孔隙度為67.03%,通氣孔隙度為12.87%,持水孔隙度為61.10%,pH值為10.24,陽離子交換量為60.80 mol/kg。

1.2 試驗設計及裝置

試驗設置生物炭混摻量為0、1%、2%和4%(土壤的質量比例),混摻厚度為20 cm。微咸水礦化度設置為0、1、3和5 g/L,采用去離子水與NaCl按一定比例配置[12]。試驗設置裝土高度為40 cm,土壤密度1.35 g/cm3。試驗開始前將供試土壤每5 cm一層分層填入土柱中,壓實邊緣,避免邊壁縫隙形成的邊際效應。在土壤表層放置1層濾紙,減少入滲液對土壤的沖擊并保證入滲均勻。試驗采用馬氏瓶供水,水頭控制在2 cm。在試驗過程中采用先密后疏的原則,觀測馬氏瓶內水位及土柱濕潤鋒運移距離。試驗過程中,記錄累計入滲量、濕潤鋒和入滲時間,當濕潤鋒達到38 cm時,迅速排出積水并用濾紙吸干表面積水,并從土柱側面的取土孔提取土樣,測定土壤質量含水率和電導率。

試驗裝置由試驗土柱和供水設備組成(圖1)。試驗土柱由直徑8 cm和高50 cm的有機玻璃制成,在土柱側面每隔8 cm開直徑為1.5 cm的圓形取樣口,便于提取土樣分析土壤水分和鹽分含量。馬氏瓶截面積為50 cm2,高100 cm。

1.注水孔及橡膠塞;2.馬氏瓶; 3.止水、氣閥門; 4.進氣管; 5.出水管; 6.混摻層; 7.土柱; 8.取樣孔。1.Water injection hole and rubber plug. 2.Markov bottle. 3.Water or gas stop valve. 4.Intake pipe. 5.Outlet pipe. 6.Mixed layer. 7.Soil column. 8.Sampling hole圖1 試驗裝置Fig.1 Experiment device

1.3 測定指標及方法

土壤水分特征曲線采用離心機法(CR 21GⅡ型,日本)測定。具體方法為:將風干土樣磨細,去除雜質后過2 mm孔篩,按1.35 g/cm3的體積質量均勻裝填于4套土壤水分特征曲線測定裝置的盛土容器,并用不同礦化度水樣(0、1、3和5 g/L)浸透12 h直至飽和,進行稱量,將浸透飽和的土樣放入離心裝置中,設定離心機轉速分別為0、310、693、981、1 698、2 193、2 594、3 101、5 371、6 934和8 204 r/min。在每次壓力達到平衡后,取出土樣,用電子天平立即稱量,然后放入離心裝置進行下一轉速測量[13]。根據所測數據,計算出不同轉速下的土壤體積含水率,以此確定實測的土壤水分特征曲線。擬合采用Van-Genuchten模型[14],模型中的參數通過RETC軟件擬合確定:

(1)

式中:θ為土壤含水率,cm3/cm3;θr和θs分別為殘留含水率和飽和含水率,cm3/cm3;h為壓力水頭,cm;α為與土壤初始排水有關的經驗擬合參數,在數值上等于進氣壓力值的倒數;n,m為經驗擬合參數,決定特征曲線的形狀,其中,m=1-1/n。

土壤密度測定用環刀法。土壤質量含水率用烘干法測定(105±2)℃;土壤含鹽量采用土壤電導率來說明,首先對所提取的土樣烘干、研磨,按照土水比為1∶5進行浸提,然后利用電導率儀(上海雷磁牌DDS-11A型)測定浸提液的電導率值。土壤電導率可以反映一定水分條件下土壤鹽分的實際狀況,且包含土壤水分含量及離子組成等豐富信息,在一定濃度范圍內,土壤溶液含鹽量與電導率呈正相關,根據溶液電導率大小,間接地測量土壤含鹽量[15]。

1.4 數據處理

試驗數據圖表繪制均采用Excel 2010和Origin 9.1軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤水分特征的影響

土壤水分特征曲線是表示土壤基本水動力學特性的重要指標[16]。由圖2可知,不同礦化度和生物炭混摻量下,土壤體積含水率呈現不同的變化趨勢。當土壤水吸力值等于1 000 cm時,微咸水為0,2%生物炭混摻量下土壤體積含水率最大,為12.56%;微咸水礦化度為1、3和5 g/L時,0生物炭混摻量處理土壤體積含水率最大,分別為13.06%、12.70%和12.51%。這說明土壤體積含水率受微咸水礦化度和生物炭混摻量的共同影響。

為進一步分析微咸水灌溉條件下生物炭混摻量對土壤保水性能的影響,采用Van-Genuchten模型(式1)對試驗數據進行擬合分析,結果如表2所示。模型擬合參數隨著礦化度和生物炭混摻量的變化而變化。土壤飽和含水率和土壤殘余含水率的差值越大,表明土壤持水性越好。微咸水礦化度為0,生物炭2%處理的土壤飽和含水率和土壤殘余含水率的差值最大,進一步說明礦化度為0時,生物炭2%處理時持水性最好;相較于0、1、3和5 g/L微咸水處理的土壤飽和含水率和殘余含水率的差值呈先增加后減小趨勢,礦化度3 g/L土壤持水性最好。參數α為進氣值倒數,反映土壤初始排水時的難易程度,易排水時α值大。由表2可知,參數α隨微咸水礦化度先增大后減小,說明土壤持水能力隨著微咸水礦化度先增大后減小。所有處理擬合曲線的R2均>0.98,表明Van-Genuchten模型能夠準確描述不同礦化度水體和生物炭混摻量處理下土壤水分特征曲線的變化規律。

表2 土壤水分特征曲線Van-Genuchten模型擬合參數Tab.2 Fitting parameters of Van-Genuchten model for soil moisture characteristic curve

2.2 生物炭混摻量對累計入滲量的影響

累計入滲量指在一定時間范圍內,在單位面積土壤上,水分總的滲入量,或者一定時間范圍內,通過單位土壤的表面入滲的累計水量[17]。微咸水入滲條件下,生物炭混摻土壤的累計入滲量隨時間的變化(圖3)。在微咸水入滲條件下,各生物炭處理的累計入滲量均隨時間的增加而增加。微咸水礦化度為0時,入滲歷時長短順序為4%<2%<1%<0;微咸水礦化度為1、3、5 g/L時,入滲歷時長短順序為2%<4%<1%<0;無混摻時,3g/L處理入滲歷時最短,說明混摻生物炭能加快土壤水分入滲,且微咸水和生物炭對水分入滲均產生了影響。

圖3 累計入滲量與時間的關系Fig.3 Relationship between cumulative infiltration and time

為探明不同礦化度水體情況下,累計入滲量隨入滲時間的變化關系,采用Kostiakov模型對累計入滲量與入滲時間之間關系進行擬合分析(表3)。

表3 不同礦化度累計入滲量與時間擬合結果Tab.3 Fitting results of cumulative infiltration volumes and times under different mineralization

Kostiakov入滲模型:

I=Ktβ。

(2)

式中:I為累計入滲量,cm;t為入滲時間,min;K為第1個單位時間末的土壤入滲率,mm/min;β為隨著時間的變化土壤水分入滲速率的快慢程度,量綱為1[18]。

由表3可知,采用Kostiakov模型模擬不同礦化度微咸水灌溉下累計入滲量與時間關系時,R2均>0.97,冪函數關系成立。土壤結構對模型參數產生影響。在不同礦化度微咸水灌溉下,入滲指數變化較小,在0.316～0.447之間;無混摻時,隨著微咸水礦化度的增加,K值先增大后減小;相同礦化度水體條件下,隨著生物炭混摻量的增加,K值增大。這說明微咸水礦化度和生物炭對土壤入滲速率產生一定影響。

2.3 不同生物炭混摻量對濕潤鋒運移深度的影響

在入滲過程中,土壤前端的濕潤區被稱為濕潤鋒,濕潤鋒是在入滲過程中,水分可以達到的最大深度。微咸水入滲條件下,生物炭混摻土壤濕潤鋒隨時間變化過程如圖4所示。在入滲初期,濕潤鋒運移深度增加較快,當入滲持續一段時間后,濕潤鋒的增加速率逐漸變慢;當生物炭無混摻時,濕潤鋒運移距離達到38 cm。隨著微咸水礦化度增加,濕潤鋒運移所需時間先減小后增大,相較于0,1、3和5 g/L處理濕潤鋒運移距離所需時間分別降低了6%、10%和4%;當微咸水礦化度為0時,生物炭4%處理濕潤鋒運移所需時間最短;當微咸水礦化度為1、3和5 g/L時,生物炭2%處理濕潤鋒運移距離所需時間最短。這說明濕潤鋒運移距離受微咸水和生物炭共同影響。

圖4 濕潤鋒與時間的關系Fig.4 Relationship between wetting front and time

對濕潤鋒運移距離與時間t的關系進行擬合:

Zf=atb。

(3)

式中:Zf為濕潤鋒運移距離,cm;a,b為經驗常數,量綱為1。

從表4可以看出,采用冪函數對不同處理的濕潤鋒運移距離和時間關系進行擬合時,R2均>0.99,表明不同處理濕潤鋒運移距離與入滲時間呈良好的冪函數關系。

表4 不同礦化度下濕潤鋒與時間擬合結果Tab.4 Fitting results of wetting front and time under different mineralization

2.4 水鹽分布的影響

2.4.1 土壤含水率分布特征的影響 在微咸水入滲條件下,實測土壤質量含水率與土層深度之間變化關系,如圖5所示。從整體來看,表層土壤質量含水率最高,接近土壤飽和質量含水率,濕潤鋒處土壤質量含水率最低,濕潤鋒以下土壤質量含水率接近土壤初始質量含水率;生物炭0處理,土壤平均質量含水率隨著礦化度的增加先增大后減小,礦化度為3 g/L時,土壤平均質量含水率最大;當微咸水礦化度為0時,生物炭1%、2%和4%處理比生物炭0處理的土壤平均質量含水率分別提高1.5%、6.9%和4.0%;礦化度1 g/L時,生物炭1%、2%和4%處理比生物炭0處理,土壤平均質量含水率分別提高4%、8%和3%;礦化度3 g/L時,生物炭1%、2%和4%處理比生物炭0處理的土壤平均質量含水率分別提高3.5%、11.0%和7.7%;礦化度5 g/L時,生物炭1%、2%和4%處理比生物炭0處理的土壤平均質量含水率分別提高2.8%、9.0%和7.7%。生物炭0時,礦化度3 g/L土壤平均質量含水率最大;相同微咸水礦化度,混摻2%生物炭處理土壤平均質量含水率高于其他處理。這說明在微咸水入滲下,混摻2%生物炭的處理對土壤持水能力的提升最好。

圖5 不同生物炭混摻量土壤質量含水率分布Fig.5 Distribution of soil mass moisture content under different biochar content

2.4.2 土壤含鹽量分布特征的影響 在微咸水入滲條件下,不同生物炭混摻量下土壤電導率隨深度的變化過程如圖6所示。隨著土壤水分入滲,土層深處土壤電導率增大,在濕潤鋒處最大。礦化度0時,生物炭1%、2%和4%處理比生物炭0處理的土壤總電導率分別提高6.9%、38.8%和63.0%;礦化度1 g/L時,生物炭1%、2%和4%處理比生物炭0處理的土壤總電導率分別提高13%、34%和49%;礦化度3 g/L時,生物炭1%、2%和4%處理比生物炭0處理的土壤總電導率分別提高11.66%、19.60%和26.70%;礦化度5 g/L時,生物炭1%、2%和4%處理比生物炭0處理的土壤總電導率分別提高16.8%、32.0%和40.0%。研究發現,隨著生物炭混摻量的增加,土層電導率值增加,說明生物炭對土壤中鹽離子有一定的吸附作用。

圖6 不同生物炭混摻量土壤含鹽量分布Fig.6 Distribution of soil salt content under different biochar content

3 討論

王竹等[19]研究表明生物炭在一定程度上改善土壤的持水能力;吳忠東等[20]研究結果表明含鹽水可以增強土壤持水能力。本試驗結果表明,微咸水和生物炭均可以提高土壤持水能力,但從土壤體積含水率變化可以看出土壤持水能力受微咸水和生物炭共同影響。初步分析主要原因為:隨著水溶液中的鹽分在土壤不斷積累,土壤孔隙結構改變,使土壤持水能力增強,但高礦化度水體導致入滲水分運動受阻而降低土壤入滲能力,隨著微咸水礦化度的增加土壤持水能力先增大后減小,土壤孔隙比例隨著微咸水礦化度變化,土壤持水性隨之改變;而生物炭混摻土壤增加了土壤的大孔隙度,使土壤的總孔隙度和比表面積增大,增加了土壤的持水能力。

王全九等[21]研究發現微咸水可增加的濕潤鋒運移距離、累計入滲量和入滲速率,并指出微咸水是通過促進離子交換淋洗,改善土壤結構和滲透性能,促進水分入滲。劉春成等[22]研究發現微咸水灌溉可以減小土壤顆粒間排斥力,增加土壤導水性。本研究結果表明生物炭量為0,入滲水礦化度3 g/L處理,入滲歷時最短,濕潤鋒運移最快,隨著入滲水鹽分濃度增大,使土壤粒子絮凝,提高土壤土壤導水率。但是,高礦化度使土壤Na+數量增加,導致土壤顆粒膨脹,土壤透水性變差。施加生物炭后,土壤大孔隙增加,促進土壤水分入滲。由于生物炭具有比表面積大和多孔隙結構特點,使得土壤混摻生物炭改善了土壤的孔隙結構和密度,有效提高土壤質量含水率,并對土壤通透性和養分溶液的滲透及土壤持水性產生積極影響,進而提高水分在土壤中的入滲能力。這進一步表明適宜的微咸水礦化度和生物炭可以促進土壤入滲增加濕潤鋒運移距離。

入滲水礦化度越高,相同土壤剖面含水率也越大,而生物炭的添加能夠明顯提高土壤的含水率,并通過其較高的鹽吸附能力緩解滲透脅迫改善植物水分狀況[23]。本研究發現,生物炭為0時,土壤平均質量含水率隨礦化度的增加先增大后減小;在微咸水入滲條件下,生物炭處理土壤平均質量含水率均有所增大。從電導率反映的土層鹽分含量可以看出,隨著生物炭的增加,各土層電導率增加,表明生物炭能夠有效吸附鹽分離子。初步分析產生這一現象的原因可能是:微咸水礦化度的增加能夠改善土壤孔隙特征,低礦化度的水促進土壤粒子絮凝,提高土壤的容水性能,過高的微咸水礦化度使溶液中鈉離子較為活躍,使土壤黏粒膨脹、降低土壤的容水性能。而生物炭混摻土壤,改善土壤的孔隙結構,土層平均質量含水率隨生物炭的增加呈現先增大后減小趨勢;同時生物炭本身疏松多孔,可有效吸附土壤中的鹽分離子,從而使土壤中含鹽量增加,進而影響了土壤水鹽分布,使其在提高土壤持水能力的同時對土壤中的鹽分離子產生一定吸附。

4 結論

1)土壤水分特征曲線受微咸水和生物炭混摻量的共同影響。淡水條件下,混摻2%生物炭可顯著改良土壤結構,提高土壤的持水性能,增加土壤的蓄水保墑能力;礦化度1、3和5 g/L時,生物炭0處理體積含水率最大。

2)微咸水和生物炭均可提高土壤的入滲能力。生物炭無混摻時,微咸水礦化度3 g/L處理,入滲歷時最短,濕潤鋒運移最快;微咸水入滲條件下,土壤混摻生物炭后,濕潤鋒推進距離、入滲速率均提高。

3)無生物炭混摻時,土壤質量含水率隨著礦化度增大后減小,礦化度為3 g/L時,土壤平均質量含水率最大;在微咸水入滲條件下,生物炭處理質量含水率均增大。隨著生物炭混摻量的增加,土層含鹽量增加,生物炭混摻土壤可以吸附土壤中的鹽離子,生物炭4%處理鹽離子吸附效果明顯。