生物炭種類與施量對(duì)新復(fù)墾區(qū)土壤水分入滲過(guò)程的影響

王 娟 陳安全 宋文瑾 趙一凡 謝嘉華 孟雷翔

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009)

0 引言

耕地資源日益緊缺制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與現(xiàn)代化建設(shè)，2019年《土地管理法》修訂強(qiáng)調(diào)對(duì)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)三位一體綜合保護(hù)[1]。新復(fù)墾土地作為被重新開發(fā)的耕地資源，存在土壤理化性質(zhì)較差、水土流失嚴(yán)重、肥力薄弱等問(wèn)題。因此，通過(guò)不同措施改善新復(fù)墾區(qū)土壤的理化性質(zhì)，提高保水保肥的能力，對(duì)于增加耕地資源、保護(hù)糧食安全和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要科學(xué)意義。

入滲是水分進(jìn)入土壤的過(guò)程[2]，是土壤水分運(yùn)動(dòng)的主要部分和“四水”(大氣水、地表水、土壤水和潛水)轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)，決定土壤對(duì)降雨和灌溉水的有效利用程度[3-4]。土壤水分運(yùn)動(dòng)受土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)及有機(jī)質(zhì)含量等諸多因素影響[5]。生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在高溫限氧條件下通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換形成的富碳產(chǎn)物[6]。生物炭具有巨大的比表面積、豐富的孔隙度及離子吸附能力等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土壤改良，改善土壤理化性質(zhì)、降低土壤容重、增加土壤孔隙度[7]。MAO等[8]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭后喀斯特地區(qū)土壤的入滲過(guò)程明顯受到抑制，累積入滲量和入滲率顯著低于未添加生物炭土壤，大粒徑生物炭對(duì)土壤入滲的抑制作用顯著強(qiáng)于小粒徑生物炭。解倩等[9]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭明顯降低了黃綿土的入滲能力，增強(qiáng)了黃綿土持水能力，其影響效果因生物炭粒徑和施量而異。肖茜等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施量增加，風(fēng)沙土和黑壚土的累積入滲量逐漸降低，而黃綿土累積入滲量呈先增大后減緩的趨勢(shì)。詹舒婷等[11]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯稈生物炭顯著促進(jìn)了濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移，而藜麥稈和油菜稈生物炭減緩了中后期濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移速度。SUN等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在濱海鹽漬土中添加10%未篩分的生物炭顯著降低水分入滲，而過(guò)0.25 mm篩的生物炭顯著提高了水分入滲。魏永霞等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在黑土區(qū)土壤中添加生物炭可顯著降低土壤容重、提高土壤孔隙度，土壤體積含水率低于42%時(shí)生物炭抑制水分?jǐn)U散。黃明逸等[14]研究發(fā)現(xiàn)，添加 15 t/hm2生物炭配合微咸水-淡水輪灌能夠改善濱海鹽漬土的入滲特性、持水能力和鹽分分布。綜上，生物炭對(duì)土壤水分入滲特性的影響會(huì)因其種類、施量、粒徑及土壤本身質(zhì)地等因素的不同而異。新復(fù)墾土地作為廣泛存在的耕地資源，具有很大的開發(fā)價(jià)值和研究意義，目前選擇適宜的生物炭改善新復(fù)墾區(qū)土壤的研究報(bào)道較少。本研究基于室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，分析不同種類和施量的生物炭對(duì)新復(fù)墾區(qū)土壤水分入滲過(guò)程的影響，為新復(fù)墾土地的快速熟化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及試驗(yàn)材料

供試土壤采自揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)水與水文水生態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)，該試驗(yàn)場(chǎng)于2016年建成，復(fù)墾前為荒地,屬于典型的新復(fù)墾土地。采用Z型采樣方法采集表層 0～25 cm 土樣，去除大的礫石后，風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩備用。使用馬爾文激光粒度分析儀(MS-3000型)測(cè)定土壤粒徑組成，其中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.38%，粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)32.76%，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)62.86%，屬于砂質(zhì)壤土(國(guó)際制)。土壤堿解氮質(zhì)量比32.08 mg/kg，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比7.20 g/kg，容重為1.37 g/cm3，飽和含水率38.05%，飽和導(dǎo)水率8.07×10-4cm/s。試驗(yàn)用生物炭購(gòu)于河南立澤環(huán)保科技有限公司，性質(zhì)如表1所示。

表1 生物炭物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年4月在揚(yáng)州大學(xué)江陽(yáng)路南校區(qū)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境與生態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行?？紤]試驗(yàn)用土其砂質(zhì)壤土的物理性質(zhì)以及存在的水土流失問(wèn)題，結(jié)合前人的研究成果和課題組之前的研究進(jìn)展，試驗(yàn)設(shè)置不添加生物炭處理為對(duì)照(CK)，將生物炭種類和施量作為因素，土壤與2種生物炭(玉米秸稈生物炭A、水稻稻殼生物炭B)按不同比例(2%、4%、8%)混合均勻，分別記為A2、A4、A8、B2、B4、B8，試驗(yàn)共7個(gè)處理，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)選用透明有機(jī)玻璃圓柱，內(nèi)徑10 cm、高40 cm，側(cè)面貼有不銹鋼刻度尺，底部安裝通氣閥門。將土壤與生物炭按設(shè)計(jì)質(zhì)量比混合均勻，在室溫下靜置24 h后按設(shè)計(jì)容重1.37 g/cm3，每5 cm一層裝入土柱，上層 0～25 cm 土壤均勻混合生物炭，25 cm以下為不添加生物炭的原土樣，填土總高度35 cm。為減少內(nèi)壁對(duì)入滲的影響，在土柱內(nèi)壁涂一層凡士林，且每層土之間充分打毛，保證土層緊密接觸，避免分層，裝土前土柱底部放置兩層100目紗網(wǎng)和一層濾紙，防止土壤顆粒流失并利于通氣。

采用一維定水頭垂直積水入滲法開展土壤入滲試驗(yàn)。入滲試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括供水裝置馬氏瓶(內(nèi)徑10 cm、高60 cm)、試驗(yàn)土柱和固定支架組。用馬氏瓶進(jìn)行自動(dòng)供水并控制水頭恒定為4 cm。按照前密后疏(0～3 min間隔30 s，3～10 min間隔 1 min，10～20 min間隔2 min，20～60 min間隔 4 min，60 min 以上間隔5 min)的原則記錄濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和累積入滲量，當(dāng)濕潤(rùn)鋒推進(jìn)到指定深度即 30 cm 時(shí)入滲結(jié)束，灌水量約為入滲結(jié)束時(shí)的累積入滲量。馬氏瓶繼續(xù)供水直至土柱底部有滲出液，停止供水。試驗(yàn)結(jié)束，每個(gè)處理取一個(gè)土柱破壞性取樣，用直徑2.5 cm小土鉆每5 cm分層在土柱3個(gè)方向分別取土樣，干燥法測(cè)定不同深度處土壤含水率。

1.3 土壤入滲過(guò)程擬合

為進(jìn)一步研究不同種類生物炭在不同施量下對(duì)新復(fù)墾土壤入滲過(guò)程的影響，采用Philip模型對(duì)入滲過(guò)程進(jìn)行擬合，Philip入滲模型[15]數(shù)學(xué)表達(dá)式為

I=St0.5+At

式中I——累積入滲量，mm

S——吸滲率，mm/min0.5

A——穩(wěn)滲率，mm/min

t——入滲時(shí)間，min

采用冪函數(shù)[16]對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間進(jìn)行擬合，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

F=atb

式中F——濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離，mm

a——第1個(gè)計(jì)時(shí)單位后濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離，mm

b——濕潤(rùn)鋒進(jìn)程的衰減系數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Office Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，Origin 2021作圖，SPSS 26.0進(jìn)行ANOVA方差分析，Duncan法進(jìn)行顯著性分析，非線性回歸分析擬合公式。

2 結(jié)果與分析

2.1 入滲時(shí)間及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移

入滲時(shí)間指水分垂直入滲至結(jié)束所需時(shí)間，反映水分運(yùn)動(dòng)的快慢程度。不同生物炭種類和施量條件下，生物炭對(duì)土壤入滲時(shí)間的影響差異明顯。由圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)可知，不同處理入滲時(shí)間由小至大依次為B2、CK、B8、B4、A2、A4、A8，B2入滲時(shí)間最短(200 min)，較CK入滲時(shí)間(228 min)減少12.3%，A8入滲時(shí)間最長(zhǎng)(363 min)，較CK增加59.2%。結(jié)果表明，施用玉米秸稈生物炭可以增加土壤入滲時(shí)間，施量與入滲時(shí)間呈正相關(guān)，與CK相較，隨施量增加，入滲時(shí)間增加35.0%、46.0%和59.1%；低施量水稻稻殼生物炭減少土壤入滲時(shí)間，而中高施量增加入滲時(shí)間，且中施量水稻稻殼生物炭增加入滲時(shí)間最多，較CK增加28.5%。

圖1 不同處理下入滲時(shí)間

濕潤(rùn)鋒表征水分在土壤基質(zhì)吸力和重力作用下的運(yùn)動(dòng)特征[17]。不同種類和施量條件下，生物炭對(duì)土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響差異明顯。由圖2可知，入滲初期濕潤(rùn)鋒運(yùn)移很快，隨時(shí)間推移逐漸變慢，最終以較穩(wěn)定速度運(yùn)移。處理B2、CK、B8濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線相近且濕潤(rùn)鋒運(yùn)移快；處理B4、A2、A4濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線相近，處理B4、A2、A4濕潤(rùn)鋒運(yùn)移明顯慢于處理B2、CK、B8；處理A8在同一時(shí)間下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離最小，因此處理A8濕潤(rùn)鋒運(yùn)移最慢。入滲 120 min 時(shí)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離由大到小依次表現(xiàn)為B2、CK、B8、B4、A2、A4、A8，玉米秸稈生物炭隨著施量增加濕潤(rùn)鋒運(yùn)移越緩慢，而水稻稻殼生物炭低施量加快濕潤(rùn)鋒運(yùn)移，中高施量減緩濕潤(rùn)鋒運(yùn)移且中施量減緩最明顯。

圖2 不同處理下濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化曲線

綜上所述，高施量玉米秸稈生物炭可以增加新復(fù)墾區(qū)土壤入滲時(shí)間，減緩濕潤(rùn)鋒運(yùn)移，有利于改善新復(fù)墾區(qū)土壤存在的水分下滲過(guò)快、保水能力弱的問(wèn)題。

采用冪函數(shù)F=atb對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離F與時(shí)間t進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表2所示，各處理擬合決定系數(shù)R2均大于 0.99，顯著性檢驗(yàn)P<0.01，說(shuō)明冪函數(shù)能很好地描述生物炭不同種類和施量條件下新復(fù)墾區(qū)土壤濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移規(guī)律。對(duì)該函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，可以近似用a×b來(lái)描述濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度，玉米秸稈生物炭處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率均低于對(duì)照，且隨施量增加逐漸減小，這是因?yàn)橛衩捉斩捝锾康奶砑訙p緩了水分初始入滲速率。而水稻稻殼生物炭處理，除B4外，其余處理a×b參數(shù)均大于CK。

表2 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與時(shí)間擬合結(jié)果

2.2 累積入滲量及入滲率

土壤入滲過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定后可用穩(wěn)定入滲率來(lái)表征土壤入滲能力，但在達(dá)到穩(wěn)定入滲之前，常用累積入滲量來(lái)表征土壤入滲能力[18]。不同種類和施量生物炭處理下累積入滲量隨時(shí)間變化如圖3所示。由圖3可知，入滲初期累積入滲量迅速增加，隨時(shí)間推移，進(jìn)入穩(wěn)定入滲階段，累積入滲量以較穩(wěn)定速率增加。處理B2、CK、B8的累積入滲量曲線相近，處理A2、B4、A4、A8的累積入滲量曲線相近。同一時(shí)間下，處理B2、CK、B8的累積入滲量大于處理A2、B4、A4、A8，說(shuō)明玉米秸稈生物炭和中施量的水稻稻殼生物炭可以明顯降低累積入滲量。在0～100 min內(nèi)，CK、B2和B8的曲線高度重合，處理B4的累積入滲量明顯低于其他3個(gè)處理；100～200 min 時(shí)，在同一時(shí)間下累積入滲量由大到小依次為B2、CK、B8、B4，說(shuō)明入滲前期2%施量和8%施量的水稻稻殼生物炭處理對(duì)土壤的累積入滲量無(wú)明顯影響，后期表現(xiàn)為低施量處理提高累積入滲量，中高施量處理降低累積入滲量，中施量(4%)的水稻稻殼生物炭降低土壤的累積入滲量效果更明顯。另外，高施量玉米秸稈生物炭處理可以增加入滲結(jié)束后新復(fù)墾區(qū)土壤的累積入滲量。

圖3 不同處理下累積入滲量隨時(shí)間變化曲線

土壤入滲率反映了土壤的入滲性能。不同種類及施量生物炭處理下土壤入滲率變化曲線如圖4所示。干土入滲條件下，土壤初始入滲率較高，短時(shí)間內(nèi)入滲率大幅降低，隨時(shí)間推移進(jìn)入穩(wěn)定入滲階段，入滲率逐漸穩(wěn)定。CK的入滲率較高，入滲10 min后與CK相比，處理A2、A4、A8、B2、B4、B8入滲率分別降低20.8%、33.3%、34.2%、0.8%、12.5%和2.5%，說(shuō)明添加生物炭降低了土壤初始入滲率。A4、A8入滲率曲線明顯低于CK，說(shuō)明中高施量的玉米秸稈生物炭處理降低入滲率更明顯，而稻殼生物炭規(guī)律不明顯。

圖4 不同處理下土壤入滲率隨時(shí)間變化曲線

采用Philip模型對(duì)入滲過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行擬合。由表3可知，決定系數(shù)R2均不低于0.995，顯著性檢驗(yàn)P<0.05，說(shuō)明Philip模型能較好地模擬不同種類及施量生物炭處理下新復(fù)墾區(qū)土壤的水分入滲過(guò)程。入滲初期土壤基質(zhì)勢(shì)較大，入滲率主要表現(xiàn)為吸滲率。添加生物炭的各處理吸滲率均小于對(duì)照，表明添加生物炭可以降低初始入滲率。隨時(shí)間推移，逐漸進(jìn)入穩(wěn)定入滲階段，穩(wěn)滲率占主導(dǎo)作用，除處理B8外，添加生物炭穩(wěn)滲率均小于CK，表明添加生物炭可以降低穩(wěn)定入滲率。

表3 Philip模型擬合結(jié)果

2.3 入滲結(jié)束后水分重分布

不同種類和施量的生物炭對(duì)入滲結(jié)束后水分重分布的影響如圖5、6所示。由圖5可知，處理A8、B8的土壤平均含水率明顯高于其他處理，較CK提高了10.4%～11.4%，說(shuō)明高施量的玉米秸稈生物炭和水稻秸稈生物炭可以明顯提高土壤的保水能力。由圖6可知，土壤剖面含水率呈“S”形分布，表層0～5 cm含水率最高，5～10 cm各處理土壤含水率逐漸降低，10～25 cm土壤含水率變化不大，趨于穩(wěn)定，25 cm以下土壤含水率大幅下降。各處理表層0～5 cm含水率最高，由小到大依次為CK、B2、B4、A4、B8、A2、A8，與CK相比，各處理含水率分別提高2.2%、8.8%、12.5%、17.1%、18.4%和20.3%，說(shuō)明添加生物炭提高了表層0～5 cm土壤的含水率，高施量生物炭對(duì)表層土壤含水率的影響更明顯。隨著土層深度增加，中低施量生物炭處理對(duì)土壤含水率影響無(wú)明顯規(guī)律，A8、B8土壤剖面含水率最高，高施量生物炭處理土壤含水率始終明顯高于其他處理，說(shuō)明高施量生物炭可以有效提高土壤的保水能力。

圖5 土壤平均含水率

圖6 土壤剖面含水率

3 討論

土壤水分入滲受土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量和團(tuán)聚體等諸多因素影響[5]。施用生物炭明顯增加了新復(fù)墾區(qū)土壤的入滲時(shí)間。入滲前期由于土壤干燥、基質(zhì)勢(shì)大，受分子間引力和庫(kù)侖力作用，土壤水分入滲較快，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、累積入滲量和入滲率曲線都呈陡峭趨勢(shì)，隨著時(shí)間推移，逐漸進(jìn)入穩(wěn)定入滲階段，曲線平緩。在本研究入滲前期，添加生物炭明顯降低了初始入滲率，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，添加生物炭處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、累積入滲量和入滲率均低于對(duì)照。Philip模型也較好地?cái)M合不同種類及施量生物炭處理下新復(fù)墾土壤的水分入滲過(guò)程，決定系數(shù)R2均不低于0.995，顯著性檢驗(yàn)P<0.05，其擬合的吸滲率和穩(wěn)滲率反映了添加生物炭降低土壤的初始入滲率和穩(wěn)定入滲率的實(shí)際情況。添加生物炭延緩?fù)寥浪秩霛B，一方面是由于添加生物炭改變了土壤結(jié)構(gòu)，堵塞土壤中的大孔隙，使水分下滲受阻。周蓓蓓等[19]研究表明，大孔隙會(huì)促進(jìn)水分入滲，而中小孔隙會(huì)限制水分入滲。添加生物炭后，可能堵塞土壤大孔隙，減少大孔數(shù)量，增加中小孔數(shù)量，中小孔效應(yīng)大于大孔時(shí)，水分運(yùn)動(dòng)通道曲折復(fù)雜，其入滲能力自然會(huì)被抑制。另一方面，生物炭本身具有比表面積大、孔隙度高等特點(diǎn)，施入土壤后能降低土壤容重[20]，增加土壤孔隙度，土壤體積膨脹，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)容重裝填土柱，土壤變得更緊實(shí)。此外，生物炭與土壤混合后遇水形成了土壤微團(tuán)體，團(tuán)聚體對(duì)水分的吸附能力較強(qiáng)，會(huì)阻礙水分入滲，這與潘全良等[21]研究一致。包維斌等[22]研究發(fā)現(xiàn)，砂壤土中添加生物炭可以減緩水分快速入滲、增加水分在土壤中的持留時(shí)間，新復(fù)墾區(qū)土壤為典型的砂質(zhì)壤土，添加生物炭有效解決了土壤水分滲漏過(guò)快，保水能力弱的問(wèn)題。在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著玉米秸稈生物炭施量增加，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、累積入滲量及初始入滲率呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明土壤入滲的阻滯效應(yīng)與玉米秸稈生物炭施量呈正相關(guān)，這與高言等[23]研究一致。而入滲過(guò)程參數(shù)與水稻稻殼生物炭施量無(wú)明顯線性關(guān)系，表現(xiàn)為隨施量的增加先增大后減小，這可能是由于兩種生物炭物理特性差異所導(dǎo)致的。

入滲結(jié)束后，添加生物炭處理表層土壤含水率均高于對(duì)照。高施量生物炭處理土壤平均含水率與剖面含水率顯著高于對(duì)照處理，說(shuō)明生物炭可以改善入滲結(jié)束后的土壤剖面水分狀況，且改善效果與施量呈正相關(guān)，這與黃成真等[24]研究一致。這可能是因?yàn)樯锾烤哂芯薮蟮谋缺砻娣e和多孔性，具有羧基、羥基、脂族雙鍵等親水基結(jié)構(gòu)，從而具有極強(qiáng)的吸附和持水能力[25]。需要指出的是高施量玉米秸稈生物炭處理土壤水分主要集中在0～20 cm處，而高施量稻殼生物炭處理土壤含水率峰值則集中于15～25 cm處，說(shuō)明玉米秸稈生物炭更有利于根系層土壤水分的保蓄，而稻殼生物炭利用過(guò)程中則需要警惕深層滲漏的發(fā)生。

總體來(lái)講，添加8%玉米秸稈生物炭是新復(fù)墾土地快速熟化利用比較推薦的選擇。

4 結(jié)論

(1)除低施量水稻稻殼生物炭處理外，添加生物炭均延緩了新復(fù)墾區(qū)土壤水分入滲過(guò)程，入滲時(shí)間增加，同一時(shí)間下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離、累積入滲量和初始入滲率均有所降低。其中玉米秸稈生物炭效果優(yōu)于水稻稻殼生物炭，且隨施量增加，玉米秸稈生物炭對(duì)水分入滲的延緩效應(yīng)越強(qiáng)，而水稻稻殼生物炭中施量處理效果優(yōu)于高、低施量。

(2)添加生物炭均提高了土壤表層含水率，且兩種生物炭均在高施量處理?xiàng)l件下土壤保水能力明顯優(yōu)于中、低施量。

(3)冪函數(shù)可較好地?cái)M合不同種類和施量生物炭處理下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離F和時(shí)間t的關(guān)系。不同種類及施量生物炭處理下新復(fù)墾土壤的水分入滲過(guò)程可使用Philip模型較好地模擬。

(4)總體來(lái)講，添加8%玉米秸稈生物炭有利于改善新復(fù)墾區(qū)土壤水分下滲快、保水能力弱的問(wèn)題，是新復(fù)墾土地快速熟化利用比較推薦的選擇。