生物炭添加对淡灰钙土水分入渗过程的影响

王幼奇1,2,包维斌1,2,赵云鹏1,2,张 兴1,2,白一茹1,2*①

(1.宁夏大学资源环境学院,银川750021;2.中阿旱区特色资源与环境治理教育部国际合作联合实验室,银川 750021)

摘要:【目的】改善和提高银川平原土壤蓄水保肥能力和土地生产力。【方法】以银川淡灰钙土为研究对象,采用室内一维垂直定水头法,选取5种生物炭添加比例0%(CK)、2%(B1)、3%(B2)、5%(B3)和6%(B4),研究了湿润锋进程、入渗速率、累积入渗量,比较了Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型和通用经验模型对含生物炭土壤水分入渗过程的适用性。【结果】B1、B2、B3和B4处理的初始入渗速率比CK分别减小5%、12%、32%和38%,稳定入渗速率减小30%、39%、44%和48%,即随生物炭量增加土壤水分入渗速率呈逐渐减小的趋势;入渗历时120 min时,B1、B2、B3和B4处理的湿润锋进程比CK分别减少14%、31%、39%和40%,累积入渗量分别减少13%、24%、36%和42%,即随着生物炭量的增加,其对土壤湿润锋进程、累积入渗量抑制作用越强;4种入渗模型中Horton模型最适宜模拟研究区不同生物炭量条件下土壤水分入渗过程。【结论】生物炭添加可以改善淡灰钙土水分损失快、持水性能差的情况,显著提高淡灰钙土保水能力。

关 键 词:生物炭;入渗速率;土壤水分;干旱半干旱区;模型

0 引言

土壤水分入渗影响地表径流,同时对地下水补给、地表侵蚀和土壤水分蒸发等产生重要影响[1-3]。由于西部地区特殊的地理环境以及砂土水分快速入渗等原因,导致水资源的利用效率不高。而土壤水分入渗是土壤水的主要补给来源,因此分析土壤水分入渗规律不仅对改善土壤结构、水资源利用效率具有重要意义,同时也能为农业生产发展提供理论依据和技术指导[4-6]。相关研究表明土壤中添加生物炭能够改善土壤理化性质、增加持水性及促进作物生长[9-10]。生物炭是一种含碳量高且没有污染的土壤改良剂,是废弃作物秸秆等在少氧或无氧环境下经过高温裂解,促使C、H、O键发生断裂而形成的多孔隙物质[7-8]。生物炭不仅仅是一种土壤改良剂而且能起到很好的固炭作用,其缓解全球气候变暖的贡献率也不可忽视[11-12]

近年来国内外学者在土壤中添加生物炭对水分入渗影响等方面做了大量研究。Karhu等[13]发现随生物炭量增加粉土田间持水率增大。齐瑞鹏等[14]研究发现生物炭能够降低粉砂土的入渗性能、提高塿土入渗性能,同时也发现生物炭粒径不同土壤累积入渗量也不同。Tryon[15]研究也表明生物炭改善了土壤结构、增加了砂土有效水量,而黏土有效水量随着生物炭的添加而减少。肖茜等[16]指出随着生物炭添加量增大,风沙土和黑垆土的水分入渗速度和累积入渗量逐渐降低。解倩等[17]在研究中发现生物炭降低了黄绵土的入渗性能,却提高了黄绵土的持水性。Peng等[18]在老成土的研究中得出生物炭提高了土壤蓄水保肥的能力。王艳阳等[19]发现生物炭添加量越高黑土的持水性也越高。刘易等[20]认为生物炭量不同,轻、中、重盐渍化土壤入渗速率、累积入渗量也不同,生物炭在中盐渍化土壤中有助于土壤入渗、重盐渍化土壤中则起相反作用。岑睿等[21]在黏土中施加生物炭,当施用量为30 t/hm,与对照相比施用层(0~40 cm)入渗速率增加44.6%,耕作层土壤含水率增加8.9%,累积入渗量增加45.45%。可见,生物炭添加到不同质地土壤中会产生差异较大的结果,这与生物炭添加改变了土壤性能有关[22-23]。生物炭添加到黏土中可增大孔隙度、促进土壤水分入渗;添加到砂土中可改良土壤结构、抑制土壤水分入渗和提高保水保肥能力。银川平原对土壤水分改良措施的研究多集中于地膜、砾石及秸秆覆盖等方面[24],而针对不同生物炭量对土壤水分入渗过程影响的定量研究较少,尤其对入渗模型的研究较为缺乏。

银川平原地处西北干旱半干旱区,降水量少而季节分配不均、蒸发量大且土壤质地属砂质壤土,因此该区出现土壤保水保肥能力差、土壤质量下降等问题,同时该区为宁夏主要商品粮产区,属全国12个商品粮基地之一,在该区域农田土壤中添加生物炭对于改善土壤理化性质、提高土壤持水性能和保证农作物稳产增收有重要作用。因此,以银川淡灰钙土为研究对象,选取5种生物炭添加比例,采用室内一维垂直定水头法,研究湿润锋进程、入渗速率和累积入渗量等入渗特征,评价4种入渗模型的适用性。旨在揭示土壤水分入渗规律,为改善银川土壤理化性质、提高水分利用率及确保银川商品粮基地地位提供一定科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验土样取自宁夏回族自治区银川市滩南庄农田(106°08′E,38°31′N),海拔1 010~1 150 m,年平均温度8.5℃,年降水量200 mm,无霜期185 d左右,年平均日照时间2 800~3 000 h。气候以大陆性气候为主,夏热冬冷、年降水量较少、季节分配不均匀且蒸发量大。主要种植作物为小麦、玉米。

1.2 试验材料

土样采集于耕层0~60 cm,自然状态下风干,并剔除杂物,经过研磨后过2 mm筛,供试土壤类型为淡灰钙土,全氮量为0.43 g/kg,全磷量为0.51 g/kg,全钾量为20.11 g/kg。生物炭过2 mm筛,原料由陕西亿鑫生物能源科技有限开发公司提供,为杂木黑炭,炭化温度500~800℃,炭化时间5~8 h,pH值为9.13,电导率为764.36 μS/cm,全氮量为2.16 g/kg,全炭量为182.15 g/kg。

1.3 试验方法

2017年9月采用内径15 cm、高70 cm有机玻璃柱进行一维垂直入渗试验。为了提高试验的可靠性,在定体积质量条件下(土壤体积质量为1.45 g/cm3),以每层5 cm的夯土方法用生物炭与供试土样混合物进行填装,每层夯土时需要打毛土壤表面,土柱填装高度为60 cm。0~60 cm土柱生物炭添加量为0(CK)、2%(B1)、3%(B2)、5%(B3)、6%(B4),每个处理设3次重复。利用马氏瓶进行定水头供水,水头保持在5 cm,分时间段分别记录马氏瓶水位变化和湿润锋进程。每次读数时读取土柱上8个湿润锋点,最后取8个湿润锋点的平均数作为湿润锋进程,通过马氏瓶水位变化计算累积入渗量。前5 min内每隔30 s记录1次,5~15 min每隔1 min记录1次,15~30 min每隔3 min记录1次,30~60 min每隔5 min记录1次,60~120 min每隔10 min记录1次,120 min后每隔30 min记录1次,当湿润锋到达60 cm时停止记录。土壤初始入渗速率采用前5 min土壤累积入渗量的均值确定,土壤累积入渗量采用各时刻土壤入渗量之和确定。

1.4 入渗模型

1)Kostiakov公式:

式中:ft)为土壤入渗速率(mm/min);t为时间(min);ab为根据试验得出的模型参数。

2)Philip公式:

式中:s为根据试验经验得出的模型参数;fc为土壤稳定入渗速率(mm/min);其他参数意义同前。

3)Horton公式:

式中:f1为土壤初始入渗速率(mm/min);其他参数意义同前。

4)通用经验公式:

式中:cdn为根据试验经验得出的模型参数。

1.5 数据处理及分析

采用Excel 2010和Origin 8.0软件作图,SPSS 17.0软件进行数据分析。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和多重比较检验中的最小显著性差异法(LSD)比较处理间土壤水分入渗速率间的差异。

2 结果与分析

2.1 生物炭量对入渗速率的影响

生物炭量与土壤水分入渗速率的关系如图1所示。从图1可看出,土壤水分入渗速率随时间的推移均呈现递减趋势,但不同时间段土壤水分入渗速率减缓程度不同。前40 min土壤水分入渗速率存在明显差异,40 min后土壤水分入渗速率趋于平缓,说明土壤水分入渗进入稳定入渗状态。结合图1和表1可知,初始入渗率与稳定入渗率差异较大,与CK相比,B1、B2、B3和B4处理初始入渗速率分别减小5%、12%、32%、38%,稳定入渗速率分别减小30%、39%、44%、48%,说明生物炭量对土壤水分入渗速率产生较大影响。120 min时,CK、B1、B2、B3、B4处理土壤水分入渗速率分别为1.02、0.94、0.78、0.72、0.63 mm/min,说明随着生物炭量增加土壤水分入渗率呈现逐渐减小趋势,即土壤水分入渗速率由大到小为CK、B1、B2、B3和B4。B3、B4处理初始入渗率和平均入渗率与CK之间存在显著差异(P<0.05),生物炭处理的稳定入渗率与CK的稳定入渗率存在显著差异(P<0.05)。可能因为该区土壤属砂质壤土,水分进入土壤后快速入渗,导致土壤持水能力较低,而生物炭巨大的表面积、较多的亲水官能及较低的密度改善了土壤结构,使水分的吸持能力改变,即减小了土壤水分入渗速率、增强了土壤持水性能[20-22]

图1 不同生物炭量下土壤入渗速率随时间变化过程

表1 不同生物炭量下土壤水分入渗特性 mm/min

注 同列数值后不同小写字母者表示处理间在5%水平差异显著。

处理 初始入渗率 稳定入渗率 平均入渗率CK B1 B2 B3 B4 4.73±0.51 a 4.49±0.52 a 4.15±0.52 ab 3.23±0.32 b 2.95±0.28 b 1.28±0.34 a 0.89±0.35 b 0.77±0.29 bc 0.72±0.33 bc 0.66±0.27 c 2.67±0.33 a 2.17±0.30 ab 1.94±0.27 ab 1.52±0.19 b 1.29±0.16 b

2.2 生物炭量对湿润锋进程的影响

湿润锋为湿润层前端,是土壤湿润层与干燥层的分界线,可表示土壤水分在土壤基质吸力和重力作用下的运动特征。根据图2可知,生物炭量不同,土壤湿润锋进程不同。入渗前期湿润锋进程差别不明显,但各处理湿润锋进程均较快,随入渗时间推移,各处理湿润锋深度增加且运移速度减缓,但湿润锋深度及用时都有所差别。120 min时,CK、B1、B2、B3、B4处理的湿润锋进程分别为55.11、47.61、37.82、33.14、33.01 cm。CK较其他处理分别增加了14%、31%、39%和40%,可以看出随着入渗时间的推移,生物炭量越高湿润锋推进距离越小。即生物炭添加明显改善了砂质土壤水分下渗过快的问题,增加了砂质土壤持水性能。

图2 不同生物炭量下湿润锋推进距离随时间变化过程

图3 不同生物炭量下累积入渗量随时间变化过程

2.3 生物炭量对土壤累积入渗量的影响

累积入渗量是在一定时间段内,单位表面积入渗到土壤中的水分总和[24]。生物炭添加量与土壤累积入渗量的变化规律如图3所示。从图3可看出,土壤累积入渗量曲线随生物炭量变化的趋势基本与湿润锋变化的趋势相似,在入渗前期不同生物炭处理间的差异不明显。随入渗时间的推移,各处理土壤累积入量曲线均向平缓趋势过渡,但不同时间段土壤累积入渗量降低程度存在差异。当土壤水分入渗过程达到稳定阶段,土壤累积入渗量差异明显。120 min时,CK、B1、B2、B3、B4处理土壤累积入渗量分别为198.97、172.77、150.89、126.40和114.59 mm,其他处理较CK分别减少13%、24%、36%和42%,B1、B2处理累积入渗量随生物炭量增加而减小,但减小程度较B3、B4弱,说明随土壤中生物炭量增加土壤的持水能力增强。这可能与生物炭的添加有利于形成较大的孔隙度和比表面积,降低体积质量,增加土壤持水性有关[14,17]

2.4 土壤水分入渗速率、湿润锋及累积入渗量的拟合

为充分了解生物炭量对土壤水分入渗速率的影响、确定入渗模型的适用性,采取Kostiakov、Philip、Horton、通用经验4种模型对土壤水分入渗过程进行拟合。表2显示Kostiakov模型中R2在0.964~0.998,a在4.93~7.54之间,b在0.39~1.47之间,其中a影响土壤初始入渗速率,b影响土壤水分入渗速率的衰退程度。ab除B4处理外、其他处理ab呈减小趋势。Philip模型R2在0.779~0.901之间,s在7.39~10.79之间,s为吸湿率且反映土壤水分的入渗能力,s越大土壤水分入渗能力越强,越小土壤水分入渗能力越弱。s从小到大依次为B4、B3、B2、CK和B1处理,可以看出除B1外,随生物炭量增加土壤水分入渗速率呈减小趋势。Horton模型中把f1带入公式,得到R2在0.967~0.987之间,k在0.06~0.21之间,fc在0.38~1.23之间且符合随生物炭量的增加其值减小的趋势。通用模型中R2在0.975~0.997之间,c在-1.45~0.54之间,d在5.23~7.44之间,n在0.22~1.33之间,c反映土壤稳定入渗速率,d反映土壤初始入渗速率,从c大小得不出生物炭量增加土壤稳定入渗率减小,说明通用模型不能有效反映生物炭添加后土壤水分入渗过程的变化。Kostiakov模型决定系数R2均在0.964以上,但是B4处理的ab出现增大趋势,这与实际不符。Philip模型R2均在0.779以上,CK的吸收率大于B1处理的,也与实际不符。而Horton模型R2均在0.967以上,且将f1带入得出的fc与实测值较接近,因此Horton模型适合模拟不同生物炭量下土壤水分入渗的过程。

表2 不同生物炭量下土壤水分入渗模型分析

a、b、c、d、s、k、n为拟合参数,R2为决定系数。下同。

生物炭量CK B1 B2 B3 B4 Philip模型通用经验模型Kostiakov模型a 7.54 7.01 4.99 4.93 5.14 b R2R2fc Horton模型fc f1k R2d n R2 0.47 0.47 0.39 0.38 1.47 0.992 0.998 0.964 0.973 0.966 s 10.46 10.79 7.92 7.41 7.39 0.857 0.901 0.860 0.815 0.779 1.28 0.89 0.77 0.72 0.66 1.23 0.92 0.60 0.48 0.38 4.73 4.49 4.15 3.23 2.95 0.21 0.16 0.06 0.06 0.07 0.971 0.967 0.987 0.976 0.986 c 0.54-0.08-1.45-0.61-0.55 7.44 7.03 6.05 5.23 5.34 0.59 0.45 0.22 0.30 1.33 0.997 0.997 0.979 0.980 0.975

为了进一步研究生物炭量与湿润锋推进距离之间的关系,采用幂函数F=a1tb1对其拟合,F为湿润锋进程(cm),t为时间(min),a1b1为参数。由表3可知,所有处理决定系数(R2)均在0.993以上,说明不同生物炭量下土壤湿润锋与入渗时间具有较好的幂函数关系。

表3 不同生物炭量下湿润锋推进距离随时间变化过程的拟合结果

处理CK B1 B2 B3 B4湿润锋累积入渗量a1b1a2b2 2.24 2.37 1.54 1.09 0.93 0.67 0.62 0.66 0.71 0.71决定系数(R2)0.999 0.999 0.997 0.995 0.993 9.83 11.39 10.69 8.95 7.56 0.63 0.56 0.55 0.55 0.57决定系数(R2)0.997 0.997 0.994 0.992 0.997

根据生物炭量与土壤累积入渗量曲线之间的关系,采用幂函数I=a2tb2对其拟合,I为土壤累积入渗量(mm),t为时间(min),a2b2为参数。R2为0.992~0.997,说明不同生物炭量下土壤累积入渗量与时间具有较好的幂函数关系。

3 讨 论

土壤水分入渗受土壤质地、体积质量、团聚体的影响明显[4-5]。各处理土壤水分入渗速率、湿润锋和累积入渗量曲线呈先陡峭后平缓的趋势。入渗初始阶段曲线变化较大,这可能与土壤含水率低、基质势较大及生物炭含有大量羧基羟基等亲水官团加速水分吸收存在一定联系[20]。随着入渗推进,土壤基质势减小、入渗速率降低且降低幅度减小,其主要表现为土壤水分入渗速率、湿润锋进程和累积入渗量曲线逐渐平缓,这与高海英等[25]研究中得出的结论相一致。说明生物炭的添加改善了银川平原土壤水分迅速下渗、持水性能弱的问题。这主要是因为未添加生物炭的土壤中大颗粒所占比重大,孔隙结构以大孔隙为主,且孔隙弯曲度较少、紧实性差[26]。生物炭的添加不仅增大了土壤表面积,且能吸附土壤细小颗粒形成一定的团粒结构,增加了土壤的黏粒量,减小了透水孔隙数量,提高了土壤微小孔隙的比例,从而降低了水分入渗性能,增加了砂壤土的持水能力[20,27]

随着入渗的推进,不同生物炭量下土壤湿润锋进程、累积入渗量差异逐渐明显,低量生物炭对土壤湿润锋、累积入渗量抑制作用较弱,高量生物炭对其抑制作用较强,齐瑞鹏等[14]和李帅霖等[28]的研究也表明了此规律。说明生物炭对湿润锋进程、累积入渗量的抑制强度随生物炭量的增加而增加。在一定生物炭量下,随生物炭添加量增加,虽然土壤体积质量减小、小孔隙增多,但是也会使土壤团聚体膨胀崩解、分散的小颗粒填充土壤孔隙且阻塞水分流通通道,减少有效孔隙和过水横断面积,增加水分流动通道的复杂程度,导致土壤湿润锋进程减缓、累积入渗量减小。此外生物炭表面带有大量及高密度的负电荷,使其能吸附和固定极性或非极性有机化合物,形成有机—无机复合物和团聚体,也使土壤大孔隙减少,土壤透水性能变差[29]。因为本试验土壤大颗粒较多、质地疏松、孔隙结构大且孔隙弯曲少[30],所以土壤水分入渗快且保水性能差,而研究表明生物炭的添加能提高土壤持水性,因此向土壤中添加生物炭等同于增加了土壤黏粒量,减小了水分流通的大孔隙数量,增加了小孔隙。这与齐瑞鹏等[14]和Brodowski等[31]的研究结论一致。因此,砂壤土水分入渗的减缓有利于提高土壤的持水性能。

Horton模型R2最高,将f1带入得出的fc与实测值较接近且具有物理意义,因此该模型模拟的效果最佳,这与魏恒等[32]、武敏等[33]在壤土水分入渗模型适应性研究中得出的结果相一致。Philip模型中各处理吸湿率s与实际有出入,因此模拟结果欠佳。Kostiakov模型和Horton模型相比,除CK、B1处理模拟结果比Horton模型好外,其他处理模拟效果均比Horton模型差,且与实测值有差异,因此Kostiakov模型模拟结果存在一定缺陷性。综上所述Horton模型较好拟合了生物炭量添加条件下淡灰钙土水分入渗过程。

室内一维垂直入渗试验虽然在一定程度上能模拟出土壤水分入渗特征和过程,但是土壤水分入渗除了受生物炭、土壤质地的影响外,还不可避免与土壤水分蒸发量、温度和实际情况等存在一定联系,最重要的是土壤水分入渗过程中受水头压力的影响较大,因此,建议今后进行水平一维土壤水分入渗,研究土壤水分扩散率等入渗特性或在室外原状土上进行试验研究。

4 结论

1)对比不同生物炭添加量对研究区淡灰钙土的土壤水分入渗特性,B1、B2、B3和B4处理的初始入渗速率比CK减小5%、12%、32%、38%,稳定入渗速率减小30%、39%、44%、48%。说明随着生物炭量的增加,土壤水分入渗速率呈逐渐减小的趋势。

2)在入渗时间120 min时,B1、B2、B3和B4处理的湿润锋进程比CK减少14%、31%、39%和40%,累积入渗量比CK减少13%、24%、36%和42%。即低量生物炭对土壤湿润锋、累积入渗量的影响较弱,高量生物炭对土壤湿润锋、累积入渗量的影响较大。

3)通过比较4种入渗模型的拟合结果,Horton模型比其他模型拟合结果更贴近于实测值,且能够准确描述研究区土壤水分入渗情况。

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Amending Soil by Biochar Reduces the Ability of the Soil to Infiltrate Water

WANG Youqi1,2,BAO Weibin1,2,ZHAO Yunpeng1,2,ZHANG Xing1,2,BAI Yiru1,2*
(1.College of Resources and Environment,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.China-Arab Joint International Research Laboratory for Featured Resources and Environmental Governance in Arid Regions,Yinchuan 750021,China)

Abstract:【Objective】Biochar has been increasingly used as an agent to improve soil quality but its impact on ability of the soil to conduct water is poorly understood.The aim of this paper is to study changes in water infiltration in soil amended with biochar at different ratios in Yinchuan Plain.【Method】Light sierozem soil taken from the plain was amended with biochar at ratios of:0%(CK),2%(B1),3%(B2),5%(B3)and 6%(B4).Each amended soil was then packed into column,followed by infiltration test.During the infiltration process,we measured advance of the wetting front,infiltration rate and cumulative infiltration.The results were analyzed using the Kostiakov model,the Philip model,the Horton model and a general empirical model.【Result】Compared with CK,B1,B2,B3 and B4 reduced the initial infiltration rate by 5%,12%,32%and 38%respectively,and the steady infiltration rate by 30%,39%,44%and 48%respectively.After 120 min of infiltration,B1,B2,B3 and B4 reduced the wetting front by 14%,31%,39%and 40%,and cumulative infiltration by 13%,24%,36%and 42%,respectively,compared to CK.Increasing biochar amendment considerably reduced water infiltration.We also found that the Horton model was more accurate than other models to reproduce the infiltration process in all columns.【Conclusion】Amendment with biochar could significantly improve water retention in the light sierozem soil due to reduction in water flow.The practical implications of this,however,would be case-dependent.

Key words:soil amendment;biochar;infiltration rate;soil moisture;arid and semiarid area;model

中图分类号:S152.7;TV93

文献标志码:A

doi:10.13522/j.cnki.ggps.20180089

王幼奇,包维斌,赵云鹏,等.生物炭添加对淡灰钙土水分入渗过程的影响[J].灌溉排水学报,2018,37(12):60-65.

文章编号:1672-3317(2018)12-0060-06

收稿日期:2018-01-29

基金项目:国家自然科学基金项目(41461104,41761049);宁夏高等学校科研项目(NGY2017015)

作者简介:王幼奇(1980-),男,安徽泾县人。副教授,博士,主要从事水土资源与环境研究。E-mail:wyq0563@163.com

通信作者:白一茹(1984-),女,陕西渭南人。副教授,博士,主要从事旱区水土资源调控研究。E-mail:yr0823@163.com

责任编辑:赵宇龙