土壤混掺生物炭对微咸水入渗特性及水盐分布特征的影响

郑 健, 李永春, 王 燕, 石 聪, 鲍婷婷

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,730050,兰州; 2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室,730050,兰州)

随着社会经济的发展、人口急剧增长,我国淡水资源供需矛盾加剧。水资源匮乏和水土流失一直是土壤质量退化和限制农业可持续发展的主要威胁。特别是在世界各地干旱和半干旱地区,农业可替代性灌溉用水成为世界关注焦点[1]。据统计,我国微咸水资源约200亿m3,其中可开采量为130亿m3,利用微咸水进行农业灌溉具有巨大的应用潜力[2]。但研究表明,长期使用2～3 g/L的微咸水直接灌溉,可能造成土壤次生盐渍化,对土壤结构也会产生潜在影响[3]。而土壤盐碱化是土壤退化的主要问题,主要体现在土壤持水能力降低,盐含量升高和有机质含量下降等,导致土壤的生产效率下降[4]。因此,如何科学开发、合理利用微咸水资源,对缓解水资源短缺和水土资源可持续利用具有重要意义。

生物炭是生物有机质在厌氧条件下高温裂解产生的固体产物,通常含碳量为40%～75%[5],具有多孔性、比表面积大、离子交换能力强和孔隙结构丰富等特点[6],被广泛用作提高土壤质量和作物生产力的提升[7]。生物炭的添加可以显著降低土壤密度,改善土壤的孔隙度,提高土壤的通透性,增加土壤的氧气供应,促进作物对养分的吸收,进而提高作物产量[8]。田丹等[9]的研究发现随着生物炭量的增加,砂土的总孔隙度增大。Bruno等[10]研究表明,含生物质炭的耕作土比未含生物质炭土壤的持水率高18%左右。Liang等[11]通过3年田间试验发现,施加90 t/hm2的生物炭可显著增加土壤持水力,增加量达到9.0%。但在微咸水灌溉条件下土壤混掺生物炭后,对土壤持水能力、入渗特征和水盐分布会产生怎样的影响呢?

为此,笔者将生物炭改善土壤结构和土壤水力特性的特点应用于微咸水灌溉,通过设置不同的微咸水矿化度和生物炭混掺量,采用室内试验,探求生物炭混掺对微咸水入渗、水盐分布特征和土壤持水能力的影响。旨在为微咸水应用过程遇到的实际问题提供新的解决思路,同时丰富生物炭在水土保持和农业中的应用范围。

1.1 试验材料

试验供试土壤取样点为甘肃省兰州市魏岭乡狗牙山村正常耕作的农田(E 103°46′31″、 N 36°3′18″),土样采集深度为0～40 cm,土样采集完成后自然风干,去除肉眼可见根系残叶等物质,过直径2 mm筛,均匀混合后备用。采用土壤比重计法进行土壤粒径分析(表1)。本地0～100 cm土层内平均土壤密度1.35 g/cm3,田间持水率为25%(质量含水率)根据本地农田土壤的密度状况,在本试验研究中,土壤密度设为1.35 g/cm3。土壤有机质质量分数为9.1 g/kg,pH值为8.03。土壤饱和体积含水率和土壤初始体积含水率分别为40.31和0.08 cm3/cm3。

表1 土壤粒径分析结果Tab.1 Results of soil particle analysis

试验采用的生物炭由山东复合肥料生产公司生产,小麦秸秆在550～600 ℃高温有限氧条件下裂解而成。其理化性质:密度为0.19 g/cm3,固定碳为400 g/kg,速效磷10.20 g/kg,速效钾56.55 g/kg,比表面积为9 m2/g,总孔隙度为67.03%,通气孔隙度为12.87%,持水孔隙度为61.10%,pH值为10.24,阳离子交换量为60.80 mol/kg。

1.2 试验设计及装置

试验设置生物炭混掺量为0、1%、2%和4%(土壤的质量比例),混掺厚度为20 cm。微咸水矿化度设置为0、1、3和5 g/L,采用去离子水与NaCl按一定比例配置[12]。试验设置装土高度为40 cm,土壤密度1.35 g/cm3。试验开始前将供试土壤每5 cm一层分层填入土柱中,压实边缘,避免边壁缝隙形成的边际效应。在土壤表层放置1层滤纸,减少入渗液对土壤的冲击并保证入渗均匀。试验采用马氏瓶供水,水头控制在2 cm。在试验过程中采用先密后疏的原则,观测马氏瓶内水位及土柱湿润锋运移距离。试验过程中,记录累计入渗量、湿润锋和入渗时间,当湿润锋达到38 cm时,迅速排出积水并用滤纸吸干表面积水,并从土柱侧面的取土孔提取土样,测定土壤质量含水率和电导率。

试验装置由试验土柱和供水设备组成(图1)。试验土柱由直径8 cm和高50 cm的有机玻璃制成,在土柱侧面每隔8 cm开直径为1.5 cm的圆形取样口,便于提取土样分析土壤水分和盐分含量。马氏瓶截面积为50 cm2,高100 cm。

1.注水孔及橡胶塞;2.马氏瓶; 3.止水、气阀门; 4.进气管; 5.出水管; 6.混掺层; 7.土柱; 8.取样孔。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图1 试验装置Fig.1 Experiment device

1.3 测定指标及方法

土壤水分特征曲线采用离心机法(CR 21GⅡ型,日本)测定。具体方法为:将风干土样磨细,去除杂质后过2 mm孔筛,按1.35 g/cm3的体积质量均匀装填于4套土壤水分特征曲线测定装置的盛土容器,并用不同矿化度水样(0、1、3和5 g/L)浸透12 h直至饱和,进行称量,将浸透饱和的土样放入离心装置中,设定离心机转速分别为0、310、693、981、1 698、2 193、2 594、3 101、5 371、6 934和8 204 r/min。在每次压力达到平衡后,取出土样,用电子天平立即称量,然后放入离心装置进行下一转速测量[13]。根据所测数据,计算出不同转速下的土壤体积含水率,以此确定实测的土壤水分特征曲线。拟合采用Van-Genuchten模型[14],模型中的参数通过RETC软件拟合确定:

(1)

式中:θ为土壤含水率,cm3/cm3;θr和θs分别为残留含水率和饱和含水率,cm3/cm3;h为压力水头,cm;α为与土壤初始排水有关的经验拟合参数,在数值上等于进气压力值的倒数;n,m为经验拟合参数,决定特征曲线的形状,其中,m=1-1/n。

土壤密度测定用环刀法。土壤质量含水率用烘干法测定(105±2)℃;土壤含盐量采用土壤电导率来说明,首先对所提取的土样烘干、研磨,按照土水比为1∶5进行浸提,然后利用电导率仪(上海雷磁牌DDS-11A型)测定浸提液的电导率值。土壤电导率可以反映一定水分条件下土壤盐分的实际状况,且包含土壤水分含量及离子组成等丰富信息,在一定浓度范围内,土壤溶液含盐量与电导率呈正相关,根据溶液电导率大小,间接地测量土壤含盐量[15]。

1.4 数据处理

试验数据图表绘制均采用Excel 2010和Origin 9.1软件进行处理。

2.1 不同处理对土壤水分特征的影响

土壤水分特征曲线是表示土壤基本水动力学特性的重要指标[16]。由图2可知,不同矿化度和生物炭混掺量下,土壤体积含水率呈现不同的变化趋势。当土壤水吸力值等于1 000 cm时,微咸水为0,2%生物炭混掺量下土壤体积含水率最大,为12.56%;微咸水矿化度为1、3和5 g/L时,0生物炭混掺量处理土壤体积含水率最大,分别为13.06%、12.70%和12.51%。这说明土壤体积含水率受微咸水矿化度和生物炭混掺量的共同影响。

为进一步分析微咸水灌溉条件下生物炭混掺量对土壤保水性能的影响,采用Van-Genuchten模型(式1)对试验数据进行拟合分析,结果如表2所示。模型拟合参数随着矿化度和生物炭混掺量的变化而变化。土壤饱和含水率和土壤残余含水率的差值越大,表明土壤持水性越好。微咸水矿化度为0,生物炭2%处理的土壤饱和含水率和土壤残余含水率的差值最大,进一步说明矿化度为0时,生物炭2%处理时持水性最好;相较于0、1、3和5 g/L微咸水处理的土壤饱和含水率和残余含水率的差值呈先增加后减小趋势,矿化度3 g/L土壤持水性最好。参数α为进气值倒数,反映土壤初始排水时的难易程度,易排水时α值大。由表2可知,参数α随微咸水矿化度先增大后减小,说明土壤持水能力随着微咸水矿化度先增大后减小。所有处理拟合曲线的R2均>0.98,表明Van-Genuchten模型能够准确描述不同矿化度水体和生物炭混掺量处理下土壤水分特征曲线的变化规律。

表2 土壤水分特征曲线Van-Genuchten模型拟合参数Tab.2 Fitting parameters of Van-Genuchten model for soil moisture characteristic curve

2.2 生物炭混掺量对累计入渗量的影响

累计入渗量指在一定时间范围内,在单位面积土壤上,水分总的渗入量,或者一定时间范围内,通过单位土壤的表面入渗的累计水量[17]。微咸水入渗条件下,生物炭混掺土壤的累计入渗量随时间的变化(图3)。在微咸水入渗条件下,各生物炭处理的累计入渗量均随时间的增加而增加。微咸水矿化度为0时,入渗历时长短顺序为4%<2%<1%<0;微咸水矿化度为1、3、5 g/L时,入渗历时长短顺序为2%<4%<1%<0;无混掺时,3g/L处理入渗历时最短,说明混掺生物炭能加快土壤水分入渗,且微咸水和生物炭对水分入渗均产生了影响。

图3 累计入渗量与时间的关系Fig.3 Relationship between cumulative infiltration and time

为探明不同矿化度水体情况下,累计入渗量随入渗时间的变化关系,采用Kostiakov模型对累计入渗量与入渗时间之间关系进行拟合分析(表3)。

表3 不同矿化度累计入渗量与时间拟合结果Tab.3 Fitting results of cumulative infiltration volumes and times under different mineralization

Kostiakov入渗模型:

I=Ktβ。

(2)

式中:I为累计入渗量,cm;t为入渗时间,min;K为第1个单位时间末的土壤入渗率,mm/min;β为随着时间的变化土壤水分入渗速率的快慢程度,量纲为1[18]。

由表3可知,采用Kostiakov模型模拟不同矿化度微咸水灌溉下累计入渗量与时间关系时,R2均>0.97,幂函数关系成立。土壤结构对模型参数产生影响。在不同矿化度微咸水灌溉下,入渗指数变化较小,在0.316～0.447之间;无混掺时,随着微咸水矿化度的增加,K值先增大后减小;相同矿化度水体条件下,随着生物炭混掺量的增加,K值增大。这说明微咸水矿化度和生物炭对土壤入渗速率产生一定影响。

2.3 不同生物炭混掺量对湿润锋运移深度的影响

在入渗过程中,土壤前端的湿润区被称为湿润锋,湿润锋是在入渗过程中,水分可以达到的最大深度。微咸水入渗条件下,生物炭混掺土壤湿润锋随时间变化过程如图4所示。在入渗初期,湿润锋运移深度增加较快,当入渗持续一段时间后,湿润锋的增加速率逐渐变慢;当生物炭无混掺时,湿润锋运移距离达到38 cm。随着微咸水矿化度增加,湿润锋运移所需时间先减小后增大,相较于0,1、3和5 g/L处理湿润锋运移距离所需时间分别降低了6%、10%和4%;当微咸水矿化度为0时,生物炭4%处理湿润锋运移所需时间最短;当微咸水矿化度为1、3和5 g/L时,生物炭2%处理湿润锋运移距离所需时间最短。这说明湿润锋运移距离受微咸水和生物炭共同影响。

图4 湿润锋与时间的关系Fig.4 Relationship between wetting front and time

对湿润锋运移距离与时间t的关系进行拟合:

Zf=atb。

(3)

式中:Zf为湿润锋运移距离,cm;a,b为经验常数,量纲为1。

从表4可以看出,采用幂函数对不同处理的湿润锋运移距离和时间关系进行拟合时,R2均>0.99,表明不同处理湿润锋运移距离与入渗时间呈良好的幂函数关系。

表4 不同矿化度下湿润锋与时间拟合结果Tab.4 Fitting results of wetting front and time under different mineralization

2.4 水盐分布的影响

2.4.1 土壤含水率分布特征的影响 在微咸水入渗条件下,实测土壤质量含水率与土层深度之间变化关系,如图5所示。从整体来看,表层土壤质量含水率最高,接近土壤饱和质量含水率,湿润锋处土壤质量含水率最低,湿润锋以下土壤质量含水率接近土壤初始质量含水率;生物炭0处理,土壤平均质量含水率随着矿化度的增加先增大后减小,矿化度为3 g/L时,土壤平均质量含水率最大;当微咸水矿化度为0时,生物炭1%、2%和4%处理比生物炭0处理的土壤平均质量含水率分别提高1.5%、6.9%和4.0%;矿化度1 g/L时,生物炭1%、2%和4%处理比生物炭0处理,土壤平均质量含水率分别提高4%、8%和3%;矿化度3 g/L时,生物炭1%、2%和4%处理比生物炭0处理的土壤平均质量含水率分别提高3.5%、11.0%和7.7%;矿化度5 g/L时,生物炭1%、2%和4%处理比生物炭0处理的土壤平均质量含水率分别提高2.8%、9.0%和7.7%。生物炭0时,矿化度3 g/L土壤平均质量含水率最大;相同微咸水矿化度,混掺2%生物炭处理土壤平均质量含水率高于其他处理。这说明在微咸水入渗下,混掺2%生物炭的处理对土壤持水能力的提升最好。

图5 不同生物炭混掺量土壤质量含水率分布Fig.5 Distribution of soil mass moisture content under different biochar content

2.4.2 土壤含盐量分布特征的影响 在微咸水入渗条件下,不同生物炭混掺量下土壤电导率随深度的变化过程如图6所示。随着土壤水分入渗,土层深处土壤电导率增大,在湿润锋处最大。矿化度0时,生物炭1%、2%和4%处理比生物炭0处理的土壤总电导率分别提高6.9%、38.8%和63.0%;矿化度1 g/L时,生物炭1%、2%和4%处理比生物炭0处理的土壤总电导率分别提高13%、34%和49%;矿化度3 g/L时,生物炭1%、2%和4%处理比生物炭0处理的土壤总电导率分别提高11.66%、19.60%和26.70%;矿化度5 g/L时,生物炭1%、2%和4%处理比生物炭0处理的土壤总电导率分别提高16.8%、32.0%和40.0%。研究发现,随着生物炭混掺量的增加,土层电导率值增加,说明生物炭对土壤中盐离子有一定的吸附作用。

图6 不同生物炭混掺量土壤含盐量分布Fig.6 Distribution of soil salt content under different biochar content

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;吴忠东等[20]研究结果表明含盐水可以增强土壤持水能力。本试验结果表明,微咸水和生物炭均可以提高土壤持水能力,但从土壤体积含水率变化可以看出土壤持水能力受微咸水和生物炭共同影响。初步分析主要原因为:随着水溶液中的盐分在土壤不断积累,土壤孔隙结构改变,使土壤持水能力增强,但高矿化度水体导致入渗水分运动受阻而降低土壤入渗能力,随着微咸水矿化度的增加土壤持水能力先增大后减小,土壤孔隙比例随着微咸水矿化度变化,土壤持水性随之改变;而生物炭混掺土壤增加了土壤的大孔隙度,使土壤的总孔隙度和比表面积增大,增加了土壤的持水能力。

王全九等[21]研究发现微咸水可增加的湿润锋运移距离、累计入渗量和入渗速率,并指出微咸水是通过促进离子交换淋洗,改善土壤结构和渗透性能,促进水分入渗。刘春成等[22]研究发现微咸水灌溉可以减小土壤颗粒间排斥力,增加土壤导水性。本研究结果表明生物炭量为0,入渗水矿化度3 g/L处理,入渗历时最短,湿润锋运移最快,随着入渗水盐分浓度增大,使土壤粒子絮凝,提高土壤土壤导水率。但是,高矿化度使土壤Na+数量增加,导致土壤颗粒膨胀,土壤透水性变差。施加生物炭后,土壤大孔隙增加,促进土壤水分入渗。由于生物炭具有比表面积大和多孔隙结构特点,使得土壤混掺生物炭改善了土壤的孔隙结构和密度,有效提高土壤质量含水率,并对土壤通透性和养分溶液的渗透及土壤持水性产生积极影响,进而提高水分在土壤中的入渗能力。这进一步表明适宜的微咸水矿化度和生物炭可以促进土壤入渗增加湿润锋运移距离。

入渗水矿化度越高,相同土壤剖面含水率也越大,而生物炭的添加能够明显提高土壤的含水率,并通过其较高的盐吸附能力缓解渗透胁迫改善植物水分状况[23]。本研究发现,生物炭为0时,土壤平均质量含水率随矿化度的增加先增大后减小;在微咸水入渗条件下,生物炭处理土壤平均质量含水率均有所增大。从电导率反映的土层盐分含量可以看出,随着生物炭的增加,各土层电导率增加,表明生物炭能够有效吸附盐分离子。初步分析产生这一现象的原因可能是:微咸水矿化度的增加能够改善土壤孔隙特征,低矿化度的水促进土壤粒子絮凝,提高土壤的容水性能,过高的微咸水矿化度使溶液中钠离子较为活跃,使土壤黏粒膨胀、降低土壤的容水性能。而生物炭混掺土壤,改善土壤的孔隙结构,土层平均质量含水率随生物炭的增加呈现先增大后减小趋势;同时生物炭本身疏松多孔,可有效吸附土壤中的盐分离子,从而使土壤中含盐量增加,进而影响了土壤水盐分布,使其在提高土壤持水能力的同时对土壤中的盐分离子产生一定吸附。

1)土壤水分特征曲线受微咸水和生物炭混掺量的共同影响。淡水条件下,混掺2%生物炭可显著改良土壤结构,提高土壤的持水性能,增加土壤的蓄水保墒能力;矿化度1、3和5 g/L时,生物炭0处理体积含水率最大。

2)微咸水和生物炭均可提高土壤的入渗能力。生物炭无混掺时,微咸水矿化度3 g/L处理,入渗历时最短,湿润锋运移最快;微咸水入渗条件下,土壤混掺生物炭后,湿润锋推进距离、入渗速率均提高。

3)无生物炭混掺时,土壤质量含水率随着矿化度增大后减小,矿化度为3 g/L时,土壤平均质量含水率最大;在微咸水入渗条件下,生物炭处理质量含水率均增大。随着生物炭混掺量的增加,土层含盐量增加,生物炭混掺土壤可以吸附土壤中的盐离子,生物炭4%处理盐离子吸附效果明显。

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