施加生物質(zhì)炭對鹽漬土土壤結(jié)構(gòu)和水力特性的影響

孫梟沁 房 凱 費遠航 佘冬立

(1.河海大學農(nóng)業(yè)工程學院, 南京 210098； 2.宿遷市水務局， 宿遷 223800；3.中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

地球科學的各個分支學科，包括水文地質(zhì)學、土壤科學、環(huán)境科學及巖土工程等，均需對土壤水力性質(zhì)(水分特征曲線、水力傳導度等)進行測定和估算。確定土壤水力性質(zhì)的方法包括直接測定和間接估算兩大類；在實際操作中，土壤水力性質(zhì)具有較大空間變異性，直接方法測定耗時耗力，且測定的參數(shù)往往存在精度不高等問題[1]。20世紀70年代以來，根據(jù)土壤特性間接推求水力性質(zhì)的方法引起了國內(nèi)外學者廣泛關注[2]，間接方法中使用分形幾何方法估計土壤水力性質(zhì)得到了較大的應用。TYLER等[3]首次應用分形維數(shù)推求土壤水分特征曲線；KRAVCHENKO等[4]根據(jù)海綿分形理論，提出孔隙表面分形維數(shù)計算方法，改進了Brook-Corey模型。分形方法與其他間接方法的主要區(qū)別在于分形方法確定的土壤水力特性參數(shù)具有明確的物理意義，其中分形維數(shù)可以反映土壤孔隙的不規(guī)則度和復雜性。目前大量研究主要通過顆粒大小分布來確定土壤分形維數(shù)，但土壤的分形維數(shù)不僅與顆粒大小分布有關，還與土壤孔隙形狀與排列方式有關；然而土壤孔隙數(shù)目、結(jié)構(gòu)與排列方式非常復雜且很難識別。Micro-CT掃描和計算機圖像處理技術(shù)迅速發(fā)展，可以在不破壞樣品的情況下對研究對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行測定，且成像及分析速度快，能有效還原土壤孔隙狀況，解決識別分析土壤孔隙這一難題[5]。

近年來，生物質(zhì)炭被廣泛應用于農(nóng)業(yè)土壤改良[6]。生物質(zhì)炭是生物有機材料(生物質(zhì))在缺氧或絕氧環(huán)境中，經(jīng)高溫熱裂解后生成的高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)[7]。前人研究發(fā)現(xiàn)施加生物質(zhì)炭可改善土壤理化特性[8]，吸附土壤中重金屬元素以及其他污染物，并對碳氮元素等具有良好的固持作用，增加土壤肥力。目前施加生物質(zhì)炭對于土壤結(jié)構(gòu)和水力性質(zhì)的影響研究較少，并且研究沒有得到一致結(jié)論[9]，但是土壤的結(jié)構(gòu)和水力性質(zhì)能夠直接或者間接地影響土壤中水鹽運移、養(yǎng)分保持以及微生物活動等其他性質(zhì)?；诖耍疚囊越K省沿海圍墾區(qū)鹽漬土為研究對象，基于分形理論和土壤CT圖像掃描技術(shù)，分析施加生物質(zhì)炭后改良鹽漬土土壤孔隙率、水穩(wěn)性團聚體水分特征曲線以及非飽和導水率等土壤特性的變化，并建立分形模型預測土壤水力性質(zhì)，以揭示施用生物質(zhì)炭對海涂圍墾區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和水力特性的影響，為海涂圍墾區(qū)土壤治理提供理論依據(jù)，并為土壤水力性質(zhì)的估算提供新的思路。

1 模型建立

1.1 土壤水分特征曲線的分形模型

AVNIR等[10]指出，對具有不同分形孔隙分布的土壤，孔隙體積與半徑的關系為

(1)

式(1) 的積分形式為

V(>r)=-βrE-D+V0

(2)

式中r——孔隙半徑

V——半徑大于r的孔隙體積

D——描述孔隙大小分布的分形維數(shù)

E——歐氏幾何中的拓撲維數(shù)，取2或3

β——常數(shù)

V0——積分常數(shù)

式(2)是采用分形理論研究土壤水力性質(zhì)的基本公式。

根據(jù)毛細管上升方程(Young-Laplace方程)，孔隙半徑r與對應水吸力Ψ的表達式為

(3)

式中Ψ(r)——孔隙半徑為r的毛細壓力

γ——水的表面張力系數(shù)

φ——水與孔隙表面的接觸角

ρw——水的密度

g——重力加速度

在施加壓力Ψ(r)后，所有半徑大于r的孔隙水全部排出，所有半徑小于r的孔隙被水充滿。

在上述公式的基礎上，KRAVCHENKO等[4]根據(jù)Menger海綿分形理論，推導出孔隙表面分形維數(shù)Ds與顆粒半徑和質(zhì)量分數(shù)之間的關系，將Ds代入Brook-Corey模型的指數(shù)項，求解土壤水分特征曲線。

KZ-BC模型為

θ(h)=θr+(θs-θr)(hα/h)3-D3-D

(4)

式中h——土壤吸力，cm

θ(h)——土壤含水率，cm3/cm3

θs——土壤飽和含水率，cm3/cm3

θr——土壤剩余含水率，cm3/cm3

hα——進氣值，cm

D3-D——三維空間內(nèi)孔隙表面分形維數(shù)

本文采用式(4)模擬土壤水分特征曲線。

1.2 水力傳導度模型建立

1.2.1水力傳導度的經(jīng)典模型

非飽和導水率在實際中較難直接測量，因此通過土壤水分特征曲線和飽和導水率進行估測。土壤水分特征曲線的van Genuchten模型公式為

(5)

其中

m=1-1/n

式中α——進氣值的倒數(shù)，cm-1

n、m——形狀參數(shù)

文獻[11]將推導出的土壤水分特征曲線模型和Mualem導水模型相結(jié)合，提出非飽和導水率K(θ)的計算公式[11]為

(6)

(7)

式中K(θ) ——非飽和導水率，cm/h

Ks——飽和導水率，cm/h

Θ——無量綱含水率

本文采用式(6)對土壤非飽和導水率進行計算。

1.2.2水力傳導度的分形模型

水力傳導度模型應用比較廣泛的是Mualem模型，其表達式為

(8)

(9)

TYLER等[12]用Sierpinski地毯概念模型，得到了土壤水分特征曲線的分形模型

(10)

將式(10)代入Mualem模型，可以得到Mualem模型的分形形式

(11)

式中D2-D——二維空間孔隙分形維數(shù)

根據(jù)截面約定，三維空間分形維數(shù)D3-D與二維空間分形維數(shù)D2-D的關系為D2-D=D3-D-1。本文采用式(11)對土壤水力傳導度進行分析和預測。模型預測結(jié)果采用均方根誤差(RMSE)進行評價。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

供試土樣取自江蘇省如東縣東凌墾區(qū)(2007年圍墾)，取樣深度為0～100 cm。試驗土壤類型為粉砂壤土，土壤砂粒質(zhì)量分數(shù)為32.4%，粉粒質(zhì)量分數(shù)為62.7%，黏粒質(zhì)量分數(shù)為4.9%，土壤有機碳質(zhì)量比為3.8 g/kg。生物質(zhì)炭材料是河南三利公司生產(chǎn)的小麥秸稈生物質(zhì)炭。該生物質(zhì)炭在350～550℃溫度下熱裂解得到。生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)如下：pH值為9.9，電導率為1.0 S/m，有機碳質(zhì)量比467.2 g/kg，全氮質(zhì)量比5.9 g/kg，容重0.69 g/cm3，密度1.83 g/cm3，總孔隙度62.5%，內(nèi)部孔隙度13.2%。

2.2 試驗設計與實施

2016年在河海大學南方地區(qū)高校灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室進行改良鹽漬土水稻栽培測坑試驗。試驗測坑為圓柱形，上方口直徑為840 mm，高850 mm，測坑容量為300 L。供試土壤經(jīng)風干、過5 mm篩之后，分層按容重1.35 g/cm3填裝入測坑。試驗采用添加生物質(zhì)炭改良鹽漬土，設置0(對照組)、2%、5%(與表層0～20 cm土壤質(zhì)量比)3個生物質(zhì)炭添加水平，重復3次。供試水稻品種為武運粳23號(每個測坑30穴，每穴2株)。每個測坑內(nèi)預埋暗管用于抽取地下水。試驗在塑料大棚避雨條件下開展。水稻于6月29日移栽，11月4日收割。

2.3 試驗指標及測定方法

2.3.1土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)土壤容重、孔隙度

于水稻收割后，采用100 cm3環(huán)刀取原狀土，將取回的原狀土樣品使用干燥箱在105℃下干燥24 h，然后測定土壤容重。土壤總孔隙度計算式為

(12)

式中ρb——土壤干容重，g/cm3

ρB——土壤比重，取2.65 g/cm3

P——土壤總孔隙度

(2)水穩(wěn)性團聚體

采用濕篩法測定土壤的水穩(wěn)性團聚體。將取回的水稻土風干，過孔徑為5 mm和2 mm篩，土樣分為0～2 mm、2～5 mm、大于5 mm 3個級別，然后按3個級別土樣在原狀土中比例混合土樣20.0 g。將混合土樣置于由孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm組合的套篩上，將套篩緩緩浸沒水中，靜置10 min，然后以30次/min的速度篩分5 min。濕篩后，將每一層篩上的團聚體分別洗入鋁盒并干燥稱量，計算其在土樣中的質(zhì)量分數(shù)。

(3)土壤分形維數(shù)、大孔隙度

采用Micro-CT掃描結(jié)合圖像處理分析土壤的分形維數(shù)和大孔隙度。用內(nèi)徑3.6 cm、高6 cm的透明有機玻璃管取各處理原狀土柱進行Micro-CT掃描。CT掃描參數(shù)為：設備型號SkyScan1176，電壓90 kV，電流278 μA，曝光時間325 ms，旋轉(zhuǎn)角0.5°，掃描分辨率35.774 μm。為避免邊緣效應，選取中間完好的直徑為3.2 cm、高為3.8 cm的土柱。CT掃描獲取連續(xù)切片數(shù)字圖像1 062幅。應用Image J軟件對獲得的圖像進行處理分析。將CT掃描的數(shù)字圖像錄入軟件，選定研究區(qū)域，增加圖片的亮度和對比度，然后使用中值濾波進行圖像的平滑濾波，去除圖像中的噪聲和脈沖干擾，即直徑小于2像素(71.548 μm)的噪點，接著對圖片進行手動閾值分割，得到土壤-孔隙的二值圖像(圖1)，圖像中白色為土壤基質(zhì)，黑色為孔隙。最后對二值圖像分析處理，使用Image J軟件中Bone J插件計算分形維數(shù)[13]；Volume Viewer計算大孔隙度[14]，PAGENKEMPER等[15]將大于體素分辨率的孔隙定義為大孔隙，因此，本文將孔徑大于71.548 μm的孔隙定義為大孔隙。圖2為Image J軟件處理得到的掃描土樣三維圖像(選取中間的2 cm×2 cm×4 cm部分)。

圖1 土壤-孔隙二值圖像Fig.1 Binary images of soil and pore

圖2 土壤-孔隙三維圖像Fig.2 3D images of soil and pore

2.3.2土壤水力參數(shù)

采用定水頭法[16]測定土壤的飽和導水率。采用吸力平板法[17]測定土壤水分特征曲線，吸力值設定為0、15、30、60、100、300、600、900 cm。獲得的土壤水分特征曲線散點輸入RETC軟件并使用經(jīng)典單峰van Genuchten模型進行擬合，得到試驗土壤的水力參數(shù)。

3 試驗結(jié)果

3.1 施加生物質(zhì)炭對鹽漬土土壤結(jié)構(gòu)和水力特性的影響

根據(jù)表1，施加高量生物質(zhì)炭(5%)顯著影響土壤容重(P<0.05)。對照組土壤容重為1.43 g/cm3，顯著高于5%生物質(zhì)炭施加后的土壤容重1.35 g/cm3。相應地，施加高量生物質(zhì)炭(5%)對土壤總孔隙度也有顯著影響(P<0.05)。5%生物質(zhì)炭施加下土壤的總孔隙度為0.49，顯著高于對照組的0.46。同時，生物質(zhì)炭施加顯著增加土壤中大于0.25 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)，對照組大于0.25 mm水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)為11%，施加2%和5%生物質(zhì)炭后增加54.5%和63.6%。此外，土壤總孔隙度與大團聚體的相關系數(shù)達到了0.83。

同樣，高量生物質(zhì)炭的施加顯著增加了土壤孔隙分形維數(shù)和大孔隙度(P<0.05)。對照組的大孔隙度為0.0295，高量生物質(zhì)炭的添加(5%)土壤大孔隙度增加了78%。施加5%生物質(zhì)炭土壤分形維數(shù)為2.602，顯著高于對照組的2.527。土壤總孔隙度與大孔隙度的相關系數(shù)達到了0.88。

表1 施加不同量生物質(zhì)炭土壤的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of applying different amounts of biochar

注：R為總孔隙度與其他參數(shù)的相關系數(shù)；同一列不同小寫字母表示生物質(zhì)炭處理下差異顯著(P<0.05)，下同。

根據(jù)表2，單峰van Genuchten模型擬合的土壤水分特征曲線效果很好，決定系數(shù)均在0.99以上；模型形狀參數(shù)α在高量生物質(zhì)炭施加后略微減小，n略微增大。而土壤飽和含水率差異明顯(P<0.05)。添加2%和5%生物質(zhì)炭后，土壤飽和含水率為0.472 cm3/cm3和0.477 cm3/cm3，顯著高于對照組的0.452 cm3/cm3。同時，隨著生物質(zhì)炭添加量增加，鹽漬土土壤飽和導水率呈增大趨勢。對照組土壤飽和導水率為0.493 cm/h，添加2%生物質(zhì)炭后，土壤飽和導水率增大18.3%；添加5%生物質(zhì)炭后，土壤飽和導水率增大25.9%。

表2 施加不同量生物質(zhì)炭土壤的水力參數(shù)Tab.2 Hydraulic parameter of applying different amounts of biochar

3.2 分形模型的驗證

3.2.1土壤水分特征曲線模型驗證

采用式(4)KZ-BC模型模擬土壤水分特征曲線，式中參數(shù)取值如表1和表2所示，添加0、2%、5%生物質(zhì)炭各處理改良鹽漬土土壤水分特征曲線的分形模型預測值和實測值如圖3所示。

圖3 生物質(zhì)炭施加后土壤水分特征曲線預測值和實測值對比Fig.3 Comparison of predicted and measured soil water characteristic curves after biochar application

圖4 生物質(zhì)炭施加后土壤非飽和導水率解析值與預測值的對比Fig.4 Comparison of predicted and measured parsing hydraulic conductivities after biochar application

結(jié)果表明，不同生物質(zhì)炭處理下土壤的水分特征曲線形態(tài)比較一致，即在低壓力下，隨著吸力的增大，體積含水率減小。然而，生物質(zhì)炭的添加顯著提高了土壤的持水性，即相同吸力下，生物質(zhì)炭改良的土壤持水量明顯高于對照組。KZ-BC模型的預測結(jié)果與實測值較為接近，并且與實測值的變化趨勢相同，但高量生物質(zhì)炭(5%)的添加KZ-BC模型過高地估計土壤體積含水率。采用KZ-BC分形模型模擬土壤水分特征曲線R2較高(表3)，故該模型能夠滿足精度需要。分形模型預測的水分特征曲線與實測曲線間的均方根誤差(RMSE)如表3所示，RMSE值越小，表明模型預測越精確。

3.2.2土壤水力傳導度模型驗證

通過土壤水分特征曲線和飽和導水率的實測數(shù)據(jù)，采用式(6)計算土壤水力傳導度，同時采用Mualem分形模型式(11)預測土壤水力傳導度。式中參數(shù)如表1和表2所示。添加0、2%、5%生物質(zhì)炭改良鹽漬土土壤非飽和導水率解析值和Mualem模型預測值如圖4所示。

表3 分形模型預測土壤特性精度參數(shù)Tab.3 Precision parameters of fractal model predicting soil properties

從圖4可看出，不同生物質(zhì)炭處理下非飽和導水率變化趨勢相同，即隨體積含水率的增加，非飽和導水率迅速增加。此外，生物質(zhì)炭的添加增加了土壤的導水性，尤其是在近飽和段的土壤非飽和導水率。采用Mualem分形模型預測土壤非飽和導水率R2較高(表3)，該模型精度滿足要求。根據(jù)土壤水分特征曲線和飽和導水率實測數(shù)據(jù)解析獲得的非飽和導水率曲線與Mualem分形模型預測的非飽和導水率曲線間的均方根誤差(RMSE)如表3所示。

4 討論

4.1 施加生物質(zhì)炭對鹽漬土土壤結(jié)構(gòu)及水力特性的影響

本試驗結(jié)果表明，施加生物質(zhì)炭后1年即能達到改善鹽漬土土壤結(jié)構(gòu)的效果(表1)。高量施加生物質(zhì)炭能夠顯著降低鹽漬土土壤容重。相對而言，生物質(zhì)炭容重較小、質(zhì)地疏松，試驗鹽漬土容重大，加入生物質(zhì)炭可以改善土壤的松緊程度，降低土壤容重。且生物質(zhì)炭的施加促進了土壤顆粒團聚過程，有利于團聚體內(nèi)部和團聚體之間多級孔隙的形成。LEI等[18]在壤質(zhì)土中添加5%質(zhì)量分數(shù)的木屑生物質(zhì)炭，經(jīng)過180 d的室內(nèi)培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)土壤大團聚體顯著增加，這與本文研究結(jié)果類似。高量生物質(zhì)炭的施加促進大團聚體形成，使得鹽漬土中散粒結(jié)構(gòu)團聚，從而大孔隙增加。表1結(jié)果同樣表明，生物質(zhì)炭的添加導致總孔隙度的增加主要來自于大團聚體和大孔隙度的增加，這與前人的結(jié)論一致[19]。

高量生物質(zhì)炭的添加顯著增加了土壤飽和含水率。這可能是因為生物質(zhì)炭的添加顯著增加了大團聚體數(shù)量和大孔隙度，從而土壤的總孔隙度顯著增加，進而土壤的比表面積增大，土壤保水能力提高，飽和含水率顯著增大[20]。同樣，高量生物質(zhì)炭的添加會提高土壤飽和導水率?？赡苁且驗樯镔|(zhì)炭添加后，土壤孔隙結(jié)構(gòu)更加豐富，并且生物質(zhì)炭自身具有的良好通氣性和透水性可以改善土壤的通氣透水性，從而改善其導水性能，增大飽和導水率。但是研究發(fā)現(xiàn)施加生物質(zhì)炭對土壤水力性質(zhì)影響與土壤質(zhì)地、生物質(zhì)炭用量、種類等因素相關。TRYON[21]研究發(fā)現(xiàn)，施加生物質(zhì)炭可以增大砂土含水率，降低黏土含水率，對于壤土則沒有顯著影響。BROCKHOFF等[22]研究砂土發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭與土壤體積比為25.0%的處理可顯著增加草地根區(qū)的土壤含水率，同時土壤飽和導水率隨生物質(zhì)炭施用量的增加而降低。田丹等[23]研究發(fā)現(xiàn)，增加生物質(zhì)炭用量能夠增加砂土持水性能且花生殼炭處理的砂土持水性比秸稈木炭處理的更優(yōu)。故研究生物質(zhì)炭對于土壤水力性質(zhì)的影響要充分考慮這些因素，本試驗土壤為濱海鹽漬粉砂壤土，添加生物質(zhì)炭對土壤水力性質(zhì)的影響結(jié)論與曹雨桐等[6]結(jié)論一致。本文試驗結(jié)果表明施加生物質(zhì)炭能夠有效改良其土壤結(jié)構(gòu)與水力性質(zhì)，與文獻[24]的客土法相比成本較低，可以大面積應用，與地面覆蓋法[25]改良鹽漬土相比，見效快且能有效改良鹽漬土的土壤結(jié)構(gòu)與水力特性，因此研究施加生物質(zhì)炭改良鹽漬土性質(zhì)具有重要意義。但本研究只驗證了添加生物質(zhì)炭1年后鹽漬土土壤結(jié)構(gòu)及水力特性的變化，后期擬開展長期定位試驗研究探索時間序列上生物質(zhì)炭施加對鹽漬土的特性影響。

4.2 基于Micro-CT掃描技術(shù)與分形理論結(jié)合的鹽漬土水力性質(zhì)預測

本試驗結(jié)果表明，結(jié)合Micro-CT結(jié)構(gòu)掃描技術(shù)與分形理論模型可以較為精準地預測鹽漬土水力性質(zhì)。劉建立等[26]認為采用顆粒大小估計分形維數(shù)的分形模型預測土壤水力性質(zhì)在其適用范圍內(nèi)具有足夠的精度，可以用于實際問題的研究，但土壤的分形維數(shù)不僅僅與顆粒大小相關，還與其形狀和排列方式密切相關，因此使用顆粒大小估計土壤的分形維數(shù)顯然是不完備的。本試驗采用的圖像處理軟件分析土壤的孔隙分形維數(shù)，相較于以往的根據(jù)顆粒大小估計的分形維數(shù)[26]，能更完備地反映土壤孔隙狀態(tài)。KATUWAL等[27]研究發(fā)現(xiàn)，采用Micro-CT掃描技術(shù)得到的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠一定程度上解釋水流的運動，但是無法解釋流動的變異性，可采用更高的分辨率或者不同的分辨率合并研究孔隙變化對于水流的影響。同時，本試驗得到的分形維數(shù)預測土壤的水力性質(zhì)精度高，能夠滿足試驗研究的需要，與傳統(tǒng)顆粒大小估計的分形維數(shù)預測相比[26]，該方法快捷、準確。對于預測土壤水分特征曲線，高量生物質(zhì)炭(5%)的添加使得KZ-BC模型的預測結(jié)果整體都大于實測值，這可能是由于高量生物質(zhì)炭添加后土壤孔隙結(jié)構(gòu)顯著變化，而在不同的壓力下，影響土壤含水率的孔隙不同，在本模型中，整個壓力水頭段采用了一個分形維數(shù)來描述孔隙對土壤水分的影響，從而使得分形維數(shù)Ds偏大，在相同的壓力水頭下，KZ-BC模型得到的土壤含水率要高于實際土壤含水率。后期研究可以考慮對孔隙進行分級，分別計算其分形維數(shù)，進而預測土壤的水力性質(zhì)[28]。在預測非飽和導水率時，分形模型過高地估計土壤的非飽和導水率，這可能是因為整個土層是不完全均勻的，會存在一些影響水流流動的致密層，使得水流流動十分復雜。在這種情況下，僅僅采用一個分形模型可能是不夠的，需要結(jié)合土壤的性質(zhì)(各向異性、連通性、不均勻性)綜合考慮[29]。因此，本文采用Micro-CT掃描技術(shù)與分形模型模擬土壤的水力性質(zhì)雖然取得了較好的模擬結(jié)果，但是今后可以進一步優(yōu)化模型，充分考慮土壤的性質(zhì)，從而使模型預測更為精確。

5 結(jié)論

(1)施加高量生物質(zhì)炭(5%，與表層0～20 cm土壤質(zhì)量比)顯著降低鹽漬土土壤容重，增加土壤總孔隙度和大孔隙度，促進水穩(wěn)性團聚體形成，增加土壤孔隙分形維數(shù)，提高土壤飽和含水率和飽和導水率。

(2)結(jié)合Micro-CT圖像掃描技術(shù)和孔隙分形理論預測改良鹽漬土土壤水分特征曲線和非飽和導水率，預測效果精度高，與傳統(tǒng)顆粒大小估計分形維數(shù)相比，更快捷、準確,能夠用于實際問題的研究。