陳 姣,吳鳳平,王 輝,譚 帥,胡傳旺
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410128)
【研究意義】水稻土和紅壤是南方地區(qū)典型的土壤類型之一。紅壤孔隙度較低、有機(jī)碳量低、質(zhì)地黏重、有效水量較低、易板結(jié)、易干旱、保肥性差[1],水稻土易板結(jié)、易沙化、保水保肥能力弱,改善紅壤和水稻土的持水能力對(duì)于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出具有重要意義?!狙芯窟M(jìn)展】生物炭是在缺氧或無(wú)氧環(huán)境條件下,經(jīng)高溫裂解將農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)材料、動(dòng)物糞便等生物質(zhì)碳化而形成的一種穩(wěn)定難溶、高度芳香化、碳量極其豐富的固態(tài)產(chǎn)物,具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、極大的比表面積、較高的離子交換能力、較強(qiáng)的穩(wěn)定性等特點(diǎn)[2]。將生物炭施入土壤中,可改變土壤的理化性質(zhì),如降低土壤體積質(zhì)量、改變土壤團(tuán)聚性、增大土壤孔隙度、提高土壤的田間持水率等[3],進(jìn)而影響著土壤持水能力與水分入滲特征[4]。Karolina 等[5]研究發(fā)現(xiàn),在砂質(zhì)壤土中加入2.5%和5%的熱解芒果木生物炭能有效提高粗粒砂的保水率;趙迪等[6]研究發(fā)現(xiàn),粉黏壤在施加3%和6%生物炭后會(huì)減弱其持水能力;于博等[7]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)生物炭添加比例低于8%時(shí),壤土累積入滲量、入滲速率逐漸遞增,持水能力降低,而當(dāng)添加生物炭量達(dá)到10%時(shí),土壤持水性顯著提高。從改良土壤理化性質(zhì)角度來(lái)看,生物炭改良土壤效果顯著,但施用量需要根據(jù)具體的土壤類型來(lái)確定。田丹等[8]研究表明,添加高量秸稈生物炭和花生殼炭均可有效減小土壤水分?jǐn)U散率,增強(qiáng)粉砂壤土的土壤持水性,而添加低量生物炭則會(huì)降低土壤持水性;齊瑞鵬等[9]研究發(fā)現(xiàn),生物炭能提高水分入滲能力,添加量過(guò)低,生物炭的促進(jìn)作用不顯著,添加量過(guò)高,則會(huì)產(chǎn)生一定的抑制作用。由此可見(jiàn),生物炭不同的添加量對(duì)不同質(zhì)地土壤水分特性的影響差異顯著?!厩腥朦c(diǎn)】當(dāng)前有關(guān)生物炭改良南方紅壤和水稻土的研究主要集中在生物炭對(duì)土壤板結(jié)、鹽漬化、土壤菌群、微量元素等理化性質(zhì)的改善,及生物炭對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況、溫室氣體排放、重金屬吸附等方面的影響[10-11],但從土壤水分運(yùn)動(dòng)及溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理方面對(duì)生物炭施加與參數(shù)變化關(guān)系的定量研究尚不多見(jiàn)?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文通過(guò)研究南方典型的旱地紅壤與水田水稻土在不同生物炭施加條件下對(duì)其水力學(xué)特性的影響,以期為南方地區(qū)高效利用生物炭提供相應(yīng)理論依據(jù)。
供試紅壤取自于湖南省長(zhǎng)沙市榔梨中學(xué)附近(113°16′46″E,28°32′49″N),水稻土取自于湖南長(zhǎng)沙春華研究基地(113°26′21″E,28°28′42″N),該研究基地多年種植水稻,在多點(diǎn)取樣,清除土壤表層雜物,取0~20 cm 土層土壤,去除土壤中植物根系、大塊碎石等雜質(zhì),自然風(fēng)干后充分碾壓磨細(xì),過(guò)2 mm 篩備用。其中土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法測(cè)定,土壤EC和pH 值采用多功能離子計(jì)測(cè)定,供試土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試生物炭使用廢棄的一次性竹筷置于馬弗爐中,在500 ℃無(wú)氧條件下燒制3 h 而成,充分磨碎后過(guò)1 mm 篩孔備用。
表1 供試土壤的理化性質(zhì) Table 1 Physical and chemical properties of soil tested
紅壤和水稻土均設(shè)置6 種處理:不添加生物炭處理(CK)和生物炭分別占土壤的質(zhì)量比為0.1%、0.5%、1%、3%、5%,每個(gè)處理重復(fù)3 次。試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用日本HITACHI 公司生產(chǎn)的CR21N 高速恒溫冷凍離心機(jī),測(cè)定土壤水吸力值與含水率之間的關(guān)系,并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)用Brooks-Corey 模型進(jìn)行擬合。試驗(yàn)前將生物炭和土壤混合均勻,為接近田間實(shí)際體積質(zhì)量,采取定體積質(zhì)量的方式控制紅壤、水稻土的體積質(zhì)量,均控制為1.3 g/cm3,稱取一定質(zhì)量的土壤填裝到直徑為5 cm的離心機(jī)專用環(huán)刀內(nèi),填裝高度為4 cm。放置蒸餾水中浸泡24 h 以上直至飽和,取出環(huán)刀稱質(zhì)量,將環(huán)刀放置于離心機(jī)內(nèi),離心轉(zhuǎn)速依次設(shè)置為500、1 000、1 500、2 500、3 500、5 000、7 000、9 000 r/min,離心時(shí)間均為60 min,離心溫度設(shè)置為20 ℃,每次離心后將離心的水分擦去,然后稱質(zhì)量并用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品壓縮深度,記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后,采用烘干法測(cè)定土壤含水率。
采用定水頭滲透法測(cè)定飽和導(dǎo)水率,生物炭和土壤均勻混合后填裝,控制裝土體積質(zhì)量為1.3 g/cm3,試驗(yàn)所用土柱高10 cm,由內(nèi)徑為5 cm,高5 cm 的環(huán)刀用防水膠黏接組裝而成,制成長(zhǎng)5 cm 的均質(zhì)土柱。用馬氏瓶從土柱表面供水,接樣裝置固定在土柱支撐架上,接樣裝置主要由玻璃漏斗與土柱架子組合形成。試驗(yàn)開(kāi)始后,用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí),記錄接樣漏斗中第1 滴水滴下的時(shí)間和馬氏瓶讀數(shù),而后每隔1 h,記錄1 次馬氏瓶讀數(shù),換接樣瓶并稱質(zhì)量以記錄出流量。出流量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)測(cè)量并記錄水頭差,后停止接樣。
本文采用美國(guó)鹽改中心開(kāi)發(fā)的RETC 軟件,RETC 軟件中有8 種不同的土壤水分特征曲線模型,用來(lái)擬合、分析、預(yù)測(cè)土壤的水力性質(zhì)。Brooks and Corey 模型(簡(jiǎn)稱BC 模型)和Van Genuchten(簡(jiǎn)稱VG 模型)是常見(jiàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,精度較高[12],將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了2 種模型的擬合比較,發(fā)現(xiàn)BC 模型擬合度優(yōu)于VG 模型,因此采用擬合效果較好的BC 模型。根據(jù)該模型可以擬合得出的θr、θs、α、n 等水分特征曲線參數(shù)進(jìn)一步推導(dǎo)出土壤非飽和導(dǎo)水率、當(dāng)量孔徑比和水分?jǐn)U散度。BC 模型表達(dá)式為:
式中:Se為飽和度(cm3/cm3);θ 為土壤體積含水率(cm3/cm3);h 為壓力水頭(cm);θs為土壤飽和含水率(cm3/cm3);θr為土壤殘余含水率(cm3/cm3);α 為進(jìn)氣值的倒數(shù)(cm-1);n 為土壤孔隙尺寸分布參數(shù),決定土壤水分特征曲線的斜率。
土壤中的孔隙設(shè)想為各種孔徑的圓形毛管,土壤水吸力和當(dāng)量孔徑的關(guān)系[13]計(jì)算式為:
式中:τ 為水的表面張力系數(shù),室溫條件下一般為75×10-5N/cm;S 為土壤水吸力(Pa);d 為孔隙直徑(mm)。
土壤非飽和導(dǎo)水率采用間接公式推求方法來(lái)獲取,根據(jù)Brooks-Corey 模型表達(dá)式為:
式中:K(h)為土壤水吸力h 對(duì)應(yīng)的土壤非飽和導(dǎo)水率(cm/min);Ks為飽和導(dǎo)水率(cm/min);m 為與土壤特征有關(guān)的形狀參數(shù),m=3n+2。
土壤水分?jǐn)U散可表示為土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率的函數(shù),計(jì)算式為:
采用Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表;運(yùn)用SPSS 20.0 進(jìn)行顯著性分析及檢驗(yàn)擬合效果;利用RETC 軟件中的BC 模型進(jìn)行土壤水分特征曲線的參數(shù)擬合,并采用殘差平方和SSQ 和決定系數(shù)R2作為評(píng)價(jià)BC 模型擬合效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
通過(guò)土壤水分特征曲線可以間接地反映出土壤孔隙大小的分布。根據(jù)吸力計(jì)算所得的孔徑稱為當(dāng)量孔徑,已知水的表面張力系數(shù)τ 和水吸力S,可求出反映土壤孔隙大小分布情況的當(dāng)量孔徑d。由圖1 可知,隨生物炭添加量的增加,紅壤微小孔隙所占比例較CK 分別減少了0.19%、4.56%、8.86%、10.25%、18.17%,而隨生物炭添加量的增多,其有效孔隙較CK 分別增加了0.73%、-0.017%、2.29%、0.49%、1.4%,大孔隙分別增加0.46%、4.45%、7.79%、9.80%、17.17%。隨生物炭的增加,紅壤大孔隙占比呈增大趨勢(shì)。水稻土隨炭量的增加,其有效孔隙所占比例分別減少了3.19%、2.39%、4.92%、3.3%、1.16%,微小孔隙所占比例分別增加了4.04%、2.89%、4.86%、6.2%、6.3%,表明水稻土在添加生物炭后顯著增加微小孔隙所占比例,減少了有效孔隙和大孔隙所占比例。從圖1 中也可以看出,在同一炭土比下,紅壤的微小孔隙所占比例明顯高于水稻土。
圖1 不同炭土比下土樣的當(dāng)量孔徑分布比例 Fig.1 The equivalent pore diameter distribution ratio under different carbon soil ratios
圖2 不同炭土比下土樣的水分特征曲線 Fig.2 The water characteristic curve under different carbon soil ratios
根據(jù)水分特征曲線將3.3×104Pa(1/3 bar)所對(duì)應(yīng)的土壤含水率定義為田間持水率,紅壤各處理的田間持水率分別為26.17%、26.49%、27.32%、27.91%、30.25%、29.34%,水稻土各處理的田間持水率分別為13.15%、13.20%、13.31%、13.64%、14.47%、15.26%。從圖2 可看出,紅壤的曲線比水稻土的曲線更陡直,說(shuō)明紅壤的持水性整體高于水稻土。不同類型土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同,其土壤持水能力也會(huì)不同。由表1可知,紅壤屬于黏土,水稻土屬于粉砂黏土,2 種土的孔隙度、粒徑、黏性作用不同,粉砂黏土透水性比黏土高,吸收、耗散水分比較快,脫濕也相對(duì)比較快。添加生物炭后,2 種土壤持水性均有所提高。紅壤添加生物炭組的持水性均高于CK,在添加量為3%時(shí)其持水能力最強(qiáng),但當(dāng)生物炭添加量超過(guò)3%時(shí),持水性不再持續(xù)增強(qiáng)而稍有減弱,5%添加量持水性低于3%添加量,即CK<添加量0.1%<添加量0.5%<添加量1%<添加量5%<添加量3%,水稻土的持水性隨炭添加量的增多而持續(xù)增強(qiáng),即CK<添加量0.1%<添加量0.5%<添加量1%<添加量3%<添加量5%。
從表2 可看出,在不同炭土比處理下,紅壤和水稻土的實(shí)測(cè)值與擬合值的相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上。隨生物炭量的增加水稻土的飽和導(dǎo)水率Ks相對(duì)于CK依次增大7.63%、54.17%、66.65%、122.22%、173.60%,紅壤的飽和導(dǎo)水率則隨生物炭的增加依次減小2.68%、7.20%、13.16%、17.42%、33.98%,主要因?yàn)橥寥澜Y(jié)構(gòu)性質(zhì)是影響土壤飽和導(dǎo)水率的重要因素[14-15],水稻土完全飽和后生物炭的添加增大孔隙率和比表面積,土壤體積質(zhì)量減小,容易形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體,加快了土壤水分在入滲過(guò)程中的入滲速率[16]。而紅壤黏粒量較多,與土壤混合后,經(jīng)過(guò)水分長(zhǎng)時(shí)間浸泡后膨脹,水的黏滯性增加,水分在土壤孔隙中流動(dòng)時(shí)的摩擦力增大,影響土壤入滲,從而導(dǎo)致水分在入滲過(guò)程中入滲速度減慢,土壤飽和導(dǎo)水率降低。
由表2可知,與CK相比,紅壤的實(shí)測(cè)飽和含水率θs分別增加0.19%、5.38%、9.08%、22.28%、23.56%,水稻土的實(shí)測(cè)飽和含水率θs分別增加0.26%、0.88%、2.59%、7.5%、13.39%,紅壤和水稻土的飽和含水率θs也隨炭量的增加而增大,且在相同處理下,紅壤的飽和含水率增幅明顯大于水稻土。另外,由表2可知,生物炭量對(duì)土壤水分特征系數(shù)α、n值的影響并無(wú)明顯變化規(guī)律。
表2 不同處理下飽和導(dǎo)水率和BC 模型擬合參數(shù) Table 2 The saturation conductivity and the fitting parameters of BC model under different treatments
非飽和導(dǎo)水率是土壤含水率和土壤基質(zhì)勢(shì)的非線性函數(shù),不同添加量會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定程度的影響,圖3 為RETC 軟件模型擬合所導(dǎo)出的非飽和導(dǎo)水率曲線。從圖3 中可以看出,生物炭均能減少這2 種土壤的非飽和導(dǎo)水率。在同一含水率情況下,生物炭量增加的越多,非飽和導(dǎo)水率減少的幅度越大,即非飽和導(dǎo)水率CK>添加量0.1%>添加量0.5%>添加量1%>添加量3%>添加量5%,都具有顯著差異(P<0.05)。
在同一含水率情況下,與CK相比,每增加1%生物炭,紅壤非飽和導(dǎo)水率降低2.45%~19.32%,水稻土非飽和導(dǎo)水率降低3.32%~14.53%。在同一情況下,生物炭對(duì)紅壤非飽和導(dǎo)水率的影響比水稻土明顯。研究表明,土壤實(shí)效孔徑>0.3 mm時(shí),水分可以自由流通,實(shí)效孔徑0.3~0.03 mm時(shí),水在重力作用下較易流通,而實(shí)效孔徑<0.03 mm時(shí),水分不易流出。對(duì)于擾動(dòng)土來(lái)說(shuō),土壤的孔隙變化是影響土壤導(dǎo)水率的主要因素[17]。水稻土砂粒量大,土壤中微小孔隙比紅壤少的多,形成的封閉孔隙較少,因此添加生物炭后土壤非飽和導(dǎo)水率降低且對(duì)紅壤非飽和導(dǎo)水率影響比水稻土更明顯。也可根據(jù)式(3)及表2可知,形式參數(shù)n變化率較小,且無(wú)明顯變化規(guī)律,可忽略不計(jì),而紅壤和水稻土的飽和含水率θs增加幅度較大,使其非飽和導(dǎo)水率均降低。且隨碳量增加紅壤的飽和導(dǎo)水率Ks逐漸減少,水稻土的飽和導(dǎo)水率Ks逐漸增大,因此紅壤非飽和導(dǎo)水率降低幅度大于水稻土。
圖3 不同炭土比下土樣的非飽和導(dǎo)水率變化曲線 Fig.3 The curve of unsaturated water conductivity under different carbon soil ratios
從圖4可以看出,在同一含水率情況下,生物炭量增加的越多,水分?jǐn)U散度減少的幅度越大,表現(xiàn)為CK>添加量0.1%>添加量0.5%>添加量1%>添加量3%>添加量5%,都差異顯著(P<0.05)。表明添加生物炭能抑制水分在土壤中的移動(dòng)。從圖4可看出,在同一含水率下,紅壤和水稻土的生物炭組水分?jǐn)U散度均低于CK,說(shuō)明添加生物炭均可減少這2種土壤水分在的土壤中的運(yùn)移速率。在同一含水率情況下,添加生物炭對(duì)紅壤的水分?jǐn)U散度比CK降低了4.34%~96.26%,水稻土的水分?jǐn)U散度比CK降低了1.35%~54.23%,且在相同配比下,生物炭對(duì)紅壤水分?jǐn)U散度的影響比水稻土大。
圖4 不同碳土比下土樣的水分?jǐn)U散度變化曲線 Fig.4 The water diffusivity curve under different carbon ratios
本研究發(fā)現(xiàn)施加生物炭可有效改良土壤的性質(zhì),使土壤含水率增加,土壤的持水性增強(qiáng),與已有研究結(jié)果[18-19]一致。這是因?yàn)樯锾勘旧硎嵌嗫捉Y(jié)構(gòu)且具有極大的比表面積和電荷密度,增強(qiáng)土壤顆粒對(duì)水分子和營(yíng)養(yǎng)元素的吸附性[20],形成相對(duì)粒徑較厚的水層或水膜,使得土壤孔隙中的自由水變成縛束水,因此水分不易排出,從而增強(qiáng)了土壤持水性。根據(jù)不同土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)其可能存在最優(yōu)的施加范圍,本研究通過(guò)定量研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于紅壤而言,施加量并不是越多越好,控制在3%左右其持水性最佳。這可能是因?yàn)閷?duì)黏性土壤而言,生物炭自身持水能力不及黏土,使得添加量過(guò)多時(shí)整體持水性有所減弱,也可能是由于添加量過(guò)高反而產(chǎn)生一定的疏水作用[21]。
本研究發(fā)現(xiàn),添加生物炭使得紅壤的微小孔隙所占比例減少,有效孔隙和大孔隙所占比例增多,這可能是因?yàn)樯锾勘旧砭哂幸欢ǖ拇罂紫?,紅壤細(xì)小黏粒較多且未能填充到生物炭孔隙中,從而增加了土壤的中大孔隙所占比例。而添加生物炭使得水稻土的有效孔隙所占比例減少,微小孔隙所占比例增多。這可能是由于生物炭顆??膳c土壤顆粒形成一定的微小團(tuán)粒結(jié)構(gòu),且細(xì)炭顆粒粒徑較小,填充到土壤中大孔隙內(nèi),因此降低了中大孔隙比例。生物炭的施加改變了紅壤和水稻土的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布特征,生物炭對(duì)不同土壤質(zhì)地和不同半徑級(jí)別孔隙的影響程度不同[22]。
從土壤物理學(xué)角度來(lái)說(shuō),土壤孔隙度和大小分布,孔隙狀況決定了土壤水分的移動(dòng)過(guò)程、持水容量和動(dòng)力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn),生物炭可顯著降低紅壤和水稻土非飽和導(dǎo)水率及水分?jǐn)U散度,該結(jié)果與王幼奇等[23]針對(duì)灰鈣土、王睿垠等[24]針對(duì)草甸黑土研究結(jié)論相似,這可能是由于生物炭與土壤混合后提高了土壤的總孔隙度[25],改變了孔隙間的連通性和顆粒的堆積與團(tuán)聚方式,孔隙能夠吸附土壤中的水和無(wú)機(jī)離子,吸附土壤顆粒,特別是小粒徑的生物炭能夠與土壤顆粒形成一定的微小團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[26],增加土壤對(duì)水分子的吸著能力,形成大量細(xì)小的封閉孔隙,導(dǎo)致水分難以流通,從而使得土壤非飽和導(dǎo)水率降低。也由于生物炭與土壤混合后,細(xì)炭顆粒會(huì)隨水分的運(yùn)移而移動(dòng),且在移動(dòng)過(guò)程中受土壤微小孔隙的阻擋,逐漸積累形成致密的層狀結(jié)構(gòu),減小了土壤中水分的運(yùn)移能力[27],從而導(dǎo)致土壤水分?jǐn)U散度降低。
本研究發(fā)現(xiàn),生物炭對(duì)紅壤非飽和導(dǎo)水率及水分?jǐn)U散度的影響比水稻土顯著,是由于生物炭可能對(duì)不同土壤質(zhì)地的體積質(zhì)量和孔隙度產(chǎn)生不同程度的影響,紅壤的黏粒和微小孔隙比水稻土多,因此紅壤形成致密的層狀結(jié)構(gòu)相對(duì)較多,從而抑制作用較強(qiáng),導(dǎo)致生物炭對(duì)紅壤的非飽和導(dǎo)水率及水分?jǐn)U散度降幅更大。表明生物炭的添加對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響主要是通過(guò)改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而孔隙結(jié)構(gòu)的改變,不僅取決于土壤的原有質(zhì)地,也取決于生物炭的種類、顆粒大小和孔隙特征以及生物炭添加量等。后期可從生物炭不同粒徑對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響或不同生物炭對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響等方面進(jìn)行深入研究。生物炭量對(duì)土壤水分特征系數(shù)α、n 值的影響無(wú)明顯變化規(guī)律,這與文曼等[28]、王艷陽(yáng)等[29]的研究結(jié)果相符,即水分特征曲線參數(shù)對(duì)生物炭添加量變化不具有敏感性。本文采用的是室內(nèi)模擬試驗(yàn),為更接近于實(shí)際的紅壤和水稻土水分條件,還需進(jìn)一步采用田間試驗(yàn)、原位取土等方式開(kāi)展深入研究。
1)添加適量生物炭(0~5%)能提高紅壤和水稻土的持水性,且紅壤的持水性大于水稻土持水性,隨生物炭量的持續(xù)增加,紅壤的持水性先增強(qiáng)后減弱,水稻土的持水性持續(xù)增強(qiáng)。
2)生物炭能顯著增大紅壤的有效孔隙的占比,且隨生物炭量的增加,其有效孔隙占比呈增大的趨勢(shì),而生物炭會(huì)明顯減小水稻土的有效孔隙占比,增加其微小孔隙的占比。
3)紅壤和水稻土的非飽和導(dǎo)水率、水分?jǐn)U散度均隨著生物炭量的增加而降低,生物炭對(duì)紅壤的非飽和導(dǎo)水率和水分?jǐn)U散度的影響比水稻土大。紅壤和水稻土的θs隨炭土比的增大而增大,參數(shù)α、n 隨炭土比的增大而無(wú)明顯變化規(guī)律。