HPMC聯(lián)合生物炭共施對紫色土入滲特性的影響

韓豪杰，夏 慶，鄭彩霞，張志亮，熊晉冉，劉 敏，夏鴻華

(四川農(nóng)業(yè)大學水利水電學院，四川 雅安 625014)

入滲是降水從地面進入土壤的過程，是陸地水循環(huán)的組成部分。入滲過程決定著土壤對降雨和灌溉水的有效利用程度，也影響著地表徑流和土壤水蝕過程[1]。紫色土壤分布在中國南部的15個省，其土區(qū)降雨集中且充沛，土壤侵蝕模數(shù)可達到5 500～15 000 t/(km2·a)，是中國水土流失最嚴重的地區(qū)之一。土壤水分入滲過程與土壤水分的再分配、土壤侵蝕、水的養(yǎng)分遷移、農(nóng)業(yè)面源污染等密切相關，是流域水循環(huán)的重要組成部分[2]。針對現(xiàn)有問題，加入不同的土壤改良劑對紫色土水土保持和農(nóng)田水分有效性的提高具有重要意義。生物炭是一種高度芳香族化合物，是在部分或完全缺氧的條件下，通過熱解(通常<700 ℃)將農(nóng)作物秸稈、木材、家禽糞便和其他有機材料碳化而產(chǎn)生的不溶性固體物質(zhì)[3]。生物炭作為一種土壤改良劑，起源于南美亞馬遜河流域黑土(Perra Preta)的發(fā)現(xiàn)和研究[4]。先前的研究表明，使用生物炭可以降低土壤容重[5,6]，增加土壤孔隙度[7]，改變土壤團聚[8,9]，然后影響土壤持水量和水分入滲特性[10,11]。羥丙甲纖維素(HPMC)，也稱羥丙基甲基纖維素醚，是具有有效甲氧基基團的非離子型纖維素醚，其具有遇熱凝膠的特性，其凝膠強度和凝膠溫度受HPMC的分子量、濃度和黏度影響。不同類型的HPMC具有不同的性質(zhì)，可以有效地控制水分的擴散速度[12-14]。HPMC可以以透明膠體溶液的形式溶于冷水中，具有很強的表面活性和穩(wěn)定性能[15-17]。但截止目前為止，HPMC和生物炭共同作用改善土壤入滲性能的研究甚少。基于HPMC的保水能力、內(nèi)聚性、pH穩(wěn)定性和生物降解性以及生物炭的高度發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，利用試驗室一維土柱入滲試驗來研究其對土壤水分入滲特性的影響。最終將HPMC和生物炭相結(jié)合用于紫色土入滲性能的改良，則能夠在水土保持，提高農(nóng)田水分有效性方面發(fā)揮重要作用，為紫色土養(yǎng)分流失的現(xiàn)狀提供新的方法和思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為四川典型紫色土，取自于四川農(nóng)業(yè)大學雅安校區(qū)農(nóng)場大棚。取土時采用多點采樣方法，采樣深度為0～20 cm，同時以100 cm3環(huán)刀測定土壤容重。土樣風干后過2 mm篩，以備土柱試驗所用。測得該土壤容重為1.31 g/cm3。供樣生物炭為秸稈生物炭，供樣羥丙甲纖維素黏度200 Pa·s，均為市購。

1.2 試驗處理

試驗主要為未加入HPMC和加入適量HPMC時，土壤中加入不同劑量生物炭對土壤入滲特性的影響。據(jù)任敏[18]得出，當HPMC施加量小于0.1 g/kg，對土壤入滲作用微弱；大于0.5 g/kg時，土柱達到飽和時間過長，因此本研究選定HPMC含量為0和0.3 g/kg，分別用H0和H1表示。生物炭進行0，2%，4%三個處理，分別用BC0、BC1、BC2表示。所有添加劑量基于干容重計算，采用完全方案設計，共6個處理，每個3個重復。

1.3 試驗裝置及方法

采用模擬土柱試驗開展研究。土柱是內(nèi)徑為10 cm，高度為50 cm的PVC管，底部為小孔設計。開始試驗之前，將濾紙放在底部，并將凡士林薄層均勻地涂在土柱壁上。根據(jù)田間實際容重，將土壤均勻填入土柱，總高度控制在30 cm。生物炭和HPMC僅與0～15 cm的土壤混合。依次以5 cm為單位填充土壤柱，并在每次填充之前在土壤表面打毛，以確保各層之間緊密接觸。

用一維固定水頭垂直入滲法測定土壤入滲特性。將土壤柱和馬氏瓶放在試驗臺上，并調(diào)節(jié)馬氏瓶的起泡點高度，以確保測試開始后土壤柱的水頭保持在2.5 cm。打開閥門，在水穿過土壤表面時開始計時，連續(xù)記錄時間和相應的入滲量以及濕潤峰距離，在入滲率達到穩(wěn)定后停止計時。

1.4 土壤入滲模型

選取兩種常用入滲公式對試驗結(jié)果進行擬合。

(1)Kostiakov公式。

I(t)=Ktn

式中:I(t)為累積入滲量，mL；t為入滲時間，min；K和n為無量綱的經(jīng)驗常數(shù)，n值大小主要取決于因土地濕潤而引起的土壤結(jié)構(gòu)的改變[19]。n值越大，入滲能力衰減速度越快，反之則越慢。

(2)Philip公式。

I(t)=St1/2

式中:I(t)為累積入滲量，mL；S為吸滲率，mL/min0.5[20]。

1.5 統(tǒng)計分析

采用方差分析檢驗活性炭、HPMC對入滲曲線模擬參數(shù)的效應，圖表繪制和數(shù)據(jù)處理用Excel 2010和origin 8.0軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同變量條件對土壤入滲的影響

圖1和圖2分別為未施加和施加HPMC時添加不同含量生物炭時的累積入滲曲線；圖3和圖4分別為添加2%和4%生物炭時添加不同含量HPMC的累積入滲曲線。在未施加HPMC時，各個生物炭用量的土壤累積入滲量之間差異較小，未添加生物炭時的入滲量大致居于添加2%和4%生物炭之間，添加4%時略低于添加2%時的累積入滲量(圖1)；施加HPMC時，添加2%和4%生物炭用量累積入滲量均顯著減小，且兩者累積入滲量差異不大(圖2)；在添加2%生物炭用量前提下，施加HPMC可明顯降低累積入滲量(圖3)；在添加4%生物炭用量前提下，施加HPMC可降低累積入滲量，但效果弱于添加2%生物炭用量時的值(圖4)。

圖1 未施加HPMC不同含量生物炭累積入滲量隨時間變化Fig.1 Cumulative infiltration of different amounts of biochar without HPMC changes with time

圖2 0.3 g/kg HPMC處理下不同含量生物炭累積入滲量隨時間變化Fig.2 Cumulative infiltration of different amounts of biochar changes with time at 0.3 g/kg HPMC

圖3 2%生物炭處理下不同含量HPMC土壤累積入滲量隨時間變化Fig.3 Cumulative infiltration of different levels of HPMC soils changes with time under 2% biochar treatment

圖4 4%生物炭處理下不同含量HPMC土壤累積入滲量隨時間變化Fig.4 Cumulative infiltration of different levels of HPMC soils changes with time under 4% biochar treatment

2.2 入滲曲線參數(shù)分析

國內(nèi)外學者在研究土壤水分入滲過程中建立了許多數(shù)學模型，以分析土壤水分入滲過程隨時間的變化特征，但不同的入滲模型都有其適用性[21]。

為進一步研究HPMC施加和生物炭用量對土壤水分入滲的過程，本研究分別采用Kostiakov公式和Philip公式對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析。擬合結(jié)果見表1。

表1 2種入滲公式參數(shù)擬合結(jié)果Tab.1 Parameter fitting results of two infiltration formulas

(1)Kostiakov公式。利用Kostiakov公式擬合不同處理的土壤入滲過程，其R2都在0.98以上，表明擬合結(jié)果較好，說明此公式可以用于分析本研究中的土壤入滲過程。不管土壤中是否施加HPMC，隨著生物炭的增加，K值均逐漸減小，表明生物炭的添加量對K值有影響；在施加HPMC后，不同生物炭處理的試驗組K值相較于未施加HPMC的均較大下降，表明施加HPMC對K值有較大影響。

(2)Philip公式。土壤吸滲率(S)指土壤依靠毛管力釋放或吸收液體的能力,是土壤的一個重要性質(zhì)，可以反映土壤入滲能力，對土壤入滲初期入滲率的大小起主要作用[22]。未施加HPMC時，0%與2%生物炭用量吸滲率相差不大，4%生物炭用量時較于前者吸滲率有所下降。表明未施加HPMC時2%生物炭用量抑制土壤入滲初期水分下移作用不明顯，而4%生物炭用量抑制入滲初期水分下移作用明顯。施加HPMC后，0%生物炭用量吸滲率明顯大于2%和4%生物炭用量吸滲率，且2%和4%生物炭用量之間的吸滲率差異較小。表明在施加HPMC后，2%和4%生物炭用量相較于未添加生物炭時抑制土壤入滲初期水分下移作用明顯，4%生物炭用量相較于2%生物炭用量抑制效果不明顯。

2.3 不同入滲條件下濕潤峰變化趨勢分析

濕潤峰為土壤入滲過程中濕潤區(qū)前緣，即水分入滲最大深度[23]。水分入滲過淺時不能滿足作物根系吸水要求，過深則易產(chǎn)生深層滲漏，因此研究入滲過程中濕潤峰推移過程對于農(nóng)田灌排具有重要指導意義[24]。未施加HPMC時，相同時間內(nèi)，土壤濕潤峰距離明顯隨著生物炭用量的增多而下降。施加0.3 g/kg HPMC，土壤濕潤峰距離隨著生物炭用量的增多而下降，其中2%和4%生物炭用量土壤濕潤峰距離明顯小于未施加生物炭試驗組，但2%和4%生物炭用量時濕潤峰距離差異不大。隨著時間的增加，入滲速率逐漸趨于穩(wěn)定后，濕潤峰下移量逐漸明顯，施加HPMC后的濕潤峰距離明顯低于未施加HPMC的試驗組。

圖5 不同處理下濕潤峰深度隨時間變化Fig.5 Wetting peak depth changes with time under different treatments

3 討 論

土壤入滲過程主要受供水強度和土壤入滲能力的影響。供水強度是一個外部因素，土壤的滲透性主要受土壤自身特征的影響，例如土壤容重，結(jié)構(gòu)，質(zhì)地和早期含水量[19]。此外，土壤層狀結(jié)構(gòu)的改變也會對土壤入滲和蒸發(fā)過程產(chǎn)生影響，層狀土壤水分運動不同于均質(zhì)土壤[25]，孔隙結(jié)構(gòu)的差異也會影響土壤層的水分含量、電導率和水力梯度。

生物炭作為外源性物質(zhì)進入土壤，其孔隙率和低堆積密度會直接影響土壤的物理結(jié)構(gòu)特征，會增加土壤孔隙度，改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)和數(shù)量，影響土壤堆積密度，改變土壤質(zhì)地和其他物理機制從而影響土壤水分的滲透[26]。HPMC具有廣泛的分散性、增稠性和黏結(jié)性，可將分散的、粒徑較小的土壤顆粒黏結(jié)成土壤大顆粒團聚體，土壤中不易降解，保水效率較高[18]。

本研究發(fā)現(xiàn)，施加HPMC可導致紫色土入滲能力明顯降低，表現(xiàn)在吸滲率降低，這主要是因為HPMC與土壤中下滲的水結(jié)合形成水凝膠，減弱了水分的下滲能力。未施加HPMC時，4%生物炭用量的土壤略低于2%生物炭用量時的累積入滲量，是由于生物炭具有多孔性和較低的堆積密度，雖然與土壤混合后大孔隙數(shù)量增加，但有效孔隙可能減小，從而改變了土壤孔隙度和土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征，下滲過程中水分運動通道的復雜化限制了水分入滲[26]。施加0.3 g/kg HPMC條件下，2%生物炭用量和4%生物炭用量時的入滲能力均弱于未添加生物炭的試驗組，但兩者差異不大，可能是因為在添加兩種用量生物炭(2%，4%)時，由于HPMC產(chǎn)生的水凝膠均可完全堵塞其形成的大孔隙，水分下移能力不再受生物炭用量影響。

4 結(jié) 論

施加適量HPMC，紫色土隨生物炭含量增多可大幅度降低土壤入滲能力，添加4%含量生物炭時效果最為明顯，但和2%含量生物炭時差異較小。采用Kostiakov公式和Philip公式均能較好擬合本研究中的土壤入滲過程，且在HPMC條件下施加2%和4%含量的生物炭，其吸滲率差異不大。該研究結(jié)果表明HPMC和生物炭共施條件下對紫色土水分入滲的影響，對類似研究和紫色土的水土條件改良有一定的價值意義。