馬鈴薯生物炭對(duì)土壤水分入滲及蒸發(fā)的影響

馬 貴，韓新寧，趙文霞，曹江平，劉 婷,楊宏斌

(1.寧夏師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，寧夏固原 756000； 2.寧夏師范學(xué)院六盤山資源工程技術(shù)研究中心，寧夏固原 756000)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 材 料

馬鈴薯秸稈和黑壚土均采自寧夏西吉縣某農(nóng)田(E105°47′47.49″，N36°3′18.77″)，山地草甸土采自當(dāng)?shù)啬成狡?E105°48′39.27″，N36°3′53.22″)。采用Z型采樣法采集深度為0～20 cm的土壤，去除雜質(zhì)，自然風(fēng)干，研磨過(guò)10目篩后備用。用激光粒度分析儀(Mastersizer2000)測(cè)定土壤顆粒組成。采集到的馬鈴薯秸稈用自來(lái)水洗凈后，風(fēng)干，剪成小段(10 cm)，干燥24 h后取出并研磨，過(guò)40目篩，裝入坩堝中壓實(shí)密封，在馬弗爐中限氧熱解(500℃)6 h，冷卻至室溫后取出，于研缽中研磨均勻，過(guò)80目篩,用1 mol/L的 HCl 洗 3 次，過(guò)濾后用去離子水洗至中性，烘干(70～80℃)后備用[17]。表 1

表1 土壤和生物炭的基本性質(zhì)Table 1 Properties of experimental soil and biochar

1.2 方 法

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)不同生物炭添加量，分別為0(CK)、1%(B1)、2%(B2)、3%(B3)、5%(B4)和7%(B5)，2種土壤，計(jì)12個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù) 3 次。按照土壤的容重，將生物炭與供試土樣混合物填裝到有機(jī)玻璃柱(內(nèi)徑15 cm，高50 cm)中至40 cm土柱(5 cm為一層，每層之間打毛表面)。定水頭供水試驗(yàn)通過(guò)馬氏瓶進(jìn)行(3 cm水頭)，濕潤(rùn)峰距離為每一時(shí)間點(diǎn)6個(gè)濕潤(rùn)峰點(diǎn)的平均值，根據(jù)馬氏瓶水位變化計(jì)算累積入滲量。當(dāng)土柱水分飽和且其底部滴水時(shí)，收集為淋溶液并用紫外分光光度計(jì)其中硝態(tài)氮的含量。然后，將土柱放入氣候箱中測(cè)定蒸發(fā)量(控制在30℃，連續(xù)測(cè)定33 d)，每天08：00稱量土柱并打開(kāi)人工氣候箱，20：00關(guān)閉人工氣候箱。按照E=M×10/(πr2)計(jì)算日蒸發(fā)量(E是日蒸發(fā)量，mm；M是土柱日質(zhì)量變化值，g；r為土柱內(nèi)半徑，cm)。表1

通過(guò)冪函數(shù)(y=axb)對(duì)土柱試驗(yàn)濕潤(rùn)峰距離y(mm)和入滲時(shí)間x(min)進(jìn)行擬合，其中：a為入滲系數(shù)(a值越大，代表土壤水分下滲越快，越小則下滲越慢)；b為入滲指數(shù)[18]。

用Philip 和 Kostiakov 模型擬合入滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究不同生物炭處理下2種土壤水分的垂直入滲規(guī)律。Philip 模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式：f(t)=0.5st-0.5+fc；Kostiakov模型：f(t)=atb，式中：f(t)為入滲速率，mm/min；fc為土壤穩(wěn)滲速率mm/min；t為時(shí)間，min；s、a和b為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)(a值越大，初始入滲率越大，b值越大，入滲率的衰減程度越大[19])。

通過(guò)冪函數(shù)(Ec=a×tb)對(duì)土壤蒸發(fā)量隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別用Origin 2018和Spss21.0作圖和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭含量對(duì)土壤濕潤(rùn)峰距離的影響

研究表明，隨著入滲時(shí)間推進(jìn)，各生物炭處理下的土壤濕潤(rùn)峰距離不斷增加，其濕潤(rùn)峰曲線也由陡峭逐漸向平緩過(guò)渡；土壤濕潤(rùn)峰距離在不同生物炭處理下的差異隨著入滲時(shí)間的推進(jìn)逐漸增大。

各生物炭處理對(duì)2 種土壤的濕潤(rùn)峰運(yùn)移均產(chǎn)生了明顯影響。隨著生物炭添加量的增加，山地草甸土的濕潤(rùn)峰距離逐漸變小且到達(dá)土柱底部(40 cm)所用時(shí)間逐漸增大，分別為319 min(B1)、298 min(B2)、353 min(B3)、403 min(B4)、422 min(B5)，適量生物炭的添加會(huì)減緩山地草甸中水分垂直移動(dòng)速度，有利于土壤水分的保持；在B1生物炭處理下，黑壚土濕潤(rùn)峰距離均比CK大且到達(dá)土柱底部時(shí)間(376 min)比CK(438 min)短，而在B2、B3、B4、B5處理下，濕潤(rùn)峰距離均小于CK且到達(dá)土柱底部的時(shí)間都比CK長(zhǎng)，分別為475 min(B2)、562 min(B3)、535 min(B4)、603 min(B5)，低添加量的生物炭(B1)增加了黑壚土的大孔隙的比例，使水分下滲速度加快，但隨著生物炭添加量逐漸加大，土壤的吸水能力會(huì)逐漸增強(qiáng)，減緩了水分的下滲。

a值隨著生物炭添加量的增加呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，即添加生物炭越多，土壤水分下滲越慢，生物炭對(duì)土壤水分下滲速度有較明顯的影響；但b值的規(guī)律性不明顯；不同處理的R2值都高于0.980，且顯著性檢驗(yàn)P<0.01，冪函數(shù)能夠較好地?cái)M合生物炭添加量和濕潤(rùn)峰距離之間的關(guān)系。圖1

2.2 生物炭含量對(duì)土壤累積入滲量的影響

研究表明，生物炭的添加對(duì) 2種土壤累積入滲量均產(chǎn)生了明顯的影響，當(dāng)入滲時(shí)間一定時(shí)，2種土壤累積入滲量均隨著生物炭添加量增加逐漸減少，山地草甸土入滲量減幅比黑壚土更明顯。

對(duì)于山地草甸土，當(dāng)入滲時(shí)間達(dá)到100 min時(shí)，CK、B1、B2、B3、B4和B5處理下累積入滲量分別為105.20、94.90、89.80、83.20、76.00和67.40 mm，比對(duì)照降低了9.79%～35.9%。各生物炭處理下，黑壚土累積入滲量在同一入滲時(shí)間段的大小依次是B1> CK> B2> B3> B4>B5。圖2

2.3 土壤水分入滲過(guò)程的擬合

研究表明，2種土壤在各生物炭處理下的Kostiakov 模型中a 值大小均依次為CK>B1>B2>B3>B4>B5，而參數(shù)b的變化產(chǎn)生不同的變化規(guī)律，2種土壤的初始入滲率均隨生物炭添加量的增加逐漸減小。Philip和 Kostiakov 入滲模型對(duì)2種土壤下滲過(guò)程的擬合效果存在一定差異，Philip 模型更適合描述山地草甸土的水分入滲過(guò)程，Kostiakov 模型更適合描述黑壚土的水分入滲過(guò)程。表2

2.4 生物炭對(duì)土壤蒸發(fā)特性的影響

研究表明，2種土壤的累計(jì)蒸發(fā)量均隨著生物炭添加量的增加顯著降低(P<0.05)，但山地草甸土的降低幅度大于黑壚土；在同一時(shí)間段內(nèi)，山地草甸土在各處理下的土累積蒸發(fā)量均大于黑壚土；在第33 d，山地草甸土在B1、B2、B3、B4、B5處理下累積蒸發(fā)量較對(duì)照(CK)分別降低2.62%、3.95%、5.79%、10.67%、13.84%，黑壚土分別降低1.50%、7.55%、9.12%、14.15%、18.21%。生物炭添加量的增加能有效抑制2種土壤水分蒸發(fā)。圖3

研究表明，各處理決定系數(shù)(R2)均大于0.944，擬合精度均較高。生物炭添加量越大，土壤的平均蒸發(fā)速率越小。表3

2.5 生物炭對(duì)不同質(zhì)地土壤硝態(tài)氮淋溶的影響

表 3 累計(jì)蒸發(fā)量(Ec)與時(shí)間(t)回歸關(guān)系Table 3 Regression relationship between accumulated evaporation and time

3 討 論

濕潤(rùn)鋒在土壤水分運(yùn)移時(shí)濕潤(rùn)層的最前端，是土壤濕潤(rùn)層與干燥層的分界線，可展示土壤水分在土壤基質(zhì)吸力和重力作用下的運(yùn)動(dòng)特征[12,18]。土壤自身容重、水分狀況、孔隙結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等特性是影響土壤下滲過(guò)程的主要內(nèi)部因素[20]。試驗(yàn)中，隨著入滲時(shí)間的推進(jìn)，2種土壤在馬鈴薯生物炭處理下濕潤(rùn)峰距離不斷增加，各濕潤(rùn)峰曲線由入滲初始階段較陡逐漸向平緩過(guò)渡，這與許多研究[21-23]結(jié)果一致。這主要是由于在水分下滲的初始階段，土壤比較干燥，基質(zhì)勢(shì)較大，加上生物炭巨大的表面積和其含有的大量親水官團(tuán)加速了土壤對(duì)水分的吸收[22]，所以入滲初始階段的濕潤(rùn)峰進(jìn)程快，累計(jì)入滲量大，但隨著水分含量增加，土體表層的持水量就開(kāi)始逐漸達(dá)到飽和，使得濕潤(rùn)峰和累積入滲量曲線逐漸變得平緩。馬鈴薯生物炭添加量的變化對(duì)2 種土壤的濕潤(rùn)峰運(yùn)動(dòng)特征和累計(jì)入滲量都產(chǎn)生了明顯影響，生物炭對(duì)濕潤(rùn)峰距離和累積入滲量減弱作用隨著其添加量的增加逐漸增強(qiáng)，李帥霖等[24]的研究也得了相似的結(jié)果，因?yàn)樯锾刻砑硬粌H增大了土壤表面積和孔隙度，而且破壞了土壤顆粒間的黏結(jié)，大量土壤水分被土壤吸附固定，降低土壤水分入滲速度，增強(qiáng)其持水能力[25]。馬鈴薯生物炭的添加能改善2種土壤水分迅速下滲、持水性能弱的問(wèn)題。

累計(jì)入滲量常被用于表征入滲過(guò)程未達(dá)到穩(wěn)定時(shí)土壤的入滲能力，是指在一定時(shí)間段內(nèi)單位表面積土壤入滲水分的總量[20,21]。研究結(jié)果表明，當(dāng)入滲時(shí)間相同時(shí)，山地草甸土潤(rùn)峰距離和累積入滲量隨著生物炭添加量的增加顯著減少，而黑壚土的濕潤(rùn)峰距離和累積入滲量在馬鈴薯生物炭添加量較小(1%)時(shí)均比CK大，但在2%、3%、5%和6%處理下都顯著小于CK，可見(jiàn)，大于1%的生物炭添加量，能減少黑壚土入滲速度，提高其持水能力，與肖茜等[5]研究生物炭對(duì)黃棉土的下滲影響的結(jié)論一致。添加生物炭對(duì) 2 種不同質(zhì)地土壤的濕潤(rùn)峰距離和累計(jì)入滲量的影響有差異，而黑壚土的黏粒含量比山地草甸土高，致使黑壚土持水能力比山地草甸土強(qiáng)，低生物炭添加量更加容易增大黑壚土的表面積及孔隙度，促進(jìn)了水分的吸收，但當(dāng)添加量逐漸增大時(shí)，大量生物炭吸附了土壤中的其它微小顆粒，堵塞了土壤中水分流通的孔隙，導(dǎo)致土壤入滲能力下降。 較低的生物炭添加量(B1)增加了黑壚土的累積入滲量，但當(dāng)生物炭添加量繼續(xù)增加時(shí)，土壤累積入滲量卻逐漸減小，這與方圓等[26]對(duì)塿土的研究結(jié)果相似。

4 結(jié) 論

4.1馬鈴薯生物炭添加量減緩了山地草甸土水分下滲速度，降低了累積入滲量。低生物炭添加量(1%)促進(jìn)了黑壚土的水分下滲，增加了累積入滲量，而較高添加量(2%～5%)減緩黑壚土的水分入滲速度，降低其累積入滲量。冪函數(shù)能較好的擬合各馬鈴薯生物炭處理下2種土壤的濕潤(rùn)峰距離與下滲時(shí)間之間的關(guān)系；Philip入滲模型能更好體現(xiàn)山地草甸土的水分入滲過(guò)程，Kostiakov模型能更好反映黑壚土的水分入滲過(guò)程。

4.2馬鈴薯生物炭顯著降低了山地草甸土和黑壚土的累積蒸發(fā)量(33 d)，土壤蒸發(fā)量和時(shí)間復(fù)合冪函數(shù)關(guān)系。