微咸水對(duì)生物炭作用下鹽堿土水鹽運(yùn)移特征的影響

王世斌，高佩玲,*，趙亞?wèn)|，相龍康，孟慶梅，牛曉音

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

中國(guó)淡水資源匱乏，人均淡水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1/4，是世界上人均淡水資源占有量最為匱乏的國(guó)家之一[1]，同時(shí)鹽堿地面積已達(dá)9 913萬(wàn)hm2，約占全國(guó)土地面積的10.3%，且呈不斷擴(kuò)大趨勢(shì)[2]，淡水資源短缺及鹽堿地面積大，嚴(yán)重制約著中國(guó)灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1-3].黃河三角洲地區(qū)是中國(guó)重要的糧棉油生產(chǎn)基地，地下微咸水資源儲(chǔ)量豐富且開發(fā)利用較少，同時(shí)鹽堿地面積大，作物秸稈資源量豐富、焚燒浪費(fèi)較多[2-3].因此，合理利用微咸水資源并結(jié)合秸稈廢棄物制成的生物炭改良劑，在節(jié)水基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鹽堿地的綜合改良具有重要的理論現(xiàn)實(shí)意義.

近年來(lái)，微咸水灌溉和生物炭改良劑用于鹽堿土壤的改良已進(jìn)行了大量研究.微咸水用于農(nóng)田灌溉能夠起到緩解干旱，彌補(bǔ)淡水資源不足，提高水資源利用效率的作用[3-5].戴繼航等[4]發(fā)現(xiàn)，微咸水替代淡水灌溉能夠節(jié)省24.04%～48.08%的淡水資源.吳忠東等[6]通過(guò)咸淡組合淋洗研究發(fā)現(xiàn)采用微咸水灌溉能夠明顯提升土壤的入滲性能，且咸-淡-咸的組合方式提升效果最佳.劉小媛等[7-8]采用間歇灌溉鹽漬土研究發(fā)現(xiàn)，土壤剖面含鹽量分布主要由入滲水礦化度決定，采用合適礦化度的微咸水灌溉能夠降低各土層土壤含鹽量，減緩表層土壤返鹽.生物炭作為一種新型土壤改良劑，因具有多孔結(jié)構(gòu)、強(qiáng)吸附、較高的陽(yáng)離子交換等特性，用于鹽堿地的改良，能起到降低土壤容重、抑制表層土壤返鹽、減緩水鹽聯(lián)合脅迫、改善土壤環(huán)境等作用[3,9-11].孫梟沁等[12]研究表明，生物炭能夠影響鹽堿土壤的水鹽運(yùn)移規(guī)律，一定程度提升了土壤的入滲能力、持水性能和水肥利用效率，起到壓鹽保水的作用.SHAFAQAT等[13]研究表明，鹽堿土壤中施加生物炭能夠減緩水鹽聯(lián)合脅迫對(duì)作物造成的影響.綜上所述，目前對(duì)鹽堿地改良多集中在單一的微咸水灌溉或摻加生物炭處理，缺乏在摻生物炭基礎(chǔ)上采用微咸水灌溉對(duì)鹽堿地綜合改良效果的研究.

文中以黃河三角洲地區(qū)中度鹽堿土為研究對(duì)象，在室內(nèi)進(jìn)行一維垂直入滲試驗(yàn)，采用微咸水灌溉并結(jié)合生物炭改良劑對(duì)鹽堿土壤的改良效應(yīng)，研究微咸水礦化度對(duì)生物炭作用下中度鹽堿土的累積入滲量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度隨時(shí)間變化規(guī)律，以及土壤剖面含水率、含鹽量再分布的特征，以期為黃河三角洲地區(qū)微咸水的合理開發(fā)利用及鹽堿地的綜合改良提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤取自山東省濱州市濱城區(qū)中裕高效生態(tài)農(nóng)牧循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園的小麥耕地，根據(jù)華北平原土壤鹽堿化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，供試土壤類型為中度鹽堿土[9].取土深度為40 cm[5]，每20 cm分層取擾動(dòng)土與原狀土，每層3個(gè)重復(fù).原狀土取回后，用于測(cè)定田間持水率和土壤容重，擾動(dòng)土經(jīng)自然風(fēng)干并過(guò)篩(2 mm)，混合均勻制成室內(nèi)試驗(yàn)用土并測(cè)定土壤的理化性質(zhì)，利用英國(guó)Malvern Mastersizer 3000型激光粒度儀測(cè)定土壤砂粒、黏粒、粉粒占比，依據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤進(jìn)行劃分，屬于粉砂質(zhì)壤土，土壤類型為中度鹽化土，土壤容重為1.39 g/cm3田間持水率為28.62%，pH為8.19，風(fēng)干含水率為2.00%，EC5∶1為0.961 mS/cm，全鹽量為2.381 g/kg, 砂粒、粉粒、黏粒占比分別為20.26%，76.78%，2.96%.

生物炭改良劑為棉花秸稈在800 ℃以下經(jīng)72 h熱解而成，由山東省銘宸環(huán)衛(wèi)設(shè)備有限公司生產(chǎn)，容重為0.297 g/cm3，pH為8.6，含碳量為73%，EC5∶1為2.07 mS/cm，含氮量為0.9%，有效鉀為1.6%.

試驗(yàn)用水包括3種礦化度的微咸水和淡水(去離子水)，不同礦化度的微咸水是根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤}分組成特點(diǎn)，在室內(nèi)用化學(xué)試劑配置而成.各化學(xué)試劑用量及實(shí)測(cè)礦化度見(jiàn)表1，表中ρ為水中各化學(xué)組成的質(zhì)量濃度，M為礦化度，Ma為實(shí)測(cè)礦化度.

表1 試驗(yàn)用水的化學(xué)組成及實(shí)測(cè)礦化度

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要是由有機(jī)玻璃制成且表面具有刻度的土柱和馬氏瓶[8].土柱高90 cm，內(nèi)徑為8 cm，側(cè)面10 cm以下每5 cm具有直徑為1.5 cm的取樣小孔，便于試驗(yàn)結(jié)束后立即取樣測(cè)定土壤含水率，馬氏瓶?jī)?nèi)徑為8 cm、高為50 cm，試驗(yàn)時(shí)調(diào)整高度，使供水水頭控制在2 cm左右.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室內(nèi)進(jìn)行一維垂直入滲試驗(yàn)，研究微咸水礦化度對(duì)生物炭條件下土壤入滲機(jī)理的影響.試驗(yàn)過(guò)程中按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻加生物炭，生物炭與土壤的質(zhì)量比為1%；CK(淡水)、W1(2 g/L微咸水)、W2(4 g/L微咸水)、W3(5 g/L微咸水)、C1(炭土比1%的生物炭，淡水)、W1C(炭土比1%生物炭，2 g/L微咸水)、W2C(炭土比1%生物炭，4 g/L微咸水)、W3C(炭土比1%的生物炭，5 g/L微咸水)，各處理重復(fù)3次.土柱內(nèi)裝土高度為80 cm，每層5 cm共16層，層間打毛，根據(jù)土壤容重均勻裝填，共計(jì)5.698 kg，0～20 cm土層做摻生物炭處理，20～80 cm的土層為純土層，裝填完成后，計(jì)算灌水定額[5]為743.6 mL，試驗(yàn)過(guò)程中記錄濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度和馬氏瓶水位，試驗(yàn)結(jié)束，測(cè)定各層土壤含水率、土壤含鹽量.

1.4 樣品測(cè)定與方法

土壤含水率：烘干法[14]測(cè)定，鋁盒稱重后放入30 g樣土，在105 ℃下烘干12 h，冷卻后立即稱重.

土壤含鹽量：利用雷磁DDS-11A型電導(dǎo)率儀測(cè)定土壤浸提液的電導(dǎo)率[14]，根據(jù)該地區(qū)土壤浸提液電導(dǎo)率與土壤含鹽量的線性關(guān)系，將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量，計(jì)算公式[8]為

y=2.160×EC5:1+0.303，

(1)

式中：y為土壤含鹽量，g/kg；EC5∶1為25 ℃下水土比5∶1的浸提液電導(dǎo)率，mS/cm.

土壤脫鹽率：達(dá)到脫鹽效果區(qū)域的土壤脫鹽量平均值與初始土壤含鹽量的比值.

脫鹽區(qū)深度：入滲后土壤含鹽量低于初始土壤含鹽量的深度.

脫鹽區(qū)深度系數(shù)：脫鹽區(qū)深度與入滲完成時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度的比值.

達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度：土壤含鹽量低于2 g/kg的土層深度.

達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)：達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度與入滲完成時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度的比值.

1.5 入滲模型

土壤入滲模型是根據(jù)入滲速率隨時(shí)間變化規(guī)律來(lái)評(píng)價(jià)入滲過(guò)程的[7].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了相關(guān)研究，并建立了相關(guān)模型，其中常用的模型有：Green-Ampt模型、Kostiakov模型、Philip模型等[7].根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比3種模型下各處理的入滲過(guò)程，并分析其適用性.

Green-Ampt入滲模型為

(2)

式中：i為入滲速率,cm/min；Ks為土壤表征飽和導(dǎo)水率,cm/min；I為累積入滲量，cm；Sf為濕潤(rùn)鋒面吸力，cm；θs為土壤飽和含水率，cm3/cm3；θi為土壤初始含水率，cm3/cm3；

Philip入滲模型為

i=1/2St-0.5+A，

(3)

式中：S為土壤吸濕率，cm/min0.5；t為入滲時(shí)間，min；A為常數(shù)，cm/min.

Kostiakov入滲模型為

i(t)=Kt-α，

(4)

式中：K，α根據(jù)實(shí)測(cè)資料擬合所得.

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤水分入滲的影響

微咸水礦化度對(duì)原土、摻生物炭土壤的累積入滲量I和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度h影響見(jiàn)圖1和圖2.

由圖1和圖2可知，各處理的累積入滲量和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度隨時(shí)間的延長(zhǎng)入滲速度均呈增加趨勢(shì).在入滲初期，入滲速度較快，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)入滲速度逐漸變慢.相同入滲時(shí)間下，各處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度和累積入滲量從大到小依次為W2C，W2，W3，W1C，W1，W3C，C1，CK，表明摻加生物炭處理后，采用低礦化度微咸水灌溉的土壤入滲能力優(yōu)于高礦化度微咸水，造成這一變化規(guī)律原因是低礦化度微咸水和生物炭改善了土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土壤的導(dǎo)水能力，高礦化度的微咸水中離子含量豐富，帶入土壤中Na+數(shù)量增多，在生物炭強(qiáng)吸附、較高的離子交換作用下對(duì)土壤水分入滲產(chǎn)生了影響[8]；W1，W2，W3，C1，W1C，W2C和W3C的相同灌溉定額入滲完成耗時(shí)分別比CK低37.3%，44.1%，42.6%，8.5%，38.6%，46.4%，35.1%.

圖1 微咸水礦化度對(duì)土壤的累積入滲量隨時(shí)間的變化

圖2 微咸水礦化度對(duì)土壤的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度隨時(shí)間的變化

綜上所述，土壤摻生物炭處理和微咸水灌溉均能提升土壤的入滲能力，在摻加生物炭的基礎(chǔ)上采用低礦化度微咸水灌溉能更有效地提升土壤入滲能力，其中4 g/L微咸水增幅最大.

表2為3種入滲模型的擬合參數(shù).由表可以看出，Green-Ampt，Philip，Kostiakov模型的擬合效果均較好，決定系數(shù)R2均在0.943以上，但Green-Ampt和Philip模型的擬合參數(shù)中，穩(wěn)定入滲率A、土壤表征飽和導(dǎo)水率Ks、濕潤(rùn)鋒面吸力Sf均出現(xiàn)負(fù)值，不符合一維垂直入滲試驗(yàn)的實(shí)際情況，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需進(jìn)一步優(yōu)化，故Kostiakov模型能夠更準(zhǔn)確地描述入滲真實(shí)過(guò)程，在實(shí)際應(yīng)用中適應(yīng)性更強(qiáng)，且Kostiakov模型中的α，在土壤條件一定時(shí)，隨著微咸水礦化度的增加先減小后增加，說(shuō)明隨著微咸水礦化度增加，入滲率衰減先慢后快，入滲水礦化度一定時(shí)，生物炭的添加使α的值減小，說(shuō)明摻加生物炭使入滲速率衰減變慢.

表2 3種入滲模型的擬合參數(shù)

2.2 對(duì)土壤水分垂直分布的影響

不同處理的0～40 cm土層土壤含水率θ如表3所示.由表3可知，入滲結(jié)束后，各處理的土壤含水率隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)，且表層土壤含水率接近土壤飽和含水率；相同土壤條件下，隨著微咸水礦化度的增加，各處理同一土層的土壤含水率均先增加后降低，其中，采用4 g/L微咸水入滲結(jié)束后，土壤含水率最大，原因是微咸水灌溉后改善了土壤孔隙特征，提升了土壤容水性能，當(dāng)?shù)V化度達(dá)到一定程度時(shí)，進(jìn)入土壤中鈉離子較多，使土壤顆粒收縮，膠體顆粒膨脹，土壤的容水性能降低[6-9]；入滲水礦化度一定時(shí)，摻生物炭處理的土壤含水率明顯大于未摻生物炭處理.0～20 cm土層W1,W2,W3,C1,W1C,W2C,W3C處理的土壤含水率較CK分別提升了2.64%,4.84%,2.59%,2.56%,5.80%,8.29%,6.64%.綜上所述，微咸水灌溉和生物炭處理均能提升表層土壤含水率，但在施用生物炭后采用微咸水灌溉對(duì)0～20 cm土層土壤含水率提升效果更顯著，其中4 g/L微咸水灌溉增幅最大.

表3 不同處理的各土層土壤含水率

2.3 對(duì)土壤鹽分再分布的影響

土壤鹽分含量對(duì)作物的生長(zhǎng)起重要的作用，也是鹽堿地綜合改良的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo).

圖3為不同處理各土層土壤鹽分再分布特征.由圖可知，入滲完成后，各處理0～35 cm土層土壤含鹽量均小于初始含鹽量，土壤含鹽量平均值從大到小依次表現(xiàn)為W3C，W3，W2，W2C，W1C，W1，C1，CK，采用淡水灌溉的土壤含鹽量平均值小于微咸水灌溉的，且隨著入滲水礦化度的增加，各層土壤含鹽量平均值也隨之增加，其原因是微咸水自身含有一定的鹽分，在入滲的過(guò)程中，微咸水中的鹽分隨水進(jìn)入土壤，根據(jù)質(zhì)量守恒原則，入滲完成后土壤含鹽量必然增加.在35～40 cm土層中，土壤含鹽量呈現(xiàn)一種突變狀態(tài)，在濕潤(rùn)鋒處達(dá)到最大值[5]；由圖3a可知，入滲水礦化度一定時(shí)，采用4 g/L的微咸水灌溉，摻生物炭處理的土壤含鹽量低于未摻生物炭處理的土壤，采用淡水、2 g/L和5 g/L的微咸水處理則相反，其原因與生物炭具有多孔性、大比表面積和較強(qiáng)的羥基吸附能力，增加了土壤鹽分的浸出，且4 g/L微咸水入滲性能較優(yōu)，加速了水溶性鹽分的淋洗有關(guān)[4,9]；從圖中可知，采用2 g/L微咸水灌溉入滲后土壤含鹽量較低，脫鹽效果較好.

圖3 不同處理各土層土壤鹽分再分布特征

為進(jìn)一步研究土壤鹽分垂直再分布的特征，引入如表4所示指標(biāo)對(duì)脫鹽效果做進(jìn)一步評(píng)價(jià)，其中r為脫鹽率平均值，d為脫鹽區(qū)深度，ηd為脫鹽區(qū)深度系數(shù)，ds為達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度，ηds為達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù).

表4 不同處理土壤鹽分分布指標(biāo)對(duì)比分析

由表4可知，各處理的脫鹽率平均值、脫鹽區(qū)深度、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度均隨著入滲水礦化度的增加呈降低趨勢(shì).采用4 g/L微咸水灌溉，摻加生物炭處理的脫鹽率平均值要高于未摻加生物炭處理，淡水、2和5 g/L微咸水處理則相反.入滲結(jié)束后，各處理脫鹽區(qū)深度、達(dá)標(biāo)脫鹽深度可達(dá)34 cm，采用微咸水處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度低于淡水灌溉的，致使微咸水處理的脫鹽區(qū)深度系數(shù)、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)均小于淡水灌溉的；綜合圖3和表5可得，各處理的脫鹽區(qū)深度、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度明顯大于鹽堿地區(qū)小麥根系主要集中區(qū)(0～30 cm)，且2 g/L微咸水處理的土壤脫鹽率平均值、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度與淡水灌溉的差異較小，明顯高于其他處理.綜上表明，在小麥根系主要集中區(qū)不產(chǎn)生鹽害條件下，采用2 g/L微咸水灌溉摻生物炭處理的土壤脫鹽效果較好.

3 結(jié) 論

1) 摻生物炭和微咸水灌溉均能提升土壤的入滲能力，在生物炭處理上采用低礦化度微咸水灌溉對(duì)土壤入滲能力提升效果顯著，W1C與W2C效果較優(yōu)，較CK入滲時(shí)間分別節(jié)省38.6%，46.4%.模型對(duì)比中，Kostiakov模型能夠更好地描述微咸水礦化度對(duì)生物炭作用下鹽堿土的土壤水分入滲過(guò)程.

2) 摻生物炭和微咸水灌溉均能提高表層土壤含水率，在摻生物炭基礎(chǔ)上采用微咸水灌溉的提升效果更顯著，處理W2C較CK增幅最大，為8.29%，且處理W1C與W2C差異較小.

3) 各處理的土壤含鹽量隨微咸水礦化度增加而增加，脫鹽區(qū)深度均大于30 cm，不會(huì)對(duì)鹽堿地區(qū)小麥根系產(chǎn)生鹽害；生物炭處理的脫鹽效果略小于未摻生物炭的，其中2 g/L微咸水灌溉與CK差異小，脫鹽效果顯著，脫鹽率可達(dá)47.4%.

綜上所述，基于生物炭處理的土壤入滲能力、土壤含水率優(yōu)于未摻生物炭的，2 g/L微咸水與4 g/L微咸水灌溉差異小，同時(shí)2 g/L微咸水灌溉的0～30 cm土層脫鹽率最高、效果顯著.因此，對(duì)黃河三角洲地區(qū)中度鹽堿土，建議摻加生物炭并采用2 g/L微咸水進(jìn)行灌溉.