微咸水滴灌對添加生物炭土壤水鹽分布的影響

雷傲云， 王宇航， 郭 陽， 牛延偉， 孫婷婷

(塔里木大學 水利與建筑工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

土壤鹽漬化是指土壤底層或地下水的鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后，使鹽分積累在表層土壤中的過程。鹽漬化土壤改良方法有通過設(shè)置排堿溝、暗管、大水漫灌等技術(shù)的水利改良措施和施入脫硫石膏等化學改良措施、種植耐鹽堿作物的生物改良措施和加沙等物理改良措施。秸稈、樹木等材料在高溫缺氧或低氧條件下裂解產(chǎn)生的生物炭具有較強的離子吸附和離子交換性能，同時生物炭具有較大的比表面積，施入土壤可以降低土壤容重，改善土壤入滲速率和水鹽遷移過程[1-2]，在鹽堿地中具有很好的使用效果[3-5]。新疆南疆具有大量的鹽堿地和豐富的(微)咸水資源，鹽堿化破壞土壤團粒結(jié)構(gòu)，使土壤板結(jié)進而對土壤的通氣、保水、持水等能力產(chǎn)生影響，導致作物根系吸收水分和養(yǎng)分困難，進而影響土壤適耕性和作物產(chǎn)量。為此，對添加生物炭土壤不同礦化度水滴灌土壤水鹽分布開展試驗研究，為南疆鹽堿地改良和微咸水利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在塔里木大學水利與建筑工程學院校內(nèi)實習基地進行，供試土壤類型為砂壤土，初始含鹽量為2.66 g/kg，灌溉水由鹽堿土經(jīng)溶解、沉淀、過濾后的浸提液和淡水進行配制。生物炭碾磨過0.5 mm篩后待用。

1.2 試驗方法

試驗土箱由厚度6 mm的有機玻璃制成，長×寬×高為120 cm×60 cm×60 cm，有機玻璃土箱緊貼在由角鋼焊接框架的內(nèi)側(cè)。田間0～30 cm深度土壤風干、去雜、過1 mm土篩，每5 cm一層按照土壤干容重1.4 g/cm3進行裝填，裝填時每層土壤之間進行打毛防止土層間出現(xiàn)分層現(xiàn)象。裝填至土箱30 cm厚度時進行生物炭添加，生物炭添加量按照土樣上層0～30 cm深度干土重(120 cm×60 cm×30 cm×1.4 g/cm3=302.4 kg)的百分比進行添加，試驗設(shè)計2個水平的生物炭添加質(zhì)量，分別為土箱0～30 cm以上干土質(zhì)量的0.2%(604.8 g)和0.4%(1 209.6 g)，裝填時生物炭和土樣人工多次攪拌使其混合均勻。灌溉水礦化度設(shè)計3個水平，分別為淡水(礦化度0.6 g/L)、微咸水(礦化度2.1 g/L)和咸水(礦化度5.5 g/L)。共計6個處理， 3次重復。裝土完成靜止24 h后進行滴灌入滲試驗。

試驗時用塑料桶裝5 L試驗水樣懸掛在試驗土箱上部50 cm位置，醫(yī)用注射器一端插入塑料桶，一端放置在有機玻璃土箱側(cè)面10 cm處，模擬滴灌空氣中滴頭流量為1.8 L/h。試驗過程濕潤體如圖1所示。

圖1 試驗土壤濕潤體

1.3 測定指標

各處理入滲后相同時間段分別在有機玻璃土箱側(cè)面描繪水平和垂向濕潤鋒運移位置。入滲完成后以滴頭位置為中心向下和水平方向分別進行取樣，取樣方式為自制直徑1 cm的土鉆，每隔5 cm取一個點，取至濕潤體邊緣。烘干法測定土壤含水率，用DDS-308A雷磁電導率儀測定土壤電導率值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭添加量微咸水滴灌土壤的水分分布

從圖2可知，滴頭埋深10 cm時各處理土壤剖面水分分布特征基本一致，土壤含水率從滴頭附近向濕潤體外側(cè)逐漸降低。對于淡水和微咸水滴灌，生物炭添加量有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤導水性能，淡水和微咸水滴灌0.4%生物炭添加量較0.2%生物炭促進水分擴散的效果好。當?shù)V化度增加到5.5 g/L(咸水)時，0.4%生物炭添加量降低水分水平和豎向擴散，主要是灌溉水礦化度增加使水中鈉離子含量增加，而鈉離子具有分散土壤顆粒的作用，降低土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，減小土壤孔隙，使土壤導水能力減小。

注：A、B、C分別為淡水、咸水、咸水滴灌0.2%生物炭土壤，D、E、F分別為淡水、咸水、咸水滴灌0.4%生物炭土壤。

生物炭添加量為0.2%和0.4%時，淡水灌溉入滲后滴頭附近10 cm×10 cm濕潤體內(nèi)土壤含水率基本一致，生物炭并未表現(xiàn)出土壤水分的持水能力，但隨灌溉水礦化度增加，灌溉水中鹽分離子增加，生物炭添加對滴頭附近土壤水分的持水能力增加，微咸水灌溉0.4%生物炭添加量滴頭附近10 cm×10 cm濕潤體內(nèi)土壤平均含水率比0.2%生物炭添加量增加1.75%，咸水灌溉增加40.63%。可見隨生物炭添加量和灌溉水礦化度增加滴頭附近濕潤體內(nèi)土壤含水率增加，土壤持水能力增強。

2.2 不同生物炭添加量下微咸水滴灌土壤的電導率分布

滴灌鹽分淋洗作用使滴頭附近土壤電導率值降低，鹽分向濕潤體邊緣集聚，隨灌溉水礦化度增加滴頭附近鹽分淋洗效果減弱。添加生物炭有利于土壤鹽分的淋洗，淋洗效果隨灌溉水礦化度增加而減弱，0.2%生物炭添加量淡水、微咸水、咸水灌溉時濕潤體邊緣15 cm處0～30 cm土壤深度鹽分積鹽率分別為79.02%、20.99%和15.56%，0.4%生物炭添加量淡水、微咸水、咸水灌溉時濕潤體邊緣15 cm處0～30 cm土壤深度鹽分積鹽率分別為50.22%、15.98%和1.25%。土壤濕潤體內(nèi)電導率值隨灌溉水礦化度增加而增加，0.2%生物炭添加量微咸水、咸水灌溉時濕潤體內(nèi)平均土壤電導率值分別比淡水灌溉時增加37.15%和118.68%，0.4%生物炭添加量分別增加42.25%和123.70%。

淡水灌溉時生物炭添加量的增加有利于鹽分淋洗，但是隨著礦化度增加，微咸水灌溉入滲后滴頭附近10 cm×10 cm濕潤體內(nèi)0.4%生物炭添加量的電導率值比0.2%生物炭添加量的增加7.49%，咸水灌溉時增加20.21%。原因可能是由于生物炭具有較強的吸附作用，將Na+吸附并固定于生物炭聚合物中[6-7]，從而增加滴頭附近10 cm×10 cm濕潤體內(nèi)土壤平均電導率值。

3 小結(jié)

添加生物炭滴灌條件下土壤含水率從滴頭附近向濕潤體外側(cè)逐漸降低，土壤電導率從滴頭附近向濕潤體外側(cè)逐漸增加。添加生物炭淡水和微咸水滴灌可以促進土壤水分的運動，咸水滴灌不利于土壤水分的擴散。生物炭添加有利于土壤鹽分的淋洗，淋洗效果隨灌溉水礦化度增加而減弱。鹽漬化土壤添加生物炭隨灌溉水礦化度增加土壤水分擴散和鹽分淋洗作用減弱。