北盤江三疊系飛仙關(guān)組紫色砂巖風(fēng)化土壤保水性改良研究

劉 麗，魏 曉，文雪峰，彭益書，周 發(fā)，楊昌隆

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)茶學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

北盤江低熱河谷區(qū)具有豐富的光熱資源。研究區(qū)內(nèi)土壤類型以三疊系飛仙關(guān)組砂巖風(fēng)化的紫色土為主。此外，該區(qū)廣泛分布的紫色土富含磷、鉀等礦質(zhì)營養(yǎng)元素(喬貴星，2015)，也為該區(qū)發(fā)展山地立體農(nóng)業(yè)提供了得天獨厚的土壤資源。這些都是喀斯特地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)的稀缺資源。然而，由于低熱河谷區(qū)獨特的局地氣候條件，致使該區(qū)降雨少、蒸發(fā)大、植被退化嚴(yán)重。加之，紫色土保水性較差，進而加劇了北盤江河谷區(qū)的旱情，嚴(yán)重制約了該區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展(潘金華 等，2016)。因此，調(diào)控土壤水分是提升低熱河谷地區(qū)紫色土質(zhì)量和促進該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，施用土壤改良劑被認為是最有效和廣泛應(yīng)用的改良土壤結(jié)構(gòu)與提升土壤保水抗旱能力的方法(戰(zhàn)秀梅 等，2015；吳琳杰 等，2016)。

目前，采用生物炭與保水劑混施改良紫色土保水性的相關(guān)研究尚無報道。因此，本文將通過室內(nèi)土柱實驗，研究生物炭與保水劑混施對紫色土吸水倍數(shù)、水分蒸發(fā)以及持水性能的影響，旨在為提升紫色土保水能力和改善北盤江低熱河谷區(qū)旱情的研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.2 實驗設(shè)計

本次實驗采用自制土柱裝置。裝置主體選用內(nèi)徑為7 cm的PVC管，將760.00 g供試土壤以及適量的改良劑充分混合后填充于裝置內(nèi)部，底部用400目的尼龍布網(wǎng)和濾紙封口，如圖1所示。為了模擬低熱河谷區(qū)的真實氣溫，本次蒸發(fā)實驗的溫度設(shè)置為50°C(馬煥成 等，2020)。實驗采用雙因素四水平的實驗設(shè)計，即設(shè)置生物體和保水劑兩因素，根據(jù)土壤改良劑與土壤的質(zhì)量比，將兩個因素分別設(shè)置四個不同的施用量水平，即保水劑設(shè)置四個水平：0%、0.15%、0.3%和0.45%，生物炭設(shè)置四個水平：0%、1.5%、3%和4.5%。未添加任何土壤改良劑的原始紫色土設(shè)為空白處理，進行對照實驗，記作CK。兩因素的四個水平之間交叉搭配組合，共設(shè)置16個處理(表1)，每個處理重復(fù)3次。裝置內(nèi)加入過量蒸餾水，確保土壤完全潤濕。用保鮮膜封住PVC管頂口并置于支架上靜止72小時，待重力水完全漏失后，再將土柱轉(zhuǎn)移到烘箱中開始蒸發(fā)實驗，烘箱溫度保持50℃。每隔24小時稱量土柱質(zhì)量并記錄。

圖1 土柱裝置Fig.1 Soil column device

表1 實驗處理方案Table 1 Experimental treatment scheme

續(xù)表

1.3 計算公式

土壤吸水倍數(shù)=[(吸水后土壤質(zhì)量-原始土壤質(zhì)量)/原始土壤質(zhì)量] ×100%

(1)

土壤水分累積蒸發(fā)率=[(原始土壤水質(zhì)量-蒸發(fā)后土壤水質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量]×100%

(2)

土壤含水率=(土壤水質(zhì)量/烘干土質(zhì)量)×100%(余高 等，2019；王猛 等，2015)

(3)

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)及圖表處理采用Microsoft Excel2010、CoerDRAW2018和Origin2018。數(shù)據(jù)依托 SPSS 26.0軟件，采用LSD法進行多重比較，檢驗不同處理間的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理對紫色土吸水倍數(shù)的影響

圖2 不同處理的土壤吸水倍數(shù)(括號內(nèi)數(shù)值為相對CK的吸收倍數(shù)提升率)Fig.2 Soil water-absorbency of different treatments(The value in parentheses is the increase rate of absorption multiple relative to CK)

2.2 不同處理對紫色土水分蒸發(fā)率的影響

不同處理下，土壤水分累積蒸發(fā)率隨時間的變化如圖3所示。無論是CK，還是其余處理，紫色土的累積蒸發(fā)率隨時間變化趨勢大致相同。前4天，供試土壤的累積蒸發(fā)率迅速增加，第4天累積蒸發(fā)率均已超過60%；5-31天供試土壤的累積蒸發(fā)率持續(xù)增長，但增長速率明顯放緩。直至第31天，供試土壤的累積蒸發(fā)率已經(jīng)超過93%。這說明實驗前期(0-4天)，供試土壤空隙中的弱結(jié)合水優(yōu)先被蒸發(fā)，而且這部分水在總含水量的占比較高，已經(jīng)超過60%，這與紫色土疏松多孔的物理特性有關(guān)(郭永春 等，2021；李鳳潔，2021)。實驗中后期(5-31天)，土壤中的強結(jié)合水開始逐漸蒸發(fā)，由于這部分水受到土壤顆粒及改良劑的吸附作用，所以蒸發(fā)速率明顯降低。

圖3 不同處理的土壤水分累積蒸發(fā)率隨時間變化曲線Fig.3 Curve of soil moisture accumulation evaporation rate changing with time under different treatments

此外，從整體上看，絕大多數(shù)處理與CK相比都能不同程度的降低土壤水分的蒸發(fā)率(圖3小窗口)。到實驗后期不同處理對紫色土水分蒸發(fā)率的降低效果排序為：保水劑>混施處理>生物炭。其中，P3B0處理對紫色土水分蒸發(fā)率的降低效果最佳(圖3A)。這是因為保水劑通過滲透壓和物理吸附作用將水分子牢牢固定到網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而且保水劑吸水后呈凝膠狀，堵塞土壤孔隙，從而降低了土壤的通氣性，增強了土壤的抗蒸發(fā)能力(岑睿 等，2016；許健 等，2016)。同時，我們還發(fā)現(xiàn)低含量配比處理下，紫色土的累積蒸發(fā)率無明顯降低(例如P1B0)，甚至還會增加(例如P0B1、P1B1)。這說明施入少量生物炭能夠改善土壤孔隙度，同時生物炭的多微孔結(jié)構(gòu)可以提高土壤的通氣性和輸水能力(趙曉樂 等，2021)，因此促進了紫色土水分蒸發(fā)。

2.3 不同處理對土壤保水性的影響

圖4 不同處理的土壤相對含水率Fig.4 Soil relative water content under different treatments

表2 土壤相對含水率隨時間變化擬合方程Table 2 Fitting equation of soil relative water content over time

3 結(jié)論

通過室內(nèi)土柱實驗，研究了生物炭和保水劑的施用對紫色土吸水倍數(shù)、水分蒸發(fā)以及保水性的影響，研究結(jié)果顯示：

保水劑和生物炭的施用在一定程度上提高了紫色土的吸水倍數(shù)，而且保水劑對吸水倍數(shù)的提升效果比生物炭更為顯著，當(dāng)保水劑施用量到達限定值時，添加生物炭可進一步提高紫色土的吸水倍數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)紫色土的水分累積蒸發(fā)率呈現(xiàn)先增后緩的變化趨勢。高含量配比的處理改良紫色土的保水性能效果較為明顯。綜合分析本實驗P2B2(0.3%的保水劑和3.0%的生物炭)處理可使紫色土的保水性能達到最高。

鑒于保水劑與生物炭在紫色土的吸水倍數(shù)、蒸發(fā)率及相對含水率等方面都有較好的改良效果。本次實驗認為保水劑與生物炭適應(yīng)于低熱河谷區(qū)紫色土的保水性改良，可為低熱河谷區(qū)紫色土的水分管理提供參考。大規(guī)模推廣應(yīng)用還需開展大田試驗驗證。