不同調(diào)控模式下寒區(qū)土壤物理結(jié)構(gòu)與水力特性改良研究

付 強(qiáng) 石 凈 李天霄 侯仁杰

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,哈爾濱 150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150030)

0 引言

東北地區(qū)是氣候變化和土壤凍融循環(huán)的典型區(qū)域,而凍融作用作為一種非生物應(yīng)力,破壞土壤物理結(jié)構(gòu),降低土壤持水性、導(dǎo)水性、滲透性等物理屬性,從而導(dǎo)致土壤肥力降低,作物產(chǎn)量下降[1-2]。同時(shí),東北地區(qū)還存在嚴(yán)重的缺水干旱問題[3]。因此,尋找一種有效的調(diào)控措施來改善土壤結(jié)構(gòu)、土壤水分動(dòng)態(tài),以此提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤肥力,從而提高干旱土壤的物理、化學(xué)、生物修復(fù)能力非常重要。

施用外源生物質(zhì)材料被認(rèn)為是改善土壤性質(zhì)和提高糧食產(chǎn)量的有效策略。生物炭作為熱解的一種固態(tài)產(chǎn)物,具有高孔隙度、高比表面積、強(qiáng)大的吸附能力以及穩(wěn)定碳源的優(yōu)勢[4]。以往土壤試驗(yàn)應(yīng)用中已被證明能夠降低土壤容重,增加土壤總孔隙度(Soil total porosity,TP),從而提高保水增肥能力[5-6];增加飽和導(dǎo)水率和土壤持水能力;改變土壤孔徑分布、團(tuán)聚體分布[3],增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[7]。另外,秸稈材料能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤團(tuán)粒性質(zhì),有機(jī)質(zhì)會(huì)提高孔隙度、改變土壤密度,這是直接影響土壤質(zhì)量的重要因素[8];而秸稈覆蓋可以保留淺層土壤水分,抑制其蒸發(fā)。此外,生物炭和秸稈的聯(lián)合施用有利于增加土壤的毛管孔隙度、通氣孔孔隙度,從而增加土壤的持水能力,減少水分無效流失[9-10]。以往研究證實(shí)外源生物質(zhì)材料的作用效果與其粒度分布、施加量有關(guān),同時(shí)也取決于土壤類型、質(zhì)地。OBIA等[11]通過田間條件下研究不同種類生物炭及其粒徑對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、容重、保水性和孔徑分布的影響,粒徑1～5 mm生物炭顯著影響壤土的容重,而不同種類生物炭在次年效應(yīng)降低。WANG等[12]研究指出,當(dāng)生物炭孔隙體積較低或土壤質(zhì)地較好時(shí),生物炭對土壤水分保持的影響有限,而高劑量(≥10 t/hm2)、大粒徑(≥1 mm)的高孔容生物炭可以提高土壤蓄水能力較弱的粗質(zhì)地土壤的保水性,從而增強(qiáng)土壤在極端水文條件下的恢復(fù)能力。同時(shí)KINNEY等[13]研究認(rèn)為,400～600℃熱解的生物炭具有理想的水文特性(最小疏水性和高田間持水率),其中生物炭的官能團(tuán)能很好地揭示生物炭的疏水行為,但這無法解釋不同熱解溫度條件下對田間持水率的影響,因此需要進(jìn)一步研究土壤孔徑分布的影響機(jī)制。此外,劉燕青等[14]研究證明,秸稈覆蓋減少土壤無效蒸發(fā)20%～90%,但隨時(shí)間尺度變化,效果逐漸減弱。同時(shí),秸稈覆蓋提高土壤含水率和作物水分利用效率,降低對播種、出苗的不利影響。

張如鑫等[15]基于2年田間小區(qū)原位凍融試驗(yàn),探究不同生物炭施加量(15、30 t/hm2和無施加處理)對凍融期鹽漬化土壤物理性質(zhì)的影響機(jī)制,發(fā)現(xiàn)生物炭的持水性隨生物炭施加時(shí)間的增長而增加,同時(shí)施加生物炭抑制凍融期土壤溫度變幅,生物炭施加量30 t/hm2作用效果顯著。XIA等[16]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)老化生物炭對土壤的改良作用減弱。YAO等[17]通過室內(nèi)土柱試驗(yàn),研究不同大小秸稈對土壤的改良效果。研究發(fā)現(xiàn)添加秸稈提高土壤質(zhì)量,增強(qiáng)保墑能力,且秸稈粉碎程度與土壤入滲量和蒸發(fā)量呈正相關(guān),與土壤導(dǎo)水性呈負(fù)相關(guān)。上述研究很好地說明生物炭或秸稈從外源保持土壤養(yǎng)分、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤蓄水保墑能力。然而,大部分研究集中于非凍結(jié)期,或是揭示單獨(dú)添加有機(jī)質(zhì)顆粒對凍土物理性質(zhì)的改善效果。受凍融作用交替影響,凍融前后的土壤物理性質(zhì)和物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異,從而導(dǎo)致聯(lián)合施用生物炭和秸稈對土壤改良效果并不清晰。

本文依托田間試驗(yàn),通過測定凍融前后土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤水分特征曲線、土壤孔徑分布、飽和導(dǎo)水率、累計(jì)入滲量,闡述土壤持水性、導(dǎo)水性的變化規(guī)律,探究單獨(dú)施加生物炭、單獨(dú)施加秸稈、聯(lián)合施用對季節(jié)性凍土區(qū)農(nóng)田土壤物理結(jié)構(gòu)、水力性質(zhì)的影響,闡明凍融作用對土壤物理性質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制,進(jìn)一步確定對季節(jié)性凍土區(qū)土壤物理結(jié)構(gòu)、水力特性產(chǎn)生有利影響的改良劑組合,為優(yōu)化生物炭和秸稈資源管理、豐富外源生物質(zhì)材料對土壤改良機(jī)制提供實(shí)際參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)于黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利綜合試驗(yàn)場(126°43′07′E,45°44′24′N)進(jìn)行,海拔為139 m,夏季炎熱,冬季寒冷干燥,屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)域位置概況及試驗(yàn)場地布置如圖1所示。試驗(yàn)場年平均氣溫為3.6℃,夏季平均氣溫27.9℃,冬季平均氣溫為-14.2℃,年平均降雪量為23.6 mm,年平均蒸發(fā)量1 326 mm。土壤凍結(jié)期從10月中旬開始,11月中旬進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)期。土壤融化期從次年4月下旬開始,最大凍深為180 cm,整個(gè)凍融期有110 d左右是積雪覆蓋期。試驗(yàn)區(qū)設(shè)置在空閑的農(nóng)田中,地勢平坦,夏季主要種植大豆或玉米作物,每年5月末開始翻耕播種,9月末或10月初收獲,而在冬季凍融期內(nèi)為無植被覆蓋狀態(tài),積雪不作任何處理。

圖1 研究區(qū)域位置及場地布置示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料按照土壤與去離子水質(zhì)量比1∶5、生物炭與去離子水質(zhì)量比1∶10、秸稈與去離子水質(zhì)量比1∶10制備懸浮混合液,采用pH計(jì)(PHS-2F型,力辰科技公司)測定pH值;C、N、H元素含量采用元素分析儀(2400Ⅱ型,PerkinElmer,美國)進(jìn)行測定;土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定;生物炭灰分含量采用馬弗爐900℃下灼燒4 h后稱量測得,秸稈灰分含量采用馬弗爐550℃下灼燒4 h 后稱量測得[18]。試驗(yàn)秸稈由玉米秸稈粉碎而成,試驗(yàn)生物炭由玉米秸稈在500～600℃厭氧條件下燒制2 h而成,生物炭和秸稈均過2 mm細(xì)篩。試驗(yàn)材料基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料理化參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案與采樣

試驗(yàn)于2021年10月—2022年5月進(jìn)行,田間試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)為面積25 m2(5 m×5 m)的樣地,每一個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。生物炭和秸稈于2021年秋收后一次性均勻施撒在試驗(yàn)小區(qū)的表面,根據(jù)生物炭與秸稈的理化特性以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要,分別設(shè)置4種處理:單獨(dú)施用生物炭(CLS,10 t/hm2)、單獨(dú)施用秸稈(JLS,5 t/hm2)、聯(lián)合施用生物炭與秸稈(CJLS,10 t/hm2+5 t/hm2) 以及自然對照(BL)處理,并使用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)旋耕機(jī)的方式,將生物炭和秸稈與耕層土壤(0～30 cm) 混合,使得試驗(yàn)小區(qū)各處顏色一致。

在冬季凍融時(shí)期各處理均保留自然狀態(tài)的積雪不做任何干擾,所有處理積雪厚度一致,故本試驗(yàn)不考慮積雪對土壤的影響。

為了探究生物炭和秸稈對不同深度下土壤物理結(jié)構(gòu)的影響,土樣取樣深度設(shè)置為L1:0～10 cm、L2:10～20 cm、L3:20～30 cm,在穩(wěn)定凍結(jié)前期和融化期隨機(jī)采樣,并采用體積為100 cm3環(huán)刀采集不同土層原狀土,每個(gè)土層3次重復(fù),并在24 h內(nèi)測定相關(guān)指標(biāo)。

1.4 研究方法

1.4.1土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布特征采用濕篩法[19]測定,并選取土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)——平均重量直徑(MWD,mm)、幾何平均直徑(GMD,mm)、>0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WR0.25,%)、團(tuán)聚體破壞百分比(PAD,%)4個(gè)指標(biāo)來評價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,計(jì)算式為

(1)

(2)

(3)

(4)

Mx<0.25——<0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量,g

MT——團(tuán)聚體總質(zhì)量,g

DR0.25——干篩法測得>0.25 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù),%

1.4.2土壤水分特征曲線

使用高速冷凍離心機(jī)(CR21GⅢ型,日本)獲取不同處理下的土壤水分特征曲線。用環(huán)刀取土并置于容器中浸泡24 h,使其達(dá)到飽和狀態(tài)后稱量,置于離心機(jī)中待達(dá)到不同基質(zhì)吸力(0、-0.001、-0.003、-0.005、-0.01、-0.033、-0.05、-0.1、-0.3、-0.5、-1、-1.5 MPa)的平衡時(shí)間后稱量,105℃干燥24 h后計(jì)算不同吸力對應(yīng)的體積含水率和容重。通過Van Genuchten模型(V-G模型)[20]擬合基質(zhì)吸力與體積含水率之間的關(guān)系。

為更好地評價(jià)凍融作用下生物炭和秸稈對土壤水力參數(shù)的影響,選取3個(gè)土壤水分特征參數(shù):田間持水率(FC,吸力h為330 cm時(shí)的土壤體積含水率,cm3/cm3)、永久凋萎系數(shù)(PWP,吸力h為15 000 cm時(shí)的土壤體積含水率,cm3/cm3)、植物可用含水率(PAWC,FC和PWP差值,cm3/cm3)。

1.4.3土壤孔徑分布

利用土壤水分特征曲線計(jì)算土壤孔徑分布,吸力h和孔隙直徑d的關(guān)系可表示為

(5)

式中σ——水表面張力系數(shù),室溫20℃時(shí)取7.5×10-4N/cm

結(jié)合本研究的吸力范圍,將當(dāng)量孔徑分為3個(gè)部分:極微孔徑:0～0.3 μm;中間段孔隙:0.3～5 μm (微孔徑)、5～30 μm(小孔徑)、30～75 μm(中等孔徑)、75～100 μm(大孔徑);土壤空隙:>100 μm。

1.4.4土壤飽和導(dǎo)水率和土壤累計(jì)入滲量

使用SW080B型張力入滲儀(渠道科技有限公司)測定土壤累計(jì)入滲量,并根據(jù)單位時(shí)間入滲水分量計(jì)算飽和導(dǎo)水率。為保證測量時(shí)儀器和土壤接觸良好,在測定時(shí),先鏟除直徑40 cm、厚度3 cm的土壤表面,去除植物根系、石塊等雜物,再鋪上一層硅質(zhì)沙子,將入滲盤放置在沙子上,仔細(xì)檢查各部位接觸情況。檢查完畢后開始測量負(fù)壓水頭-5 cm和-10 cm下的土壤入滲過程,1 min記錄一次數(shù)據(jù),直至穩(wěn)定入滲停止測量。

根據(jù)WOODING[21]提出的在半徑為R的土壤穩(wěn)定入滲速率計(jì)算公式及GARDNER[22]公式

(6)

(7)

式中Q——單位時(shí)間入滲水分體積,cm3/h

H——土壤表面張力,N/cm

Ksat——土壤飽和導(dǎo)水率,cm/h

K——導(dǎo)水率,cm/h

r——儲(chǔ)水管半徑,cmα——常數(shù)

聯(lián)合式(6)、(7),可得

(8)

(9)

(10)

式中H1——土壤表面張力,取-5 cm

H2——土壤表面張力,取-10 cm

將所求α代入WOODING公式、GARDNER公式即可得到土壤飽和導(dǎo)水率。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 26.0、Origin 2018和Microsoft Visio軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪圖。采用單因素ANOVA分析方法和最小顯著性差異(LSD)方法檢驗(yàn)不同處理之間的差異性和顯著性,設(shè)置顯著性水平p<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

土壤團(tuán)聚體是評價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。不同處理下各土層凍融前后土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)變化特征如圖2所示(圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05),下同)。施加生物炭和秸稈增加土壤MWD、GMD、WR0.25,降低PAD。以圖2a為例,與BL相比,CLS、JLS、CJLS處理MWD增加18.50%、16.49%、36.49%,GMD增加24.42%、16.09%、27.24%,WR0.25增加10.09%、13.03%、20.09%,PAD降低9.92%、8.56%、15.32%。在生物炭和秸稈的作用下,土壤團(tuán)粒易富集形成大團(tuán)聚體,因而MWD、GWD增加,而WR0.25是土壤團(tuán)粒的主要結(jié)構(gòu),也隨之增加。進(jìn)一步分析圖2b、2c可知,土層深度由L1變化到L3層,MWD、GWD指標(biāo)變化趨勢一致,以GMD為例,CLS、JLS處理降低11.87%～13.91%、2.69%～3.59%,而聯(lián)合處理略微增加1.99%～2.60%,這表明聯(lián)合施用能更好地維持深層土壤大團(tuán)聚形態(tài);而WR0.25增加7.21%～8.86%、3.07%～17.34%、1.59%～22.04%。此外,土壤在凍融循環(huán)和外源生物質(zhì)材料雙重調(diào)控作用下,各指標(biāo)變化幅度總體呈現(xiàn)減小趨勢,以L1層的MWD變化為例,CLS處理從18.50%變?yōu)?.24%,JLS處理從16.49%變?yōu)?.63%,CJLS處理下的MWD降低到25.52%。這表明聯(lián)合施加生物炭和秸稈能有效抑制凍融循環(huán)對土壤的破壞作用,提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外,隨著土壤深度的增加,變化趨勢和凍結(jié)前期大體一致。

圖2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是提高土壤抗侵蝕能力、防止土壤退化的重要因素,也是影響土壤溶質(zhì)運(yùn)移、土壤持水能力的重要因素。施加生物炭和秸稈提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,CJLS、CLS、JLS作用效果依次減弱,這是由于有機(jī)質(zhì)顆粒能提高土壤顆粒的粘聚性,但生物炭是具有高孔隙度、高比表面積、強(qiáng)大的吸附能力的碳聚產(chǎn)物,通過內(nèi)部顆粒凝聚力進(jìn)一步增加團(tuán)聚體對熟化膨脹的抵抗力,因此,單獨(dú)施加生物炭的作用效果優(yōu)于秸稈。但有研究認(rèn)為采用熱解700℃的山核桃殼生物炭降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性[23],而添加熱解550℃的桉樹木材生物炭、稻草生物炭則對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性沒有影響[24],這些研究結(jié)果不同是土質(zhì)類型、熱解溫度變化帶來的生物炭特性不同而引起的,因此探究特定土壤條件下生物炭作用效果是有必要的。在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低,但是有機(jī)質(zhì)顆粒的存在弱化凍融對土壤破壞作用。這是凍融作用改變有機(jī)質(zhì)顆粒性質(zhì),破壞其完整性,導(dǎo)致降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生的積極效應(yīng)[25],因此,改良季節(jié)性凍土區(qū)農(nóng)田土壤應(yīng)注重考慮有機(jī)質(zhì)顆粒老化效應(yīng)的重要作用。

2.2 土壤孔徑分布特征

土壤孔徑分布深刻影響土壤水分-溶質(zhì)運(yùn)移、作物根系發(fā)育過程。不同處理下各土層凍融前后土壤孔徑分布變異特征如圖3所示。凍結(jié)前期施加生物炭和秸稈降低土壤空隙(>100 μm)、極微孔徑(0～0.3 μm)比例,增加中間段孔徑(0.3～100 μm)比例(圖3a)。以L1層為例,與BL相比,CLS、JLS、CJLS處理分別降低土壤空隙比例35.72%、43.25%、51.11%,降低極微孔徑比例1.85%、1.81%、4.09%,增加中間段孔徑比例10.64%、12.32%、18.90%。這表明施加生物炭和秸稈會(huì)抑制兩端孔隙的生成,促進(jìn)土壤孔隙向中間段孔徑發(fā)育。隨著土壤深度的增加,各段孔徑變化趨勢一致,但極微孔徑變化幅度隨深度的增加而增加,土壤空隙和中間段孔徑變化幅度則先降低后增加。此外,融化期施加生物炭和秸稈增加土壤空隙、中間段孔徑比例,降低極微孔徑比例(圖3b)。與BL相比,CLS、JLS、CJLS處理分別增加土壤空隙比例4.33%、0.05%、16.22%,增加中間段孔徑比例19.05%、25.84%、35.04%,降低極微孔徑比例9.09%、11.21%、18.18%。這表明在凍融循環(huán)作用和外源生物質(zhì)材料調(diào)控的雙重影響下促進(jìn)土壤孔隙向大孔徑轉(zhuǎn)化。深層土壤受凍融作用影響小于淺層土壤,隨著土壤深度的增加,各孔隙變化幅度減小。

圖3 土壤孔徑分布特征

土壤孔隙是儲(chǔ)存水分和空氣的重要場所,密實(shí)土壤往往會(huì)破壞土壤孔隙空間,導(dǎo)致土壤持水性、通氣性降低,同時(shí)形成新孔隙結(jié)構(gòu),降低孔隙的均勻性,影響持水能力。施加生物炭和秸稈則會(huì)改善孔徑多樣性、連通性,從而改善土壤結(jié)構(gòu)及物理特性。AMOAKWAH等[26]研究認(rèn)為施加外源生物質(zhì)材料是增加土壤微孔(0～0.3 μm)數(shù)量的重要原因。這與本文結(jié)論不同,本文發(fā)現(xiàn)隨著外源生物質(zhì)材料添加到土壤里,增加的是中間段孔徑比例,反而會(huì)減少土壤空隙和極微孔徑比例,其中聯(lián)合施用影響最大。中間段孔徑比例增加歸因于水分遷移及凍融變形,凍融作用使得土壤顆粒重新排列,促使水分向凍結(jié)鋒面遷移,水分更易在較大孔隙中流動(dòng),從而中間段孔徑更有儲(chǔ)存水分的優(yōu)勢,因而中間段孔徑比例增加。此外,WANG等[27]的研究也證實(shí)凍融交替作用改變土壤孔徑分布特征,使孔隙向更大的孔隙發(fā)展。凍融變形使得孔徑發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定,在外源生物質(zhì)材料的調(diào)控作用下,致使土壤孔隙向中間均勻化發(fā)展。通常利用孔隙分布特征來闡釋土壤水分遷移運(yùn)動(dòng)過程,中間段孔隙依靠重力作用和毛細(xì)管力釋放水和保留水,土壤和有機(jī)質(zhì)顆粒之間形成的有效孔隙會(huì)進(jìn)一步增加可容納水分的空間,一定程度上可增加土壤持水能力。而凍融作用使得土壤孔隙重分布,需重新考慮多因素協(xié)同作用下土壤孔徑變異特征。而融化期與凍結(jié)前期不同的是施加生物炭和秸稈增加土壤空隙比例,土壤空隙會(huì)影響水分遷移并可能在未完全融化期出現(xiàn)重新凍結(jié)水分的情況[28],也可能在融化期增加土壤水分入滲能力[29]。

2.3 土壤滲透能力

圖4為不同處理在不同張力的條件下土壤累計(jì)入滲量的差異。在相同時(shí)間尺度上,各處理變化趨勢一致,總體上呈現(xiàn)施加生物炭和秸稈增加土壤累計(jì)入滲量,且聯(lián)合施加效果優(yōu)于單獨(dú)施加。分析圖4a可知,在60 min時(shí),CLS、JLS、CJLS處理與BL相比,土壤累計(jì)入滲量提高73.68%、60.52%、151.10%,隨著張力增加,各處理累計(jì)入滲量從大到小由CJLS、CLS、JLS、BL變?yōu)镃JLS、JLS、CLS、BL。此外,在10 min左右,土壤累計(jì)入滲量變化逐漸平緩。在土壤融化期內(nèi),不同張力下的土壤累計(jì)入滲量變化趨勢與凍結(jié)前期一致,但變化幅度減小,影響效果減弱,CLS、JLS、CJLS處理與BL相比,土壤累計(jì)入滲量提高19.74%～63.16%、32.67%～53.29%、112.28%～120.39%。研究試驗(yàn)結(jié)果說明,施加生物炭和秸稈,能使土壤獲得更多的入滲水分,一定程度上還可提高融雪水的利用效率。

圖4 土壤累計(jì)入滲量變化曲線

土壤入滲能力與土壤質(zhì)地、土壤機(jī)械組成、團(tuán)聚體分布有關(guān),而土壤入滲能力能夠直接影響淺層土壤蓄水保墑能力,直接影響作物生長發(fā)育過程[30-31]。研究結(jié)果表明,凍結(jié)期和融化期土壤入滲能力與外源生物質(zhì)材料施加方式有關(guān),額外有機(jī)質(zhì)顆粒的存在改變土壤孔隙分布特征,改變土壤水分運(yùn)動(dòng)過程,提高土壤入滲能力。以往研究表明,施加其他物質(zhì)到土壤中會(huì)取代原有的土壤孔隙空間及擠壓土壤空氣,導(dǎo)致孔隙間的連通性受到破壞,這不利于土壤入滲過程,不利于表層土壤水分的維持[32]。這與本文研究結(jié)果不同,施加外源生物質(zhì)材料增強(qiáng)入滲能力,并且聯(lián)合施用處理下對土壤入滲效果具有顯著的積極影響。這種變化可能與土壤孔隙數(shù)量變化和生物炭的疏水性有關(guān),而有機(jī)質(zhì)顆粒含量是決定顆粒作用影響土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要因素,隨著有機(jī)質(zhì)顆粒的增加,可加強(qiáng)顆粒與水分運(yùn)動(dòng)之間的相關(guān)性,加強(qiáng)土壤入滲能力;其次,生物炭和秸稈顆粒給予水分更多的接觸面積,產(chǎn)生更多水-土、水-顆粒等結(jié)合體,形成較大的團(tuán)粒,而團(tuán)粒的富集在一定程度上可以拓寬土壤水分通道。此外,土壤經(jīng)歷持續(xù)的凍融交替,添加的生物炭和秸稈逐漸老化,作用效果減弱,因而融化期的入滲水分總量低于凍結(jié)期。這與朱美壯等[33]研究結(jié)果類似,其采用雙環(huán)入滲儀測定青藏高原多年凍土區(qū)土壤的入滲水分,測出凍結(jié)期前期入滲速率小于融化期,但最終入滲量大于后者。

2.4 土壤持水能力

土壤水分特征對作物生長發(fā)育、水分運(yùn)移等活動(dòng)有著至關(guān)重要的作用,土壤水分特征曲線可分析土壤持水能力。不同處理各土層凍融前后土壤水分特征曲線變化如圖5所示。分析圖5a可知,施加生物炭和秸稈可提高土壤飽和含水率(此時(shí)土壤體積含水率達(dá)到最大),以L1層為例,與BL相比,CLS、JLS、CJLS分別提高4.16%、6.11%、14.79%。在低吸力階段(h<330 cm),曲線斜率由大到小為CJLS、CLS、JLS、BL,在中吸力階段(33015 000 cm),曲線斜率由大到小為BL、JLS、CLS、CJLS。此外,施加生物炭和秸稈增大土壤體積含水率的差值(θ(h)),即初始吸力與最終吸力之間的θ(h)逐漸增大。與BL相比,CLS、JLS、CJLS的θ(h)分別增加15.12%、6.87%、33.96%,土壤持水能力逐漸增大。分析圖5b、5c可發(fā)現(xiàn),隨土壤深度的增加,CLS、JLS、CJLS處理變化趨勢一致,但變化幅度不同,CLS、CJLS作用效果增加,可提高土壤飽和含水率8.43%、12.76%和9.91%、16.67%,JLS作用效果降低,僅提高0.02%、6.18%。這可能與凍結(jié)前期土壤中間段孔徑變化有關(guān),隨土壤深度的增加,CLS處理下土壤中間段孔徑比例超過JLS處理;其次可能是生物炭與土壤形成的“炭-土結(jié)合體”隨土壤深度的增加而更加穩(wěn)定的緣故。L3層BL、CLS、JLS、CJLS處理的土壤飽和含水率分別達(dá)到0.429 0、0.455 5、0.500 5、0.501 0 cm3/cm3,聯(lián)合施用生物炭和秸稈變化明顯。各處理的持水率分別達(dá)到0.300 3、0.364 4、0.335 6、0.392 9 cm3/cm3。此外,凍融交替作用增加土壤飽和含水率,增大CLS、JLS、CJLS處理與BL差異,以L1層為例,CLS、JLS、CJLS處理和BL相比增加7.72%、10.33%、18.14%。然而隨著土層深度增加,施加生物炭和秸稈下的土壤飽和含水率變化幅度降低。土壤飽和含水率的變化依賴于土壤孔隙分布特征,從而與土壤孔隙度變化密切相關(guān)。在土壤中添加有機(jī)質(zhì)顆粒增加土壤孔隙度,在一定程度上增加土壤飽和含水率,同時(shí),土壤飽和含水率隨土壤深度變化減緩可能與中間段孔徑變化(圖3b)有關(guān)。

圖5 土壤水分特征曲線

表2為不同調(diào)控處理下凍融前后的土壤水分特征參數(shù)FC、PWP、PAWC。在土壤凍結(jié)前期,施加生物炭和秸稈降低土壤FC、PWP、PAWC。具體來說,以L1層為例,與BL相比,CLS、JLS、CJLS處理田間持水率降低8.42%、-0.09%、0.09%,永久凋萎系數(shù)降低0.08%、-0.05%、0.07%,植物可用含水率降低8.91%、5.50%、-7.60%。這表明施加秸稈能夠減輕田間持水率的降低,而田間持水率代表土壤儲(chǔ)水儲(chǔ)氣能力,相較之下單獨(dú)施加秸稈更有利于土壤儲(chǔ)水儲(chǔ)氣。而隨著土壤深度的增加,FC變化幅度增加,L3層降低程度高達(dá)11.96%～17.40%,這表明施加生物炭和秸稈后對深層土壤水力特征參數(shù)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)大于淺層土壤。

表2 土壤水力特征參數(shù)

在土壤融化期,凍融作用改變土壤田間持水率,從而增加CLS、JLS、CJLS處理與BL處理間的差異。經(jīng)過凍融循環(huán)后,各處理FC降低1.15%、4.85%、-1.05%,而單獨(dú)施加生物炭或單獨(dú)施加秸稈后FC減小可能是因?yàn)樯锾炕蚪斩捠┘恿坎蛔阋韵紫侗煌寥婪垧ち６氯饔?從而降低FC。此外,凍融作用改變PAWC變化特征,由凍結(jié)前期施加生物炭和秸稈對其產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)變?yōu)槿诨谑┘由锾亢徒斩拰ζ洚a(chǎn)生積極作用,以L1層為例,CLS、JLS、CJLS處理PAWC增加0.009 1、-0.000 2、0.344 0 cm3/cm3。這是因?yàn)閮鋈谧饔眉訌?qiáng)外源生物質(zhì)材料顆粒與土壤顆粒結(jié)合,土壤水分更好地儲(chǔ)存于生物材料內(nèi)部。此外,隨著土層深度的增加,聯(lián)合施用PAWC增加趨勢逐漸減小。

土壤水分特征曲線(SWRCs)可以反映土壤持水能力,并通過SWRCs下不同土壤中θ(h)的變化來識(shí)別改良劑的作用效果[34]。施加生物炭和秸稈改變SWRCs曲線形狀,CLS、JLS、CJLS處理的θ(h)較BL處理均增加,作用效果由大到小依次為CJLS、CLS、JLS,這是由于外源生物質(zhì)材料干擾土壤團(tuán)聚體分布特征,增加土壤顆粒之間的相互吸引作用從而減少小孔的數(shù)量而達(dá)到持水的效果。而單獨(dú)施加生物炭效果強(qiáng)于單獨(dú)施加秸稈,由于生物炭的高表面積和富碳特性,加速土壤大團(tuán)聚體的形成從而提高土壤孔隙度;其次,生物炭自身的高孔隙度對水分具有一定的固持作用,水分進(jìn)入生物炭內(nèi)部不易流失,從而提高土壤持水能力。過量的有機(jī)質(zhì)顆粒添加到土壤中會(huì)增加土壤通氣性,從而降低持水性,降低土壤環(huán)境穩(wěn)定性。FU等[35]研究施加不同量生物炭對季節(jié)性凍土區(qū)土壤持水性的響應(yīng)機(jī)制也證實(shí)這一觀點(diǎn)。

在凍結(jié)前期,施加生物炭和施加秸稈降低植物可用水率PAWC,僅L1層聯(lián)合施用達(dá)到0.123 2 cm3/cm3,略高于BL處理,隨土壤深度的增加,施加生物炭和施加秸稈均表現(xiàn)負(fù)面效應(yīng)。而在融化期施加生物炭和秸稈增加PAWC,這種增加是因?yàn)橥寥揽障侗壤黾右鸬?。凍融作用破碎土壤團(tuán)粒,增加有機(jī)質(zhì)顆粒與土壤顆粒間接觸面積,從而提高土壤水分有效性[36]。以農(nóng)業(yè)的角度來看,凍結(jié)前期CJLS處理下的FC略小于BL處理,而融化期的FC顯著增加。因此,聯(lián)合施用是有效滿足季節(jié)性凍土區(qū)土壤水分穩(wěn)定供給的調(diào)控模式。

2.5 土壤導(dǎo)水能力

圖6為不同處理下凍融前后土壤飽和導(dǎo)水率變化特征。施加生物炭和秸稈增加土壤飽和導(dǎo)水率,不同處理差異性極顯著。分析圖6a可知,CLS、JLS、CJLS處理與BL相比,飽和導(dǎo)水率增加116.31%、86.61%、129.17%,其中聯(lián)合施加生物炭和秸稈大幅度影響Ksat的變化,而單獨(dú)施加生物炭的影響效果強(qiáng)于單獨(dú)施加秸稈,由此可知,生物炭可以使土壤中水分遷移通道增多。而在土壤融化期,單獨(dú)施加生物炭和單獨(dú)施加秸稈兩種處理與BL處理差異逐漸減緩(圖6b),但仍保持增加的趨勢,變化率分別為79.99%和35.01%;而聯(lián)合施用生物炭和秸稈的處理與BL的差異增加,變化率高達(dá)192.62%。

圖6 土壤飽和導(dǎo)水率

土壤結(jié)構(gòu)變化引起飽和導(dǎo)水率變化,YARGICOGLU等[37]研究認(rèn)為添加細(xì)小的生物炭顆粒到土壤中會(huì)形成更窄的孔隙通道,降低Ksat。而在本試驗(yàn)中,施加生物炭和秸稈增加土壤飽和導(dǎo)水率,聯(lián)合施用對土壤中Ksat的積極影響最為明顯。這可能是壤土孔隙結(jié)構(gòu)較好,“可塑性”較弱,在這種情況下,外源生物質(zhì)材料很容易打破原有的土壤孔隙系統(tǒng),形成新的孔隙結(jié)構(gòu),降低孔隙的均勻性,影響導(dǎo)水能力[38-39]。由此產(chǎn)生的新孔隙系統(tǒng)也可能因?yàn)橥獠刻砑觿┳陨硖匦援a(chǎn)生不同的效果。但凍融后,單獨(dú)施加生物炭和單獨(dú)施加秸稈作用效果減弱,這不能簡單歸因于孔徑堵塞而導(dǎo)致的,因?yàn)槁?lián)合施用增加土壤Ksat。盡管一些研究人員認(rèn)為施加有機(jī)質(zhì)顆粒量與Ksat的變化成正比[40],但有研究人員發(fā)現(xiàn)外源生物質(zhì)材料產(chǎn)生降低效果,甚至無效果[41]。此外,有研究指出Ksat的變化與土壤類型、外界環(huán)境、土地利用方式有很大關(guān)聯(lián)[42-44]。因此外源生物質(zhì)材料對凍融土壤影響機(jī)制有待長期關(guān)注。

3 結(jié)論

(1)凍融循環(huán)所產(chǎn)生的凍脹力破壞土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,破壞大團(tuán)聚體成細(xì)小團(tuán)聚體,而施加生物炭和秸稈有效提高GMD、MWD、WR0.25,提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。受凍融作用影響,聯(lián)合調(diào)節(jié)效果最佳,極大增強(qiáng)土粒與土粒之間的凝聚力,有效抑制凍融作用對土壤的破壞作用。

(2)施加生物炭和秸稈改變土壤孔隙分布,影響孔徑的多樣性和連通性。凍結(jié)前期降低土壤空隙比例、極微孔徑比例,增加中間段孔徑比例,隨土壤深度的增加,土壤空隙比例和中間段孔徑比例的變化幅度呈先減后增,極微孔徑則與土壤深度呈正向關(guān)系。在凍融循環(huán)作用和外源生物質(zhì)材料調(diào)控的雙重影響下促進(jìn)土壤孔隙向大孔徑轉(zhuǎn)化,增加L1層土壤空隙比例0.05%～16.22%、中間段孔徑比例19.05%～35.04%。

(3)施加生物炭和秸稈增加張力-5 cm條件下土壤60 min的累計(jì)入滲量73.68%、60.52%、151.10%,受聯(lián)合施用影響最大。張力的相對變化較大程度影響CLS與JLS處理。受外源生物質(zhì)材料老化影響,融化期累計(jì)入滲量低于凍結(jié)前期,但也在一定程度上有效增加土壤入滲水分,提高春季融雪水利用效率,緩解水分虧損問題。

(4)土壤結(jié)構(gòu)的改善進(jìn)一步影響土壤孔隙內(nèi)部儲(chǔ)水能力,施加生物炭和秸稈可提高土壤飽和含水率、提高土壤持水能力,其中聯(lián)合施用最易于土壤水分儲(chǔ)存,凍結(jié)前期L3層土壤持水率可達(dá)到0.392 9 cm3/cm3。此外,在凍結(jié)前期,施加生物炭和秸稈降低土壤FC、PWP、PAWC,受凍融作用影響,施加外源生物質(zhì)材料增加PAWC,有效增強(qiáng)土壤對植物的供給作用,更大程度滿足作物水分需求。

(5)施加生物炭和秸稈增加凍融前后土壤飽和導(dǎo)水率,作用效果由大到小為CJLS、CLS、JLS。受凍融作用影響,聯(lián)合施用表現(xiàn)出較高的土壤飽和導(dǎo)水率,在一定程度抑制土壤蒸發(fā)。