馬鈴薯生物炭對土壤水分入滲及蒸發的影響

馬 貴，韓新寧，趙文霞，曹江平，劉 婷,楊宏斌

(1.寧夏師范學院化學化工學院，寧夏固原 756000； 2.寧夏師范學院六盤山資源工程技術研究中心，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田(E105°47′47.49″，N36°3′18.77″)，山地草甸土采自當地某山坡(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，自然風干，研磨過10目篩后備用。用激光粒度分析儀(Mastersizer2000)測定土壤顆粒組成。采集到的馬鈴薯秸稈用自來水洗凈后，風干，剪成小段(10 cm)，干燥24 h后取出并研磨，過40目篩，裝入坩堝中壓實密封，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80目篩,用1 mol/L的 HCl 洗 3 次，過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Table 1 Properties of experimental soil and biochar

1.2 方 法

試驗共設6個不同生物炭添加量，分別為0(CK)、1%(B1)、2%(B2)、3%(B3)、5%(B4)和7%(B5)，2種土壤，計12個處理，每個處理重復 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玻璃柱(內徑15 cm，高50 cm)中至40 cm土柱(5 cm為一層，每層之間打毛表面)。定水頭供水試驗通過馬氏瓶進行(3 cm水頭)，濕潤峰距離為每一時間點6個濕潤峰點的平均值，根據馬氏瓶水位變化計算累積入滲量。當土柱水分飽和且其底部滴水時，收集為淋溶液并用紫外分光光度計其中硝態氮的含量。然后，將土柱放入氣候箱中測定蒸發量(控制在30℃，連續測定33 d)，每天08：00稱量土柱并打開人工氣候箱，20：00關閉人工氣候箱。按照E=M×10/(πr2)計算日蒸發量(E是日蒸發量，mm；M是土柱日質量變化值，g；r為土柱內半徑，cm)。表1

通過冪函數(y=axb)對土柱試驗濕潤峰距離y(mm)和入滲時間x(min)進行擬合，其中：a為入滲系數(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[18]。

用Philip 和 Kostiakov 模型擬合入滲試驗數據，進一步研究不同生物炭處理下2種土壤水分的垂直入滲規律。Philip 模型的數學表達式：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為土壤穩滲速率mm/min；t為時間，min；s、a和b為實驗模型參數(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])。

通過冪函數(Ec=a×tb)對土壤蒸發量隨時間變化的實測數據進行擬合。

1.3 數據處理

采用Excel 2010進行數據處理，分別用Origin 2018和Spss21.0作圖和數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭含量對土壤濕潤峰距離的影響

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

各生物炭處理對2 種土壤的濕潤峰運移均產生了明顯影響。隨著生物炭添加量的增加，山地草甸土的濕潤峰距離逐漸變小且到達土柱底部(40 cm)所用時間逐漸增大，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減緩山地草甸中水分垂直移動速度，有利于土壤水分的保持；在B1生物炭處理下，黑壚土濕潤峰距離均比CK大且到達土柱底部時間(376 min)比CK(438 min)短，而在B2、B3、B4、B5處理下，濕潤峰距離均小于CK且到達土柱底部的時間都比CK長，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，土壤的吸水能力會逐漸增強，減緩了水分的下滲。

a值隨著生物炭添加量的增加呈現逐漸減小趨勢，即添加生物炭越多，土壤水分下滲越慢，生物炭對土壤水分下滲速度有較明顯的影響；但b值的規律性不明顯；不同處理的R2值都高于0.980，且顯著性檢驗P<0.01，冪函數能夠較好地擬合生物炭添加量和濕潤峰距離之間的關系。圖1

2.2 生物炭含量對土壤累積入滲量的影響

研究表明，生物炭的添加對 2種土壤累積入滲量均產生了明顯的影響，當入滲時間一定時，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。

對于山地草甸土，當入滲時間達到100 min時，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b的變化產生不同的變化規律，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2種土壤下滲過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程，Kostiakov 模型更適合描述黑壚土的水分入滲過程。表2

2.4 生物炭對土壤蒸發特性的影響

研究表明，2種土壤的累計蒸發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；在同一時間段內，山地草甸土在各處理下的土累積蒸發量均大于黑壚土；在第33 d，山地草甸土在B1、B2、B3、B4、B5處理下累積蒸發量較對照(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。圖3

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

2.5 生物炭對不同質地土壤硝態氮淋溶的影響

表 3 累計蒸發量(Ec)與時間(t)回歸關系Table 3 Regression relationship between accumulated evaporation and time

3 討 論

濕潤鋒在土壤水分運移時濕潤層的最前端，是土壤濕潤層與干燥層的分界線，可展示土壤水分在土壤基質吸力和重力作用下的運動特征[12,18]。土壤自身容重、水分狀況、孔隙結構、質地等特性是影響土壤下滲過程的主要內部因素[20]。試驗中，隨著入滲時間的推進，2種土壤在馬鈴薯生物炭處理下濕潤峰距離不斷增加，各濕潤峰曲線由入滲初始階段較陡逐漸向平緩過渡，這與許多研究[21-23]結果一致。這主要是由于在水分下滲的初始階段，土壤比較干燥，基質勢較大，加上生物炭巨大的表面積和其含有的大量親水官團加速了土壤對水分的吸收[22]，所以入滲初始階段的濕潤峰進程快，累計入滲量大，但隨著水分含量增加，土體表層的持水量就開始逐漸達到飽和，使得濕潤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2 種土壤的濕潤峰運動特征和累計入滲量都產生了明顯影響，生物炭對濕潤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，李帥霖等[24]的研究也得了相似的結果，因為生物炭添加不僅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，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、持水性能弱的問題。

累計入滲量常被用于表征入滲過程未達到穩定時土壤的入滲能力，是指在一定時間段內單位表面積土壤入滲水分的總量[20,21]。研究結果表明，當入滲時間相同時，山地草甸土潤峰距離和累積入滲量隨著生物炭添加量的增加顯著減少，而黑壚土的濕潤峰距離和累積入滲量在馬鈴薯生物炭添加量較小(1%)時均比CK大，但在2%、3%、5%和6%處理下都顯著小于CK，可見，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]研究生物炭對黃棉土的下滲影響的結論一致。添加生物炭對 2 種不同質地土壤的濕潤峰距離和累計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，低生物炭添加量更加容易增大黑壚土的表面積及孔隙度，促進了水分的吸收，但當添加量逐漸增大時，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，但當生物炭添加量繼續增加時，土壤累積入滲量卻逐漸減小，這與方圓等[26]對塿土的研究結果相似。

4 結 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。冪函數能較好的擬合各馬鈴薯生物炭處理下2種土壤的濕潤峰距離與下滲時間之間的關系；Philip入滲模型能更好體現山地草甸土的水分入滲過程，Kostiakov模型能更好反映黑壚土的水分入滲過程。

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量(33 d)，土壤蒸發量和時間復合冪函數關系。