不同調控模式下寒區土壤物理結構與水力特性改良研究

付 強 石 凈 李天霄 侯仁杰

(1.東北農業大學水利與土木工程學院,哈爾濱 150030;2.東北農業大學農業農村部農業水資源有效利用重點實驗室,哈爾濱 150030)

0 引言

東北地區是氣候變化和土壤凍融循環的典型區域,而凍融作用作為一種非生物應力,破壞土壤物理結構,降低土壤持水性、導水性、滲透性等物理屬性,從而導致土壤肥力降低,作物產量下降[1-2]。同時,東北地區還存在嚴重的缺水干旱問題[3]。因此,尋找一種有效的調控措施來改善土壤結構、土壤水分動態,以此提高土壤有機質含量和土壤肥力,從而提高干旱土壤的物理、化學、生物修復能力非常重要。

施用外源生物質材料被認為是改善土壤性質和提高糧食產量的有效策略。生物炭作為熱解的一種固態產物,具有高孔隙度、高比表面積、強大的吸附能力以及穩定碳源的優勢[4]。以往土壤試驗應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];增加飽和導水率和土壤持水能力;改變土壤孔徑分布、團聚體分布[3],增加土壤團聚體穩定性[7]。另外,秸稈材料能增加土壤有機質含量,改善土壤團粒性質,有機質會提高孔隙度、改變土壤密度,這是直接影響土壤質量的重要因素[8];而秸稈覆蓋可以保留淺層土壤水分,抑制其蒸發。此外,生物炭和秸稈的聯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]。以往研究證實外源生物質材料的作用效果與其粒度分布、施加量有關,同時也取決于土壤類型、質地。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聚體穩定性、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降低。WANG等[12]研究指出,當生物炭孔隙體積較低或土壤質地較好時,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地土壤的保水性,從而增強土壤在極端水文條件下的恢復能力。同時KINNEY等[13]研究認為,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,因此需要進一步研究土壤孔徑分布的影響機制。此外,劉燕青等[14]研究證明,秸稈覆蓋減少土壤無效蒸發20%～90%,但隨時間尺度變化,效果逐漸減弱。同時,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年田間小區原位凍融試驗,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的影響機制,發現生物炭的持水性隨生物炭施加時間的增長而增加,同時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]發現凍融循環老化生物炭對土壤的改良作用減弱。YAO等[17]通過室內土柱試驗,研究不同大小秸稈對土壤的改良效果。研究發現添加秸稈提高土壤質量,增強保墑能力,且秸稈粉碎程度與土壤入滲量和蒸發量呈正相關,與土壤導水性呈負相關。上述研究很好地說明生物炭或秸稈從外源保持土壤養分、改善土壤結構、提高土壤蓄水保墑能力。然而,大部分研究集中于非凍結期,或是揭示單獨添加有機質顆粒對凍土物理性質的改善效果。受凍融作用交替影響,凍融前后的土壤物理性質和物理結構產生差異,從而導致聯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,通過測定凍融前后土壤團聚體穩定性、土壤水分特征曲線、土壤孔徑分布、飽和導水率、累計入滲量,闡述土壤持水性、導水性的變化規律,探究單獨施加生物炭、單獨施加秸稈、聯合施用對季節性凍土區農田土壤物理結構、水力性質的影響,闡明凍融作用對土壤物理性質的響應機制,進一步確定對季節性凍土區土壤物理結構、水力特性產生有利影響的改良劑組合,為優化生物炭和秸稈資源管理、豐富外源生物質材料對土壤改良機制提供實際參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗于黑龍江省哈爾濱市東北農業大學水利綜合試驗場(126°43′07′E,45°44′24′N)進行,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氣候。試驗區域位置概況及試驗場地布置如圖1所示。試驗場年平均氣溫為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,年平均蒸發量1 326 mm。土壤凍結期從10月中旬開始,11月中旬進入穩定凍結期。土壤融化期從次年4月下旬開始,最大凍深為180 cm,整個凍融期有110 d左右是積雪覆蓋期。試驗區設置在空閑的農田中,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,而在冬季凍融期內為無植被覆蓋狀態,積雪不作任何處理。

圖1 研究區域位置及場地布置示意圖

1.2 試驗材料

試驗材料按照土壤與去離子水質量比1∶5、生物炭與去離子水質量比1∶10、秸稈與去離子水質量比1∶10制備懸浮混合液,采用pH計(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)進行測定;土壤有機質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]。試驗秸稈由玉米秸稈粉碎而成,試驗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細篩。試驗材料基本理化性質如表1所示。

表1 試驗材料理化參數

1.3 試驗方案與采樣

試驗于2021年10月—2022年5月進行,田間試驗設置4個試驗小區。每個小區為面積25 m2(5 m×5 m)的樣地,每一個處理設置3次重復。生物炭和秸稈于2021年秋收后一次性均勻施撒在試驗小區的表面,根據生物炭與秸稈的理化特性以及當地農業生產的需要,分別設置4種處理:單獨施用生物炭(CLS,10 t/hm2)、單獨施用秸稈(JLS,5 t/hm2)、聯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,并使用傳統農業旋耕機的方式,將生物炭和秸稈與耕層土壤(0～30 cm) 混合,使得試驗小區各處顏色一致。

在冬季凍融時期各處理均保留自然狀態的積雪不做任何干擾,所有處理積雪厚度一致,故本試驗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構的影響,土樣取樣深度設置為L1:0～10 cm、L2:10～20 cm、L3:20～30 cm,在穩定凍結前期和融化期隨機采樣,并采用體積為100 cm3環刀采集不同土層原狀土,每個土層3次重復,并在24 h內測定相關指標。

1.4 研究方法

1.4.1土壤團聚體穩定性

土壤水穩定性團聚體分布特征采用濕篩法[19]測定,并選取土壤團聚體穩定性指標——平均重量直徑(MWD,mm)、幾何平均直徑(GMD,mm)、>0.25 mm 水穩性團聚體含量(WR0.25,%)、團聚體破壞百分比(PAD,%)4個指標來評價土壤團聚體穩定性,計算式為

(1)

(2)

(3)

(4)

Mx<0.25——<0.25 mm團聚體質量,g

MT——團聚體總質量,g

DR0.25——干篩法測得>0.25 mm的機械穩定性團聚體質量分數,%

1.4.2土壤水分特征曲線

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

為更好地評價凍融作用下生物炭和秸稈對土壤水力參數的影響,選取3個土壤水分特征參數:田間持水率(FC,吸力h為330 cm時的土壤體積含水率,cm3/cm3)、永久凋萎系數(PWP,吸力h為15 000 cm時的土壤體積含水率,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算土壤孔徑分布,吸力h和孔隙直徑d的關系可表示為

(5)

式中σ——水表面張力系數,室溫20℃時取7.5×10-4N/cm

結合本研究的吸力范圍,將當量孔徑分為3個部分: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土壤飽和導水率和土壤累計入滲量

使用SW080B型張力入滲儀(渠道科技有限公司)測定土壤累計入滲量,并根據單位時間入滲水分量計算飽和導水率。為保證測量時儀器和土壤接觸良好,在測定時,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,再鋪上一層硅質沙子,將入滲盤放置在沙子上,仔細檢查各部位接觸情況。檢查完畢后開始測量負壓水頭-5 cm和-10 cm下的土壤入滲過程,1 min記錄一次數據,直至穩定入滲停止測量。

根據WOODING[21]提出的在半徑為R的土壤穩定入滲速率計算公式及GARDNER[22]公式

(6)

(7)

式中Q——單位時間入滲水分體積,cm3/h

H——土壤表面張力,N/cm

Ksat——土壤飽和導水率,cm/h

K——導水率,cm/h

r——儲水管半徑,cmα——常數

聯合式(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水率。

1.5 統計方法

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

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體穩定性

土壤團聚體是評價土壤質量的重要指標。不同處理下各土層凍融前后土壤團聚體穩定性指標變化特征如圖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,土壤團粒易富集形成大團聚體,因而MWD、GWD增加,而WR0.25是土壤團粒的主要結構,也隨之增加。進一步分析圖2b、2c可知,土層深度由L1變化到L3層,MWD、GWD指標變化趨勢一致,以GMD為例,CLS、JLS處理降低11.87%～13.91%、2.69%～3.59%,而聯合處理略微增加1.99%～2.60%,這表明聯合施用能更好地維持深層土壤大團聚形態;而WR0.25增加7.21%～8.86%、3.07%～17.34%、1.59%～22.04%。此外,土壤在凍融循環和外源生物質材料雙重調控作用下,各指標變化幅度總體呈現減小趨勢,以L1層的MWD變化為例,CLS處理從18.50%變為5.24%,JLS處理從16.49%變為7.63%,CJLS處理下的MWD降低到25.52%。這表明聯合施加生物炭和秸稈能有效抑制凍融循環對土壤的破壞作用,提高土壤結構穩定性。此外,隨著土壤深度的增加,變化趨勢和凍結前期大體一致。

圖2 土壤團聚體穩定性指標

土壤團聚體穩定性是提高土壤抗侵蝕能力、防止土壤退化的重要因素,也是影響土壤溶質運移、土壤持水能力的重要因素。施加生物炭和秸稈提高土壤團聚體穩定性,CJLS、CLS、JLS作用效果依次減弱,這是由于有機質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、強大的吸附能力的碳聚產物,通過內部顆粒凝聚力進一步增加團聚體對熟化膨脹的抵抗力,因此,單獨施加生物炭的作用效果優于秸稈。但有研究認為采用熱解700℃的山核桃殼生物炭降低團聚體穩定性[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聚體穩定性沒有影響[24],這些研究結果不同是土質類型、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。在經歷多次凍融循環作用后,土壤團聚體穩定性降低,但是有機質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質顆粒性質,破壞其完整性,導致降低團聚體穩定性產生的積極效應[25],因此,改良季節性凍土區農田土壤應注重考慮有機質顆粒老化效應的重要作用。

2.2 土壤孔徑分布特征

土壤孔徑分布深刻影響土壤水分-溶質運移、作物根系發育過程。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抑制兩端孔隙的生成,促進土壤孔隙向中間段孔徑發育。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%。這表明在凍融循環作用和外源生物質材料調控的雙重影響下促進土壤孔隙向大孔徑轉化。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

土壤孔隙是儲存水分和空氣的重要場所,密實土壤往往會破壞土壤孔隙空間,導致土壤持水性、通氣性降低,同時形成新孔隙結構,降低孔隙的均勻性,影響持水能力。施加生物炭和秸稈則會改善孔徑多樣性、連通性,從而改善土壤結構及物理特性。AMOAKWAH等[26]研究認為施加外源生物質材料是增加土壤微孔(0～0.3 μm)數量的重要原因。這與本文結論不同,本文發現隨著外源生物質材料添加到土壤里,增加的是中間段孔徑比例,反而會減少土壤空隙和極微孔徑比例,其中聯合施用影響最大。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,促使水分向凍結鋒面遷移,水分更易在較大孔隙中流動,從而中間段孔徑更有儲存水分的優勢,因而中間段孔徑比例增加。此外,WANG等[27]的研究也證實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展。凍融變形使得孔徑發展逐漸趨于穩定,在外源生物質材料的調控作用下,致使土壤孔隙向中間均勻化發展。通常利用孔隙分布特征來闡釋土壤水分遷移運動過程,中間段孔隙依靠重力作用和毛細管力釋放水和保留水,土壤和有機質顆粒之間形成的有效孔隙會進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同作用下土壤孔徑變異特征。而融化期與凍結前期不同的是施加生物炭和秸稈增加土壤空隙比例,土壤空隙會影響水分遷移并可能在未完全融化期出現重新凍結水分的情況[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入滲量的差異。在相同時間尺度上,各處理變化趨勢一致,總體上呈現施加生物炭和秸稈增加土壤累計入滲量,且聯合施加效果優于單獨施加。分析圖4a可知,在60 min時,CLS、JLS、CJLS處理與BL相比,土壤累計入滲量提高73.68%、60.52%、151.10%,隨著張力增加,各處理累計入滲量從大到小由CJLS、CLS、JLS、BL變為CJLS、JLS、CLS、BL。此外,在10 min左右,土壤累計入滲量變化逐漸平緩。在土壤融化期內,不同張力下的土壤累計入滲量變化趨勢與凍結前期一致,但變化幅度減小,影響效果減弱,CLS、JLS、CJLS處理與BL相比,土壤累計入滲量提高19.74%～63.16%、32.67%～53.29%、112.28%～120.39%。研究試驗結果說明,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 土壤累計入滲量變化曲線

土壤入滲能力與土壤質地、土壤機械組成、團聚體分布有關,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育過程[30-31]。研究結果表明,凍結期和融化期土壤入滲能力與外源生物質材料施加方式有關,額外有機質顆粒的存在改變土壤孔隙分布特征,改變土壤水分運動過程,提高土壤入滲能力。以往研究表明,施加其他物質到土壤中會取代原有的土壤孔隙空間及擠壓土壤空氣,導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]。這與本文研究結果不同,施加外源生物質材料增強入滲能力,并且聯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量變化和生物炭的疏水性有關,而有機質顆粒含量是決定顆粒作用影響土壤水分運動的重要因素,隨著有機質顆粒的增加,可加強顆粒與水分運動之間的相關性,加強土壤入滲能力;其次,生物炭和秸稈顆粒給予水分更多的接觸面積,產生更多水-土、水-顆粒等結合體,形成較大的團粒,而團粒的富集在一定程度上可以拓寬土壤水分通道。此外,土壤經歷持續的凍融交替,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期。這與朱美壯等[33]研究結果類似,其采用雙環入滲儀測定青藏高原多年凍土區土壤的入滲水分,測出凍結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育、水分運移等活動有著至關重要的作用,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(此時土壤體積含水率達到最大),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可發現,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%。這可能與凍結前期土壤中間段孔徑變化有關,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-土結合體”隨土壤深度的增加而更加穩定的緣故。L3層BL、CLS、JLS、CJLS處理的土壤飽和含水率分別達到0.429 0、0.455 5、0.500 5、0.501 0 cm3/cm3,聯合施用生物炭和秸稈變化明顯。各處理的持水率分別達到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。在土壤中添加有機質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,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。

圖5 土壤水分特征曲線

表2為不同調控處理下凍融前后的土壤水分特征參數FC、PWP、PAWC。在土壤凍結前期,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水儲氣能力,相較之下單獨施加秸稈更有利于土壤儲水儲氣。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產生的負面效應大于淺層土壤。

表2 土壤水力特征參數

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。經過凍融循環后,各處理FC降低1.15%、4.85%、-1.05%,而單獨施加生物炭或單獨施加秸稈后FC減小可能是因為生物炭或秸稈施加量不足以消除孔隙被土壤粉黏粒堵塞作用,從而降低FC。此外,凍融作用改變PAWC變化特征,由凍結前期施加生物炭和秸稈對其產生負面效應變為融化期施加生物炭和秸稈對其產生積極作用,以L1層為例,CLS、JLS、CJLS處理PAWC增加0.009 1、-0.000 2、0.344 0 cm3/cm3。這是因為凍融作用加強外源生物質材料顆粒與土壤顆粒結合,土壤水分更好地儲存于生物材料內部。此外,隨著土層深度的增加,聯合施用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材料干擾土壤團聚體分布特征,增加土壤顆粒之間的相互吸引作用從而減少小孔的數量而達到持水的效果。而單獨施加生物炭效果強于單獨施加秸稈,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,水分進入生物炭內部不易流失,從而提高土壤持水能力。過量的有機質顆粒添加到土壤中會增加土壤通氣性,從而降低持水性,降低土壤環境穩定性。FU等[35]研究施加不同量生物炭對季節性凍土區土壤持水性的響應機制也證實這一觀點。

在凍結前期,施加生物炭和施加秸稈降低植物可用水率PAWC,僅L1層聯合施用達到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負面效應。而在融化期施加生物炭和秸稈增加PAWC,這種增加是因為土壤空隙比例增加引起的。凍融作用破碎土壤團粒,增加有機質顆粒與土壤顆粒間接觸面積,從而提高土壤水分有效性[36]。以農業的角度來看,凍結前期CJLS處理下的FC略小于BL處理,而融化期的FC顯著增加。因此,聯合施用是有效滿足季節性凍土區土壤水分穩定供給的調控模式。

2.5 土壤導水能力

圖6為不同處理下凍融前后土壤飽和導水率變化特征。施加生物炭和秸稈增加土壤飽和導水率,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,飽和導水率增加116.31%、86.61%、129.17%,其中聯合施加生物炭和秸稈大幅度影響Ksat的變化,而單獨施加生物炭的影響效果強于單獨施加秸稈,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,單獨施加生物炭和單獨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%;而聯合施用生物炭和秸稈的處理與BL的差異增加,變化率高達192.62%。

圖6 土壤飽和導水率

土壤結構變化引起飽和導水率變化,YARGICOGLU等[37]研究認為添加細小的生物炭顆粒到土壤中會形成更窄的孔隙通道,降低Ksat。而在本試驗中,施加生物炭和秸稈增加土壤飽和導水率,聯合施用對土壤中Ksat的積極影響最為明顯。這可能是壤土孔隙結構較好,“可塑性”較弱,在這種情況下,外源生物質材料很容易打破原有的土壤孔隙系統,形成新的孔隙結構,降低孔隙的均勻性,影響導水能力[38-39]。由此產生的新孔隙系統也可能因為外部添加劑自身特性產生不同的效果。但凍融后,單獨施加生物炭和單獨施加秸稈作用效果減弱,這不能簡單歸因于孔徑堵塞而導致的,因為聯合施用增加土壤Ksat。盡管一些研究人員認為施加有機質顆粒量與Ksat的變化成正比[40],但有研究人員發現外源生物質材料產生降低效果,甚至無效果[41]。此外,有研究指出Ksat的變化與土壤類型、外界環境、土地利用方式有很大關聯[42-44]。因此外源生物質材料對凍融土壤影響機制有待長期關注。

3 結論

(1)凍融循環所產生的凍脹力破壞土壤結構穩定性,破壞大團聚體成細小團聚體,而施加生物炭和秸稈有效提高GMD、MWD、WR0.25,提高土壤團聚體穩定性。受凍融作用影響,聯合調節效果最佳,極大增強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系。在凍融循環作用和外源生物質材料調控的雙重影響下促進土壤孔隙向大孔徑轉化,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的累計入滲量73.68%、60.52%、151.10%,受聯合施用影響最大。張力的相對變化較大程度影響CLS與JLS處理。受外源生物質材料老化影響,融化期累計入滲量低于凍結前期,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)土壤結構的改善進一步影響土壤孔隙內部儲水能力,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,其中聯合施用最易于土壤水分儲存,凍結前期L3層土壤持水率可達到0.392 9 cm3/cm3。此外,在凍結前期,施加生物炭和秸稈降低土壤FC、PWP、PAWC,受凍融作用影響,施加外源生物質材料增加PAWC,有效增強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水率,作用效果由大到小為CJLS、CLS、JLS。受凍融作用影響,聯合施用表現出較高的土壤飽和導水率,在一定程度抑制土壤蒸發。