生物炭粒徑對黃土地徑流和土壤流失的影響

李玉龍

(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

黃土坡地由于植被覆蓋率低,存在嚴重的土壤侵蝕問題,每年都有大量的黃土由于降雨而流失[2]。針對黃土地區(qū)水土流失嚴重導(dǎo)致土壤貧瘠、干旱、退化的問題,有研究人員提出,利用生物炭獨特的理化性質(zhì),可以改善黃土的土壤退化,防止黃土的持續(xù)退化[3]。研究表明,生物炭對改善黃土質(zhì)量具有積極作用和潛力[4]。因此,通過生物質(zhì)熱解技術(shù)將果樹樹枝轉(zhuǎn)化為生物炭,作為土壤補劑應(yīng)用于黃土,不僅是一種簡單、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)廢棄物處理方法,可以改善黃土的整體理化性質(zhì),幫助其保留養(yǎng)分,提高黃土高原作物產(chǎn)量。然而,黃土高原坡耕地與平耕地的主要區(qū)別是土壤侵蝕。因此,在黃土高原應(yīng)用生物炭改良黃土坡地之前,明確生物炭對土壤侵蝕過程的影響是至關(guān)重要的[5]。

以往的研究表明,對于給定的生物炭和土壤類型,生物炭對土壤理化性質(zhì)的有益影響取決于生物炭的施用量[6],但是生物炭粒徑對土壤侵蝕的影響研究較少。本文選擇了三種生物炭粒徑,分別為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2m m。通過研究生物炭粒徑對黃土侵蝕過程的影響,確定生物炭粒徑對徑流和土壤流失變化的貢獻。通過分析>2 mm水穩(wěn)性團聚體含量和飽和導(dǎo)水率,揭示生物炭粒徑對土壤侵蝕的影響機制。

1 材料與方法

1.1 土壤和生物炭

試驗中的生物炭來自黃土地區(qū)當?shù)匦藜艄麡浜蟮膹U棄樹枝,使用生物質(zhì)熱解技術(shù),將廢棄樹枝置于550°C的溫度下并隔絕空氣進行熱解。在熱解過程后,將獲得的生物炭粉碎并通過0.25 mm、1 mm和2 mm的篩網(wǎng),以獲得不同粒徑的生物炭(<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm)。土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)

1.2 實驗設(shè)計

為了保證了土壤和生物炭的人工處理接近自然土壤條件。在本研究中,嚴格按照當?shù)剞r(nóng)民的施用過程,先將不同粒徑的生物炭與土壤進行充分混合,然后將混合均勻的土壤試樣裝入實驗箱中,總深度為25 cm,堆積密度與自然耕作層相似。

將三種不同粒徑的生物炭(<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm)混合到土壤中。根據(jù)相關(guān)文獻研究,生物炭用量較小時,對黃土的理化性質(zhì)改善較為明顯[7]。因此,本研究中生物炭的用量為2%。以不添加生物炭的土壤為對照組。將各試驗組的土壤試驗放入塑料桶中進行培養(yǎng)。添加適量的水后將塑料桶密封,在試驗大廳放置6個月,以確保生物炭對土壤性質(zhì)的時間效應(yīng)。培養(yǎng)后,將對照組和添加生物炭的土壤調(diào)整到約10%的含水量,然后將對照組和添加生物炭的土壤裝入試驗田。

將各試驗組配制好的土壤分層均勻填入試驗田,每次的填入厚度為5 cm,總深度為25 cm。為了保證每層填土之間的連續(xù)性,在每次填土之前,在上一層土體表面進行輕微的劃刻。本研究的試驗田是一個帶孔的金屬槽,尺寸為長1 m×寬1 m×深0.4 m。金屬槽的坡度可以自由調(diào)整,由于岢嵐縣西北部為丘陵地帶,本次試驗的坡角設(shè)置為25°。在金屬槽的每個部位的下邊緣均安裝了漏斗型出口,用來收集降雨產(chǎn)生的徑流和沉積物。將準備好的試驗田放置于降雨模擬器下,因為90 mm/h的降雨強度是發(fā)生在黃土高原的強暴雨的代表。因此本試驗在90 mm/h的降雨強度下通過模擬降雨評價生物炭粒徑對黃土地徑流和土壤流失的影響。

1.3 降雨模擬

本次試驗通過針頭式人工模擬降雨系統(tǒng)進行降雨模擬。該系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)雨滴的尺寸和降雨強度,克服了野外觀測降雨時費力的特點,大大縮短了試驗周期,不受氣候因素的影響,加快了實驗進程。

針頭式人工模擬降雨系統(tǒng)主要包括水箱、管道、噴頭和流量調(diào)節(jié)單元,水箱通過管道與噴頭連接,流量調(diào)節(jié)單元及泵站用于控制噴頭的流量。在安裝板上設(shè)置多組雙層針頭,多組針頭按矩陣分布,內(nèi)層針頭與水箱泵站相連。每組針頭中的多個針頭的直徑相等,多組針頭中的各組針頭的直徑不相等,在進行降雨時,通過流量閥來控制不同組的針頭進行降雨,通過調(diào)整氣壓控制針頭端部的吹離力,就可產(chǎn)生對應(yīng)不同大小的雨滴。該系統(tǒng)有效降雨面積為1 m×1 m,有效降雨高度為2 m,降雨強度在5～100 mm/h范圍內(nèi),雨滴尺寸變化范圍為0.5～5.0 mm,降雨均勻度>95%。

通過改變液流量和氣壓,將降雨強度調(diào)整為90 mm/h。每組試驗?zāi)M降雨的持續(xù)時間為60 min。在模擬降雨過程中,記錄徑流的時間,并使用容器連續(xù)收集徑流和沉積物。最初的5個徑流和沉積物樣本每隔1 min收集一次,隨后的5個樣本每2 min收集一次,之后每3 min收集一次。

土壤團聚體是影響土壤侵蝕的主要性質(zhì)之一,飽和導(dǎo)水率與入滲速率密切相關(guān),從而影響徑流和土壤流失。在本研究中,對土壤樣品進行了土壤團聚體的測量,并使用濕篩法測量了>2 mm水穩(wěn)性團聚體含量,然后烘干并稱重。采用恒水頭滲透性測試法測量飽和導(dǎo)水率。

2 結(jié)果分析

2.1 徑流

圖1顯示了生物炭不同粒徑對徑流時間的影響。可以看出,與對照組相比,在土壤中添加生物炭后徑流時間均有所增加。隨著生物炭粒徑的增加,徑流時間逐漸縮短。生物炭粒徑為<0.25 mm和0.25～1 mm,徑流時間分別為2.88 min和2.82 min,徑流時間縮短不明顯。

圖1 生物炭不同粒徑對徑流時間的影響

圖2顯示了生物炭不同粒徑對總徑流量的影響。可以看出,對照組的總徑流量達到了49.63 kg/m2·h,為所有試驗組的最大值,生物炭粒徑<0.25 mm時總徑流量為38.46 kg/m2·h,為所有試驗組的最小值。對于添加生物炭的試驗組,隨著生物炭粒徑的增大,徑流總量呈先增大后減小的趨勢。總體來看,生物炭的添加減少了總徑流量。

圖3顯示了生物炭不同粒徑對徑流率的影響。在首次產(chǎn)生徑流后的13 min內(nèi),各試驗組的徑流率迅速增加,隨著時間的持續(xù)增加,徑流率的增加速率逐漸平緩。從圖中可以看出,對照組的徑流率在所有持續(xù)時間內(nèi)均高于其他試驗組,添加生物炭可以減小徑流率。

圖3 生物炭不同粒徑對徑流率的影響

生物炭粒徑為0.25～1 mm和< 0.25 mm時,兩者之間的徑流率存在明顯差異,但生物炭粒徑為0.25～1 mm和1～2 mm時,兩者之間的徑流率的差異非常小。總的來說,添加生物炭可以減少徑流率。徑流率隨生物炭粒徑的增大而增加。

2.2 土壤流失

圖4顯示了生物炭粒徑對總侵蝕量的影響。可以看出,添加生物炭可以減小土壤的總侵蝕量。對照組的總侵蝕量最大,為1.82 kg/m2·min。生物炭粒徑<0.25 mm時總侵蝕量最小,為1.52 kg/m2·min。隨著生物炭粒徑的增加,總侵蝕量呈先增大后減小的趨勢。

圖5顯示了生物炭粒徑對土壤侵蝕率的影響。從圖中可以看出,各個試驗組的土壤侵蝕率隨著時間變化的變化規(guī)律大致相同,均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。在降雨開始后7分鐘之內(nèi),土壤侵蝕率迅速上升,在徑流開始后的第7分鐘達到峰值,隨后隨著降雨的持續(xù)進行,土壤侵蝕率逐漸下降,土壤侵蝕率下降速度逐漸趨于平緩。

圖5 生物炭不同粒徑對土壤侵蝕率的影響

與對照組相比,生物炭粒徑為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm時,土壤侵蝕率均小于對照組,隨著生物炭粒徑的增加,土壤侵蝕率呈先增大后減小的趨勢。

2.3 水穩(wěn)性團聚體

圖6顯示了生物炭粒徑對>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量的影響。如圖所示,生物炭的添加導(dǎo)致>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量增加,這表明生物炭有效地促進了小顆粒向大顆粒的聚集。對照組中>2 mm的水穩(wěn)性團聚體的含量最低,為0.37%,生物炭粒徑為1～2 mm時,>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量最高,為0.71%。隨著生物炭粒徑的增加,>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量呈先減小后增大的趨勢。

2.4 飽和導(dǎo)水率

圖7顯示了生物炭粒徑對飽和導(dǎo)水率的影響。如圖所示,對照組的飽和導(dǎo)水率最低,僅為0.26 m/d。生物炭粒徑為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm時,飽和導(dǎo)水率分別為0.38 m/d、0.36 m/d和0.29 m/d。與對照組相比,添加生物炭可以增加飽和導(dǎo)水率,隨著生物炭粒徑的增加,飽和導(dǎo)水率呈逐漸減小的趨勢。生物炭粒徑為<0.25 mm和0.25～1 mm時,飽和導(dǎo)水率變化不明顯。

圖7 生物炭不同粒徑對飽和導(dǎo)水率的影響

3 討論

本文研究了模擬降雨條件下生物炭粒徑對黃土坡地徑流時間、徑流和土壤流失的影響。結(jié)果表明,在一定條件下,將合理粒徑的生物炭添加到土壤中會延遲徑流時間,并減少徑流和土壤損失。生物炭粒徑<0.25 mm時效果最佳。

研究表明,在相同的生物炭施用量(2%)下,生物炭粒徑對土壤侵蝕產(chǎn)生影響,但隨著生物炭粒徑的變化,徑流和侵蝕率并沒有統(tǒng)一的趨勢。總的來說,本研究中使用的更小的生物炭粒徑對延遲徑流時間、減少徑流和減小土壤侵蝕率效果更為顯著。我們推測土壤侵蝕減少的主要原因是添加生物炭土壤中>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量和飽和導(dǎo)水率的變化。本研究表明,與對照組相比,不同生物炭粒徑可以有效提高>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量和飽和導(dǎo)水率。飽和導(dǎo)水率隨生物炭粒徑的減小而增大,添加粒徑為<0.25 mm的生物炭時,飽和導(dǎo)水率最高,>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量含量中等。

本研究中使用的生物炭顆粒的分布一般比土壤顆粒的分布更大(表1),添加<0.25 mm生物炭顆粒對飽和導(dǎo)水率的改善最為顯著。同樣<0.25 mm生物炭顆粒對土壤侵蝕的控制也最優(yōu)。然而,生物炭粒徑為1～2 mm時,>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量較高,但土壤侵蝕較其他試驗組更為嚴重。這一結(jié)果可能是生物炭粒徑為1～2 mm時飽和導(dǎo)水率導(dǎo)致的。小顆粒(0.25～1 mm)的生物炭具有較低的孔隙率,因此與大顆粒(1～2 mm)的生物炭相比,比表面積較低。這一特征削弱了土壤顆粒的結(jié)合力,導(dǎo)致>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量降低。因此,施用大顆粒(1～2 mm)生物炭可獲得比小顆粒(0.25～1 mm)生物炭更高的>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量。然而,最小顆粒生物炭(<0.25 mm)與小顆粒(0.25～1 mm)生物炭相比,產(chǎn)生了更高的>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量。這一結(jié)果可能是由最小顆粒的生物炭的較高的外表面積導(dǎo)致的。這一現(xiàn)象導(dǎo)致<0.25 mm生物炭中>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量高于0.25～1 mm生物炭。

4 結(jié)語

本文通過模擬降雨測量了25°坡角上,生物炭粒徑分別為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm時黃土地的徑流時間、徑流量、土壤流失量、>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量和飽和導(dǎo)水率。結(jié)果表明:

(1)與對照組相比,在土壤中添加生物炭后徑流時間均有所增加,總徑流量減少,徑流率變小。隨著生物炭粒徑的增加,徑流時間逐漸縮短,徑流總量呈先增大后減小的趨勢。徑流率隨生物炭粒徑的增大而增加。

(2)添加生物炭可以減小土壤的總侵蝕量。總侵蝕量呈先增大后減小的趨勢。與對照組相比,生物炭粒徑為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm時,土壤侵蝕率均小于對照組,隨著生物炭粒徑的增加,土壤侵蝕率呈先增大后減小的趨勢。

(3)對照組中>2 mm的水穩(wěn)性團聚體的含量最低,為0.37%,生物炭粒徑為1～2 mm時,>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量最高,為0.71%。隨著生物炭粒徑的增加,>2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量呈先減小后增大的趨勢。

(4)與對照組相比,添加生物炭可以增加飽和導(dǎo)水率,隨著生物炭粒徑的增加,飽和導(dǎo)水率呈逐漸減小的趨勢。生物炭粒徑為<0.25 mm和0.25～1 mm時,飽和導(dǎo)水率變化不明顯。