劉淙琮,董心亮,郭 凱,程東娟,孫宏勇**

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院 邯鄲 056038; 2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022;3.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

濱海鹽漬土作為我國沿海地區(qū)重要的土地資源,對其進行合理的開發(fā)利用對于緩解我國糧食安全問題十分重要。我國的濱海鹽漬土總面積達1.3×10hm,占鹽漬土總面積的3.6%,且分布范圍廣,其中河北省的鹽漬耕地總面積達7.8×10hm,占總耕地面積的10.4%。由于濱海地區(qū)土壤鹽分含量高、顆粒分散、容重高、孔隙度低、板結(jié)現(xiàn)象嚴重,導(dǎo)致濱海鹽漬土開發(fā)利用率低。

為更好地開發(fā)和利用濱海鹽漬土,迫切需要通過人為手段降低土壤鹽分含量,提升土壤質(zhì)量。研究表明,施用改良劑可有效降低鹽漬土鹽分含量,提升鹽漬土壤肥力,如添加脫硫石膏使Ca置換大量的Na以加速土壤鹽分淋洗,以及施用有機肥提高土壤有機質(zhì)含量和孔隙度以加速鹽分淋洗等。然而,這些改良劑不僅需要反復(fù)添加,而且還會造成鹽漬土壤的二次污染,如引入重金屬和抗生素等。生物炭作為生物有機材料在缺氧或無氧環(huán)境中通過高溫(＜700 ℃)熱裂解產(chǎn)生的一種富含有機碳的固體物質(zhì),具備容重低、孔隙度高的特征,是提升鹽漬土壤肥力的潛在改良劑。研究指出,生物炭的添加能夠明顯改善土壤的理化性質(zhì),如增加土壤孔隙度、降低土壤容重、提升土壤大團聚體的數(shù)量及其穩(wěn)定性,進而提高土壤持水、導(dǎo)水性能。

濱海鹽漬區(qū)植物生物量低,但仍有適宜鹽漬化土壤生長的鹽生植物,如泌鹽植物檉柳()生物量可達5 t·hm。因此,將檉柳制備成生物炭再施用到鹽漬化土壤中,一方面可以資源化利用鹽生植物,節(jié)約外來生物炭的運輸成本; 另一方面也可以增加土壤有機質(zhì)含量,降低土壤的含鹽量,實現(xiàn)鹽漬化土壤的高效利用。雖然濱海地區(qū)淡水資源短缺,但其地下有著豐富的咸水資源。因此,合理利用咸水資源也是改善鹽漬化土壤高鹽環(huán)境的重要措施。有研究指出,不同礦化度的咸水對鹽堿地的水分入滲特性有不同程度的影響,與淡水相比,咸水提高了累積入滲量與濕潤鋒運移距離。咸水入滲過程中,咸水離子和土壤離子之間的相互作用顯著促進了土壤顆粒的絮凝效果,導(dǎo)致土壤的團聚性、穩(wěn)定性、孔隙度和滲透性均有顯著提升。

綜上所述,生物炭對鹽漬化土壤中的水分入滲性能及其水鹽分布等均有一定程度的影響。但關(guān)于鹽生植物(檉柳)生物炭對不同礦化度咸水在濱海鹽漬土中入滲特征的影響以及入滲完成后土壤水鹽含量的分布尚不明確。因此,本研究以添加不同量(0、1.1%和3.3%)檉柳生物炭的鹽漬土作為主要研究對象,利用不同礦化度(0 g·L、5 g·L和10 g·L)咸水開展室內(nèi)土柱入滲試驗,研究不同礦化度咸水在鹽漬土中的入滲及其水鹽分布特征等,分析檉柳生物炭的添加以及入滲咸水礦化度對水分入滲特性的影響,確定最佳施用方案,為濱海地區(qū)鹽漬土的開發(fā)利用以及當(dāng)?shù)叵趟Y源利用提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

土壤采集區(qū)位于河北省海興縣小山鄉(xiāng)海興試驗基地(117°57′50″E,38°17′45″N)。該地區(qū)地勢低洼平坦,土壤類型以濱海鹽漬土為主,鹽堿荒地較多;氣候類型屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫為12.10 ℃,年平均降水量為582.30 mm,且分布極為不均,主要集中在7-8月份,占年降水量的74%,冬季降水量極少,僅占全年降水量的5%～7%。土壤鹽分組成主要為氯化物,Cl占陰離子總量的70%～80%,Na為主要的陽離子。地下水水位為0.90～1.50 m,隨著季節(jié)變化而呈現(xiàn)不同的變化,6-8月份降水量大,地下水水位較高,為1.0 m左右,春季降水量較少,水位在1.40 m左右,同時,該地區(qū)地下水的礦化度較高,含鹽量為7～27 g·L。

1.2 試驗材料

供試土壤取自海興試驗基地大田0～40 cm深度,取樣完畢后,去除石塊和植物根系等雜質(zhì),自然風(fēng)干后過2 mm篩。供試土壤為粉質(zhì)壤土,其中砂粒、粉粒、黏粒的含量占比分別為15.53%、82.12%和2.35%,pH為8.28,EC值為2.10 dS·m,含鹽量為7.21 g·kg。供試生物炭為濱海地區(qū)的耐鹽植物(檉柳)風(fēng)干后在500 ℃的無氧條件下裂解而成,其有機碳含量為67.47%,pH為7.95,EC值為2.60 dS·m,含鹽量為27.90 g·kg。供試咸水的礦化度分別為0 g·L、5 g·L和10 g·L,含鹽量分別為0 g·kg、5.25 g·kg和10.51 g·kg,pH均為8.28。咸水的配制方法如下:根據(jù)設(shè)置的咸水礦化度,采用與當(dāng)?shù)氐叵孪趟x子成分(表1)一致的海鹽融入蒸餾水配制,由于咸水用量較大,使用天平(0.01 g)分別稱取100 g和200 g海鹽,融入25 L水桶中,并定容至20 L,混勻后儲藏備用。

表1 地下咸水及不同礦化度咸水離子組成Table 1 Ions composition of saline groundwater and the tested salt water with different salinities g·kg-1

1.3 試驗裝置制備

土柱用透明的亞克力管制成,高為110 cm,內(nèi)徑為9 cm,厚度為5 mm,底部粘連亞克力板,在位于90 cm高度的亞克力管壁安裝球閥,與高為50 cm、內(nèi)徑為9 cm、厚度為5 mm的馬氏瓶相連接(圖1)。安裝完畢后,灌滿水檢查亞克力管和馬氏瓶的氣密性。在亞克力管中分層填裝鹽漬土,其中0～20 cm深度模擬大田添加相應(yīng)生物炭質(zhì)量比的鹽漬土,20 cm以下填裝未添加生物炭的鹽漬土。土柱填裝的過程中分別計算并稱量生物炭和鹽漬土用量,將其混合均勻后,每隔 10 cm分層填裝入亞克力管中,填裝時使用卷形的塑料管將鹽漬土緩慢倒入土柱底部,再使用有一定重量的圓形鐵棒壓實到填裝刻度處,進行下一層填裝時將層與層之間刮毛,防止入滲過程中出現(xiàn)分層現(xiàn)象。填裝后,在土柱表面放一層濾紙,防止加水時水分沖刷土柱表面。土柱的填裝容重為1.45 g·cm,高度為90 cm。填裝后,在與之相連的馬氏瓶中加入提前配制好的相應(yīng)礦化度咸水,最后再對各裝置的氣密性進行檢查,備用。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

1.4 試驗設(shè)計

本試驗依據(jù)農(nóng)田生物炭添加量水平,設(shè)置生物炭的質(zhì)量百分比分別為0 (B0)、1.1% (B1)、3.3%(B3)。其中,0為未添加生物炭的對照。每種生物炭添加量下的濱海鹽漬土再分別對應(yīng)于礦化度為0 g·L(S0)、5 g·L(S5)和10 g·L(S10)3個水平,共9個處理,每個處理重復(fù)3次。試驗過程中控制室內(nèi)溫度恒定為25 ℃,試驗供水時控制2 cm定水頭供水。入滲開始前,記錄馬氏瓶初始水位,開始后,連續(xù)每隔10 cm記錄馬氏瓶水位下降高度和濕潤鋒運移時間,當(dāng)濕潤鋒運移60 cm時,停止記錄,試驗結(jié)束。入滲完畢后,每隔10 cm取一次土樣,測定其水、鹽含量。

1.5 測定項目與方法

土壤質(zhì)量含水量采用烘干法測定(105 ℃,8 h);土壤樣品進行風(fēng)干、研磨、5∶1水土質(zhì)量比浸提等操作后,使用FE28型pH檢測儀測定浸提液的pH,使用B-173型EC儀測定土壤的EC,采用滴定法測定可溶性鹽分離子的含量,同時根據(jù)各陰陽離子的濃度之和求其總的鹽分離子含量。入滲過程的平均入滲率采用以下公式進行計算:

式中:為入滲率,為本時刻的累積入滲量,為上一時刻的累積入滲量,為本次記錄的濕潤鋒運移時間,為上一次記錄的濕潤鋒運移時間。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)利用SPSS 17軟件進行方差分析,使用Duncan分析法對各處理間差異進行多重比較(差異顯著性＜0.05),利用Origin 2019b軟件進行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽漬土添加生物炭后的咸水入滲特性

2.1.1 濕潤鋒運移時間

水分入滲過程中,濕潤鋒的運移時間隨生物炭添加量及咸水礦化度的增加而縮短,同時隨深度的增加,不同處理間的差異逐漸顯著(圖2,＜0.05)。淡水(S0)中,不加生物炭(B0)處理的濕潤鋒運移60 cm的時間為177.83 h,生物炭添加量為1.1% (B1)和3.3% (B3)處理的濕潤鋒運移60 cm的時間比B0分別縮短35.80%和73.10%; 礦化度為5 g·L的咸水(S5)中,B0濕潤鋒運移60 cm的時間為116.66 h,B1和B3處理比B0分別縮短64.43%和72.86%; 礦化度為10 g·L咸水(S10)中,B0濕潤鋒運移60 cm的時間為102.00 h,B1和B3處理比B0分別縮短64.06%和75.33%。B0中,S5和S10處理的濕潤鋒運移60 cm的時間比S0分別縮短34.39%和42.64%;B1 中,S5 和S10 處理比S0 分別縮短63.65%和67.89%;B3 中,S5 和S10 處理比S0 分別縮短33.81%和47.40%。以上數(shù)據(jù)表明,生物炭添加量及咸水礦化度與濕潤鋒運移時間之間均存在顯著負相關(guān)關(guān)系(＜0.05)(圖3)。

圖2 添加生物炭下不同礦化度咸水在鹽漬土的濕潤鋒運移時間變化Fig.2 Changes of moisture front migration time of saline water with different salinities in saline soil with different amounts biochar addition

圖3 生物炭添加量及咸水礦化度與濕潤鋒運移時間之間的相關(guān)性Fig.3 Correlation between biochar addition amount or salinity of salt water and wet front migration time

2.1.2 入滲率

水分入滲過程中,各處理的入滲率隨生物炭添加量及咸水礦化度的增加而顯著增大,且隨入滲深度的增大入滲率顯著降低(圖4,＜0.05)。S0中,B0處理在土柱深度10 cm、40 cm和60 cm處的入滲率分 別 為102.34 mm·h、1.28 mm·h和0.48 mm·h,B1處理比B0分別增加16.08%、40.63%和118.75%,B3處理比B0分別增加34.32%、216.41%和275.00%。S5中,B0處理在土柱深度10 cm、40 cm和60 cm處的入滲率分別為109.21 mm·h、1.60 mm·h和1.32 mm·h,B1處理比B0分別增加41.15%、233.75%和111.36%,B3處理比B0分別增加56.1%、436.88%和300.00%。S10中,B0處理在土柱深度10 cm、40 cm和60 cm處的入滲率分別為115.81 mm·h、1.71 mm·h和1.87 mm·h,B1處理比B0分別增加36.45%、222.81%和100.00%,B3處理比B0分別增加65.51%、295.91%和186.10%。B0中,S5處理在土柱深度10 cm、40 cm和60 cm處的入滲率比S0分別增加6.71%、25.00%和175.00%,S10處理比S0分別增加13.16%、33.59%和289.58%; B1中,土柱深度10 cm、40 cm和60 cm處的入滲率S5處理比S0分別增加29.76%、196.67%和165.71%,S10處理比S0分別增加33.01%、206.67%和256.19%; B3中,土柱深度10 cm、40 cm和60 cm處的入滲率S5處理比S0分別增加24.04%、112.10%和67.16%,S10處理比S0分別增加39.44%、67.16%和197.22%。

圖4 添加生物炭下不同礦化度咸水在鹽漬土的入滲率隨深度變化Fig.4 Infiltration rates of saline water with different salinities in different depths of soils with different addition amounts of biochar

雙因素方差分析(表2)表明,生物炭的添加和咸水礦化度及其二者的交互作用對土壤的水分入滲率均有顯著的影響(＜0.01)。通過比較10 cm和40 cm深度的值,發(fā)現(xiàn)添加不同質(zhì)量比的生物炭對入滲率的影響最大,其次為不同礦化度咸水,二者之間交互作用的影響最低。

表2 生物炭添加量和咸水礦化度與咸水入滲率間的雙因素方差分析Table 2 Two-factor analysis of variance between biochar addition amount,salt water salinity and infiltration rate

2.2 鹽漬土中咸水入滲后的水鹽分布

2.2.1 剖面土壤含水量

水分入滲后,土壤0～10 cm 深度的土壤含水量隨生物炭添加量的增加而顯著增大(＜0.05)(圖5)。S0中,表層0～10 cm土壤中,B0處理的土壤含水量為41.23%,B1和B3處理的含水量比B0分別增加2.23%和3.81%; S5中,0～10 cm土層B0處理的土壤含水量為39.68%,B1和B3處理的含水量比B0分別增加1.29%和4.46%; S10中,0～10 cm土層B0處理的土壤含水量為40.06%,B1和B3處理比B0分別增加2.87%和9.21%。10 cm深度以下土壤,B1S5處理10～30 cm土層含水量處于B0和B3處理之間;B0S10處理的土壤含水量在深度30～60 cm處均高于B1和B3處理。B0中,土壤0～10 cm深度S5處理和S10處理的土壤含水量比S0處理分別減少5.34%和2.84%; 而在20～30 cm深度,S5處理和S10處理的含水量分別為28.35%和31.8%,比S0分別增加20.94%和23.98%; 30 cm深度以下土壤的含水量隨礦化度的增加均增大。

圖5 添加生物炭下不同礦化度咸水入滲后鹽漬土的含水量隨深度的變化Fig.5 Water contents at different depths of saline soil after infiltration of saline water with different salinities under different addition amounts of biochar

2.2.2 剖面土壤含鹽量

水分入滲后,各處理土壤中的鹽分隨水分的入滲向下運移,顯著增大了下層土壤的含鹽量(圖6)。深度0～20 cm,咸水礦化度相同時,不同生物炭添加量土壤中的含鹽量之間無顯著差異(＜0.05); 礦化度分別為0 g·L、5 g·L和10 g·L咸水入滲土壤后的含鹽量分別為1.21～2.38 g·kg、2.60～3.23 g·kg和3.65～5.27 g·kg,隨咸水礦化度的增加土壤含鹽量增大; 深度20～40 cm,不同礦化度咸水入滲土壤含鹽量分 別 為1.65～3.55 g·kg、2.41～3.15 g·kg和3.13～4.64 g·kg,也表現(xiàn)為隨咸水礦化度的增加而增大,但均小于鹽漬土的初始含鹽量。深度40～50 cm,S0處理中,B0的土壤含鹽量為9.32 g·kg,顯著高于B1和B3處理; S5和S10處理中,不添加生物炭土壤的含鹽量也有一定程度的累積,但顯著小于S0B0處理。深度50～60 cm土壤中的含鹽量隨生物炭添加量以及咸水礦化度的增加而增大,且各處理間差異顯著:在S0處理中,B0處理的含鹽量為26.66 g·kg,B1和B3處理的含鹽量比B0分別增加5.21%和13.95%;S5處理中,B0處理的含鹽量為28.37 g·kg,B1和B3處理比B0分別增加7.58%和19.18%; S10處理中,B0處理的含鹽量為29.33 g·kg,B1和B3處理比B0分別增加10.74%和22.81%; B0處理中,S5和S10處理的含鹽量比S0分別增加6.41%和10.02%;B1處理中,S5和S10處理分別增加8.81%和15.79%; B3處理中,S5和S10處理分別增加11.29%和18.56%。

圖6 添加生物炭下不同礦化度咸水入滲后鹽漬土的含鹽量隨深度的變化Fig.6 Changes of salt content with depth of saline soil after saline water infiltration with different salinities under different addition amounts of biochar

3 討論

3.1 生物炭對咸水入滲時間和速率的影響

本研究在添加生物炭的鹽漬土中利用不同礦化度的咸水進行水分入滲試驗,結(jié)果表明,水分的入滲率隨生物炭的添加量以及咸水礦化度的增加而增大,濕潤鋒運移時間則相應(yīng)縮短,原因是生物炭具有較發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu),提高了土壤的孔隙度,進而提高了水分的水力特性; 此外,由于入滲咸水礦化度增大,導(dǎo)致水中的鹽分離子增加,使得土壤溶液中的鹽分濃度升高,擴散雙電子層向黏粒表面壓縮,土壤顆粒間排斥力減小,加強了膠體的絮凝作用,維持了土壤孔隙結(jié)構(gòu),促進水分入滲。本研究結(jié)果與黃明逸等研究的濱海鹽漬土中添加生物炭以及咸水中的鹽分離子可以促進土壤中的水分入滲性能的結(jié)果一致。各處理中濕潤鋒向下層土壤運移的過程中,土壤的入滲率減小,濕潤鋒運移相同距離的時間增加,這是因為入滲初始階段,土體干燥,土壤基質(zhì)勢高,此時,土壤的入滲率高,而隨著時間的增加,土壤中的水分含量增大,基質(zhì)勢變小,土壤入滲率降低,濕潤鋒運移的時間也增加。

3.2 生物炭對咸水入滲后不同深度土壤水分含量分布的影響

生物炭在制備過程中形成的較多微孔結(jié)構(gòu)以及自身巨大的比表面積,使得土壤中添加生物炭后,對水分的吸附性增強,將一定的水分吸持在土壤孔隙中。本研究中,礦化度為0 g·L、5 g·L和10 g·L的咸水分別在不同生物炭添加量的鹽漬土中入滲后,增加了0～10 cm土壤1.29%～9.23%的持水能力,未添加生物炭的鹽漬土經(jīng)過咸水入滲后,土壤含水量隨咸水礦化度的增大而減小,在土壤20 cm以下,表現(xiàn)為隨礦化度的增加而增大,而在添加生物炭的鹽漬土中進行咸水入滲時,咸水處理之間的土壤含水量變化不大,研究結(jié)果與肖茜等通過室內(nèi)入滲試驗研究中生物炭的添加能夠增大土壤的吸水、持水能力的結(jié)論一致。原因是在本試驗中入滲咸水的鹽分離子可以促進水分的入滲,不利于土壤的水分儲存,而添加一定量生物炭既能促進水分的入滲又能增強土壤的持水性能。在入滲初期,土壤中的水分由于生物炭和咸水中鹽分離子的影響快速向下層土壤入滲,且生物炭的多孔結(jié)構(gòu)在土壤中具有一定的吸水持水能力,因此,水分入滲后,相同礦化度咸水處理中,添加生物炭的鹽漬土中的含水量有一定幅度增大,礦化度分別為0 g·L和5 g·L的水分處理中,各層土壤含水量之間差異顯著; 礦化度為10 g·L咸水處理中,由于生物炭和咸水離子之間的相互作用使各層土壤含水量間的差異顯著性降低。未添加生物炭的土壤由于入滲咸水中離子的作用使得水分更容易向下層土壤入滲,進而使得表層土壤含水量隨著咸水礦化度的增加而減小,下層土壤的水分則增大。

3.3 生物炭對咸水入滲后不同深度土壤鹽分含量分布的影響

本研究0～40 cm土壤的含鹽量在水分入滲后均有明顯下降,且生物炭的添加并沒有顯著地影響土壤含鹽量,但隨入滲咸水礦化度的增加,各處理的土壤含鹽量均相應(yīng)增加,但均小于初始含鹽量,這是因為0～40 cm土壤的鹽分大多被淋溶到50～60 cm土層,當(dāng)入滲咸水的礦化度增大時,咸水在淋洗土壤鹽分離子的過程中,入滲率加快,土壤和咸水中的鹽分離子均有一定程度的滯留,這就導(dǎo)致入滲咸水礦化度高的土壤中鹽分離子較大,而生物炭在此階段對土壤鹽分離子含量的影響不顯著。深度40～50 cm土壤中,淡水入滲未添加生物炭的鹽漬土后,鹽漬土中的土壤結(jié)構(gòu)沒有改變,水分入滲時間較長,入滲率低,濕潤鋒的運移時間較慢,土壤中的鹽分在該層滯留下來,因此,該處理中的含鹽量相比于其他處理較大。深度50～60 cm土壤中的含鹽量隨生物炭添加量以及入滲咸水礦化度的增加而增大,與未添加生物炭的淡水處理相比,其含鹽量增加5.21%～35.11%,這是因為該對照處理的鹽分在上層土壤中有一定量的滯留,導(dǎo)致該層土壤的含鹽量較低,而在土壤中添加生物炭以及使用咸水入滲,會使生物炭以及入滲咸水的鹽分離子與鹽漬土本身的鹽分離子產(chǎn)生反應(yīng),使得土壤中的鹽分更多地向下層土壤運移,有利于鹽漬土的鹽分淋洗,這就使得該層土壤中的鹽分隨著生物炭添加量以及咸水礦化度的增大而增加。本研究結(jié)果與黃明逸等研究的在土壤中添加生物炭以及咸水中的鹽分離子能夠改善鹽漬土的土壤結(jié)構(gòu),促進土壤鹽分淋洗的機理一致。

本研究將濱海地區(qū)生長的鹽生植物檉柳燒制成生物炭施入鹽漬土中,既能達到改良鹽漬土的效果,又可以充分利用該地區(qū)的生物資源。生物炭對鹽漬土的影響與原料及制備工藝等多方面有關(guān),而且濱海鹽漬土中添加不同量的生物炭,對鹽漬土的土壤結(jié)構(gòu)也有不同程度的影響,進而影響鹽漬土的水分入滲過程,再結(jié)合利用當(dāng)?shù)刎S富的咸水資源能夠極大地推動濱海地區(qū)鹽漬土的治理進程,促進當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)論

本研究對鹽漬土中添加不同量生物炭條件下,咸水入滲特性參數(shù)進行分析,并探明了咸水礦化度和生物炭添加量對水分入滲特性的影響,結(jié)論如下:

1)鹽漬土的水分入滲特性隨生物炭添加量及咸水礦化度的增加而變化。其中,濕潤鋒入滲時間比未添加生物炭的淡水處理縮短34.40%～85.85%,入滲率增大6.71%～87.30%,生物炭的添加對鹽漬土水分入滲性能的影響大于咸水礦化度的影響。

2)水分入滲后,添加生物炭使得0～10 cm深度的土壤含水量提高1.29%～9.23%,0～40 cm土壤含鹽量比初始土壤顯著下降,且隨咸水礦化度的減小而減小; 50～60 cm土壤含鹽量最高,且隨生物炭添加量以及咸水礦化度的增加而增大5.21%～35.11%。

向鹽漬土0～20 cm深度添加生物炭后,能夠顯著促進土壤中的鹽分淋洗,縮短淋洗時間,且隨生物炭用量增加,淋洗時間逐漸縮短。土壤含鹽量以3.3%生物炭用量處理向下運移的最多。因此,向濱海鹽漬土中添加質(zhì)量比為3.3%的生物炭為本研究進行不同礦化度咸水淋洗脫鹽的最佳方案。對于加快鹽漬化土壤脫鹽進程,改良培肥鹽漬化土壤,具有較大的潛力。