柽柳生物炭对滨海盐渍土咸水入渗特征的影响研究*

刘淙琮,董心亮,郭 凯,程东娟,孙宏勇**

(1.河北工程大学水利水电学院 邯郸 056038; 2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022;3.中国科学院大学 北京 100049)

滨海盐渍土作为我国沿海地区重要的土地资源,对其进行合理的开发利用对于缓解我国粮食安全问题十分重要。我国的滨海盐渍土总面积达1.3×10hm,占盐渍土总面积的3.6%,且分布范围广,其中河北省的盐渍耕地总面积达7.8×10hm,占总耕地面积的10.4%。由于滨海地区土壤盐分含量高、颗粒分散、容重高、孔隙度低、板结现象严重,导致滨海盐渍土开发利用率低。

为更好地开发和利用滨海盐渍土,迫切需要通过人为手段降低土壤盐分含量,提升土壤质量。研究表明,施用改良剂可有效降低盐渍土盐分含量,提升盐渍土壤肥力,如添加脱硫石膏使Ca置换大量的Na以加速土壤盐分淋洗,以及施用有机肥提高土壤有机质含量和孔隙度以加速盐分淋洗等。然而,这些改良剂不仅需要反复添加,而且还会造成盐渍土壤的二次污染,如引入重金属和抗生素等。生物炭作为生物有机材料在缺氧或无氧环境中通过高温(＜700 ℃)热裂解产生的一种富含有机碳的固体物质,具备容重低、孔隙度高的特征,是提升盐渍土壤肥力的潜在改良剂。研究指出,生物炭的添加能够明显改善土壤的理化性质,如增加土壤孔隙度、降低土壤容重、提升土壤大团聚体的数量及其稳定性,进而提高土壤持水、导水性能。

滨海盐渍区植物生物量低,但仍有适宜盐渍化土壤生长的盐生植物,如泌盐植物柽柳()生物量可达5 t·hm。因此,将柽柳制备成生物炭再施用到盐渍化土壤中,一方面可以资源化利用盐生植物,节约外来生物炭的运输成本; 另一方面也可以增加土壤有机质含量,降低土壤的含盐量,实现盐渍化土壤的高效利用。虽然滨海地区淡水资源短缺,但其地下有着丰富的咸水资源。因此,合理利用咸水资源也是改善盐渍化土壤高盐环境的重要措施。有研究指出,不同矿化度的咸水对盐碱地的水分入渗特性有不同程度的影响,与淡水相比,咸水提高了累积入渗量与湿润锋运移距离。咸水入渗过程中,咸水离子和土壤离子之间的相互作用显著促进了土壤颗粒的絮凝效果,导致土壤的团聚性、稳定性、孔隙度和渗透性均有显著提升。

综上所述,生物炭对盐渍化土壤中的水分入渗性能及其水盐分布等均有一定程度的影响。但关于盐生植物(柽柳)生物炭对不同矿化度咸水在滨海盐渍土中入渗特征的影响以及入渗完成后土壤水盐含量的分布尚不明确。因此,本研究以添加不同量(0、1.1%和3.3%)柽柳生物炭的盐渍土作为主要研究对象,利用不同矿化度(0 g·L、5 g·L和10 g·L)咸水开展室内土柱入渗试验,研究不同矿化度咸水在盐渍土中的入渗及其水盐分布特征等,分析柽柳生物炭的添加以及入渗咸水矿化度对水分入渗特性的影响,确定最佳施用方案,为滨海地区盐渍土的开发利用以及当地咸水资源利用提供必要的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

土壤采集区位于河北省海兴县小山乡海兴试验基地(117°57′50″E,38°17′45″N)。该地区地势低洼平坦,土壤类型以滨海盐渍土为主,盐碱荒地较多;气候类型属暖温带半湿润大陆性季风气候,年平均气温为12.10 ℃,年平均降水量为582.30 mm,且分布极为不均,主要集中在7-8月份,占年降水量的74%,冬季降水量极少,仅占全年降水量的5%～7%。土壤盐分组成主要为氯化物,Cl占阴离子总量的70%～80%,Na为主要的阳离子。地下水水位为0.90～1.50 m,随着季节变化而呈现不同的变化,6-8月份降水量大,地下水水位较高,为1.0 m左右,春季降水量较少,水位在1.40 m左右,同时,该地区地下水的矿化度较高,含盐量为7～27 g·L。

1.2 试验材料

供试土壤取自海兴试验基地大田0～40 cm深度,取样完毕后,去除石块和植物根系等杂质,自然风干后过2 mm筛。供试土壤为粉质壤土,其中砂粒、粉粒、黏粒的含量占比分别为15.53%、82.12%和2.35%,pH为8.28,EC值为2.10 dS·m,含盐量为7.21 g·kg。供试生物炭为滨海地区的耐盐植物(柽柳)风干后在500 ℃的无氧条件下裂解而成,其有机碳含量为67.47%,pH为7.95,EC值为2.60 dS·m,含盐量为27.90 g·kg。供试咸水的矿化度分别为0 g·L、5 g·L和10 g·L,含盐量分别为0 g·kg、5.25 g·kg和10.51 g·kg,pH均为8.28。咸水的配制方法如下:根据设置的咸水矿化度,采用与当地地下咸水离子成分(表1)一致的海盐融入蒸馏水配制,由于咸水用量较大,使用天平(0.01 g)分别称取100 g和200 g海盐,融入25 L水桶中,并定容至20 L,混匀后储藏备用。

表1 地下咸水及不同矿化度咸水离子组成Table 1 Ions composition of saline groundwater and the tested salt water with different salinities g·kg-1

1.3 试验装置制备

土柱用透明的亚克力管制成,高为110 cm,内径为9 cm,厚度为5 mm,底部粘连亚克力板,在位于90 cm高度的亚克力管壁安装球阀,与高为50 cm、内径为9 cm、厚度为5 mm的马氏瓶相连接(图1)。安装完毕后,灌满水检查亚克力管和马氏瓶的气密性。在亚克力管中分层填装盐渍土,其中0～20 cm深度模拟大田添加相应生物炭质量比的盐渍土,20 cm以下填装未添加生物炭的盐渍土。土柱填装的过程中分别计算并称量生物炭和盐渍土用量,将其混合均匀后,每隔 10 cm分层填装入亚克力管中,填装时使用卷形的塑料管将盐渍土缓慢倒入土柱底部,再使用有一定重量的圆形铁棒压实到填装刻度处,进行下一层填装时将层与层之间刮毛,防止入渗过程中出现分层现象。填装后,在土柱表面放一层滤纸,防止加水时水分冲刷土柱表面。土柱的填装容重为1.45 g·cm,高度为90 cm。填装后,在与之相连的马氏瓶中加入提前配制好的相应矿化度咸水,最后再对各装置的气密性进行检查,备用。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the test device

1.4 试验设计

本试验依据农田生物炭添加量水平,设置生物炭的质量百分比分别为0 (B0)、1.1% (B1)、3.3%(B3)。其中,0为未添加生物炭的对照。每种生物炭添加量下的滨海盐渍土再分别对应于矿化度为0 g·L(S0)、5 g·L(S5)和10 g·L(S10)3个水平,共9个处理,每个处理重复3次。试验过程中控制室内温度恒定为25 ℃,试验供水时控制2 cm定水头供水。入渗开始前,记录马氏瓶初始水位,开始后,连续每隔10 cm记录马氏瓶水位下降高度和湿润锋运移时间,当湿润锋运移60 cm时,停止记录,试验结束。入渗完毕后,每隔10 cm取一次土样,测定其水、盐含量。

1.5 测定项目与方法

土壤质量含水量采用烘干法测定(105 ℃,8 h);土壤样品进行风干、研磨、5∶1水土质量比浸提等操作后,使用FE28型pH检测仪测定浸提液的pH,使用B-173型EC仪测定土壤的EC,采用滴定法测定可溶性盐分离子的含量,同时根据各阴阳离子的浓度之和求其总的盐分离子含量。入渗过程的平均入渗率采用以下公式进行计算:

式中:为入渗率,为本时刻的累积入渗量,为上一时刻的累积入渗量,为本次记录的湿润锋运移时间,为上一次记录的湿润锋运移时间。

1.6 数据分析

试验数据利用SPSS 17软件进行方差分析,使用Duncan分析法对各处理间差异进行多重比较(差异显著性＜0.05),利用Origin 2019b软件进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 盐渍土添加生物炭后的咸水入渗特性

2.1.1 湿润锋运移时间

水分入渗过程中,湿润锋的运移时间随生物炭添加量及咸水矿化度的增加而缩短,同时随深度的增加,不同处理间的差异逐渐显著(图2,＜0.05)。淡水(S0)中,不加生物炭(B0)处理的湿润锋运移60 cm的时间为177.83 h,生物炭添加量为1.1% (B1)和3.3% (B3)处理的湿润锋运移60 cm的时间比B0分别缩短35.80%和73.10%; 矿化度为5 g·L的咸水(S5)中,B0湿润锋运移60 cm的时间为116.66 h,B1和B3处理比B0分别缩短64.43%和72.86%; 矿化度为10 g·L咸水(S10)中,B0湿润锋运移60 cm的时间为102.00 h,B1和B3处理比B0分别缩短64.06%和75.33%。B0中,S5和S10处理的湿润锋运移60 cm的时间比S0分别缩短34.39%和42.64%;B1 中,S5 和S10 处理比S0 分别缩短63.65%和67.89%;B3 中,S5 和S10 处理比S0 分别缩短33.81%和47.40%。以上数据表明,生物炭添加量及咸水矿化度与湿润锋运移时间之间均存在显著负相关关系(＜0.05)(图3)。

图2 添加生物炭下不同矿化度咸水在盐渍土的湿润锋运移时间变化Fig.2 Changes of moisture front migration time of saline water with different salinities in saline soil with different amounts biochar addition

图3 生物炭添加量及咸水矿化度与湿润锋运移时间之间的相关性Fig.3 Correlation between biochar addition amount or salinity of salt water and wet front migration time

2.1.2 入渗率

水分入渗过程中,各处理的入渗率随生物炭添加量及咸水矿化度的增加而显著增大,且随入渗深度的增大入渗率显著降低(图4,＜0.05)。S0中,B0处理在土柱深度10 cm、40 cm和60 cm处的入渗率分 别 为102.34 mm·h、1.28 mm·h和0.48 mm·h,B1处理比B0分别增加16.08%、40.63%和118.75%,B3处理比B0分别增加34.32%、216.41%和275.00%。S5中,B0处理在土柱深度10 cm、40 cm和60 cm处的入渗率分别为109.21 mm·h、1.60 mm·h和1.32 mm·h,B1处理比B0分别增加41.15%、233.75%和111.36%,B3处理比B0分别增加56.1%、436.88%和300.00%。S10中,B0处理在土柱深度10 cm、40 cm和60 cm处的入渗率分别为115.81 mm·h、1.71 mm·h和1.87 mm·h,B1处理比B0分别增加36.45%、222.81%和100.00%,B3处理比B0分别增加65.51%、295.91%和186.10%。B0中,S5处理在土柱深度10 cm、40 cm和60 cm处的入渗率比S0分别增加6.71%、25.00%和175.00%,S10处理比S0分别增加13.16%、33.59%和289.58%; B1中,土柱深度10 cm、40 cm和60 cm处的入渗率S5处理比S0分别增加29.76%、196.67%和165.71%,S10处理比S0分别增加33.01%、206.67%和256.19%; B3中,土柱深度10 cm、40 cm和60 cm处的入渗率S5处理比S0分别增加24.04%、112.10%和67.16%,S10处理比S0分别增加39.44%、67.16%和197.22%。

图4 添加生物炭下不同矿化度咸水在盐渍土的入渗率随深度变化Fig.4 Infiltration rates of saline water with different salinities in different depths of soils with different addition amounts of biochar

双因素方差分析(表2)表明,生物炭的添加和咸水矿化度及其二者的交互作用对土壤的水分入渗率均有显著的影响(＜0.01)。通过比较10 cm和40 cm深度的值,发现添加不同质量比的生物炭对入渗率的影响最大,其次为不同矿化度咸水,二者之间交互作用的影响最低。

表2 生物炭添加量和咸水矿化度与咸水入渗率间的双因素方差分析Table 2 Two-factor analysis of variance between biochar addition amount,salt water salinity and infiltration rate

2.2 盐渍土中咸水入渗后的水盐分布

2.2.1 剖面土壤含水量

水分入渗后,土壤0～10 cm 深度的土壤含水量随生物炭添加量的增加而显著增大(＜0.05)(图5)。S0中,表层0～10 cm土壤中,B0处理的土壤含水量为41.23%,B1和B3处理的含水量比B0分别增加2.23%和3.81%; S5中,0～10 cm土层B0处理的土壤含水量为39.68%,B1和B3处理的含水量比B0分别增加1.29%和4.46%; S10中,0～10 cm土层B0处理的土壤含水量为40.06%,B1和B3处理比B0分别增加2.87%和9.21%。10 cm深度以下土壤,B1S5处理10～30 cm土层含水量处于B0和B3处理之间;B0S10处理的土壤含水量在深度30～60 cm处均高于B1和B3处理。B0中,土壤0～10 cm深度S5处理和S10处理的土壤含水量比S0处理分别减少5.34%和2.84%; 而在20～30 cm深度,S5处理和S10处理的含水量分别为28.35%和31.8%,比S0分别增加20.94%和23.98%; 30 cm深度以下土壤的含水量随矿化度的增加均增大。

图5 添加生物炭下不同矿化度咸水入渗后盐渍土的含水量随深度的变化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 剖面土壤含盐量

水分入渗后,各处理土壤中的盐分随水分的入渗向下运移,显著增大了下层土壤的含盐量(图6)。深度0～20 cm,咸水矿化度相同时,不同生物炭添加量土壤中的含盐量之间无显著差异(＜0.05); 矿化度分别为0 g·L、5 g·L和10 g·L咸水入渗土壤后的含盐量分别为1.21～2.38 g·kg、2.60～3.23 g·kg和3.65～5.27 g·kg,随咸水矿化度的增加土壤含盐量增大; 深度20～40 cm,不同矿化度咸水入渗土壤含盐量分 别 为1.65～3.55 g·kg、2.41～3.15 g·kg和3.13～4.64 g·kg,也表现为随咸水矿化度的增加而增大,但均小于盐渍土的初始含盐量。深度40～50 cm,S0处理中,B0的土壤含盐量为9.32 g·kg,显著高于B1和B3处理; S5和S10处理中,不添加生物炭土壤的含盐量也有一定程度的累积,但显著小于S0B0处理。深度50～60 cm土壤中的含盐量随生物炭添加量以及咸水矿化度的增加而增大,且各处理间差异显著:在S0处理中,B0处理的含盐量为26.66 g·kg,B1和B3处理的含盐量比B0分别增加5.21%和13.95%;S5处理中,B0处理的含盐量为28.37 g·kg,B1和B3处理比B0分别增加7.58%和19.18%; S10处理中,B0处理的含盐量为29.33 g·kg,B1和B3处理比B0分别增加10.74%和22.81%; B0处理中,S5和S10处理的含盐量比S0分别增加6.41%和10.02%;B1处理中,S5和S10处理分别增加8.81%和15.79%; B3处理中,S5和S10处理分别增加11.29%和18.56%。

图6 添加生物炭下不同矿化度咸水入渗后盐渍土的含盐量随深度的变化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 讨论

3.1 生物炭对咸水入渗时间和速率的影响

本研究在添加生物炭的盐渍土中利用不同矿化度的咸水进行水分入渗试验,结果表明,水分的入渗率随生物炭的添加量以及咸水矿化度的增加而增大,湿润锋运移时间则相应缩短,原因是生物炭具有较发达的孔隙结构,提高了土壤的孔隙度,进而提高了水分的水力特性; 此外,由于入渗咸水矿化度增大,导致水中的盐分离子增加,使得土壤溶液中的盐分浓度升高,扩散双电子层向黏粒表面压缩,土壤颗粒间排斥力减小,加强了胶体的絮凝作用,维持了土壤孔隙结构,促进水分入渗。本研究结果与黄明逸等研究的滨海盐渍土中添加生物炭以及咸水中的盐分离子可以促进土壤中的水分入渗性能的结果一致。各处理中湿润锋向下层土壤运移的过程中,土壤的入渗率减小,湿润锋运移相同距离的时间增加,这是因为入渗初始阶段,土体干燥,土壤基质势高,此时,土壤的入渗率高,而随着时间的增加,土壤中的水分含量增大,基质势变小,土壤入渗率降低,湿润锋运移的时间也增加。

3.2 生物炭对咸水入渗后不同深度土壤水分含量分布的影响

生物炭在制备过程中形成的较多微孔结构以及自身巨大的比表面积,使得土壤中添加生物炭后,对水分的吸附性增强,将一定的水分吸持在土壤孔隙中。本研究中,矿化度为0 g·L、5 g·L和10 g·L的咸水分别在不同生物炭添加量的盐渍土中入渗后,增加了0～10 cm土壤1.29%～9.23%的持水能力,未添加生物炭的盐渍土经过咸水入渗后,土壤含水量随咸水矿化度的增大而减小,在土壤20 cm以下,表现为随矿化度的增加而增大,而在添加生物炭的盐渍土中进行咸水入渗时,咸水处理之间的土壤含水量变化不大,研究结果与肖茜等通过室内入渗试验研究中生物炭的添加能够增大土壤的吸水、持水能力的结论一致。原因是在本试验中入渗咸水的盐分离子可以促进水分的入渗,不利于土壤的水分储存,而添加一定量生物炭既能促进水分的入渗又能增强土壤的持水性能。在入渗初期,土壤中的水分由于生物炭和咸水中盐分离子的影响快速向下层土壤入渗,且生物炭的多孔结构在土壤中具有一定的吸水持水能力,因此,水分入渗后,相同矿化度咸水处理中,添加生物炭的盐渍土中的含水量有一定幅度增大,矿化度分别为0 g·L和5 g·L的水分处理中,各层土壤含水量之间差异显著; 矿化度为10 g·L咸水处理中,由于生物炭和咸水离子之间的相互作用使各层土壤含水量间的差异显著性降低。未添加生物炭的土壤由于入渗咸水中离子的作用使得水分更容易向下层土壤入渗,进而使得表层土壤含水量随着咸水矿化度的增加而减小,下层土壤的水分则增大。

3.3 生物炭对咸水入渗后不同深度土壤盐分含量分布的影响

本研究0～40 cm土壤的含盐量在水分入渗后均有明显下降,且生物炭的添加并没有显著地影响土壤含盐量,但随入渗咸水矿化度的增加,各处理的土壤含盐量均相应增加,但均小于初始含盐量,这是因为0～40 cm土壤的盐分大多被淋溶到50～60 cm土层,当入渗咸水的矿化度增大时,咸水在淋洗土壤盐分离子的过程中,入渗率加快,土壤和咸水中的盐分离子均有一定程度的滞留,这就导致入渗咸水矿化度高的土壤中盐分离子较大,而生物炭在此阶段对土壤盐分离子含量的影响不显著。深度40～50 cm土壤中,淡水入渗未添加生物炭的盐渍土后,盐渍土中的土壤结构没有改变,水分入渗时间较长,入渗率低,湿润锋的运移时间较慢,土壤中的盐分在该层滞留下来,因此,该处理中的含盐量相比于其他处理较大。深度50～60 cm土壤中的含盐量随生物炭添加量以及入渗咸水矿化度的增加而增大,与未添加生物炭的淡水处理相比,其含盐量增加5.21%～35.11%,这是因为该对照处理的盐分在上层土壤中有一定量的滞留,导致该层土壤的含盐量较低,而在土壤中添加生物炭以及使用咸水入渗,会使生物炭以及入渗咸水的盐分离子与盐渍土本身的盐分离子产生反应,使得土壤中的盐分更多地向下层土壤运移,有利于盐渍土的盐分淋洗,这就使得该层土壤中的盐分随着生物炭添加量以及咸水矿化度的增大而增加。本研究结果与黄明逸等研究的在土壤中添加生物炭以及咸水中的盐分离子能够改善盐渍土的土壤结构,促进土壤盐分淋洗的机理一致。

本研究将滨海地区生长的盐生植物柽柳烧制成生物炭施入盐渍土中,既能达到改良盐渍土的效果,又可以充分利用该地区的生物资源。生物炭对盐渍土的影响与原料及制备工艺等多方面有关,而且滨海盐渍土中添加不同量的生物炭,对盐渍土的土壤结构也有不同程度的影响,进而影响盐渍土的水分入渗过程,再结合利用当地丰富的咸水资源能够极大地推动滨海地区盐渍土的治理进程,促进当地农业的发展。

4 结论

本研究对盐渍土中添加不同量生物炭条件下,咸水入渗特性参数进行分析,并探明了咸水矿化度和生物炭添加量对水分入渗特性的影响,结论如下:

1)盐渍土的水分入渗特性随生物炭添加量及咸水矿化度的增加而变化。其中,湿润锋入渗时间比未添加生物炭的淡水处理缩短34.40%～85.85%,入渗率增大6.71%～87.30%,生物炭的添加对盐渍土水分入渗性能的影响大于咸水矿化度的影响。

2)水分入渗后,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土壤含盐量比初始土壤显著下降,且随咸水矿化度的减小而减小; 50～60 cm土壤含盐量最高,且随生物炭添加量以及咸水矿化度的增加而增大5.21%～35.11%。

向盐渍土0～20 cm深度添加生物炭后,能够显著促进土壤中的盐分淋洗,缩短淋洗时间,且随生物炭用量增加,淋洗时间逐渐缩短。土壤含盐量以3.3%生物炭用量处理向下运移的最多。因此,向滨海盐渍土中添加质量比为3.3%的生物炭为本研究进行不同矿化度咸水淋洗脱盐的最佳方案。对于加快盐渍化土壤脱盐进程,改良培肥盐渍化土壤,具有较大的潜力。