岑 睿, 屈忠義, 孫貫芳, 楊 芳

(內蒙古農業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018)

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秸稈生物炭對黏壤土入滲規(guī)律的影響

岑 睿, 屈忠義, 孫貫芳, 楊 芳

(內蒙古農業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018)

為提高干旱半干旱區(qū)耕作土壤灌溉水的利用效率，采用秸稈生物碳對黏壤土進行改良，并用3種經典入滲模型進行入滲模擬，尋求適于描述研究區(qū)土壤入滲規(guī)律的模型及改良方案。采用雙環(huán)入滲試驗測定4種生物炭施用水平(10 t/hm2，20 t/hm2，30 t/hm2，50 t/hm2)的田間作物生育期內土壤含水率、入滲速率及累積入滲量，分別采用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov經驗公式對試驗組與對照組(CK)的入滲過程進行模擬。結果表明：施用量為30 t/hm2較CK效果最為明顯，施用層(0—40 cm)入滲速率增加44.6%，耕作層土壤含水率增加8.9%，累積入滲量增加45.45%。比較3種模型的入滲過程擬合結果，認為Kostiakov經驗公式擬合的效果符合實測規(guī)律，可為研究區(qū)改良土壤水分入滲過程提供理論依據。

生物碳; 入滲模型; 土壤入滲速率

最有效的灌溉措施要依據目標土壤的入滲能力來制定，忽視這一點將導致灌溉水利用率降低和水資源浪費等結果[1]。土壤入滲是降水或灌溉水在重力作用下在土壤中向下運動的過程[2-3]，是制定有效灌溉方案的基本信息，也是土壤結構和理化性質的綜合表現(xiàn)。入滲速率和相對供水狀況將決定有多少水留在非飽和帶，有多少水將流失[4]?；谌霛B的物理過程，產生了許多經典的理論模型和半經驗模型，對目標土壤的入滲特征進行預測并指導實踐。其中，Philip模型和Green-Ampt模型都有具體的物理背景[5-7]，可用于建立土壤物理特征與入滲特征參數間的關系，Kosjiakov[6]模型是根據大量試驗數據而建立的，利用入滲速率與時間的雙對數曲線斜率描述土壤質地。改良土壤的入滲特征是土壤添加劑對土壤理化性質影響的綜合表現(xiàn)[8-9]，模型擬合參數的差異也是土壤結構變化的量化描述[4]。

各國學者在生物炭用于土壤改良方面已經進行了諸多探索，通過調查及室內模擬試驗肯定了生物炭具有改善土壤結構與理化性質和提高作物產量的作用[9]。Glaser等[10]發(fā)現(xiàn)在亞馬遜地區(qū)具有豐富生物炭的耕作土壤比周圍不含生物炭的田間持水率高18%。王丹丹等[11]分別研究了粉粒含量不同的生物炭對粉砂壤土(黑壚土和湘黃土)持水性能的影響，結果表明生物炭可以提高粉砂壤土田間持水量和導水性能，其中粉粒含量較高的槐樹皮生物炭對半干旱地區(qū)砂壤土的作用效果更顯著。Liang等[12]通過3 a的田間試驗觀察發(fā)現(xiàn)，當田間生物炭施用量達90 t/hm2時可以顯著增加當地土壤的持水力，增幅可達9.0%。田丹等[13]通過土柱試驗研究了生物炭對砂土水力特征參數的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭能夠顯著改變砂土的土壤結構，即隨著生物炭施用量的增加，砂土密度減小、總孔隙度增大、飽和導水率減小、持水能力增加。然而，秸稈生物炭對黏壤土入滲規(guī)律方面的研究并不多見。

本文針對河套灌區(qū)干旱半干旱的氣候特征，采用生物碳對研究區(qū)易發(fā)生結皮的耕作土壤進行改良，基于實時監(jiān)測的大田試驗數據，選用三種經典入滲模型對原狀土及不同施用水平下改良土壤的入滲規(guī)律進行模擬研究。探究適用于土壤質地及灌溉方式的入滲模型，為生物炭土壤改良技術推廣，提高研究區(qū)有限水資源條件下土壤蓄水能力，減少土壤水分的深層滲漏并為節(jié)水灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年4—10月在位于內蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)九莊試驗站(107°23′12.01″E，40°45′58.28″N)進行，研究區(qū)位于黃河沖積平原，屬于中溫帶大陸性干旱半干旱季風氣候區(qū)。降雨稀少，年平均降水133.8 mm，年蒸發(fā)量達2 294.6 mm，年平均氣溫6～8℃，多年平均日照時間為3 229.9 h，無霜期為130 d[14-15]。試驗區(qū)以黏壤土為主，漫灌為主要灌溉形式，水肥利用率低。土壤有機質含量為10.35 g/kg，其他物理性質見表1。

本次試驗的土壤改良劑為玉米秸稈生物炭，由遼寧金和福農業(yè)開發(fā)有限公司生產提供，粒徑1.5～2.0 mm，pH值為7.84，近中性，營養(yǎng)元素質量百分含量分別為：氮1.68%、磷0.82%、鉀1.55%。

表1 試驗土壤物理組成表

1.2 試驗設計

設置對照和試驗組共5組處理，進行雙環(huán)入滲試驗。試驗組為4個生物碳施用水平：10 t/hm2，20 t/hm2，30 t/hm2，50 t/hm2，每組三個重復，經過激光土地平整后，按照設置施用量采用旋耕機分別均勻混入各試驗田表層0—40 cm中，每個重復小區(qū)面積為60 m2，以玉米為供試作物。各處理標記為：CK(對照)，Bo-10(10 t/hm2)，Bo-20(20 t/hm2)，Bo-30(30 t/hm2)，Bo-50(50 t/hm2)。將雙環(huán)入滲儀外環(huán)打入試驗田距地表15 cm處，地面以上留15 cm作為水頭護臂；內環(huán)打入至側壁入水口處，以保證水流的暢通；參照當地漫灌水頭，馬氏瓶水頭設定為10 cm。雙環(huán)入滲儀儀器高30 cm外環(huán)直徑30 cm，內環(huán)直徑10 cm，供水計量裝置為馬氏瓶(圖1)。

1.3 分析方法

采用烘干法[4]對土樣的土壤水分含量進行檢測。采用德國新帕泰克公司(Sympatec GmbH)激光粒度儀對土樣的土壤顆粒進行分析。用馬氏瓶進行供水，秒表定時，記錄馬氏瓶水位變化，計算得到入滲速率。以馬氏瓶出水作為試驗起始，記錄初始讀數，記錄頻率為：0～10 min，30 s/次；10～30 min，1 min/次；30～60 min，5 min/次；60～120 min，10 min/次；120～300 min，20 min/次。

入滲量計算：

式中：IS為各處理入滲水量(cm)；hM為馬氏瓶消耗量(cm)；DM為馬氏瓶直徑(cm)；Di為內環(huán)直徑(cm)。

入滲速率計算：

采用OriginLab軟件進行數據統(tǒng)計分析及模型回歸擬合。

圖1 試驗裝置示意圖

1.4 入滲模擬方法

(1)Kostiakov入滲模型[6]，lgi10=b+algt10，即i(t)=10bta，簡化為：i(t)=kta。式中：t為時刻(min)；i(t)為入滲率(cm/min)；k為經驗入滲系數，表示非飽和土壤入滲速度達到相對穩(wěn)定時的入滲速度；a為經驗入滲指數，反映土壤水分入滲能力的衰減速度。

(2)Philip入滲模型，Philip在假定初始含水率均勻分布的前提下，利用級數形式描述一維垂直入滲問題[4]，Philip兩項入滲公式是常用形式：io=0.5St-0.5+B，式中i0為入滲速率(cm/min)；S為土壤吸濕率(cm/min)；t為入滲時間(min)；S為吸滲率。在入滲初期，參數S起主要作用，相當于水平滲吸的情況。隨著入滲時間的增長，參數B穩(wěn)滲率則為[7，16]影響入滲的主要因素。

2 結果與分析

2.1 不同生物碳用量對土壤入滲速率的影響

土壤入滲速率是判斷土壤入滲能力的指標之一，隨著入滲過程的進行土壤入滲速率是逐漸減小的。在不同生物碳用量的影響下，土壤入滲速率也相應產生差異。為分析比較生物炭施用量對研究區(qū)土壤入滲速率的影響，分別點繪各施用水平下土壤入滲速率隨時間變化的曲線(圖2)。

圖2 土壤入滲速率

試驗組和CK的入滲速率隨時間變化趨勢基本相同，整個入滲過程分為兩個階段，即非穩(wěn)定入滲階段(0～60min)和穩(wěn)定入滲階段(>60min)。取典型時刻(1min，5min，10min，30min，60min)的入滲速率對試驗組和CK的入滲過程進行比較(表2)。在非穩(wěn)定入滲階段，隨生物炭輸入量增加各組入滲速率均呈現(xiàn)遞增趨勢。其中Bo-30變化最為顯著，2min時開始高于其他處理(圖2)，在各典型時段較CK分別高出35.0%，40.3%，39.6%，44.4%，45.9%，41.7%，且在整個入滲過程中與Bo-50相差甚微。入滲速率在30～60min內開始趨于平緩，在60min后各組都進入穩(wěn)定入滲階段，此時各組(Bo-10，Bo-20，Bo-30，Bo-50)入滲速率相較于CK分別增加了34.09%，56.82%，45.45%，50%。

表2 不同施用量特征值

2.2 不同生物碳用量對土壤累積入滲量的影響

水分入滲過程達到穩(wěn)定后可用穩(wěn)定入滲率表征入滲能力，但在達到穩(wěn)定入滲之前，常用累積入滲量表征入滲能力[18-19]，本試驗在30 min時各組(Bo-10，Bo-20，Bo-30，Bo-50)累積入滲量出現(xiàn)明顯差異(圖3)，分別較CK增加37.6%，38.83%，44.6%，44.2%。各處理在60 min左右達到穩(wěn)定入滲，且各處理累積入滲量均隨生物碳施用量增加而增大。

2.3 經典入滲模型擬合結果對比分析

根據3種經典模型的模擬結果(圖4)對生物炭改良方案進行分析。CK為對照組實測值，K—CK，P—CK，G—CK分別為相應的Kostiakov模型、Philip模型、Green-Ampt模型的對照組模擬值。

圖3 土壤累積入滲量

在考斯加柯夫經驗式中，砂質土壤a值較小，黏質土壤a值較大[6]。不同施用水平下的模擬結果中，加入生物碳的土樣的a值均小于CK(表3)，說明該粒徑的生物碳可以改善黏壤土的性狀，增加土壤的孔隙率及導水能力，從而降低了黏性土壤易結皮的可能性。在模擬中，對土壤入滲采用分段模擬，結果較實測值更為接近，各施用量水平的模擬值較其他模型而言與實測值最為接近。故認為Kostiakov經驗模型可以較準確地描述河套灌區(qū)黏壤土及改良土壤的入滲過程。

在Philip模型的擬合參數中，不同時間t下的吸滲率S和穩(wěn)滲率B的擬合參數值見表3，吸濕率S隨生物碳施用量的增大逐漸增大，說明生物炭的添加對入滲初期影響較大；隨著時間的增加，穩(wěn)滲率B亦逐漸增加，但各組差異不明顯，說明穩(wěn)滲階段受生物炭輸入量的影響不顯著；與其他模型的模擬結果對比可以看出Philip模型與實測值偏差較大，在穩(wěn)定入滲后偏差明顯，各組結果圖中均有體現(xiàn)。

表3 入滲方程最佳擬合參數

Green-Ampt模型中，飽和導水率KS隨著施用量的增加基本呈增大趨勢，濕潤鋒面吸力勢Sf也隨著施用量的增加而增大，說明生物炭的輸入改變了原狀土的土壤水勢，同時，如前所述，也會對土壤含水率產生影響，而非飽和入滲過程中初始含水率對土壤水勢的影響較顯著，Green-Ampt模型中假定濕潤區(qū)土壤水參數保持不變，而擬合中KS和Sf相互影響，共同作用，因此在非穩(wěn)定入滲時期與實測值有一定的偏差(圖4)，沒能全面地描述不同土質變化下的入滲規(guī)律；在圖4A和圖4C中Green-Ampt的擬合與實測值較相近，但在圖4B、圖4D、圖4E中偏差較大，區(qū)分效果優(yōu)于Philip模型，且后期穩(wěn)定入滲后的模擬值均與實測值接近，但略差于Kostiakov經驗模型的模擬精度。

3 討 論

自然條件下，土壤質地是影響土壤持水性的重要因素之一[20-21]。黏壤土本身具有土體密實，透氣性差等特點，吸水后容易造成土壤板結，影響作物的生長。質地較粗的土壤釋水速率明顯高于黏土含量較多的土壤。生物炭具有較大的比表面積及孔隙度，含氧官能團的存在，賦予了生物炭一定的極性，使其具有良好的親水性[22]，從而增強了其對土壤水分的持留能力，添加到土壤當中一定程度上能夠改善土壤持水能力[23]、增強土壤陽離子交換量及增加土壤肥料吸附量[24-25]。在Piccolo等[26]的生物炭對土壤持水力影響的研究中顯示，添加0.05 g/kg的木炭腐殖酸可以顯著提高土壤的持水能力，增加土壤含水量。

然而，Tryon[27]的研究結果表明，在粗顆粒土質中生物炭的添加可以顯著提高土壤的含水率；但在細顆粒土質中添加過多生物炭反而會顯著降低土壤含水率。針對本研究區(qū)的黏壤土，生物炭的施用量與入滲速率呈拋物線關系(圖5)，當用量為30.62 t/hm2時穩(wěn)定入滲速率達到最大(0.006 83 cm/min)，與實測的最佳施用水平值吻合。

采用Kostiakov經驗模型模擬中，根據考斯加柯夫經驗公式的原理，土壤的滲吸速率i是時間t的函數，且入滲率與時間的對數關系為線性關系[6]。將入滲速率與對應的時間進行對數運算，發(fā)現(xiàn)在30 min時入滲速率隨時間變化的曲線斜率a有明顯變化，所以將整個入滲過程以30 min為界進行分段擬合，即分為非穩(wěn)定入滲階段和穩(wěn)定入滲階段，分別對其進行線性回歸分析得到擬合方程見圖6。采取分段模擬的方式[28]，獲得了較好的模擬效果，也體現(xiàn)了經驗模型對描述統(tǒng)計規(guī)律時的靈活性，在部分基于物理意義的基礎上，實現(xiàn)了與實際監(jiān)測數據較好的吻合效果，認為是最適于描述該研究區(qū)入滲規(guī)律的模型。

圖4 不同施用量下各入滲模型擬合結果對比

圖5 最佳施用量擬合關系

圖6 入滲速率i與時間t的雙對數關系曲線

4 結 論

(1) 對比不同生物碳施用量對研究區(qū)黏壤土的改良效果，施用量為30 t/hm2時效果最佳，較CK施用層入滲速率提高了45.45%，耕作層含水率提高了8.9%，土壤累積入滲量提高了44.6%。

(2) 對比各方法施用水平下穩(wěn)定入滲速率與生物炭施用量的擬合關系得出，當施用量為30.62 t/hm2時穩(wěn)定入滲速率達到最大組，與大田試驗結果一致。

(3) 通過比較三種入滲模型對研究區(qū)改良土壤水分入滲過程的擬合結果，Kostiakov模型比其他擬合結果更貼近于實測值，能夠較準確描述該地區(qū)土壤及改良后土壤的入滲情況，為今后大面積推廣玉米秸稈生物炭改良劑提供理論依據。

根據以上分析得出生物炭在黏壤土改良中具有一定的可行性，但鑒于不同土壤質地條件，其函數形式及參數值存在一定的差異，有待于進一步的研究。

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Effects of Biochar on the Physical Properties and Infiltration of Clay Loam

CEN Rui, QU Zhongyi, SUN Guanfang, YANG Fang

(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China)

For improving irrigation water utilization efficiency of clay loam in arid and semi arid region, using biochar as soil conditioner to reformed cultivated soil at Hetao irrigation area, we simulate water infiltration process with three classical infiltration models to seek a suitable infiltration model to describe cultivated soil infiltration process and select a most effective proposal to improve the irrigation efficiency in semiarid climate area. There were four biochar application rates (10 t/hm2, 20 t/hm2, 30 t/hm2, 50 t/hm2) and we carried out the double loop infiltration test under irrigated condition to measure soil moisture content, infiltration rate and cumulative infiltration amount during the crop growing period for the four applications. The Green-Ampt model, Philip model and Kostiakov empirical formula were used to simulate the infiltration process of experimental group and control group (CK). The results show that the effect of group of 30 t/hm2was most significant and application layer (0 to 40 cm) infiltration rate increased by 44.6%, soil moisture content increased by 8.9% and cumulative infiltration volume increased by 45.45%. Compared with the infiltration process fitting results of three models, the Kostiakov empirical formula fitting presented better tendency and was close to the testing values， which could provide the theory basis for soil improvement in the study area.

biochar; soil infiltration rate; infiltration model

2016-05-02

2016-05-26

國家自然科學基金“生物炭對不同土壤水力特性、水肥利用效率影響及耦合響應機理研究”(41161038)

岑睿(1988—),男,內蒙古武川縣人,博士研究生,主要從事水土保持及農業(yè)節(jié)水灌溉等方面的研究。E-mail:64937216@qq.com

屈忠義(1969—),男,巴盟臨河人,教授,主要從事灌溉排水原理與管理優(yōu)化決策、節(jié)水灌溉理論和區(qū)域水鹽運移方面的科學研究。E-mail:quzhongyi68@sohu.com

S152.7+2

A

1005-3409(2016)06-0284-06