仝昊天, 韓燕來, 李培培, 梁小東, 陳 龍

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 鄭州 450002)

黃淮海平原是我國主要的冬小麥夏玉米產(chǎn)區(qū)，其中沙薄地分布廣泛，以黃河故道及沿黃兩岸為主，面積約203.1萬hm2，主要的土壤類型為砂質(zhì)潮土，該類型土壤種植最大的障礙就是其保水能力不足[1]，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)，結(jié)構(gòu)疏松，有機(jī)質(zhì)含量低，養(yǎng)分匱乏，漏水漏肥現(xiàn)象嚴(yán)重，屬于中低產(chǎn)田。目前，水資源短缺，加劇了該地砂質(zhì)潮土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的問題，如何在有限的水資源條件下，改善沙土水分保持，減少水分的滲漏，以較少的水獲取較大的產(chǎn)量已成該地區(qū)亟待解決的問題。

保水劑是近年來快速發(fā)展的一項用來抗旱節(jié)水的材料，具有羧基、羥基等親水性基團(tuán)，且吸水性極強(qiáng)和保水性優(yōu)良的新型高分子樹脂，它能吸收大量的水，可有效提高土壤水分含量和減少氮素?fù)p失[2-3]。在旱作區(qū)使用保水劑可以提高冬小麥不同時期土壤含水量與水分利用率[4]，增加小麥穗長、穗粒數(shù)和千粒重，從而提高小麥的產(chǎn)量[5]。有研究認(rèn)為保水劑的效果受施用方式的影響，保水劑的層施和混施對土壤入滲性能產(chǎn)生影響，但受限于土柱高度及入滲時間，對其后續(xù)效果探索并不明確[6]。生物炭是指生物質(zhì)在相對低溫的條件下，經(jīng)厭氧熱解而形成的一類較穩(wěn)定且含碳豐富的固體物質(zhì)，具有豐富的表面活性官能團(tuán)、孔隙度、較大的比表面積，是一種呈堿性且吸附能力強(qiáng)的多用途材料[7]。生物炭施入土壤后有一定保水作用，幾種土壤類型上的研究皆表明其能增加田間土壤水分含量[8-10]，而Jeffery等[11]研究認(rèn)為生物炭對土壤的水文能力改善效果并不明顯，但肖茜等[12]的研究認(rèn)為生物炭對濕潤鋒進(jìn)程與累積入滲量的影響受添加量及土壤質(zhì)地的影響。綜上，生物炭在沙土保水中的認(rèn)識并不統(tǒng)一，保水機(jī)理的研究尚有缺失。雖然生物炭材料本身的穩(wěn)定性較好，但長期的環(huán)境作用可能會導(dǎo)致其理化性質(zhì)發(fā)生一定的改變。近期研究認(rèn)為生物炭在老化的過程中其理化性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)都發(fā)生較大變化，而這些改變將影響它對土壤pH值以及肥水環(huán)境等協(xié)調(diào)能力[13]。因此生物炭與沙土培養(yǎng)自然老化后，對沙土中水的入滲能力、持水能力的影響狀況和機(jī)理需要深入探究。

本研究利用土柱試驗對比研究保水劑、生物炭和秸稈等材料對沙土水分參數(shù)的改善，通過分析不同施入方式和時間條件下土柱的濕潤鋒、入滲率、不同土層的含水量及飽和導(dǎo)水率的變化，對不同處理的水分參數(shù)進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果可以為砂質(zhì)土壤地區(qū)作物種植的保水改良提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤于2017年7月3日取自河南省鄭州市花園口黃河灘區(qū)耕地，是典型的河南黃河灘地區(qū)的砂質(zhì)潮土，取0—40 cm土層土壤樣品，帶回實驗室處理。試驗前將土壤過2 mm篩剔除植物根系及雜物后，自然風(fēng)干備用。礫石和石英砂用水沖洗后風(fēng)干備用。土壤機(jī)械組成為87.1%砂粒、3.6%粉粒、8.1%黏粒，土壤質(zhì)地為砂土。

保水用試驗材料：秸稈為小麥秸稈，烘干粉碎后過20目篩備用；生物炭購自商丘三利生物能源有限公司，原料為小麥秸稈，經(jīng)厭氧500℃高溫炭化而成，過20目篩備用；保水劑為細(xì)顆粒狀聚丙烯酰胺類化學(xué)保水劑。

1.2 試驗裝置

入滲裝置選用圓柱一維積水入滲裝置。包含有高50 cm，壁厚0.2 cm，內(nèi)徑14.6 cm的有機(jī)玻璃柱和高35 cm，內(nèi)徑9.5 cm，量程為2 000 ml的馬氏瓶。玻璃柱和馬氏瓶之間用硬質(zhì)橡膠導(dǎo)管連接，底部鋪有高度為1.5 cm的礫石，礫石上部是0.5 cm厚的石英砂，石英砂與土壤之間以紗布隔開，玻璃柱底部側(cè)邊開有小孔。鋪設(shè)打底礫石和石英砂以及小孔是為了消除氣相阻力對入滲的影響。土柱可用高度共計40 cm，其中填充試驗用土和保水材料，試驗過程中通過馬氏瓶向土柱表層提供深度為2 cm的穩(wěn)定水頭，進(jìn)行積水入滲試驗。

1.3 試驗設(shè)計與方法

本研究共設(shè)計2個試驗：試驗1研究不同保水材料鋪層和混勻2種施用方式土柱的水分參數(shù)，試驗2研究土柱培養(yǎng)30 d后水分參數(shù)的變化。

試驗設(shè)計1：試驗設(shè)置了7個處理，分別為在25 cm處，2%的生物炭鋪層；在25 cm處，2%的秸稈鋪層；在25 cm處，0.1%的保水劑鋪層；2%生物炭和沙土混勻；2%秸稈和沙土混勻；0.1%保水劑和沙土混勻；不添加任何材料的空白對照(CK)。

試驗設(shè)計2：選取試驗1中材料與沙土混勻的土柱進(jìn)行培養(yǎng)，包括2%生物炭與沙土混勻，并在培養(yǎng)箱中25℃培養(yǎng)30 d(2%生物炭混勻—30 d)；2%秸稈和沙土混勻，并同樣培養(yǎng)30 d(2%秸稈混勻—30 d)；0.1%保水劑和沙土混勻，并培養(yǎng)30 d(0.1%保水劑混勻—30 d)。

試驗方法：沙土進(jìn)行土柱填裝時，每填裝5 cm厚度的沙土壓實(以盡量避免由于摻混不勻引起土壤容重變化帶來的誤差)，每個處理設(shè)置6個重復(fù)。填裝到40 cm后，在沙土上鋪上一層紗布，再覆蓋0.5 cm厚度的石英砂，以防止水流將土壤沖開，導(dǎo)致下滲不勻。

試驗于2017年7月7日—8月5日于河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院實驗室內(nèi)進(jìn)行。

1.4 測定指標(biāo)

馬氏瓶通水后即開始觀察并記錄濕潤鋒及入滲率變化情況，前30 min每1 min測量記錄1次，30 min后每5 min測量并記錄1次，直至入滲完成。在入滲結(jié)束后隨機(jī)選擇3個重復(fù)試驗繼續(xù)等待，先用橡膠塞堵住玻璃導(dǎo)管，待水將打底礫石部分灌滿后，打開橡膠塞，待水流穩(wěn)定后，用10 ml量筒接經(jīng)由玻璃導(dǎo)管導(dǎo)出的水。每1 min讀1次數(shù)，共讀數(shù)10 min。用來計算飽和導(dǎo)水率，計算方法參照文獻(xiàn)[15]。另外3個重復(fù)在入滲結(jié)束后立即將2 cm水頭排凈，取出0—5，5—15，15—25，25—35，35—40 cm的5個層次的土測含水量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

應(yīng)用Excel對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，利用SPSS 23進(jìn)行方差分析及LSD法多重比較(p<0.05)，采用Origin 2016進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 混勻和鋪層兩種施用方式間濕潤鋒及入滲率的差異性

2%生物炭的鋪層處理的濕潤鋒入滲完成用時45 min，混勻處理的時間為85 min，而CK處理入滲完成的時間為60 min，混勻比鋪層入滲時間提升了1.88倍，比CK提升了1.42倍。2%秸稈鋪層處理濕潤鋒入滲完成時間(60 min)=CK處理(60 min)<混勻處理(100 min)，混勻比鋪層入滲時間提升了2.04倍。而0.1%保水劑鋪層處理優(yōu)于混勻，由圖1可知，其鋪層處理的濕潤鋒入滲時間為319 min，混勻處理入滲時間170 min。保水劑鋪層的處理阻礙水分滲漏最為明顯，入滲時間是CK的5.32倍，是混勻處理的1.88倍，而混勻處理的入滲時間是CK的2.83倍。

雖然保水劑鋪層處理對水分下滲阻礙效果最好，但是在濕潤鋒下滲到25 cm之前，3個鋪層處理的濕潤鋒位移趨勢基本一致；而3個混勻處理前期下滲趨勢基本一致，在中后期才逐漸分開，表現(xiàn)出了不同的入滲效果，且在前期3個混勻處理對水分入滲阻礙效果大于3個鋪層處理。整體上，總?cè)霛B時間是保水劑鋪層>保水劑混勻>秸稈混勻>生物炭混勻>CK=秸稈混勻>生物炭混勻。

圖1 不同材料間混勻和鋪層處理的濕潤鋒位移比較

幾種材料不同施用方式間的入滲率比較見圖2，各處理的入滲率隨時間變化的趨勢大致相同，入滲開始階段入滲率較大，在前5 min內(nèi)迅速減小，隨后減小趨勢越來越小并逐漸趨于恒定。

生物炭和秸稈的鋪層處理入滲率均大于混勻處理和CK，與濕潤鋒的描述一致，說明水在兩種材料鋪層處理中入滲能力較高。生物炭鋪層在入滲完成后的入滲率為0.52 cm/min，是混勻處理0.14 cm/min的3.71倍，是CK處理0.3 cm/min的1.73倍。秸稈鋪層處理入滲完成時入滲率為0.2 cm/min，和秸稈混勻入滲完成時入滲率0.2 cm/min一致，是CK處理入滲完成時的0.66倍。保水劑的2個施入方式處理入滲的前期，鋪層的入滲率大于混勻處理，但是隨著時間推移，鋪層處理的入滲率發(fā)生了急速下降，并低于混勻處理，直到混勻處理快完成入滲時，兩者的入滲率基本趨于一致。保水劑鋪層和混勻兩種方式入滲完成時的入滲率分別為0.04 cm/min和0.08 cm/min，分別比CK降低7.75，3.87倍。進(jìn)一步說明了保水劑可以阻礙水分在沙土中的入滲，降低沙土的漏水能力。

秸稈和生物炭粒徑較大的材料直接使用，不能對沙土中的水分入滲起到阻礙效果，反而因為其疏水性，對水分的入滲起到了促進(jìn)的作用；而保水劑這種高分子吸水材料，鋪層使用對水分的入滲阻礙效果比混勻效果更好。

圖2 不同材料間混勻和鋪層兩種不同施用方式入滲率比較

2.2 不同材料培養(yǎng)30 d后濕潤鋒及入滲率比較

3種保水處理培養(yǎng)30 d前后的濕潤鋒時間對比見圖3，CK入滲完成時間60 min，與之相比，幾個保水處理對水份的入滲都起到了抑制作用，其中加入0.1%保水劑的處理入滲完成時間為175 min，是CK的2.92倍；2%秸稈(100 min)和2%生物炭(85 min)兩個處理對比CK分別提升1.67倍，1.42倍。

與土壤培養(yǎng)30 d后，濕潤鋒入滲完成時間均大于未培養(yǎng)的處理。2%生物炭培養(yǎng)30 d后其入滲時間為245 min，是未培養(yǎng)的2.88倍，CK的4.08倍。2%秸稈在土壤中培養(yǎng)30 d后其入滲時間是150 min，是未培養(yǎng)的1.5倍，CK的2.5倍；0.1%保水劑培養(yǎng)30 d后入滲時間是235 min，是未培養(yǎng)的1.34倍，CK的3.92倍。

圖4為各保水材料培養(yǎng)前后的入滲率，可見，所有處理的入滲率均隨時間趨于平緩，CK的入滲率均大于保水處理，除了保水劑，其余材料培養(yǎng)后入滲完成時的入滲速率均降低。2%生物炭與沙土混合培養(yǎng)30 d后入滲率為0.08 cm/min，比培養(yǎng)前降低42.9%；秸稈培養(yǎng)后入滲率0.16 cm/min，比培養(yǎng)前降低20.0%；0.1%保水劑培養(yǎng)后入滲率0.1 cm/min，比培養(yǎng)前增加25.0%。

總體比較，不同處理的持水效果依次為：2%生物炭混勻培養(yǎng)30 d>0.1%保水劑混勻培養(yǎng)30 d>0.1%混勻保水劑>2%秸稈混勻培養(yǎng)30 d>2%秸稈混勻>混勻2%生物炭>CK。

圖3 不同材料之間濕潤鋒位移比較

2.3 水分下滲完成后不同處理土層間含水率

不同處理各層次間土壤含水量如圖5所示，在所有的處理中，0—5 cm土層的含水量均高于其余4個土層含水量。2%生物炭處理的5個土層含水量由培養(yǎng)前的28.4%，23.8%，22.9%，22.5%，22.0%增加到培養(yǎng)后的30.6%，27.4%，25.8%，24.6%，22.8%；2%秸稈處理培養(yǎng)前各層含水量為25.7%，24.7%，25.0%，24.9%，24.7%，培養(yǎng)后為27.8%，24.7%，26.3%，23.3%，22.1%?？梢钥闯?，生物炭和秸稈經(jīng)30 d培養(yǎng)后增加了土壤的持水能力。

2.4 不同處理土柱的飽和導(dǎo)水率

不同材料與沙土混合培養(yǎng)前后飽和導(dǎo)水率見表6，除了2 %秸稈處理，其余各處理土柱培養(yǎng)后飽和導(dǎo)水率均呈現(xiàn)下降的趨勢。CK的飽和導(dǎo)水率培養(yǎng)前后無顯著差異；2%生物炭培養(yǎng)前與CK相比沒有顯著差異，而培養(yǎng)后顯著低于培養(yǎng)前和CK，為0.28 cm/min，比培養(yǎng)前降低75.0%，比CK降低77.2%；0.1%保水劑培養(yǎng)前后的飽和導(dǎo)水率最小，為0.21～0.22 cm/min，培養(yǎng)前后無顯著差異，培養(yǎng)后比CK顯著降低了79.1%。生物炭與沙土混勻培養(yǎng)后，對土壤飽和導(dǎo)水率降低幅度最大，而2%秸稈培養(yǎng)后飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。

圖4 不同處理隨時間的入滲率比較

圖5 不同處理各層次間土壤含水量對比

3 討 論

3.1 不同保水材料與土壤混勻或鋪層的差異

秸稈和生物炭處理與沙土混勻的持水效果比鋪層好，相反保水劑的鋪層處理效果最好，原因是保水劑有高度的吸水性，只有完全吸水膨脹飽和后才開始下滲，所以鋪層后形成封閉的水膜，濕潤鋒下移速率大大降低[6]。而秸稈粉末和生物炭材料本身孔隙較大，其鋪層造成土壤大的孔隙，使沙土漏水更為嚴(yán)重。秸稈和生物炭混勻效果優(yōu)于鋪層，盡管混勻后對沙土的持水性能改善也不理想，但秸稈材料在土壤里會發(fā)生腐解[17]，生物炭會發(fā)生表面結(jié)構(gòu)的改變[13]，培養(yǎng)一段時間后，隨著秸稈和生物炭理化性質(zhì)的變化，對沙土保水和持水性能有所改善。

表6 不同處理土柱的飽和導(dǎo)水率 cm/min

注：不同字母表示處理間差異顯著p<0.05。

3.2 幾種保水材料持水性能的比較

入滲率即濕潤鋒在土柱中徑向移動的速率，它能反映出水在不同處理土柱中的移動速度，進(jìn)而看出每個處理間的不同持水能力[18]。本研究結(jié)果表明，保水劑在沙土持水方面效果最佳(圖1)，在沙土中添加保水劑能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，為增加作物產(chǎn)量做出較大貢獻(xiàn)[4-5,19]。與之相比，摻入生物炭和秸稈后，土壤持水效果較CK有提升，但提升效果小于保水劑。有研究表明，生物炭并不能很明顯地改善土壤的水文能力[11]，但是生物炭經(jīng)老化處理后，可以顯著影響土壤的保水能力及土壤中的水含量[13]。成熟秸稈的表層富含蠟質(zhì)等疏水結(jié)構(gòu)，其吸水性和持水性也不佳。

3.3 幾種材料與土壤混合培養(yǎng)30 d后保水性能比較

培養(yǎng)試驗設(shè)置了秸稈、生物炭及保水劑3種材料與土壤混合培養(yǎng)30 d，模擬大田試驗條件下不同材料與土壤作用后的持水性能。結(jié)果表明，與其他材料相比，生物炭與土壤培養(yǎng)30 d后對沙土的持水能力提升最為顯著。有研究表明生物炭老化后其物理結(jié)構(gòu)有所改變，進(jìn)而會影響生物炭施入土壤后，對土壤持水能力的改善效果[8,13]。生物炭老化是一個親水性和極性改變的過程，通過掃描電鏡及傅立葉紅外圖譜分析，發(fā)現(xiàn)生物炭老化后，其物理結(jié)構(gòu)及表面官能團(tuán)都有改變，增強(qiáng)了生物炭的親水性，進(jìn)而增強(qiáng)了生物炭對水的吸附能力，將水儲存在生物炭的孔隙中。所以當(dāng)生物炭與沙土在適宜的溫度和水分條件培養(yǎng)30 d自然老化后，其持水能力明顯增強(qiáng)。

很多研究表明秸稈還田可以提升土壤持水能力，秸稈與沙土培養(yǎng)30 d后，持水能力顯著高于未培養(yǎng)，推測為隨著秸稈的腐熟，原本富含蠟質(zhì)疏水性的秸稈表面分解為親水性的物質(zhì)表面，提升土壤的持水與保水能力[20]。隨著培養(yǎng)時間，保水劑保水性能也得到提高，但提升幅度小于秸稈與生物炭，這有可能是保水劑在培養(yǎng)過程中與土壤充分混勻后結(jié)合的孔隙更小，增大了比表面積，增大了其持水能力。

3.4 不同土層含水量間的差異

2%生物炭、2%生物炭培養(yǎng)30 d和2%秸稈培養(yǎng)30 d這3個處理不同層次間含水量差異最明顯。整體來說，2%生物炭培養(yǎng)30 d土壤含水量略高于其余兩個處理，說明生物炭與土壤培養(yǎng)后改良了土壤的蓄水能力。而0.1%保水劑的處理含水量差異性在0—5，5—15，15—25 cm土層最顯著，而25—35，35—40 cm兩個層次出現(xiàn)了較大反差，說明水在下滲的過程中，一直在被上層保水劑吸收，因為重力作用才會有部分水下滲，來形成濕潤鋒，而下層土壤雖然已經(jīng)濕潤，但是其含水量并未達(dá)到最大持水量，保水劑也處于未吸水飽和狀態(tài)[21]。而在CK、2%秸稈、2%生物炭3個處理中，除了0—5 cm的土層含水量較高外，其余4個層次含水量無顯著性差異，說明這3個處理并不能顯著增加土壤的蓄水能力，使土壤孔隙中能保持住更多的水分。

3.5 不同材料間飽和導(dǎo)水率的差異

土壤飽和導(dǎo)水率是表述土壤滲透性能的重要參數(shù)，主要受土壤質(zhì)地、容重、孔隙結(jié)構(gòu)的影響[16]。同一質(zhì)地土壤其入滲性能越大其土壤傳輸水分的能力就越大[22-23]。影響土壤飽和導(dǎo)水率的重要因素是土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)[24-25]，沙土飽和導(dǎo)水率過高，不利于水分在土壤中的保持。本研究發(fā)現(xiàn)在沙土中混合保水劑、生物炭和秸稈，可以不同程度地改變土壤的飽和導(dǎo)水率，這與其他研究得出的結(jié)果一致[26]。不同處理間飽和導(dǎo)水率的差異反映出不同材料對土壤結(jié)構(gòu)改變的差異，土壤孔隙大小對土壤飽和導(dǎo)水率影響最大[27]，所以可以得出混勻材料通過改變土壤孔隙來達(dá)到增強(qiáng)持水性的效果。但是要深入認(rèn)識不同材料在土壤中對沙土水分參數(shù)的影響，還需要延長培養(yǎng)時間進(jìn)一步研究其作用規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1) 0.1%保水劑在土柱中鋪層處理比混勻處理的入滲時間延長1.82倍，2%生物炭和2%秸稈與沙土混勻入滲時間分別為各自鋪層處理的1.88倍，1.66倍。不同土柱總?cè)霛B時間依次為0.1%保水鋪層>0.1%保水劑混勻>2%秸稈混勻>2%生物炭混勻>CK=2%秸稈鋪層>2%生物炭鋪層，說明保水劑在鋪層使用時對沙土持水性能的改善最佳，而生物炭和秸稈混勻最佳。

(2) 2%生物炭處理培養(yǎng)30 d后入滲時間是未培養(yǎng)的2.88倍，是CK的4.08倍，培養(yǎng)30 d后入滲完成時入滲率比未培養(yǎng)降低42.9%；2%秸稈培養(yǎng)30 d后入滲時間是未培養(yǎng)的1.5倍，是CK的2.5倍，培養(yǎng)30 d后入滲完成時入滲率比未培養(yǎng)降低20.0%。不同土柱總?cè)霛B時間依次為2%生物炭混勻培養(yǎng)30 d>0.1%保水劑混勻培養(yǎng)30 d>0.1%混勻保水劑>2%秸稈混勻培養(yǎng)30 d>2%秸稈混勻>混勻2%生物炭>CK。可以得出生物炭施入初期持水效果不如保水劑和秸稈，與土壤混合培養(yǎng)30 d后其持水及蓄水能力高于保水劑；秸稈在施入初期持水效果不如保水劑，與土壤混合培養(yǎng)30 d后，其持水能力與蓄水能力大幅度提高，是比較廉價易得的保水材料。