韓豪杰，夏 慶，鄭彩霞，張志亮，熊晉冉，劉 敏，夏鴻華

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 雅安 625014)

入滲是降水從地面進(jìn)入土壤的過程，是陸地水循環(huán)的組成部分。入滲過程決定著土壤對(duì)降雨和灌溉水的有效利用程度，也影響著地表徑流和土壤水蝕過程[1]。紫色土壤分布在中國南部的15個(gè)省，其土區(qū)降雨集中且充沛，土壤侵蝕模數(shù)可達(dá)到5 500～15 000 t/(km2·a)，是中國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。土壤水分入滲過程與土壤水分的再分配、土壤侵蝕、水的養(yǎng)分遷移、農(nóng)業(yè)面源污染等密切相關(guān)，是流域水循環(huán)的重要組成部分[2]。針對(duì)現(xiàn)有問題，加入不同的土壤改良劑對(duì)紫色土水土保持和農(nóng)田水分有效性的提高具有重要意義。生物炭是一種高度芳香族化合物，是在部分或完全缺氧的條件下，通過熱解(通常<700 ℃)將農(nóng)作物秸稈、木材、家禽糞便和其他有機(jī)材料碳化而產(chǎn)生的不溶性固體物質(zhì)[3]。生物炭作為一種土壤改良劑，起源于南美亞馬遜河流域黑土(Perra Preta)的發(fā)現(xiàn)和研究[4]。先前的研究表明，使用生物炭可以降低土壤容重[5,6]，增加土壤孔隙度[7]，改變土壤團(tuán)聚[8,9]，然后影響土壤持水量和水分入滲特性[10,11]。羥丙甲纖維素(HPMC)，也稱羥丙基甲基纖維素醚，是具有有效甲氧基基團(tuán)的非離子型纖維素醚，其具有遇熱凝膠的特性，其凝膠強(qiáng)度和凝膠溫度受HPMC的分子量、濃度和黏度影響。不同類型的HPMC具有不同的性質(zhì)，可以有效地控制水分的擴(kuò)散速度[12-14]。HPMC可以以透明膠體溶液的形式溶于冷水中，具有很強(qiáng)的表面活性和穩(wěn)定性能[15-17]。但截止目前為止，HPMC和生物炭共同作用改善土壤入滲性能的研究甚少?；贖PMC的保水能力、內(nèi)聚性、pH穩(wěn)定性和生物降解性以及生物炭的高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，利用試驗(yàn)室一維土柱入滲試驗(yàn)來研究其對(duì)土壤水分入滲特性的影響。最終將HPMC和生物炭相結(jié)合用于紫色土入滲性能的改良，則能夠在水土保持，提高農(nóng)田水分有效性方面發(fā)揮重要作用，為紫色土養(yǎng)分流失的現(xiàn)狀提供新的方法和思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為四川典型紫色土，取自于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場(chǎng)大棚。取土?xí)r采用多點(diǎn)采樣方法，采樣深度為0～20 cm，同時(shí)以100 cm3環(huán)刀測(cè)定土壤容重。土樣風(fēng)干后過2 mm篩，以備土柱試驗(yàn)所用。測(cè)得該土壤容重為1.31 g/cm3。供樣生物炭為秸稈生物炭，供樣羥丙甲纖維素黏度200 Pa·s，均為市購。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)主要為未加入HPMC和加入適量HPMC時(shí)，土壤中加入不同劑量生物炭對(duì)土壤入滲特性的影響。據(jù)任敏[18]得出，當(dāng)HPMC施加量小于0.1 g/kg，對(duì)土壤入滲作用微弱；大于0.5 g/kg時(shí)，土柱達(dá)到飽和時(shí)間過長，因此本研究選定HPMC含量為0和0.3 g/kg，分別用H0和H1表示。生物炭進(jìn)行0，2%，4%三個(gè)處理，分別用BC0、BC1、BC2表示。所有添加劑量基于干容重計(jì)算，采用完全方案設(shè)計(jì)，共6個(gè)處理，每個(gè)3個(gè)重復(fù)。

1.3 試驗(yàn)裝置及方法

采用模擬土柱試驗(yàn)開展研究。土柱是內(nèi)徑為10 cm，高度為50 cm的PVC管，底部為小孔設(shè)計(jì)。開始試驗(yàn)之前，將濾紙放在底部，并將凡士林薄層均勻地涂在土柱壁上。根據(jù)田間實(shí)際容重，將土壤均勻填入土柱，總高度控制在30 cm。生物炭和HPMC僅與0～15 cm的土壤混合。依次以5 cm為單位填充土壤柱，并在每次填充之前在土壤表面打毛，以確保各層之間緊密接觸。

用一維固定水頭垂直入滲法測(cè)定土壤入滲特性。將土壤柱和馬氏瓶放在試驗(yàn)臺(tái)上，并調(diào)節(jié)馬氏瓶的起泡點(diǎn)高度，以確保測(cè)試開始后土壤柱的水頭保持在2.5 cm。打開閥門，在水穿過土壤表面時(shí)開始計(jì)時(shí)，連續(xù)記錄時(shí)間和相應(yīng)的入滲量以及濕潤峰距離，在入滲率達(dá)到穩(wěn)定后停止計(jì)時(shí)。

1.4 土壤入滲模型

選取兩種常用入滲公式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。

(1)Kostiakov公式。

I(t)=Ktn

式中:I(t)為累積入滲量，mL；t為入滲時(shí)間，min；K和n為無量綱的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，n值大小主要取決于因土地濕潤而引起的土壤結(jié)構(gòu)的改變[19]。n值越大，入滲能力衰減速度越快，反之則越慢。

(2)Philip公式。

I(t)=St1/2

式中:I(t)為累積入滲量，mL；S為吸滲率，mL/min0.5[20]。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用方差分析檢驗(yàn)活性炭、HPMC對(duì)入滲曲線模擬參數(shù)的效應(yīng)，圖表繪制和數(shù)據(jù)處理用Excel 2010和origin 8.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同變量條件對(duì)土壤入滲的影響

圖1和圖2分別為未施加和施加HPMC時(shí)添加不同含量生物炭時(shí)的累積入滲曲線；圖3和圖4分別為添加2%和4%生物炭時(shí)添加不同含量HPMC的累積入滲曲線。在未施加HPMC時(shí)，各個(gè)生物炭用量的土壤累積入滲量之間差異較小，未添加生物炭時(shí)的入滲量大致居于添加2%和4%生物炭之間，添加4%時(shí)略低于添加2%時(shí)的累積入滲量(圖1)；施加HPMC時(shí)，添加2%和4%生物炭用量累積入滲量均顯著減小，且兩者累積入滲量差異不大(圖2)；在添加2%生物炭用量前提下，施加HPMC可明顯降低累積入滲量(圖3)；在添加4%生物炭用量前提下，施加HPMC可降低累積入滲量，但效果弱于添加2%生物炭用量時(shí)的值(圖4)。

圖1 未施加HPMC不同含量生物炭累積入滲量隨時(shí)間變化Fig.1 Cumulative infiltration of different amounts of biochar without HPMC changes with time

圖2 0.3 g/kg HPMC處理下不同含量生物炭累積入滲量隨時(shí)間變化Fig.2 Cumulative infiltration of different amounts of biochar changes with time at 0.3 g/kg HPMC

圖3 2%生物炭處理下不同含量HPMC土壤累積入滲量隨時(shí)間變化Fig.3 Cumulative infiltration of different levels of HPMC soils changes with time under 2% biochar treatment

圖4 4%生物炭處理下不同含量HPMC土壤累積入滲量隨時(shí)間變化Fig.4 Cumulative infiltration of different levels of HPMC soils changes with time under 4% biochar treatment

2.2 入滲曲線參數(shù)分析

國內(nèi)外學(xué)者在研究土壤水分入滲過程中建立了許多數(shù)學(xué)模型，以分析土壤水分入滲過程隨時(shí)間的變化特征，但不同的入滲模型都有其適用性[21]。

為進(jìn)一步研究HPMC施加和生物炭用量對(duì)土壤水分入滲的過程，本研究分別采用Kostiakov公式和Philip公式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。擬合結(jié)果見表1。

表1 2種入滲公式參數(shù)擬合結(jié)果Tab.1 Parameter fitting results of two infiltration formulas

(1)Kostiakov公式。利用Kostiakov公式擬合不同處理的土壤入滲過程，其R2都在0.98以上，表明擬合結(jié)果較好，說明此公式可以用于分析本研究中的土壤入滲過程。不管土壤中是否施加HPMC，隨著生物炭的增加，K值均逐漸減小，表明生物炭的添加量對(duì)K值有影響；在施加HPMC后，不同生物炭處理的試驗(yàn)組K值相較于未施加HPMC的均較大下降，表明施加HPMC對(duì)K值有較大影響。

(2)Philip公式。土壤吸滲率(S)指土壤依靠毛管力釋放或吸收液體的能力,是土壤的一個(gè)重要性質(zhì)，可以反映土壤入滲能力，對(duì)土壤入滲初期入滲率的大小起主要作用[22]。未施加HPMC時(shí)，0%與2%生物炭用量吸滲率相差不大，4%生物炭用量時(shí)較于前者吸滲率有所下降。表明未施加HPMC時(shí)2%生物炭用量抑制土壤入滲初期水分下移作用不明顯，而4%生物炭用量抑制入滲初期水分下移作用明顯。施加HPMC后，0%生物炭用量吸滲率明顯大于2%和4%生物炭用量吸滲率，且2%和4%生物炭用量之間的吸滲率差異較小。表明在施加HPMC后，2%和4%生物炭用量相較于未添加生物炭時(shí)抑制土壤入滲初期水分下移作用明顯，4%生物炭用量相較于2%生物炭用量抑制效果不明顯。

2.3 不同入滲條件下濕潤峰變化趨勢(shì)分析

濕潤峰為土壤入滲過程中濕潤區(qū)前緣，即水分入滲最大深度[23]。水分入滲過淺時(shí)不能滿足作物根系吸水要求，過深則易產(chǎn)生深層滲漏，因此研究入滲過程中濕潤峰推移過程對(duì)于農(nóng)田灌排具有重要指導(dǎo)意義[24]。未施加HPMC時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)，土壤濕潤峰距離明顯隨著生物炭用量的增多而下降。施加0.3 g/kg HPMC，土壤濕潤峰距離隨著生物炭用量的增多而下降，其中2%和4%生物炭用量土壤濕潤峰距離明顯小于未施加生物炭試驗(yàn)組，但2%和4%生物炭用量時(shí)濕潤峰距離差異不大。隨著時(shí)間的增加，入滲速率逐漸趨于穩(wěn)定后，濕潤峰下移量逐漸明顯，施加HPMC后的濕潤峰距離明顯低于未施加HPMC的試驗(yàn)組。

圖5 不同處理下濕潤峰深度隨時(shí)間變化Fig.5 Wetting peak depth changes with time under different treatments

3 討 論

土壤入滲過程主要受供水強(qiáng)度和土壤入滲能力的影響。供水強(qiáng)度是一個(gè)外部因素，土壤的滲透性主要受土壤自身特征的影響，例如土壤容重，結(jié)構(gòu)，質(zhì)地和早期含水量[19]。此外，土壤層狀結(jié)構(gòu)的改變也會(huì)對(duì)土壤入滲和蒸發(fā)過程產(chǎn)生影響，層狀土壤水分運(yùn)動(dòng)不同于均質(zhì)土壤[25]，孔隙結(jié)構(gòu)的差異也會(huì)影響土壤層的水分含量、電導(dǎo)率和水力梯度。

生物炭作為外源性物質(zhì)進(jìn)入土壤，其孔隙率和低堆積密度會(huì)直接影響土壤的物理結(jié)構(gòu)特征，會(huì)增加土壤孔隙度，改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)和數(shù)量，影響土壤堆積密度，改變土壤質(zhì)地和其他物理機(jī)制從而影響土壤水分的滲透[26]。HPMC具有廣泛的分散性、增稠性和黏結(jié)性，可將分散的、粒徑較小的土壤顆粒黏結(jié)成土壤大顆粒團(tuán)聚體，土壤中不易降解，保水效率較高[18]。

本研究發(fā)現(xiàn)，施加HPMC可導(dǎo)致紫色土入滲能力明顯降低，表現(xiàn)在吸滲率降低，這主要是因?yàn)镠PMC與土壤中下滲的水結(jié)合形成水凝膠，減弱了水分的下滲能力。未施加HPMC時(shí)，4%生物炭用量的土壤略低于2%生物炭用量時(shí)的累積入滲量，是由于生物炭具有多孔性和較低的堆積密度，雖然與土壤混合后大孔隙數(shù)量增加，但有效孔隙可能減小，從而改變了土壤孔隙度和土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征，下滲過程中水分運(yùn)動(dòng)通道的復(fù)雜化限制了水分入滲[26]。施加0.3 g/kg HPMC條件下，2%生物炭用量和4%生物炭用量時(shí)的入滲能力均弱于未添加生物炭的試驗(yàn)組，但兩者差異不大，可能是因?yàn)樵谔砑觾煞N用量生物炭(2%，4%)時(shí)，由于HPMC產(chǎn)生的水凝膠均可完全堵塞其形成的大孔隙，水分下移能力不再受生物炭用量影響。

4 結(jié) 論

施加適量HPMC，紫色土隨生物炭含量增多可大幅度降低土壤入滲能力，添加4%含量生物炭時(shí)效果最為明顯，但和2%含量生物炭時(shí)差異較小。采用Kostiakov公式和Philip公式均能較好擬合本研究中的土壤入滲過程，且在HPMC條件下施加2%和4%含量的生物炭，其吸滲率差異不大。該研究結(jié)果表明HPMC和生物炭共施條件下對(duì)紫色土水分入滲的影響，對(duì)類似研究和紫色土的水土條件改良有一定的價(jià)值意義。