王世斌，高佩玲,*，趙亞東，相龍康，孟慶梅，牛曉音

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

中國淡水資源匱乏，人均淡水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，是世界上人均淡水資源占有量最為匱乏的國家之一[1]，同時鹽堿地面積已達(dá)9 913萬hm2，約占全國土地面積的10.3%，且呈不斷擴大趨勢[2]，淡水資源短缺及鹽堿地面積大，嚴(yán)重制約著中國灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1-3].黃河三角洲地區(qū)是中國重要的糧棉油生產(chǎn)基地，地下微咸水資源儲量豐富且開發(fā)利用較少，同時鹽堿地面積大，作物秸稈資源量豐富、焚燒浪費較多[2-3].因此，合理利用微咸水資源并結(jié)合秸稈廢棄物制成的生物炭改良劑，在節(jié)水基礎(chǔ)上實現(xiàn)鹽堿地的綜合改良具有重要的理論現(xiàn)實意義.

近年來，微咸水灌溉和生物炭改良劑用于鹽堿土壤的改良已進行了大量研究.微咸水用于農(nóng)田灌溉能夠起到緩解干旱，彌補淡水資源不足，提高水資源利用效率的作用[3-5].戴繼航等[4]發(fā)現(xiàn)，微咸水替代淡水灌溉能夠節(jié)省24.04%～48.08%的淡水資源.吳忠東等[6]通過咸淡組合淋洗研究發(fā)現(xiàn)采用微咸水灌溉能夠明顯提升土壤的入滲性能，且咸-淡-咸的組合方式提升效果最佳.劉小媛等[7-8]采用間歇灌溉鹽漬土研究發(fā)現(xiàn)，土壤剖面含鹽量分布主要由入滲水礦化度決定，采用合適礦化度的微咸水灌溉能夠降低各土層土壤含鹽量，減緩表層土壤返鹽.生物炭作為一種新型土壤改良劑，因具有多孔結(jié)構(gòu)、強吸附、較高的陽離子交換等特性，用于鹽堿地的改良，能起到降低土壤容重、抑制表層土壤返鹽、減緩水鹽聯(lián)合脅迫、改善土壤環(huán)境等作用[3,9-11].孫梟沁等[12]研究表明，生物炭能夠影響鹽堿土壤的水鹽運移規(guī)律，一定程度提升了土壤的入滲能力、持水性能和水肥利用效率，起到壓鹽保水的作用.SHAFAQAT等[13]研究表明，鹽堿土壤中施加生物炭能夠減緩水鹽聯(lián)合脅迫對作物造成的影響.綜上所述，目前對鹽堿地改良多集中在單一的微咸水灌溉或摻加生物炭處理，缺乏在摻生物炭基礎(chǔ)上采用微咸水灌溉對鹽堿地綜合改良效果的研究.

文中以黃河三角洲地區(qū)中度鹽堿土為研究對象，在室內(nèi)進行一維垂直入滲試驗，采用微咸水灌溉并結(jié)合生物炭改良劑對鹽堿土壤的改良效應(yīng)，研究微咸水礦化度對生物炭作用下中度鹽堿土的累積入滲量、濕潤鋒運移深度隨時間變化規(guī)律，以及土壤剖面含水率、含鹽量再分布的特征，以期為黃河三角洲地區(qū)微咸水的合理開發(fā)利用及鹽堿地的綜合改良提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自山東省濱州市濱城區(qū)中裕高效生態(tài)農(nóng)牧循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園的小麥耕地，根據(jù)華北平原土壤鹽堿化分級標(biāo)準(zhǔn)，供試土壤類型為中度鹽堿土[9].取土深度為40 cm[5]，每20 cm分層取擾動土與原狀土，每層3個重復(fù).原狀土取回后，用于測定田間持水率和土壤容重，擾動土經(jīng)自然風(fēng)干并過篩(2 mm)，混合均勻制成室內(nèi)試驗用土并測定土壤的理化性質(zhì)，利用英國Malvern Mastersizer 3000型激光粒度儀測定土壤砂粒、黏粒、粉粒占比，依據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)對土壤進行劃分，屬于粉砂質(zhì)壤土，土壤類型為中度鹽化土，土壤容重為1.39 g/cm3田間持水率為28.62%，pH為8.19，風(fēng)干含水率為2.00%，EC5∶1為0.961 mS/cm，全鹽量為2.381 g/kg, 砂粒、粉粒、黏粒占比分別為20.26%，76.78%，2.96%.

生物炭改良劑為棉花秸稈在800 ℃以下經(jīng)72 h熱解而成，由山東省銘宸環(huán)衛(wèi)設(shè)備有限公司生產(chǎn)，容重為0.297 g/cm3，pH為8.6，含碳量為73%，EC5∶1為2.07 mS/cm，含氮量為0.9%，有效鉀為1.6%.

試驗用水包括3種礦化度的微咸水和淡水(去離子水)，不同礦化度的微咸水是根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤}分組成特點，在室內(nèi)用化學(xué)試劑配置而成.各化學(xué)試劑用量及實測礦化度見表1，表中ρ為水中各化學(xué)組成的質(zhì)量濃度，M為礦化度，Ma為實測礦化度.

表1 試驗用水的化學(xué)組成及實測礦化度

1.2 試驗裝置

試驗裝置主要是由有機玻璃制成且表面具有刻度的土柱和馬氏瓶[8].土柱高90 cm，內(nèi)徑為8 cm，側(cè)面10 cm以下每5 cm具有直徑為1.5 cm的取樣小孔，便于試驗結(jié)束后立即取樣測定土壤含水率，馬氏瓶內(nèi)徑為8 cm、高為50 cm，試驗時調(diào)整高度，使供水水頭控制在2 cm左右.

1.3 試驗設(shè)計

在室內(nèi)進行一維垂直入滲試驗，研究微咸水礦化度對生物炭條件下土壤入滲機理的影響.試驗過程中按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻加生物炭，生物炭與土壤的質(zhì)量比為1%；CK(淡水)、W1(2 g/L微咸水)、W2(4 g/L微咸水)、W3(5 g/L微咸水)、C1(炭土比1%的生物炭，淡水)、W1C(炭土比1%生物炭，2 g/L微咸水)、W2C(炭土比1%生物炭，4 g/L微咸水)、W3C(炭土比1%的生物炭，5 g/L微咸水)，各處理重復(fù)3次.土柱內(nèi)裝土高度為80 cm，每層5 cm共16層，層間打毛，根據(jù)土壤容重均勻裝填，共計5.698 kg，0～20 cm土層做摻生物炭處理，20～80 cm的土層為純土層，裝填完成后，計算灌水定額[5]為743.6 mL，試驗過程中記錄濕潤鋒運移深度和馬氏瓶水位，試驗結(jié)束，測定各層土壤含水率、土壤含鹽量.

1.4 樣品測定與方法

土壤含水率：烘干法[14]測定，鋁盒稱重后放入30 g樣土，在105 ℃下烘干12 h，冷卻后立即稱重.

土壤含鹽量：利用雷磁DDS-11A型電導(dǎo)率儀測定土壤浸提液的電導(dǎo)率[14]，根據(jù)該地區(qū)土壤浸提液電導(dǎo)率與土壤含鹽量的線性關(guān)系，將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量，計算公式[8]為

y=2.160×EC5:1+0.303，

(1)

式中：y為土壤含鹽量，g/kg；EC5∶1為25 ℃下水土比5∶1的浸提液電導(dǎo)率，mS/cm.

土壤脫鹽率：達(dá)到脫鹽效果區(qū)域的土壤脫鹽量平均值與初始土壤含鹽量的比值.

脫鹽區(qū)深度：入滲后土壤含鹽量低于初始土壤含鹽量的深度.

脫鹽區(qū)深度系數(shù)：脫鹽區(qū)深度與入滲完成時濕潤鋒運移深度的比值.

達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度：土壤含鹽量低于2 g/kg的土層深度.

達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)：達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度與入滲完成時濕潤鋒運移深度的比值.

1.5 入滲模型

土壤入滲模型是根據(jù)入滲速率隨時間變化規(guī)律來評價入滲過程的[7].國內(nèi)外學(xué)者對此做了相關(guān)研究，并建立了相關(guān)模型，其中常用的模型有：Green-Ampt模型、Kostiakov模型、Philip模型等[7].根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對比3種模型下各處理的入滲過程，并分析其適用性.

Green-Ampt入滲模型為

(2)

式中：i為入滲速率,cm/min；Ks為土壤表征飽和導(dǎo)水率,cm/min；I為累積入滲量，cm；Sf為濕潤鋒面吸力，cm；θs為土壤飽和含水率，cm3/cm3；θi為土壤初始含水率，cm3/cm3；

Philip入滲模型為

i=1/2St-0.5+A，

(3)

式中：S為土壤吸濕率，cm/min0.5；t為入滲時間，min；A為常數(shù)，cm/min.

Kostiakov入滲模型為

i(t)=Kt-α，

(4)

式中：K，α根據(jù)實測資料擬合所得.

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤水分入滲的影響

微咸水礦化度對原土、摻生物炭土壤的累積入滲量I和濕潤鋒運移深度h影響見圖1和圖2.

由圖1和圖2可知，各處理的累積入滲量和濕潤鋒運移深度隨時間的延長入滲速度均呈增加趨勢.在入滲初期，入滲速度較快，隨著時間的延長入滲速度逐漸變慢.相同入滲時間下，各處理的濕潤鋒運移深度和累積入滲量從大到小依次為W2C，W2，W3，W1C，W1，W3C，C1，CK，表明摻加生物炭處理后，采用低礦化度微咸水灌溉的土壤入滲能力優(yōu)于高礦化度微咸水，造成這一變化規(guī)律原因是低礦化度微咸水和生物炭改善了土壤結(jié)構(gòu)，增強了土壤的導(dǎo)水能力，高礦化度的微咸水中離子含量豐富，帶入土壤中Na+數(shù)量增多，在生物炭強吸附、較高的離子交換作用下對土壤水分入滲產(chǎn)生了影響[8]；W1，W2，W3，C1，W1C，W2C和W3C的相同灌溉定額入滲完成耗時分別比CK低37.3%，44.1%，42.6%，8.5%，38.6%，46.4%，35.1%.

圖1 微咸水礦化度對土壤的累積入滲量隨時間的變化

圖2 微咸水礦化度對土壤的濕潤鋒運移深度隨時間的變化

綜上所述，土壤摻生物炭處理和微咸水灌溉均能提升土壤的入滲能力，在摻加生物炭的基礎(chǔ)上采用低礦化度微咸水灌溉能更有效地提升土壤入滲能力，其中4 g/L微咸水增幅最大.

表2為3種入滲模型的擬合參數(shù).由表可以看出，Green-Ampt，Philip，Kostiakov模型的擬合效果均較好，決定系數(shù)R2均在0.943以上，但Green-Ampt和Philip模型的擬合參數(shù)中，穩(wěn)定入滲率A、土壤表征飽和導(dǎo)水率Ks、濕潤鋒面吸力Sf均出現(xiàn)負(fù)值，不符合一維垂直入滲試驗的實際情況，在實際應(yīng)用過程中需進一步優(yōu)化，故Kostiakov模型能夠更準(zhǔn)確地描述入滲真實過程，在實際應(yīng)用中適應(yīng)性更強，且Kostiakov模型中的α，在土壤條件一定時，隨著微咸水礦化度的增加先減小后增加，說明隨著微咸水礦化度增加，入滲率衰減先慢后快，入滲水礦化度一定時，生物炭的添加使α的值減小，說明摻加生物炭使入滲速率衰減變慢.

表2 3種入滲模型的擬合參數(shù)

2.2 對土壤水分垂直分布的影響

不同處理的0～40 cm土層土壤含水率θ如表3所示.由表3可知，入滲結(jié)束后，各處理的土壤含水率隨土層深度的增加呈下降趨勢，且表層土壤含水率接近土壤飽和含水率；相同土壤條件下，隨著微咸水礦化度的增加，各處理同一土層的土壤含水率均先增加后降低，其中，采用4 g/L微咸水入滲結(jié)束后，土壤含水率最大，原因是微咸水灌溉后改善了土壤孔隙特征，提升了土壤容水性能，當(dāng)?shù)V化度達(dá)到一定程度時，進入土壤中鈉離子較多，使土壤顆粒收縮，膠體顆粒膨脹，土壤的容水性能降低[6-9]；入滲水礦化度一定時，摻生物炭處理的土壤含水率明顯大于未摻生物炭處理.0～20 cm土層W1,W2,W3,C1,W1C,W2C,W3C處理的土壤含水率較CK分別提升了2.64%,4.84%,2.59%,2.56%,5.80%,8.29%,6.64%.綜上所述，微咸水灌溉和生物炭處理均能提升表層土壤含水率，但在施用生物炭后采用微咸水灌溉對0～20 cm土層土壤含水率提升效果更顯著，其中4 g/L微咸水灌溉增幅最大.

表3 不同處理的各土層土壤含水率

2.3 對土壤鹽分再分布的影響

土壤鹽分含量對作物的生長起重要的作用，也是鹽堿地綜合改良的一個重要評價指標(biāo).

圖3為不同處理各土層土壤鹽分再分布特征.由圖可知，入滲完成后，各處理0～35 cm土層土壤含鹽量均小于初始含鹽量，土壤含鹽量平均值從大到小依次表現(xiàn)為W3C，W3，W2，W2C，W1C，W1，C1，CK，采用淡水灌溉的土壤含鹽量平均值小于微咸水灌溉的，且隨著入滲水礦化度的增加，各層土壤含鹽量平均值也隨之增加，其原因是微咸水自身含有一定的鹽分，在入滲的過程中，微咸水中的鹽分隨水進入土壤，根據(jù)質(zhì)量守恒原則，入滲完成后土壤含鹽量必然增加.在35～40 cm土層中，土壤含鹽量呈現(xiàn)一種突變狀態(tài)，在濕潤鋒處達(dá)到最大值[5]；由圖3a可知，入滲水礦化度一定時，采用4 g/L的微咸水灌溉，摻生物炭處理的土壤含鹽量低于未摻生物炭處理的土壤，采用淡水、2 g/L和5 g/L的微咸水處理則相反，其原因與生物炭具有多孔性、大比表面積和較強的羥基吸附能力，增加了土壤鹽分的浸出，且4 g/L微咸水入滲性能較優(yōu)，加速了水溶性鹽分的淋洗有關(guān)[4,9]；從圖中可知，采用2 g/L微咸水灌溉入滲后土壤含鹽量較低，脫鹽效果較好.

圖3 不同處理各土層土壤鹽分再分布特征

為進一步研究土壤鹽分垂直再分布的特征，引入如表4所示指標(biāo)對脫鹽效果做進一步評價，其中r為脫鹽率平均值，d為脫鹽區(qū)深度，ηd為脫鹽區(qū)深度系數(shù)，ds為達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度，ηds為達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù).

表4 不同處理土壤鹽分分布指標(biāo)對比分析

由表4可知，各處理的脫鹽率平均值、脫鹽區(qū)深度、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度均隨著入滲水礦化度的增加呈降低趨勢.采用4 g/L微咸水灌溉，摻加生物炭處理的脫鹽率平均值要高于未摻加生物炭處理，淡水、2和5 g/L微咸水處理則相反.入滲結(jié)束后，各處理脫鹽區(qū)深度、達(dá)標(biāo)脫鹽深度可達(dá)34 cm，采用微咸水處理的濕潤鋒運移深度低于淡水灌溉的，致使微咸水處理的脫鹽區(qū)深度系數(shù)、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)均小于淡水灌溉的；綜合圖3和表5可得，各處理的脫鹽區(qū)深度、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度明顯大于鹽堿地區(qū)小麥根系主要集中區(qū)(0～30 cm)，且2 g/L微咸水處理的土壤脫鹽率平均值、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度與淡水灌溉的差異較小，明顯高于其他處理.綜上表明，在小麥根系主要集中區(qū)不產(chǎn)生鹽害條件下，采用2 g/L微咸水灌溉摻生物炭處理的土壤脫鹽效果較好.

3 結(jié) 論

1) 摻生物炭和微咸水灌溉均能提升土壤的入滲能力，在生物炭處理上采用低礦化度微咸水灌溉對土壤入滲能力提升效果顯著，W1C與W2C效果較優(yōu)，較CK入滲時間分別節(jié)省38.6%，46.4%.模型對比中，Kostiakov模型能夠更好地描述微咸水礦化度對生物炭作用下鹽堿土的土壤水分入滲過程.

2) 摻生物炭和微咸水灌溉均能提高表層土壤含水率，在摻生物炭基礎(chǔ)上采用微咸水灌溉的提升效果更顯著，處理W2C較CK增幅最大，為8.29%，且處理W1C與W2C差異較小.

3) 各處理的土壤含鹽量隨微咸水礦化度增加而增加，脫鹽區(qū)深度均大于30 cm，不會對鹽堿地區(qū)小麥根系產(chǎn)生鹽害；生物炭處理的脫鹽效果略小于未摻生物炭的，其中2 g/L微咸水灌溉與CK差異小，脫鹽效果顯著，脫鹽率可達(dá)47.4%.

綜上所述，基于生物炭處理的土壤入滲能力、土壤含水率優(yōu)于未摻生物炭的，2 g/L微咸水與4 g/L微咸水灌溉差異小，同時2 g/L微咸水灌溉的0～30 cm土層脫鹽率最高、效果顯著.因此，對黃河三角洲地區(qū)中度鹽堿土，建議摻加生物炭并采用2 g/L微咸水進行灌溉.