李玉龍

(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

黃土坡地由于植被覆蓋率低,存在嚴(yán)重的土壤侵蝕問題,每年都有大量的黃土由于降雨而流失[2]。針對(duì)黃土地區(qū)水土流失嚴(yán)重導(dǎo)致土壤貧瘠、干旱、退化的問題,有研究人員提出,利用生物炭獨(dú)特的理化性質(zhì),可以改善黃土的土壤退化,防止黃土的持續(xù)退化[3]。研究表明,生物炭對(duì)改善黃土質(zhì)量具有積極作用和潛力[4]。因此,通過生物質(zhì)熱解技術(shù)將果樹樹枝轉(zhuǎn)化為生物炭,作為土壤補(bǔ)劑應(yīng)用于黃土,不僅是一種簡(jiǎn)單、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)廢棄物處理方法,可以改善黃土的整體理化性質(zhì),幫助其保留養(yǎng)分,提高黃土高原作物產(chǎn)量。然而,黃土高原坡耕地與平耕地的主要區(qū)別是土壤侵蝕。因此,在黃土高原應(yīng)用生物炭改良黃土坡地之前,明確生物炭對(duì)土壤侵蝕過程的影響是至關(guān)重要的[5]。

以往的研究表明,對(duì)于給定的生物炭和土壤類型,生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的有益影響取決于生物炭的施用量[6],但是生物炭粒徑對(duì)土壤侵蝕的影響研究較少。本文選擇了三種生物炭粒徑,分別為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2m m。通過研究生物炭粒徑對(duì)黃土侵蝕過程的影響,確定生物炭粒徑對(duì)徑流和土壤流失變化的貢獻(xiàn)。通過分析>2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和飽和導(dǎo)水率,揭示生物炭粒徑對(duì)土壤侵蝕的影響機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 土壤和生物炭

試驗(yàn)中的生物炭來自黃土地區(qū)當(dāng)?shù)匦藜艄麡浜蟮膹U棄樹枝,使用生物質(zhì)熱解技術(shù),將廢棄樹枝置于550°C的溫度下并隔絕空氣進(jìn)行熱解。在熱解過程后,將獲得的生物炭粉碎并通過0.25 mm、1 mm和2 mm的篩網(wǎng),以獲得不同粒徑的生物炭(<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm)。土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了保證了土壤和生物炭的人工處理接近自然土壤條件。在本研究中,嚴(yán)格按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的施用過程,先將不同粒徑的生物炭與土壤進(jìn)行充分混合,然后將混合均勻的土壤試樣裝入實(shí)驗(yàn)箱中,總深度為25 cm,堆積密度與自然耕作層相似。

將三種不同粒徑的生物炭(<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm)混合到土壤中。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究,生物炭用量較小時(shí),對(duì)黃土的理化性質(zhì)改善較為明顯[7]。因此,本研究中生物炭的用量為2%。以不添加生物炭的土壤為對(duì)照組。將各試驗(yàn)組的土壤試驗(yàn)放入塑料桶中進(jìn)行培養(yǎng)。添加適量的水后將塑料桶密封,在試驗(yàn)大廳放置6個(gè)月,以確保生物炭對(duì)土壤性質(zhì)的時(shí)間效應(yīng)。培養(yǎng)后,將對(duì)照組和添加生物炭的土壤調(diào)整到約10%的含水量,然后將對(duì)照組和添加生物炭的土壤裝入試驗(yàn)田。

將各試驗(yàn)組配制好的土壤分層均勻填入試驗(yàn)田,每次的填入厚度為5 cm,總深度為25 cm。為了保證每層填土之間的連續(xù)性,在每次填土之前,在上一層土體表面進(jìn)行輕微的劃刻。本研究的試驗(yàn)田是一個(gè)帶孔的金屬槽,尺寸為長(zhǎng)1 m×寬1 m×深0.4 m。金屬槽的坡度可以自由調(diào)整,由于岢嵐縣西北部為丘陵地帶,本次試驗(yàn)的坡角設(shè)置為25°。在金屬槽的每個(gè)部位的下邊緣均安裝了漏斗型出口,用來收集降雨產(chǎn)生的徑流和沉積物。將準(zhǔn)備好的試驗(yàn)田放置于降雨模擬器下,因?yàn)?0 mm/h的降雨強(qiáng)度是發(fā)生在黃土高原的強(qiáng)暴雨的代表。因此本試驗(yàn)在90 mm/h的降雨強(qiáng)度下通過模擬降雨評(píng)價(jià)生物炭粒徑對(duì)黃土地徑流和土壤流失的影響。

1.3 降雨模擬

本次試驗(yàn)通過針頭式人工模擬降雨系統(tǒng)進(jìn)行降雨模擬。該系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)雨滴的尺寸和降雨強(qiáng)度,克服了野外觀測(cè)降雨時(shí)費(fèi)力的特點(diǎn),大大縮短了試驗(yàn)周期,不受氣候因素的影響,加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

針頭式人工模擬降雨系統(tǒng)主要包括水箱、管道、噴頭和流量調(diào)節(jié)單元,水箱通過管道與噴頭連接,流量調(diào)節(jié)單元及泵站用于控制噴頭的流量。在安裝板上設(shè)置多組雙層針頭,多組針頭按矩陣分布,內(nèi)層針頭與水箱泵站相連。每組針頭中的多個(gè)針頭的直徑相等,多組針頭中的各組針頭的直徑不相等,在進(jìn)行降雨時(shí),通過流量閥來控制不同組的針頭進(jìn)行降雨,通過調(diào)整氣壓控制針頭端部的吹離力,就可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)不同大小的雨滴。該系統(tǒng)有效降雨面積為1 m×1 m,有效降雨高度為2 m,降雨強(qiáng)度在5～100 mm/h范圍內(nèi),雨滴尺寸變化范圍為0.5～5.0 mm,降雨均勻度>95%。

通過改變液流量和氣壓,將降雨強(qiáng)度調(diào)整為90 mm/h。每組試驗(yàn)?zāi)M降雨的持續(xù)時(shí)間為60 min。在模擬降雨過程中,記錄徑流的時(shí)間,并使用容器連續(xù)收集徑流和沉積物。最初的5個(gè)徑流和沉積物樣本每隔1 min收集一次,隨后的5個(gè)樣本每2 min收集一次,之后每3 min收集一次。

土壤團(tuán)聚體是影響土壤侵蝕的主要性質(zhì)之一,飽和導(dǎo)水率與入滲速率密切相關(guān),從而影響徑流和土壤流失。在本研究中,對(duì)土壤樣品進(jìn)行了土壤團(tuán)聚體的測(cè)量,并使用濕篩法測(cè)量了>2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,然后烘干并稱重。采用恒水頭滲透性測(cè)試法測(cè)量飽和導(dǎo)水率。

2 結(jié)果分析

2.1 徑流

圖1顯示了生物炭不同粒徑對(duì)徑流時(shí)間的影響。可以看出,與對(duì)照組相比,在土壤中添加生物炭后徑流時(shí)間均有所增加。隨著生物炭粒徑的增加,徑流時(shí)間逐漸縮短。生物炭粒徑為<0.25 mm和0.25～1 mm,徑流時(shí)間分別為2.88 min和2.82 min,徑流時(shí)間縮短不明顯。

圖1 生物炭不同粒徑對(duì)徑流時(shí)間的影響

圖2顯示了生物炭不同粒徑對(duì)總徑流量的影響?？梢钥闯?對(duì)照組的總徑流量達(dá)到了49.63 kg/m2·h,為所有試驗(yàn)組的最大值,生物炭粒徑<0.25 mm時(shí)總徑流量為38.46 kg/m2·h,為所有試驗(yàn)組的最小值。對(duì)于添加生物炭的試驗(yàn)組,隨著生物炭粒徑的增大,徑流總量呈先增大后減小的趨勢(shì)。總體來看,生物炭的添加減少了總徑流量。

圖3顯示了生物炭不同粒徑對(duì)徑流率的影響。在首次產(chǎn)生徑流后的13 min內(nèi),各試驗(yàn)組的徑流率迅速增加,隨著時(shí)間的持續(xù)增加,徑流率的增加速率逐漸平緩。從圖中可以看出,對(duì)照組的徑流率在所有持續(xù)時(shí)間內(nèi)均高于其他試驗(yàn)組,添加生物炭可以減小徑流率。

圖3 生物炭不同粒徑對(duì)徑流率的影響

生物炭粒徑為0.25～1 mm和< 0.25 mm時(shí),兩者之間的徑流率存在明顯差異,但生物炭粒徑為0.25～1 mm和1～2 mm時(shí),兩者之間的徑流率的差異非常小。總的來說,添加生物炭可以減少?gòu)搅髀?。徑流率隨生物炭粒徑的增大而增加。

2.2 土壤流失

圖4顯示了生物炭粒徑對(duì)總侵蝕量的影響?？梢钥闯?添加生物炭可以減小土壤的總侵蝕量。對(duì)照組的總侵蝕量最大,為1.82 kg/m2·min。生物炭粒徑<0.25 mm時(shí)總侵蝕量最小,為1.52 kg/m2·min。隨著生物炭粒徑的增加,總侵蝕量呈先增大后減小的趨勢(shì)。

圖5顯示了生物炭粒徑對(duì)土壤侵蝕率的影響。從圖中可以看出,各個(gè)試驗(yàn)組的土壤侵蝕率隨著時(shí)間變化的變化規(guī)律大致相同,均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。在降雨開始后7分鐘之內(nèi),土壤侵蝕率迅速上升,在徑流開始后的第7分鐘達(dá)到峰值,隨后隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行,土壤侵蝕率逐漸下降,土壤侵蝕率下降速度逐漸趨于平緩。

圖5 生物炭不同粒徑對(duì)土壤侵蝕率的影響

與對(duì)照組相比,生物炭粒徑為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm時(shí),土壤侵蝕率均小于對(duì)照組,隨著生物炭粒徑的增加,土壤侵蝕率呈先增大后減小的趨勢(shì)。

2.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體

圖6顯示了生物炭粒徑對(duì)>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響。如圖所示,生物炭的添加導(dǎo)致>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加,這表明生物炭有效地促進(jìn)了小顆粒向大顆粒的聚集。對(duì)照組中>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量最低,為0.37%,生物炭粒徑為1～2 mm時(shí),>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高,為0.71%。隨著生物炭粒徑的增加,>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈先減小后增大的趨勢(shì)。

2.4 飽和導(dǎo)水率

圖7顯示了生物炭粒徑對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響。如圖所示,對(duì)照組的飽和導(dǎo)水率最低,僅為0.26 m/d。生物炭粒徑為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm時(shí),飽和導(dǎo)水率分別為0.38 m/d、0.36 m/d和0.29 m/d。與對(duì)照組相比,添加生物炭可以增加飽和導(dǎo)水率,隨著生物炭粒徑的增加,飽和導(dǎo)水率呈逐漸減小的趨勢(shì)。生物炭粒徑為<0.25 mm和0.25～1 mm時(shí),飽和導(dǎo)水率變化不明顯。

圖7 生物炭不同粒徑對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響

3 討論

本文研究了模擬降雨條件下生物炭粒徑對(duì)黃土坡地徑流時(shí)間、徑流和土壤流失的影響。結(jié)果表明,在一定條件下,將合理粒徑的生物炭添加到土壤中會(huì)延遲徑流時(shí)間,并減少?gòu)搅骱屯寥罁p失。生物炭粒徑<0.25 mm時(shí)效果最佳。

研究表明,在相同的生物炭施用量(2%)下,生物炭粒徑對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生影響,但隨著生物炭粒徑的變化,徑流和侵蝕率并沒有統(tǒng)一的趨勢(shì)。總的來說,本研究中使用的更小的生物炭粒徑對(duì)延遲徑流時(shí)間、減少?gòu)搅骱蜏p小土壤侵蝕率效果更為顯著。我們推測(cè)土壤侵蝕減少的主要原因是添加生物炭土壤中>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和飽和導(dǎo)水率的變化。本研究表明,與對(duì)照組相比,不同生物炭粒徑可以有效提高>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和飽和導(dǎo)水率。飽和導(dǎo)水率隨生物炭粒徑的減小而增大,添加粒徑為<0.25 mm的生物炭時(shí),飽和導(dǎo)水率最高,>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量含量中等。

本研究中使用的生物炭顆粒的分布一般比土壤顆粒的分布更大(表1),添加<0.25 mm生物炭顆粒對(duì)飽和導(dǎo)水率的改善最為顯著。同樣<0.25 mm生物炭顆粒對(duì)土壤侵蝕的控制也最優(yōu)。然而,生物炭粒徑為1～2 mm時(shí),>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較高,但土壤侵蝕較其他試驗(yàn)組更為嚴(yán)重。這一結(jié)果可能是生物炭粒徑為1～2 mm時(shí)飽和導(dǎo)水率導(dǎo)致的。小顆粒(0.25～1 mm)的生物炭具有較低的孔隙率,因此與大顆粒(1～2 mm)的生物炭相比,比表面積較低。這一特征削弱了土壤顆粒的結(jié)合力,導(dǎo)致>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量降低。因此,施用大顆粒(1～2 mm)生物炭可獲得比小顆粒(0.25～1 mm)生物炭更高的>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。然而,最小顆粒生物炭(<0.25 mm)與小顆粒(0.25～1 mm)生物炭相比,產(chǎn)生了更高的>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。這一結(jié)果可能是由最小顆粒的生物炭的較高的外表面積導(dǎo)致的。這一現(xiàn)象導(dǎo)致<0.25 mm生物炭中>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量高于0.25～1 mm生物炭。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過模擬降雨測(cè)量了25°坡角上,生物炭粒徑分別為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm時(shí)黃土地的徑流時(shí)間、徑流量、土壤流失量、>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和飽和導(dǎo)水率。結(jié)果表明:

(1)與對(duì)照組相比,在土壤中添加生物炭后徑流時(shí)間均有所增加,總徑流量減少,徑流率變小。隨著生物炭粒徑的增加,徑流時(shí)間逐漸縮短,徑流總量呈先增大后減小的趨勢(shì)。徑流率隨生物炭粒徑的增大而增加。

(2)添加生物炭可以減小土壤的總侵蝕量?？偳治g量呈先增大后減小的趨勢(shì)。與對(duì)照組相比,生物炭粒徑為<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm時(shí),土壤侵蝕率均小于對(duì)照組,隨著生物炭粒徑的增加,土壤侵蝕率呈先增大后減小的趨勢(shì)。

(3)對(duì)照組中>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量最低,為0.37%,生物炭粒徑為1～2 mm時(shí),>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高,為0.71%。隨著生物炭粒徑的增加,>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈先減小后增大的趨勢(shì)。

(4)與對(duì)照組相比,添加生物炭可以增加飽和導(dǎo)水率,隨著生物炭粒徑的增加,飽和導(dǎo)水率呈逐漸減小的趨勢(shì)。生物炭粒徑為<0.25 mm和0.25～1 mm時(shí),飽和導(dǎo)水率變化不明顯。