不同矿化度微咸水灌溉条件下生物炭对盐碱土水盐运移影响

郭祥林，高鹏浩，高佩玲，2，吕庆鑫，吴畏，柴洪星

(1．山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049；2．山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博 255049)

根据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计,我国盐碱地面积9 913万hm2,占全世界盐碱地面积4%左右[1]。黄河三角洲地区是我国重要的粮棉油生产基地,自然资源丰富,但由于该区地下水矿化度高且埋藏深度浅,导致盐碱地面积已达16.7万hm2[2]。土地盐碱化造成的土壤板结,肥力下降,土壤贫瘠等问题[3],严重制约了该区生态环境建设和绿色农业的发展。

黄河三角洲地区淡水资源短缺,但地下微咸水资源丰富,微咸水作为非常规水资源,合理开发利用微咸水对缓解淡水资源短缺问题具有重要意义[4]。研究表明,长期使用微咸水灌溉土壤易发生次生盐碱化危害[5]。近年来,相关学者关于微咸水安全利用方面做了大量研究。王全九等[5]研究发现,采用去电子微咸水灌溉增加了土壤的入渗能力,且采用微咸水矿化度4 g/L增幅最大。王世斌等[4]指出,采用微咸水灌溉增加了土壤的含水率,低矿化度微咸水灌溉脱盐效果最好,与淡水灌溉无明显差异。刘小媛等[6]研究表明,咸淡水间歇组合灌溉更有利于土壤脱盐,以先咸后淡次序灌溉更有利于上层土壤的脱盐。杨文杰等[7]通过微咸水滴灌实验发现,低矿度微咸水灌溉具有较好的脱盐效果,并增加了番茄产量。

生物炭是有机生物质在高温厌氧条件下裂解产生的一种富炭材料,因其丰富的孔隙结构,巨大的表面积,施入土壤具有降低土壤容重,提高土壤通透性和保水压盐的作用[8],被广泛用于盐碱地改良。胡刘淼等[8]研究发现,施加生物炭降低了土壤容重,提高了土壤水稳性团聚体数量,增加土壤通透性,较大改善了盐碱土壤的物理性质。田飞等[9]采用生物炭作为隔盐层进行盐碱土淋洗实验发现,生物炭增加了土壤的淋洗排水速率,加快了土壤脱盐速率,且在抑制土壤返盐方面具有很好的效果。王世斌等[10]研究发现,掺加生物炭增加了盐碱土壤的含水率,显著降低了土壤含盐量,以施加生物炭10 t/hm2改良效果最好。

目前,国内外学者对于使用微咸水与生物炭改良盐碱地进行了一系列研究,但关于不同矿化度微咸水灌溉条件下掺加生物炭对黄三角地区中度盐碱土改良效果研究较少。本实验以黄河三角洲中度盐碱土为研究对象,在室内进行一维垂直入渗实验,分析探讨微咸水与生物炭二者协同作用对盐碱土水分入渗过程、水盐运移及土壤pH值的影响,以期为黄三角地区合理开发利用微咸水资源改良盐碱地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用土取自东营市东营区六户镇中度盐碱耕地,取土深度为40 cm,每20 cm分层取扰动土与原状土。利用100 cm3环刀采取原状土,测定田间持水率和土壤容重,扰动土经自然风干过筛(2 mm),混合均匀制成实验用土并测定土壤的理化性质：土壤类型为中度盐化土,田间持水率为26.62%,土壤容重为1.45 g/cm3,pH值为8.18,电导率EC5∶1为1.162 mS/cm,土壤全盐量为2.65 g/kg,风干含水率为1%。利用Mastersizer3000型激光粒度仪测定土壤颗粒组成,砂粒占比44.17%,粉粒占比52.31%,黏粒占比3.52%,依据国际制土壤质地分类标准对供试土壤质地进行划分,属于粉砂质壤土。

实验所用生物炭改良剂为小麦秸秆生物炭,是小麦秸秆在800 ℃下经72 h热解而成,生物炭的理化指标见表1。

表1 生物炭理化指标

实验灌溉水质共3种,分别为3 g/L微咸水、5 g/L微咸水和淡水(去离子水)。本实验不同矿化度微咸水是根据当地地下水盐分组成在实验室配置而得,具体的化学试剂用量及微咸水的实测矿化度见表2。

表2 实验用水的化学组成及实测矿化度 单位：g/L

1.2 实验装置

本实验为室内一维垂直入渗实验,实验装置主要包括实验土柱和马氏瓶,土柱尺寸为直径8 cm,高90 cm,土柱两侧壁上,每5 cm有直径1.5 cm的取样口,用于实验结束后分层取样。马氏瓶设计尺寸为直径8 cm,高度50 cm。

1.3 实验设计

本研究采用一维垂直入渗实验,探究了不同微咸水矿化度下生物炭对盐碱地改良效果的影响,实验共设置：CK(淡水)、W1(3 g/L微咸水)、W2(5 g/L微咸水)、W1X1(3 g/L+小麦秸秆5 t/hm2)、W1X2(3 g/L+小麦秸秆10 t/hm2)、W1X3(3 g/L+小麦秸秆20 t/hm2)、W2X1(5 g/L+小麦秸秆5 t/hm2)、W2X2(5 g/L+小麦秸秆10 t/hm2)、W2X3(5 g/L+小麦秸秆20 t/hm2)共9个处理,每个处理重复三次。土柱装土80 cm,将土样按1.45 g/cm3容重分16层装填,每层装填深度为5 cm,单层土重365 g,装填后用打毛器进行层间打磨,保证土样均匀性。0～20 cm装填生物炭与原土的混合土样,20～80 cm装填原土,装填完毕后在土壤表面覆盖一层滤纸,避免供水时对土壤表面造成冲刷。根据计划湿润区深度40 cm、土壤田间持水率和容重计算灌水定额为14.86 cm,实验过程中始终控制入渗水头为2 cm。

1.4 测定指标及方法

土壤含水量：采用烘干法进行测定[3]。

土壤含盐量：样品烘干冷却后研磨、过筛,制取水土比为5∶1的土壤浸提液,利用(雷磁DDS-11A型)电导率仪测定土壤浸提液的电导率[6]。根据该地区土壤浸提液电导率与土壤含盐量的线性关系,将电导率转化为土壤含盐量,转换公式为

y=2.281 1EC5∶1-0.001 5,

(1)

式中：y为土壤含盐量(g/kg),EC5∶1为25 ℃条件下土水比为1∶5的浸提液电导率(mS/cm)。

pH值：使用电子天平秤取待测样品6 g,放入离心管按照水土比2.5∶1加入去离子水,离心后用pH测定仪(梅特勒-托利多pH计)测定。

土壤脱盐率计算公式如下：

(2)

式中：ra为土壤脱盐率(%),A为土壤脱盐量平均值(g/kg),B为土壤初始含盐量(g/kg)。

土壤脱盐区深度(DS)：土壤含盐量低于土壤初始含盐量的深度。脱盐区深度系数计算公式如下：

fDs=DS/H,

(3)

式中：fDs为脱盐区深度系数,DS为脱盐区深度,H为湿润锋运移深度。

达标脱盐区深度(DSS)：土壤含盐量小于冬小麦、夏玉米苗期耐盐阈值(2 g/kg)的土壤深度。达标脱盐区深度系数计算公式如下：

fDs=DSS/H,

(4)

式中：fDss为达标脱盐区深度系数,DSS为达标脱盐区深度,H为湿润锋运移深度。

1.5 数据处理及分析

采用Excel 2016处理数据,利用Oringin 9.0绘制各处理湿润锋运移深度、累计入渗量与时间的关系曲线,以及水盐垂直分布曲线。

2 结果与分析

2.1 对土壤水分入渗影响

不同矿化度微咸水灌溉条件下掺加生物炭对土壤湿润锋运移和累积入渗量影响如图1和图2所示。由图1可得,入渗结束后,与CK相比,各处理均降低了最终湿润锋运移深度,其原因可能为微咸水与生物炭改变了土壤结构增加了土壤持水能力[10-11];相同入渗历时条件下,采用微咸水灌溉湿润锋运移深度均大于CK,微咸水灌溉条件下掺加生物炭湿润锋运移深度均高于未掺加生物炭处理,且在3 g/L微咸水灌溉条件下掺加生物炭的湿润锋运移深度大于5 g/L微咸水时;累积入渗量随时间的变化过程与湿润锋规律相同,均呈现随着时间延长速率逐渐减缓的趋势(图2)。累积入渗量达到灌水定额(14.86 cm)时,各处理入渗历时表现为W1X1 >W1X2 >W1X3 >W2X1 >W2X2 >W2X3 >W2 >W1 >CK,这说明微咸水灌溉增加了土壤入渗能力,且随着微咸水矿化度增加而增加。在微咸水灌溉条件下掺加生物炭对土壤入渗性能提升更优,且在施加等量生物炭条件下,采用3 g/L微咸水灌溉土壤入渗速率优于5 g/L微咸水时,其中,W1X1处理效果最好,入渗速率较CK增加72.43%,W1X2略低于W1X1。

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L图1 不同矿化度微咸水灌溉条件下掺加生物炭湿润锋运移深度随时间的变化

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L图2 不同矿化度微咸水灌溉条件下掺加生物炭累积入渗量随时间的变化

2.2 对土壤剖面含水率的影响

图3为不同矿化度微咸水灌溉条件下掺加生物炭土壤剖面含水率分布曲线,从图3可得,各处理土壤含水率均随着土层深度增加而降低,在0～40 cm土层,采用微咸水灌溉处理土壤含水率较CK增加3.91%～4.63%,其中W2处理土壤含水率最高,说明微咸水灌溉增加了土壤含水率;在整个土层,W1X1,W1X2,W1X3,W2X1,W2X2,W2X3处理的土壤含水率较CK分别增加5.09%,6.42%,5.91%,6.33%,7.69%,4.98%,说明微咸水灌溉条件下,掺加生物炭进一步提升了土壤的保水能力,且在施加等量生物炭条件下,采用5 g/L微咸水灌溉土壤含水率均高于3 g/L微咸水时,其中W2X2处理土壤含水率最大,W1X2略低于W2X2。

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L图3 不同矿化度微咸水灌溉条件下掺加生物炭土壤剖面含水率分布曲线

2.3 对土壤盐分分布的影响

土壤盐分含量对作物生长发育起到重要作用,当土壤盐分超过作物耐盐阈值会抑制作物生长,因此盐碱地的改良必须将脱盐效果作为重要的因素[12]。入渗完成后各处理土壤剖面含盐量分布曲线如图4所示,各处理土壤含盐量随着土层深度增加而增加。在0～35 cm土层,各处理土壤含盐量均低于初始含盐量,土壤含盐量具体表现为W2X3 >W2 >W2X1 >W2X2 >W1 >W1X3 >W1X1 >W1X2 >CK。微咸水灌溉处理的土壤含盐量均大于CK,其中采用5 g/L微咸水灌溉土壤含盐量增加最大,较CK增加154%。掺加生物炭可增加土壤盐分的淋洗,随着生物炭施加量增加,土壤含盐量先降低后增加,施加等量生物炭条件下,采用5 g/L微咸水灌溉土壤含盐量较3 g/L微咸水增加31.6% ～ 38.9%。在35～40 cm土层,各处理土壤含盐量开始大量累积,并在湿润峰处达到最大值。

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L图4 不同矿化度微咸水灌溉条件下掺加生物炭土壤剖面含盐量分布曲线

为进一步评价各处理的脱盐效果,引入土壤脱盐率ra,脱盐区深度DS,脱盐区深度系数fDS,达标脱盐区深度DSS,达标脱盐区深度系数指标fDss等指标对各处理的脱盐效果进行评价。

由表3可知,各处理脱盐率、脱盐区深度、达标脱盐区深度均低于CK,且随着入渗水矿化度增加而降低。除W2X3处理,微咸水灌溉条件下掺加生物炭处理脱盐率平均值均低于未掺加生物炭处理, 在施加等量生物炭条件下,采用3 g/L微咸水灌溉的脱盐率平均值均低于5 g/L。入渗结束后,各处理的脱盐区深度、达标脱盐区深度均大于34 cm,超过小麦主根区深度(0～30 cm),不会对作物产生盐胁迫影响,具有良好的脱盐效果。各处理的脱盐区深度系数与达标脱盐区深度系数均高于CK,其原因可能为微咸水灌溉与掺加生物炭改变了土壤结构,增加了土壤保水能力,降低了最终湿润峰深度[13]。综合图4和表3可得,各处理均增加了土壤含盐量,但不会对作物产生盐害作用,其中W1X2处理脱盐效果最好,脱盐率达53.74%。

表3 各处理脱盐效果评价

2.4 对土壤pH值影响

从图5可得,随着土层增加,土壤pH呈现先增加后降低的趋势。0～40 cm土层土壤pH趋势与土壤盐分呈负相关。入渗完成后各处理土壤平均pH值表现为W1X3 >W1X2 >W1X1 >W1 >W2X3 >W2X2 >W2X1 >W2 >CK。微咸水灌溉增加了土壤平均pH值,在微咸水灌溉条件下掺加生物炭处理土壤平均pH值均高于未掺加生物炭处理,且随着生物炭施加量的增加而增加。 在3 g/L微咸水灌溉条件下掺加生物炭处理土壤平均pH值略高于5 g/L微咸水,且各处理之间均无显著性差异。

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L图5 不同矿化度微咸水灌溉条件下掺加生物炭土壤pH变化曲线

3 讨论

土壤发生盐碱化会破坏土壤原有的物理结构,造成土壤板结等问题。研究表明,采用微咸水灌溉与掺加生物炭能改善土壤物理结构,增加土壤的入渗能力。本研究中采用微咸水灌溉增加了土壤的入渗能力,且土壤的入渗能力随着微咸水矿化度的增加而增加,这与刘小媛等[14]的研究结论一致,其原因为,随着盐分浓度增加,扩散双电子层向黏粒表面压缩,土壤颗粒间斥力降低,有利于土壤团粒结构的形成,进而增加了土壤的入渗能力[4]。微咸水灌溉条件下,掺加生物炭进一步提升了土壤入渗能力,且在3 g/L微咸水灌溉条件下掺加生物炭土壤入渗能力优于5 g/L微咸水,这与王世斌等[13]得出的微咸水条件下掺加生物炭会进一步增加土壤入渗能力的结论一致。

土壤保水能力是评价盐碱地改良效果的重要因子。本研究表明,微咸水灌溉增加了土壤含水率,且采用5 g/L微咸水灌溉土壤含水率高于3 g/L微咸水灌溉土壤含水率,这与吴忠东等[15]土壤含水率随着微咸水矿化度增加而增加的结论一致。微咸水灌溉条件下掺加生物炭处理的土壤含水率高于未掺加处理,其原因为生物炭具有丰富的孔隙结构,施加生物炭促进土壤团聚体的形成,提高了土壤的保水能力,这与刘月等[16]研究结论一致。

土壤盐分对于作物生长起重要作用,但土壤含盐量超过作物耐受限度会影响作物的生长,因此土壤含盐量是盐碱地改良的重要参考因素。本研究发现,采用微咸水灌溉增加了土壤含盐量,且土壤含盐量随着微咸水矿化度的增加而增加,其原因可能为微咸水自身带有盐分,采用微咸水灌溉会使盐分进入土壤,而灌溉后水分蒸发,盐分逐渐积累在土壤中,从而导致土壤含盐量增加[13]。微咸水灌溉条件下掺加生物炭增加了土壤盐分的淋洗,但随着生物炭施用量的增加,盐分淋洗的效果变低,且在施加等量生物条件下,随着微咸水矿化度增加对土壤盐分的淋洗作用减弱,这与雷傲云等[17]研究结论一致。从脱盐效果来看,与淡水灌溉相比,各处理均增加了土壤含盐量,但在0～30 cm土层,各处理土壤含盐量均未超过作物耐盐阈值,不会对作物产生盐害作用,具有良好的脱盐效果,其中W1X2脱盐效果最好,脱盐率达53.74%。

土壤pH值是衡量土壤碱化程度的重要指标,本研究表明采用微咸水灌溉增加了土壤的平均pH值,这与刘易等[18]微咸水灌溉增加了土壤盐分进而增加了土壤pH值结论一致。在微咸水灌溉条件下,施加生物炭进一步增加了土壤的平均pH值,且随着生物炭施加量的增加而增加,这与张雯等[19]的结论存在差异,其原因可能为本研究生物炭采用的为碱性生物炭,施入后会进一步增加土壤的pH;此外,实验所用的土壤和生物炭的理化特性也会影响结果,因此可以根据土地类型条件选择合适的生物炭。

4 结论

1)微咸水灌溉条件下,掺加生物炭提高了土壤的入渗能力,且在施加等量生物炭下,采用3 g/L微咸水处理的土壤入渗能力优于5 g/L时,其中W1X1处理效果较优,W1X2略低于W1X1。

2)微咸水灌溉增加了土壤含水率,掺加生物炭进一步增加了微咸水灌溉条件下土壤含水率,且采用5 g/L微咸水掺加生物炭处理土壤含水率高于3 g/L时,其中W2X2处理较CK增幅最大,W1X2与W2X2差异较小。

3)微咸水灌溉条件下掺加生物炭增加了土壤含盐量,但各处理达标脱盐区深度均达到34 cm以上,不会对作物产生盐害作用,且采用3 g/L微咸水灌溉掺加生物炭土壤含盐量均低于5 g/L微咸水时,以W1X2处理脱盐效果最好,脱盐率达53.7%。

4)微咸水灌溉下,掺加生物炭进一步增加了土壤pH值,施加等量生物炭下,采用3 g/L微咸水灌溉土壤pH值高于5 g/L,且各处理无显著差异。综上所述,微咸水灌溉条件下施加生物炭可以增加土壤入渗能力和土壤含水率,不会对作物产生盐害作用,具有良好脱盐效果,其中采用3 g/L微咸水灌溉配合10 t/hm2小麦秸秆生物炭效果最好。