秸秆生物炭对黏壤土入渗规律的影响

岑 睿, 屈忠义, 孙贯芳, 杨 芳

(内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018)



秸秆生物炭对黏壤土入渗规律的影响

岑 睿, 屈忠义, 孙贯芳, 杨 芳

(内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018)

为提高干旱半干旱区耕作土壤灌溉水的利用效率，采用秸秆生物碳对黏壤土进行改良，并用3种经典入渗模型进行入渗模拟，寻求适于描述研究区土壤入渗规律的模型及改良方案。采用双环入渗试验测定4种生物炭施用水平(10 t/hm2，20 t/hm2，30 t/hm2，50 t/hm2)的田间作物生育期内土壤含水率、入渗速率及累积入渗量，分别采用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov经验公式对试验组与对照组(CK)的入渗过程进行模拟。结果表明：施用量为30 t/hm2较CK效果最为明显，施用层(0—40 cm)入渗速率增加44.6%，耕作层土壤含水率增加8.9%，累积入渗量增加45.45%。比较3种模型的入渗过程拟合结果，认为Kostiakov经验公式拟合的效果符合实测规律，可为研究区改良土壤水分入渗过程提供理论依据。

生物碳; 入渗模型; 土壤入渗速率

最有效的灌溉措施要依据目标土壤的入渗能力来制定，忽视这一点将导致灌溉水利用率降低和水资源浪费等结果[1]。土壤入渗是降水或灌溉水在重力作用下在土壤中向下运动的过程[2-3]，是制定有效灌溉方案的基本信息，也是土壤结构和理化性质的综合表现。入渗速率和相对供水状况将决定有多少水留在非饱和带，有多少水将流失[4]。基于入渗的物理过程，产生了许多经典的理论模型和半经验模型，对目标土壤的入渗特征进行预测并指导实践。其中，Philip模型和Green-Ampt模型都有具体的物理背景[5-7]，可用于建立土壤物理特征与入渗特征参数间的关系，Kosjiakov[6]模型是根据大量试验数据而建立的，利用入渗速率与时间的双对数曲线斜率描述土壤质地。改良土壤的入渗特征是土壤添加剂对土壤理化性质影响的综合表现[8-9]，模型拟合参数的差异也是土壤结构变化的量化描述[4]。

各国学者在生物炭用于土壤改良方面已经进行了诸多探索，通过调查及室内模拟试验肯定了生物炭具有改善土壤结构与理化性质和提高作物产量的作用[9]。Glaser等[10]发现在亚马逊地区具有丰富生物炭的耕作土壤比周围不含生物炭的田间持水率高18%。王丹丹等[11]分别研究了粉粒含量不同的生物炭对粉砂壤土(黑垆土和湘黄土)持水性能的影响，结果表明生物炭可以提高粉砂壤土田间持水量和导水性能，其中粉粒含量较高的槐树皮生物炭对半干旱地区砂壤土的作用效果更显著。Liang等[12]通过3 a的田间试验观察发现，当田间生物炭施用量达90 t/hm2时可以显著增加当地土壤的持水力，增幅可达9.0%。田丹等[13]通过土柱试验研究了生物炭对砂土水力特征参数的影响，发现生物炭能够显著改变砂土的土壤结构，即随着生物炭施用量的增加，砂土密度减小、总孔隙度增大、饱和导水率减小、持水能力增加。然而，秸秆生物炭对黏壤土入渗规律方面的研究并不多见。

本文针对河套灌区干旱半干旱的气候特征，采用生物碳对研究区易发生结皮的耕作土壤进行改良，基于实时监测的大田试验数据，选用三种经典入渗模型对原状土及不同施用水平下改良土壤的入渗规律进行模拟研究。探究适用于土壤质地及灌溉方式的入渗模型，为生物炭土壤改良技术推广，提高研究区有限水资源条件下土壤蓄水能力，减少土壤水分的深层渗漏并为节水灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年4—10月在位于内蒙古巴彦淖尔市临河区双河镇九庄试验站(107°23′12.01″E，40°45′58.28″N)进行，研究区位于黄河冲积平原，属于中温带大陆性干旱半干旱季风气候区。降雨稀少，年平均降水133.8 mm，年蒸发量达2 294.6 mm，年平均气温6～8℃，多年平均日照时间为3 229.9 h，无霜期为130 d[14-15]。试验区以黏壤土为主，漫灌为主要灌溉形式，水肥利用率低。土壤有机质含量为10.35 g/kg，其他物理性质见表1。

本次试验的土壤改良剂为玉米秸秆生物炭，由辽宁金和福农业开发有限公司生产提供，粒径1.5～2.0 mm，pH值为7.84，近中性，营养元素质量百分含量分别为：氮1.68%、磷0.82%、钾1.55%。

表1 试验土壤物理组成表

1.2 试验设计

设置对照和试验组共5组处理，进行双环入渗试验。试验组为4个生物碳施用水平：10 t/hm2，20 t/hm2，30 t/hm2，50 t/hm2，每组三个重复，经过激光土地平整后，按照设置施用量采用旋耕机分别均匀混入各试验田表层0—40 cm中，每个重复小区面积为60 m2，以玉米为供试作物。各处理标记为：CK(对照)，Bo-10(10 t/hm2)，Bo-20(20 t/hm2)，Bo-30(30 t/hm2)，Bo-50(50 t/hm2)。将双环入渗仪外环打入试验田距地表15 cm处，地面以上留15 cm作为水头护臂；内环打入至侧壁入水口处，以保证水流的畅通；参照当地漫灌水头，马氏瓶水头设定为10 cm。双环入渗仪仪器高30 cm外环直径30 cm，内环直径10 cm，供水计量装置为马氏瓶(图1)。

1.3 分析方法

采用烘干法[4]对土样的土壤水分含量进行检测。采用德国新帕泰克公司(Sympatec GmbH)激光粒度仪对土样的土壤颗粒进行分析。用马氏瓶进行供水，秒表定时，记录马氏瓶水位变化，计算得到入渗速率。以马氏瓶出水作为试验起始，记录初始读数，记录频率为：0～10 min，30 s/次；10～30 min，1 min/次；30～60 min，5 min/次；60～120 min，10 min/次；120～300 min，20 min/次。

入渗量计算：

式中：IS为各处理入渗水量(cm)；hM为马氏瓶消耗量(cm)；DM为马氏瓶直径(cm)；Di为内环直径(cm)。

入渗速率计算：

采用OriginLab软件进行数据统计分析及模型回归拟合。

图1 试验装置示意图

1.4 入渗模拟方法

(1)Kostiakov入渗模型[6]，lgi10=b+algt10，即i(t)=10bta，简化为：i(t)=kta。式中：t为时刻(min)；i(t)为入渗率(cm/min)；k为经验入渗系数，表示非饱和土壤入渗速度达到相对稳定时的入渗速度；a为经验入渗指数，反映土壤水分入渗能力的衰减速度。

(2)Philip入渗模型，Philip在假定初始含水率均匀分布的前提下，利用级数形式描述一维垂直入渗问题[4]，Philip两项入渗公式是常用形式：io=0.5St-0.5+B，式中i0为入渗速率(cm/min)；S为土壤吸湿率(cm/min)；t为入渗时间(min)；S为吸渗率。在入渗初期，参数S起主要作用，相当于水平渗吸的情况。随着入渗时间的增长，参数B稳渗率则为[7，16]影响入渗的主要因素。

2 结果与分析

2.1 不同生物碳用量对土壤入渗速率的影响

土壤入渗速率是判断土壤入渗能力的指标之一，随着入渗过程的进行土壤入渗速率是逐渐减小的。在不同生物碳用量的影响下，土壤入渗速率也相应产生差异。为分析比较生物炭施用量对研究区土壤入渗速率的影响，分别点绘各施用水平下土壤入渗速率随时间变化的曲线(图2)。

图2 土壤入渗速率

试验组和CK的入渗速率随时间变化趋势基本相同，整个入渗过程分为两个阶段，即非稳定入渗阶段(0～60min)和稳定入渗阶段(>60min)。取典型时刻(1min，5min，10min，30min，60min)的入渗速率对试验组和CK的入渗过程进行比较(表2)。在非稳定入渗阶段，随生物炭输入量增加各组入渗速率均呈现递增趋势。其中Bo-30变化最为显著，2min时开始高于其他处理(图2)，在各典型时段较CK分别高出35.0%，40.3%，39.6%，44.4%，45.9%，41.7%，且在整个入渗过程中与Bo-50相差甚微。入渗速率在30～60min内开始趋于平缓，在60min后各组都进入稳定入渗阶段，此时各组(Bo-10，Bo-20，Bo-30，Bo-50)入渗速率相较于CK分别增加了34.09%，56.82%，45.45%，50%。

表2 不同施用量特征值

2.2 不同生物碳用量对土壤累积入渗量的影响

水分入渗过程达到稳定后可用稳定入渗率表征入渗能力，但在达到稳定入渗之前，常用累积入渗量表征入渗能力[18-19]，本试验在30 min时各组(Bo-10，Bo-20，Bo-30，Bo-50)累积入渗量出现明显差异(图3)，分别较CK增加37.6%，38.83%，44.6%，44.2%。各处理在60 min左右达到稳定入渗，且各处理累积入渗量均随生物碳施用量增加而增大。

2.3 经典入渗模型拟合结果对比分析

根据3种经典模型的模拟结果(图4)对生物炭改良方案进行分析。CK为对照组实测值，K—CK，P—CK，G—CK分别为相应的Kostiakov模型、Philip模型、Green-Ampt模型的对照组模拟值。

图3 土壤累积入渗量

在考斯加柯夫经验式中，砂质土壤a值较小，黏质土壤a值较大[6]。不同施用水平下的模拟结果中，加入生物碳的土样的a值均小于CK(表3)，说明该粒径的生物碳可以改善黏壤土的性状，增加土壤的孔隙率及导水能力，从而降低了黏性土壤易结皮的可能性。在模拟中，对土壤入渗采用分段模拟，结果较实测值更为接近，各施用量水平的模拟值较其他模型而言与实测值最为接近。故认为Kostiakov经验模型可以较准确地描述河套灌区黏壤土及改良土壤的入渗过程。

在Philip模型的拟合参数中，不同时间t下的吸渗率S和稳渗率B的拟合参数值见表3，吸湿率S随生物碳施用量的增大逐渐增大，说明生物炭的添加对入渗初期影响较大；随着时间的增加，稳渗率B亦逐渐增加，但各组差异不明显，说明稳渗阶段受生物炭输入量的影响不显著；与其他模型的模拟结果对比可以看出Philip模型与实测值偏差较大，在稳定入渗后偏差明显，各组结果图中均有体现。

表3 入渗方程最佳拟合参数

Green-Ampt模型中，饱和导水率KS随着施用量的增加基本呈增大趋势，湿润锋面吸力势Sf也随着施用量的增加而增大，说明生物炭的输入改变了原状土的土壤水势，同时，如前所述，也会对土壤含水率产生影响，而非饱和入渗过程中初始含水率对土壤水势的影响较显著，Green-Ampt模型中假定湿润区土壤水参数保持不变，而拟合中KS和Sf相互影响，共同作用，因此在非稳定入渗时期与实测值有一定的偏差(图4)，没能全面地描述不同土质变化下的入渗规律；在图4A和图4C中Green-Ampt的拟合与实测值较相近，但在图4B、图4D、图4E中偏差较大，区分效果优于Philip模型，且后期稳定入渗后的模拟值均与实测值接近，但略差于Kostiakov经验模型的模拟精度。

3 讨 论

自然条件下，土壤质地是影响土壤持水性的重要因素之一[20-21]。黏壤土本身具有土体密实，透气性差等特点，吸水后容易造成土壤板结，影响作物的生长。质地较粗的土壤释水速率明显高于黏土含量较多的土壤。生物炭具有较大的比表面积及孔隙度，含氧官能团的存在，赋予了生物炭一定的极性，使其具有良好的亲水性[22]，从而增强了其对土壤水分的持留能力，添加到土壤当中一定程度上能够改善土壤持水能力[23]、增强土壤阳离子交换量及增加土壤肥料吸附量[24-25]。在Piccolo等[26]的生物炭对土壤持水力影响的研究中显示，添加0.05 g/kg的木炭腐殖酸可以显著提高土壤的持水能力，增加土壤含水量。

然而，Tryon[27]的研究结果表明，在粗颗粒土质中生物炭的添加可以显著提高土壤的含水率；但在细颗粒土质中添加过多生物炭反而会显著降低土壤含水率。针对本研究区的黏壤土，生物炭的施用量与入渗速率呈抛物线关系(图5)，当用量为30.62 t/hm2时稳定入渗速率达到最大(0.006 83 cm/min)，与实测的最佳施用水平值吻合。

采用Kostiakov经验模型模拟中，根据考斯加柯夫经验公式的原理，土壤的渗吸速率i是时间t的函数，且入渗率与时间的对数关系为线性关系[6]。将入渗速率与对应的时间进行对数运算，发现在30 min时入渗速率随时间变化的曲线斜率a有明显变化，所以将整个入渗过程以30 min为界进行分段拟合，即分为非稳定入渗阶段和稳定入渗阶段，分别对其进行线性回归分析得到拟合方程见图6。采取分段模拟的方式[28]，获得了较好的模拟效果，也体现了经验模型对描述统计规律时的灵活性，在部分基于物理意义的基础上，实现了与实际监测数据较好的吻合效果，认为是最适于描述该研究区入渗规律的模型。

图4 不同施用量下各入渗模型拟合结果对比

图5 最佳施用量拟合关系

图6 入渗速率i与时间t的双对数关系曲线

4 结 论

(1) 对比不同生物碳施用量对研究区黏壤土的改良效果，施用量为30 t/hm2时效果最佳，较CK施用层入渗速率提高了45.45%，耕作层含水率提高了8.9%，土壤累积入渗量提高了44.6%。

(2) 对比各方法施用水平下稳定入渗速率与生物炭施用量的拟合关系得出，当施用量为30.62 t/hm2时稳定入渗速率达到最大组，与大田试验结果一致。

(3) 通过比较三种入渗模型对研究区改良土壤水分入渗过程的拟合结果，Kostiakov模型比其他拟合结果更贴近于实测值，能够较准确描述该地区土壤及改良后土壤的入渗情况，为今后大面积推广玉米秸秆生物炭改良剂提供理论依据。

根据以上分析得出生物炭在黏壤土改良中具有一定的可行性，但鉴于不同土壤质地条件，其函数形式及参数值存在一定的差异，有待于进一步的研究。

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Effects of Biochar on the Physical Properties and Infiltration of Clay Loam

CEN Rui, QU Zhongyi, SUN Guanfang, YANG Fang

(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China)

For improving irrigation water utilization efficiency of clay loam in arid and semi arid region, using biochar as soil conditioner to reformed cultivated soil at Hetao irrigation area, we simulate water infiltration process with three classical infiltration models to seek a suitable infiltration model to describe cultivated soil infiltration process and select a most effective proposal to improve the irrigation efficiency in semiarid climate area. There were four biochar application rates (10 t/hm2, 20 t/hm2, 30 t/hm2, 50 t/hm2) and we carried out the double loop infiltration test under irrigated condition to measure soil moisture content, infiltration rate and cumulative infiltration amount during the crop growing period for the four applications. The Green-Ampt model, Philip model and Kostiakov empirical formula were used to simulate the infiltration process of experimental group and control group (CK). The results show that the effect of group of 30 t/hm2was most significant and application layer (0 to 40 cm) infiltration rate increased by 44.6%, soil moisture content increased by 8.9% and cumulative infiltration volume increased by 45.45%. Compared with the infiltration process fitting results of three models, the Kostiakov empirical formula fitting presented better tendency and was close to the testing values， which could provide the theory basis for soil improvement in the study area.

biochar; soil infiltration rate; infiltration model

2016-05-02

2016-05-26

国家自然科学基金“生物炭对不同土壤水力特性、水肥利用效率影响及耦合响应机理研究”(41161038)

岑睿(1988—),男,内蒙古武川县人,博士研究生,主要从事水土保持及农业节水灌溉等方面的研究。E-mail:64937216@qq.com

屈忠义(1969—),男,巴盟临河人,教授,主要从事灌溉排水原理与管理优化决策、节水灌溉理论和区域水盐运移方面的科学研究。E-mail:quzhongyi68@sohu.com

S152.7+2

A

1005-3409(2016)06-0284-06