生物质炭输入对盐化灰漠土壤水分运移的影响

刘易，黄建，马彦茹，祁通，冯耀祖，孟阿静，王新勇

(新疆农科院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

生物质炭输入对盐化灰漠土壤水分运移的影响

刘易，黄建，马彦茹，祁通，冯耀祖，孟阿静，王新勇

(新疆农科院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

【目的】研究生物质炭输入对氯化物—硫酸盐盐化灰漠土水分垂直运移的影响。【方法】轻、中、重盐渍化土壤输入不同量生物质炭，以不添加生物质炭为对照，通过滴加去离子水，观测湿润锋和累计入渗量随入渗时间的变化。【结果】各程度盐渍化土壤不同生物质炭输入量处理，湿润锋垂直运移距离和累计入渗量随入渗时间的持续均显著增大(P﹤0.05)；生物质炭输入阻碍水分在中、重度氯化物-硫酸盐盐化灰漠土入渗，低生物质炭输入量(≤4%)促进水分在轻度盐渍化土壤垂直运移；轻、中度盐化灰漠土输入大量(≥6%)生物质炭可增加累计入渗量，重度盐化土壤累计入渗量随生物质输入量增加而降低；不同生物质炭输入量处理间垂直湿润锋深度的累积入渗量变化无规律。【结论】生物质炭输入比例、盐渍化程度及两者的交互效应对土壤水分的入渗效率和累计入渗量均有显著影响：对中度盐渍化土壤入渗速率和入渗量促进作用突出；低量输入对轻度盐渍化土壤水分运移有促进作用；对重度盐渍化土壤累计入渗量和入渗速率均有抑制作用。

生物质炭；灰漠土盐化土壤；水分

0 引 言

【研究意义】新疆是我国最重要的后备耕地资源省区，由于其特殊气候条件，水分蒸发强烈，土壤盐分和地下水可溶性盐分随水向地表积聚，导致新疆土壤盐渍化面积较大，达到8.476×106hm2[1]，现有耕地中31.1%的面积受到盐碱危害[2]。土壤盐渍化是非盐生植物重要的生长限制因子，成为制约新疆农业健康可持续发展的主要障碍，也是影响绿洲生态稳定的重要因素。因此结合新疆盐渍化土壤特性探寻其改良方法，防治和利用盐渍化土壤已刻不容缓。【前人研究进展】生物质炭作为一种新型技术产品，快速增加土壤有机炭含量、改善土壤理化性质、增加土壤持水性能[3]，并能够在相当长的时间内保持粒状结构，改善土壤结构[4-5]，近年来成为土壤学等领域研究的热点。生物质炭较大的比表面积、高度的孔隙结构、有机质的不同形态使生物质炭具有较强的吸附性，能提高对土壤水分的吸附能力，增加土壤持水性能[6]。尤其是氧化后的生物质炭可提高沙质土壤的持水量，从而改善土壤持水能力[7]。【本研究切入点】“盐随水来，盐随水去”，水的运动变化规律在盐渍化危害和治理过程中起着主导和决定性的作用[8]。生物质炭对土壤水分运移的影响是对盐分离子分布研究的前提，且不同盐渍化土壤类型和程度对生物质炭的响应不同。灰漠土是新疆典型的低产土壤之一，因此通过室内模拟土柱试验，建立不同程度灰漠土盐渍化土壤水分运移速度、入渗量与生物质炭输入水平相关性值得深入研究。【拟解决的关键问题】通过生物质炭输入，研究其对新疆氯化物-硫酸盐盐化灰漠土壤水分运移规律的影响，阐明其改良效益，为生物质炭适用于盐渍化土壤的改良利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 供试土壤

供试土壤采自玛纳斯北五岔，土壤类型为灰漠土，取土深度0～30 cm，经碾压、粉碎、风干、过筛(2 mm)，测定土壤基本理化性质。重度盐渍化耕地土壤含盐量为16.3 g/kg；中度盐渍化土壤含盐量为10.2 g/kg；轻度盐渍化土壤含盐量为4.0 g/kg；依据Cl-/ SO42-离子毫克当量比例在0.2～1为氯化物-硫酸盐盐渍化土壤的分类方法[9]，该供试土壤盐渍化类型为氯化物-硫酸盐。表1

表1 供试土壤基本理化性质
Table 1 Basic properties of the soil in the pot exeriment

处理TreatspH总盐Totalsalt(g/kg)CO32-(g/kg)HCO3-(g/kg)Cl-(g/kg)SO42-(g/kg)Ca2+(g/kg)Mg2+(g/kg)K+(g/kg)Na+(g/kg)轻度Lowlevel7684000315046219001652000210350中度Mediumlevel7521020031507113518173100034240重度Highlevel74616300473109650081554014300463738

1.1.2 生物质炭的制备

生物质炭取自国家灰漠土土壤肥力与肥料效益检测基地(N43°56′30〞，E87°28′16〞)，原材料为棉花秸秆，温度是500～700℃，烧制时间8 h，测定生物质炭基本理化性质：pH 9.93，EC3.7 mS/cm，有机碳434.18 g/kg，全氮26.71 g/kg，全磷11.85 g/kg，全钾22.54 g/kg，碱解氮5.83 mg/kg，速效磷200.49 mg/kg，速效钾108.2 mg/kg，CEC12.65 cmol(+)/kk。

1.2 方 法

1.2 试验设计

供试土壤处理为轻、中、重3种程度盐渍化土壤，根据自然土壤剖面层次和厚度，按照土壤容重为1.5 g/cm3，称取所需土壤(<2 mm)，依次从底层开始装填亚克力管土柱(厚度2 mm，高100 cm，内径8 cm)，每次装填厚度为10 cm，填装高度为80 cm。生物质炭输入量按照质量比分别为 0(BC0)、2%(BC2)、4%(BC4)、6%(BC6)、8%(BC8)，将其换算为田间施入量分别为0、45、90、135和180 t/hm2。生物质炭(<2 mm)与供试土壤混合均匀后装填土柱，每个处理3次重复。土柱底部用亚克力板(10 cm×10 cm)密封，中间留直径为2 mm孔，承接淋出液。为降低界面效应，在土层表面和底层装入2 cm 厚的石英砂(<2 mm)。用医用吊瓶向土柱滴加去离子水，保持约3 cm 的静水头，待湿润峰通过土壤表面2 cm石英砂时开始计时，连续记录时间和相应的入渗量，当湿润锋到达80 cm时停止供水。

1.3 数据统计

数据采用OriginPro 8.0和SPSS17.0进行数据统计分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 湿润锋与入渗时间的关系

定水头条件下积水入渗，土壤含水量剖面可分为饱和区、过渡区、传导区和湿润区，湿润区前端为湿润锋，可表征水分在土壤基质吸力和重力作用下的运动特征，即入渗中的垂直湿润锋深度。研究表明轻度盐渍化土壤输入不同量生物质炭，湿润锋深度随水分入渗时间延长而增大。到达0～80 cm湿润锋深度耗时差异显著(P﹤0.05)。其中0～10 cm湿润锋垂直深度耗时：BC8﹥BC6﹥ BC4﹥ BC0﹥ BC2，差异不显著(P﹥0.05)；10～80 cm湿润锋垂直深度耗时：BC6﹥ BC8﹥ BC0﹥ BC2﹥ BC4，变化趋势一致，差异显著(P﹤0.05)。BC4水分运移速度最快，80 cm仅耗时5 040 min。随生物质炭输入量持续增加，水分入渗速度下降：BC6、 BC8处理湿润锋运移至80 cm处耗时分别为12 960、8 040 min。说明生物质炭输入量过大会降低水分在轻度盐渍化土壤中的运移速度。图1

图1 生物质炭输入轻度盐化灰漠土湿润锋推进曲线与入渗时间的关系
Fig.1 The relationship of wetting front invade curve with infiltration time in low level saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

研究表明，中度盐渍化土壤输入生物质炭各处理水分到达湿润锋耗时：BC6﹥ BC8﹥ BC4﹥ BC2﹥ BC0，到达0～80 cm耗时一致。BC6处理到达80 cm湿润锋深度耗时9 270 min，BC0仅2 820 min。说明生物质炭输入阻碍水分在中度盐渍化土壤中的运移，BC6处理最显著(P﹤0.05)。图2

图2 生物质炭输入中度盐化灰漠土湿润锋推进曲线与入渗时间的关系
Fig.2 The relationship of wetting front invade curve with infiltration time in medium level saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

重度盐渍化土壤输入生物质炭水分到达湿润锋耗时：BC8﹥ BC6﹥ BC2﹥ BC4﹥ BC0，到达0～80 cm耗时一致。BC8处理到达80 cm湿润锋深度耗时7 680 min，BC0仅3 600 min。说明生物质炭输入延缓水分在重度盐渍化土壤中的运移。

输入生物质炭，轻、中、重度盐渍化土壤湿润锋垂直运移距离均随入渗时间持续显著增大(P﹤0.05)。但不同程度盐渍化土壤间水分入渗时间和湿润锋垂直深度有差异：0～10 cm湿润锋垂直深度，中、轻度盐渍化土壤BC0处理之间差异不显著(P﹥0.05)，与重度盐渍化土壤BC0差异显著(P﹤0.05)，重度盐渍化土壤到达10 cm湿润锋耗时120 min，说明重度盐渍化土壤团粒结构差于轻、中度，大粒径颗粒含量低。轻、中度盐渍化土壤BC8处理耗时最长，重度盐渍化土壤BC6处理耗时最长，达140 min。随入渗水量的持续增加，重力势促使水分垂直向下运动，水分到达不同程度盐渍化土壤10～80 cm湿润锋垂直深度耗时差异显著(P﹤0.05)，总体表现为：轻度﹥重度﹥中度；轻度、中度盐渍化土壤BC6和重度盐渍化土壤BC8处理水分运移到达80 cm湿润锋垂直深度耗时最长，分别是12 960、9 270和7 680 min，较轻、中、重度盐渍化土壤BC0慢125%、229%和113%。图3

图3 生物质炭输入重度盐化灰漠土湿润锋推进曲线与入渗时间的关系
Fig.3 The relationship of wetting front invade curve with infiltration time in high level saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

采用幂函数对水分在生物质炭输入盐渍化土壤后的垂直运移距离与入渗时间进行拟合：

H=aTb.

式中：H为为湿润锋运移距离(cm)，T为入渗时间(min)，b为入渗指数，a为入渗系数。

生物质炭输入盐渍化土壤后，水分到达湿润锋垂直深度与入渗时间拟合结果为，R2为相关系数。轻度盐渍化处理中，生物质炭输入量≤6%，b随生物质炭输入量的增大而增加，输入量继续增大时，b降低，BC8降至0.46，a变化与生物质炭输入量无规律；中度盐渍化处理，生物质炭输入量≤6%，b随着生物质炭输入量的增大而减少，a无明显变化规律；重度盐渍化处理，a、b均无明显变化规律。盐渍化土壤输入生物质炭后拟合相关系数均在0.99以上，说明生物质炭输入盐化灰漠土，湿润锋推进距离和入渗历时均存在较好的幂函数关系。表2

表2 生物质炭输入盐化灰漠土壤H-t拟合结果
Table 2H-tcorelationship of saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

盐渍化程度Saliferouslevel拟合关系Corelationship生物质炭输入量Inputpercentageofbiomasscarbon02%4%6%8%轻度Lowsaliferousb047±0096049±0092049±0025050±0092045±0051a124±0247109±0181120±0107082±0066111±0126R2099±0095099±009099±0098099±0095099±0010中度Mediumsaliferousb057±0001055±0023051±0035050±0006052±0047a087±0098079±0071107±0048081±0064080±0039R2099±0084099±0096099±0092099±0050099±0083重度Highsaliferousb060±0012047±0019051±0053054±0011052±0035a058±0030126±0064106±0008069±0088073±0067R2099±0099099±0094099±0096099±0098099±0094

2.2 累积入渗量与入渗时间的关系

累计入渗量是入渗开始后一段时间内，通过地表单位面积入渗到土壤中的总水量。盐渍化土壤输入不同量生物质炭的累积入渗量随时间的变化为：轻、中、重盐渍化土壤输入生物质炭，累积入渗量均随时间延长显著增大(P﹤0.05)。入渗初期，三种程度盐渍化土壤输入生物质炭各处理入渗速率均较大，累计入渗曲线较陡，其中轻度BC0、中度BC4、重度BC4入渗速率分别为5.07、5.47和4.31 mL/min。随入渗时间持续，入渗速率均显著降低(P﹤0.05)。入渗结束，轻度盐渍化土壤入渗速率：BC2﹥ BC4﹥ BC0﹥ BC8﹥ BC6，BC6入渗速率0.12 mL/min，较BC0低60.61%；中度盐渍化土壤入渗速率BC0﹥ BC2﹥ BC4﹥ BC8﹥ BC6，BC6入渗速率0.20 mL/min，较BC0低66.10%；重度盐渍化土壤入渗速率BC0﹥ BC4﹥ BC2﹥ BC6﹥ BC8，BC8入渗速率0.21 mL/min，较BC0低54.15%；不同程度盐渍化土壤入渗速率：中度﹥ 轻度﹥重度。图4～6

图4 生物质炭输入轻度盐化灰漠土累积入渗量与入渗时间的关系
Fig.4 The relationship of accumulate infiltration capacity with infiltration time in low saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

为定量分析生物质炭输入累积入渗量与入渗时间关系，采用模型对数据进行拟合，即

I=KTa.

式中：I为累积入渗量(mL)，T为入渗时间(min)，a为入渗指数，K为入渗系数。

生物质炭输入盐渍化土壤入渗量与入渗时间拟合结果为，R2为相关系数。轻、中、重度盐渍化土壤各生物质炭输入量处理，a、K无明显变化规律。其中轻度盐渍化BC8处理a降至0.358。拟合相关系数除BC2外，均在0.99以上；中度、重度盐渍化土壤BC4处理，a均最低，拟合相关系数除中度盐渍化土壤BC6处理外，均在0.99以上。拟合结果表明生物质炭输入不同程度盐化灰漠土，累积入渗量和入渗历时均存在较好的幂函数关系。但不同程度盐渍化土壤处理和生物质炭处理间变化无规律。表3

图5 生物质炭输入中度盐化灰漠土累积入渗量与入渗时间的关系

Fig.5 The relationship of accumulate infiltration capacity with infiltration time in medium saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

图6 生物质炭输入重度盐化灰漠土累积入渗量与入渗时间的关系

Fig.6 The relationship of accumulate infiltration capacity with infiltration time in high saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

表3 室内试验生物质炭输入盐化灰漠土K-a拟合结果
Table 3K-acorelationship of saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon in the lab

盐渍化程度Saliferouslevel拟合关系Corelationship生物质炭输入量Inputpercentageofbiomasscarbon02%4%6%8%轻度LowlevelK4530±10933499±10584530±09313375±12615394±1725a041±00078044±00059041±00080043±00026035±00075R2099±00065097±00034099±00066099±00074099±00048中度MediumlevelK3544±1692769±1044841±1711873±0853280±122a048±00039049±00091041±00090050±00013044±00089R2099±00074099±00019099±00037097±00055099±00059重度HighlevelK3045±1545955±2625208±1633513±1633148±122a048±00067039±00032038±00052044±00024043±00086R2099±00068099±00042099±00039099±00055099±00045

2.3 累积入渗量与湿润锋之间的关系

轻、中、重度盐渍化土壤输入生物质炭，累积入渗量随湿润锋垂直深度的增加显著增大(P﹤0.05)。生物质炭输入量小于4%，降低轻度盐渍化土壤水分累计入渗量，生物质炭输入量大于6%，促进水分累计入渗。0～80 cm累计入渗量变化趋势一致：BC6>BC8>BC0>BC2>BC4，差异不显著(P>0.05)。图7

图7 生物质炭输入轻度盐化灰漠土累积入渗量与湿润锋垂直深度的关系
Fig.7 The relationship of accumulate infiltrationcapacity with wetting front invade curve in low saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

中度盐渍化土壤水分累计入渗量随生物质炭输入量增加逐渐增大，BC6处理累计入渗量达1 890 mL，0～80 cm累计入渗量变化趋势一致：BC6>BC8>BC2>BC0>BC4，差异不显著(P>0.05)。说明生物质炭促进中度盐渍化土壤水分累积，但生物质量大于6%抑制水分累积。图8

图8 生物质炭输入中度盐化灰漠土累积入渗量与湿润锋垂直深度的关系
Fig.8 The relationship of accumulate infiltrationcapacity with wetting front invade curve in medium saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

重度盐渍化土壤水分累计入渗量随生物质炭输入量增加逐渐减少，BC0处理累计入渗量最大，达1 785 mL；0～80 cm累计入渗量变化趋势一致：BC0>BC2>BC8>BC6>BC4，差异不显著(P>0.05)。表明生物质炭输入抑制重度盐渍化土壤水分累积入渗。图9

图9 生物质炭输入重度盐化灰漠土累积入渗量与湿润锋垂直深度的关系
Fig.9 The relationship of accumulate infiltrationcapacity with wetting front invade curve in high saliferous gray desert soil under the different input percentage of biomass carbon

用线性函数I=C×H，拟合湿润锋和累积入渗量的实测资料，式中符号意义同前，其中I为累积入渗量(mL)；H为为湿润锋运移距离(cm)；C为拟合系数；R2为相关系数。

拟合直线如下：

轻度盐渍化土壤：Y=20.833 33X，

R2=0.997 26.

中度盐渍化土壤：Y=21.251 47X，

R2=0.997 07.

重度盐渍化土壤：Y=21.598 04X，

R2=0.995 41.

由拟合结果可知，生物质炭输入轻、中、重度盐化灰漠土累积入渗量与湿润锋距离相关系数均大于0.99，表现出较好的线性关系。

3 讨 论

土壤入渗特征与土壤质地、容重、含水率、水稳性团粒含量等多种因素相关[10]。其中土壤孔隙状况对土壤水分的入渗过程、持水容量和动力学特征影响尤为突出。试验供试灰漠土呈棕黄色，质地为砂壤；土壤大孔隙和水分传导孔隙大，孔隙弯曲程度低，致使土壤水分传导性强，但保水性能弱。入渗初始，供试土壤干燥，基质势较大，不同程度盐渍化土壤水分入渗速率均较大。随入渗时间持续，表层土壤含水量逐渐增加，基质势减小，入渗速率逐渐降低，与齐瑞鹏等[11]研究结果一致。

生物质炭多孔结构和巨大表面积等特性可改善土壤持水能力[12-15]，影响土壤水分的渗滤模式、停留时间和流动路径[16-17]。齐瑞鹏等[11]研究表明，施加生物炭对质地较黏的土壤(塿土)水分入渗有增加作用，对质地轻的土壤(风沙土)水分入渗则有减小作用。研究生物质炭持水性能高于供试土壤颗粒，大量输入(≥6%)改变盐化灰漠土的入渗性能，入渗速率降低；低生物质炭输入量(≤4%)促进了水分入渗速率，这与生物质炭自身赤水能力有关[18]，与Brodowski等[19]研究结论相符。

供试生物质炭粒径小于供试土壤，输入后破坏了土壤原有结构，改变土壤孔隙大小分布，减小灰漠土的透水大孔隙数量，提高土壤微小孔隙比例，增强土壤持水性能，导致轻、中度盐渍化土壤中生物质炭输入量大于6%，累积入渗量增加。不同烧制材料、炭化温度和时间对生物质炭pH值、电导率和阳离子交换性均有影响[20-22]，进而改变土壤结构特征，影响水分运移。研究用生物质炭为棉秆烧制，盐分含量高(pH 9.93、总盐22.4)，重度盐渍化土壤含盐量随生物质炭输入量增加而提高，盐分离子聚集，钠离子对土壤颗粒的分散作用使得土壤结构遭到破坏，水分在土壤中的入渗能力降低，导致累计入渗量随生物质炭输入量增加而降低。

因自然界、人为干预等因素影响，土体并非均匀，盐渍化土壤表层与下层的土壤质地不一。试验通过土柱模拟0～80 cm土层土壤，其理化性质均匀一致。因此该数据不代表自然土体的水分运移，需做进一步细致研究分析。

4 结 论

轻、中、重度盐化土壤输入不同生物质炭量，湿润锋垂直运移距离和累积入渗量随入渗时间持续显著增大(P﹤0.05)；累积入渗量随湿润锋垂直深度的增加显著增大(P﹤0.05)。生物质炭输入量小于4%促进水分在轻度盐化灰漠土中的垂直运移；输入生物质炭阻碍水分在中、重度盐化灰漠土垂直运移；轻、中度盐化灰漠土输入生物质炭量大于6%，累积入渗量随炭输入量增大而减少，BC0累积入渗量最大；重度盐化土壤累计入渗量随生物质炭输入量增加而降低。

生物质炭输入量对轻、中、重度盐化土壤累计入渗量和垂直湿润锋深度影响无规律；相同湿润锋垂直深度，不同程度盐化土壤间累计入渗量差异不显著(P>0.05)。

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Supported by:NFSC "Effects induced by inputting biochar into the saliferous gray desert soil on the soil moisture movement and its biological response" (41361050), NFSC "Desalination zone formation mechanism and regulation of cotton in heavily salinized soil under drip irrigation" (41461409) and the Youth Funds of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences "Effects induced by inputting biochar into the saliferous gray desert soil on the soil moisture movement" (xjnky-2013012)

Effects Induced by Inputting Biochar into the Saliferous Gray Desert Soil on the Soil Moisture Movement

LIU Yi, HUANG Jian, MA Yan-ru, QI Tong, FENG Yao-zu, MENG A-jin, WANG Xin-yong

(ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 To study the effect of biomass carbon input on soil moisture vertical movement in chloride-sulfate saliferous gray desert soil.【Method】The study materials were gray desert soil in three salinization levels which level 1 was low salinization, level 2 was medium salinization and level 3 was high salinization. Under different percentages of biochar inputs before and through the dropwise add of ddH2O, the time-varying of wetting front and accumulative infiltration capacity were calculated and analyzed.【Result】The vertical migration distance and the cumulative infiltration rate of wetting front were significantly increased (P< 0.05) with the infiltration time of different biomass carbon inputs in each degree of saline soil. The soil moisture movement in level 2 and level 3 saliferous soil were hindered by the biomass carbon; when the input percentage of biomass carbon was less than 4% to level 1 saliferous soil, the soil moisture movement could be facilitated by the biomass carbon; The relationship of biomass carbon input percentage with accumulative infiltration capacity in these three salinization soil were negatively correlated; there was no found in the relationship of biomass carbon inputs percentage with the accumulative infiltration capacity of vertical depth of wetting front in different salinization soil.【Conclusion】The ratio of biomass carbon input, the degree of salinization and the interaction effect of the two have a significant impact on the infiltration efficiency and cumulative infiltration of soil water. The infiltration rate and infiltration amount to moderately saline soil were prominent. Low level input has a promoting effect on water transport in mildly saline soil and inhibitory effect on both cumulative infiltration rate and infiltration rate in severe saline soil.

biochar; saliferous gray desert soil; soil moisture

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.02.018

2016-06-26

国家自然科学基金项目“生物质炭输入对新疆盐渍化土壤水盐运移的影响及生物学响应”(41361050)；国家自然科学基金项目“滴灌条件下重盐渍化棉田土壤盐分淡化区形成机制及调控”(41461049)；新疆农科院优秀青年科技人才基金项目“生物质炭输入对新疆盐渍化土壤水盐运移的影响”(xjnky-2013012)

刘易(1983-)，男，河北保定人，助理研究员，硕士，研究方向为盐渍化土壤改良与修复，(E-mail)liuyun_5511@163.com

王新勇(1961-)，男，浙江江山人，研究员，研究方向为盐渍化土壤治理与防治，(E-mail)wxy838000@163.com

S153

A

1001-4330(2017)02-0343-09