竹炭型土壤调理剂对土壤水盐运移及分布的影响

刘璐，张晴雯，潘英华*，陈雅囡，胡鑫隆

（1.鲁东大学资源与环境工程学院，山东 烟台 264000；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100086）

随着经济和社会的日益发展，土地供需矛盾更加突出，开发利用潜在的可利用土地资源愈加重要。盐碱地是我国重要的耕地后备资源，采取适宜措施对其进行改良利用，对于国土资源开发，促进生态环境建设和农业可持续发展具有重要意义。

盐碱土的理化性质较差，土壤生产力低下，且易引发诸多环境问题，如地下水矿化度增大，植被发育不良等。因此，对盐碱土的改良愈发重要[1]。盐碱地的治理措施主要有生物措施、工程措施、农业措施和化学措施，其中化学措施主要是指施用改良剂。土壤改良剂一方面可以改善土壤结构，提高盐碱土排盐降渍的能力；另一方面可以改变可溶性盐基成分，增加盐基代换容量，调节土壤酸碱度[2]。土壤改良剂具有见效快、实施方便等特点，是一种理想的盐碱地改良措施[3]。

竹炭型土壤调理剂（Bamboo-charcoal Soil Amendment，简称BC）以竹炭、竹灰和酢液等为主要原料，具有多孔隙结构、高表面积、高阳离子交换量（CEC）、微碱性等特点，施入土壤后，可降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤持水量，在一定程度上对土壤盐分运移具有显著的影响。

近年来，生物质炭类物质对土壤水分运动和盐分运移的研究较多。肖茜等[4]指出随着生物炭添加量增大，风沙土和黑垆土的水分入渗速度和累积入渗量逐渐降低。岳燕等[5]的研究发现，当生物炭添加量为2%时，可显著提高洗盐效率，缩短盐分洗脱时间。土壤盐渍化程度不同，生物质炭的作用效果不一，生物炭在中度盐渍化土壤中有助于土壤入渗，而在重度盐渍化土壤中则起相反作用[6]。岑睿等[7]在粘土中施加生物炭，当施用量为30 t/hm2时，与对照相比，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%。许健[8]通过室内土柱试验得出，竹炭对土壤盐分表聚现象有显著影响，其影响效果与竹炭添加量密切相关。以上成果表明，在土壤中适当添加生物质炭类物质，可对土壤水盐运移起到一定的调节作用，但从目前的研究成果看，生物质炭类物质对盐碱土盐分离子空间分布的影响仍缺乏更深入的研究。

因此，本文以竹炭型土壤调理剂为主要改良剂，以盐化潮土为研究对象，利用室内一维土柱入渗试验，着重探讨竹炭型土壤调理剂对盐化潮土水盐运移及分布的影响，以期为竹炭型土壤调理剂实际应用效果预测奠定一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土样采自山东省滨州市滨城区农田0～30 cm土层。自然状态剖面土壤容重为1.35 g/cm3，田间持水量为32.81%。土样风干后，去除杂质，过2 mm筛。利用吸管法测定土壤机械组成，土壤砂粒、粉粒、黏粒质量分数分别为63.25%、28.32%、8.42%，质地为砂质黏壤土（国际制）。竹炭型土壤调理剂(BBP No.4)由上海时科生物科技有限公司生产，BC中生物炭含量大于35%，钙含量大于3.3%。试验时，为使改良剂与土壤充分混合，竹炭型土壤调理剂也经研磨后过2 mm筛。供试土壤与竹炭型土壤调理剂的盐分含量状况见表1。

表1 供试土壤与竹炭型土壤调理剂盐分状况Table 1 Salt status of test soil and bamboo-charcoal soil amendment

1.2 试验设计

试验设置竹炭型土壤调理剂占干土质量分数分别为0‰、4‰、8‰、12‰、16‰、20‰，共6个处理，分别记为CK、B4、B8、B12、B16和B20，每处理重复3次。考虑到田间仅有表层土壤与BC混合，因此，仅在土柱上部10 cm土层装入混有BC的土样。

1.3 试验装置

试验装置由土柱和马氏瓶两部分组成。土柱高50 cm，由内径6.2 cm，高5 cm的有机玻璃圆环嵌套组装而成。土柱底部5 cm装一层石英砂，保证土柱的通气透水性，石英砂与土样间用滤纸隔开，最上一个圆环留做水室。装土前，土柱内壁均匀涂抹凡士林，以减轻边壁效应。装土容重为1.35 g/cm3，按照5 cm/层分层装土。

马氏瓶内横截面积21.23 cm2，高30 cm。试验采用定额供水，入渗水量按田间持水量的75%计算，计算供水量约403 ml。土柱和马氏瓶外部均有刻度尺，方便观测记录湿润锋和入渗量。

1.4 试验方法及观测项目

试验分水分入渗和盐分测定两阶段进行。入渗试验采用一维垂直积水入渗方式，入渗开始后，保持土柱表面1.5～2.0 cm的积水深度，起初根据湿润锋移动距离记录所用时间和马氏瓶内水面下降的高度（入渗量），每厘米记录一次；湿润锋到达10 cm后，按照先密后疏的原则，设定数据记录的时间间隔，记录湿润锋移动距离。入渗45 min之内，每1 min记录一次；45 min到90 min之间每5 min记录一次；90 min到120 min之间每15 min记录一次，入渗历时120 min后，每30 min记录一次。记录至所有设计水量入渗完毕，试验结束。

入渗结束后，按2.5 cm/层分层取土，测定土壤盐分状况。用5∶1的水土比制备土壤浸提液，土壤盐分状况借助Na+、Cl-含量及电导率等指标反映。火焰光度计法测定Na+含量；硝酸银滴定法测Cl-含量；电导率仪（DDS-12A，上海）测定浸提液电导率[9]。采用烘干法测定土壤含水率，其中，混施BC土层（0～10 cm）的含水率按照2.5 cm/层测定，未施用BC土层（10～40 cm）按5 cm/层测定。

1.5 数据处理与分析

采用Philip模型模拟入渗率的动态，入渗模型数学表达式为[10-11]：

式中：i为入渗率，cm/min；S为吸渗率，cm/min0.5；t为入渗时间，min；A为稳渗率，cm/min。对于短时间的入渗，土壤基质占主要优势。因此，Philip入渗模型数学表达式为：

2 结果与分析

2.1 竹炭型土壤调理剂对土壤水分入渗性能的影响

2.1.1 湿润锋 图1是不同BC施用量下土壤湿润锋（Soil wetting front depth，D）动态变化。由于试验土柱0～10 cm层施用BC，考虑到该层次水分入渗性能可能与纯土的入渗特性有所差别，因此，湿润锋推进过程分0～10 cm（图1a）和0～40 cm（图1b）两段进行分析，着重研究BC对土壤水分入渗性能的影响。

图1a中，各处理湿润锋推进10 cm（混施BC的土层）所用时间为：B12（31 min）＞B4（29 min）=B16（29 min）＞CK（28 min）＞B20（27 min）＞B8（26 min）。具体表现为，入渗初期（0-4min），各处理湿润锋推进到同一深度所用时间差异不明显，可能是由于初期土壤均比较干燥，水势梯度大，湿润锋推进速率都较快，各处理湿润锋动态曲线重合度较大，湿润锋深度愈接近10cm，各处理所用时间差异愈渐明显。

图1 竹炭型土壤调理剂的施用对土壤湿润锋的影响Fig. 1 Effects of application of bamboo-charcoal soil amendment on soil wetting front

图1b是不同BC施用量（0～40 cm）对湿润锋运移的影响。在入渗初期，BC对土壤湿润锋的影响并不显著（图1a）。但随入渗历时延长，BC对湿润锋的影响表现得愈加显著，各处理同一时间情况下的湿润锋推进距离差异增大。以入渗历时240 min为例，CK、B4、B8、B12、B16和B20处理湿润锋的推进深度分别为25.2 cm、26.3 cm、28.2 cm、27.8 cm、29.1 cm和29.7 cm，施用BC各处理较CK分别增加4.5%、11.9%、10.2%、15.3%和17.6%。

2.1.2 累积入渗量 土壤水分入渗达到稳定之前，常用累积入渗量（I）来表征土壤的入渗能力[12]。各处理累积入渗量动态变化过程如图2所示。累积入渗量曲线随BC施用量变化趋势基本与湿润锋变化相似，在入渗前期（0～30 min），不同处理间的差异不明显；各处理累积入渗量随时间的增加而增大，但增大幅度逐渐减小。入渗相同水量（403 ml）情况下，B20历时300 min；B16、B8历时360 min；B12历时390 min；B4和CK历时510 min。同样，以 入 渗 240 min为 例，CK、B4、B8、B12、B16和B20的累积入渗量分别为9.8 cm、10.3 cm、11.6 cm、10.9 cm、12.1 cm、12.1 cm，各处理较CK分别增加5.1%、18.4%、11.2%、23.5%和23.6%，由此可见，BC对土壤水分入渗有一定的促进作用。

图2 竹炭型土壤调理剂对土壤累积入渗量的影响Fig. 2 Effect of bamboo-charcoal soil amendment on cumulative infiltration

2.1.3 土壤含水率 图3是各处理入渗后的土壤含水率剖面分布情况。由图3可知，土壤含水率剖面大致分为3个区：过渡区、传导区和湿润区。0～10 cm为过渡区，土壤含水率在0～5 cm范围内最高，含水率均在34%以上，6～10 cm有明显降低；施用BC各处理0～10 cm土层的含水率均低于CK处理，各用量处理0～10 cm土层的平均含水率表现为：CK（35.02%）＞B4（34.40%）＞B8（34.37%）＞B16（33.92%）＞B12（33.88%）＞B20（33.37%），BC施用量越多，0～10 cm土层含水率越小。10～30 cm含水率变化较为平缓，推测是因为受到土质变化界面（10 cm）的影响，水分在此处聚积，受重力作用向下运动，并在此处形成传导区。10～30 cm土层各处理土壤含水率表现为：CK（30.12%）＜B4（30.37%）＜B8（30.59%）＜B16（30.32%）＜B12（30.84%）＜B20（31.16%）。推测是施用BC后，改善了土壤的孔隙结构，同时增加了土壤溶液中的盐分含量，扩散双电子层向粘粒表面压缩，土壤颗粒之间的排斥力降低，进而增强了土壤胶体之间的絮凝作用，有助于形成团粒结构，使土壤导水能力提高，更多的水分向下运输[13]。30～40 cm为湿润区，土壤含水率迅速下降到初始值（2.1%）。

图3 竹炭型土壤调理剂对土壤含水率的影响Fig. 3 Effect of bamboo-charcoal soil amendment on soil water content

2.1.4 土壤水分入渗过程的动态模拟 表2是各处理水分入渗过程的动态模拟结果。由于试验土柱0～10 cm层施用BC，该层次水分入渗性能与纯土入渗性能可能有一定差别。因此，为了比较混施BC之后土壤水分入渗的差异，模拟结果按入渗历时30 min和300 min两种情况进行拟合。30 min是各处理水分渗透混施BC的土层（0～10 cm）的时间范围；300 min则包含了固定水量入渗情况下各处理的完整入渗过程。

表2 各处理水分入渗过程的动态模拟结果Table 2 Dynamic simulation results of water infiltration process

由表2可知，决定系数R2均大于0.99，说明施用BC后能够用Philip入渗模型来描述土壤水分的变化过程。进一步分析BC不同施用量对各入渗参数的影响，对于短时间入渗（入渗历时30 min），施用BC后，土壤吸渗率均高于CK（吸渗率S为1.220），其中B8处理的S值最大为2.448 cm/min0.5，这说明施用BC，毛管力对土壤水分的吸收能力增强，BC能够改善土壤孔隙状况，进而增强土壤的通气透水性。对于长时间入渗（入渗历时300 min），除CK外，各用量处理之间土壤稳渗率A值变化没有显著的规律性，对于CK而言，土壤稳定入渗率出现负值，不符合垂直一维积水入渗的实际情况，模型在应用的过程中有待对参数进一步优化。

2.2 土壤盐分空间分布特征

2.2.1 土壤电导率 土壤电导率是表征土壤水溶性盐的一个重要指标，在一定程度上可以用土壤电导率表征土壤盐分含量[14]。表3显示各处理土壤剖面电导率的空间分布情况。

从表3可以看出，各用量处理土壤浸提液电导率的平均值随着土层深度的增加呈增大趋势，土壤盐分“底聚型”分布较明显。各处理中，B8处理最底层（30～40 cm）电导率仅为1.45 mS/cm，CK处理最大，为1.91 mS/cm。各土层浸提液电导率的变异系数在一定程度上揭示了盐分在空间的分布特征[15]。由表3可知，B12处理垂直面的土壤浸提液电导率变异系数较大，其变异系数在16%～87%之间，属于中强度变异性；B20、B16和B8处理土壤浸提液电导率变异系数较小，其变异系数在10%～64%、16%～61%和13%～73%之间。从土壤垂直剖面来看，各用量处理土壤电导率变异系数呈先减小后增加的趋势。各处理0～20 cm土层浸提液电导率平均值小，变异系数小；20～30 cm土层浸提液电导率平均值较小，变异系数大；30～40 cm土层浸提液电导率较大，变异系数较大，但各用量处理相同层次的电导率变异系数则差异较小。

表3 各处理土壤剖面电导率统计特征Table 3 Statistical characteristics of soil electrical conductivity in the soil profile of each treatment

2.2.2 Cl-、Na+含量 由表1可知，Cl-和Na+是试验土壤主要的盐分离子，同时也是对作物生长危害最大的离子。因此土壤中的Cl-和Na+含量值得探究。

图4是BC各处理土壤Cl-在剖面的分布情况。由图可见，土壤湿润区中Cl-在剖面上呈“L”型分布。各用量处理0～27.5 cm土层中Cl-含量差异较小，均接近于0。在27.5～35 cm，随土层深度增加，土壤中Cl-含量急剧增加，各用量处理Cl-含量最高值均出现在30～35 cm，分别为Cl-B20（10.15 cmol/kg）、Cl-B16（10.60 cmol/kg）、Cl-B12（11.88 cmol/kg）、Cl-B8（9.92 cmol/kg）和Cl-B4（9.54 cmol/kg），分别较Cl-CK（12.75 cmol/kg）减少了20.4%、16.9%、6.9%、22.2%、25.2%；在35～40 cm，Cl-含量急剧减小，接近土壤Cl-含量的初始值。综观各处理0～27.5 cm土层中Cl-含量平均值，B4处理最低，仅有0.27 cmol/kg；其次是B8处理，脱盐区Cl-含量平均值为0.29 cmol/kg。B12处理脱盐区Cl-含量平均值最高，为0.53 cmol/kg。

图4 竹炭型土壤调理剂对Cl-剖面分布的影响Fig. 4 Effect of bamboo-charcoal soil amendment on the distribution of Cl- profiles

图5是BC各处理土壤Na+的剖面分布情况，土壤湿润区中Na+在剖面上亦呈“L”型分布特征。0～25 cm土层内Na+含量随土层深度增加缓慢增加，均低于Na+初始值（20.07 cmol/kg）；在25～35 cm范围内，Na+含量迅速增加；在约35～40 cm深度范围内，Na+含量迅速减小。在脱盐区（0～25 cm）内，CK处理Na+含量平均值最高，为6.78 cmol/kg；B20处理Na+含量平均值最小，为5.20 cmol/kg，其次是B8处理，为5.67 cmol/kg，较初始值减少72%。可见，添加BC后，土壤Na+的淋洗效果较好。由各土层的Na+含量可见，20～35 cm土层是各用量处理Na+含量急剧增加的土层；BC各处理Na+含量均在31～35 cm土层达到最高值，具体表现为：Na+B12(79.74 cmol/kg)＞Na+CK(67.15 cmol/kg)＞Na+B16(66.60 cmol/kg) ＞Na+B4(54.20 cmol/kg)＞ Na+B20(50.00 cmol/kg)＞ Na+B8(48.74 cmol/kg)。由此可推断，土壤中添加适量BC能降低土壤Na+含量，一方面是因为BC中的生物质炭改善了土壤的物理结构，提高了土壤水分入渗能力；另一方面可能是由于BC中少量Ca2+置换了盐化潮土中的Na+。各处理脱盐区Na+含量平均值而言，B8处理脱盐区Na+含量平均值最小，为6.89 cmol/kg；CK处理脱盐区Na+含量平均值最大，为8.02 cmol/kg。

综合土壤电导率、Cl-、Na+含量，B8处理对盐化潮土的改良效果较好。

图5 竹炭型土壤调理剂对Na+剖面分布的影响Fig. 5 Effect of bamboo-charcoal soil amendment on the distribution of Na+ profile

3 讨论

土壤盐分随着水分的运动而移动，土壤水分运动主要受到供水强度和土壤入渗能力的影响，供水强度属于外部因素，而土壤入渗能力主要受土壤自身特性的影响，如土壤容重、质地、结构、初期含水量等[16]。本试验探究了不同用量竹炭型土壤调理剂(BC)对盐化潮土水分入渗以及水盐分布的影响。

3.1 竹炭型土壤调理剂不同施用量对土壤水分入渗的影响

通过一维垂直土柱入渗试验表明，BC不同施用量均能促进水分入渗。施加BC处理的湿润锋移动10 cm （混施BC的土层）历时较短，曲线重合度高，这与土壤含水率低、基质势较大及BC对土壤导水性能的促进有关。随着入渗历时的推进，土壤基质势减小，其主要表现为湿润锋进程、累积入渗量曲线逐渐平缓，这与高海英等[17]的研究结果相一致。施用BC后，盐化潮土中的大孔隙可能增加，进而促进了土壤水分入渗。从历时240 min时湿润锋情况可以看到，施用BC各用量处理的湿润锋较CK分别增加4.5%、11.9%、10.2%、15.3%和17.6%。

由于BC具有多孔隙特征和比表面积大的结构特点，土壤中添加BC能明显改善土壤的容重和孔隙结构，有效提高土壤含水量，影响土壤通透性和养分溶液的渗透及土壤持水性[18]，进而影响土壤水分的入渗与分布。各处理剖面水分分布也分为过渡区、传导区和湿润区。随深度增加，土壤含水率逐渐下降到初始值（2.1%）。0～10 cm土层的含水率随BC用量的增大而降低，B20处理的0～10 cm土层平均含水率为33.37%，CK处理0～10 cm土层含水率为35.02%；10～30 cm土层B20处理的平均含水率为31.09%，CK处理10～30 cm土层的平均含水率为29.82%。且施用BC处理的5～10 cm土层出现一个滞水层，且BC用量越大，滞水层越明显，这与肖茜等[5]、王艳阳等[19]的研究结果相一致。这可能是由于BC本身具有多孔隙特点，增大了土壤孔隙度，BC施用层的导水性强、入渗性能好，到均质土层后，由于孔隙结构的变化，土壤水分入渗率下降，进而在土质变化的交界面形成滞水层。当入渗水流在重力势梯度的作用下到达界面时，水分下渗变缓，造成水分积聚[19]。

利用Philip入渗模型拟合入渗率动态变化结果显示，决定系数R2均大于0.99，但是，对于CK而言，土壤的稳定入渗率出现负值，与实际情况不符，因此模拟结果欠佳，模型在应用的过程中有待对参数进一步优化。

3.2 竹炭型土壤调理剂不同施用量对盐化潮土盐分空间分布的影响

通常情况下，土壤浸提液的电导率与土壤全盐量呈正相关。研究表明，BC处理的土壤浸提液电导率的平均值随土层深度增加而增大，土壤盐分呈明显的“底聚型”。B8处理底层土（30～40 cm）电导率最小，仅为1.45 mS/cm，CK处理最大，为1.91 mS/cm。B12处理土壤剖面电导率变异系数较大（16%～87%），属中等变异性。

Cl-和Na+是盐渍化土壤的主要盐分离子。目前，关于BC对土壤盐分离子作用机制的研究较少。BC能够有效降低盐土中盐分离子的含量，一方面是因为BC密度较低，能够有效减小土壤容重，这意味着土壤的总孔隙度和大孔隙度增加，土壤中盐分离子的淋洗效果更好，从而使得盐土中的盐分离子显著减少；另一方面，BC的添加增加了土壤中有机碳的含量，再加上BC本身疏松多孔，可有效吸附土壤中的盐分离子，使得土壤中的各盐分离子含量随BC用量增加而逐渐减少[20]。本文通过试验发现，BC对土壤表层Cl-的淋洗影响较小，就各处理脱盐区Cl-含量平均值而言，B4处理最低，为0.27 cmol/kg；其次是B8处理，脱盐区Cl-含量平均值为0.29 cmol/kg。B12处理脱盐区Cl-含量平均值最高，为0.53 cmol/kg。各处理脱盐区Na+含量平均值而言，B8处理脱盐区Na+含量平均值最小，为6.89 cmol/kg；CK处理脱盐区Na+含量平均值最大，为8.02 cmol/kg。

4 结论

本文通过室内一维土柱垂直入渗试验，研究了不同用量竹炭型土壤调理剂对土壤湿润锋、累积入渗量、土壤含水率、土壤含盐量、Cl-和Na+含量的影响，得到以下结论：

1）BC可显著提高土壤的入渗能力，在土壤中施加BC后，湿润锋的移动深度、累积入渗量均增大。同一入渗历时（240 min）情况下，B4、B8、B12、B16和B20处理湿润锋的移动距离分别较CK增加4.5%、11.9%、10.2%、15.3%和17.6%；累计入渗量较CK增加5.1%、18.4%、11.2%、23.5%和23.6%。

2）BC的添加改变了土壤水分的空间分布，且土壤导水性能有所改善。随BC用量增加，表层土壤（0～10 cm）含水率有降低趋势，10～30 cm土层土壤含水率呈现增加趋势。

3）各BC处理的土壤电导率随土层深度增加呈增大趋势，土壤盐分呈明显的“底聚型”分布特征；土壤浸润区中Cl-和Na+在剖面上亦呈“L”型分布特征。

4）综合土壤水分分布和盐分淋洗状况，在本实验条件下，竹炭型土壤调理剂用量为8‰（8 g/kg，B8）时，对盐渍化土壤的改良效果最好。

本研究仅针对BC对盐化潮土水盐运移及分布的影响进行了研究，且仅限于室内土柱实验。BC在实际应用中，对不同质地和盐渍化程度的盐碱土会产生怎样的影响，有待进一步探索。