HPMC联合生物炭共施对紫色土入渗特性的影响

韩豪杰，夏 庆，郑彩霞，张志亮，熊晋冉，刘 敏，夏鸿华

(四川农业大学水利水电学院，四川 雅安 625014)

入渗是降水从地面进入土壤的过程，是陆地水循环的组成部分。入渗过程决定着土壤对降雨和灌溉水的有效利用程度，也影响着地表径流和土壤水蚀过程[1]。紫色土壤分布在中国南部的15个省，其土区降雨集中且充沛，土壤侵蚀模数可达到5 500～15 000 t/(km2·a)，是中国水土流失最严重的地区之一。土壤水分入渗过程与土壤水分的再分配、土壤侵蚀、水的养分迁移、农业面源污染等密切相关，是流域水循环的重要组成部分[2]。针对现有问题，加入不同的土壤改良剂对紫色土水土保持和农田水分有效性的提高具有重要意义。生物炭是一种高度芳香族化合物，是在部分或完全缺氧的条件下，通过热解(通常<700 ℃)将农作物秸秆、木材、家禽粪便和其他有机材料碳化而产生的不溶性固体物质[3]。生物炭作为一种土壤改良剂，起源于南美亚马逊河流域黑土(Perra Preta)的发现和研究[4]。先前的研究表明，使用生物炭可以降低土壤容重[5,6]，增加土壤孔隙度[7]，改变土壤团聚[8,9]，然后影响土壤持水量和水分入渗特性[10,11]。羟丙甲纤维素(HPMC)，也称羟丙基甲基纤维素醚，是具有有效甲氧基基团的非离子型纤维素醚，其具有遇热凝胶的特性，其凝胶强度和凝胶温度受HPMC的分子量、浓度和黏度影响。不同类型的HPMC具有不同的性质，可以有效地控制水分的扩散速度[12-14]。HPMC可以以透明胶体溶液的形式溶于冷水中，具有很强的表面活性和稳定性能[15-17]。但截止目前为止，HPMC和生物炭共同作用改善土壤入渗性能的研究甚少。基于HPMC的保水能力、内聚性、pH稳定性和生物降解性以及生物炭的高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积，利用试验室一维土柱入渗试验来研究其对土壤水分入渗特性的影响。最终将HPMC和生物炭相结合用于紫色土入渗性能的改良，则能够在水土保持，提高农田水分有效性方面发挥重要作用，为紫色土养分流失的现状提供新的方法和思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为四川典型紫色土，取自于四川农业大学雅安校区农场大棚。取土时采用多点采样方法，采样深度为0～20 cm，同时以100 cm3环刀测定土壤容重。土样风干后过2 mm筛，以备土柱试验所用。测得该土壤容重为1.31 g/cm3。供样生物炭为秸秆生物炭，供样羟丙甲纤维素黏度200 Pa·s，均为市购。

1.2 试验处理

试验主要为未加入HPMC和加入适量HPMC时，土壤中加入不同剂量生物炭对土壤入渗特性的影响。据任敏[18]得出，当HPMC施加量小于0.1 g/kg，对土壤入渗作用微弱；大于0.5 g/kg时，土柱达到饱和时间过长，因此本研究选定HPMC含量为0和0.3 g/kg，分别用H0和H1表示。生物炭进行0，2%，4%三个处理，分别用BC0、BC1、BC2表示。所有添加剂量基于干容重计算，采用完全方案设计，共6个处理，每个3个重复。

1.3 试验装置及方法

采用模拟土柱试验开展研究。土柱是内径为10 cm，高度为50 cm的PVC管，底部为小孔设计。开始试验之前，将滤纸放在底部，并将凡士林薄层均匀地涂在土柱壁上。根据田间实际容重，将土壤均匀填入土柱，总高度控制在30 cm。生物炭和HPMC仅与0～15 cm的土壤混合。依次以5 cm为单位填充土壤柱，并在每次填充之前在土壤表面打毛，以确保各层之间紧密接触。

用一维固定水头垂直入渗法测定土壤入渗特性。将土壤柱和马氏瓶放在试验台上，并调节马氏瓶的起泡点高度，以确保测试开始后土壤柱的水头保持在2.5 cm。打开阀门，在水穿过土壤表面时开始计时，连续记录时间和相应的入渗量以及湿润峰距离，在入渗率达到稳定后停止计时。

1.4 土壤入渗模型

选取两种常用入渗公式对试验结果进行拟合。

(1)Kostiakov公式。

I(t)=Ktn

式中:I(t)为累积入渗量，mL；t为入渗时间，min；K和n为无量纲的经验常数，n值大小主要取决于因土地湿润而引起的土壤结构的改变[19]。n值越大，入渗能力衰减速度越快，反之则越慢。

(2)Philip公式。

I(t)=St1/2

式中:I(t)为累积入渗量，mL；S为吸渗率，mL/min0.5[20]。

1.5 统计分析

采用方差分析检验活性炭、HPMC对入渗曲线模拟参数的效应，图表绘制和数据处理用Excel 2010和origin 8.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同变量条件对土壤入渗的影响

图1和图2分别为未施加和施加HPMC时添加不同含量生物炭时的累积入渗曲线；图3和图4分别为添加2%和4%生物炭时添加不同含量HPMC的累积入渗曲线。在未施加HPMC时，各个生物炭用量的土壤累积入渗量之间差异较小，未添加生物炭时的入渗量大致居于添加2%和4%生物炭之间，添加4%时略低于添加2%时的累积入渗量(图1)；施加HPMC时，添加2%和4%生物炭用量累积入渗量均显著减小，且两者累积入渗量差异不大(图2)；在添加2%生物炭用量前提下，施加HPMC可明显降低累积入渗量(图3)；在添加4%生物炭用量前提下，施加HPMC可降低累积入渗量，但效果弱于添加2%生物炭用量时的值(图4)。

图1 未施加HPMC不同含量生物炭累积入渗量随时间变化Fig.1 Cumulative infiltration of different amounts of biochar without HPMC changes with time

图2 0.3 g/kg HPMC处理下不同含量生物炭累积入渗量随时间变化Fig.2 Cumulative infiltration of different amounts of biochar changes with time at 0.3 g/kg HPMC

图3 2%生物炭处理下不同含量HPMC土壤累积入渗量随时间变化Fig.3 Cumulative infiltration of different levels of HPMC soils changes with time under 2% biochar treatment

图4 4%生物炭处理下不同含量HPMC土壤累积入渗量随时间变化Fig.4 Cumulative infiltration of different levels of HPMC soils changes with time under 4% biochar treatment

2.2 入渗曲线参数分析

国内外学者在研究土壤水分入渗过程中建立了许多数学模型，以分析土壤水分入渗过程随时间的变化特征，但不同的入渗模型都有其适用性[21]。

为进一步研究HPMC施加和生物炭用量对土壤水分入渗的过程，本研究分别采用Kostiakov公式和Philip公式对试验数据进行拟合分析。拟合结果见表1。

表1 2种入渗公式参数拟合结果Tab.1 Parameter fitting results of two infiltration formulas

(1)Kostiakov公式。利用Kostiakov公式拟合不同处理的土壤入渗过程，其R2都在0.98以上，表明拟合结果较好，说明此公式可以用于分析本研究中的土壤入渗过程。不管土壤中是否施加HPMC，随着生物炭的增加，K值均逐渐减小，表明生物炭的添加量对K值有影响；在施加HPMC后，不同生物炭处理的试验组K值相较于未施加HPMC的均较大下降，表明施加HPMC对K值有较大影响。

(2)Philip公式。土壤吸渗率(S)指土壤依靠毛管力释放或吸收液体的能力,是土壤的一个重要性质，可以反映土壤入渗能力，对土壤入渗初期入渗率的大小起主要作用[22]。未施加HPMC时，0%与2%生物炭用量吸渗率相差不大，4%生物炭用量时较于前者吸渗率有所下降。表明未施加HPMC时2%生物炭用量抑制土壤入渗初期水分下移作用不明显，而4%生物炭用量抑制入渗初期水分下移作用明显。施加HPMC后，0%生物炭用量吸渗率明显大于2%和4%生物炭用量吸渗率，且2%和4%生物炭用量之间的吸渗率差异较小。表明在施加HPMC后，2%和4%生物炭用量相较于未添加生物炭时抑制土壤入渗初期水分下移作用明显，4%生物炭用量相较于2%生物炭用量抑制效果不明显。

2.3 不同入渗条件下湿润峰变化趋势分析

湿润峰为土壤入渗过程中湿润区前缘，即水分入渗最大深度[23]。水分入渗过浅时不能满足作物根系吸水要求，过深则易产生深层渗漏，因此研究入渗过程中湿润峰推移过程对于农田灌排具有重要指导意义[24]。未施加HPMC时，相同时间内，土壤湿润峰距离明显随着生物炭用量的增多而下降。施加0.3 g/kg HPMC，土壤湿润峰距离随着生物炭用量的增多而下降，其中2%和4%生物炭用量土壤湿润峰距离明显小于未施加生物炭试验组，但2%和4%生物炭用量时湿润峰距离差异不大。随着时间的增加，入渗速率逐渐趋于稳定后，湿润峰下移量逐渐明显，施加HPMC后的湿润峰距离明显低于未施加HPMC的试验组。

图5 不同处理下湿润峰深度随时间变化Fig.5 Wetting peak depth changes with time under different treatments

3 讨 论

土壤入渗过程主要受供水强度和土壤入渗能力的影响。供水强度是一个外部因素，土壤的渗透性主要受土壤自身特征的影响，例如土壤容重，结构，质地和早期含水量[19]。此外，土壤层状结构的改变也会对土壤入渗和蒸发过程产生影响，层状土壤水分运动不同于均质土壤[25]，孔隙结构的差异也会影响土壤层的水分含量、电导率和水力梯度。

生物炭作为外源性物质进入土壤，其孔隙率和低堆积密度会直接影响土壤的物理结构特征，会增加土壤孔隙度，改变土壤孔隙结构和数量，影响土壤堆积密度，改变土壤质地和其他物理机制从而影响土壤水分的渗透[26]。HPMC具有广泛的分散性、增稠性和黏结性，可将分散的、粒径较小的土壤颗粒黏结成土壤大颗粒团聚体，土壤中不易降解，保水效率较高[18]。

本研究发现，施加HPMC可导致紫色土入渗能力明显降低，表现在吸渗率降低，这主要是因为HPMC与土壤中下渗的水结合形成水凝胶，减弱了水分的下渗能力。未施加HPMC时，4%生物炭用量的土壤略低于2%生物炭用量时的累积入渗量，是由于生物炭具有多孔性和较低的堆积密度，虽然与土壤混合后大孔隙数量增加，但有效孔隙可能减小，从而改变了土壤孔隙度和土壤孔隙结构特征，下渗过程中水分运动通道的复杂化限制了水分入渗[26]。施加0.3 g/kg HPMC条件下，2%生物炭用量和4%生物炭用量时的入渗能力均弱于未添加生物炭的试验组，但两者差异不大，可能是因为在添加两种用量生物炭(2%，4%)时，由于HPMC产生的水凝胶均可完全堵塞其形成的大孔隙，水分下移能力不再受生物炭用量影响。

4 结 论

施加适量HPMC，紫色土随生物炭含量增多可大幅度降低土壤入渗能力，添加4%含量生物炭时效果最为明显，但和2%含量生物炭时差异较小。采用Kostiakov公式和Philip公式均能较好拟合本研究中的土壤入渗过程，且在HPMC条件下施加2%和4%含量的生物炭，其吸渗率差异不大。该研究结果表明HPMC和生物炭共施条件下对紫色土水分入渗的影响，对类似研究和紫色土的水土条件改良有一定的价值意义。