咸淡轮灌和生物炭对滨海盐渍土水盐运移特征的影响

2021-02-01黄明逸张展羽翟亚明朱成立

农业机械学报 2021年1期

黄明逸张展羽徐辉翟亚明王策朱成立

(1.河海大学水利水电学院，南京 210098； 2.河海大学农业科学与工程学院，南京 210098)

0 引言

我国东部滨海地区滩涂广袤，是极为重要的后备土地资源。目前，东部沿海滩涂复垦面积已超过2.6×103km2，然而多数围垦区土地存在着不同程度的盐渍化，严重制约了农业的高效发展[1-2]。随着沿海地区城镇化和工商业的快速发展，可用于盐渍化土壤治理和农业生产的淡水资源日益短缺，导致滨海围垦区每年的农业生产损失达30%以上[3]。为了充分开发滨海区盐渍化土地资源，探索科学、适宜的盐渍土改良和微咸水利用方法成为滨海围垦区农业发展的研究热点[4]。

滨海地区丰富的微咸水资源是重要的淡水替代品，利用微咸水进行盐渍土淋洗改良已获得广泛关注[5-8]。尽管如此，使用微咸水仍然存在土壤次生盐碱化的风险，微咸水安全利用成为关键[9]。轮流使用微咸水和淡水是一种较易实行的微咸水利用方法，能够促进微咸水利用下的土壤盐分控制和作物生产[10]。管孝艳等[11]发现，在2、4 g/L微咸水与淡水交替灌溉下，表层土壤盐分向深层迁移，并未引起土壤盐渍化。米迎宾等[12]指出，3 g/L微咸水在咸淡交替方式下相比持续利用更能有效地抑制土壤积盐。闫冰等[13]发现，咸淡轮灌有利于新疆绿洲土根系土壤洗盐，可保障土壤的安全持续利用。朱瑾瑾等[14]发现，3 g/L微咸水在咸淡轮灌方式下可降低滨海盐碱土含盐量。

生物炭是在低氧或无氧环境和700℃以内温度条件下通过有机生物质热解产生的一种高芳香化难熔性物质，具有较大的比表面积、发达的孔隙结构、高负电荷密度和官能团[15]。生物炭作为土壤改良剂可以降低土壤容重、促进孔隙结构和团聚体形成，进而改善土壤入渗性能及持水能力[16]。近年来，生物炭在盐渍土壤治理中展现了较好的应用价值[17-21]。

本文以滨海盐渍土为研究对象，采取咸淡轮灌和生物炭相结合的方法，进行室内入渗试验，分析讨论咸淡轮灌和生物炭施用对土壤入渗特性及水盐运移的影响，以期为科学利用滨海区盐渍土和微咸水资源提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤来自东南沿海的盐城市滨海围垦区东川农场(北纬32°96′、东经120°87′)，为我国东部滨海围垦区代表性盐渍土，土壤质地属于粉砂壤土。生物炭是小麦秸秆在低氧窑中通过550～600℃热解4～6 h获得。盐渍土和生物炭试验材料主要性质如表1所示。入渗水质分别为淡水和3 g/L微咸水，淡水取自实验区自来水系统，微咸水根据取土农区地下浅层微咸水的盐分组成，通过NaCl、Na2SO4、CaCl2以及MgCl2化学试剂与淡水充分溶解至矿化度3 g/L配置而成(表2)。

表1 供试土壤和生物炭主要性质Tab.1 Main properties of coastal soil and biochar

表2 入渗水质主要性质Tab.2 Main properties of infiltration water

1.2 试验设计

试验装置由供水设备、试验土柱和水盐测定装置3部分组成(图1)。供水设备为马氏瓶，设计尺寸为内径10 cm、高度30 cm，入渗积水保持为定水头2 cm，外壁贴有标尺，以控制和记录入渗水量；试验土柱为透明有机玻璃制品，内径15 cm，高度70 cm，土柱侧面每隔5 cm开直径为2 cm的圆形通孔，用于安装TDR土壤水分测定探针及原始土样采集，外壁贴有标尺，以记录湿润锋推移进程。土柱内壁涂抹凡士林用于消除边壁效应，底部设置滤纸层、2 cm砾石层以及排水口以促进土壤排水透气。

入渗试验设置了0、15、30 t/hm2的生物炭水平，根据田间实际情况，生物炭主要与0～20 cm表层土壤混合，相对应的生物炭、土壤质量比分别为0、5.4、10.7 g/kg。盐渍土样采集后，风干、研磨、过筛(2 mm)。生物炭研磨、过筛(2 mm)后，与盐渍土样充分混合均匀。随后按照初始田间容重(1.40 g/cm3)分12层，每层5 cm均匀装入土柱，层面间土壤表面打毛，以保证入渗过程不出现分层。试验开始前，顶部土壤表层铺一层滤纸，其上另铺一层不透水保鲜膜，在设置好2 cm左右定水头后，移除不透水膜，以减少灌水对表层土壤的冲击。

试验设计4种不同轮灌方式，分别为全淡水灌溉(淡淡)、先淡水后微咸水(淡咸)、先微咸水后淡水(咸淡)、全微咸水灌溉(咸咸)。考虑滨海农区单次灌水定额通常约为60 mm，每个处理入渗水量设定为120 mm，在咸淡水比例为1∶1的条件下，设置了无间歇咸淡轮灌入渗方式，即淡淡为连续灌溉2次60 mm淡水，淡咸为先灌60 mm淡水后灌60 mm微咸水，咸淡为先灌60 mm微咸水后灌60 mm淡水，咸咸为连续灌溉2次60 mm微咸水。试验共设置12种处理(4种轮灌方式×3种生物炭添加量)，每个处理重复3次。

1.3 指标测定方法

土壤入渗湿润锋位置和马氏瓶液面高度以先紧后宽的时间间隔记录，计算后得相应的湿润锋推进距离和累计入渗量。完成入渗定额后，实时读取土壤含水率，并即刻从取样口采样，采样至湿润锋深度，以检测土壤含盐量和主要阳离子分布，具体测试指标及方法如下：入渗湿润锋和累计入渗量按照60、120、300、600 s的时间间隔通过液面读取换算得到，并记录其与入渗时间的关系，以计算出入渗速率。土壤剖面各层含水率由TDR土壤水分测定仪读取。土壤含盐量采用饱和萃取液法测定，将土样自然风干后，研磨过筛(1 mm)，称取20 g土样与20 mL去离子水充分振荡5 min后，静止澄清，过滤获得土壤饱和萃取液。设置测定温度为25℃，使用DDBJ-350 型电导率仪测定土壤含盐量，使用ICP-MS电感耦合等离子体质谱测定土壤可溶性Na+、Ca2+、Mg2+离子含量。计算土壤初始含盐量和入渗结束时含盐量的差值与初始含盐量的比值为土壤脱盐率，脱盐区深度和最终湿润锋推进距离的比值为脱盐区深度系数。

1.4 数据分析

利用Origin软件绘制湿润锋、累计入渗量、入渗速率与时间的关系图，以及土壤剖面含水量、含盐量和离子分布图等。利用Kostiakov模型对入渗速率进行拟合，计算式为

I(t)=Kt-n

式中I——入渗速度，cm/min

K——入渗系数，cm/min

n——入渗指数

t——入渗时间

拟合过程在SPSS中通过幂函数曲线拟合方法完成，并采用决定系数R2和均方根误差(RMSE)对拟合结果进行评价。

2 结果与分析

2.1 咸淡轮灌和生物炭对入渗特征的影响

图2为咸淡轮灌和生物炭添加下湿润锋推进距离与时间的关系。相同生物炭添加量下，咸咸处理在相同时间内湿润锋距离最大，但最终湿润锋距离均略低于其他处理。咸淡处理的湿润锋距离与咸咸处理相似，而淡咸处理的湿润锋距离类似于淡淡处理。生物炭进一步加快了咸淡轮灌下湿润锋运移，相同轮灌方式到达一定湿润锋距离所需时间由大到小依次为生物炭添加量0 t/hm2、生物炭添加量30 t/hm2、生物炭添加量15 t/hm2。生物炭也影响了相同入渗定额下湿润锋的最终距离，且随添加量增加，湿润锋的最终距离减小。

累计入渗量随时间变化过程与湿润锋相似(图3)。微咸水灌溉后，同一时间的累计入渗量有所增加。咸淡轮灌的初始水质对累计入渗量具有较大影响，咸淡处理较淡咸处理完成入渗历时更短。相同生物炭添加量下，淡咸、咸淡和咸咸处理累计入渗量到达12 cm的时间比淡淡处理减少了3.0%～3.8%、6.8%～10.6%和11.6%～14.3%。生物炭施用影响了累计入渗量与时间的关系，完成入渗历时随着生物炭的添加而减少。相同轮灌方式下，与0 t/hm2处理相比，15、30 t/hm2入渗历时分别减少了27.2%～31.7%和25.0%～28.6%。

图4为咸淡轮灌和生物炭添加下入渗速率与时间的关系，开始10 min内入渗速率迅速降低，随后降低程度逐渐平缓。相同生物炭添加量下，咸咸处理的入渗速率较淡淡处理有所提高，在10 min时，增加了19.9%～40.6%，在100 min时，增加了16.4%～28.0%。咸淡处理有利于提高整个过程的入渗速率，入渗速率增幅在前期灌溉微咸水时较明显，转换为淡水后，增幅有所降低。在10 min时，咸淡处理的入渗速率比淡淡处理增加了16.4%～46.9%，在100 min时，增加了8.2%～18.0%。淡咸处理在转换为咸水灌溉后，入渗速率有所增加，在100 min时，入渗速率比淡淡处理增加了5.9%～10.0%。生物炭有助于增加咸淡轮灌时土壤入渗速率，相同轮灌方式下，在10 min时，15 t/hm2处理的入渗速率较0 t/hm2处理增加了3.5%～19.1%，30 t/hm2处理增加了5.5%～10.3%；在100 min时，15、30 t/hm2处理的入渗速率较0 t/hm2分别增加了10.9%～22.0%和5.1%～14.0%。

Kostiakov模型对入渗速率的拟合结果如表3所示，拟合决定系数R2均达到0.9以上，RMSE在0.031～0.097 cm/min之间，说明在咸淡轮灌和生物炭添加下，入渗速率与时间存在良好的幂函数关系。相同生物炭添加量下，初始入渗水质对入渗系数K的影响较明显，淡淡与淡咸处理的K相似，而咸淡与咸咸处理的K相似，较淡淡和淡咸处理增加了13.9%～24.0%。相同轮灌方式下，15、30 t/hm2处理的入渗系数K较0 t/hm2分别提升了10.1%～16.8%和8.3%～16.0%，入渗指数n分别减少了4.2%～8.0%和3.4%～6.3%。

表3 咸淡轮灌和生物炭添加下土壤入渗速率的Kostiakov模型拟合结果Tab.3 Kostiakov model result of soil infiltration rate under cycle irrigation with brackish and fresh water and biochar application

图5为咸淡轮灌和生物炭添加下，入渗结束时土壤剖面含水率的分布。微咸水的使用略微增加了0～25 cm剖面的土壤含水率。相同生物炭添加量下，淡咸、咸淡、咸咸处理的0～25 cm平均含水率比淡淡处理高0.2%～0.5%、0.7%～2.8%、1.2%～3.7%。生物炭也提高了滨海盐渍土含水率，且随着添加量的增大而增加。相同轮灌方式下，15、30 t/hm2处理的0～25 cm平均含水率较0 t/hm2处理分别提高了7.6%～9.6%和10.9%～11.9%。

2.2 咸淡轮灌和生物炭对盐分淋洗的影响

图6为咸淡轮灌和生物炭添加下，入渗结束时土壤剖面含盐量的分布。淡淡处理的土壤含盐量最小，咸咸处理最大，咸淡轮灌则介于两者之间，淡咸处理的25 cm以下土壤含盐量较低，咸淡处理的0～25 cm土壤含盐量较低。相同生物炭添加量下，淡咸、咸淡、咸咸处理的平均土壤含盐量比淡淡处理高37.9%～43.9%、26.3%～29.4%、66.2%～72.3%，其中0～25 cm平均土壤含盐量分别增加了83.0%～118.7%、14.9%～19.1%、98.1%～148.9%。生物炭施用可减少入渗后土壤含盐量，但随生物炭添加量增加土壤含盐量有所升高。相同轮灌方式下，15、30 t/hm2处理的平均土壤含盐量较0 t/hm2处理分别降低了0.6%～4.6%和1.1%～2.6%。生物炭还有效促进了咸淡轮灌对0～25 cm土壤盐分的淋洗，15、30 t/hm2处理的0～25 cm平均土壤含盐量较0 t/hm2分别降低了25.0%～25.3%和20.3%～22.7%。

图7为咸淡轮灌和生物炭添加下，入渗结束时土壤剖面脱盐率分布。咸淡轮灌相比于持续微咸水灌溉提高了脱盐率，咸淡处理较淡咸处理的平均脱盐率更大，在0～25 cm土层脱盐率较高，而淡咸处理在25 cm以下的土层脱盐率较高。相同生物炭添加量下，淡咸、咸淡、咸咸处理的平均土壤脱盐率比淡淡处理低46.4%～52.4%、6.5%～18.9%、52.0%～59.6%。生物炭提高了咸淡轮灌下滨海盐渍土脱盐效率，15、30 t/hm2处理的平均土壤脱盐率较0 t/hm2增加了9.4%～15.0%和9.1%～13.7%。

表4为咸淡轮灌和生物炭添加下的土壤剖面脱盐区深度系数。咸淡轮灌提高了脱盐区深度系数，淡咸处理较咸淡处理脱盐区深度系数更大。相同生物炭添加量下，淡咸、咸淡、咸咸处理的脱盐区深度系数较淡淡处理降低了3.3%～6.7%、6.8%～11.5%、13.1%～16.2%。生物炭可以提升土壤剖面脱盐区深度系数，相同轮灌方式下，15、30 t/hm2处理的脱盐区深度系数较0 t/hm2分别增加了4.4%～7.5%和1.1%～5.9%。

表4 咸淡轮灌和生物炭添加下土壤剖面脱盐区深度系数Tab.4 Soil desalinization depth coefficient under cycle irrigation with brackish and fresh water and biochar application

图8为咸淡轮灌和生物炭添加下，入渗结束时土壤剖面Na+含量分布。不同灌溉方式均对滨海盐渍土Na+有一定的淋洗作用，尤其是在0～25 cm土层，Na+含量明显小于初始水平。咸淡轮灌相比于持续微咸水灌溉更有利于淋洗Na+，相同生物炭添加量下，淡咸、咸淡、咸咸处理的0～25 cm土层Na+含量较淡淡处理增加了89.8%～129.5%、35.1%～46.2%、136.5%～212.5%。生物炭添加进一步促进了Na+淋洗，相同轮灌方式下，15、30 t/hm2处理0～25 cm Na+含量较0 t/hm2分别减少了44.2%～78.3%和24.3%～64.3%。

咸淡轮灌和生物炭添加下土壤Ca2++Mg2+含量如图9所示。淡淡和咸淡处理对Ca2+和Mg2+有所淋洗，0～25 cm土层Ca2++Mg2+含量较低，而咸咸和淡咸处理增加了0～25 cm土层Ca2++Mg2+含量。相同生物炭下，淡咸、咸淡、咸咸处理的0～25 cm土层Ca2++Mg2+含量较淡淡处理增加了43.0%～71.8%、8.0%～13.9%、50.1%～86.1%。此外，生物炭提高了土壤剖面Ca2++Mg2+含量，且随着添加量的增加而增加。相同轮灌方式下，15、30 t/hm2处理的0～25 cm土层Ca2++Mg2+含量较0 t/hm2增加了24.1%～28.9%和35.9%～40.0%。

3 讨论

3.1 咸淡轮灌对滨海盐渍土水盐运移的影响

随着淡水资源日渐短缺，利用微咸水进行盐渍土改良成为了重要途径[22]。微咸水资源在不同类型的盐渍土淋洗治理中已有报道，微咸水用于盐渍土时，可促进离子交换淋洗，改善土壤结构和渗透性能，起到一定改良效果[23]。本试验中，微咸水灌溉能够促进滨海盐渍土入渗性能，相较于淡淡处理，淡咸、咸淡、咸咸处理增加了入渗过程中的湿润锋距离、累计入渗量和入渗速率，这与王全九等[24]的研究结果一致。随着微咸水灌溉，土壤溶液盐分浓度升高，扩散双电子层向粘粒表面压缩，土壤颗粒间排斥力减小，加强了土壤胶体的絮凝作用，促进了团粒结构，使土体导水性增加[25]。同时，供试微咸水的钠吸附比较低，有利于维持和改善滨海盐渍土团聚体及孔隙结构，促进水分入渗[24]。咸淡轮灌下，初始水质对滨海盐渍土水分运动起决定性作用，咸淡处理的入渗特性接近于咸咸处理，淡咸处理与淡淡处理相似。先咸后淡相比先淡后咸完成入渗历时更短，这可能是因为初始阶段微咸水入渗已经改变了土壤结构，提高了整个过程中土壤入渗能力，而淡咸处理仅在转换为微咸水灌溉后，入渗性能有所增加。通过Kostiakov模型模拟发现，咸淡和咸咸处理入渗系数K明显大于淡咸和淡淡处理。入渗系数K表示入渗初始阶段中非饱和土壤达到相对稳定时的入渗速度，初始入渗水质使用微咸水，增加了初始入渗速度，有利于促进滨海盐渍土水分运移。此外，淡咸、咸淡、咸咸处理的最终湿润锋距离略低于淡淡处理，同时0～25 cm土壤剖面含水率有所增加，这可能与微咸水入渗改变了土壤孔隙结构并影响了土壤持水性相关。吴忠东[26]报道了相似的结论，采用微咸水有利于改善土壤持水性能，提高灌溉结束后的土壤含水率。咸淡处理较淡咸处理对于提高土壤含水率效果更佳，这与赵连东[23]的研究结论一致。初始阶段采用微咸水入渗，能够尽早实现微咸水对于土壤水分运移的增益效果，更有利于滨海盐渍土的水分入渗和土壤含水率保持。就土壤盐分而言，不同处理0～25 cm土层的含盐量均低于初始值，说明3 g/L微咸水可用于滨海盐渍土的灌溉淋洗。相比持续微咸水灌溉，咸淡轮灌进一步提高了盐分淋洗效果，土壤含盐量减小而脱盐率和脱盐区深度系数增大。脱盐区内，咸淡处理较淡咸处理的平均脱盐率更大，但土壤剖面脱盐情况各不相同，初始水质主要影响了25 cm以下的土壤含盐量分布，轮换后的水质对0～25 cm土层含盐量存在明显作用，这与刘静妍等[27]的研究结果一致。先咸后淡有利于淋洗上层土壤盐分，在0～25 cm土层脱盐率较高，接近于淡水处理，而先淡后咸有助于盐分向深层土壤运移，在25 cm以下的土层脱盐率较高，脱盐区深度系数更大。同时，由于供试微咸水中含有一定量Ca2+和Mg2+，咸淡轮灌改善了滨海盐渍土阳离子分布状况，提高了0～25 cm土壤中Ca2+和Mg2+含量并减少了Na+含量，降低了碱化程度。因此，咸淡轮灌是适宜于滨海盐碱地的微咸水利用方法。

3.2 生物炭对滨海盐渍土水盐运移的影响

生物炭添加后，不同咸淡轮灌处理的湿润锋进程加快，完成入渗历时减少，入渗速率提高。可见，生物炭促进了滨海盐渍土水分运移，主要原因是生物炭拥有较大的比表面积和良好的吸附性能，有利于团聚体形成，改善土壤孔隙结构，进而增强水分入渗性能[28]。同时，生物炭能够丰富盐渍土离子种类，增加Ca2+和Mg2+含量，促进Na+的淋洗，有助于土壤结构的提升[19]。Kostiakov模型模拟结果表明，生物炭提高了相同灌溉处理下入渗系数K并减小了入渗指数n。入渗指数n表征土壤水分入渗能力的衰减程度，n越大说明入渗速度随时间减小越快。生物炭的添加促进了初始入渗阶段的入渗速度并减缓了入渗能力衰退。然而，随着添加量增加，入渗系数K略微减小，入渗指数n有所增加，30 t/hm2处理的土壤入渗性能并不优于15 t/hm2处理。方圆[29]也报道了过量生物炭可抑制土壤入渗特性的相关结果，其原因可能是所用生物炭呈细颗粒粉末状，当施用量过大时，反而容易堵塞土壤水分运移通道，造成水分运动受阻。已有研究发现，生物炭对土壤水分运移的影响还与其结构特性、粒径及土壤质地等因素密切相关[15,28]。本试验中，施用生物炭改良滨海盐渍土时，添加量不宜过高，否则不会促进土壤水分入渗甚至造成不良影响。此外，生物炭减少了相同入渗定额下湿润锋的最终距离，这可能与其提高了滨海盐渍土持水能力有关。生物炭添加也有效增加了滨海盐渍土含水率，且随着添加量的增大而增加。生物炭在制作过程中可形成微孔结构，自身比表面积极大，添加生物炭后，可增强土壤对入渗水分的吸附性，吸持更多的水分在土壤中[30]。同时，生物炭添加有利于促进滨海盐渍土团聚结构的形成，增加土壤有效孔隙比例，从而达到提升土壤含水率的效果[16]。根据土壤含盐量分布，生物炭促进了咸淡轮灌下滨海盐渍土的盐分淋洗效果，提高了脱盐率和脱盐区深度系数，但随着生物炭添加量增加淋洗效果有所下降。生物炭对土壤盐分的影响可能与其对滨海盐渍土水分运移特性的改变以及自身携带的可溶性盐分离子相关。一方面，生物炭的添加改变了土壤入渗能力，有利于盐渍土盐分淋洗[31]；另一方面，生物炭本身包含K+、Ca2+和Mg2+等可溶性盐分离子，在添加量过大时，反而增加了土壤含盐量。生物炭在缓解土壤碱化程度上效果明显，有效促进了Na+淋洗。Na+含量过高可引起土壤颗粒崩解、结构退化、生产力降低等危害[32]，是限制滨海地区盐渍土地资源利用的主要因素。生物炭的多孔结构和高比表面积加强了土壤的阳离子交换能力，配合自身携带的Ca2+和Mg2+，有利于交换出土壤胶体上的Na+，促进Na+随水分向下运移，进而降低其不良影响[33]。综上所述，咸淡轮灌配合生物炭施用促进了滨海盐渍土水分运移特性并改善了盐碱化程度，有利于滨海地区微咸水和盐渍土这类边际资源的合理开发。考虑生物炭施用效果和成本投入，推荐添加量为15 t/hm2，但仍需进一步研究以完善不同盐渍农业环境下适宜的生物炭改良剂产品和施用规范。