非灌溉季节施加生物炭对滴灌棉田土壤结构及水热特性的影响

2022-05-26邹瑞晗吕德生王振华

水土保持学报 2022年3期

邹瑞晗，吕德生，王振华，朱艳，宗睿

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

土壤生产能力的合理补偿与良性循环利用是确保旱作区农业增产的关键技术。新疆是我国典型的干旱绿洲区，绿洲农业正处于由传统农业向现代农业过渡的时期，高强度的土地资源开发加之原本脆弱的生态环境使得绿洲土壤贫瘠化、沙化、盐碱化现象愈发严重，土壤结构随之变差，退化现象严重。北疆也是我国典型的季节性冻土区，非灌溉季节的冻融过程对棉田土壤的侵蚀会破坏土壤环境，降低土壤生产力。因此，促进土壤聚温保墒，降低冻融作用产生的侵蚀影响，改善土壤结构对滴灌棉田的可持续利用至关重要。

土壤中许多生物物理和化学过程，如CO排放、有机物分解和植物生长等均与土壤水分条件有关。土壤温度则通过影响农田土壤水分状况、碳平衡、养分吸收与利用、微生物以及酶活性等，进而影响作物的生长发育状况。生物炭具有孔隙结构多、高阳离子交换量和大比表面积的特点，其特殊的结构和稳定性，在改善土壤环境和缓解农田生产力的压力和风险方面具有巨大潜力。Akhtar等发现，生物炭可以增加番茄产量和土壤贮水量；马效松等发现，在冻结与非冻结条件下，土壤导热系数均随生物炭含量增加而降低，施加生物炭能够降低土壤温度波动性；魏永霞等发现，施加生物炭可显著提高土壤孔隙度、降低土壤容重、优化土壤结构。但也有研究表明，添加过量的生物炭(60 t/hm)会导致土壤含水量和田间持水能力降低，并抑制作物的生长和产量。

目前，生物炭对土壤的改良作用研究大多在灌溉季节进行，一些研究者开始考虑冻融条件对生物炭改良土壤的影响。Tan等指出，经过冻融循环后，生物炭的许多结构性孔隙被堵塞，比表面积减少了21.67%，C含量降低了13.47%，冻融过程会加速生物炭的老化。而丛铭认为，老化生物炭可能比新鲜生物炭更有利于土壤改良。付强等发现，生物炭处理下的土壤冻结期冻结速率降低了0.14 cm/d，融化期土壤含水率增加了1.44%。目前，冻融条件下生物炭对土壤改良的效果研究大多是在受控的室内试验条件下进行的，在自然冻融环境中对土壤影响的研究较少。考虑到新疆棉田翻耕大多在灌溉季节结束后，且冻融作用对生物炭理化特性有老化影响，有必要结合北疆地区典型的季节性冻融条件和新疆棉田特殊的非灌溉季节翻耕制度，探究非灌溉季节施加生物炭对新疆棉田土壤结构和水热特性的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年11月至2021年4月在新疆石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室暨石河子大学节水灌溉试验站进行。试验区位于新疆生产建设兵团第八师石河子市西郊石河子大学农试场二连(86°03′47″E，44°18′28″N，海拔450 m)，属温带大陆性气候，灌溉季节升温快，昼夜温差大且干旱少雨，蒸发强烈，极端高最气温可达43 ℃，年均日照时间约2 950 h，多年平均降水量210 mm左右，非灌溉季节寒冷多雪。试验区2020—2021年非灌溉季节降水总量57.5 mm，极端最低气温可达-34 ℃，平均积雪厚度20 cm，最大积雪厚度达40 cm，年均无霜期165天，年平均风速1.5 m/s，2020年11月表层土壤开始冻结，2021年2月基本达到最大冻结深度，至2021年4月土壤完全融化。非灌溉季节气温和降水量见图1。

图1 非灌溉季节气温和降水量

试验前滴灌种植作物为棉花，2020年4月底播种，10月初采收，试验田地下水埋深8 m以下，土壤质地为壤土，黏粒、粉粒、砂粒含量分别为12.88%，38.82%，48.30%，耕层土壤容重1.54 g/cm，颗粒密度2.63 g/cm，土壤固、液、气相占比分别为61.50%，16.50%，22.00%。

1.2 试验设计及指标测定

试验区域内设置15块12 m×4 m的相邻样地，按0，15，30，45，60 t/hm施加生物炭的5个梯度设置B、B、B、B、B处理，生物碳由机械均匀翻耕至0—40 cm土壤中，每个施炭量3块样地重复，非灌溉季节过程中保留原始积雪不做干扰。生物炭采用水稻秸秆炭(购自镇江泽地农业生物科技有限公司)。生物炭容重0.4 g/cm，比表面积82.7 m/g，灰分占比16.50%，CEC为16.40 cmol/kg，导热系数为0.172 W/(m·K)，体积热容量为2.3 J/(cm·K)。自表层土壤开始冻结进入快速冻结期(40天)，至达到最大冻结深度开始进入稳定冻结期(74天)，自最大冻结深度土壤开始融化为进入融化期(107天)，至表层土壤完全融化(139天)为融化期结束，即冻结前期为0～39天，快速冻结期为40～74天，稳定冻结期为75～107天，融化期为108～139天。

每个试验区内埋设土壤温度动态采集系统(YM-GS，邯郸创盟电子科技有限公司)，每隔1 h传输1次数据，用以测定20，40，60，80 cm土壤温度，融后(152天)使用体积为100 cm环刀以10 cm为1层采取原状土样测定土壤三相比例、容重和颗粒密度。土壤含水率自试验开始每15天取样1次，采用烘干法测定，土壤容重及土壤三相比例在试验结束前取样并通过土壤三相测定仪(DIK-1150，上海泽泉科技有限公司)测定；土壤导热系数和体积热容量使用土壤热特性分析仪(TEMPOS，北京力高泰科技有限公司)测定。

1.3 数据计算

通过土壤容重计算土壤总孔隙度(cm/cm)，三相比例计算广义土壤结构指数GSSI和土壤三相结构距离指数STPSD。计算公式为：

GSSI=((-25)××)04769

STPSD=(-50)+(-50)(-50)+(-50)

式中：为土壤颗粒密度2.63 g/cm；为土壤固相体积百分比(>25%)；为土壤液相体积百分比(>0)；为土壤气相体积百分比(>0)。

1.4 数据分析

使用SPSS 26.0软件进行单因素ANOVA差异分析，处理间显著性差异使用LSD最小显著差数法进行检验；皮尔逊(N)相关性系数分析各指标之间的相关性，并对土壤水热特性和物理结构相关指标进行主成分分析。图表绘制使用Origin 2021软件。

2 结果与分析

2.1 生物炭施加量对土壤总孔隙度及三相比例的影响

由表1可知，随施炭量增加0—40 cm土壤平均固相比例降低，气相比例增加，液相比例先增加后降低。与B相比，B、B和B处理土壤固相比例分别显著降低5.83%，6.96%，10.74%(<0.05)；B和B处理土壤平均液相显著增加1.74%和1.89%，而B处理则显著降低0.54%(<0.05)；B、B和B处理土壤平均气相比例显著增加4.09%，5.06%，11.28%(<0.05)。土壤总孔隙度随施炭量增加而增加，与B相比，B、B和B处理显著增加7.12%，10.05%，12.05%。土壤GSSI值随施炭量增加先增加后降低，B、B、B和B处理较B显著增加2.37%，4.93%，5.36%，4.00%(<0.05)。土壤STPSD值随施炭量增加先降低后增加，B和B处理显著降低24.37%和25.47%，而B处理则显著增加19.88%(<0.05)。

表1 不同生物炭处理下土壤三相比例、总孔隙度、GSSI及STPSD

2.2 生物炭施加量对土壤含水率的影响

由图2可知，0—10，10—20，20—30，30—40 cm土壤含水率在冻结前和快速冻结期总体呈现下降趋势，0—20 cm土壤含水率在融化期先上升后下降，20—40 cm土壤含水率则呈上升趋势。与B处理相比，仅B处理快速冻结期在0—40 cm土壤含水率均有显著性变化(<0.05)，分别显著提高1.04%，0.86%，1.68%和1.14%。在稳定冻结期，除B处理在20—30 cm处土壤含水率与B处理相比显著提高1.68%外(<0.05)，其余各处理0—40 cm土壤含水率无显著性差异。融后，B、B处理0—40 cm土壤含水率与B处理相比均有显著性变化(<0.05)，0—10 cm分别显著增加2.81%和3.44%，10—20 cm分别显著增加1.73%，1.69%；20—30 cm分别显著增加1.8%，2.57%；30—40 cm分别显著增加2.11%，2.9%；相较于B处理，B、B、B、B处理融后0—40 cm土壤平均含水率增加1.07%，2.11%，2.65%，1.20%。

2.3 生物炭施加量对土壤导热系数、体积热容量和温度的影响

由图3可知，施炭处理的温度变化与B的趋势相似，浅层土壤温度最低，并随土壤深度的增加而增加。在快速冻结期间，5个处理的0—20 cm土层于同一时间(40天)开始冻结；B、B处理的20—40 cm土层先开始冻结(50天)，B、B、B处理于55天开始冻结。在稳定冻结期，与B相比，B、B、B处理在0—20 cm土层的最低温度与B相比分别增加了0.34，2.15，1.78 ℃，而B处理则降低了1.78 ℃(图4)；20—40 cm土层增加了0.08，1.99，1.4 ℃，而B处理降低了1.05 ℃(图4)。B处理最大冻结深度超过80 cm，B、B、B处理小于80 cm，B处理小于60 cm(图3)。在融化期，0—20 cm土层融化顺序为B(107天)、B(130天)、B(134天)、B(134天)、B(138天)；B、B、B、B、B处理的冻结时长分别为98，94，67，90，94天；20—40 cm土层融化顺序为B(110天)、B(113天)、B(122天)、B(124天)、B(133天)；B、B、B、B、B处理的冻结时长分别为83，67，55，58，74天。非灌溉季节B、B、B处理在0—20 cm土层最大温差值与B相比减少0.03，2.02，1.71 ℃，而B处理则增大2.97 ℃；20—40 cm土层减少0.47，2.13，1.75 ℃，而B处理则增大0.11 ℃(图4)。

注：误差线表示标准误差(n=3)。

图3 不同生物炭处理下温度的垂直分布

图4 不同生物炭处理下土壤温度极值量

在冻结期(施炭后45天)，土壤导热系数随施炭量的增加先减少后增加；B、B处理与B处理相比有显著性降低(<0.05)，分别显著降低了22.73%，18.18%(图5)。土壤体积热容量随施炭量增加而增加，B、B、B处理与B处理相比土壤体积热容量均显著性增加(<0.05)，分别显著增加了7.18%，11.00%，12.44%。在融化期(施炭后135天)，土壤导热系数随施炭量增加先减小后增加，与B处理相比，B、B处理下土壤导热系数均显著降低15.69%(<0.05)。土壤体积热容量随施炭量增加先减小后增加，与B处理相比，B、B、B、B处理土壤体积热容量均有显著性降低(<0.05)，分别显著降低5.23%，12.20%，19.16%，12.54%。

2.4 不同处理间综合评价

为评价非灌溉季节不同生物炭施加量对土壤影响效果的优劣，选取土壤三相结构和水热特性相关指标进行综合评价。融后土壤含水率(1)越高，表明土壤保墒效果越好；非灌溉季节最低温度(2)越高，最大温差(3)越小，冻结时长(4)越小，表明土壤保温效果越好；GSSI(5)越大，STPSD(6)越小，表明土壤三相结构越好，总孔隙度(7)越大，表明土壤透气性越好。由表2可知，对土壤在0—40 cm土壤的相关指标取均值进行相关性分析，存在10对显著(<0.05)或极显著(<0.01)相关关系。其中，土壤含水率与非灌溉季节最低温度和总孔隙度呈显著的正相关，与GSSI呈极显著正相关，与最大温差呈显著的负相关。非灌溉季节最低温度与最大温差、STPSD呈极显著的负相关，与总孔隙度呈显著的负相关，最大温差与STPSD、呈极显著的正相关，与总孔隙度呈显著的正相关，STPSD与总孔隙度呈极显著的正相关。土壤含水率、温度和土壤结构各相关指标间存在诸多联系，直接进行评价会造成信息重复，最终影响评价结果，因此，利用主成分分析法将具有相关性的指标组合成新的互相无关的综合指标进行综合评价，以求提高综合评价的可靠性。

注：图柱上方不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

表2 土壤含水率、温度及土壤三相结构相关指标间的相关性

通过主成分分析，以特征值>1的原则选取2个主成分，累计方差贡献率为96.70%(表3)，可代表各处理对土壤保温保墒效果的综合影响。第1主成分的方差贡献率为68.68%，主要受土壤含水率、非灌溉季节最低温度和GSSI的正向影响，其贡献率大小为土壤含水率>非灌溉季节最低温度>GSSI，综合相关关系可知，土壤含水率与非灌溉季节最低温度呈显著的正相关(<0.05)，土壤含水率与GSSI呈极显著的正相关(<0.01)，非灌溉季节最低温度与GSSI的相关性也为正相关，即当1个指标增大时，其他指标也随之增大，第1主成分得分也会随之增大。第2主成分方差贡献率为28.02%，主要受总孔隙度的正向影响和非灌溉季节最低温度的负向影响，总孔隙度的贡献率大于非灌溉季节最低温度，综合相关关系可知，总孔隙度与非灌溉季节最低温度呈显著的负相关(<0.05)，即随着总孔隙度的增大，非灌溉季节最低温度下降，第2主成分的得分增大(表4)。

综合2个主成分的方差贡献率可以得到基于以上7个指标的各处理综合评价线性函数：

=06868+02802

式中：为基于土壤含水率、最低温度和土壤物理结构相关指标的各处理综合得分(表5)；为主成分1的综合得分；为主成分2的综合得分。

将各指标原始数据标准化后带入公式可得到各处理的综合得分和综合得分排名(表4)。综合排名依次为B、B、B、B、B处理，仅B、B处理得分为正值，施炭量最大的处理B处理综合得分低于B、B处理，综合得分最低的为B处理。

表3 主成分特征值及方差贡献率

表4 主成分荷载矩阵

表5 基于土壤含水率、最低温度和土壤物理结构相关指标的各处理综合得分和排名

3 讨论

3.1 生物炭施加量对土壤总孔隙度及土壤三相相关指标的影响

施炭处理的0—40 cm土壤固相比例降低2.58%～10.74%，总孔隙度增加3.38%～12.05%，GSSI值提高2.37%～5.36%，这与Fu等的研究结果相似。生物炭是一种具有多孔结构的材料，其结构的特殊性使其容重(0.4 g/cm)远小于土壤容重，施入土壤后导致炭—土混合体的容重降低，总孔隙度增大，固相体积降低。广义土壤结构指数(GSSI)是基于土壤三相比为研究对象，来客观表达土壤结构功能的差异变化，土壤三相结构距离指数(STPSD)能更直观地反映土壤三相比结构的变化趋势，已有研究表明，理想的土壤三相结构比例为2∶1∶1，此时的GSSI为100，因此，土壤的GSSI越接近100，表明土壤结构越理想，而STPSD越低，表明土壤结构越接近理想状态。对比B处理非灌溉季节前后的变化发现，单独的冻融作用可以降低土壤固相比例，但施炭处理的效果明显更好，施炭处理均显著增加GSSI，B、B处理显著降低STPSD(<0.05)。B处理的GSSI相较于B处理出现降低现象，STPSD出现增大现象，这归因于过量生物炭使土壤固相体积降低至50%以下且偏移量随施炭量增加而增加，使土壤三相结构偏离理想的2∶1∶1。魏永霞等研究发现，施加生物炭会使土壤孔隙度升高，但过高的孔隙度直接增加土壤与大气间水热交换的通道，导致土壤中水分蒸发加快，受冻融侵袭的影响也更剧烈。因此，从土壤结构方面来看，生物炭的施加并不是越多越好，适量的生物炭更有助于土壤结构的改善。

3.2 生物炭施加量对土壤导热系数、体积热容量和温度的影响

非灌溉季节生物炭施加使土壤耕层最低温度增加0.34～2.15 ℃，最大温差缩小0.47～2.14 ℃，冻结时长缩短4～30天，这与Gao等的研究结果相似。施炭处理的保温效果归因于生物炭与土壤相比有更低的导热系数和更高的体积热容量，生物炭的导热系数仅为0.172 W/(m·K)，当生物炭添加到土壤中时，混合土壤的导热系数降低。冻结期B、B处理分别显著降低了22.73%，18.18%(<0.05)，该研究结果与Zhao等的结论一致。土壤在快速冻结期向外界散发热量的能力随着土壤导热系数的降低而降低，使得施加生物炭处理的土壤在冻结期的温度有所提高。在融化期，融雪导致土壤含水率快速增加，土壤体积热容量随之增加，而生物炭的体积热容量为2.3 J/(cm·K)相比于水的4.28 J/(cm·K)更小，融化期的炭—土混合体体积热容量降低，土壤温度升高需要吸收的热量更少，且炭—土混合体在冻结期的温度更高。付强等在松嫩平原土壤导热系数和体积热容量的变化上得出相似的结果。值得注意的是，土壤温度并没有随生物炭施加量的增加而不断增加，B处理在保温方面呈现负效应。总孔隙度随施炭量的增加而增加，这增加了土壤与外界的气体交换通道，进而增加了热量的损失，导致冻结期表层土壤保温性能减弱，冻融作用产生的侵蚀更严重，相关分析也显示最低温度与总孔隙度呈显著的负相关(<0.01)，相关系数为-0.694。

3.3 生物炭施加量对土壤含水率的影响

与对照处理相比，施炭处理融后0—40 cm土壤平均含水率增加1.07%～2.65%，其中，B、B处理土壤含水率均有显著性变化(<0.05)，这与高利华等的研究结果相似。生物炭作为一种直接输入土壤的材料，通过其对土壤总孔隙度的增加进而提高土壤的蓄水能力。生物炭施加初期对土壤含水率影响程度较低，是因为施炭初期土壤含水率较低，生物炭的保水性很难体现，试验后期，随着积雪的融化等因素，土壤含水率快速上升，生物炭的保水性能逐渐发挥，融化期施炭土壤含水率的提高展现出显著性，这与苏旭等的研究有一定相似性。此外，鞠文亮等研究表明，冻融循环会破坏生物炭的完整形状，从而增加生物炭的比表面积和孔容，这更有利于土壤蓄水。相关分析表明，在经历季节性冻融后，总孔隙度与土壤含水率呈显著的正相关，相关系数为0.712(<0.05)。融后的土壤含水率没有随生物炭施加量增加而增加，B处理的土壤含水率低于其他处理，是由于孔隙度的增加导致含水率增加，可能超过土壤田间持水量，多余的水在重力作用下向下运移，使上部土壤的含水率减小，下部土壤含水率增加，且过大的孔隙度也会加剧积雪融化后蒸发作用对裸露土壤的影响，尚杰等研究也提出，过大的孔隙率并不利于土壤水分的保存。

3.4 基于主成分分析对不同处理进行综合评价

主成分分析表明，B处理综合得分最高，其次为B处理。从主成分分析过程来看，第1主成分贡献率达68.68%，对综合得分影响最大，第1和第2主成分累计方差贡献率为96.70%，可代表各处理对土壤水热特性和物理结构改良的综合影响。第1主成分得分最高的处理为B，主要受土壤含水率、非灌溉季节最低温度和GSSI的正向影响(表4)，且这3个指标间均呈正相关关系。因此，B处理能够有效提高土壤保温保墒能力并改良土壤三相结构。而第2主成分主要受总孔隙度的正向影响和非灌溉季节最低温度的负向影响，且总孔隙度与非灌溉季节最低温度呈显著的负相关(<0.05)，第2主成分得分最高为B处理。融后土壤含水率和非灌溉季节最低温度越高，最大温差和冻结时长越小，表明保温保墒效果更好，GSSI越大，STPSD越小则代表土壤结构越理想。对土壤含水率而言，融后B处理最大。对非灌溉季节土壤温度而言，B处理最低温度最大，温差最小，冻结时长最短，而B处理在保温方面则展现出温差更大，最低温度更低，冻结时间增长的负作用。对GSSI而言，在0—40 cm土壤的均值B处理最高，STPSD为B处理最低，B处理的总孔隙度最大，但与B处理相比并无显著性差异。综合主成分1和2，B处理得分排名第1，因此，与其他处理相比，B处理对土壤保温保墒能力的提高和对土壤结构的改良效果最优，其次为B处理，非灌溉季节滴灌棉田生物炭的最佳施用量为30～45 t/hm。