北盘江三叠系飞仙关组紫色砂岩风化土壤保水性改良研究

刘 丽，魏 晓，文雪峰，彭益书，周 发，杨昌隆

(1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学茶学院，贵州 贵阳 550025)

北盘江低热河谷区具有丰富的光热资源。研究区内土壤类型以三叠系飞仙关组砂岩风化的紫色土为主。此外，该区广泛分布的紫色土富含磷、钾等矿质营养元素(乔贵星，2015)，也为该区发展山地立体农业提供了得天独厚的土壤资源。这些都是喀斯特地区发展农业的稀缺资源。然而，由于低热河谷区独特的局地气候条件，致使该区降雨少、蒸发大、植被退化严重。加之，紫色土保水性较差，进而加剧了北盘江河谷区的旱情，严重制约了该区农业产业的健康发展(潘金华 等，2016)。因此，调控土壤水分是提升低热河谷地区紫色土质量和促进该地区农业发展的关键。目前，施用土壤改良剂被认为是最有效和广泛应用的改良土壤结构与提升土壤保水抗旱能力的方法(战秀梅 等，2015；吴琳杰 等，2016)。

目前，采用生物炭与保水剂混施改良紫色土保水性的相关研究尚无报道。因此，本文将通过室内土柱实验，研究生物炭与保水剂混施对紫色土吸水倍数、水分蒸发以及持水性能的影响，旨在为提升紫色土保水能力和改善北盘江低热河谷区旱情的研究提供科学数据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.2 实验设计

本次实验采用自制土柱装置。装置主体选用内径为7 cm的PVC管，将760.00 g供试土壤以及适量的改良剂充分混合后填充于装置内部，底部用400目的尼龙布网和滤纸封口，如图1所示。为了模拟低热河谷区的真实气温，本次蒸发实验的温度设置为50°C(马焕成 等，2020)。实验采用双因素四水平的实验设计，即设置生物体和保水剂两因素，根据土壤改良剂与土壤的质量比，将两个因素分别设置四个不同的施用量水平，即保水剂设置四个水平：0%、0.15%、0.3%和0.45%，生物炭设置四个水平：0%、1.5%、3%和4.5%。未添加任何土壤改良剂的原始紫色土设为空白处理，进行对照实验，记作CK。两因素的四个水平之间交叉搭配组合，共设置16个处理(表1)，每个处理重复3次。装置内加入过量蒸馏水，确保土壤完全润湿。用保鲜膜封住PVC管顶口并置于支架上静止72小时，待重力水完全漏失后，再将土柱转移到烘箱中开始蒸发实验，烘箱温度保持50℃。每隔24小时称量土柱质量并记录。

图1 土柱装置Fig.1 Soil column device

表1 实验处理方案Table 1 Experimental treatment scheme

续表

1.3 计算公式

土壤吸水倍数=[(吸水后土壤质量-原始土壤质量)/原始土壤质量] ×100%

(1)

土壤水分累积蒸发率=[(原始土壤水质量-蒸发后土壤水质量)/烘干土质量]×100%

(2)

土壤含水率=(土壤水质量/烘干土质量)×100%(余高 等，2019；王猛 等，2015)

(3)

1.4 数据处理

数据及图表处理采用Microsoft Excel2010、CoerDRAW2018和Origin2018。数据依托 SPSS 26.0软件，采用LSD法进行多重比较，检验不同处理间的差异。

2 结果与讨论

2.1 不同处理对紫色土吸水倍数的影响

图2 不同处理的土壤吸水倍数(括号内数值为相对CK的吸收倍数提升率)Fig.2 Soil water-absorbency of different treatments(The value in parentheses is the increase rate of absorption multiple relative to CK)

2.2 不同处理对紫色土水分蒸发率的影响

不同处理下，土壤水分累积蒸发率随时间的变化如图3所示。无论是CK，还是其余处理，紫色土的累积蒸发率随时间变化趋势大致相同。前4天，供试土壤的累积蒸发率迅速增加，第4天累积蒸发率均已超过60%；5-31天供试土壤的累积蒸发率持续增长，但增长速率明显放缓。直至第31天，供试土壤的累积蒸发率已经超过93%。这说明实验前期(0-4天)，供试土壤空隙中的弱结合水优先被蒸发，而且这部分水在总含水量的占比较高，已经超过60%，这与紫色土疏松多孔的物理特性有关(郭永春 等，2021；李凤洁，2021)。实验中后期(5-31天)，土壤中的强结合水开始逐渐蒸发，由于这部分水受到土壤颗粒及改良剂的吸附作用，所以蒸发速率明显降低。

图3 不同处理的土壤水分累积蒸发率随时间变化曲线Fig.3 Curve of soil moisture accumulation evaporation rate changing with time under different treatments

此外，从整体上看，绝大多数处理与CK相比都能不同程度的降低土壤水分的蒸发率(图3小窗口)。到实验后期不同处理对紫色土水分蒸发率的降低效果排序为：保水剂>混施处理>生物炭。其中，P3B0处理对紫色土水分蒸发率的降低效果最佳(图3A)。这是因为保水剂通过渗透压和物理吸附作用将水分子牢牢固定到网状的结构内部，而且保水剂吸水后呈凝胶状，堵塞土壤孔隙，从而降低了土壤的通气性，增强了土壤的抗蒸发能力(岑睿 等，2016；许健 等，2016)。同时，我们还发现低含量配比处理下，紫色土的累积蒸发率无明显降低(例如P1B0)，甚至还会增加(例如P0B1、P1B1)。这说明施入少量生物炭能够改善土壤孔隙度，同时生物炭的多微孔结构可以提高土壤的通气性和输水能力(赵晓乐 等，2021)，因此促进了紫色土水分蒸发。

2.3 不同处理对土壤保水性的影响

图4 不同处理的土壤相对含水率Fig.4 Soil relative water content under different treatments

表2 土壤相对含水率随时间变化拟合方程Table 2 Fitting equation of soil relative water content over time

3 结论

通过室内土柱实验，研究了生物炭和保水剂的施用对紫色土吸水倍数、水分蒸发以及保水性的影响，研究结果显示：

保水剂和生物炭的施用在一定程度上提高了紫色土的吸水倍数，而且保水剂对吸水倍数的提升效果比生物炭更为显著，当保水剂施用量到达限定值时，添加生物炭可进一步提高紫色土的吸水倍数。研究发现紫色土的水分累积蒸发率呈现先增后缓的变化趋势。高含量配比的处理改良紫色土的保水性能效果较为明显。综合分析本实验P2B2(0.3%的保水剂和3.0%的生物炭)处理可使紫色土的保水性能达到最高。

鉴于保水剂与生物炭在紫色土的吸水倍数、蒸发率及相对含水率等方面都有较好的改良效果。本次实验认为保水剂与生物炭适应于低热河谷区紫色土的保水性改良，可为低热河谷区紫色土的水分管理提供参考。大规模推广应用还需开展大田试验验证。