生物炭对冻融期盐渍化土壤水热肥效应的影响

2022-10-10张如鑫屈忠义王丽萍刘祖汀

水土保持学报 2022年5期

张如鑫，屈忠义，王丽萍，杨威，刘祖汀

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

内蒙古河套灌区作为我国重要的粮油生产基地，土壤盐渍化较为严重，气候干旱寒冷，每年土壤冻融时间长达180天左右。近年来，随着全球气候变暖，中高纬度的积雪和土壤冻融环境将发生变化，其中水分、热量的传输、水分相变和盐分的积累等，对土壤水分、密度、温度、养分等均有不同程度的影响。首先，受季节性冻融作用影响，翌年春播农作物的底墒严重不足，融解期地表水分蒸发强度强烈，表层土壤经过反复冻融作用对整个农田土壤养分流失具有重要的影响，导致越冬作物和春播农作物因严重缺水而减产；其次，冻融所形成的盐渍化会对作物生长过程产生巨大的威胁，降低土壤保水、保肥等能力；再次，河套灌区利用传统秋浇使土壤冻结滞水，为来年早春作物播种提供适宜墒情，但是由于融解期上蒸下漏，致使土壤水分利用率较低。因此，在冻融期采取合理的改良措施抑制地表蒸发、提高土壤底墒，对于促进翌年作物出苗生长和提高农业水肥利用效率具有重要意义。

生物炭是一种新兴而又有效的土壤改良剂，因其较大的孔隙度和比表面积，能够改变土壤理化性质，直接或间接影响土壤水热肥状况，备受国内外学者广泛的关注。阎海涛等以植烟褐土为研究对象发现，施加小麦秸秆生物炭3年后土壤TOC和含水率随生物炭施加量增加而提高，但对土壤速效磷影响不显著。李昌见等选用玉米秸秆生物炭施加土壤中发现，土壤温度随着生物炭施加量增加而增加，生物炭施加量为60 t/hm时土壤温度增幅最大。但也有研究认为，施加生物炭在改善土壤理化性质方面具有一定的副作用，原因可能是土壤类型、生物炭施加量、生物炭种类等其他环境因素不同而存在差异。孙运朋等研究滨海滩涂盐碱地土壤发现，施加7.5 t/hm生物炭并未使土壤容重降低，且随着生物炭施用量的增加，土壤持水能力呈减小的趋势。Carvalho等研究发现，施加32 t/hm木质生物炭降低了土壤有效水分，对水稻生长无影响。可见，生物炭的施加对土壤理化性质具有一定的影响作用。但是，在河套灌区反复的冻融作用下，施入生物炭后对盐渍化土壤水热肥有何影响，冻融作用下生物炭是否能很好地起到对土壤改良的作用，目前尚缺少相关研究。

针对河套灌区典型冬季较长、次生盐渍化等问题，在内蒙古河套灌区进行田间小区原位控制试验，探究施加生物炭对冻融期盐渍化土壤水热肥的影响，为改善干旱地区土壤提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年11月至2021年4月在内蒙古巴彦淖尔市五原县田间小区进行(40°46′30″—41°16′45″N，107°35′70″—108°37′50″E)。五原县位于内蒙古河套平原腹地，属于典型的温带大陆性气候，气候干燥，土壤封冻期长，且冬春季土壤盐分表聚现象严重。年均气温6.1 ℃，极端最低气温-36.7 ℃，年均降水量177 mm，无霜期117～136天。太阳年平均辐射总量为153.44 kcal/cm，全年日照时间3 230.9 h，冻融期日照时间占全年的44%。平均最低地温-12.3 ℃，冻土深度为100～130 cm，土壤11月初进入初冻期，冻层全部融化在翌年4月中旬左右。试验期积雪厚度、气温见图1。

图1 试验期间日最高气温、日最低气温、积雪厚度

试验开始前选取5个1 m×1 m样方，去除表层植物碎屑等杂物，使用土钻采集0—40 cm的土壤样品，样品经自然风干过筛后，测其基础理化性质。供试生物炭为辽宁金和福农业开发有限公司的玉米秸秆生物炭产品，该生物炭在360 ℃厌氧条件下热解处理制备而成。土壤和生物炭基本性质见表1。

表1 供试土壤和生物炭基础性质

1.2 试验设计

根据关于生物炭对农田土壤性状和作物生长的影响研究结果，本试验设置2种不同用量生物炭处理，分别是15 t/hm(D15)和30 t/hm(D30)的生物炭，以不施加生物炭的小区为对照(CK)。每个处理包括对照设置3个重复，共9个小区，完全随机区组排列。小区面积为160 m( 40 m×4 m)，其四周均设置2 m宽的保护行。2019年10月15日将生物炭一次性均匀挥洒在试验小区上，使用旋耕机将其与30 cm土层土壤均匀混合，之后不再施加生物炭。试验田2020年4月25日进行春季灌水压盐，灌溉定额为150 m/667 m，灌水方式为地面灌溉，以黄河水为灌溉水源，pH为8.76，矿化度为1.88 g/L，Ca、Mg、Na+K、Cl、SO、HCO含量分别为70.1，79.0，37.5，106.4，264.2，183.1 mg/kg。播前进行人工耕翻，深度约30 cm，并施入磷酸二胺(N质量分数18%，P质量分数46%) 450 kg/hm和复合肥(N质量分数15%，P质量分数15%，K质量分数15%)337.5 kg/hm作为底肥。病虫草害化学防治以及其他田间管理措施同当地作物高产管理一致。

因不同冻融条件对土壤理化性质的影响程度存在差异，为更准确分析冻融期各个阶段土壤水热肥状况，参考往年气象数据，特将冻融期具体划分3个阶段：初冻期、冻结期和融解期。日最低气温开始达到0 ℃以下至土壤表层开始冻结阶段为初冻期；当日最低、最高气温均达到0 ℃以下，冻结锋面快速向下移动至土壤达到最大冻结深度，且积雪不再消融阶段为冻结期；日最高气温达到0 ℃以上积雪开始融化，土层从上到下开始解冻至全部解冻阶段为融解期。

试验经过2个冻融期，每个冻融期相对应阶段及其具体日期为：初冻期2019年11月5日至2019年12月16日(42天)、冻结期2019年12月17日至2020年2月21日(67天)、融解期2020年2月22日至2020年4月15日(54天)，冻融历时163天。初冻期2020年11月2日至2020年12月2日(31天)、冻结期2020年12月3日至2021年2月28日(88天)、融解期2021年03月1日至2021年4月5日(36天)，冻融历时155天。

1.3 测定指标与方法

土样采集频率设定为：土壤冻结期大约每20天进行1次取样。初冻期和融解期由于当地气候昼夜温差较大，此阶段的土壤处于冻融状态，土壤水热肥状况波动较大，因此加密取样，采集频率设定为大约每10天1次。当冻融期有积雪覆盖时，选取积雪厚度一致区域进行取样，取样前用铲子将表层积雪清理干净，取样结束后将积雪再次覆盖。根据已有研究发现，该研究区土壤容重的年际变化并不明显，加之冬季取样困难，特将土壤容重的取样次数设定为：初冻期、冻结期、融解期各2次。

1.3.1 土壤含水率和容重土壤样品采用土芯法采集，使用手持式动力取样器采集深度0—100 cm土层土壤，每20 cm为1层，重复3次。取出原状土后立即将土壤样本放入铝盒内，使用烘干法测定各层土壤质量含水率、通过计算单位体积(100 cm)环刀中的烘干土质量测定土壤容重。计算0—20，20—40 cm土层土壤储水量，计算公式为：

=10···

(1)

式中：为第层土壤储水量(mm)；为第层土壤厚度(cm)；为第层土壤干容重(g/cm)；为第层土壤质量含水率(%)。

1.3.2 土壤温度采用多通道土壤温度传感器(TM-03，邯郸市若腾电子科技有限公司)对0—40 cm土壤温度进行监测，监测时间间隔设定为4 h/次，试验期末读取数据。采用离散法进行计算土壤冻融指数，冻融指数分为地表冻融指数和空气冻融指数，由逐日观测的温度数据计算得出。计算公式为：

(2)

(3)

式中：为冻结指数(℃·d)；为融化指数(℃·d)；为年内温度低于冻结点的日数(d)；为日平均地表温度(℃)。

1.3.3 土壤养分在冻融期采用土钻进行多点采集深度为0—40 cm土层土壤。土样经自然风干后人工研磨，采用紫外可见分光光度计以及火焰光度计测定土壤速效磷和速效钾含量；采用1.0 mol/L NaOH碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；采用重铬酸钾容量法测定土壤有机碳含量，并计算某土层的有机碳密度(soc)，计算公式为

(4)

式中：为第层土壤有机碳含量(kg/m)；为第层土壤容重(g/cm)；为第层土层厚度(cm)。

1.4 统计分析

数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0软件运用LSD法进行差异显著性检验(<0.05)，整理分析，使用Origin 9.1和Surfer 12软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 施加生物炭对土壤水分的影响

2.1.1 土壤储水量动态变化特征试验期间各处理土壤储水量见表2。对于2年冻融期，各个阶段20—40 cm土层的土壤储水能力均优于0—20 cm土层。初冻期和融解期是土壤储水量最高的时期，冻结期土壤储水量处于较低水平。可能是因为冻结期因土壤完全冻结且无外界水源，各处理土壤储水量较低；融解期由于积雪融化水和土壤解冻水的补给，土壤储水量最大。

2.1 采用专家咨询的方法选择15名包括社区卫生服务中心院长、团队长和护理专家进行2轮的函询，以此建立家庭病床患者上门静脉输液安全模式的初步框架同时改进上门输液携带包。

表2 表层土壤储水量动态变化

施加生物炭对冻融各阶段土壤储水量均有不同程度的影响。试验初期各处理的土壤储水量无显著性差异，甚至在初冻期CK小区具有较高的持水性，但随生物炭施加时间的增长，生物炭的持水作用逐渐显现。第1年冻结期(0—20 cm)和融解期(20—40 cm)，D30处理的土壤储水量较CK分别显著提高了15.72%和13.71%。翌年初冻期(0—20 cm土层)，CK小区的土壤储水量比D15和D30分别减少1.41，5.87 mm。除第1年冻结期0—20 cm土层D30处理外，其他时期各土层冻结期土壤水分散失不明显，各处理间土壤储水量差异不显著，但生物炭处理较对照均提高了土壤储水量。融解期D30处理储水能力最佳，在0—20，20—40 cm土层，较CK相比，分别提高土壤储水量6.77，7.97 mm。总体来看，生物炭对2年冻融期土壤储水量具有一定的提高效果。

2.1.2 土壤含水率剖面分布特征由图2可知，各处理土壤含水率剖面分布特征整体表现为上干下湿的特点。0—40 cm土层各处理土壤含水率空间分布规律较为明显，而40—100 cm土层各处理土壤含水率空间分布无明显规律。初冻期各处理的土壤水分主要集中在40—80 cm土层，表层和深层土壤水分较低，且对照小区低于生物炭处理。冻结期0—40 cm土层土壤水分整体呈现较低水平，土壤含水率从大到小依次为D30>D15>CK。当冻融作用持续到120天左右时，气温上升致使积雪融化，此时处于土壤融解期，土壤含水率随土层深度增加而增加，且生物炭处理的土壤含水率与对照相比均有所提高；此外，在融解期40—80 cm土层土壤含水率的等值线在空间上变化剧烈且密集，说明在该土层土壤含水率梯度变化较大。

图2 冻融期不同处理0-100 cm土层土壤含水率空间分布

2.2 施加生物炭对土壤温度的影响

2.2.1 土壤温度动态变化特征由图3可知，施加生物炭可以有效减缓冻融期各土层温度的波动幅度。2年冻融期，CK小区0—40 cm的土壤平均温度比D15和D30分别降低了0.83，1.64 ℃。较CK相比，在初冻期生物炭处理的平均土壤温度提高0.80～1.33 ℃，冻结期提高1.30～2.05 ℃，融解期提高0.18～0.35 ℃。此外，在融解期各处理平均土壤温度对应的箱线图较长，说明此阶段土壤温度变化幅度较大，其中在第1年融解期CK、D15和D30的变异系数分别为9.81%，3.38%，3.37%，翌年融解期分别为5.85%，1.90%，2.30%，生物炭处理的温度变异幅度均小于对照处理，说明生物炭可以有效地降低土壤温度变化的离散程度。

注:图(a)～(c)分别为2019-2020年初冻期、冻结期和融解期；图(d)～(f)分别为2020-2021年初冻期、冻结期和融解期。箱线图中箱体上—表示均值，箱体表示25%～75%，误差线表示最大值和最小值。图柱上方不同小写字母不同表示同一时期不同处理间差异达到p<0.05显著水平。下同。图3 0-40 cm土层土壤温度变化

2.2.2 土壤冻融指数的变化特征土壤冻融指数的变化，能够从不同方面反映土壤水分和热量的分布、迁移和传输规律。由图4可知，2年冻融期冻结指数均为CK>D15>D30，施加生物炭后土壤水热状况均有所提升致使土壤热容量增加，D15和D30的0—40 cm冻结指数比CK分别减少98.17，170.89 ℃·d。第1年冻融期土壤融化指数大小为D15(283.50 ℃·d)>D30(275.96 ℃·d)>CK(236.14 ℃·d)，翌年冻融期为D30(139.63 ℃·d)>D15(105.66 ℃·d)>CK(79.49 ℃·d)。整体来看，生物炭的施入使冻融期土壤融化指数有所提高，表明施加生物炭使土壤冻融期间的最大融化深度增加、土壤水分调蓄空间变大以及调蓄能力有所增强。

注：图柱上方不同小写字母表示同一指标不同处理间差异显著(p<0.05)。图4 冻融期不同处理土壤冻融指数的变化

2.3 施加生物炭对土壤养分的影响

2.3.1 土壤速效磷钾和碱解氮含量变化特征由表3可知，0—20 cm土层土壤速效钾含量高于20—40 cm土层，且施加生物炭在不同程度上提高了各土层土壤速效钾含量。较对照比，生物炭处理显著提高了第1年初冻期(0—20，20—40 cm)和冻结期(20—40 cm)土壤速效钾含量；在融解期D30处理显著提高0—20，20—40 cm土层速效钾含量，增幅分别达到13.71%和15.11%。翌年冻融期，与对照相比，生物炭处理均提高了土壤速效钾含量，其中D30处理与CK间达到显著，初冻期0—20 cm土层增幅为38.07%，冻结期20—40 cm土层增幅为17.34%，融解期0—20，20—40 cm土层增幅分别为13.05%和14.00%。施加生物炭提高了0—40 cm土层土壤碱解氮含量，其中2年冻融期均以D30增幅最大，在0—20，20—40 cm土层，初冻期最大增加值分别为21.28，13.50 mg/kg，冻结期分别为24.32，16.17 mg/kg，融解期分别为36.27，21.03 mg/kg。分析各处理各土层土壤速效磷含量得出，在试验第1年冻融期，除D15处理(20—40 cm土层)与CK间未达到显著水平，其余各时期各处理均与对照达到显著水平；在翌年初冻期、冻结期和融解期，各土层生物炭处理与对照均达到显著水平，增幅大小表现为D30>D15>CK。可见，生物炭的施入对2年冻融期土壤速效钾、碱解氮和速效磷含量均具有提高作用，以D30处理较优。

表3 表层土壤养分含量变化

2.3.2 土壤有机碳密度变化特征由表4可知，0—40 cm土层生物炭处理较对照均有所提高，且各处理0—20 cm土层土壤有机碳密度均高于20—40 cm土层。生物炭施加后第1年，对于0—20 cm土层，D15和D30较CK在初冻期、冻结期和融解期分别提高8.14%，2.01%，18.07%，11.76%，11.41%，11.45%。20—40 cm土层与0—20 cm土层规律相似，其中D30较CK在融解期提高土壤有机碳密度增幅最大，达到22.38%。试验第2年较第1年各处理土壤有机碳密度变化无显著差别，各处理各土层生物炭处理较对照均达到差异显著。

表4 试验期不同处理土壤有机碳密度

3 讨论

3.1 施加生物炭对土壤水分的影响

已有研究表明，生物炭可以改变土壤的理化结构，从而起到大幅节水保墒的功效。本研究发现，施加生物炭可以提升2年冻融期0—40 cm土层土壤储水量。一般来说，生物炭主要通过2种方式影响土壤水分状况，直接影响是生物炭作为一种多孔介质所特有的多孔隙和强大的吸附性能可以直接吸附土壤水分，增加土壤储水量；间接影响是添加到土壤中的生物炭会与其他土壤成分结合，进而改善土壤结构，从而增加土壤的持水量。对于整个试验周期来讲，生物炭提高土壤储水量的效果并不显著，甚至在初期施加生物炭会导致土壤储水量下降，在试验中期和后期生物炭处理下的土壤储水量才变化明显。这可能是因为河套灌区属于干旱-半干旱地区，降水稀少、蒸发强烈、地表水资源严重匮乏，试验所在地全年降水较低，土壤长期处于寒旱状态，在干燥的土壤中生物炭的持水性能对土壤中水分含量具有较强的敏感性。试验前期土壤中水分较少，生物炭的保水性无法发挥作用，但随着土壤水分运动和积雪融化等因素的影响，生物炭的保水能力逐渐发挥，其中在融解期土壤中水分不断蒸发，生物炭的微空隙使更多的水处于毛细状态得到了较好的保持，蒸发散失难度加大，进而达到抑制土壤水分蒸发的效果，使土壤中水分得到有效的储存。此外，生物炭对耕层土壤保水蓄水的效果较深层好，这是由于本试验的生物炭仅施加至30 cm土层处，生物炭可以将吸附的水分传递给该土层土壤，使储水量减小的速率较缓，而深层土壤与表层距离较远，受生物炭的影响不大。

3.2 施加生物炭对土壤温度的影响

3.3 施加生物炭对土壤养分的影响

土壤中有效的养分含量对土壤肥力具有重要作用，施加合理的改良措施若能减少土壤养分的流失，对作物的生长具有重要意义。生物炭由于自身含碳量高及呈碱性的特性，对土壤养分具有一定的影响。分析发现，施加生物炭丰富了土壤碱解氮、速效磷钾养分含量，且效果逐年显著。胡敏等和高利华等分析河套灌区盐渍土壤也发现，施加玉米秸秆生物炭有效地提高了土壤碱解氮、速效磷钾等养分的含量。一方面原因是本研究所用到的生物炭含有较高的养分(速效磷307.52 mg/kg，速效钾786.50 mg/kg，碱解氮 401.94 mg/kg)能够向土壤提供氮、磷、钾等矿质元素；另一方面原因是生物炭具有改善土壤结构的功能，如增加土壤孔隙度降低土壤容重等，能够有效地吸附土壤中有机分子，促使小分子聚合成养分大分子，从而提高了土壤对养分的吸收能力。总体而言，施加生物炭可有效地改善土壤环境，提高冻融土壤肥力。

土壤有机碳是通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体的合称。与对照比，生物炭处理均提高了土壤有机碳密度。一方面，由于生物炭本身是一种富碳材料，能够向土壤中输入大量外源有机碳；另一方面，生物炭能够改变土壤结构，促进土壤腐殖质的形成，有助于碳水化合物、芳香烃等有机大分子的形成，使土壤有机碳含量提高。本研究还发现，0—20 cm土层土壤有机碳密度均高于20—40 cm土层土壤。张浩等研究典型红壤侵蚀区不同植被恢复年限的表层和深层土壤有机碳矿化特征也发现，表层土壤有机碳密度显著高于深层土壤，分析的原因是表层土壤有机碳恢复较快，而深层土壤有机碳积累较慢。但是，也有研究表明，表层土壤微生物生物量显著高于深层土壤，微生物会产生更多的土壤酶对SOC进行分解，因此表层土壤有机碳密度较深层低。产生差异的原因可能是冻融期土壤微生物活性较低以及土壤类型等其他环境因素不同导致的，具体原因还需进行深度研究。