生物炭在微咸水-淡水轮灌下对土壤含水量与含盐量的影响

2023-03-20王春婷何顺圆李彦仪

南方农机 2023年7期

王春婷，王琨，何顺圆，李彦仪

（河海大学农业科学与工程学院，江苏南京 210098）

0 引言

中国淡水资源匮乏，人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，同时盐碱地面积已达9 913 万hm2，约占全国土地面积的10.3%，且呈不断扩大趋势，淡水资源短缺及大面积的盐碱地，严重制约着中国灌溉农业的发展。我国滨海农区的淡水资源年内分布不均，而该区微咸水资源丰富，如何安全高效地利用微咸水成为该区农业可持续发展急需解决的重要问题之一。因此，合理利用微咸水资源并结合秸秆废弃物制成的生物炭改良剂，在节水基础上实现盐碱地的综合改良具有重要的理论现实意义。

近年来，生物炭被广泛应用于农业土壤改良。生物炭是在低氧下生物质热解生成的有机材料，具有多孔结构、比表面积大和离子交换量高等特点[1]。生物炭作为土壤改良剂可以改善土壤物理性质，如容重、孔隙结构、团聚特性、持水导水能力等[2]。施用生物炭还有利于提高土壤有机质含量、养分供应和阳离子交换量，从而提升养分有效性和肥力水平[3]。此外，添加生物炭有利于改善根际微生物环境，增强土壤酶活性和促进微生物生长[4]。勾芒芒等[5]发现，生物炭可以减缓盐分胁迫对作物的危害，并提高作物耐盐性能，如改善作物水分状况、降低盐分离子吸收、促进养分摄取和调节植物激素等[6]。

微咸水灌溉可能导致次生盐渍化，并引起土壤结构失稳、表面结皮、透水性降低等问题，破坏土地资源的可持续性[7]。同时，过高的盐分会降低土壤溶液渗透势，抑制根系吸水和作物生长，随着盐分离子在作物体内积累，将造成离子毒性和营养失衡，破坏正常新陈代谢活动。因此，适宜的微咸水利用方法对于滨海地区农业发展极其重要，交替使用微咸水和淡水进行灌溉不仅可缓解淡水短缺问题，还可降低微咸水对土壤和作物的不良影响[8]。牛君仿等[9]和Singh[10]发现，相比于微咸水直接灌溉或咸淡水混合灌溉，微咸水-淡水交替灌溉更有利于控制土壤盐分，降低土壤盐渍化风险，且可保证更高的作物产量。

本研究以盐碱土为实验对象，在室内进行土柱试验，采用微咸水-淡水交替灌溉，并结合生物炭改良剂对盐碱土壤的改良效应，研究土壤含盐量与含水量的变化走向。通过多次、多种的对照试验确定最适宜实验土地的生物炭种类，为滨海地区微咸水利用及农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1）供试土壤质地为粉砂壤土和砂壤土，取自江苏省盐城市东台典型滨海垦区（32°96′N，120°87′E），土壤质地属于粉砂壤土。

2）本次试验共用到两种生物炭改良剂：第一种生物炭改良剂为誉中奥小麦秸秆生物炭，为小麦秸秆在550 ℃~600 ℃的高温下热解，经4 h~6 h 碳化而得到的，其容重约为0.19 g/cm3，比表面积为9 m2/g，总孔隙率为67.03%，pH 为10.24。第二种生物炭改良剂为稻壳生物炭，为稻壳在400 ℃高温下热解，经过2 h~3 h碳化而得到的，其外观为黑色丝状颗粒，有机质含量为450.6 g/kg，pH为8.12，灰分为10.52%。

3）试验用水为纯净水和矿化度为5 g/L的微咸水。

1.2 试验装置

试验装置由供水设备、试验土柱和水盐测定装置三部分组成。供水设备为马氏瓶，其设计尺寸为内径5 cm，高度120 cm，渗积水保持为定水头5 cm，外壁贴有标尺，以控制和记录入渗水量；土柱由PVC 管盛放，土柱高40 cm，直径为11 cm，共分为两大层，四小层；上面20 cm 为一层掺入对应质量比例的生物炭，下面20 cm 为一层装填纯盐碱土；每间隔8 cm 设计一直径为1 cm 的圆形孔，用于安装TDR 土壤水分测定探针，便于测量土壤的含水量。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。

入渗试验在试验过程中按照质量分数掺加生物炭，第一种生物炭与土壤的质量比分别为：1%，2%，3%和5%；第二种生物炭与土壤的质量比分别为1%和3%；另外设一组空白对照组，土柱内无任何生物炭改良剂。

生物炭研磨、过筛（2 mm）后，与土柱表层0~20 cm 的盐渍土样充分混合均匀。装填时共分5 层，每层8 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并控制灌溉速度，以减少灌水对表层土壤的冲击。

本次试验只有一种灌溉方式——先淡水后微咸水，先连续灌溉3 次淡水，再连续灌溉3 次相同体积的矿化度为5 g/L 的微咸水，对所有仪器进行相同的操作。在此次试验中，不同生物炭改良剂以及生物炭与土壤的质量比由小到大分别为：CK（空白对照组）、C1（第一种生物炭改良剂，质量比1%）、C2（第一种生物炭改良剂，质量比2%）、C3（第一种生物炭改良剂，质量比3%）、C4（第一种生物炭改良剂，质量比5%）、W1（第二种生物炭改良剂，质量比1%）、W2（第二种生物炭改良剂，质量比3%）。

1.3 指标测定方法

对土柱进行灌溉，完成入渗定额后，利用TDR 水分测量仪实时读取土壤含水率，并即刻从最上方，即距离土壤表层2 cm 处的开口处采样，以检测土壤表层2 cm 处的含盐量。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，称取1 g 土样与5 mL 去离子水充分振荡5 min 后，静止澄清，得到土壤饱和上清液。对上清液使用DDBJ-350 便携式电导率仪来测量土壤剖面处的含盐量，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。

2 试验结果与数据分析

2.1 对土壤含水率的分析

由TDR 土壤水分测定仪实时检测土柱对应孔洞处的含水量，测出的土壤含水率如表1 所示。

其中，“土层”指的是土壤深度；“初始”指的是装填土柱完成后测得的土壤含水率；“1 次”是指灌完去离子水后测得的土壤含水率；“2 次”指的是灌完矿化度为5 g/L的微咸水溶液后测得的土壤含水率。

由表1 可知，随着灌溉水量的增多，土壤含水量变大也逐渐趋于饱和状态。与此同时，大体记录灌溉完成时间，纯净水入渗的时间：C4

表1 土壤含水率θ

表1 中数据显示，经由生物炭处理后，无论是纯净水灌溉还是微咸水灌溉，除少数情况外生物炭均能略微提升各层土壤的土壤含水率，在各组中，C1（第一种生物炭改良剂，质量比1%）较为明显。

2.2 对土壤含盐量的影响

土壤盐分含量对作物的生长有着重要的作用，其也是盐碱地综合改良的一个重要评价指标。可以利用DDBJ-350 便携式电导率仪对土壤饱和上清液进行测量，进而反映土壤的含盐量，土壤的电导率测量结果如表2所示。

表2 土壤的电导率单位：μS/cm

如表2 中数据显示，在去离子水入渗完成后，表层土壤的含盐量均远小于初始的土壤含盐量；而在5 g/L 的微咸水入渗后，因为其溶液本身具有含盐量，渗入土壤中的水分会带有部分的盐分，微咸水中的盐分随水进入土壤，即土壤的电导率会上升。

根据脱盐率的计算公式：

可得到各组的脱盐率如表3所示。

表3 土壤脱盐率

由表中数据可知，土壤脱盐率从大到小依次表现为W1、C2、W2、C1、C3、CK、C4。这说明在掺入相同质量比的生物炭后，第二种生物炭有着比第一种生物炭更良好的脱盐性能；同时，在C1、C2、C3、C4 这四个应用第一种生物炭的组中，C2（第一种生物炭改良剂，质量比2%）的脱盐率最大，即脱盐效果最佳，C4（第一种生物炭改良剂，质量比5%）的脱盐效果甚至不如没有掺入生物炭的纯土脱盐效果好。

综上，从本试验的数据结果来看，对于相同质地的表层土壤，采用质量比为1%左右的稻壳生物炭效果比小麦秸秆生物炭效果要好；对于小麦秸秆生物炭，采用质量比为2%左右的生物炭效果较好。

2.3 误差分析

在整个试验过程中，会产生误差的因素有很多，这些都会对试验的数据结果产生或多或少的影响，可能的影响因素如下：

1）土壤性质不均衡、不全相同。土壤虽然经过了打碎、过筛等步骤，但无法保证土壤性质的相似性，所以从土壤本身的性质来说就可能会对土壤含水量和土壤含盐量造成影响。

2）装填过程可能出现的问题。①在装填过程中需要压实，但因为力道的控制问题和人的视力问题，可能会出现压实后的土壤容重不同、土壤压实面不平整的现象，会影响土壤的孔隙率，进而影响水的入渗速度和土壤饱和含水量；②因为本次试验所用的仪器为PVC 管而非有机玻璃管，因此无法看到入渗的过程，只能通过TDR 仪器的测量大致推断入渗过程；③在让土壤与生物炭混合的工程中，无法完全保证生物炭与土壤混合的均匀性，这对后续的取土测量含盐量也有着一定的影响。

3）试验过程中可能出现的问题。①马氏瓶使用时间比较久，内部有一定的不明沉积物，即使清洗多次也不算非常干净，可能影响入渗液体的成分；②TDR 土壤水分测定仪本身使用多年，仪器的探头可能不再精确，土壤水分测量数值不算精准；③实验室所处环境较为炎热，处于土柱表面的水层可能会由于高温蒸发一部分，实际的入渗量达不到设计的入渗量；④取土的时候因为无法保证生物炭与土壤混合的均匀程度，因此可能会造成土壤中生物炭含量过多或者过少的现象，不利于含盐量的测量；⑤在使用电导率仪测量土壤含盐量时，可能会因为选取土壤过少的问题致使含盐量结果产生较大误差；⑥在使用DDBJ-350 便携式电导率仪测量上清液的电导率时，可能会因为测量时温度的变化与不同而对读数结果造成微小的影响。