生物炭粒径对黄土地径流和土壤流失的影响

李玉龙

(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

黄土坡地由于植被覆盖率低,存在严重的土壤侵蚀问题,每年都有大量的黄土由于降雨而流失[2]。针对黄土地区水土流失严重导致土壤贫瘠、干旱、退化的问题,有研究人员提出,利用生物炭独特的理化性质,可以改善黄土的土壤退化,防止黄土的持续退化[3]。研究表明,生物炭对改善黄土质量具有积极作用和潜力[4]。因此,通过生物质热解技术将果树树枝转化为生物炭,作为土壤补剂应用于黄土,不仅是一种简单、可持续的农业废弃物处理方法,可以改善黄土的整体理化性质,帮助其保留养分,提高黄土高原作物产量。然而,黄土高原坡耕地与平耕地的主要区别是土壤侵蚀。因此,在黄土高原应用生物炭改良黄土坡地之前,明确生物炭对土壤侵蚀过程的影响是至关重要的[5]。

以往的研究表明,对于给定的生物炭和土壤类型,生物炭对土壤理化性质的有益影响取决于生物炭的施用量[6],但是生物炭粒径对土壤侵蚀的影响研究较少。本文选择了三种生物炭粒径,分别为<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2m m。通过研究生物炭粒径对黄土侵蚀过程的影响,确定生物炭粒径对径流和土壤流失变化的贡献。通过分析>2 mm水稳性团聚体含量和饱和导水率,揭示生物炭粒径对土壤侵蚀的影响机制。

1 材料与方法

1.1 土壤和生物炭

试验中的生物炭来自黄土地区当地修剪果树后的废弃树枝,使用生物质热解技术,将废弃树枝置于550°C的温度下并隔绝空气进行热解。在热解过程后,将获得的生物炭粉碎并通过0.25 mm、1 mm和2 mm的筛网,以获得不同粒径的生物炭(<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm)。土壤和生物炭的基本理化性质如表1所示。

表1 土壤和生物炭的基本理化性质

1.2 实验设计

为了保证了土壤和生物炭的人工处理接近自然土壤条件。在本研究中,严格按照当地农民的施用过程,先将不同粒径的生物炭与土壤进行充分混合,然后将混合均匀的土壤试样装入实验箱中,总深度为25 cm,堆积密度与自然耕作层相似。

将三种不同粒径的生物炭(<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm)混合到土壤中。根据相关文献研究,生物炭用量较小时,对黄土的理化性质改善较为明显[7]。因此,本研究中生物炭的用量为2%。以不添加生物炭的土壤为对照组。将各试验组的土壤试验放入塑料桶中进行培养。添加适量的水后将塑料桶密封,在试验大厅放置6个月,以确保生物炭对土壤性质的时间效应。培养后,将对照组和添加生物炭的土壤调整到约10%的含水量,然后将对照组和添加生物炭的土壤装入试验田。

将各试验组配制好的土壤分层均匀填入试验田,每次的填入厚度为5 cm,总深度为25 cm。为了保证每层填土之间的连续性,在每次填土之前,在上一层土体表面进行轻微的划刻。本研究的试验田是一个带孔的金属槽,尺寸为长1 m×宽1 m×深0.4 m。金属槽的坡度可以自由调整,由于岢岚县西北部为丘陵地带,本次试验的坡角设置为25°。在金属槽的每个部位的下边缘均安装了漏斗型出口,用来收集降雨产生的径流和沉积物。将准备好的试验田放置于降雨模拟器下,因为90 mm/h的降雨强度是发生在黄土高原的强暴雨的代表。因此本试验在90 mm/h的降雨强度下通过模拟降雨评价生物炭粒径对黄土地径流和土壤流失的影响。

1.3 降雨模拟

本次试验通过针头式人工模拟降雨系统进行降雨模拟。该系统能在一定范围内任意调节雨滴的尺寸和降雨强度,克服了野外观测降雨时费力的特点,大大缩短了试验周期,不受气候因素的影响,加快了实验进程。

针头式人工模拟降雨系统主要包括水箱、管道、喷头和流量调节单元,水箱通过管道与喷头连接,流量调节单元及泵站用于控制喷头的流量。在安装板上设置多组双层针头,多组针头按矩阵分布,内层针头与水箱泵站相连。每组针头中的多个针头的直径相等,多组针头中的各组针头的直径不相等,在进行降雨时,通过流量阀来控制不同组的针头进行降雨,通过调整气压控制针头端部的吹离力,就可产生对应不同大小的雨滴。该系统有效降雨面积为1 m×1 m,有效降雨高度为2 m,降雨强度在5～100 mm/h范围内,雨滴尺寸变化范围为0.5～5.0 mm,降雨均匀度>95%。

通过改变液流量和气压,将降雨强度调整为90 mm/h。每组试验模拟降雨的持续时间为60 min。在模拟降雨过程中,记录径流的时间,并使用容器连续收集径流和沉积物。最初的5个径流和沉积物样本每隔1 min收集一次,随后的5个样本每2 min收集一次,之后每3 min收集一次。

土壤团聚体是影响土壤侵蚀的主要性质之一,饱和导水率与入渗速率密切相关,从而影响径流和土壤流失。在本研究中,对土壤样品进行了土壤团聚体的测量,并使用湿筛法测量了>2 mm水稳性团聚体含量,然后烘干并称重。采用恒水头渗透性测试法测量饱和导水率。

2 结果分析

2.1 径流

图1显示了生物炭不同粒径对径流时间的影响。可以看出,与对照组相比,在土壤中添加生物炭后径流时间均有所增加。随着生物炭粒径的增加,径流时间逐渐缩短。生物炭粒径为<0.25 mm和0.25～1 mm,径流时间分别为2.88 min和2.82 min,径流时间缩短不明显。

图1 生物炭不同粒径对径流时间的影响

图2显示了生物炭不同粒径对总径流量的影响。可以看出,对照组的总径流量达到了49.63 kg/m2·h,为所有试验组的最大值,生物炭粒径<0.25 mm时总径流量为38.46 kg/m2·h,为所有试验组的最小值。对于添加生物炭的试验组,随着生物炭粒径的增大,径流总量呈先增大后减小的趋势。总体来看,生物炭的添加减少了总径流量。

图3显示了生物炭不同粒径对径流率的影响。在首次产生径流后的13 min内,各试验组的径流率迅速增加,随着时间的持续增加,径流率的增加速率逐渐平缓。从图中可以看出,对照组的径流率在所有持续时间内均高于其他试验组,添加生物炭可以减小径流率。

图3 生物炭不同粒径对径流率的影响

生物炭粒径为0.25～1 mm和< 0.25 mm时,两者之间的径流率存在明显差异,但生物炭粒径为0.25～1 mm和1～2 mm时,两者之间的径流率的差异非常小。总的来说,添加生物炭可以减少径流率。径流率随生物炭粒径的增大而增加。

2.2 土壤流失

图4显示了生物炭粒径对总侵蚀量的影响。可以看出,添加生物炭可以减小土壤的总侵蚀量。对照组的总侵蚀量最大,为1.82 kg/m2·min。生物炭粒径<0.25 mm时总侵蚀量最小,为1.52 kg/m2·min。随着生物炭粒径的增加,总侵蚀量呈先增大后减小的趋势。

图5显示了生物炭粒径对土壤侵蚀率的影响。从图中可以看出,各个试验组的土壤侵蚀率随着时间变化的变化规律大致相同,均呈现出先增加后减小的趋势。在降雨开始后7分钟之内,土壤侵蚀率迅速上升,在径流开始后的第7分钟达到峰值,随后随着降雨的持续进行,土壤侵蚀率逐渐下降,土壤侵蚀率下降速度逐渐趋于平缓。

图5 生物炭不同粒径对土壤侵蚀率的影响

与对照组相比,生物炭粒径为<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm时,土壤侵蚀率均小于对照组,随着生物炭粒径的增加,土壤侵蚀率呈先增大后减小的趋势。

2.3 水稳性团聚体

图6显示了生物炭粒径对>2 mm的水稳性团聚体含量的影响。如图所示,生物炭的添加导致>2 mm的水稳性团聚体含量增加,这表明生物炭有效地促进了小颗粒向大颗粒的聚集。对照组中>2 mm的水稳性团聚体的含量最低,为0.37%,生物炭粒径为1～2 mm时,>2 mm的水稳性团聚体含量最高,为0.71%。随着生物炭粒径的增加,>2 mm的水稳性团聚体含量呈先减小后增大的趋势。

2.4 饱和导水率

图7显示了生物炭粒径对饱和导水率的影响。如图所示,对照组的饱和导水率最低,仅为0.26 m/d。生物炭粒径为<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm时,饱和导水率分别为0.38 m/d、0.36 m/d和0.29 m/d。与对照组相比,添加生物炭可以增加饱和导水率,随着生物炭粒径的增加,饱和导水率呈逐渐减小的趋势。生物炭粒径为<0.25 mm和0.25～1 mm时,饱和导水率变化不明显。

图7 生物炭不同粒径对饱和导水率的影响

3 讨论

本文研究了模拟降雨条件下生物炭粒径对黄土坡地径流时间、径流和土壤流失的影响。结果表明,在一定条件下,将合理粒径的生物炭添加到土壤中会延迟径流时间,并减少径流和土壤损失。生物炭粒径<0.25 mm时效果最佳。

研究表明,在相同的生物炭施用量(2%)下,生物炭粒径对土壤侵蚀产生影响,但随着生物炭粒径的变化,径流和侵蚀率并没有统一的趋势。总的来说,本研究中使用的更小的生物炭粒径对延迟径流时间、减少径流和减小土壤侵蚀率效果更为显著。我们推测土壤侵蚀减少的主要原因是添加生物炭土壤中>2 mm的水稳性团聚体含量和饱和导水率的变化。本研究表明,与对照组相比,不同生物炭粒径可以有效提高>2 mm的水稳性团聚体含量和饱和导水率。饱和导水率随生物炭粒径的减小而增大,添加粒径为<0.25 mm的生物炭时,饱和导水率最高,>2 mm的水稳性团聚体含量含量中等。

本研究中使用的生物炭颗粒的分布一般比土壤颗粒的分布更大(表1),添加<0.25 mm生物炭颗粒对饱和导水率的改善最为显著。同样<0.25 mm生物炭颗粒对土壤侵蚀的控制也最优。然而,生物炭粒径为1～2 mm时,>2 mm的水稳性团聚体含量较高,但土壤侵蚀较其他试验组更为严重。这一结果可能是生物炭粒径为1～2 mm时饱和导水率导致的。小颗粒(0.25～1 mm)的生物炭具有较低的孔隙率,因此与大颗粒(1～2 mm)的生物炭相比,比表面积较低。这一特征削弱了土壤颗粒的结合力,导致>2 mm的水稳性团聚体含量降低。因此,施用大颗粒(1～2 mm)生物炭可获得比小颗粒(0.25～1 mm)生物炭更高的>2 mm的水稳性团聚体含量。然而,最小颗粒生物炭(<0.25 mm)与小颗粒(0.25～1 mm)生物炭相比,产生了更高的>2 mm的水稳性团聚体含量。这一结果可能是由最小颗粒的生物炭的较高的外表面积导致的。这一现象导致<0.25 mm生物炭中>2 mm的水稳性团聚体含量高于0.25～1 mm生物炭。

4 结语

本文通过模拟降雨测量了25°坡角上,生物炭粒径分别为<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm时黄土地的径流时间、径流量、土壤流失量、>2 mm的水稳性团聚体含量和饱和导水率。结果表明:

(1)与对照组相比,在土壤中添加生物炭后径流时间均有所增加,总径流量减少,径流率变小。随着生物炭粒径的增加,径流时间逐渐缩短,径流总量呈先增大后减小的趋势。径流率随生物炭粒径的增大而增加。

(2)添加生物炭可以减小土壤的总侵蚀量。总侵蚀量呈先增大后减小的趋势。与对照组相比,生物炭粒径为<0.25 mm、0.25～1 mm和1～2 mm时,土壤侵蚀率均小于对照组,随着生物炭粒径的增加,土壤侵蚀率呈先增大后减小的趋势。

(3)对照组中>2 mm的水稳性团聚体的含量最低,为0.37%,生物炭粒径为1～2 mm时,>2 mm的水稳性团聚体含量最高,为0.71%。随着生物炭粒径的增加,>2 mm的水稳性团聚体含量呈先减小后增大的趋势。

(4)与对照组相比,添加生物炭可以增加饱和导水率,随着生物炭粒径的增加,饱和导水率呈逐渐减小的趋势。生物炭粒径为<0.25 mm和0.25～1 mm时,饱和导水率变化不明显。