竹炭型土壤調理劑對土壤水鹽運移及分布的影響

劉璐，張晴雯，潘英華*，陳雅囡，胡鑫隆

（1.魯東大學資源與環境工程學院，山東 煙臺 264000；2.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100086）

隨著經濟和社會的日益發展，土地供需矛盾更加突出，開發利用潛在的可利用土地資源愈加重要。鹽堿地是我國重要的耕地后備資源，采取適宜措施對其進行改良利用，對于國土資源開發，促進生態環境建設和農業可持續發展具有重要意義。

鹽堿土的理化性質較差，土壤生產力低下，且易引發諸多環境問題，如地下水礦化度增大，植被發育不良等。因此，對鹽堿土的改良愈發重要[1]。鹽堿地的治理措施主要有生物措施、工程措施、農業措施和化學措施，其中化學措施主要是指施用改良劑。土壤改良劑一方面可以改善土壤結構，提高鹽堿土排鹽降漬的能力；另一方面可以改變可溶性鹽基成分，增加鹽基代換容量，調節土壤酸堿度[2]。土壤改良劑具有見效快、實施方便等特點，是一種理想的鹽堿地改良措施[3]。

竹炭型土壤調理劑（Bamboo-charcoal Soil Amendment，簡稱BC）以竹炭、竹灰和酢液等為主要原料，具有多孔隙結構、高表面積、高陽離子交換量（CEC）、微堿性等特點，施入土壤后，可降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤持水量，在一定程度上對土壤鹽分運移具有顯著的影響。

近年來，生物質炭類物質對土壤水分運動和鹽分運移的研究較多。肖茜等[4]指出隨著生物炭添加量增大，風沙土和黑壚土的水分入滲速度和累積入滲量逐漸降低。岳燕等[5]的研究發現，當生物炭添加量為2%時，可顯著提高洗鹽效率，縮短鹽分洗脫時間。土壤鹽漬化程度不同，生物質炭的作用效果不一，生物炭在中度鹽漬化土壤中有助于土壤入滲，而在重度鹽漬化土壤中則起相反作用[6]。岑睿等[7]在粘土中施加生物炭，當施用量為30 t/hm2時，與對照相比，施用層（0～40 cm）入滲速率增加44.6%，耕作層土壤含水率增加8.9%，累積入滲量增加45.45%。許健[8]通過室內土柱試驗得出，竹炭對土壤鹽分表聚現象有顯著影響，其影響效果與竹炭添加量密切相關。以上成果表明，在土壤中適當添加生物質炭類物質，可對土壤水鹽運移起到一定的調節作用，但從目前的研究成果看，生物質炭類物質對鹽堿土鹽分離子空間分布的影響仍缺乏更深入的研究。

因此，本文以竹炭型土壤調理劑為主要改良劑，以鹽化潮土為研究對象，利用室內一維土柱入滲試驗，著重探討竹炭型土壤調理劑對鹽化潮土水鹽運移及分布的影響，以期為竹炭型土壤調理劑實際應用效果預測奠定一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣采自山東省濱州市濱城區農田0～30 cm土層。自然狀態剖面土壤容重為1.35 g/cm3，田間持水量為32.81%。土樣風干后，去除雜質，過2 mm篩。利用吸管法測定土壤機械組成，土壤砂粒、粉粒、黏粒質量分數分別為63.25%、28.32%、8.42%，質地為砂質黏壤土（國際制）。竹炭型土壤調理劑(BBP No.4)由上海時科生物科技有限公司生產，BC中生物炭含量大于35%，鈣含量大于3.3%。試驗時，為使改良劑與土壤充分混合，竹炭型土壤調理劑也經研磨后過2 mm篩。供試土壤與竹炭型土壤調理劑的鹽分含量狀況見表1。

表1 供試土壤與竹炭型土壤調理劑鹽分狀況Table 1 Salt status of test soil and bamboo-charcoal soil amendment

1.2 試驗設計

試驗設置竹炭型土壤調理劑占干土質量分數分別為0‰、4‰、8‰、12‰、16‰、20‰，共6個處理，分別記為CK、B4、B8、B12、B16和B20，每處理重復3次。考慮到田間僅有表層土壤與BC混合，因此，僅在土柱上部10 cm土層裝入混有BC的土樣。

1.3 試驗裝置

試驗裝置由土柱和馬氏瓶兩部分組成。土柱高50 cm，由內徑6.2 cm，高5 cm的有機玻璃圓環嵌套組裝而成。土柱底部5 cm裝一層石英砂，保證土柱的通氣透水性，石英砂與土樣間用濾紙隔開，最上一個圓環留做水室。裝土前，土柱內壁均勻涂抹凡士林，以減輕邊壁效應。裝土容重為1.35 g/cm3，按照5 cm/層分層裝土。

馬氏瓶內橫截面積21.23 cm2，高30 cm。試驗采用定額供水，入滲水量按田間持水量的75%計算，計算供水量約403 ml。土柱和馬氏瓶外部均有刻度尺，方便觀測記錄濕潤鋒和入滲量。

1.4 試驗方法及觀測項目

試驗分水分入滲和鹽分測定兩階段進行。入滲試驗采用一維垂直積水入滲方式，入滲開始后，保持土柱表面1.5～2.0 cm的積水深度，起初根據濕潤鋒移動距離記錄所用時間和馬氏瓶內水面下降的高度（入滲量），每厘米記錄一次；濕潤鋒到達10 cm后，按照先密后疏的原則，設定數據記錄的時間間隔，記錄濕潤鋒移動距離。入滲45 min之內，每1 min記錄一次；45 min到90 min之間每5 min記錄一次；90 min到120 min之間每15 min記錄一次，入滲歷時120 min后，每30 min記錄一次。記錄至所有設計水量入滲完畢，試驗結束。

入滲結束后，按2.5 cm/層分層取土，測定土壤鹽分狀況。用5∶1的水土比制備土壤浸提液，土壤鹽分狀況借助Na+、Cl-含量及電導率等指標反映。火焰光度計法測定Na+含量；硝酸銀滴定法測Cl-含量；電導率儀（DDS-12A，上海）測定浸提液電導率[9]。采用烘干法測定土壤含水率，其中，混施BC土層（0～10 cm）的含水率按照2.5 cm/層測定，未施用BC土層（10～40 cm）按5 cm/層測定。

1.5 數據處理與分析

采用Philip模型模擬入滲率的動態，入滲模型數學表達式為[10-11]：

式中：i為入滲率，cm/min；S為吸滲率，cm/min0.5；t為入滲時間，min；A為穩滲率，cm/min。對于短時間的入滲，土壤基質占主要優勢。因此，Philip入滲模型數學表達式為：

2 結果與分析

2.1 竹炭型土壤調理劑對土壤水分入滲性能的影響

2.1.1 濕潤鋒 圖1是不同BC施用量下土壤濕潤鋒（Soil wetting front depth，D）動態變化。由于試驗土柱0～10 cm層施用BC，考慮到該層次水分入滲性能可能與純土的入滲特性有所差別，因此，濕潤鋒推進過程分0～10 cm（圖1a）和0～40 cm（圖1b）兩段進行分析，著重研究BC對土壤水分入滲性能的影響。

圖1a中，各處理濕潤鋒推進10 cm（混施BC的土層）所用時間為：B12（31 min）＞B4（29 min）=B16（29 min）＞CK（28 min）＞B20（27 min）＞B8（26 min）。具體表現為，入滲初期（0-4min），各處理濕潤鋒推進到同一深度所用時間差異不明顯，可能是由于初期土壤均比較干燥，水勢梯度大，濕潤鋒推進速率都較快，各處理濕潤鋒動態曲線重合度較大，濕潤鋒深度愈接近10cm，各處理所用時間差異愈漸明顯。

圖1 竹炭型土壤調理劑的施用對土壤濕潤鋒的影響Fig. 1 Effects of application of bamboo-charcoal soil amendment on soil wetting front

圖1b是不同BC施用量（0～40 cm）對濕潤鋒運移的影響。在入滲初期，BC對土壤濕潤鋒的影響并不顯著（圖1a）。但隨入滲歷時延長，BC對濕潤鋒的影響表現得愈加顯著，各處理同一時間情況下的濕潤鋒推進距離差異增大。以入滲歷時240 min為例，CK、B4、B8、B12、B16和B20處理濕潤鋒的推進深度分別為25.2 cm、26.3 cm、28.2 cm、27.8 cm、29.1 cm和29.7 cm，施用BC各處理較CK分別增加4.5%、11.9%、10.2%、15.3%和17.6%。

2.1.2 累積入滲量 土壤水分入滲達到穩定之前，常用累積入滲量（I）來表征土壤的入滲能力[12]。各處理累積入滲量動態變化過程如圖2所示。累積入滲量曲線隨BC施用量變化趨勢基本與濕潤鋒變化相似，在入滲前期（0～30 min），不同處理間的差異不明顯；各處理累積入滲量隨時間的增加而增大，但增大幅度逐漸減小。入滲相同水量（403 ml）情況下，B20歷時300 min；B16、B8歷時360 min；B12歷時390 min；B4和CK歷時510 min。同樣，以 入 滲 240 min為 例，CK、B4、B8、B12、B16和B20的累積入滲量分別為9.8 cm、10.3 cm、11.6 cm、10.9 cm、12.1 cm、12.1 cm，各處理較CK分別增加5.1%、18.4%、11.2%、23.5%和23.6%，由此可見，BC對土壤水分入滲有一定的促進作用。

圖2 竹炭型土壤調理劑對土壤累積入滲量的影響Fig. 2 Effect of bamboo-charcoal soil amendment on cumulative infiltration

2.1.3 土壤含水率 圖3是各處理入滲后的土壤含水率剖面分布情況。由圖3可知，土壤含水率剖面大致分為3個區：過渡區、傳導區和濕潤區。0～10 cm為過渡區，土壤含水率在0～5 cm范圍內最高，含水率均在34%以上，6～10 cm有明顯降低；施用BC各處理0～10 cm土層的含水率均低于CK處理，各用量處理0～10 cm土層的平均含水率表現為：CK（35.02%）＞B4（34.40%）＞B8（34.37%）＞B16（33.92%）＞B12（33.88%）＞B20（33.37%），BC施用量越多，0～10 cm土層含水率越小。10～30 cm含水率變化較為平緩，推測是因為受到土質變化界面（10 cm）的影響，水分在此處聚積，受重力作用向下運動，并在此處形成傳導區。10～30 cm土層各處理土壤含水率表現為：CK（30.12%）＜B4（30.37%）＜B8（30.59%）＜B16（30.32%）＜B12（30.84%）＜B20（31.16%）。推測是施用BC后，改善了土壤的孔隙結構，同時增加了土壤溶液中的鹽分含量，擴散雙電子層向粘粒表面壓縮，土壤顆粒之間的排斥力降低，進而增強了土壤膠體之間的絮凝作用，有助于形成團粒結構，使土壤導水能力提高，更多的水分向下運輸[13]。30～40 cm為濕潤區，土壤含水率迅速下降到初始值（2.1%）。

圖3 竹炭型土壤調理劑對土壤含水率的影響Fig. 3 Effect of bamboo-charcoal soil amendment on soil water content

2.1.4 土壤水分入滲過程的動態模擬 表2是各處理水分入滲過程的動態模擬結果。由于試驗土柱0～10 cm層施用BC，該層次水分入滲性能與純土入滲性能可能有一定差別。因此，為了比較混施BC之后土壤水分入滲的差異，模擬結果按入滲歷時30 min和300 min兩種情況進行擬合。30 min是各處理水分滲透混施BC的土層（0～10 cm）的時間范圍；300 min則包含了固定水量入滲情況下各處理的完整入滲過程。

表2 各處理水分入滲過程的動態模擬結果Table 2 Dynamic simulation results of water infiltration process

由表2可知，決定系數R2均大于0.99，說明施用BC后能夠用Philip入滲模型來描述土壤水分的變化過程。進一步分析BC不同施用量對各入滲參數的影響，對于短時間入滲（入滲歷時30 min），施用BC后，土壤吸滲率均高于CK（吸滲率S為1.220），其中B8處理的S值最大為2.448 cm/min0.5，這說明施用BC，毛管力對土壤水分的吸收能力增強，BC能夠改善土壤孔隙狀況，進而增強土壤的通氣透水性。對于長時間入滲（入滲歷時300 min），除CK外，各用量處理之間土壤穩滲率A值變化沒有顯著的規律性，對于CK而言，土壤穩定入滲率出現負值，不符合垂直一維積水入滲的實際情況，模型在應用的過程中有待對參數進一步優化。

2.2 土壤鹽分空間分布特征

2.2.1 土壤電導率 土壤電導率是表征土壤水溶性鹽的一個重要指標，在一定程度上可以用土壤電導率表征土壤鹽分含量[14]。表3顯示各處理土壤剖面電導率的空間分布情況。

從表3可以看出，各用量處理土壤浸提液電導率的平均值隨著土層深度的增加呈增大趨勢，土壤鹽分“底聚型”分布較明顯。各處理中，B8處理最底層（30～40 cm）電導率僅為1.45 mS/cm，CK處理最大，為1.91 mS/cm。各土層浸提液電導率的變異系數在一定程度上揭示了鹽分在空間的分布特征[15]。由表3可知，B12處理垂直面的土壤浸提液電導率變異系數較大，其變異系數在16%～87%之間，屬于中強度變異性；B20、B16和B8處理土壤浸提液電導率變異系數較小，其變異系數在10%～64%、16%～61%和13%～73%之間。從土壤垂直剖面來看，各用量處理土壤電導率變異系數呈先減小后增加的趨勢。各處理0～20 cm土層浸提液電導率平均值小，變異系數小；20～30 cm土層浸提液電導率平均值較小，變異系數大；30～40 cm土層浸提液電導率較大，變異系數較大，但各用量處理相同層次的電導率變異系數則差異較小。

表3 各處理土壤剖面電導率統計特征Table 3 Statistical characteristics of soil electrical conductivity in the soil profile of each treatment

2.2.2 Cl-、Na+含量 由表1可知，Cl-和Na+是試驗土壤主要的鹽分離子，同時也是對作物生長危害最大的離子。因此土壤中的Cl-和Na+含量值得探究。

圖4是BC各處理土壤Cl-在剖面的分布情況。由圖可見，土壤濕潤區中Cl-在剖面上呈“L”型分布。各用量處理0～27.5 cm土層中Cl-含量差異較小，均接近于0。在27.5～35 cm，隨土層深度增加，土壤中Cl-含量急劇增加，各用量處理Cl-含量最高值均出現在30～35 cm，分別為Cl-B20（10.15 cmol/kg）、Cl-B16（10.60 cmol/kg）、Cl-B12（11.88 cmol/kg）、Cl-B8（9.92 cmol/kg）和Cl-B4（9.54 cmol/kg），分別較Cl-CK（12.75 cmol/kg）減少了20.4%、16.9%、6.9%、22.2%、25.2%；在35～40 cm，Cl-含量急劇減小，接近土壤Cl-含量的初始值。綜觀各處理0～27.5 cm土層中Cl-含量平均值，B4處理最低，僅有0.27 cmol/kg；其次是B8處理，脫鹽區Cl-含量平均值為0.29 cmol/kg。B12處理脫鹽區Cl-含量平均值最高，為0.53 cmol/kg。

圖4 竹炭型土壤調理劑對Cl-剖面分布的影響Fig. 4 Effect of bamboo-charcoal soil amendment on the distribution of Cl- profiles

圖5是BC各處理土壤Na+的剖面分布情況，土壤濕潤區中Na+在剖面上亦呈“L”型分布特征。0～25 cm土層內Na+含量隨土層深度增加緩慢增加，均低于Na+初始值（20.07 cmol/kg）；在25～35 cm范圍內，Na+含量迅速增加；在約35～40 cm深度范圍內，Na+含量迅速減小。在脫鹽區（0～25 cm）內，CK處理Na+含量平均值最高，為6.78 cmol/kg；B20處理Na+含量平均值最小，為5.20 cmol/kg，其次是B8處理，為5.67 cmol/kg，較初始值減少72%。可見，添加BC后，土壤Na+的淋洗效果較好。由各土層的Na+含量可見，20～35 cm土層是各用量處理Na+含量急劇增加的土層；BC各處理Na+含量均在31～35 cm土層達到最高值，具體表現為：Na+B12(79.74 cmol/kg)＞Na+CK(67.15 cmol/kg)＞Na+B16(66.60 cmol/kg) ＞Na+B4(54.20 cmol/kg)＞ Na+B20(50.00 cmol/kg)＞ Na+B8(48.74 cmol/kg)。由此可推斷，土壤中添加適量BC能降低土壤Na+含量，一方面是因為BC中的生物質炭改善了土壤的物理結構，提高了土壤水分入滲能力；另一方面可能是由于BC中少量Ca2+置換了鹽化潮土中的Na+。各處理脫鹽區Na+含量平均值而言，B8處理脫鹽區Na+含量平均值最小，為6.89 cmol/kg；CK處理脫鹽區Na+含量平均值最大，為8.02 cmol/kg。

綜合土壤電導率、Cl-、Na+含量，B8處理對鹽化潮土的改良效果較好。

圖5 竹炭型土壤調理劑對Na+剖面分布的影響Fig. 5 Effect of bamboo-charcoal soil amendment on the distribution of Na+ profile

3 討論

土壤鹽分隨著水分的運動而移動，土壤水分運動主要受到供水強度和土壤入滲能力的影響，供水強度屬于外部因素，而土壤入滲能力主要受土壤自身特性的影響，如土壤容重、質地、結構、初期含水量等[16]。本試驗探究了不同用量竹炭型土壤調理劑(BC)對鹽化潮土水分入滲以及水鹽分布的影響。

3.1 竹炭型土壤調理劑不同施用量對土壤水分入滲的影響

通過一維垂直土柱入滲試驗表明，BC不同施用量均能促進水分入滲。施加BC處理的濕潤鋒移動10 cm （混施BC的土層）歷時較短，曲線重合度高，這與土壤含水率低、基質勢較大及BC對土壤導水性能的促進有關。隨著入滲歷時的推進，土壤基質勢減小，其主要表現為濕潤鋒進程、累積入滲量曲線逐漸平緩，這與高海英等[17]的研究結果相一致。施用BC后，鹽化潮土中的大孔隙可能增加，進而促進了土壤水分入滲。從歷時240 min時濕潤鋒情況可以看到，施用BC各用量處理的濕潤鋒較CK分別增加4.5%、11.9%、10.2%、15.3%和17.6%。

由于BC具有多孔隙特征和比表面積大的結構特點，土壤中添加BC能明顯改善土壤的容重和孔隙結構，有效提高土壤含水量，影響土壤通透性和養分溶液的滲透及土壤持水性[18]，進而影響土壤水分的入滲與分布。各處理剖面水分分布也分為過渡區、傳導區和濕潤區。隨深度增加，土壤含水率逐漸下降到初始值（2.1%）。0～10 cm土層的含水率隨BC用量的增大而降低，B20處理的0～10 cm土層平均含水率為33.37%，CK處理0～10 cm土層含水率為35.02%；10～30 cm土層B20處理的平均含水率為31.09%，CK處理10～30 cm土層的平均含水率為29.82%。且施用BC處理的5～10 cm土層出現一個滯水層，且BC用量越大，滯水層越明顯，這與肖茜等[5]、王艷陽等[19]的研究結果相一致。這可能是由于BC本身具有多孔隙特點，增大了土壤孔隙度，BC施用層的導水性強、入滲性能好，到均質土層后，由于孔隙結構的變化，土壤水分入滲率下降，進而在土質變化的交界面形成滯水層。當入滲水流在重力勢梯度的作用下到達界面時，水分下滲變緩，造成水分積聚[19]。

利用Philip入滲模型擬合入滲率動態變化結果顯示，決定系數R2均大于0.99，但是，對于CK而言，土壤的穩定入滲率出現負值，與實際情況不符，因此模擬結果欠佳，模型在應用的過程中有待對參數進一步優化。

3.2 竹炭型土壤調理劑不同施用量對鹽化潮土鹽分空間分布的影響

通常情況下，土壤浸提液的電導率與土壤全鹽量呈正相關。研究表明，BC處理的土壤浸提液電導率的平均值隨土層深度增加而增大，土壤鹽分呈明顯的“底聚型”。B8處理底層土（30～40 cm）電導率最小，僅為1.45 mS/cm，CK處理最大，為1.91 mS/cm。B12處理土壤剖面電導率變異系數較大（16%～87%），屬中等變異性。

Cl-和Na+是鹽漬化土壤的主要鹽分離子。目前，關于BC對土壤鹽分離子作用機制的研究較少。BC能夠有效降低鹽土中鹽分離子的含量，一方面是因為BC密度較低，能夠有效減小土壤容重，這意味著土壤的總孔隙度和大孔隙度增加，土壤中鹽分離子的淋洗效果更好，從而使得鹽土中的鹽分離子顯著減少；另一方面，BC的添加增加了土壤中有機碳的含量，再加上BC本身疏松多孔，可有效吸附土壤中的鹽分離子，使得土壤中的各鹽分離子含量隨BC用量增加而逐漸減少[20]。本文通過試驗發現，BC對土壤表層Cl-的淋洗影響較小，就各處理脫鹽區Cl-含量平均值而言，B4處理最低，為0.27 cmol/kg；其次是B8處理，脫鹽區Cl-含量平均值為0.29 cmol/kg。B12處理脫鹽區Cl-含量平均值最高，為0.53 cmol/kg。各處理脫鹽區Na+含量平均值而言，B8處理脫鹽區Na+含量平均值最小，為6.89 cmol/kg；CK處理脫鹽區Na+含量平均值最大，為8.02 cmol/kg。

4 結論

本文通過室內一維土柱垂直入滲試驗，研究了不同用量竹炭型土壤調理劑對土壤濕潤鋒、累積入滲量、土壤含水率、土壤含鹽量、Cl-和Na+含量的影響，得到以下結論：

1）BC可顯著提高土壤的入滲能力，在土壤中施加BC后，濕潤鋒的移動深度、累積入滲量均增大。同一入滲歷時（240 min）情況下，B4、B8、B12、B16和B20處理濕潤鋒的移動距離分別較CK增加4.5%、11.9%、10.2%、15.3%和17.6%；累計入滲量較CK增加5.1%、18.4%、11.2%、23.5%和23.6%。

2）BC的添加改變了土壤水分的空間分布，且土壤導水性能有所改善。隨BC用量增加，表層土壤（0～10 cm）含水率有降低趨勢，10～30 cm土層土壤含水率呈現增加趨勢。

3）各BC處理的土壤電導率隨土層深度增加呈增大趨勢，土壤鹽分呈明顯的“底聚型”分布特征；土壤浸潤區中Cl-和Na+在剖面上亦呈“L”型分布特征。

4）綜合土壤水分分布和鹽分淋洗狀況，在本實驗條件下，竹炭型土壤調理劑用量為8‰（8 g/kg，B8）時，對鹽漬化土壤的改良效果最好。

本研究僅針對BC對鹽化潮土水鹽運移及分布的影響進行了研究，且僅限于室內土柱實驗。BC在實際應用中，對不同質地和鹽漬化程度的鹽堿土會產生怎樣的影響，有待進一步探索。