不同礦化度微咸水灌溉條件下生物炭對鹽堿土水鹽運移影響

郭祥林，高鵬浩，高佩玲，2，呂慶鑫，吳畏，柴洪星

(1．山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049；2．山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

根據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計,我國鹽堿地面積9 913萬hm2,占全世界鹽堿地面積4%左右[1]。黃河三角洲地區(qū)是我國重要的糧棉油生產(chǎn)基地,自然資源豐富,但由于該區(qū)地下水礦化度高且埋藏深度淺,導(dǎo)致鹽堿地面積已達16.7萬hm2[2]。土地鹽堿化造成的土壤板結(jié),肥力下降,土壤貧瘠等問題[3],嚴(yán)重制約了該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

黃河三角洲地區(qū)淡水資源短缺,但地下微咸水資源豐富,微咸水作為非常規(guī)水資源,合理開發(fā)利用微咸水對緩解淡水資源短缺問題具有重要意義[4]。研究表明,長期使用微咸水灌溉土壤易發(fā)生次生鹽堿化危害[5]。近年來,相關(guān)學(xué)者關(guān)于微咸水安全利用方面做了大量研究。王全九等[5]研究發(fā)現(xiàn),采用去電子微咸水灌溉增加了土壤的入滲能力,且采用微咸水礦化度4 g/L增幅最大。王世斌等[4]指出,采用微咸水灌溉增加了土壤的含水率,低礦化度微咸水灌溉脫鹽效果最好,與淡水灌溉無明顯差異。劉小媛等[6]研究表明,咸淡水間歇組合灌溉更有利于土壤脫鹽,以先咸后淡次序灌溉更有利于上層土壤的脫鹽。楊文杰等[7]通過微咸水滴灌實驗發(fā)現(xiàn),低礦度微咸水灌溉具有較好的脫鹽效果,并增加了番茄產(chǎn)量。

生物炭是有機生物質(zhì)在高溫厭氧條件下裂解產(chǎn)生的一種富炭材料,因其豐富的孔隙結(jié)構(gòu),巨大的表面積,施入土壤具有降低土壤容重,提高土壤通透性和保水壓鹽的作用[8],被廣泛用于鹽堿地改良。胡劉淼等[8]研究發(fā)現(xiàn),施加生物炭降低了土壤容重,提高了土壤水穩(wěn)性團聚體數(shù)量,增加土壤通透性,較大改善了鹽堿土壤的物理性質(zhì)。田飛等[9]采用生物炭作為隔鹽層進行鹽堿土淋洗實驗發(fā)現(xiàn),生物炭增加了土壤的淋洗排水速率,加快了土壤脫鹽速率,且在抑制土壤返鹽方面具有很好的效果。王世斌等[10]研究發(fā)現(xiàn),摻加生物炭增加了鹽堿土壤的含水率,顯著降低了土壤含鹽量,以施加生物炭10 t/hm2改良效果最好。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對于使用微咸水與生物炭改良鹽堿地進行了一系列研究,但關(guān)于不同礦化度微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾繉S三角地區(qū)中度鹽堿土改良效果研究較少。本實驗以黃河三角洲中度鹽堿土為研究對象,在室內(nèi)進行一維垂直入滲實驗,分析探討微咸水與生物炭二者協(xié)同作用對鹽堿土水分入滲過程、水鹽運移及土壤pH值的影響,以期為黃三角地區(qū)合理開發(fā)利用微咸水資源改良鹽堿地提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用土取自東營市東營區(qū)六戶鎮(zhèn)中度鹽堿耕地,取土深度為40 cm,每20 cm分層取擾動土與原狀土。利用100 cm3環(huán)刀采取原狀土,測定田間持水率和土壤容重,擾動土經(jīng)自然風(fēng)干過篩(2 mm),混合均勻制成實驗用土并測定土壤的理化性質(zhì)：土壤類型為中度鹽化土,田間持水率為26.62%,土壤容重為1.45 g/cm3,pH值為8.18,電導(dǎo)率EC5∶1為1.162 mS/cm,土壤全鹽量為2.65 g/kg,風(fēng)干含水率為1%。利用Mastersizer3000型激光粒度儀測定土壤顆粒組成,砂粒占比44.17%,粉粒占比52.31%,黏粒占比3.52%,依據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)對供試土壤質(zhì)地進行劃分,屬于粉砂質(zhì)壤土。

實驗所用生物炭改良劑為小麥秸稈生物炭,是小麥秸稈在800 ℃下經(jīng)72 h熱解而成,生物炭的理化指標(biāo)見表1。

表1 生物炭理化指標(biāo)

實驗灌溉水質(zhì)共3種,分別為3 g/L微咸水、5 g/L微咸水和淡水(去離子水)。本實驗不同礦化度微咸水是根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤}分組成在實驗室配置而得,具體的化學(xué)試劑用量及微咸水的實測礦化度見表2。

表2 實驗用水的化學(xué)組成及實測礦化度 單位：g/L

1.2 實驗裝置

本實驗為室內(nèi)一維垂直入滲實驗,實驗裝置主要包括實驗土柱和馬氏瓶,土柱尺寸為直徑8 cm,高90 cm,土柱兩側(cè)壁上,每5 cm有直徑1.5 cm的取樣口,用于實驗結(jié)束后分層取樣。馬氏瓶設(shè)計尺寸為直徑8 cm,高度50 cm。

1.3 實驗設(shè)計

本研究采用一維垂直入滲實驗,探究了不同微咸水礦化度下生物炭對鹽堿地改良效果的影響,實驗共設(shè)置：CK(淡水)、W1(3 g/L微咸水)、W2(5 g/L微咸水)、W1X1(3 g/L+小麥秸稈5 t/hm2)、W1X2(3 g/L+小麥秸稈10 t/hm2)、W1X3(3 g/L+小麥秸稈20 t/hm2)、W2X1(5 g/L+小麥秸稈5 t/hm2)、W2X2(5 g/L+小麥秸稈10 t/hm2)、W2X3(5 g/L+小麥秸稈20 t/hm2)共9個處理,每個處理重復(fù)三次。土柱裝土80 cm,將土樣按1.45 g/cm3容重分16層裝填,每層裝填深度為5 cm,單層土重365 g,裝填后用打毛器進行層間打磨,保證土樣均勻性。0～20 cm裝填生物炭與原土的混合土樣,20～80 cm裝填原土,裝填完畢后在土壤表面覆蓋一層濾紙,避免供水時對土壤表面造成沖刷。根據(jù)計劃濕潤區(qū)深度40 cm、土壤田間持水率和容重計算灌水定額為14.86 cm,實驗過程中始終控制入滲水頭為2 cm。

1.4 測定指標(biāo)及方法

土壤含水量：采用烘干法進行測定[3]。

土壤含鹽量：樣品烘干冷卻后研磨、過篩,制取水土比為5∶1的土壤浸提液,利用(雷磁DDS-11A型)電導(dǎo)率儀測定土壤浸提液的電導(dǎo)率[6]。根據(jù)該地區(qū)土壤浸提液電導(dǎo)率與土壤含鹽量的線性關(guān)系,將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量,轉(zhuǎn)換公式為

y=2.281 1EC5∶1-0.001 5,

(1)

式中：y為土壤含鹽量(g/kg),EC5∶1為25 ℃條件下土水比為1∶5的浸提液電導(dǎo)率(mS/cm)。

pH值：使用電子天平秤取待測樣品6 g,放入離心管按照水土比2.5∶1加入去離子水,離心后用pH測定儀(梅特勒-托利多pH計)測定。

土壤脫鹽率計算公式如下：

(2)

式中：ra為土壤脫鹽率(%),A為土壤脫鹽量平均值(g/kg),B為土壤初始含鹽量(g/kg)。

土壤脫鹽區(qū)深度(DS)：土壤含鹽量低于土壤初始含鹽量的深度。脫鹽區(qū)深度系數(shù)計算公式如下：

fDs=DS/H,

(3)

式中：fDs為脫鹽區(qū)深度系數(shù),DS為脫鹽區(qū)深度,H為濕潤鋒運移深度。

達標(biāo)脫鹽區(qū)深度(DSS)：土壤含鹽量小于冬小麥、夏玉米苗期耐鹽閾值(2 g/kg)的土壤深度。達標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)計算公式如下：

fDs=DSS/H,

(4)

式中：fDss為達標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù),DSS為達標(biāo)脫鹽區(qū)深度,H為濕潤鋒運移深度。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel 2016處理數(shù)據(jù),利用Oringin 9.0繪制各處理濕潤鋒運移深度、累計入滲量與時間的關(guān)系曲線,以及水鹽垂直分布曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤水分入滲影響

不同礦化度微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾繉ν寥罎駶欎h運移和累積入滲量影響如圖1和圖2所示。由圖1可得,入滲結(jié)束后,與CK相比,各處理均降低了最終濕潤鋒運移深度,其原因可能為微咸水與生物炭改變了土壤結(jié)構(gòu)增加了土壤持水能力[10-11];相同入滲歷時條件下,采用微咸水灌溉濕潤鋒運移深度均大于CK,微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾繚駶欎h運移深度均高于未摻加生物炭處理,且在3 g/L微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾康臐駶欎h運移深度大于5 g/L微咸水時;累積入滲量隨時間的變化過程與濕潤鋒規(guī)律相同,均呈現(xiàn)隨著時間延長速率逐漸減緩的趨勢(圖2)。累積入滲量達到灌水定額(14.86 cm)時,各處理入滲歷時表現(xiàn)為W1X1 >W1X2 >W1X3 >W2X1 >W2X2 >W2X3 >W2 >W1 >CK,這說明微咸水灌溉增加了土壤入滲能力,且隨著微咸水礦化度增加而增加。在微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾繉ν寥廊霛B性能提升更優(yōu),且在施加等量生物炭條件下,采用3 g/L微咸水灌溉土壤入滲速率優(yōu)于5 g/L微咸水時,其中,W1X1處理效果最好,入滲速率較CK增加72.43%,W1X2略低于W1X1。

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L圖1 不同礦化度微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾繚駶欎h運移深度隨時間的變化

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L圖2 不同礦化度微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾坷鄯e入滲量隨時間的變化

2.2 對土壤剖面含水率的影響

圖3為不同礦化度微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾客寥榔拭婧史植记€,從圖3可得,各處理土壤含水率均隨著土層深度增加而降低,在0～40 cm土層,采用微咸水灌溉處理土壤含水率較CK增加3.91%～4.63%,其中W2處理土壤含水率最高,說明微咸水灌溉增加了土壤含水率;在整個土層,W1X1,W1X2,W1X3,W2X1,W2X2,W2X3處理的土壤含水率較CK分別增加5.09%,6.42%,5.91%,6.33%,7.69%,4.98%,說明微咸水灌溉條件下,摻加生物炭進一步提升了土壤的保水能力,且在施加等量生物炭條件下,采用5 g/L微咸水灌溉土壤含水率均高于3 g/L微咸水時,其中W2X2處理土壤含水率最大,W1X2略低于W2X2。

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L圖3 不同礦化度微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾客寥榔拭婧史植记€

2.3 對土壤鹽分分布的影響

土壤鹽分含量對作物生長發(fā)育起到重要作用,當(dāng)土壤鹽分超過作物耐鹽閾值會抑制作物生長,因此鹽堿地的改良必須將脫鹽效果作為重要的因素[12]。入滲完成后各處理土壤剖面含鹽量分布曲線如圖4所示,各處理土壤含鹽量隨著土層深度增加而增加。在0～35 cm土層,各處理土壤含鹽量均低于初始含鹽量,土壤含鹽量具體表現(xiàn)為W2X3 >W2 >W2X1 >W2X2 >W1 >W1X3 >W1X1 >W1X2 >CK。微咸水灌溉處理的土壤含鹽量均大于CK,其中采用5 g/L微咸水灌溉土壤含鹽量增加最大,較CK增加154%。摻加生物炭可增加土壤鹽分的淋洗,隨著生物炭施加量增加,土壤含鹽量先降低后增加,施加等量生物炭條件下,采用5 g/L微咸水灌溉土壤含鹽量較3 g/L微咸水增加31.6% ～ 38.9%。在35～40 cm土層,各處理土壤含鹽量開始大量累積,并在濕潤峰處達到最大值。

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L圖4 不同礦化度微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾客寥榔拭婧}量分布曲線

為進一步評價各處理的脫鹽效果,引入土壤脫鹽率ra,脫鹽區(qū)深度DS,脫鹽區(qū)深度系數(shù)fDS,達標(biāo)脫鹽區(qū)深度DSS,達標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)指標(biāo)fDss等指標(biāo)對各處理的脫鹽效果進行評價。

由表3可知,各處理脫鹽率、脫鹽區(qū)深度、達標(biāo)脫鹽區(qū)深度均低于CK,且隨著入滲水礦化度增加而降低。除W2X3處理,微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾刻幚砻擕}率平均值均低于未摻加生物炭處理, 在施加等量生物炭條件下,采用3 g/L微咸水灌溉的脫鹽率平均值均低于5 g/L。入滲結(jié)束后,各處理的脫鹽區(qū)深度、達標(biāo)脫鹽區(qū)深度均大于34 cm,超過小麥主根區(qū)深度(0～30 cm),不會對作物產(chǎn)生鹽脅迫影響,具有良好的脫鹽效果。各處理的脫鹽區(qū)深度系數(shù)與達標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)均高于CK,其原因可能為微咸水灌溉與摻加生物炭改變了土壤結(jié)構(gòu),增加了土壤保水能力,降低了最終濕潤峰深度[13]。綜合圖4和表3可得,各處理均增加了土壤含鹽量,但不會對作物產(chǎn)生鹽害作用,其中W1X2處理脫鹽效果最好,脫鹽率達53.74%。

表3 各處理脫鹽效果評價

2.4 對土壤pH值影響

從圖5可得,隨著土層增加,土壤pH呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。0～40 cm土層土壤pH趨勢與土壤鹽分呈負相關(guān)。入滲完成后各處理土壤平均pH值表現(xiàn)為W1X3 >W1X2 >W1X1 >W1 >W2X3 >W2X2 >W2X1 >W2 >CK。微咸水灌溉增加了土壤平均pH值,在微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾刻幚硗寥榔骄鵳H值均高于未摻加生物炭處理,且隨著生物炭施加量的增加而增加。 在3 g/L微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾刻幚硗寥榔骄鵳H值略高于5 g/L微咸水,且各處理之間均無顯著性差異。

(a) 3 g/L

(b) 5 g/L圖5 不同礦化度微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾客寥纏H變化曲線

3 討論

土壤發(fā)生鹽堿化會破壞土壤原有的物理結(jié)構(gòu),造成土壤板結(jié)等問題。研究表明,采用微咸水灌溉與摻加生物炭能改善土壤物理結(jié)構(gòu),增加土壤的入滲能力。本研究中采用微咸水灌溉增加了土壤的入滲能力,且土壤的入滲能力隨著微咸水礦化度的增加而增加,這與劉小媛等[14]的研究結(jié)論一致,其原因為,隨著鹽分濃度增加,擴散雙電子層向黏粒表面壓縮,土壤顆粒間斥力降低,有利于土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成,進而增加了土壤的入滲能力[4]。微咸水灌溉條件下,摻加生物炭進一步提升了土壤入滲能力,且在3 g/L微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾客寥廊霛B能力優(yōu)于5 g/L微咸水,這與王世斌等[13]得出的微咸水條件下?lián)郊由锾繒M一步增加土壤入滲能力的結(jié)論一致。

土壤保水能力是評價鹽堿地改良效果的重要因子。本研究表明,微咸水灌溉增加了土壤含水率,且采用5 g/L微咸水灌溉土壤含水率高于3 g/L微咸水灌溉土壤含水率,這與吳忠東等[15]土壤含水率隨著微咸水礦化度增加而增加的結(jié)論一致。微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾刻幚淼耐寥篮矢哂谖磽郊犹幚?其原因為生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu),施加生物炭促進土壤團聚體的形成,提高了土壤的保水能力,這與劉月等[16]研究結(jié)論一致。

土壤鹽分對于作物生長起重要作用,但土壤含鹽量超過作物耐受限度會影響作物的生長,因此土壤含鹽量是鹽堿地改良的重要參考因素。本研究發(fā)現(xiàn),采用微咸水灌溉增加了土壤含鹽量,且土壤含鹽量隨著微咸水礦化度的增加而增加,其原因可能為微咸水自身帶有鹽分,采用微咸水灌溉會使鹽分進入土壤,而灌溉后水分蒸發(fā),鹽分逐漸積累在土壤中,從而導(dǎo)致土壤含鹽量增加[13]。微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾吭黾恿送寥利}分的淋洗,但隨著生物炭施用量的增加,鹽分淋洗的效果變低,且在施加等量生物條件下,隨著微咸水礦化度增加對土壤鹽分的淋洗作用減弱,這與雷傲云等[17]研究結(jié)論一致。從脫鹽效果來看,與淡水灌溉相比,各處理均增加了土壤含鹽量,但在0～30 cm土層,各處理土壤含鹽量均未超過作物耐鹽閾值,不會對作物產(chǎn)生鹽害作用,具有良好的脫鹽效果,其中W1X2脫鹽效果最好,脫鹽率達53.74%。

土壤pH值是衡量土壤堿化程度的重要指標(biāo),本研究表明采用微咸水灌溉增加了土壤的平均pH值,這與劉易等[18]微咸水灌溉增加了土壤鹽分進而增加了土壤pH值結(jié)論一致。在微咸水灌溉條件下,施加生物炭進一步增加了土壤的平均pH值,且隨著生物炭施加量的增加而增加,這與張雯等[19]的結(jié)論存在差異,其原因可能為本研究生物炭采用的為堿性生物炭,施入后會進一步增加土壤的pH;此外,實驗所用的土壤和生物炭的理化特性也會影響結(jié)果,因此可以根據(jù)土地類型條件選擇合適的生物炭。

4 結(jié)論

1)微咸水灌溉條件下,摻加生物炭提高了土壤的入滲能力,且在施加等量生物炭下,采用3 g/L微咸水處理的土壤入滲能力優(yōu)于5 g/L時,其中W1X1處理效果較優(yōu),W1X2略低于W1X1。

2)微咸水灌溉增加了土壤含水率,摻加生物炭進一步增加了微咸水灌溉條件下土壤含水率,且采用5 g/L微咸水摻加生物炭處理土壤含水率高于3 g/L時,其中W2X2處理較CK增幅最大,W1X2與W2X2差異較小。

3)微咸水灌溉條件下?lián)郊由锾吭黾恿送寥篮}量,但各處理達標(biāo)脫鹽區(qū)深度均達到34 cm以上,不會對作物產(chǎn)生鹽害作用,且采用3 g/L微咸水灌溉摻加生物炭土壤含鹽量均低于5 g/L微咸水時,以W1X2處理脫鹽效果最好,脫鹽率達53.7%。

4)微咸水灌溉下,摻加生物炭進一步增加了土壤pH值,施加等量生物炭下,采用3 g/L微咸水灌溉土壤pH值高于5 g/L,且各處理無顯著差異。綜上所述,微咸水灌溉條件下施加生物炭可以增加土壤入滲能力和土壤含水率,不會對作物產(chǎn)生鹽害作用,具有良好脫鹽效果,其中采用3 g/L微咸水灌溉配合10 t/hm2小麥秸稈生物炭效果最好。