生物炭对不同质地土壤水分扩散率的影响

生物炭对不同质地土壤水分扩散率的影响

土壤水分扩散率是土壤水分入渗和运移的重要参数之一。它反映了土壤水分的形态、形态的分布和导水性能，并影响土壤水分的运动。土壤扩散率受质地、粘粒含量、土壤密度、孔隙度和有机质等诸多因素的影响,在相对介质及不同环境下表现为不确定性。生物炭是一种富含有机碳、具有稳定结构、较大比表面积的粉状颗粒,多数呈碱性,因而作为土壤改良剂,可以有效增加土壤碳库储量,提高土壤肥力,改善土壤结构及PH值;提高土壤阳离子交换能力,从而有效促进植物对营养的吸收;为土壤微生物的生长与繁殖提供良好的土壤环境,促进土壤生态系统的养分循环,对维系土壤质量健康具有重要作用。GlaserB和DuganE等研究发现生物炭具有一定的吸水能力,尤其是氧化后的生物炭可以提高砂质土壤的持水量,从而改善土壤持水能力。国内学者研究表明生物炭对于较粘土壤可增大土壤通透性,改善土壤水分入渗能力。本文在前人研究的基础上,以秸秆木炭及花生壳炭作为试验材料,着重研究生物炭对粉砂壤土、砂土扩散率及孔隙有效性的影响,为进一步研究生物炭对不同质地土壤的作用机理提供依据。1材料和方法1.1试验材料1.1.1土壤及土样供试土壤取自内蒙古巴彦淖尔市乌拉特前旗实验基地0~20cm粉砂壤土及和林试验基地的砂土,土样经风干、碾压过2mm筛备用。用激光粒度分析仪测试土壤的颗粒组成,供试土壤基本性质见表1。1.1.2活性炭和花生壳炭供试生物炭有2种,分别为秸秆木炭、花生壳炭。秸秆木炭为当地市场购买,花生壳炭采购于沈阳生物炭肥厂家,两种生物炭经粉碎后过2mm筛备用。两种生物炭中炭、氮、氢等元素的含量经专门仪器测试结果见表2。1.2平运动忽略重力作用的微分方程及定解条件实验室采用水平土柱进行土壤扩散率的测定,扩散度D(θ)是以土壤水分在较长的均质土柱中发生水平运动的条件下进行分析计算的。已知描述一维土壤水水平运动(忽略重力作用)的微分方程及定解条件为:式中:θ0初始含水率(cm3cm-3);θi进水端含水量,接近饱和含水量(cm3cm-3);x水平距离(cm);t时间(min);D(θ)土壤扩散率(cm2min-1)。对上述公式进行Boltzmann变换,转换为常微分方程求解,得出:为了便于计算,通常将式(2)改变为差分的形式,其表达式为:通过对(3)式的计算,便可根据θ~λ图中的数据,用列表法计算土壤水分扩散率D(θ)。1.3试验计划和测定2分析与讨论的结果2.1生物炭对粉砂土壤含水率的影响计算得出Boltzmann变换参数λ,与相对应的含水率θ点绘θ~λ关系曲线如图1、图2所示。λ值的大小表示水分在土壤中水平入渗时,湿润峰向前移动的快慢程度。从图1及图2中我们看出,生物炭对砂土的θ~λ关系曲线的影响较粉砂壤土更为明显,两种土壤的值均随含水率的增大而减小。在粉砂壤土中,秸秆木炭及花生壳炭的不同处理对土壤的关系曲线的影响规律基本一致,表现为秸秆木炭、花生壳炭在0.15gg-1处理时,含水率变幅最大,对应的值也较其他处理大;而在0.05、0.1gg-1处理时,土壤含水率的变幅同对照基本一致,湿润峰向前移动的速度较对照均小,说明粉砂壤土在0.05、0.1gg-1处理时,对土壤水分的运移起到抑制作用。砂土在两种生物炭的四种配比下含水率的变幅均随生物炭含量的增大而增大,且在相同配比时,添加花生壳炭砂土含水率的变幅较添加秸秆木炭的大;λ值变化范围随生物炭含量的增大而减小。说明添加生物炭能够增加砂土持水性,且随着添加量的增大,土壤持水性越强,相同配比时花生壳炭较秸秆木炭更能提高砂土的持水性,同时随着生物炭含量增大,土壤水分运移速度减慢。2.2生物炭对粉砂土壤扩散率影响图3为粉砂壤土在两种生物炭的相同配比下与对照土壤D(θ)~θ变化关系曲线。从上图中看出,两种生物炭在相同配比时对粉砂壤土扩散率的影响规律相同,即在0.05、0.1gg-1处理时,扩散率D(θ)均较对照减小,两种生物炭处理土壤扩散率基本一致;在0.15gg-1处理时,D(θ)较对照增大,经数据拟合得出土壤质量含水量与土壤扩散率具有极显著的正相关关系。符合D(θ)=aebθ的经验公式并呈指数曲线变化,如表3。2.3生物炭对土壤扩散率的影响图4为砂土在两种生物炭的相同配比下与对照土壤D(θ)~θ变化关系曲线。从图4看出,添加生物炭对砂土扩散率的影响较大,随着生物炭添加量的增大,砂土扩散率明显减小,生物炭施用量越大,土壤持水性能越好。秸秆木炭在0.05、0.1、0.15gg-1处理时土壤扩散率分别较纯砂土减小52.15%、70.81%、88.88%;花生壳炭在0.05、0.1、0.15gg-1处理时土壤扩散率分别较纯砂土减小83.01%、88.33%、96.16%,说明在砂土中施用生物炭能够增加土壤的持水能力,抑制水分在水平方向的扩散,且施用花生壳炭砂土的持水性能较施用秸秆木炭的效果更佳。砂土重量含水量与土壤扩散率之间具有极显著的正相关关系。符合D(θ)=aebθ的经验公式并呈指数曲线变化,如表4。2.4生物炭对粉砂孔隙度的影响试验测得粉砂壤土及砂土在四种处理下土壤容重及孔隙度如表5所示。从表5看出,粉砂壤土及砂土的容重均随生物炭含量的增大而减小,且在相同配比下添加花生壳炭土壤容重较添加秸秆木炭土壤容重更小;对于两种土壤孔隙度变化规律却不一致,表现为砂土孔隙度随生物炭含量的增大而增大,而粉砂壤土在0.05、0.1gg-1处理时,孔隙度较对照组减小,在0.15gg-1处理时,孔隙度较对照组略大。通过对土壤容重、孔隙度与土壤扩散率的相关性分析,得出秸秆木炭处理的粉砂壤土扩散率与容重(R2=0.085)无相关性、与孔隙度(R2=0.978)呈正相关,花生壳炭处理的粉砂壤土扩散率与容重(R2=0.041)无相关性、与孔隙度(R2=0.987)呈正相关;秸秆木炭处理的砂土扩散率与容重(R2=0.973)、孔隙度(R2=0.978)呈正相关,花生壳炭处理砂土的扩散率与容重(R2=0.859)、孔隙度(R2=0.792)呈正相关。由以上分析,说明添加生物炭改变土壤容重及孔隙度,进而改变了土壤扩散率,对于粉砂壤土来说,添加量为0.05、0.1gg-1时降低土壤持水量,添加量为0.15gg-1时土壤持水量较对照组略大;而对于砂土,添加生物炭可以减小容重、增大孔隙度、减小扩散率,增加土壤的持水性能。这可能是因为两种生物炭的比表面积较粉砂壤土的比表面积小,而较砂土的比表面积大,这就导致粉砂壤土施用生物炭后,土壤持水性减弱,而砂土施用生物炭后持水性增强。3生物炭对粉砂土壤持水性的影响生物炭对粉砂壤土、砂土扩散率的影响规律不一致,表现为粉砂壤土在0.15gg-1处理时扩散率较对照增大,在0.05、0.1gg-1处理时扩散率均较对照减小;砂土各处理随生物炭含量增大,扩散率减小。同时讨论了土壤容重、孔隙度对土壤扩散率的影响,指出添加生物炭使得砂土容重减小,孔隙度增加,进而改变了土壤扩散率,改良了砂性土壤的持水性;对于粉砂壤土,添加生物炭减小土壤容重,而孔隙度变化表现为不规律性,对于土壤扩散率的影响也呈现不规律性,添加生物炭对粉砂壤土持水性的影响并不明显。总之,在不同质地土壤中施加生物炭对于土壤的水力特性具有不同影响,对于越砂性的土壤,施加适量的生物炭可以显著改善土壤的持水性能,有利于提高作物的水分利用效率,而对于壤土类的影响规律呈现不一致性,其发生机理需要进一步研究。另外,生物炭对于作物水肥利用效率及在盐碱地上的适用效果也将是本课题下一步研究的内容。式中:λ=xt-1/2为变换参数。试验设计两种生物炭的用量均为:0、0.05、0.10、0.15gg-1,试验前将生物炭和土壤均匀混合,每个处理设3个重复。填装过程中,控制粉砂壤土、砂土的容重分别为1.39gcm-3及1.54gcm-3,其他处理填装过程均同对照组的击实次数和击实压力保持一致。粉砂壤土分层装入直径为5cm