土壤混掺生物炭对微咸水蒸发特性的影响.pdf
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1、第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 6 资助项目:国家自然科学基金项目(5 1 9 6 9 0 1 2);甘肃省教育厅产业支撑计划项目(2 0 2 1 C Y Z C-3 3);济南市水务科技项目(J N S WK J 2 0 2 2 0 6);兰州理工大学红柳一流学科建设项目(0 8 0 7 J 1)第一作者:郑健(1 9 8 1),男,博士,教授,博士生导师,主
2、要从事农业水土工程研究。E-m a i l:z h j 1 6 8 2 21 2 6.c o m 通信作者:郑健(1 9 8 1),男,博士,教授,博士生导师,主要从事农业水土工程研究。E-m a i l:z h j 1 6 8 2 21 2 6.c o m土壤混掺生物炭对微咸水蒸发特性的影响郑 健1,2,3,孙 强1,2,石 聪1,2,宿智鹏1,2,王春霞4(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,兰州7 3 0 0 5 0;2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室,兰州7 3 0 0 5 0;3.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心,兰州7 3 0 0 5 0;4.临夏回族自治州水利科学研
3、究院,甘肃 临夏7 3 1 1 0 0)摘要:为探究不同生物炭混掺量对微咸水蒸发特性的影响,采用离心机试验和室内土柱模拟试验,设置3个生物炭质量添加比例(B0、B2、B4)和4个微咸水矿化度(W0、W1、W3、W5),分析不同处理对微咸水蒸发下的土壤水分特征曲线、孔隙分布、累积蒸发量、盐分运移、土壤温度日变幅的影响,并应用蒸发模型进行拟合分析。结果表明:生物炭和微咸水联合应用下能提高土壤持水能力,增加土壤中的较大孔隙和较小孔隙的比例;土壤累积蒸发量随着生物炭混掺量的增加先减少后增加,生物炭混掺量为2%时可以更好地抑制微咸水蒸发;R o s e蒸发模型可以较好地拟合微咸水蒸发;土壤中混掺生物炭可
4、以降低盐分表聚,使其在土壤中均匀分布;混掺生物炭可以有效降低土壤温度日变幅;相同生物炭施用量下,矿化度为3g/L的微咸水,可以降低01 0c m土层土壤平均温度,提高1 05 0c m土层土壤平均温度。综合考虑各项指标,处理B2W3的生物炭和微咸水更适宜农田施用,为西北干旱地区更好地利用微咸水灌溉提供理论依据。关键词:生物炭;微咸水蒸发;累积蒸发量;盐分运移;土壤温度中图分类号:S 1 5 2.7+3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 2 9 4-1 0D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0
5、 2 3.0 4.0 3 6T h eE f f e c t o fS o i lM i x e dw i t hB i o c h a ro nB r a c k i s hW a t e rE v a p o r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c sZ HE NGJ i a n1,2,3,S UNQ i a n g1,2,S H IC o n g1,2,S UZ h i p e n g1,2,WANGC h u n x i a4(1.C o l l e g eo fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i
6、n g,L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,L a n z h o u7 3 0 0 5 0;2.K e yL a b o r a t o r yo ft h eS y s t e mo fB i o m a s sE n e r g ya n dS o l a rE n e r g yC o mp l e m e n t a r yE n e r g yS u p p l yS y s t e mi nG a n s u,L a n z h o u7 3 0 0 5 0;3.C o l l a b o r a t i
7、v eI n n o v a t i o nC e n t e r f o rS u p p o r t i n gT e c h n o l o g yo fN o r t h w e s tL o w-C a r b o nT o w n s,L a n z h o u7 3 0 0 5 0;4.L i n x i aH u iA u t o n o m o u sP r e f e c t u r eI n s t i t u t eo f W a t e rR e s o u r c e sS c i e n c e,L i n x i a,G a n s u7 3 1 1 0 0)A
8、 b s t r a c t:T h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t b i o c h a rm i x i n ga m o u n t s o n t h e e v a p o r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o f b r a c k i s hw a t e rw e r e i n v e s t i g a t e db yc e n t r i f u g et e s ta n di n d o o rs o i lc o l u m ns i m u l a t i o nt e
9、 s t.T h r e eb i o c h a rm a s sa d d i t i o nr a t i o s(B0,B2a n dB4)a n df o u rb r a c k i s hw a t e rs a l i n i t yr a t i o s(W0,W1,W3a n d W5)w e r es e tu pi nt h ee x p e r i m e n t.T h e e f f e c t so fd i f f e r e n t t r e a t m e n t so ns o i lw a t e rc h a r a c t e r i s t i
10、 cc u r v e,p o r ed i s t r i b u t i o n,c u m u l a t i v ee v a p o r a t i o n,s a l tt r a n s p o r ta n dd a i l yv a r i a t i o no fs o i lt e m p e r a t u r eu n d e rb r a c k i s hw a t e re v a p o r a t i o nw e r ea n a l y z e d,a n dt h ee v a p o r a t i o n m o d e lw a su s e d
11、f o rf i t t i n ga n a l y s i s.T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m b i n e da p p l i c a t i o no fb i o c h a ra n db r a c k i s hw a t e rc o u l di m p r o v es o i lw a t e rh o l d i n gc a p a c i t yo fs o i la n di n c r e a s et h ep r o p o r t i o no f l a r g e ra n ds m
12、a l l e rp o r e s i ns o i l;T h ec u m u l a t i v ee v a p o r a t i o no fs o i lw a t e rf i r s td e c r e a s e da n dt h e n i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fb i o c h a rm i x t u r e,w h e nt h eb i o c h a rm i x t u r ew a s2%,b r a c k i s h w a t e re v a p o r a t i o nc
13、 o u l db ei n h i b i t e db e t t e r;R o s ee v a p o r a t i o n m o d e lc o u l df i tb r a c k i s hw a t e re v a p o r a t i o nw e l l;B i o c h a rm i x i n g i ns o i lc o u l dr e d u c et h es u r f a c ea c c u m u l a t i o no fs a l ta n dm a k ei te v e n l yd i s t r i b u t e di
14、ns o i l;B i o c h a rc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c e t h ed i u r n a lv a r i a t i o no fs o i l t e m p e r a t u r e;W i t ht h es a m ea m o u n to fb i o c h a ra p p l i c a t i o n,b r a c k i s hw a t e rw i t has a l i n i t yo f3g/Lc o u l dr e d u c et h ea v e r a g es o i l
15、t e m p e r a t u r eo f0-1 0c ma n d i n c r e a s e t h e a v e r a g e s o i l t e m p e r a t u r eo f 1 0-5 0c m.T a k i n ga l l t h e i n d e x e s i n t o c o n s i d e r a t i o n,t h eb i o c h a ra n db r a c k i s hw a t e r t r e a t e dw i t hB2W3a r em o r e s u i t a b l e f o r f a
16、r m l a n da p p l i c a t i o n,w h i c hp r o v i d e s a t h e o r e t i c a lb a s i s f o rb e t t e ru t i l i z a t i o no fb r a c k i s hw a t e r i r r i g a t i o n i na r i da r e a so fN o r t h w e s tC h i n a.K e y w o r d s:b i o c h a r;b r a c k i s hw a t e re v a p o r a t i o n
17、;c u m u l a t i v ee v a p o r a t i o n;s a l t t r a n s p o r t;s o i l t e m p e r a t u r e 西北地区耕地资源丰富,是未来国家保障耕地安全和粮食安全的重要区域1。但西北地区受气候条件变化和工业快速发展的影响加剧能源和粮食生产对水资源的竞争,对区域内本就匮乏的水资源如何高效利用提出更高要求2。而中国西北地区的地下微咸水(矿化度25g/L)储量约为8 8.7亿m33,如果能科学合理地利用,就能够为西北地区水资源匮乏的问题提供解决途径4。微咸水在提供作物生长所需要的水分的同时,也给土壤带入盐分,造成
18、土壤盐渍化的潜在危险5。与此同时,西北地区降雨量少,蒸发量大,土壤中盐分在蒸发作用和温度变化的影响下,更容易向土壤表层累积,形成表层土壤的盐渍化,对作物根系造成盐分胁迫,降低作物根系的有效吸水量,导致作物减产和品质降低6。因此,如何降低微咸水灌溉条件下盐分受蒸发作用在表层土壤的累积量,减少盐分在作物根层的聚集,对于缓解西北地区淡水资源匮乏、保障粮食安全有着重要的意义。生物炭是生物有机材料在缺氧或无氧的条 件下,经热裂 解后 产 生 的 固 体 有 机物7,具有多孔隙结构和较大的比表面积,可有效改善土壤水力特性8。生物炭的特性使其作为一种新型土壤改良剂施入后可以改变土壤的结构组成,从而影响水分蒸
19、发。孙枭沁等9研究表明,随着生物炭施用量的增加,盐渍土壤容重降低,土壤总孔隙度和大孔隙度增加;W a n g等1 0研究发现,生物炭施用量为1 0t/h m2增加土壤含水量和土壤加权平面储水量,施用生物炭可降低土壤平均温度的波动;李帅霖等1 1研究表明,施 用用量和施 用深度为4%、1 0c m和2%、2 0c m时 可 减 少 田 间 土 壤 无 效 蒸 发;而 许 健等1 2研究发现,生物炭添加量5%时能有效抑制土壤蒸发,添加量过高则可能促进土壤蒸发。从现有的研究来看,生物炭混掺对土壤水分蒸发和微咸水入渗影响的研究较多,而对于蒸发条件下微咸水灌溉协同生物炭对盐分运移和温度变化的研究还显欠缺
20、。基于此,本文采用室内土柱蒸发模拟试验,将生物炭能够改善土壤结构和土壤水力特性的特点与微咸水相结合,通过设置不同的微咸水矿化度和生物炭混掺量,探求生物炭混掺对微咸水蒸发、盐分运移和温度变化的影响,为微咸水在实际农业生产中的科学管理提供理论支撑。1 材料与方法1.1 供试材料(1)供试土壤。室内土柱试验于2 0 2 1年1 0月至2 0 2 2年5月在兰州理工大学能源与动力工程学院水工实验室进行,试验周期内采用空调将室内温度控制在(2 0 2)。试验土壤取自甘肃省兰州市魏岭乡狗牙村(3 6 0 2 N,1 0 3 4 7 E)农田的表层土壤(04 0c m),经过自然风干、碾压、去除杂物后过2m
21、m筛备用。土壤机械组成利用土壤比重计(TM8 5)进行测定,砂粒(20.0 2mm)、粉粒(0.0 2 0.0 0 2mm)、黏粒(B4B0;同一生物炭混掺量下,不同矿化度微咸水处理的土壤体积含水率大小为W0W3W5W1。说明土壤体积含水率受微咸水矿化度和生物炭混掺量的共同影响。图2 微咸水混掺生物炭对土壤体积含水率的影响2.1.2 微咸水混掺生物炭对土壤孔隙大小占比的影响 土壤孔隙特征综合反映土壤孔隙数量、孔隙大小分布以及空间分布状况,决定土壤水分的供应和保持能力1 4。土壤水分特征曲线可以间接反映土壤孔隙大小的分布,若将土壤孔隙设想为各种孔径的圆形毛管,那么土壤水吸力(s)和当量孔径(d)
22、的关系可简单地表示为1 5:s=4/d(8)d=3 0 0/s(9)式中:s为土壤水吸力(P a);为水的表面张力系数,室温条件下一般为7 5 1 0-5N/c m;d为当量孔径(mm)。根据公式(9)计算出当量孔径,可反映不同处理土壤中孔隙大小的分布。若土壤含水率1对应的当量孔径为d1,含水率2对应的当量孔径为d2,则土壤中孔径在d2与d1间的孔隙所占体积与孔隙总体积之比为1-2(12)1 5。因此,可根据不同处理土壤孔隙大小的分布情况,分析不同处理土壤持水能力的变化。由本试验选取的吸力可知,与其对应的当量孔径d分别为0.3 0 00,0.0 6 00,0.0 3 00,0.0 1 00,0
23、.0 0 60,0.0 0 43,0.0 0 30,0.0 0 10,0.0 0 06,0.0 0 04mm。不同处理土壤中的大、中、小孔隙所占比例见表1,处理B4W0、B2W0较B0W0处理土壤中的较大孔隙减少9.5 7%和6.8 4%,较小孔隙增加2.4 7%和5.3 0%,表明土壤施加生物炭减少土壤中的较大孔隙比例,增加土壤中的较小孔隙比例;处理B0W1、B0W3、B0W5较B0W0处理土壤中的较大孔隙增加5.1 8%,1 1.9 1%,7.0 3%,较小孔隙减少1.5 9%,1.1 5%,1.4 1%,表明微咸水的施加增加土壤中的较大孔隙的比例,减少土壤中的较小孔隙的比例;处理B2W1
24、、B2W3、B2W5较B0W0处理的土壤中的较大孔隙增加1.7 6%,0.6 8%,1.2 7%,较小孔隙增加5.5 7%,6.4 5%,4.9 5%,表明生物炭和微咸水联合施用下增加土壤中的较大孔隙与较小孔隙比例。不同处理土壤中的大、中、小孔隙均具有统计学意义。2.2 生物炭混掺量和微咸水对累积蒸发量的影响土壤蒸发是农田水分损失的主要途径,有效抑制土壤的无效蒸发,对于提高农田水分有效利用率和抑制盐分表层积累具有重要意义。在微咸水入渗条件下,土壤累积蒸发量(E)随时间(d)的变化情况见图3。从图3可以看出,随蒸发历时的推移,各处理的累积蒸发量随蒸发历时的延长呈上升趋势,日蒸发量逐渐减小。纯水蒸
25、发下在第2天和对照组差异明显,微792第4期 郑健等:土壤混掺生物炭对微咸水蒸发特性的影响咸水蒸发下在第3 4天和对照组差异明显;各处理蒸发过程可大致分为3个阶段1 5;初始1 2天为大气蒸发力控制阶段,平均累积蒸发量约为2 1.4 9mm;3 5天为土壤导水率控制阶段,平均累积蒸发量约为8.3 6mm;6 1 0天为水汽扩散控制阶段,平均累积蒸发量约为2.0 8mm。相同微咸水矿化度,不同生物炭混渗量处理的累积蒸发量均小于未混掺生物炭的处理,即2%处理4%处理0处理,说明生物炭对纯水和微咸水蒸发有一定抑制作用,且随着生物炭混掺量增大对水分蒸发抑制效果减弱;当生物炭混掺量为0时,不同矿化度微咸
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