不同调控模式下寒区土壤物理结构与水力特性改良研究.pdf
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1、2023年9 月第54卷第9 期农报业学机械doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.09.037不同调控模式下寒区土壤物理结构与水力特性改良研究付强1,2石净1李天霄1,2侯仁杰1,2(1.东北农业大学水利与土木工程学院,哈尔滨150 0 30;2.东北农业大学农业农村部农业水资源有效利用重点实验室,哈尔滨150 0 30)摘要:为探究季节性冻土区冻结前后施加生物炭和秸秆对农田土壤的改良效果,选取黑土作为研究对象,基于田间试验,设置4种不同调控措施(BL:空白对照;CLS:施用生物炭;JLS:施用秸秆;CJLS:联合施用),分析土壤团聚体稳定性、孔径分布特征、土壤水
2、分特征曲线、土壤累计入渗量、饱和导水率Ksa的变化,在此基础上,探究土壤持水性、导水性等土壤物理特性变异特征。结果表明,施用生物炭和秸秆有效抑制冻融循环作用对土壤结构的不利影响,有效保持土壤团聚体稳定性。施加外源生物质材料改善土壤孔隙分布,在冻结前期增加中间段孔径(0.3100m)比例,在外源生物质材料和冻融交替作用双重影响下,增加中间段孔径比例19.0 5%35.0 4%,增加土壤空隙(10 0 m)比例4.33%16.2 2%,降低极微孔径(0 0.3m)比例9.0 9%18.18%,其中CJLS处理表现最优。在冻结前期,施用生物炭和秸秆增加张力5cm条件下6 0 min的土壤累计入渗量7
3、 3.6 8%、6 0.52%、151.10%,而在融化期,受外源生物质材料冻融老化影响,其发挥的积极效应有所减弱,土壤累计入渗量最高仅增加112.2 8%。同时,施加生物炭和秸秆提高冻融前后的土壤饱和含水率,增强土壤持水能力,这有助于提高春季土壤抗干旱能力。在外源生物质材料和冻融循环双重作用下植物可用含水率增加,同时冻融前后Ksa均增加,但融化期CLS和JLS处理与BL的差异逐渐减缓。研究结果对于合理施用生物炭和秸秆资源、揭示改良土壤物理特性响应机制具有重要意义。关键词:生物炭;秸秆;持水性;导水性;土壤结构中图分类号:S156;S157文献标识码:A文章编号:10 0 0-12 9 8(2
4、 0 2 3)0 9-0 37 4-12OSID:Improvement of Soil Physical Structure and Hydraulic Characteristicsin Cold Regions by Different Regulation ModesFU Qiang1,2SHI JingLI Tianxiao.2HOU Renjiel.2(1.School of Water Conservancy and Civil Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China2.Key Labor
5、atory for High Effective Utilization of Agricultural Water Resources,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)Abstract:To investigate the effect of applying biochar and straw on the improvement of agricultural soilsbefore and after freezing in s
6、easonal permafrost areas,black soil was selected as the research object,andfour different regulation measures(BL:blank control;CLS:application of biochar;JLS:application ofstraw;CJLS:combined application)were set up based on field experiments to analyze the stability of soilaggregates,pore size dist
7、ribution characteristics and soil moisture characteristic curves.The resultsshowed that the variation of soil physical properties such as soil water holding capacity and hydraulicconductivity was investigated based on the variation of soil infiltration and saturated hydraulic conductivity(Ks.).The r
8、esults showed that the application of biochar and straw effectively suppressed the adverseeffects of freeze-thaw cycles on soil structure,and effectively maintained the stability of soil aggregates.The application of exogenous biomass materials improved soil pore distribution,increased the proportio
9、nof intermediate pore size(0.3 10 0 m)in the early freezing period,increased the proportion ofintermediate pore size 19.05%35.04%,increased the proportion of soil voids(greater than 100 m)收稿日期:2 0 2 3-0 1-19 修回日期:2 0 2 3-0 3-10基金项目:国家自然科学基金区域联合基金项目(U20A20318)、国家自然科学基金面上项目(512 7 9 0 33、52 2 7 9 0 35)
10、和国家杰出青年科学基金项目(518 2 59 0 1)作者简介:付强(19 7 3一),男,教授,博士生导师,主要从事农业水土资源高效利用研究,E-mail:f u q i a n g 0 6 2 9 12 6.c o m375付强等:不同调控模式下寒区土壤物理结构与水力特性改良研究第9 期by 4.33%16.22%,and decreased the proportion of very small pore size(0 0.3 m)by 9.09%18.18%under the combined effect of exogenous biomass materials and fre
11、eze-thaw alternation,and withthe CJLS treatment performing the best.In the pre-freezing period,the application of biochar and strawincreased the cumulative soil infiltration at 60 min under tension-5 cm by 73.68%,60.52%and151.10%,while in the thawing period,the positive effect exerted by freeze-thaw
12、 aging of exogenousbiomass materials was diminished,and the cumulative soil infiltration was increased by a maximum of112.28%only.Meanwhile,the application of biochar and straw increased the saturated soil watercontent before and after freeze-thaw and enhanced the soil water holding capacity,which c
13、ontributed tothe improvement of soil drought resistance in spring.The plant available water content was increasedunder the dual effect of exogenous biomass materials and freeze-thaw cycles,while Ksat was increased bothbefore and after freeze-thaw,but the difference between the CLS and JLS treatments
14、 and BL weregradually slowed down during the thawing period.The results of the study had important implications forthe rational application of biochar and straw resources,revealing the response mechanisms of improvedsoil physical properties.Key words:biochar;straw;water retention;water conductivity;
15、soil structure0引言东北地区是气候变化和土壤冻融循环的典型区域,而冻融作用作为一种非生物应力,破坏土壤物理结构,降低土壤持水性、导水性、渗透性等物理属性,从而导致土壤肥力降低,作物产量下降1-2 。同时,东北地区还存在严重的缺水干旱问题3。因此,寻找一种有效的调控措施来改善土壤结构、土壤水分动态,以此提高土壤有机质含量和土壤肥力,从而提高干旱土壤的物理、化学、生物修复能力非常重要。施用外源生物质材料被认为是改善土壤性质和提高粮食产量的有效策略。生物炭作为热解的一种固态产物,具有高孔隙度、高比表面积、强大的吸附能力以及稳定碳源的优势4。以往土壤试验应用中已被证明能够降低土壤容重,增
16、加土壤总孔隙度(So i l t o t a l p o r o s i t y,T P),从而提高保水增肥能力5-6 ;增加饱和导水率和土壤持水能力;改变土壤孔径分布、团聚体分布3,增加土壤团聚体稳定性7 。另外,秸秆材料能增加土壤有机质含量,改善土壤团粒性质,有机质会提高孔隙度、改变土壤密度,这是直接影响土壤质量的重要因素8 ;而秸秆覆盖可以保留浅层土壤水分,抑制其蒸发。此外,生物炭和秸秆的联合施用有利于增加土壤的毛管孔隙度、通气孔孔隙度,从而增加土壤的持水能力,减少水分无效流失9-10 。以往研究证实外源生物质材料的作用效果与其粒度分布、施加量有关,同时也取决于土壤类型、质地。OBIA等
17、 通过田间条件下研究不同种类生物炭及其粒径对土壤团聚体稳定性、容重、保水性和孔径分布的影响,粒径1 5mm生物炭显著影响壤土的容重,而不同种类生物炭在次年效应降低。WANG等12 研究指出,当生物炭孔隙体积较低或土壤质地较好时,生物炭对土壤水分保持的影响有限,而高剂量(10 t/hm)、大粒径(1m m)的高孔容生物炭可以提高土壤蓄水能力较弱的粗质地土壤的保水性,从而增强土壤在极端水文条件下的恢复能力。同时KINNEY等13 研究认为,40 0 6 0 0 热解的生物炭具有理想的水文特性(最小疏水性和高田间持水率),其中生物炭的官能团能很好地揭示生物炭的疏水行为,但这无法解释不同热解温度条件下
18、对田间持水率的影响,因此需要进一步研究土壤孔径分布的影响机制。此外,刘燕青等14 研究证明,秸秆覆盖减少土壤无效蒸发20%90%,但随时间尺度变化,效果逐渐减弱。同时,秸秆覆盖提高土壤含水率和作物水分利用效率,降低对播种、出苗的不利影响。张如鑫等15 基于2 年田间小区原位冻融试验,探究不同生物炭施加量(15、30 t/hm和无施加处理)对冻融期盐渍化土壤物理性质的影响机制,发现生物炭的持水性随生物炭施加时间的增长而增加,同时施加生物炭抑制冻融期土壤温度变幅,生物炭施加量30 t/hm作用效果显著。XIA等16 发现冻融循环老化生物炭对土壤的改良作用减弱。YAO等17 通过室内土柱试验,研究不
19、同大小秸秆对土壤的改良效果。研究发现添加秸秆提高土壤质量,增强保能力,且秸秆粉碎程度与土壤人渗量和蒸发量呈正相关,与土壤导水性呈负相关。上述研究很好地说明生物炭或秸秆从外源保持土壤养分、改善土壤结构、提高土壤蓄水保能力。然而,大部分研究集中于非冻结期,或是揭示单独添加有机质颗粒对冻土物理性质的改善效果。受冻融作用交替影响,冻融前后的土壤物理性质和物理结构产生差异,从而导致联合施用生物炭和秸秆对土壤改良效果并不清晰。本文依托田间试验,通过测定冻融前后土壤团农2023年376报机学业械聚体稳定性、土壤水分特征曲线、土壤孔径分布、饱和导水率、累计人渗量,阐述土壤持水性、导水性的变化规律,探究单独施加
20、生物炭、单独施加秸秆、联合施用对季节性冻土区农田土壤物理结构、水力性质的影响,阐明冻融作用对土壤物理性质的响应机制,进一步确定对季节性冻土区土壤物理结构、水力特性产生有利影响的改良剂组合,为优化生物炭和秸秆资源管理、丰富外源生物质材料对土壤改良机制提供实际参考。1材料与方法1.1研究区域概况试验于黑龙江省哈尔滨市东北农业大学水利综合试验场(12 6 43 0 7 E,4544 2 4 N)进行,海拔为139m,夏季炎热,冬季寒冷干燥,属于中温带大陆性季风气候。试验区域位置概况及试验场地布置如图1所示。试验场年平均气温为3.6,夏季平均气温2 7.9,冬季平均气温为14.2,年平均降雪量为2 3
21、.6 mm,年平均蒸发量132 6 mm。土壤冻结期从10 月中旬开始,11月中旬进人稳定冻结期。土壤融化期从次年4月下旬开始,最大冻深为180cm,整个冻融期有110 d左右是积雪覆盖期。试验区设置在空闲的农田中,地势平坦,夏季主要种植大豆或玉米作物,每年5月末开始翻耕播种,9 月末或10 月初收获,而在冬季冻融期内为无植被覆盖状态,积雪不作任何处理。120E123E126E129E132ENN.OSNo8试验场地布置对照组施加生物炭BLCLSNo8tN.9一主要河流取样点高程/m取样点施加秸秆联合施用179152JLSCJLS152186松花江186227No9t227275Not2753
22、33333403403515515728728106810681692Noth0100200300TRM-ZS1型气象生态环境监测系统km117E120E123E126E129E图1研究区域位置及场地布置示意图Fig.1Study area location and site layout map1.2试验材料试验材料按照土壤与去离子水质量比1:5、生物炭与去离子水质量比1:10、秸秆与去离子水质量比1:10 制备悬浮混合液,采用pH计(PHS-2F型,力辰科技公司)测定pH值C、N、H 元素含量采用元素分析仪(2 40 0 型,PerkinElmer,美国)进行测定;土壤有机质含量采用重铬酸
23、钾氧化外加热法测定;生物炭灰分含量采用马弗炉900下灼烧4h后称量测得,秸秆灰分含量采用马弗炉550 下灼烧4h后称量测得【18 。试验秸秆由玉米秸秆粉碎而成,试验生物炭由玉米秸秆在50 0 6 0 0 厌氧条件下烧制2 h而成,生物炭和秸秆均过2 mm细筛。试验材料基本理化性质如表1 所示。表1订试验材料理化参数Tab.1Physical and chemical parameters of test materials土壤参数数值参数生物炭秸秆砂土质量分数/%49.84 0.83pH值9.14 0.108.75 0.13淤泥质量分数/%35.89 0.71C质量分数/%69.60 3.12
24、46.50 2.19粘土质量分数/%17.27 0.48N质量分数/%1.28 0.131.08 0.21干密度/(gcm-3)1.40 0.011H质量分数/%1.93 0.314.13 0.18自然含水率/%24.30 0.97灰分质量分数/%25.18 3.968.35 3.41有机质质量分数/%25.86 0.53pH值5.76 0.121.3试验方案与采样试验于2 0 2 1年10 月一2 0 2 2 年5月进行,田间试验设置4个试验小区。每个小区为面积2 5m(5m5m)的样地,每一个处理设置3次重复。生DRo.25M,团聚体总质量,gM0.250.25mm水稳性团聚体含量(WRo
25、.25,%)、团聚体破坏百分比(PAD,%)4个指标来评价土壤团聚体稳定性,计算式为MWD=xW(1)GMD=expW,lnx;(2)MWRo.25 0.2 5mm的机械稳定性团聚体质量分数,%1.4.2土壤水分特征曲线使用高速冷冻离心机(CR21G型,日本)获取不同处理下的土壤水分特征曲线。用环刀取土并置于容器中浸泡2 4h,使其达到饱和状态后称量,置于离心机中待达到不同基质吸力(0、0.0 0 1、-0.003、-0.0 0 5、-0.0 1、-0.0 33、-0.0 5、-0.1、-0.3、-0.5、-1、-1.5M Pa)的平衡时间后称量,105干燥2 4h后计算不同吸力对应的体积含水
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