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 石 净 李天霄 侯仁杰

(1.东北农业大学水利与土木工程学院,哈尔滨 150030;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 150030)

0 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,增加土壤总孔隙度(Soil total porosity,TP),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[11]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1～5 mm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/hm2)、大粒径(≥1 mm)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,400～600℃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/hm2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/hm2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,增强保墒能力,且秸秆粉碎程度与土壤入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、提高土壤蓄水保墒能力。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、累计入渗量,阐述土壤持水性、导水性的变化规律,探究单独施加生物炭、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(126°43′07′E,45°44′24′N)进行,海拔为139 m,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27.9℃,冬季平均气温为-14.2℃,年平均降雪量为23.6 mm,年平均蒸发量1 326 mm。土壤冻结期从10月中旬开始,11月中旬进入稳定冻结期。土壤融化期从次年4月下旬开始,最大冻深为180 cm,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。

图1 研究区域位置及场地布置示意图

1.2 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(2400Ⅱ型,PerkinElmer,美国)进行测定;土壤有机质含量采用重铬酸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4 h后称量测得,秸秆灰分含量采用马弗炉550℃下灼烧4 h 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500～600℃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 试验材料理化参数

1.3 试验方案与采样

试验于2021年10月—2022年5月进行,田间试验设置4个试验小区。每个小区为面积25 m2(5 m×5 m)的样地,每一个处理设置3次重复。生物炭和秸秆于2021年秋收后一次性均匀施撒在试验小区的表面,根据生物炭与秸秆的理化特性以及当地农业生产的需要,分别设置4种处理:单独施用生物炭(CLS,10 t/hm2)、单独施用秸秆(JLS,5 t/hm2)、联合施用生物炭与秸秆(CJLS,10 t/hm2+5 t/hm2) 以及自然对照(BL)处理,并使用传统农业旋耕机的方式,将生物炭和秸秆与耕层土壤(0～30 cm) 混合,使得试验小区各处颜色一致。

在冬季冻融时期各处理均保留自然状态的积雪不做任何干扰,所有处理积雪厚度一致,故本试验不考虑积雪对土壤的影响。

为了探究生物炭和秸秆对不同深度下土壤物理结构的影响,土样取样深度设置为L1:0～10 cm、L2:10～20 cm、L3:20～30 cm,在稳定冻结前期和融化期随机采样,并采用体积为100 cm3环刀采集不同土层原状土,每个土层3次重复,并在24 h内测定相关指标。

1.4 研究方法

1.4.1土壤团聚体稳定性

土壤水稳定性团聚体分布特征采用湿筛法[19]测定,并选取土壤团聚体稳定性指标——平均重量直径(MWD,mm)、几何平均直径(GMD,mm)、>0.25 mm 水稳性团聚体含量(WR0.25,%)、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

(1)

(2)

(3)

(4)

Mx<0.25——<0.25 mm团聚体质量,g

MT——团聚体总质量,g

DR0.25——干筛法测得>0.25 mm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(CR21GⅢ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24 h,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、-0.001、-0.003、-0.005、-0.01、-0.033、-0.05、-0.1、-0.3、-0.5、-1、-1.5 MPa)的平衡时间后称量,105℃干燥24 h后计算不同吸力对应的体积含水率和容重。通过Van Genuchten模型(V-G模型)[20]拟合基质吸力与体积含水率之间的关系。

为更好地评价冻融作用下生物炭和秸秆对土壤水力参数的影响,选取3个土壤水分特征参数:田间持水率(FC,吸力h为330 cm时的土壤体积含水率,cm3/cm3)、永久凋萎系数(PWP,吸力h为15 000 cm时的土壤体积含水率,cm3/cm3)、植物可用含水率(PAWC,FC和PWP差值,cm3/cm3)。

1.4.3土壤孔径分布

利用土壤水分特征曲线计算土壤孔径分布,吸力h和孔隙直径d的关系可表示为

(5)

式中σ——水表面张力系数,室温20℃时取7.5×10-4N/cm

结合本研究的吸力范围,将当量孔径分为3个部分:极微孔径:0～0.3 μm;中间段孔隙:0.3～5 μm (微孔径)、5～30 μm(小孔径)、30～75 μm(中等孔径)、75～100 μm(大孔径);土壤空隙:>100 μm。

1.4.4土壤饱和导水率和土壤累计入渗量

使用SW080B型张力入渗仪(渠道科技有限公司)测定土壤累计入渗量,并根据单位时间入渗水分量计算饱和导水率。为保证测量时仪器和土壤接触良好,在测定时,先铲除直径40 cm、厚度3 cm的土壤表面,去除植物根系、石块等杂物,再铺上一层硅质沙子,将入渗盘放置在沙子上,仔细检查各部位接触情况。检查完毕后开始测量负压水头-5 cm和-10 cm下的土壤入渗过程,1 min记录一次数据,直至稳定入渗停止测量。

根据WOODING[21]提出的在半径为R的土壤稳定入渗速率计算公式及GARDNER[22]公式

(6)

(7)

式中Q——单位时间入渗水分体积,cm3/h

H——土壤表面张力,N/cm

Ksat——土壤饱和导水率,cm/h

K——导水率,cm/h

r——储水管半径,cmα——常数

联合式(6)、(7),可得

(8)

(9)

(10)

式中H1——土壤表面张力,取-5 cm

H2——土壤表面张力,取-10 cm

将所求α代入WOODING公式、GARDNER公式即可得到土壤饱和导水率。

1.5 统计方法

采用SPSS 26.0、Origin 2018和Microsoft Visio软件进行数据处理并绘图。采用单因素ANOVA分析方法和最小显著性差异(LSD)方法检验不同处理之间的差异性和显著性,设置显著性水平p<0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体稳定性

土壤团聚体是评价土壤质量的重要指标。不同处理下各土层冻融前后土壤团聚体稳定性指标变化特征如图2所示(图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(p<0.05),下同)。施加生物炭和秸秆增加土壤MWD、GMD、WR0.25,降低PAD。以图2a为例,与BL相比,CLS、JLS、CJLS处理MWD增加18.50%、16.49%、36.49%,GMD增加24.42%、16.09%、27.24%,WR0.25增加10.09%、13.03%、20.09%,PAD降低9.92%、8.56%、15.32%。在生物炭和秸秆的作用下,土壤团粒易富集形成大团聚体,因而MWD、GWD增加,而WR0.25是土壤团粒的主要结构,也随之增加。进一步分析图2b、2c可知,土层深度由L1变化到L3层,MWD、GWD指标变化趋势一致,以GMD为例,CLS、JLS处理降低11.87%～13.91%、2.69%～3.59%,而联合处理略微增加1.99%～2.60%,这表明联合施用能更好地维持深层土壤大团聚形态;而WR0.25增加7.21%～8.86%、3.07%～17.34%、1.59%～22.04%。此外,土壤在冻融循环和外源生物质材料双重调控作用下,各指标变化幅度总体呈现减小趋势,以L1层的MWD变化为例,CLS处理从18.50%变为5.24%,JLS处理从16.49%变为7.63%,CJLS处理下的MWD降低到25.52%。这表明联合施加生物炭和秸秆能有效抑制冻融循环对土壤的破坏作用,提高土壤结构稳定性。此外,随着土壤深度的增加,变化趋势和冻结前期大体一致。

图2 土壤团聚体稳定性指标

土壤团聚体稳定性是提高土壤抗侵蚀能力、防止土壤退化的重要因素,也是影响土壤溶质运移、土壤持水能力的重要因素。施加生物炭和秸秆提高土壤团聚体稳定性,CJLS、CLS、JLS作用效果依次减弱,这是由于有机质颗粒能提高土壤颗粒的粘聚性,但生物炭是具有高孔隙度、高比表面积、强大的吸附能力的碳聚产物,通过内部颗粒凝聚力进一步增加团聚体对熟化膨胀的抵抗力,因此,单独施加生物炭的作用效果优于秸秆。但有研究认为采用热解700℃的山核桃壳生物炭降低团聚体稳定性[23],而添加热解550℃的桉树木材生物炭、稻草生物炭则对土壤团聚体稳定性没有影响[24],这些研究结果不同是土质类型、热解温度变化带来的生物炭特性不同而引起的,因此探究特定土壤条件下生物炭作用效果是有必要的。在经历多次冻融循环作用后,土壤团聚体稳定性降低,但是有机质颗粒的存在弱化冻融对土壤破坏作用。这是冻融作用改变有机质颗粒性质,破坏其完整性,导致降低团聚体稳定性产生的积极效应[25],因此,改良季节性冻土区农田土壤应注重考虑有机质颗粒老化效应的重要作用。

2.2 土壤孔径分布特征

土壤孔径分布深刻影响土壤水分-溶质运移、作物根系发育过程。不同处理下各土层冻融前后土壤孔径分布变异特征如图3所示。冻结前期施加生物炭和秸秆降低土壤空隙(>100 μm)、极微孔径(0～0.3 μm)比例,增加中间段孔径(0.3～100 μm)比例(图3a)。以L1层为例,与BL相比,CLS、JLS、CJLS处理分别降低土壤空隙比例35.72%、43.25%、51.11%,降低极微孔径比例1.85%、1.81%、4.09%,增加中间段孔径比例10.64%、12.32%、18.90%。这表明施加生物炭和秸秆会抑制两端孔隙的生成,促进土壤孔隙向中间段孔径发育。随着土壤深度的增加,各段孔径变化趋势一致,但极微孔径变化幅度随深度的增加而增加,土壤空隙和中间段孔径变化幅度则先降低后增加。此外,融化期施加生物炭和秸秆增加土壤空隙、中间段孔径比例,降低极微孔径比例(图3b)。与BL相比,CLS、JLS、CJLS处理分别增加土壤空隙比例4.33%、0.05%、16.22%,增加中间段孔径比例19.05%、25.84%、35.04%,降低极微孔径比例9.09%、11.21%、18.18%。这表明在冻融循环作用和外源生物质材料调控的双重影响下促进土壤孔隙向大孔径转化。深层土壤受冻融作用影响小于浅层土壤,随着土壤深度的增加,各孔隙变化幅度减小。

图3 土壤孔径分布特征

土壤孔隙是储存水分和空气的重要场所,密实土壤往往会破坏土壤孔隙空间,导致土壤持水性、通气性降低,同时形成新孔隙结构,降低孔隙的均匀性,影响持水能力。施加生物炭和秸秆则会改善孔径多样性、连通性,从而改善土壤结构及物理特性。AMOAKWAH等[26]研究认为施加外源生物质材料是增加土壤微孔(0～0.3 μm)数量的重要原因。这与本文结论不同,本文发现随着外源生物质材料添加到土壤里,增加的是中间段孔径比例,反而会减少土壤空隙和极微孔径比例,其中联合施用影响最大。中间段孔径比例增加归因于水分迁移及冻融变形,冻融作用使得土壤颗粒重新排列,促使水分向冻结锋面迁移,水分更易在较大孔隙中流动,从而中间段孔径更有储存水分的优势,因而中间段孔径比例增加。此外,WANG等[27]的研究也证实冻融交替作用改变土壤孔径分布特征,使孔隙向更大的孔隙发展。冻融变形使得孔径发展逐渐趋于稳定,在外源生物质材料的调控作用下,致使土壤孔隙向中间均匀化发展。通常利用孔隙分布特征来阐释土壤水分迁移运动过程,中间段孔隙依靠重力作用和毛细管力释放水和保留水,土壤和有机质颗粒之间形成的有效孔隙会进一步增加可容纳水分的空间,一定程度上可增加土壤持水能力。而冻融作用使得土壤孔隙重分布,需重新考虑多因素协同作用下土壤孔径变异特征。而融化期与冻结前期不同的是施加生物炭和秸秆增加土壤空隙比例,土壤空隙会影响水分迁移并可能在未完全融化期出现重新冻结水分的情况[28],也可能在融化期增加土壤水分入渗能力[29]。

2.3 土壤渗透能力

图4为不同处理在不同张力的条件下土壤累计入渗量的差异。在相同时间尺度上,各处理变化趋势一致,总体上呈现施加生物炭和秸秆增加土壤累计入渗量,且联合施加效果优于单独施加。分析图4a可知,在60 min时,CLS、JLS、CJLS处理与BL相比,土壤累计入渗量提高73.68%、60.52%、151.10%,随着张力增加,各处理累计入渗量从大到小由CJLS、CLS、JLS、BL变为CJLS、JLS、CLS、BL。此外,在10 min左右,土壤累计入渗量变化逐渐平缓。在土壤融化期内,不同张力下的土壤累计入渗量变化趋势与冻结前期一致,但变化幅度减小,影响效果减弱,CLS、JLS、CJLS处理与BL相比,土壤累计入渗量提高19.74%～63.16%、32.67%～53.29%、112.28%～120.39%。研究试验结果说明,施加生物炭和秸秆,能使土壤获得更多的入渗水分,一定程度上还可提高融雪水的利用效率。

图4 土壤累计入渗量变化曲线

土壤入渗能力与土壤质地、土壤机械组成、团聚体分布有关,而土壤入渗能力能够直接影响浅层土壤蓄水保墒能力,直接影响作物生长发育过程[30-31]。研究结果表明,冻结期和融化期土壤入渗能力与外源生物质材料施加方式有关,额外有机质颗粒的存在改变土壤孔隙分布特征,改变土壤水分运动过程,提高土壤入渗能力。以往研究表明,施加其他物质到土壤中会取代原有的土壤孔隙空间及挤压土壤空气,导致孔隙间的连通性受到破坏,这不利于土壤入渗过程,不利于表层土壤水分的维持[32]。这与本文研究结果不同,施加外源生物质材料增强入渗能力,并且联合施用处理下对土壤入渗效果具有显著的积极影响。这种变化可能与土壤孔隙数量变化和生物炭的疏水性有关,而有机质颗粒含量是决定颗粒作用影响土壤水分运动的重要因素,随着有机质颗粒的增加,可加强颗粒与水分运动之间的相关性,加强土壤入渗能力;其次,生物炭和秸秆颗粒给予水分更多的接触面积,产生更多水-土、水-颗粒等结合体,形成较大的团粒,而团粒的富集在一定程度上可以拓宽土壤水分通道。此外,土壤经历持续的冻融交替,添加的生物炭和秸秆逐渐老化,作用效果减弱,因而融化期的入渗水分总量低于冻结期。这与朱美壮等[33]研究结果类似,其采用双环入渗仪测定青藏高原多年冻土区土壤的入渗水分,测出冻结期前期入渗速率小于融化期,但最终入渗量大于后者。

2.4 土壤持水能力

土壤水分特征对作物生长发育、水分运移等活动有着至关重要的作用,土壤水分特征曲线可分析土壤持水能力。不同处理各土层冻融前后土壤水分特征曲线变化如图5所示。分析图5a可知,施加生物炭和秸秆可提高土壤饱和含水率(此时土壤体积含水率达到最大),以L1层为例,与BL相比,CLS、JLS、CJLS分别提高4.16%、6.11%、14.79%。在低吸力阶段(h<330 cm),曲线斜率由大到小为CJLS、CLS、JLS、BL,在中吸力阶段(33015 000 cm),曲线斜率由大到小为BL、JLS、CLS、CJLS。此外,施加生物炭和秸秆增大土壤体积含水率的差值(θ(h)),即初始吸力与最终吸力之间的θ(h)逐渐增大。与BL相比,CLS、JLS、CJLS的θ(h)分别增加15.12%、6.87%、33.96%,土壤持水能力逐渐增大。分析图5b、5c可发现,随土壤深度的增加,CLS、JLS、CJLS处理变化趋势一致,但变化幅度不同,CLS、CJLS作用效果增加,可提高土壤饱和含水率8.43%、12.76%和9.91%、16.67%,JLS作用效果降低,仅提高0.02%、6.18%。这可能与冻结前期土壤中间段孔径变化有关,随土壤深度的增加,CLS处理下土壤中间段孔径比例超过JLS处理;其次可能是生物炭与土壤形成的“炭-土结合体”随土壤深度的增加而更加稳定的缘故。L3层BL、CLS、JLS、CJLS处理的土壤饱和含水率分别达到0.429 0、0.455 5、0.500 5、0.501 0 cm3/cm3,联合施用生物炭和秸秆变化明显。各处理的持水率分别达到0.300 3、0.364 4、0.335 6、0.392 9 cm3/cm3。此外,冻融交替作用增加土壤饱和含水率,增大CLS、JLS、CJLS处理与BL差异,以L1层为例,CLS、JLS、CJLS处理和BL相比增加7.72%、10.33%、18.14%。然而随着土层深度增加,施加生物炭和秸秆下的土壤饱和含水率变化幅度降低。土壤饱和含水率的变化依赖于土壤孔隙分布特征,从而与土壤孔隙度变化密切相关。在土壤中添加有机质颗粒增加土壤孔隙度,在一定程度上增加土壤饱和含水率,同时,土壤饱和含水率随土壤深度变化减缓可能与中间段孔径变化(图3b)有关。

图5 土壤水分特征曲线

表2为不同调控处理下冻融前后的土壤水分特征参数FC、PWP、PAWC。在土壤冻结前期,施加生物炭和秸秆降低土壤FC、PWP、PAWC。具体来说,以L1层为例,与BL相比,CLS、JLS、CJLS处理田间持水率降低8.42%、-0.09%、0.09%,永久凋萎系数降低0.08%、-0.05%、0.07%,植物可用含水率降低8.91%、5.50%、-7.60%。这表明施加秸秆能够减轻田间持水率的降低,而田间持水率代表土壤储水储气能力,相较之下单独施加秸秆更有利于土壤储水储气。而随着土壤深度的增加,FC变化幅度增加,L3层降低程度高达11.96%～17.40%,这表明施加生物炭和秸秆后对深层土壤水力特征参数产生的负面效应大于浅层土壤。

表2 土壤水力特征参数

在土壤融化期,冻融作用改变土壤田间持水率,从而增加CLS、JLS、CJLS处理与BL处理间的差异。经过冻融循环后,各处理FC降低1.15%、4.85%、-1.05%,而单独施加生物炭或单独施加秸秆后FC减小可能是因为生物炭或秸秆施加量不足以消除孔隙被土壤粉黏粒堵塞作用,从而降低FC。此外,冻融作用改变PAWC变化特征,由冻结前期施加生物炭和秸秆对其产生负面效应变为融化期施加生物炭和秸秆对其产生积极作用,以L1层为例,CLS、JLS、CJLS处理PAWC增加0.009 1、-0.000 2、0.344 0 cm3/cm3。这是因为冻融作用加强外源生物质材料颗粒与土壤颗粒结合,土壤水分更好地储存于生物材料内部。此外,随着土层深度的增加,联合施用PAWC增加趋势逐渐减小。

土壤水分特征曲线(SWRCs)可以反映土壤持水能力,并通过SWRCs下不同土壤中θ(h)的变化来识别改良剂的作用效果[34]。施加生物炭和秸秆改变SWRCs曲线形状,CLS、JLS、CJLS处理的θ(h)较BL处理均增加,作用效果由大到小依次为CJLS、CLS、JLS,这是由于外源生物质材料干扰土壤团聚体分布特征,增加土壤颗粒之间的相互吸引作用从而减少小孔的数量而达到持水的效果。而单独施加生物炭效果强于单独施加秸秆,由于生物炭的高表面积和富碳特性,加速土壤大团聚体的形成从而提高土壤孔隙度;其次,生物炭自身的高孔隙度对水分具有一定的固持作用,水分进入生物炭内部不易流失,从而提高土壤持水能力。过量的有机质颗粒添加到土壤中会增加土壤通气性,从而降低持水性,降低土壤环境稳定性。FU等[35]研究施加不同量生物炭对季节性冻土区土壤持水性的响应机制也证实这一观点。

在冻结前期,施加生物炭和施加秸秆降低植物可用水率PAWC,仅L1层联合施用达到0.123 2 cm3/cm3,略高于BL处理,随土壤深度的增加,施加生物炭和施加秸秆均表现负面效应。而在融化期施加生物炭和秸秆增加PAWC,这种增加是因为土壤空隙比例增加引起的。冻融作用破碎土壤团粒,增加有机质颗粒与土壤颗粒间接触面积,从而提高土壤水分有效性[36]。以农业的角度来看,冻结前期CJLS处理下的FC略小于BL处理,而融化期的FC显著增加。因此,联合施用是有效满足季节性冻土区土壤水分稳定供给的调控模式。

2.5 土壤导水能力

图6为不同处理下冻融前后土壤饱和导水率变化特征。施加生物炭和秸秆增加土壤饱和导水率,不同处理差异性极显著。分析图6a可知,CLS、JLS、CJLS处理与BL相比,饱和导水率增加116.31%、86.61%、129.17%,其中联合施加生物炭和秸秆大幅度影响Ksat的变化,而单独施加生物炭的影响效果强于单独施加秸秆,由此可知,生物炭可以使土壤中水分迁移通道增多。而在土壤融化期,单独施加生物炭和单独施加秸秆两种处理与BL处理差异逐渐减缓(图6b),但仍保持增加的趋势,变化率分别为79.99%和35.01%;而联合施用生物炭和秸秆的处理与BL的差异增加,变化率高达192.62%。

图6 土壤饱和导水率

土壤结构变化引起饱和导水率变化,YARGICOGLU等[37]研究认为添加细小的生物炭颗粒到土壤中会形成更窄的孔隙通道,降低Ksat。而在本试验中,施加生物炭和秸秆增加土壤饱和导水率,联合施用对土壤中Ksat的积极影响最为明显。这可能是壤土孔隙结构较好,“可塑性”较弱,在这种情况下,外源生物质材料很容易打破原有的土壤孔隙系统,形成新的孔隙结构,降低孔隙的均匀性,影响导水能力[38-39]。由此产生的新孔隙系统也可能因为外部添加剂自身特性产生不同的效果。但冻融后,单独施加生物炭和单独施加秸秆作用效果减弱,这不能简单归因于孔径堵塞而导致的,因为联合施用增加土壤Ksat。尽管一些研究人员认为施加有机质颗粒量与Ksat的变化成正比[40],但有研究人员发现外源生物质材料产生降低效果,甚至无效果[41]。此外,有研究指出Ksat的变化与土壤类型、外界环境、土地利用方式有很大关联[42-44]。因此外源生物质材料对冻融土壤影响机制有待长期关注。

3 结论

(1)冻融循环所产生的冻胀力破坏土壤结构稳定性,破坏大团聚体成细小团聚体,而施加生物炭和秸秆有效提高GMD、MWD、WR0.25,提高土壤团聚体稳定性。受冻融作用影响,联合调节效果最佳,极大增强土粒与土粒之间的凝聚力,有效抑制冻融作用对土壤的破坏作用。

(2)施加生物炭和秸秆改变土壤孔隙分布,影响孔径的多样性和连通性。冻结前期降低土壤空隙比例、极微孔径比例,增加中间段孔径比例,随土壤深度的增加,土壤空隙比例和中间段孔径比例的变化幅度呈先减后增,极微孔径则与土壤深度呈正向关系。在冻融循环作用和外源生物质材料调控的双重影响下促进土壤孔隙向大孔径转化,增加L1层土壤空隙比例0.05%～16.22%、中间段孔径比例19.05%～35.04%。

(3)施加生物炭和秸秆增加张力-5 cm条件下土壤60 min的累计入渗量73.68%、60.52%、151.10%,受联合施用影响最大。张力的相对变化较大程度影响CLS与JLS处理。受外源生物质材料老化影响,融化期累计入渗量低于冻结前期,但也在一定程度上有效增加土壤入渗水分,提高春季融雪水利用效率,缓解水分亏损问题。

(4)土壤结构的改善进一步影响土壤孔隙内部储水能力,施加生物炭和秸秆可提高土壤饱和含水率、提高土壤持水能力,其中联合施用最易于土壤水分储存,冻结前期L3层土壤持水率可达到0.392 9 cm3/cm3。此外,在冻结前期,施加生物炭和秸秆降低土壤FC、PWP、PAWC,受冻融作用影响,施加外源生物质材料增加PAWC,有效增强土壤对植物的供给作用,更大程度满足作物水分需求。

(5)施加生物炭和秸秆增加冻融前后土壤饱和导水率,作用效果由大到小为CJLS、CLS、JLS。受冻融作用影响,联合施用表现出较高的土壤饱和导水率,在一定程度抑制土壤蒸发。