生物炭对喀斯特地区黄壤水分运动过程的影响研究

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贵州省是典型的喀斯特地貌分布区,喀斯特地貌占全省面积的61.9%,该地区属于亚热带季风性湿润区,降雨充沛,但降雨时空分配不均,同时,因岩体裂隙和落水洞等较为发育,使得降雨迅速下渗,水资源利用困难。黄壤是贵州的主要土壤类型之一,所占土壤面积为全省最大,具有“粘、酸、瘦”、不耐旱等特点。黄壤黏粒表面吸附水分和团聚体内所吸持的无效水分占土壤含水量的比重较大,导致其有效水含量较低,保水、保肥性差,土地利用率低,从而致使农业产出率低。因此改善黄壤持水能力,提高黄壤水分有效性,对贵州喀斯特地区农业生产具有重要意义。生物炭因特殊的理化性质,在改良土壤结构、提高土壤保水保肥性能等方面发挥着重要作用。因此,本研究基于室内土柱模拟实验,在微观的实验室尺度上研究生物炭对黄壤水动力学特性的影响,在定容重条件下,探讨添加不同种类(玉米秸秆生物炭、稻壳生物炭)、不同含量(0、1%、2%、3%)、不同粒径(<0.25 mm、0.25-1 mm、>1mm)生物炭对黄壤入渗、蒸发及持水特性的影响,对比评价Kostiakov模型、Horton模型及Philip入渗模型的适用性。研究结果可以丰富生物炭在土壤水文效应研究方面的认识,同时也为喀斯特地区农业有机废物资源和水土资源的高效利用提供有益参考。主要研究结果如下:(1)在定容重条件下,添加玉米秸秆生物炭(Corn Straw Biochar,CSB)和稻壳生物炭(Rice Husk Biochar,RHB)对喀斯特黄壤水分入渗有明显的抑制作用,两种生物炭的添加量越高,土壤的累积入渗量越低,湿润峰进程越慢。两种生物炭的粒径大小对喀斯特黄壤入渗过程有显著影响,表现为添加的大粒径生物炭对土壤入渗的抑制作用要明显高于小粒径生物炭。Horton模型和Kostiakov模型适合用于本研究中土壤水分入渗过程的模拟,Horton模型拟合精度高,而Kostiakov模型拟合得到的初始入渗速率更接近实测结果。添加CSB和RHB,根据Horton模型拟合得到的土壤入渗速率的模拟值和实测值分别可用公式=1.5063-0.0244(~2=0.99)、=1.7295-0.0555(~2=0.99)表示,式中y为模拟值,x为实测值。(2)添加适量和适当粒径的生物炭对土壤蒸发有抑制作用,有效地减少了土壤水分蒸发。其中添加小粒径(<0.25 mm)的CSB和RHB对土壤累积蒸发量有抑制作用,添加中等粒径(0.25-1 mm)和大粒径(>1 mm)的RHB对土壤累积蒸发量有促进作用,添加低含量(1%)的CSB和RHB对土壤累积蒸发量有抑制作用,添加高含量(3%)的CSB和RHB对土壤累积蒸发量有促进作用,随着生物炭添加量增大,粒径增大,促进蒸发的效果更加明显。添加CSB和RHB后,提高了黄壤的含水率,延长了水分的释放时间,抑制了前期土壤蒸发过程,促进了后期土壤水分蒸发。(3)添加生物炭显著降低了土壤容重,随着生物炭添加量增加,土壤容重呈减小趋势,而土壤总孔隙度和毛管孔隙度呈增大趋势。添加CSB和RHB后土壤的田间持水量(Field Moisture Capacity,FMC)提高了5.30%和4.72%,毛管持水量(Field Water Holding Capacity,CWC)提高了4.75%和6.60%,随着添加量增加、粒径增大,土壤的FMC和CWC呈增大趋势。土壤饱和导水率的变化与生物炭的粒径有关,添加粒径<0.25 mm的CSB和RHB,土壤饱和导水率减小了11.74%和21.74%,添加粒径>1 mm的CSB和RHB,土壤饱和导水率增加了66.67%和33.33%,添加粒径0.25-1 mm的生物炭,土壤饱和导水率无明显的变化规律。添加生物炭可以显著降低土壤容重,提高土壤田间持水量和毛管持水量,改善土壤的导水性能。
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