生物炭對沙壤土水分特征的影響

李 興，勾芒芒，屈忠義，徐效清

(1.內(nèi)蒙古師范大學/內(nèi)蒙古節(jié)水農(nóng)業(yè)工程研究中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022； 2.內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學院水利與土木建筑工程系，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070； 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020)

內(nèi)蒙古干旱、半干旱地區(qū)是我國水資源匱乏、水土流失比較嚴重的區(qū)域，沙壤土是這個地帶的主要土壤類型，因其持水性差、土壤肥力貧瘠等缺點制約著當?shù)剞r(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。如何提高沙壤土的持水能力、增強土壤水分的有效性、改善農(nóng)業(yè)土壤水環(huán)境一直以來是科研人員研究的重點和難點[1-7]。近年來，隨著生物炭在溫室氣體固碳減排中的重要作用，生物炭在農(nóng)業(yè)科學領(lǐng)域的應(yīng)用研究也成為了國內(nèi)外研究的熱點[8-13]。

生物炭(biochar)是指農(nóng)林廢棄物等生物有機材料在缺氧或低氧條件下緩慢高溫裂解獲得的富含碳的有機質(zhì)[14-17]。由于其特有的多孔性、較大的比表面積等特點能夠有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，具有一定的持水性能。Glaser等研究發(fā)現(xiàn)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沙質(zhì)土壤的持水量，從而改善土壤持水性[18]。國內(nèi)學者研究表明，生物炭對于較黏土壤可增大土壤通透性，改善土壤水分入滲能力[19]。然而，有關(guān)生物炭對沙壤土水分運移規(guī)律影響的機理研究還有待深入開展。

本研究針對該地區(qū)沙壤土持水性差的特點，以花生殼炭為供試材料，全面開展生物炭影響沙壤土水分運移規(guī)律的機理研究，為進一步應(yīng)用生物炭改良沙壤土提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試沙壤土取自內(nèi)蒙古呼和浩特市和林試驗示范基地，均為耕作表層土壤(0～25 cm)，取回的土樣進行風干處理，破碎后過孔徑2.0 mm篩，之后用激光粒度分析儀測試土壤的顆粒組成，土壤機械組成和基本性質(zhì)：沙粒含量為64.15%、粉粒含量為16.49%、黏粒含量為19.36%，土壤類型為沙壤土，容重為1.39 g/m3，孔隙度為43.52%，pH值為7.85，電導率為141.8 μS/cm。供試生物炭為花生殼炭，采購于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生物炭肥廠家，經(jīng)粉碎后過2 mm篩，生物炭中碳含量為47.17%、氮含量為0.17%、氫含量為 3.83%、碳/氮為67.03、pH值為9.04。試驗時間為2015年5月中旬及2016年5月中旬，試驗于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學土力學實驗室進行。

1.2 試驗設(shè)計及測定方法

1.2.1 試驗設(shè)計 將風干研磨后的表層沙壤土和花生殼炭過2 mm篩后進行均勻混合，設(shè)5個處理：處理1為對照，不添加生物炭(CK)；處理2為干土+生物炭10 g/kg(C1)；處理3為干土+生物炭20 g/kg(C2)；處理4為干土+生物炭 40 g/kg(C3)；處理5為干土+生物炭60 g/kg(C4)。每個處理均設(shè)3個重復。

1.2.2 土壤容重和孔隙度測定 首先使用擊實儀將沙壤土(CK)按設(shè)定容重(1.39 g/cm3)分3層均勻裝入體積為 100 cm3的環(huán)刀中，然后其他各處理的填裝過程均同對照組的擊實次數(shù)和擊實壓力保持一致，以下試驗設(shè)計的填土容重和方法與此相同。

1.2.3 土壤水分特征曲線測定 土壤水分特征曲線能夠較好地描述土壤水能態(tài)與土壤含水率之間的關(guān)系，是研究土壤水分有效性的重要指標(或參數(shù))。將各處理的土樣按照測定的容重分層均勻裝入體積為100 cm3的環(huán)刀中，浸水飽和12 h。應(yīng)用1500F1型1.5 MPa壓力膜儀測定土壤水分特征曲線。各處理土樣分別在0.002、0.004、0.006、0.008、0.010、0.050、0.080、0.100、0.300、0.500、0.700、1.000、1.200 MPa下土壤達到平衡后取出稱質(zhì)量，全部結(jié)束后取出移至鋁盒中，在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測定不同吸力下的土壤體積含水率，并擬合土壤水分特征曲線。

1.2.4 土壤水分垂直入滲和水平擴散的測定 土壤水分垂直入滲和擴散率是水分進入土壤參與水循環(huán)和水分遷移的一個重要環(huán)節(jié)，研究土壤水分動力學參數(shù)和運動規(guī)律是分析降水和灌溉入滲的重要因素。水分入滲是一個復雜的過程，如果入滲過快可能導致深層滲漏，作物根系不能充分及時地吸收水分；然而，如果入滲過慢則容易致使作物根系吸水困難并導致水分脅迫[1，13]。本研究開展了以上2個因素的試驗工作，具體測定方法如下：

(1)垂直入滲試驗。試驗設(shè)備主要分為2個部分，用PVC制作的滲吸筒和供水馬氏瓶。滲吸筒直徑15 cm、高 40 cm，上部裝有一個直徑10 cm、高10 cm的內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)的頂端與滲吸筒齊平，下端插入土內(nèi)10 cm。內(nèi)環(huán)上方安置一個直徑6 cm、高60 cm的馬氏瓶，穩(wěn)定持續(xù)地給土壤供水。試驗安排：將不同處理土壤均勻混合裝入土柱中，為保證土柱的密度較為均勻，將每個處理的混合土樣按10 cm分層裝土。當馬氏瓶供水后開始計時，計時時間為120 min。測定不同處理土壤的垂直入滲速率，整個試驗裝置如圖1所示。

(2)水平擴散試驗。采用水平土柱進行擴散率的測定。水平土柱由多個內(nèi)徑為4 cm、長為1.75 cm的PVC內(nèi)環(huán)組成，總長為49 cm。試驗段由24個圓環(huán)組成，將生物炭和沙壤土的不同混合土壤均勻攪拌后，用與之直徑相仿的平頭木棒分3次壓實填裝，測定時將馬氏瓶發(fā)泡位置調(diào)節(jié)在橡皮管口與土柱中央平齊又剛好出水為好，即不允許有水頭差的存在，土壤入滲時只靠其本身基模吸力，以此計算土壤水擴散率D(θ)[1]。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Excel2007進行數(shù)據(jù)整理和繪圖，采用SAS10.0v進行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對土壤容重、孔隙度的影響

從圖2可知，隨著生物炭含量的增加，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土壤容重逐漸減小、孔隙度增大。與對照相比，C1、C2、C3、C4處理容重分別降低1.4%、2.9%、5.0%、9.4%，孔隙度分別增加1.4%、2.8%、4.8%、8.9%。這是由于生物炭本身結(jié)構(gòu)具有多孔性，微孔形狀各異，數(shù)量較多，這些排列緊密的微孔不僅增加了生物炭的比表面積，同時能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，有利于土壤通氣及水分的交換。

2.2 生物炭對土壤水分特征曲線的影響

為了準確表征不同處理的土壤水分特征曲線，應(yīng)用RETC軟件，利用van Genuchten模型對所有處理的試驗結(jié)果進行曲線擬合，選用關(guān)系式m=1-1/n，擬合結(jié)果得出a、n曲線形狀參數(shù)及決定系數(shù)的r2，不同處理沙壤土模型的擬合值與實測值的決定系數(shù)均大于0.92，說明使用RETC軟件進行van Genuchten模型擬合的土壤水分特征曲線結(jié)果是可信的。

由圖3可知，不同處理下土壤水分特征曲線走向趨勢基本一致，表現(xiàn)為在低吸力范圍內(nèi)土壤含水率急速下降，之后隨著吸力的增加出現(xiàn)一個較長平緩趨勢。在相同吸力下，各處理間含水率變化表現(xiàn)為施加生物炭的沙壤土比對照土壤含水率高，同時隨著生物炭摻入量的增加含水率表現(xiàn)為增大的趨勢，即 C4>C3>C2>C1>CK。其中，C4、C3、C2、C1的平均土壤含水率分別是對照的1.67、1.51、1.33、1.23倍。在不同吸力下，施加生物炭的沙壤土處理組與對照相比平均土壤含水率增幅差異較大。在土壤水吸力0.002～0.006 MPa之間，處理組的平均含水率比對照增加25.1%；在0.008～0.300 MPa之間比對照增加33.7%；在0.500～1.200 MPa之間比對照增加61.1%。從分析可知，同一吸力下?lián)郊由锾靠稍黾由橙劳恋耐寥篮剩f明生物炭具有很好的持水性。同時，隨著壓力的增大施加生物炭保持土壤含水率仍舊比對照高，這說明生物炭的多孔性、巨大的比表面積和較強的吸附作用得以充分發(fā)揮，從而抑制了水分的流失，有效地保持住沙壤土中的水分含量，從而改善沙壤土的土壤水環(huán)境，增加土壤的持水性和水分的有效性。

2.3 生物炭對土壤水分垂直入滲特征的影響

2.3.1 對垂直入滲率的影響 根據(jù)試驗觀測數(shù)據(jù)按照公式(1) 計算在任意時刻的土壤水分垂直入滲率，然后將垂直入滲率和入滲時間按照公式(2)即Kostiakov入滲模型進行擬合，r2為0.975 1。

Ki=10(H0-H)S1/S2t；

(1)

Ki=kta。

(2)

式中：Ki為t時刻的土壤入滲率，mm/min；H為入滲開始后馬氏瓶在任意時刻t的水位讀數(shù)，cm；H0為試驗開始前(t=0)馬氏瓶的水位讀數(shù)，cm；S1為馬氏瓶的斷面面積，cm2；S2為土柱的斷面面積，cm2；k為入滲系數(shù)，mm/min；a為入滲指數(shù)。

不同處理累積入滲量的散點圖呈二次多項式關(guān)系，按照公式(3)用二次多項式進行擬合，擬合的r2為0.974 2(表1)。

Wt=AT2+BT+C。

(3)

式中：T為時間，min；Wt為累積入滲量，cm；A、B、C為經(jīng)驗常數(shù)。通過分析可知，各處理的垂直入滲率隨著入滲時間的變化趨勢是相同的(圖4)，在開始入滲前10 min內(nèi)，入滲率急劇減小，隨后出現(xiàn)平緩且恒定的減小趨勢，直到趨于穩(wěn)定。在入滲終止時，生物炭摻量越多，入滲率越慢，即C4、C3、C2、C1分別比對照減少59%、50%、49%、24%。

表1 不同處理沙壤土在任意時刻的水分垂直入滲參數(shù)

2.3.2 對入滲量的影響 由圖4可知，隨著入滲時間的延長各處理入滲量增加，但增加程度與生物炭摻量程度成反比，即在相同入滲時間下，生物炭摻入量越大，入滲量越小。試驗結(jié)束后，C1、C2、C3、C4的總?cè)霛B量分別是對照(CK)的 75.98%、52.04%、50.05%、41.04%。

2.4 生物炭對土壤水分水平擴散特征的影響

2.4.1 對濕潤峰遷移速率的影響 由圖5可知，隨著滲透距離的增大，各處理的濕潤峰遷移速率在前期變化較大，到中后期逐漸減慢直至趨于一個穩(wěn)定速率；與對照相比，摻加生物炭的沙壤土遷移速率減慢，且生物炭含量越大遷移速率越小，即C4

2.4.2 Boltzmann變換參數(shù)與含水率θ的關(guān)系 通過計算得出Boltzmann變換參數(shù)λ，λ值的大小表示水分在土壤中水平吸滲時濕潤鋒向前移動的快慢程度。通過圖6可知，生物炭對沙壤土的λ-θ關(guān)系曲線的影響較為明顯，均隨含水率的增大而減小。與對照相比，生物炭摻量越多，θ值越大，λ值越小。結(jié)果表明，濕潤峰前移速度的快慢程度變化顯著，在初期各處理間前移速度差異不大，到中后期表現(xiàn)為C4、C3處理前移速度明顯緩慢，C2、C1次之，CK前移速度最快，這是因為前期水分擴散時，土壤中的大孔隙容易過水，不同處理土壤中的前移速度差異不大。因為生物炭具有多孔性和較大的比表面積，隨著水分移動添加生物炭的土壤小孔隙增大，能夠充分地吸持一定的水分，減緩了土壤水分運移的速度，增加了土壤的持水性，抑制了土壤水平方向的水分側(cè)漏。

2.4.3 擴散率D(θ)與含水率θ的關(guān)系 由圖7可知，土壤擴散率D(θ)與土壤體積含水率θ具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)都超過0.86。與對照相比，隨著生物炭摻量的增加土壤擴散率D(θ)逐漸減小，在土壤含水率為24.9%時，C1、C2、C3、C4處理的土壤擴散率分別比CK(對照)減小 45.00%、79.11%、80.56%、83.33%。

3 結(jié)論

生物炭施入沙壤土后，可以有效地改善沙壤土結(jié)構(gòu)，主要通過改變土壤容重和孔隙度對土壤含水率、土壤垂直入滲率和擴散度產(chǎn)生影響，改變了沙壤土持水性差的缺點，提高土壤持水、保水的能力，改善土壤水土環(huán)境。

(1)4種不同摻量的生物炭(10、20、40、60 g/kg)能夠明顯改善沙壤土土壤結(jié)構(gòu)，與對照相比容重分別減少1.4%、2.9%、5.0%、9.4%；孔隙度增加1.4%、2.8%、4.8%、8.9%。

(2)在相同的土壤水吸力下，隨著生物炭含量的增加，土壤含水率增大。與對照相比，土壤含水率分別增大0.23、0.33、0.51、0.67倍。

(3)隨著入滲時間的延長，生物炭可以抑制沙壤土的垂直入滲速率和入滲量，隨著摻量的增加入滲率和入滲量逐漸降低。120 min后，入滲率分別比對照減少24%、49%、50%、59%；入滲量分別是對照的75.98%、52.04%、50.06%、41.04%。

(4)隨著入滲距離的擴大，生物炭可以減緩沙壤土濕潤峰的遷移速率和土壤擴散率，而且生物炭摻量越多這種效應(yīng)越明顯。到試驗結(jié)束時(滲透距離為42 cm)，與對照相比各處理組的遷移速率分別減少10%、60%、80%、90%。當土壤含水率為24.9%時，土壤擴散率分別減小45.00%、79.11%、80.56%、83.33%。