生物炭對土壤水分特征曲線影響的試驗(yàn)研究

王 竹，葉曉思，孫愛華，張 濤，朱士江

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局，湖北 宜昌 443000；3. 三峽大學(xué)農(nóng)業(yè)水土資源可持續(xù)利用研究中心，湖北 宜昌 443002)

生物炭作為一種新型環(huán)境功能型材料，具有高孔隙度和比表面積大的特點(diǎn)，能在一定程度上提高土壤的田間持水量[1]；生物炭的堿性屬性能夠提高土壤的pH值，對喜堿作物的生長發(fā)育有著積極影響；生物炭還能增加土壤微生物含量，改善土壤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。添加生物炭對土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[2-3]。土壤水分特征曲線是描述土壤水含量與基質(zhì)勢大小關(guān)系的曲線，通過計(jì)算研究不同生物炭含量處理下的土壤水分參數(shù)，得出對應(yīng)的水分特征曲線，從而分析生物炭的施加對土壤水分特征曲線的影響。

近年來，許多專家學(xué)者在生物炭與土壤水分特征曲線的相互作用方面取得了新的進(jìn)展。陳溫福等[4]研究了生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭在土壤持水能力方面作用顯著，但作用效果會受到土壤自身結(jié)構(gòu)和生物炭施加量的影響。朱蔚利等[5]將Van-Genuchten模型和單一參數(shù)Gardner模型分別與土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)Van-Genuchten模型擬合精度更高。呂殿青等[6]通過分析不同壓實(shí)度下的土壤水分特征曲線，得出容重的改變會影響土壤水分特征曲線，并且容重增大，曲線變得越平緩。齊瑞鵬等[7]分析了添加生物炭后的土壤水分入滲過程，發(fā)現(xiàn)在半干旱地區(qū)，生物炭能整體提高水分入滲能力，低添加量的生物炭的促進(jìn)作用不顯著，高添加量則會產(chǎn)生一定的抑制作用。趙迪等[8]研究施加生物炭后的粉黏壤發(fā)現(xiàn)，加炭處理均會減弱粉黏壤的持水能力。因此，生物炭對土壤持水能力的影響是與土壤本身的機(jī)械組成緊密相關(guān)的[9-12]。

目前，關(guān)于生物炭對土壤理化性質(zhì)的研究，大多屬于定性分析生物炭對土壤相關(guān)參數(shù)的影響，很少從定量方面研究生物炭施加于參數(shù)變化的關(guān)系。因此本文研究施加生物炭后的土壤水分特征曲線，通過在土壤中添加不同含量的生物炭，利用離心機(jī)測定其土壤水分特征曲線，定量描述土壤水分特征曲線在不同生物炭施加條件下的變化情況，對比分析得出生物炭對土壤水分特征曲線的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本實(shí)驗(yàn)選取湖北省宜昌市三峽大學(xué)水文氣象站內(nèi)土壤作為供試土壤，該站屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，多年平均氣溫為16～18℃，多年平均降雨量983～1406 mm。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤類型為黃棕壤，土壤容重為1.367 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為21.2 g/kg，pH值為6～7。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理(CK、T1、T2、T3、T4)，每個(gè)處理3次重復(fù)。5個(gè)處理中生物炭施加的質(zhì)量百分比依次為0%、2%、4%、6%、8%。

首先，用與離心機(jī)配套的環(huán)刀在不同樣地中取土，取樣土層為0～20 cm，土樣風(fēng)干后經(jīng)直徑2 mm的篩孔過篩，利用環(huán)刀法測定土壤的容重；將用環(huán)刀取得的原狀土經(jīng)蒸餾水浸透48 h直至飽和，并稱重；將飽和的原狀土樣和擾動土樣放入離心裝置中，設(shè)定離心機(jī)轉(zhuǎn)速分別為0、500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、4000 r/min、6000 r/min、8000 r/min，在每次壓力達(dá)到平衡后取出土樣進(jìn)行稱重，并用游標(biāo)卡尺測量土面到環(huán)刀頂面的高度，以此確定土樣收縮和容重變化。

根據(jù)以上所測數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速下的土壤體積含水率，取平均值作為最終的土壤體積含水率，從而得到實(shí)測的土壤水分特征曲線。

1.3 分析方法

當(dāng)采用離心機(jī)法測定土壤水分特征曲線時(shí)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速增大會實(shí)現(xiàn)水分和土壤顆粒的分離，導(dǎo)致土壤的容重增大，改變土壤的孔隙度和土壤孔隙分布，導(dǎo)致飽和含水率減小，從而影響土壤水分特征曲線的走勢。為了減小土壤容重對試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，本文分別采用Van-Genuchten模型和Gardner模型擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(1)Van-Genuchten模型的具體表達(dá)形式見式(1)：

(1)

式中：θr和θs分別為殘留含水率和飽和含水率,cm3/cm3；h為負(fù)壓即水吸力值,cm；α、m、n為經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)，其中m=1-1/n；α為與土壤初始排水有關(guān)的參數(shù)，在數(shù)值上等于進(jìn)氣壓力值的倒數(shù)，n、m決定特征曲線的形狀。

(2)Gardner模型的表達(dá)形式見式(2)：

S=aθ-b

(2)

式中：S是土壤水吸力；a、b為擬合參數(shù)，其中a值與土壤蓄水能力有關(guān)，b值與土壤水分特征曲線的斜率有關(guān)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel2013進(jìn)行處理，計(jì)算出不同處理下的吸力值和實(shí)測體積含水率。將實(shí)測體積含水率與相應(yīng)的吸力值作為輸入值，用Origin擬合曲線，將擬合參數(shù)代入Van-Genuchten模型、Gardner模型得到與吸力值對應(yīng)的擬合土壤含水率，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，直到滿足精度要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 Van-Genuchten模型擬合

通過對比分析5個(gè)處理的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，適量的生物炭施加整體上能夠顯著提高土壤的含水率，同時(shí)可以在一定程度上改善土壤的持水能力。

在土壤中分別施加質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0、2%、4%、6%、8%的生物炭后，測得土壤水吸力值與含水率之間的關(guān)系曲線，然后將實(shí)測數(shù)據(jù)用Van-Genuchten模型進(jìn)行擬合見表1，得到實(shí)測數(shù)據(jù)和擬合的土壤水分特征曲線如圖1所示，圖中各點(diǎn)為實(shí)測體積含水率，曲線為擬合體積含水率，可見擬合效果較好，實(shí)測值與擬合值近于重合，須計(jì)算其相關(guān)性系數(shù)來比較實(shí)測值與擬合值的差別。

表1 土壤水分特征曲線Van-Genuchten模型擬合參數(shù)

(a)CK處理土壤水分特征曲線

(b)2%處理土壤水分特征曲線

(c)4%處理土壤水分特征曲線

(d)6%處理土壤水分特征曲線

(e)8%處理土壤水分特征曲線圖1 土壤水分特征曲線及VG模型擬合情況

由表1可知，4條擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)>0.98，1條擬合曲線相關(guān)性系數(shù)>0.80。由此，可以看出Van-Genuchten模型參數(shù)的擬合度滿足要求，因而可以用該模型中參數(shù)的含義來解釋土壤水分特征曲線變化規(guī)律。

2.2 Gardner模型擬合

將數(shù)據(jù)由Gardner模型擬合得到如圖2所示的曲線，圖中各點(diǎn)表示實(shí)測數(shù)據(jù)，曲線為擬合結(jié)果，各點(diǎn)與曲線基本重合。

(a)CK處理土壤水分特征曲線

(b)2%處理土壤水分特征曲線

(c)4%處理土壤水分特征曲線

(d)6%處理土壤水分特征曲線

(e)8%處理土壤水分特征曲線圖2 土壤水分特征曲線及Gardner模型擬合情況

Gardner模型擬合的相關(guān)系數(shù)(如表2所示)均>0.99，說明模型擬合度較高，可描述土壤水分特征曲線的變化規(guī)律。

表2 土壤水分特征曲線Gardner模型擬合參數(shù)

2.3 定量分析

確定模型滿足本試驗(yàn)所需精度后，做以下分析：

(1)定量分析處理T1、T2、T3、T4與CK試驗(yàn)結(jié)果。不同處理下的土壤浸水飽和后，測得其體積含水率數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示，由圖可知，各處理CK、T1、T2、T3、T4組分別在水吸力為63.1 cm、67.07 cm、31.55 cm、31.14 cm和147.59 cm時(shí)達(dá)到田間持水量，且田間持水量隨著生物炭施加量的增大而增大。因此施加生物炭整體上能提高土壤的持水能力。

圖3 生物炭含量與田間持水量關(guān)系

(2)施加不同比例生物炭后的土壤水分特征曲線變化趨勢。分析模型擬合得到的各炭土比例(分別為0、2%、4%、6%、8%)下的曲線，如圖4所示。當(dāng)土壤的吸力值<1000 cm時(shí)，各處理下的土壤水分特征曲線斜率均較大且分布密集；當(dāng)土壤吸力值>1000 cm后，曲線斜率有顯著的減小趨勢，各處理的曲線變得平緩，說明模型中的θr值即土壤的殘留含水率在逐漸減小，導(dǎo)致土壤中無效水分含量在減少。

圖4 擬合土壤水分特征曲線

由圖4可以看出，在某一特定吸力范圍內(nèi)時(shí)，不同炭土比例的體積含水率呈現(xiàn)不同的變化趨勢，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)吸力值<600 cm時(shí)，如圖5(a)、圖5(b)所示，土壤體積含水率隨炭土比的增加呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，炭土比為2%和8%時(shí)的體積含水率均可達(dá)到最大值，當(dāng)吸力值為527 cm時(shí)分別為26.2%和25.4%。比例為4%的土壤體積含水率在吸力值為527 cm時(shí)達(dá)到最小值23.8%，且最小值<無炭處理的體積含水率25.7%。

當(dāng)吸力值逐漸增大后(吸力值>600 cm)，如圖5(c)～圖5(f)所示，土壤體積含水率隨炭土比的施加形成兩次波峰，即T1、T3處理。當(dāng)炭土比例為6%時(shí)，土壤存在最大體積含水率，當(dāng)吸力值為716.4 cm時(shí)，體積含水率為24.4%；炭土比為8%時(shí)，土壤體積含水率最小，當(dāng)吸力值為716.4 cm時(shí)，體積含水率為22.8%，但僅T1、T3處理下的土壤體積含水率高于供試土壤，說明一定吸力下，生物炭的施加量為2%和6%時(shí)能顯著提高土壤的持水能力。

(a)吸力為381 cm時(shí)的含水率

(b)吸力為527 cm時(shí)的含水率

(c)吸力為966 cm時(shí)的含水率

(d)吸力為1636 cm時(shí)的含水率

(e)吸力為2502 cm時(shí)的含水率

(f)吸力為4151 cm時(shí)的含水率圖5 含水率與炭土比的變化規(guī)律

3 討 論

目前，生物炭在農(nóng)業(yè)中的作用已經(jīng)得到國內(nèi)外許多專家學(xué)者的認(rèn)可[13-16]，國內(nèi)關(guān)于生物炭對土壤水分特征曲線影響的研究較少，現(xiàn)有研究大多針對土壤水分參數(shù)等，沒有直觀的描述出生物炭對土壤水分特征曲線的影響規(guī)律。本次試驗(yàn)旨在定量描述生物炭比例對土壤水分特征曲線的作用。

土壤水分特征曲線與土壤本身的機(jī)械組成有很大關(guān)系，本試驗(yàn)所取的土壤屬于較普遍的黃棕壤，能代表本區(qū)域農(nóng)業(yè)中所使用的土壤，對于其他類型的土壤，可能與本試驗(yàn)不同。研究得到，在吸力值>600 cm時(shí)，添加生物炭會導(dǎo)致土壤的體積含水率顯著減小，說明土壤的殘余含水量θr逐漸減小，即土壤中的無效水在減少，這與相關(guān)研究結(jié)果一致[13]。這可能是由于生物炭的施加導(dǎo)致了土壤結(jié)構(gòu)在組成上的變化，同時(shí)減小了容重也增加了孔隙度，導(dǎo)致土壤的持水性能提升。同時(shí)由于試驗(yàn)中的主客觀因素，例如：所取土壤成分不夠穩(wěn)定，施加生物炭與土壤的攪拌不夠充分等，會使得本試驗(yàn)存在一定的誤差。

試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤水分特征曲線與生物炭的施加量存在非線性變化的規(guī)律，炭土比為6%時(shí)出現(xiàn)最大體積含水率，炭土比為8%時(shí)出現(xiàn)最小體積含水率。因此，可以推斷在土壤水吸力一定時(shí)，存在著一個(gè)最優(yōu)炭土比，其土壤體積含水率最大。因此，尋找最優(yōu)炭土比可以作為進(jìn)一步研究內(nèi)容，深入探究適宜該地區(qū)的最優(yōu)生物炭施加量，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源高效利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

生物炭的施加可以影響土壤水分特征曲線，不同水吸力下，不同比例生物炭的作用效果不同。吸力值<600 cm時(shí)，施加2%和8%的生物炭可以減小土壤容重，增加土壤總孔隙度，顯著提高土壤的體積含水率和持水能力；吸力值>600 cm時(shí)，施加2%和6%的生物炭可以顯著提高土壤持水能力。

本文旨在提高宜昌地區(qū)的水土資源利用效率，僅探究生物炭的不同施加量對土壤水分特征曲線的影響情況，對影響曲線變化的原因以及生物炭的最優(yōu)配比可作進(jìn)一步研究。