生物炭裂解溫度和施用水平對土壤導水率的影響

張昌天 郭建華 王龍

摘要：為定量研究生物炭對土壤導水率的影響機制，采用控制生物炭的裂解溫度為200、400、500、600 ℃，生物炭的施用水平為2%、5%（質量比）的方法，利用HYPROP實時測定土炭混合物在蒸發過程中張力的變化，并開展了一系列的相關試驗，研究分析生物炭對土壤非飽和導水率的影響機制，以及生物炭裂解溫度和生物炭施用水平與土壤非飽和導水率之間的定量關系。結果表明：（1）在低生物炭（2%）施用水平下，生物炭的裂解溫度越高對土壤的持水能力改良效果越好;（2）在高生物炭（5%）施用水平下，裂解溫度為400 ℃時制備出的生物炭，對土壤持水能力的改良效果最好;（3）生物炭對土壤導水率的影響同時受到生物炭施用水平和生物炭裂解溫度2個因素的共同作用。

關鍵詞：生物炭;裂解溫度;施用水平;土壤導水率;持水能力

中圖分類號： S152.7? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0209-05

研究表明，生物炭的添加能夠改變土壤物理、化學性能[pH值、陽離子交換量（CEC）、土壤持水率、土壤導水率等][1-2]，施用生物炭作為一種土壤改良手段，得到了大量的關注。但生物炭對土壤導水率的改良方式及機制尚缺乏一致結論。相關研究認為，生物炭不僅可以提高土壤中植物可利用水的比例，也可以提高土壤的持水能力[3-4];有數據表明，生物炭與土壤含水量的提高有較為顯著的關系[5];但Jeffery等的試驗結果顯示，生物炭對土壤保水能力的影響并不顯著[6]Zhang等研究表明，生物炭對于土壤導水率的影響是非線性的，生物炭的裂解溫度和制備生物炭的原材料也是影響土壤導水率的原因之一[7]。

不同土壤的粒徑、沙粒占比、土粒間黏壤比、有機質（SOM）含量均有差異，這些因素對土壤導水率都可能產生影響，主要反應發生在生物炭與土壤團聚體以及土壤有機質之間[8]。盡管有研究認為，可以通過生物炭粒徑尺寸預測其對土壤導水率的影響[9]，但是在實際農業生產過程中，上述結論可能存在一定偏差，主要是由于生物炭的物理結構是松散和脆弱的，在種植過程中會發生形狀和尺寸的變化，因此僅通過生物炭初始的物理尺寸來預測其對土壤導水率的影響可能是不合理的。但是，生物炭對土壤團聚體和有機質產生的改良效果不會因生物炭形狀和尺寸的改變而衰減，因此選擇將土壤團聚體作為研究的重點，在諸多影響土壤導水率的變量中，土壤團聚體和生物炭的相互作用在任何質地的土壤中均能夠提高土壤的持水能力，而生物炭對土壤團聚體的影響主要體現在大尺寸團聚體（250～2 000 μm）上[10-11];有研究發現，隨著試驗土壤樣本干濕（WD）循環次數的增加，土壤持水能力的變化范圍不斷減小，最終趨于穩定[12-13]，因此本研究通過對試驗土壤進行粉碎并過篩（100目）的預處理，獲得結構更加穩定和尺寸更加統一的土壤團聚體。

相關研究表明，采用不同原材料和不同裂解溫度制備出的生物炭對土壤的物理特性和導水率有不同影響[12]。考慮到小麥秸稈回用需求，選擇秸稈這類易于獲得且數量巨大的農業廢棄物作為制備生物炭的原材料，而不選擇灌木碎片或動物糞便等具有現實意義[14-15]。另外，有研究表明，水稻秸稈半纖維素碳化物的比表面積和孔狀結構會在400 ℃的裂解溫度下發生顯著變化[16-17]。生物炭的比表面積和孔隙結構是形成土壤團聚體或提高土壤保水能力的關鍵因素。綜上所述，本研究選擇將小麥秸稈作為制備生物炭的原材料，通過設置4種熱解溫度，并對生物炭和土壤均進行研磨和過篩（100目）處理，較為系統地探討生物炭的裂解溫度對于土壤非飽和導水率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究采用小麥秸稈作為原材料，在限氧條件下，利用馬弗爐在200～600 ℃下自行制備生物炭[24]，冷卻至常溫后進行研磨，并過100目（0.15 mm）篩后密封保存待用，其中小麥秸稈采集自安徽蚌埠;本研究中供試土壤取自邯鄲市郊區農田（114°48′N，36°62′E），土壤質地為沙質壤土，土壤類型為黃土，取土深度為0～25 cm，土樣在去除雜物后自然風干，分別過2 mm篩和100目（0.15 mm）篩制備成原狀土（UCK）和粉碎土（CCK），備用。

1.2 試驗方法

本研究中試驗組共設8個生物炭處理，分別為2%（質量比，下同）200 ℃小麥秸稈炭（WS200-2%），2% 400 ℃小麥秸稈炭（WS400-2%），2% 500 ℃小麥秸稈炭（WS500-2%），2% 600 ℃小麥秸稈炭（WS600-2%）;5% 200 ℃ 小麥秸稈炭（WS200-5%），5% 400 ℃小麥秸稈炭（WS400-5%），5% 500 ℃小麥秸稈炭（WS500-5%），5% 600 ℃小麥秸稈炭（WS600-5%），試驗組中所用土壤均為風干粉碎后過100目（0.15 mm）篩的粉碎土;將各試驗組中的生物炭與土壤混合均勻后，密實地裝入環刀中，置于并去離子水中，使土碳混合物吸水直至飽和（24 h），取出后自然蒸發24 h，再進行二次吸水直至飽和（24 h）[13]，最后將環刀安裝在HYPROP傳感器上，讓土碳混合物自然蒸發，傳感器會自動采集蒸發過程中土樣不同深度處的張力值，采集完畢后，對數據進行初步處理和圖像擬合;另外，還設有2個空白對照組，即原狀土空白對照組和粉碎土空白對照組，每個試驗組和空白對照組均設4次重復。

1.3 土壤及生物炭基本理化性質的測定

使用元素分析儀（Vario EL Ⅲ，Elementar，Germany生產）對小麥秸稈中的元素進行分析，通過電導率儀（METTLER TOLEDO，S210-K，Switzerland）對生物炭的水溶液pH值（碳水質量比為 1 ∶ 100）[18]進行測定（表1）。

小麥秸稈在不同裂解溫度（200～600 ℃）下得到的生物炭具有不同的元素組成。結果（表1）表明，生物炭的產率會隨著裂解溫度的升高而線性減少，從200 ℃時的74.510%降低到600 ℃時的 31.155%;產物中的灰分比例會因為有機質分解程度隨溫度升高的不斷增加而增加，從200 ℃時的 8.62% 上升至600 ℃時的23.66%;此外，氫元素的含量也會隨著裂解溫度的升高而減小，200 ℃時得到的生物炭中H含量為8.303%，600 ℃時得到的生物炭中的H含量為1.290%，類似的C/N也從200 ℃時的88.822增加至600 ℃時的115.006。上述指標數值均與采用其他不同原材料制備得到的生物炭指標數值相類似[20-21]。因此，小麥秸稈生物炭的裂解過程，是一個芳香性不斷增強、親水性不斷降低和極性不斷增強的過程，與水稻秸稈的碳化過程類似[17]。此外，不同裂解溫度下小麥秸稈中的纖維素和半纖維素分解程度也會有所不同，這將會影響生物炭和土壤顆粒的結合情況，同時也會在土碳混合物的非飽和導水率上有所反映，可以在掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中找到相關證據，即隨著生物炭裂解溫度的不斷增加，生物炭的結構也在不斷變化，這些變化與土碳混合物持水能力的變化有著直接聯系。

1.4 土碳混合物結構特征的測定

為了更直觀地分析不同裂解溫度下生物炭的結構對土壤導水能力的影響，本研究利用掃描電子顯微鏡（Hitachi，SU8220，Japan）觀察了土碳混合物的結構特征。

2 結果與分析

2.1 不同裂解溫度下生物炭與土壤結合情況

在不同裂解溫度下制備的生物炭具有不同的理化特性，隨著裂解溫度的提高其親水性不斷降低，生物炭中纖維素的分解程度不斷提高，網格狀的空間結構特征越來越明顯，與土壤顆粒的結合程度不斷提高，能夠與土壤顆粒形成新的團聚體，詳見圖1。

2.2 生物炭對土壤非飽和導水率的影響

生物炭的裂解溫度和施用水平都會對土壤的水力特性產生影響，例如改變土壤的非飽和導水率和持水能力等，進而影響作物的產量，但過高的生物炭添加比例會對農作物的生長造成負反饋效應[14]。HYPROR系統可以利用探頭實時監測不同深度土層中的水分張力，利用Kbi-PDI數學模型擬合出導水率-pF、導水率-水分殘留量和水分殘留量-pF曲線。

pF4.2是作物的萎蔫系數，土壤的田間持水量所對應的pF值一般為2.15～2.81，因此非飽和導水率的數值主要在pF2～pF4之間，結合本研究中所使用的土壤種類，選擇pF1～pF3作為主要的數值研究區間，而導水率-pF曲線能夠很好地反映出隨著水分的不斷蒸發，土壤非飽和導水率的數值變化情況。

按照生物炭施用水平的不同，對各個試驗組的數據進行初步整理，并繪制pF1～pF3范圍內土碳混合物的導水率-pF曲線。

生物炭已被證實可以改良土壤的水力特性，如影響土壤的飽和導水率、提高灌溉水中植物可利用水（plant-available water）的比例以及提高土壤的持水能力等[3，4，22]。土壤的非飽和導水率對灌溉有著重要的意義，目前在相關研究中對土壤非飽和導水率的關注不多，這一概念往往被簡單地概括為蓄水能力的一部分，幾乎沒有相關的定量研究[10，22]，本研究選擇使用小麥秸稈來制備生物炭，并設定了4個裂解溫度梯度（200、400、500、600 ℃），與其他的試驗相比，本研究使用了單一的原材料來制備生物炭，更符合實際情況，裂解溫度的設定在參考其他試驗設定方法的同時，進行了后續的補充，從圖2可以看出，當生物炭的裂解溫度達到600 ℃時，試驗組的持水能力已經低于對照組，即負反饋效果已經出現。

從圖2至圖4可以看出，在pF1.5和pF3之間曲線的變化比較劇烈，并產生了多個交叉點，因此繪制了在特定pF值下，即特定的土壤水分蒸發節點下，生物炭裂解溫度與土碳混合物非飽和導水率的關系圖（圖5）。

綜上所述，在較低施用水平（2%）下，生物炭對土壤持水能力的改良效果與生物炭的裂解溫度呈明顯正相關關系，這一規律在較高施用水平時會有所不同，突變點發生在裂解溫度為400～500 ℃之間。通過比較相關試驗可知[17]，在N2環境中，水稻秸稈的纖維素半纖維素的分解速率會在350 ℃條件下達到最大值[17]，而在本研究制備生物炭的條件下，由于原材料和環境的不同（本研究中使用的原材料是小麥秸稈，裂解調節為限氧裂解），導致這一分解速度達到極值的溫度范圍上升至400～500 ℃之間，結果見圖5。

3 結論與討論

pF4.2是作物的萎蔫系數，土壤的田間持水量所對應的pF值一般為 2.15～2.81， 因此非飽和導水率的數值主要在pF2～pF4之間，結合本研究所使用的土壤的種類，選擇pF1.5～pF3作為主要的數值研究區間。也正是在pF1.5處，原狀土和粉碎土的非飽和導水率的差異開始出現，在此之前，二者的導水率曲線幾乎完全重合，在該點以后，原狀土的持水能力開始優于粉碎土。因為粉碎土是經由原狀土粉碎過篩得到的，土壤原有的顆粒級配和團聚體都遭到了破壞，可以近似視為沙壤土，所以，從 pF1.5 這一點開始，試驗組相對于對照組非飽和導水率的差異，均可視為生物炭和土壤顆粒所形成的團聚體以及生物炭本身的持水能力差異所導致的。在2%施用水平下，隨著生物炭裂解溫度的不斷提高，土碳混合物的持水能力也在不斷增強，而當生物炭裂解溫度達到600 ℃時，在pF1.5處，土碳混合物的持水能力優于原狀土和粉碎土。在pF0～pF1.5之間，土碳混合物的飽和、非飽和導水率大于對照組，即持水能力較對照組差，本研究結論與相關試驗結論一致。但是，隨著土壤水分的不斷蒸發，pF值不斷增加，土碳混合物的持水能力不斷增強，即非飽和導水率不斷下降，在pF2.5處不同試驗組的持水能力均大于等于粉碎土對照組。

當生物炭的施用水平達到5%時，4個試驗組的土炭混合物持水能力開始接近并超越對照組，同時，在這一施用水平下生物炭裂解溫度的提高與土炭混合物持水能力提高的正相關效應在裂解溫度達到400 ℃時停止，并在400 ℃以上出現負相關效應。裂解溫度為400 ℃的試驗組土壤炭混合物持水能力在整個蒸發過程中均優于空白對照組，但絕對差值并沒有隨著水分的蒸發而增大。生物炭的裂解溫度達到500 ℃時，試驗組的持水能力會隨著水分的不斷蒸發而明顯下降，與對照組相交于pF1.5處。當生物炭裂解溫度達到600 ℃時，施用量為2%的試驗組土壤炭混合物非飽和導水率始終大于空白對照組，即持水能力劣于空白對照組，僅在pF2.5處達到空白對照組水平，在pF3.0處達到原狀土水平。

纖維素和半纖維素的大量分解導致生物炭的微觀結構發生了變化，比表面積增加、官能團類型改變、芳香性增強以及親水性和極性降低等，從而影響了生物炭顆粒與土壤團聚體的結合程度，進而導致了不同試驗組中非飽和導水率的變化。在較低施用水平（2%）下沒有發生上述突變的原因是，此時影響土碳混合物持水能力的主要因素仍為土壤團聚體，生物炭的主要作用體現在增強土壤團聚體的形成上，即生物炭本身與持水相關的特性因為生物炭施用量不足而被掩蓋了。

施加生物炭可以提高土壤的持水能力，但提高的水平是由生物炭的裂解溫度和生物炭的施用水平共同決定的。由于2個影響因素和土壤的持水能力之間并不是完全的正相關關系，通過雙因素統計分析表明，選擇較低的施用水平時（2%），應盡可能的選用較高裂解溫度下制備的生物炭;而在選擇較高施用水平時（5%），應選用裂解溫度在400～500 ℃ 之間的生物炭。

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