普通生物炭和酸改性生物炭對鹽漬土入滲、蒸發過程的影響

黃成真，王 娟，仲昭易，莊 曄

(揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)

0 引 言

鹽漬土在我國分布廣泛，目前土地資源日益緊張，將鹽漬土改良并加以利用變得日趨重要。相關研究發現，我國境內大量的鹽漬土地具有改良應用的價值，是潛在的耕地資源，目前常用于改良鹽漬土的手段包括配套灌排設施排水、種植耐鹽作物以及添加土壤改良劑等[1-3]。

生物炭是一種將生物質在無氧或缺氧條件下經過高溫裂解轉化而成的產物[4]，是一種具有良好性質的土壤改良劑，常用玉米秸稈、水稻秸稈、花生殼、修剪樹枝等農林廢棄物作為制備原料。根據所用生物質制備原料的差異，生物炭可以分為木炭、竹炭、秸稈生物炭等類型[5]，其制備方法多樣，目前常用的制備方法有慢速熱解、快速熱解和高溫限氧氣化法[6]，不同的原材料以及制備方法對于生物炭最終的性質具有很大的影響。目前關于生物炭在農業方面的研究主要集中在生物炭對土壤理化性質的改良。生物炭多為堿性，研究發現添加生物炭能改良酸性土壤pH[7]，但對堿性土壤是否有改良效果仍有爭議，部分研究發現添加生物炭能夠有效降低鹽漬土pH[8，9]，也有部分研究發現添加生物炭對降低土壤pH的效果不顯著[10，11]，有研究發現生物炭酸化改性后能夠有效降低鹽堿土pH[12]，為生物炭在鹽堿土改良中的進一步應用提供了新思路。

改性生物炭不同于普通生物炭，通常會在制備階段或使用前通過各種手段對生物炭進行處理，得到性質不同的新生物炭。酸改性生物炭是使用酸對生物炭進行改性處理后得到的產物，在對土壤改良的方面具有廣闊的應用前景，常用于改良生物炭的酸有：硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、氫氟酸等。酸洗可以洗去生物炭表面灰分、增加比表面積[13，14]，但不同的酸對生物炭的結構改良可能有不同的效果。如硝酸具有腐蝕性，處理不當可能會造成生物炭比面積的減小[15]，磷酸是一種常見的中強酸，用于酸化生物炭可以提高生物炭比表面積、增強吸附能力[16，17]，是理想的酸化試劑。

本試驗針對的是酸改性生物炭對鹽漬土理化性質的改良，主要研究了酸改性生物炭以及普通秸稈生物炭在不同添加量下對鹽漬土的改良效果。根據室內土柱試驗以及蒸發試驗的結果來分析添加酸改性生物炭與普通小麥秸稈生物炭對濱海鹽漬土入滲、蒸發以及土壤水分、鹽分、pH的影響。研究結論對濱海鹽漬土改良具有一定的指導意義。

1 原料與方法

1.1 試驗原料

1.1.1 供試土壤

試驗土壤取自江蘇省東臺市弶港鎮條子泥墾區附近，初始容重1.4 g/cm3，飽和含水率(質量)38.7%，田間持水率24.6%，土壤含鹽量4.72 g/kg，pH值8.51。使用馬爾文激光粒度分析儀(MS-2000)測定土壤顆粒組成如表1所示，依據國際制土壤質地標準分類，土壤為粉砂質壤土。

1.1.2 試驗用生物炭

試驗所用的生物炭來自于河南譽中奧農業科技有限公司，制備原料為小麥秸稈，制備溫度550～600 ℃，碳化時間4～6 h，

容重0.19 g/cm3,比表面積9 m2/g,總孔隙度67.03%，通氣孔隙度12.87%，持水孔隙度61.10%，pH值10.24，陽離子交換量60.8 cmol/kg。將生物炭研磨，過2 mm篩備用。

試驗中的改性生物炭是指用磷酸對生物炭進行預處理。將上述生物質炭與質量百分比濃度為25%的磷酸溶液以質量比1∶2混合均勻，浸泡30 min以上。浸泡后進行固液分離，將得到的生物炭用純水清洗，直到洗出液為中性為止，最后進行干燥并研磨，過2 mm篩得到酸改性生物炭備用。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗方案

試驗設置一個不添加生物炭的對照處理(CK)，將添加量(2%、4%、8%)和生物炭種類(普通生物炭A、酸改性生物炭B)作為變量，組合后共設置7個處理，分別標記為(CK、A1、A2、A3、B1、B2、B3)，重復3次。根據土壤來源地的田間實際容重，本次試驗的土壤容重設計為1.4 g/cm3。

1.2.2 土柱與蒸發桶設計

試驗分為入滲和蒸發兩個部分，入滲試驗在土柱中進行，蒸發試驗在容積為5 L的塑料桶中進行。

試驗所用土柱為PVC透明圓柱，內徑10 cm、高40 cm，側面貼有以mm為基礎刻度的不干膠刻度尺，根據試驗要求一共設置21個試驗土柱。為了減少管壁對土壤入滲的影響，裝土前需用凡士林涂抹內壁。土柱以田間實際容重為填土容重(1.4 g/cm3)，計算好生物炭與土壤用量，先裝土5 cm，后按每層3 cm進行分層裝土，每層夯土時需要打毛表面，填土總高度35 cm。

試驗使用容積5 L的塑料桶進行蒸發試驗，塑料桶底部鉆有小洞以排水，進行蒸發試驗時需用膠布將排水口封閉。根據土壤容重計算好生物炭與土壤用量，并按照3 cm一層進行填土，填土總高度12 cm。

1.3 測定方法

入滲部分的試驗采用一維定水頭垂直積水入滲法進行測定，使用馬氏瓶將水頭高度控制在4 cm，依據土柱內徑與控制水頭所需，在燒杯中準備235.6 g純水，在入滲試驗開始時，打開閥門使馬氏瓶供水，并同時將燒杯中準備好的水倒入土柱以保證水頭高度，按照先密后疏(0～3 min內間隔30 s，3～10 min間隔1 min，10～20 min間隔2 min，20～60 min間隔4 min，60 min以上間隔5 min)的原則記錄濕潤峰運移距離和累積入滲量，當濕潤峰運移至土柱最下端5 cm的土層時停止讀數，但每組試驗均需供水直至土壤有水分淋洗出。入滲試驗完成后立即將土柱封口減少蒸發的影響。

蒸發部分的試驗采用室內稱重法進行，試驗開始前對裝好土的蒸發桶進行稱重，記為原始重量。試驗開始后，每天20∶00對蒸發桶進行稱重，記錄每日損失的重量，即為每日蒸發的水分重量。30 d后結束稱重，記錄所得數據。

入滲試驗結束1 d后，將土壤按照5 cm一層進行分層取土，將土樣烘干、磨碎，過2 mm篩后制備1∶5土水比浸提液，雷磁DSSJ-308A型電導率儀測定電導率，雷磁PHS-3C pH儀測定土壤pH值。

土壤的水分采用烘干法進行測量，按照深度對土壤進行分組，每10 cm分為一組，測定土壤表層30 cm含水率。

1.4 數據處理

本次試驗所得的數據用Excel 2016以及SPSS17進行處理，使用origin2018作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤累積入滲量的影響

通過室內土柱試驗探究不同添加量下生物炭以及改性生物炭對鹽漬土入滲的影響，累積入滲量隨時間的變化如圖1所示。CK、A1、A2、A3、B1、B2、B3在60 min時的累積入滲量分別為52.0、55.9、56.4、64.6、56.1、58.2、62.8 mm，各處理的累積入滲量均高于對照組,相對CK增加了7.6%～24.3%的累積入滲量，A3處理對累積入滲量的提高效果最顯著，相對CK提高了24.26%，說明添加生物炭以及改性生物炭均提高累積入滲量，且生物炭添加量越大，累積入滲量提高幅度越大。A3處理對土壤累積入滲量增益的效果好于B3，但B2處理對累積入滲量的增益效果好于A2，說明改性生物炭與普通生物炭對土壤累積入滲量的影響可能與添加量有關，在較高的添加梯度下，普通生物炭對土壤累積入滲量的促進效果更明顯。

圖1 不同處理下土壤累積入滲量隨時間的變化Fig.1 The dynamics of soil cumulative infiltration under different treatments

2.2 不同處理對濕潤峰運移的影響

濕潤峰運移可以反映出土壤水分入滲能力，濕潤峰運移隨時間的變化如圖2所示。

圖2 不同處理下濕潤峰運移隨時間的變化Fig.2 The dynamics of wetting front migration under different treatments

CK、A1、A2、A3、B1、B2、B3在60 min時濕潤峰運移距離分別為23.3、24.4、24.7、26.9、26.3、26.7、27 cm。不同處理均能提高土壤的入滲能力，促進濕潤峰的運移，且添加量越大促進入滲的作用越明顯。各處理相比，B3處理效果最為明顯，濕潤峰運移距離相對CK提高了15.71%。在相同的生物炭添加數量下，改性生物炭的試驗組對土壤濕潤峰運移的促進效果均好于普通生物炭試驗組，說明改性生物炭在促進濕潤峰運移方面具有更好的效果

2.3 不同處理對土壤剖面含水率的影響

添加生物炭與改性生物炭能改變土壤的孔隙結構，影響土壤持水性能。在入滲試驗結束后將土柱封口，靜置1 d后按10 cm一層取樣測定不同處理下各土層的含水率，結果如圖3所示。

圖3 生物炭不同添加量下土壤含水率隨土壤深度的變化Fig.3 The soil water content at different depth with various biochar application

由圖3可知，在入滲試驗結束1 d后，土壤含水率整體上呈現從上到下減少的趨勢，各處理土壤平均含水率大小為B3>B2>B1>A3>A1>A2>CK，比較0～30 cm土層土壤含水率發現，B1、B2、B3處理能夠顯著提高土壤的含水率(p<0.05)，A1、A2、A3處理雖然也表現出提高土壤含水率的趨勢，但影響達不到顯著水平(p>0.05)。

2.4 不同處理對土壤剖面pH的影響

鹽漬土的pH一般較高，為了探究各處理對土壤pH的改良效果，在入滲試驗結束后按5 cm一層取樣測定不同處理下各土層的pH值，結果如表2所示。

總體來講，各處理條件下土壤pH均低于對照，除B3處理外，其他各處理土壤pH表現為隨土層深度的增加先升高后降低的趨勢，以5～15 cm深度處pH最高，而30～35 cm處pH最低。比較土壤0～35 cm平均pH發現，除了A1處理，其他處理均顯著降低了土壤平均pH。對土壤pH改良效果最好的是B3處理，且各土層pH均滿足B1>B2>B3>7的關系，說明添加改性生物炭能夠有效地改良鹽漬土的pH，且添加量越多，對鹽漬土pH的改良效果越好，而普通生物炭在較高添加量下(4%以上)也能對土壤pH起到調節作用。

表2 不同處理土壤剖面pH值Tab.2 The pH value of soil profile under different treatments

2.5 不同處理對土壤剖面鹽分的影響

為了探討添加普通生物炭以及改性生物炭對土壤鹽分淋洗的影響，在入滲試驗結束后按每5 cm一層取樣測定不同處理下各土層的含鹽量，各種處理方式下入滲后土體鹽分的分布情況如圖4所示。

圖4 不同處理土壤剖面鹽分分布Fig.4 The salt distribution in soil profiles under different treatments

入滲試驗結束后土壤的鹽分隨水分下滲到了較深層土層，因此土壤鹽分含量總體呈現由上到下逐漸增大的趨勢。分析0～15 cm土層的土壤鹽分含量，發現B3處理表層15 cm土壤的含鹽量顯著高于CK，其他處理則未產生顯著性差異。分析15～30 cm土層的土壤鹽分含量，發現A1處理顯著降低了土壤的含鹽量。比較0～30 cm土層土壤平均含鹽量，發現各處理對土壤鹽分影響不大。說明改性生物炭添加量過高(8%)可能不利于表層0～15 cm土壤鹽分的淋洗，少量添加生物炭(2%)有利于15～30 cm土層土壤鹽分的排出。

2.6 不同處理對土壤蒸發的影響

各處理日蒸發量測定結果見圖5，各處理對土壤累積蒸發量的影響見圖6。由圖5可知不同試驗組的蒸發規律沒有明顯改變，影響日蒸發強度的主要因素為含水率和溫度。蒸發開始時土壤含水率較高，日蒸發量較大，在第12、13、22、23 d時，由于溫度較高，土壤蒸發量也較大。由圖6可知，僅A3顯著降低了土壤的累積蒸發量，而其他處理未達到顯著影響，說明生物炭在較高添加量下(8%)能夠抑制土壤蒸發，但較低添加量下對土壤蒸發的影響不大。

圖5 不同處理土壤日蒸發量變化過程Fig.5 The dynamics of daily soil evaporation

圖6 不同處理土壤累積蒸發量Fig.6 The accumulated evaporation under different treatments

3 討 論

土壤的入滲能力受土壤質地、所添加生物炭粒徑大小、添加量、添加方式等多方面因素的影響[18-20]。李興等[19]發現添加生物炭能夠抑制沙壤土的入滲，王幼奇等[20,21]發現添加生物炭會減緩寧夏黑壚土的入滲速率，但當研究對象變為淡灰鈣土時，添加生物炭又起到了增加入滲速率的作用。本試驗中添加普通生物炭以及酸改性生物炭均能夠加快濕潤峰的運移、增加累積入滲量，提高土壤含水率，且隨著添加量的增加，對濕潤峰運移的促進以及累積入滲量的增加就越明顯，這與許多研究成果相同[22-24]，這可能是因為鹽漬土透水性差，添加生物炭可以改良土壤結構，增大土壤孔隙度，增強土壤滲透性[25]。

目前關于生物炭對鹽漬土pH改良效果的研究仍較少，唐珺瑤[8]發現在淹水培養條件下，生物炭提高了土壤中的碳酸氫鹽濃度，有效降低了土壤pH，認為微生物的產氫產酸過程是降低鹽漬土pH的重要因素。趙海成[9]發現添加生物炭降低了鹽漬土pH，但也有部分研究人員發現添加生物炭不能顯著降低鹽漬土pH[10,11]，本試驗中普通生物炭在添加量較低時對土壤pH改良效果不理想，酸改性生物炭對改良鹽漬土pH效果顯著，且添加量越大，改良效果越明顯，這與部分研究的結論相同[25-27]。

添加生物炭以及改性生物炭會影響到土壤水分入滲的過程，影響到鹽分的淋洗，從而影響到土體中鹽分的分布情況。李文雪[22]發現添加量5%的生物炭能夠提高鹽分的淋洗效率，岳燕等[28]發現添加量2%的生物炭將淋洗后的土壤表層鹽分降低了34.25%，本試驗中B3處理顯著增大了土壤0～15 cm土層的含鹽量，A1處理顯著降低了土壤15～30 cm土層的含鹽量，說明少量添加生物炭有利于較深層土壤利用水分的入滲排鹽，這可能是因為適量添加生物炭能夠提高鹽漬土的入滲能力，促進鹽分排出，但添加量過高時可能導致土壤水分入滲過快，從而使得淋洗過程不充分，生物炭對土壤鹽分淋洗的影響可能與土壤質地、生物炭添加量等因素相關。

本試驗僅A3處理對土壤的蒸發能力起到了抑制作用，其他處理則對土壤蒸發能力沒有顯著影響。李帥霖等[29]發現生物炭對塿土蒸發能力影響不顯著，肖茜等[30]發現生物炭的添加對黃綿土以及黑壚土的蒸發能力沒有顯著影響，但抑制了風沙土的前期蒸發，許建等[31]發現風沙土的蒸發能力受所添加生物炭的種類、添加量、粒徑大小等多重因素影響。相關研究說明生物炭的添加量、土壤的質地都可能成為影響蒸發試驗結果的因素，為了進一步探究添加生物炭對土壤蒸發能力的影響，今后的研究可以針對不同質地的土壤，采取不同的生物炭添加量進行更多的試驗。

4 結 論

在淋洗入滲階段，添加普通生物炭以及酸改性生物炭能夠促進濕潤峰的運移，增加累積入滲量，提高土壤的含水率，降低鹽漬土pH，對于改良濱海地區鹽漬土效果較理想，但添加量過高可能不利于土壤鹽分淋洗。在蒸發階段，添加生物炭以及改性生物炭對土壤的蒸發能力影響較小。在實際工程應用時應綜合考慮多方面因素，特別是土壤本身的顆粒級配組成等因素，基于本試驗所研究的土壤，添加4%的改性生物炭不僅能夠有效改良土壤的pH、促進土壤水分入滲，而且對土壤鹽分淋洗以及蒸發的影響較小，因此認為添加4%的改性生物炭對于改良濱海鹽漬土的效果最理想。