添加生物質炭對喀斯特地區黃壤飽和導水率的影響

屠 丹, 毛天旭

(貴州大學 林學院, 貴陽 550025)

土壤水分是“土壤—植物—大氣”連續體的一個關鍵因子，是土壤系統養分循環和流動的載體[1-2]，其含量變化常常會對土壤的通氣狀況、蓄水抗旱、熱狀況、保肥性能和養分轉化及有害物質的產生等方面有著重要的影響[3]。土壤持水特性是對土壤水分有效性的一種反映，能夠表征土壤涵養水源和保持水分的能力[4]，土壤的持水性能主要受土壤物理性質的影響，而具有良好孔隙度的土壤可以較好地協調土壤的水分運移、物質運輸和能量交換，進而為作物生長提供良好的環境條件[5]。土壤飽和導水率是土壤重要的物理性質之一，是表征土壤透水性能的一個綜合指標，飽和導水率越高，土壤透水性越好，可延緩降水形成的地表徑流[6]。土壤飽和導水率的大小是決定土壤水分入滲和再分布的主要因素[7]，對降水的有效儲存與轉換利用至關重要。貴州省是典型的喀斯特地貌分布區，其農業生產一直受到土壤保水性能差、易產生水土流失等因素制約，因此，如何改良土壤結構來提高土壤水分利用效率已成為科學研究和農業生產重點關注問題。

生物質炭是生物質原料(稻殼、玉米稈、蔗渣等)在高溫低氧條件下熱解得到的固體產物[8-9]，其比表面積大，孔隙結構發達，密度低，在改良土壤結構、提高保水保肥性能方面具有廣闊的應用前景[10-11]。近年來，國內外很多學者就生物質炭改良土壤結構和改善土壤持水能力、導水性能展開了大量的研究。高海英等[12]采用一維垂直土柱研究了生物質炭對土壤持水特性的影響，該研究表明，在一定范圍內，隨著生物質炭添加量的增加，土壤的持水性能提高，但當添加量達到80 t/hm2時，反而會降低其對土壤的持水能力。劉小寧等[13]的研究同樣表明，添加生物質炭能夠提高黃土高原典型旱作農田土壤飽和含水量、土壤田間持水量、土壤有效水分含量，但輸入水平達到40 t/hm2后，土壤持水性能趨于穩定。Wang等[14]研究表明，添加1～2 mm粒徑的生物質炭對砂土田間持水量的增幅大于添加<1 mm粒徑的生物質炭。解倩等[15]發現，添加小于0.25 mm粒徑大添加量的雜木炭，顯著提高了黃綿土的持水能力。Asai等[16]研究添加生物質炭對山地水稻產量的影響時，發現添加生物質炭后，土壤表層的飽和導水率有所增加。上述研究表明，不同添加量、不同粒徑的生物質炭可以在一定程度上改善土壤的持水性和提高土壤的飽和導水率。

目前關于添加生物質炭對土壤持水性能的影響研究大多以黃土高原和東北黑土區為研究對象[5,17]，喀斯特坡耕地黃壤發育于碳酸鹽巖，質地黏重、結構性差，添加生物質炭對黃壤結構改良的研究較少，對添加不同粒徑生物質炭和添加量對黃壤持水性和飽和導水率的影響研究也較為缺乏。基于此，本研究選取了貴州坡耕地黃壤，通過設置不同添加量不同粒徑的兩種類型生物質炭，比較了土壤添加生物質炭后土壤持水特性和飽和導水率的變化，以期進一步豐富生物質炭對黃壤影響研究的成果，同時為喀斯特地區生物質炭改良土壤的性能提供一定的理論依據和應用參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自貴州省貴陽市花溪水庫周邊玉米坡耕地，采樣時取表層0—20 cm的土壤帶回實驗室，自然風干后，剔除較大的石塊和植物根系，通過2 mm篩孔備用。利用MS-2000激光粒度儀測定土壤機械組成，其中砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為22.03%，61.25%和16.72%，根據美國農部制土壤質地分類系統，供試土壤質地為壤土，供試土壤的初始含水量為5%。供試生物質炭購于沈陽農業大學遼寧省生物質炭工程技術研究中心，采用玉米、水稻秸稈在500℃無氧條件下燒制而成，生物質炭研磨后，分別過1 mm和0.25 mm篩孔，分為<0.25 mm，0.25～1 mm和>1 mm 3個粒徑等級備用。

1.2 研究方法

根據已有關于生物質炭合理施用量的研究[18]，本研究生物質炭含量梯度按照質量百分比設置為0，1%，2%和3%，其中0為對照(CK)，每種含量的生物質炭設置<0.25 mm，0.25～1 mm和>1 mm3種粒徑，2種生物質炭類型：稻殼生物質炭(RHB)和玉米秸稈生物質炭(CSB)，每個處理3次重復。

為盡量貼近田間實際情況，添加生物質炭后的土壤容重是在100 cm3環刀中不施加外力時測出，試驗中測定添加生物質炭土壤的持水性指標與飽和導水率也按此方法進行。在本研究中，選取了田間持水量(FMC)、毛管持水量(CWC)、土壤孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)幾個指標表征添加生物質炭后土壤的持水特性，并依照《土壤分析技術規范》測定[19]，土壤飽和導水率采用定水頭法測定。

1.3 數據處理

運用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0軟件進行數據統計及對試驗數據進行單因素(One-way ANOVA)和相關性分析(Pearson)。

2 結果與分析

2.1 添加生物質炭對土壤容重和孔隙度的影響

由表1可知，兩種生物質炭添加到土壤后，容重都有不同程度的減小，同一類型生物質炭不同處理之間基本都存在顯著差異。兩種類型生物質炭，隨著炭粒徑的增大，土壤容重呈現降低的趨勢，與對照(CK)相比，添加>1 mm粒徑生物質炭的土壤容重降幅最大，添加>1 mm粒徑的CSB，RHB土壤容重分別降低了11.88%，8.91%；隨著炭含量的增加，土壤容重減小的幅度也在提高。兩種類型生物質炭對土壤總孔隙度和毛管孔隙度的影響趨于一致，在相同的粒徑下，隨著炭含量的增加，總孔隙度和毛管孔隙度有緩慢增大的趨勢。與CK相比，添加<0.25 mm，0.25～1 mm、>1 mm粒徑的CSB，土壤總孔隙度增加了2.05%，1.32%，0.16%，毛管孔隙度增加了3.07%，0.53%，0.71%，添加<0.25 mm，0.25～1 mm粒徑的RHB，土壤總孔隙度增加了2.68%，1.74%，添加0.25～1 mm、>1 mm粒徑的RHB，土壤毛管孔隙度增加了4.33%，2.45%。土壤添加CSB和RHB。可見，生物質炭疏松多孔、質輕的特點充分降低了土壤容重并相應提高了土壤孔隙度，且兩種類型的生物質炭對土壤容重和孔隙度的影響差異不大。

表1 生物質炭對容重、孔隙度的影響

2.2 添加生物質炭對土壤持水特性的影響

由圖1可見，添加玉米秸稈生物質炭(CSB)和稻殼生物質炭(RHB)對土壤田間持水量(FMC)分別為60.91%，60.54%，與CK相比，分別提高了5.30%，4.72%，添加CSB土壤的FMC略高于添加RHB土壤的，且差異不顯著。

圖1 生物質炭類型對土壤持水特性的影響

在添加CSB和RHB后土壤的毛管持水量(CWC)為46.51%，47.43%，與CK相比，分別提高了4.75%，6.60%，添加CSB土壤的CWC較添加RHB土壤的降低了1.94%，但兩種類型生物質炭的土壤CWC差異不顯著。由此可見，添加生物質炭后顯著提高了土壤的FMC和CWC。

由圖2可見，當兩種類型生物質炭的添加量為1%，2%，3%時，對土壤的FMC均顯著提高，添加1%，2%，3%的CSB后，與CK相比，土壤FMC分別提高了2.53%，4.71%，8.50%；添加1%，2%，3%的RHB后，與CK相比，分別提高了3.16%，4.33%，6.64%，增加幅度與生物質炭添加量成正比，且RHB的增幅略小于CSB。

圖2 生物質炭添加量對土壤持水特性的影響

不同添加量的兩種生物質炭對土壤的CWC的影響趨于一致，與CK相比，當兩種生物質炭的添加量為1%時，土壤間的CWC差異不顯著；當添加量為2%，3%時，添加CSB后的土壤CWC顯著提高了3.86%，7.94%，添加RHB后土壤的CWC顯著提高了7.13%，10.36%，添加RHB對土壤CWC的增幅高于CSB。

由圖3可見，添加不同粒徑的CSB對土壤FMC和CWC的影響趨勢一致，與CK相比，添加<0.25 mm，0.25～1 mm和>1 mm粒徑生物質炭的FMC為4.53%，4.69%和6.64%，CWC提高了5.02%，5.44%，3.76%，添加不同粒徑生物質炭的FMC和CWC之間差異不顯著。與CK相比，添加3種粒徑RHB后土壤的FMC提高了2.99%，5.01%和6.12%，差異顯著，其中添加>1 mm粒徑生物質炭的FMC最大；當添加<0.25 mm粒徑的RHB時，土壤的CSB比CK高1.64%，但差異不顯著，當添加粒徑為0.25～1 mm、>1 mm時，土壤CWC顯著高于CK，比CK顯著增加了8.47%，9.31%。

圖3 生物質炭粒徑對土壤持水特性的影響

2.3 添加生物質炭對土壤飽和導水率的影響

表2是添加不同粒徑不同含量生物質炭的土壤飽和導水率，與CK相比，添加<0.25 mm，0.25～1 mm粒徑CSB的土壤飽和導水率顯著減小了11.74%，18.18%，但添加>1 mm粒徑CSB的土壤飽和導水率顯著增加了66.67%，由此可見，添加小粒徑CSB減小了土壤飽和導水率。添加不同粒徑不同含量RHB的土壤飽和導水率差異不顯著，與CK相比，添加<0.25 mm粒徑生物質炭的土壤飽和導水率有所減小，添加0.25～1 mm，>1 mm粒徑生物質炭的飽和導水率均大于CK，分別增加了38.46%，33.33%。隨著炭含量的增加，土壤的飽和導水率呈現降低的趨勢。

表2 添加生物質炭對飽和導水率的影響

2.4 土壤孔隙度、持水性能對土壤飽和導水率的影響

為進一步明晰土壤孔隙度、持水性能對土壤飽和導水率的影響，本文選取毛管持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度和容重6個指標與飽和導水率作相關分析，結果見表3，可知毛管持水量、非毛管孔隙度與飽和導水率相關性不顯著(p>0.05)，容重與飽和導水率呈極顯著負相關(p<0.01)，FMC、毛管孔隙度和總孔隙度與飽和導水率均呈現顯著正相關(p<0.05)，其相關性絕對值排序為容重>毛管孔隙度>總孔隙度>FMC>CWC>非毛管孔隙度。

表3 飽和導水率與孔隙度、持水性能的相關性分析

3 討 論

生物質炭的容重較小，一般在0.08～0.5 g/cm3，明顯低于土壤容重，且其比表面積大，因此常被用于改良土壤，可顯著降低土壤容重，增加土壤的孔隙度[5,20]。本研究結果表明，土壤添加這兩種類型生物質炭，容重都有一定程度的減小，其中添加>1 mm粒徑的CSB土壤容重降低了11.88%，添加>1 mm粒徑的RHB土壤容重降低了8.91%，并且土壤的總孔隙度和毛管孔隙度都有所提高。Githinji等[21]的研究表明，土壤中添加25%體積比的生物質炭，與CK相比，土壤容重降低了18.05%，總孔隙度增加了10%。Oguntunde等[22]的研究結果表明，生物質炭施入土壤后，可使土壤容重降低9%，總孔隙率由45.7%提高到50.6%。顏永毫[23]在對添加生物質炭對黃土高原典型土壤田間持水量的影響研究中表明，不同土壤添加生物質炭后，容重都有不同程度減小，其中風沙土的下降幅度最大，最大達29.49%，并且土壤容重的降幅隨著生物質炭添加量的增加也不斷在增大。在本試驗中，添加CSB和RHB后土壤的FMC和CWC，相比CK，分別顯著提高了5.30%，4.72%，4.75%，6.60%，且隨著生物質炭含量增加、粒徑增大，土壤FMC和CWC均呈現逐漸增大的趨勢。Glaser等[24]研究發現，在巴西亞馬遜地區，富含生物質炭的土壤與其相鄰無炭土壤相比，持水能力要高18%左右。且施加的生物質炭含量在一定范圍內增加，土壤的FMC也隨之增加。岑睿等[25]的研究發現，土壤中添加50 t/hm2生物質炭，土壤的總孔隙度增加了13.40%，FMC增加了11.52%。王艷陽[26]在對黑土區添加生物質炭的研究表明，在不同處理下，土壤的FMC提高范圍為0.32%～10.36%。雖研究的土壤類型土壤質地不一致，但本試驗的研究結果與前人的研究結果一致，添加生物質炭能夠使土壤容重明顯降低，總孔隙度增加，田間持水量和毛管持水量增大，究其原因，生物質炭作為一種多孔介質，具有比表面積大、孔隙結構豐富、密度小、強大的吸附性能的特點，且具有豐富的有機大分子，所以土壤添加生物質炭后，可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，增強土壤的持水能力。

土壤飽和導水率反映了土壤的入滲和滲漏特性，是研究水分在土壤中運動規律的重要水力參數，其與土壤容重和孔隙分布等物理性質存在密切關系[27]。在本研究中，土壤添加小粒徑生物質炭，土壤飽和導水率顯著減小，添加大粒徑的生物質炭，飽和導水率顯著增大，增加幅度高達66.67%，且添加高含量的飽和導水率小于低含量，試驗土壤的質地較為黏重，土壤中添加小粒徑生物質炭后，反而阻塞毛孔通道，致使飽和導水率減小，而添加大粒徑生物質炭，使土壤細小的毛管通道打開，飽和導水率就有所增大。土壤添加生物質炭對飽和導水率的影響因土壤質地不同而有所差異，王丹丹等[28]的研究表明，土壤飽和導水率隨著生物質炭添加量的增加而逐漸降低，土壤的飽和導水率與生物質炭添加量呈負相關關系。文曼[29]在添加生物質炭對黃土高原地區的土壤水動力學的研究中表明，添加生物質炭提高了塿土和風沙土的飽和導水率，但黑壚土、黃綿土和沙黃土的飽和導水率卻呈下降趨勢。因此，在不同質地土壤中添加生物質炭對于土壤的飽和導水率具有不同的影響，總體來說，添加小粒徑生物質炭，土壤的飽和導水率有所減小。

本研究表明，土壤容重與飽和導水率呈極顯著負相關，與田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度呈顯著正相關。這與張一璇等[30]和蔡路路等[6]土壤容重與飽和導水率呈極顯著負相關、總孔隙度呈顯著正相關的研究結果一致，但其他指標的相關性各不一致，因研究的土壤不同所致。土壤添加生物質炭，容重降低，孔隙度增大，故土壤飽和導水率增大，于貴州喀斯特地區來說，土壤的飽和導水率增大，可以加快入滲的速率，減少地表徑流。

4 結 論

土壤添加生物質炭可以有效地改良土壤結構，(1) 兩種生物質炭添加到土壤后，容重都有不同程度的減小，與對照(CK)相比，添加粒徑>1 mm粒徑的CSB和RHB土壤容重降幅最大，分別顯著降低了11.88%，8.91%。(2) 兩種類型生物質炭對土壤總孔隙度和毛管孔隙度的影響趨勢趨于一致，隨著炭含量的增加，總孔隙度和毛管孔隙度有緩慢增大的趨勢，而土壤非毛管孔隙度呈現波動減小的趨勢。(3) 與CK相比，土壤添加兩種生物質炭后，FMC分別顯著提高了5.30%，4.72%，CWC顯著提高了4.75%，6.60%。(4) 添加小粒徑生物質炭，土壤的飽和導水率減小，添加大粒徑生物質炭，飽和導水率增大，且隨著炭含量的增加，土壤的飽和導水率呈現逐漸降低的趨勢。(5) 做相關性分析得出，土壤容重與飽和導水率呈極顯著負相關，與田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度呈顯著正相關。