添加生物質(zhì)炭對(duì)喀斯特地區(qū)黃壤飽和導(dǎo)水率的影響

屠 丹, 毛天旭

(貴州大學(xué) 林學(xué)院, 貴陽 550025)

土壤水分是“土壤—植物—大氣”連續(xù)體的一個(gè)關(guān)鍵因子，是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動(dòng)的載體[1-2]，其含量變化常常會(huì)對(duì)土壤的通氣狀況、蓄水抗旱、熱狀況、保肥性能和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及有害物質(zhì)的產(chǎn)生等方面有著重要的影響[3]。土壤持水特性是對(duì)土壤水分有效性的一種反映，能夠表征土壤涵養(yǎng)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(zhì)的影響，而具有良好孔隙度的土壤可以較好地協(xié)調(diào)土壤的水分運(yùn)移、物質(zhì)運(yùn)輸和能量交換，進(jìn)而為作物生長提供良好的環(huán)境條件[5]。土壤飽和導(dǎo)水率是土壤重要的物理性質(zhì)之一，是表征土壤透水性能的一個(gè)綜合指標(biāo)，飽和導(dǎo)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(dǎo)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(duì)降水的有效儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換利用至關(guān)重要。貴州省是典型的喀斯特地貌分布區(qū)，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直受到土壤保水性能差、易產(chǎn)生水土流失等因素制約，因此，如何改良土壤結(jié)構(gòu)來提高土壤水分利用效率已成為科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重點(diǎn)關(guān)注問題。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)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(chǎn)物[8-9]，其比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，密度低，在改良土壤結(jié)構(gòu)、提高保水保肥性能方面具有廣闊的應(yīng)用前景[10-11]。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者就生物質(zhì)炭改良土壤結(jié)構(gòu)和改善土壤持水能力、導(dǎo)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(zhì)炭對(duì)土壤持水特性的影響，該研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，土壤的持水性能提高，但當(dāng)添加量達(dá)到80 t/hm2時(shí)，反而會(huì)降低其對(duì)土壤的持水能力。劉小寧等[13]的研究同樣表明，添加生物質(zhì)炭能夠提高黃土高原典型旱作農(nóng)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(dá)到40 t/hm2后，土壤持水性能趨于穩(wěn)定。Wang等[14]研究表明，添加1～2 mm粒徑的生物質(zhì)炭對(duì)砂土田間持水量的增幅大于添加<1 mm粒徑的生物質(zhì)炭。解倩等[15]發(fā)現(xiàn)，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(zhì)炭對(duì)山地水稻產(chǎn)量的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭后，土壤表層的飽和導(dǎo)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(zhì)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(dǎo)水率。

目前關(guān)于添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性能的影響研究大多以黃土高原和東北黑土區(qū)為研究對(duì)象[5,17]，喀斯特坡耕地黃壤發(fā)育于碳酸鹽巖，質(zhì)地黏重、結(jié)構(gòu)性差，添加生物質(zhì)炭對(duì)黃壤結(jié)構(gòu)改良的研究較少，對(duì)添加不同粒徑生物質(zhì)炭和添加量對(duì)黃壤持水性和飽和導(dǎo)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(shè)置不同添加量不同粒徑的兩種類型生物質(zhì)炭，比較了土壤添加生物質(zhì)炭后土壤持水特性和飽和導(dǎo)水率的變化，以期進(jìn)一步豐富生物質(zhì)炭對(duì)黃壤影響研究的成果，同時(shí)為喀斯特地區(qū)生物質(zhì)炭改良土壤的性能提供一定的理論依據(jù)和應(yīng)用參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(shí)取表層0—20 cm的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)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(cè)定土壤機(jī)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(jù)美國農(nóng)部制土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)，供試土壤質(zhì)地為壤土，供試土壤的初始含水量為5%。供試生物質(zhì)炭購于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)遼寧省生物質(zhì)炭工程技術(shù)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(zhì)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(gè)粒徑等級(jí)備用。

1.2 研究方法

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

為盡量貼近田間實(shí)際情況，添加生物質(zhì)炭后的土壤容重是在100 cm3環(huán)刀中不施加外力時(shí)測(cè)出，試驗(yàn)中測(cè)定添加生物質(zhì)炭土壤的持水性指標(biāo)與飽和導(dǎo)水率也按此方法進(jìn)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(gè)指標(biāo)表征添加生物質(zhì)炭后土壤的持水特性，并依照《土壤分析技術(shù)規(guī)范》測(cè)定[19]，土壤飽和導(dǎo)水率采用定水頭法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素(One-way ANOVA)和相關(guān)性分析(Pearson)。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

由表1可知，兩種生物質(zhì)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(zhì)炭不同處理之間基本都存在顯著差異。兩種類型生物質(zhì)炭，隨著炭粒徑的增大，土壤容重呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，與對(duì)照(CK)相比，添加>1 mm粒徑生物質(zhì)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(zhì)炭對(duì)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(shì)。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(zhì)炭疏松多孔、質(zhì)輕的特點(diǎn)充分降低了土壤容重并相應(yīng)提高了土壤孔隙度，且兩種類型的生物質(zhì)炭對(duì)土壤容重和孔隙度的影響差異不大。

表1 生物質(zhì)炭對(duì)容重、孔隙度的影響

2.2 添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水特性的影響

由圖1可見，添加玉米秸稈生物質(zhì)炭(CSB)和稻殼生物質(zhì)炭(RHB)對(duì)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(zhì)炭類型對(duì)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(zhì)炭的土壤CWC差異不顯著。由此可見，添加生物質(zhì)炭后顯著提高了土壤的FMC和CWC。

由圖2可見，當(dāng)兩種類型生物質(zhì)炭的添加量為1%，2%，3%時(shí)，對(duì)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(zhì)炭添加量成正比，且RHB的增幅略小于CSB。

圖2 生物質(zhì)炭添加量對(duì)土壤持水特性的影響

不同添加量的兩種生物質(zhì)炭對(duì)土壤的CWC的影響趨于一致，與CK相比，當(dāng)兩種生物質(zhì)炭的添加量為1%時(shí)，土壤間的CWC差異不顯著；當(dāng)添加量為2%，3%時(shí)，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(duì)土壤CWC的增幅高于CSB。

由圖3可見，添加不同粒徑的CSB對(duì)土壤FMC和CWC的影響趨勢(shì)一致，與CK相比，添加<0.25 mm，0.25～1 mm和>1 mm粒徑生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)炭的FMC最大；當(dāng)添加<0.25 mm粒徑的RHB時(shí)，土壤的CSB比CK高1.64%，但差異不顯著，當(dāng)添加粒徑為0.25～1 mm、>1 mm時(shí)，土壤CWC顯著高于CK，比CK顯著增加了8.47%，9.31%。

圖3 生物質(zhì)炭粒徑對(duì)土壤持水特性的影響

2.3 添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

表2是添加不同粒徑不同含量生物質(zhì)炭的土壤飽和導(dǎo)水率，與CK相比，添加<0.25 mm，0.25～1 mm粒徑CSB的土壤飽和導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)水率。添加不同粒徑不同含量RHB的土壤飽和導(dǎo)水率差異不顯著，與CK相比，添加<0.25 mm粒徑生物質(zhì)炭的土壤飽和導(dǎo)水率有所減小，添加0.25～1 mm，>1 mm粒徑生物質(zhì)炭的飽和導(dǎo)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(dǎo)水率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

表2 添加生物質(zhì)炭對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響

2.4 土壤孔隙度、持水性能對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響

為進(jìn)一步明晰土壤孔隙度、持水性能對(duì)土壤飽和導(dǎo)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(gè)指標(biāo)與飽和導(dǎo)水率作相關(guān)分析，結(jié)果見表3，可知毛管持水量、非毛管孔隙度與飽和導(dǎo)水率相關(guān)性不顯著(p>0.05)，容重與飽和導(dǎo)水率呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，F(xiàn)MC、毛管孔隙度和總孔隙度與飽和導(dǎo)水率均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(p<0.05)，其相關(guān)性絕對(duì)值排序?yàn)槿葜?毛管孔隙度>總孔隙度>FMC>CWC>非毛管孔隙度。

表3 飽和導(dǎo)水率與孔隙度、持水性能的相關(guān)性分析

3 討 論

生物質(zhì)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(jié)果表明，土壤添加這兩種類型生物質(zhì)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(zhì)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(jié)果表明，生物質(zhì)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(duì)添加生物質(zhì)炭對(duì)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(zhì)炭后，容重都有不同程度減小，其中風(fēng)沙土的下降幅度最大，最大達(dá)29.49%，并且土壤容重的降幅隨著生物質(zhì)炭添加量的增加也不斷在增大。在本試驗(yàn)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(zhì)炭含量增加、粒徑增大，土壤FMC和CWC均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。Glaser等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在巴西亞馬遜地區(qū)，富含生物質(zhì)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(zhì)炭含量在一定范圍內(nèi)增加，土壤的FMC也隨之增加。岑睿等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添加50 t/hm2生物質(zhì)炭，土壤的總孔隙度增加了13.40%，F(xiàn)MC增加了11.52%。王艷陽[26]在對(duì)黑土區(qū)添加生物質(zhì)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(zhì)地不一致，但本試驗(yàn)的研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致，添加生物質(zhì)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(zhì)炭作為一種多孔介質(zhì)，具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、密度小、強(qiáng)大的吸附性能的特點(diǎn)，且具有豐富的有機(jī)大分子，所以土壤添加生物質(zhì)炭后，可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤的持水能力。

土壤飽和導(dǎo)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(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要水力參數(shù)，其與土壤容重和孔隙分布等物理性質(zhì)存在密切關(guān)系[27]。在本研究中，土壤添加小粒徑生物質(zhì)炭，土壤飽和導(dǎo)水率顯著減小，添加大粒徑的生物質(zhì)炭，飽和導(dǎo)水率顯著增大，增加幅度高達(dá)66.67%，且添加高含量的飽和導(dǎo)水率小于低含量，試驗(yàn)土壤的質(zhì)地較為黏重，土壤中添加小粒徑生物質(zhì)炭后，反而阻塞毛孔通道，致使飽和導(dǎo)水率減小，而添加大粒徑生物質(zhì)炭，使土壤細(xì)小的毛管通道打開，飽和導(dǎo)水率就有所增大。土壤添加生物質(zhì)炭對(duì)飽和導(dǎo)水率的影響因土壤質(zhì)地不同而有所差異，王丹丹等[28]的研究表明，土壤飽和導(dǎo)水率隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而逐漸降低，土壤的飽和導(dǎo)水率與生物質(zhì)炭添加量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。文曼[29]在添加生物質(zhì)炭對(duì)黃土高原地區(qū)的土壤水動(dòng)力學(xué)的研究中表明，添加生物質(zhì)炭提高了塿土和風(fēng)沙土的飽和導(dǎo)水率，但黑壚土、黃綿土和沙黃土的飽和導(dǎo)水率卻呈下降趨勢(shì)。因此，在不同質(zhì)地土壤中添加生物質(zhì)炭對(duì)于土壤的飽和導(dǎo)水率具有不同的影響，總體來說，添加小粒徑生物質(zhì)炭，土壤的飽和導(dǎo)水率有所減小。

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

4 結(jié) 論

土壤添加生物質(zhì)炭可以有效地改良土壤結(jié)構(gòu)，(1) 兩種生物質(zhì)炭添加到土壤后，容重都有不同程度的減小，與對(duì)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(zhì)炭對(duì)土壤總孔隙度和毛管孔隙度的影響趨勢(shì)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(shì)，而土壤非毛管孔隙度呈現(xiàn)波動(dòng)減小的趨勢(shì)。(3) 與CK相比，土壤添加兩種生物質(zhì)炭后，F(xiàn)MC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(zhì)炭，土壤的飽和導(dǎo)水率減小，添加大粒徑生物質(zhì)炭，飽和導(dǎo)水率增大，且隨著炭含量的增加，土壤的飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。(5) 做相關(guān)性分析得出，土壤容重與飽和導(dǎo)水率呈極顯著負(fù)相關(guān)，與田間持水量、毛管孔隙度和總孔隙度呈顯著正相關(guān)。