生物炭對(duì)沙壤土水分特征的影響

李 興，勾芒芒，屈忠義，徐效清

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)/內(nèi)蒙古節(jié)水農(nóng)業(yè)工程研究中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022； 2.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利與土木建筑工程系，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070； 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020)

內(nèi)蒙古干旱、半干旱地區(qū)是我國(guó)水資源匱乏、水土流失比較嚴(yán)重的區(qū)域，沙壤土是這個(gè)地帶的主要土壤類(lèi)型，因其持水性差、土壤肥力貧瘠等缺點(diǎn)制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。如何提高沙壤土的持水能力、增強(qiáng)土壤水分的有效性、改善農(nóng)業(yè)土壤水環(huán)境一直以來(lái)是科研人員研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-7]。近年來(lái)，隨著生物炭在溫室氣體固碳減排中的重要作用，生物炭在農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[8-13]。

生物炭(biochar)是指農(nóng)林廢棄物等生物有機(jī)材料在缺氧或低氧條件下緩慢高溫裂解獲得的富含碳的有機(jī)質(zhì)[14-17]。由于其特有的多孔性、較大的比表面積等特點(diǎn)能夠有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，具有一定的持水性能。Glaser等研究發(fā)現(xiàn)生物炭具有一定的吸水能力，尤其是氧化后的生物炭可以提高沙質(zhì)土壤的持水量，從而改善土壤持水性[18]。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究表明，生物炭對(duì)于較黏土壤可增大土壤通透性，改善土壤水分入滲能力[19]。然而，有關(guān)生物炭對(duì)沙壤土水分運(yùn)移規(guī)律影響的機(jī)理研究還有待深入開(kāi)展。

本研究針對(duì)該地區(qū)沙壤土持水性差的特點(diǎn)，以花生殼炭為供試材料，全面開(kāi)展生物炭影響沙壤土水分運(yùn)移規(guī)律的機(jī)理研究，為進(jìn)一步應(yīng)用生物炭改良沙壤土提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試沙壤土取自內(nèi)蒙古呼和浩特市和林試驗(yàn)示范基地，均為耕作表層土壤(0～25 cm)，取回的土樣進(jìn)行風(fēng)干處理，破碎后過(guò)孔徑2.0 mm篩，之后用激光粒度分析儀測(cè)試土壤的顆粒組成，土壤機(jī)械組成和基本性質(zhì)：沙粒含量為64.15%、粉粒含量為16.49%、黏粒含量為19.36%，土壤類(lèi)型為沙壤土，容重為1.39 g/m3，孔隙度為43.52%，pH值為7.85，電導(dǎo)率為141.8 μS/cm。供試生物炭為花生殼炭，采購(gòu)于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司生物炭肥廠家，經(jīng)粉碎后過(guò)2 mm篩，生物炭中碳含量為47.17%、氮含量為0.17%、氫含量為 3.83%、碳/氮為67.03、pH值為9.04。試驗(yàn)時(shí)間為2015年5月中旬及2016年5月中旬，試驗(yàn)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 將風(fēng)干研磨后的表層沙壤土和花生殼炭過(guò)2 mm篩后進(jìn)行均勻混合，設(shè)5個(gè)處理：處理1為對(duì)照，不添加生物炭(CK)；處理2為干土+生物炭10 g/kg(C1)；處理3為干土+生物炭20 g/kg(C2)；處理4為干土+生物炭 40 g/kg(C3)；處理5為干土+生物炭60 g/kg(C4)。每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.2.2 土壤容重和孔隙度測(cè)定 首先使用擊實(shí)儀將沙壤土(CK)按設(shè)定容重(1.39 g/cm3)分3層均勻裝入體積為 100 cm3的環(huán)刀中，然后其他各處理的填裝過(guò)程均同對(duì)照組的擊實(shí)次數(shù)和擊實(shí)壓力保持一致，以下試驗(yàn)設(shè)計(jì)的填土容重和方法與此相同。

1.2.3 土壤水分特征曲線測(cè)定 土壤水分特征曲線能夠較好地描述土壤水能態(tài)與土壤含水率之間的關(guān)系，是研究土壤水分有效性的重要指標(biāo)(或參數(shù))。將各處理的土樣按照測(cè)定的容重分層均勻裝入體積為100 cm3的環(huán)刀中，浸水飽和12 h。應(yīng)用1500F1型1.5 MPa壓力膜儀測(cè)定土壤水分特征曲線。各處理土樣分別在0.002、0.004、0.006、0.008、0.010、0.050、0.080、0.100、0.300、0.500、0.700、1.000、1.200 MPa下土壤達(dá)到平衡后取出稱(chēng)質(zhì)量，全部結(jié)束后取出移至鋁盒中，在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定不同吸力下的土壤體積含水率，并擬合土壤水分特征曲線。

1.2.4 土壤水分垂直入滲和水平擴(kuò)散的測(cè)定 土壤水分垂直入滲和擴(kuò)散率是水分進(jìn)入土壤參與水循環(huán)和水分遷移的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，研究土壤水分動(dòng)力學(xué)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律是分析降水和灌溉入滲的重要因素。水分入滲是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，如果入滲過(guò)快可能導(dǎo)致深層滲漏，作物根系不能充分及時(shí)地吸收水分；然而，如果入滲過(guò)慢則容易致使作物根系吸水困難并導(dǎo)致水分脅迫[1，13]。本研究開(kāi)展了以上2個(gè)因素的試驗(yàn)工作，具體測(cè)定方法如下：

(1)垂直入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備主要分為2個(gè)部分，用PVC制作的滲吸筒和供水馬氏瓶。滲吸筒直徑15 cm、高 40 cm，上部裝有一個(gè)直徑10 cm、高10 cm的內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)的頂端與滲吸筒齊平，下端插入土內(nèi)10 cm。內(nèi)環(huán)上方安置一個(gè)直徑6 cm、高60 cm的馬氏瓶，穩(wěn)定持續(xù)地給土壤供水。試驗(yàn)安排：將不同處理土壤均勻混合裝入土柱中，為保證土柱的密度較為均勻，將每個(gè)處理的混合土樣按10 cm分層裝土。當(dāng)馬氏瓶供水后開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間為120 min。測(cè)定不同處理土壤的垂直入滲速率，整個(gè)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

(2)水平擴(kuò)散試驗(yàn)。采用水平土柱進(jìn)行擴(kuò)散率的測(cè)定。水平土柱由多個(gè)內(nèi)徑為4 cm、長(zhǎng)為1.75 cm的PVC內(nèi)環(huán)組成，總長(zhǎng)為49 cm。試驗(yàn)段由24個(gè)圓環(huán)組成，將生物炭和沙壤土的不同混合土壤均勻攪拌后，用與之直徑相仿的平頭木棒分3次壓實(shí)填裝，測(cè)定時(shí)將馬氏瓶發(fā)泡位置調(diào)節(jié)在橡皮管口與土柱中央平齊又剛好出水為好，即不允許有水頭差的存在，土壤入滲時(shí)只靠其本身基模吸力，以此計(jì)算土壤水?dāng)U散率D(θ)[1]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，采用SAS10.0v進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤容重、孔隙度的影響

從圖2可知，隨著生物炭含量的增加，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土壤容重逐漸減小、孔隙度增大。與對(duì)照相比，C1、C2、C3、C4處理容重分別降低1.4%、2.9%、5.0%、9.4%，孔隙度分別增加1.4%、2.8%、4.8%、8.9%。這是由于生物炭本身結(jié)構(gòu)具有多孔性，微孔形狀各異，數(shù)量較多，這些排列緊密的微孔不僅增加了生物炭的比表面積，同時(shí)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，有利于土壤通氣及水分的交換。

2.2 生物炭對(duì)土壤水分特征曲線的影響

為了準(zhǔn)確表征不同處理的土壤水分特征曲線，應(yīng)用RETC軟件，利用van Genuchten模型對(duì)所有處理的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，選用關(guān)系式m=1-1/n，擬合結(jié)果得出a、n曲線形狀參數(shù)及決定系數(shù)的r2，不同處理沙壤土模型的擬合值與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)均大于0.92，說(shuō)明使用RETC軟件進(jìn)行van Genuchten模型擬合的土壤水分特征曲線結(jié)果是可信的。

由圖3可知，不同處理下土壤水分特征曲線走向趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為在低吸力范圍內(nèi)土壤含水率急速下降，之后隨著吸力的增加出現(xiàn)一個(gè)較長(zhǎng)平緩趨勢(shì)。在相同吸力下，各處理間含水率變化表現(xiàn)為施加生物炭的沙壤土比對(duì)照土壤含水率高，同時(shí)隨著生物炭摻入量的增加含水率表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，即 C4>C3>C2>C1>CK。其中，C4、C3、C2、C1的平均土壤含水率分別是對(duì)照的1.67、1.51、1.33、1.23倍。在不同吸力下，施加生物炭的沙壤土處理組與對(duì)照相比平均土壤含水率增幅差異較大。在土壤水吸力0.002～0.006 MPa之間，處理組的平均含水率比對(duì)照增加25.1%；在0.008～0.300 MPa之間比對(duì)照增加33.7%；在0.500～1.200 MPa之間比對(duì)照增加61.1%。從分析可知，同一吸力下?lián)郊由锾靠稍黾由橙劳恋耐寥篮剩f(shuō)明生物炭具有很好的持水性。同時(shí)，隨著壓力的增大施加生物炭保持土壤含水率仍舊比對(duì)照高，這說(shuō)明生物炭的多孔性、巨大的比表面積和較強(qiáng)的吸附作用得以充分發(fā)揮，從而抑制了水分的流失，有效地保持住沙壤土中的水分含量，從而改善沙壤土的土壤水環(huán)境，增加土壤的持水性和水分的有效性。

2.3 生物炭對(duì)土壤水分垂直入滲特征的影響

2.3.1 對(duì)垂直入滲率的影響 根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)按照公式(1) 計(jì)算在任意時(shí)刻的土壤水分垂直入滲率，然后將垂直入滲率和入滲時(shí)間按照公式(2)即Kostiakov入滲模型進(jìn)行擬合，r2為0.975 1。

Ki=10(H0-H)S1/S2t；

(1)

Ki=kta。

(2)

式中：Ki為t時(shí)刻的土壤入滲率，mm/min；H為入滲開(kāi)始后馬氏瓶在任意時(shí)刻t的水位讀數(shù)，cm；H0為試驗(yàn)開(kāi)始前(t=0)馬氏瓶的水位讀數(shù)，cm；S1為馬氏瓶的斷面面積，cm2；S2為土柱的斷面面積，cm2；k為入滲系數(shù)，mm/min；a為入滲指數(shù)。

不同處理累積入滲量的散點(diǎn)圖呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，按照公式(3)用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合的r2為0.974 2(表1)。

Wt=AT2+BT+C。

(3)

式中：T為時(shí)間，min；Wt為累積入滲量，cm；A、B、C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。通過(guò)分析可知，各處理的垂直入滲率隨著入滲時(shí)間的變化趨勢(shì)是相同的(圖4)，在開(kāi)始入滲前10 min內(nèi)，入滲率急劇減小，隨后出現(xiàn)平緩且恒定的減小趨勢(shì)，直到趨于穩(wěn)定。在入滲終止時(shí)，生物炭摻量越多，入滲率越慢，即C4、C3、C2、C1分別比對(duì)照減少59%、50%、49%、24%。

表1 不同處理沙壤土在任意時(shí)刻的水分垂直入滲參數(shù)

2.3.2 對(duì)入滲量的影響 由圖4可知，隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)各處理入滲量增加，但增加程度與生物炭摻量程度成反比，即在相同入滲時(shí)間下，生物炭摻入量越大，入滲量越小。試驗(yàn)結(jié)束后，C1、C2、C3、C4的總?cè)霛B量分別是對(duì)照(CK)的 75.98%、52.04%、50.05%、41.04%。

2.4 生物炭對(duì)土壤水分水平擴(kuò)散特征的影響

2.4.1 對(duì)濕潤(rùn)峰遷移速率的影響 由圖5可知，隨著滲透距離的增大，各處理的濕潤(rùn)峰遷移速率在前期變化較大，到中后期逐漸減慢直至趨于一個(gè)穩(wěn)定速率；與對(duì)照相比，摻加生物炭的沙壤土遷移速率減慢，且生物炭含量越大遷移速率越小，即C4

2.4.2 Boltzmann變換參數(shù)與含水率θ的關(guān)系 通過(guò)計(jì)算得出Boltzmann變換參數(shù)λ，λ值的大小表示水分在土壤中水平吸滲時(shí)濕潤(rùn)鋒向前移動(dòng)的快慢程度。通過(guò)圖6可知，生物炭對(duì)沙壤土的λ-θ關(guān)系曲線的影響較為明顯，均隨含水率的增大而減小。與對(duì)照相比，生物炭摻量越多，θ值越大，λ值越小。結(jié)果表明，濕潤(rùn)峰前移速度的快慢程度變化顯著，在初期各處理間前移速度差異不大，到中后期表現(xiàn)為C4、C3處理前移速度明顯緩慢，C2、C1次之，CK前移速度最快，這是因?yàn)榍捌谒謹(jǐn)U散時(shí)，土壤中的大孔隙容易過(guò)水，不同處理土壤中的前移速度差異不大。因?yàn)樯锾烤哂卸嗫仔院洼^大的比表面積，隨著水分移動(dòng)添加生物炭的土壤小孔隙增大，能夠充分地吸持一定的水分，減緩了土壤水分運(yùn)移的速度，增加了土壤的持水性，抑制了土壤水平方向的水分側(cè)漏。

2.4.3 擴(kuò)散率D(θ)與含水率θ的關(guān)系 由圖7可知，土壤擴(kuò)散率D(θ)與土壤體積含水率θ具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)都超過(guò)0.86。與對(duì)照相比，隨著生物炭摻量的增加土壤擴(kuò)散率D(θ)逐漸減小，在土壤含水率為24.9%時(shí)，C1、C2、C3、C4處理的土壤擴(kuò)散率分別比CK(對(duì)照)減小 45.00%、79.11%、80.56%、83.33%。

3 結(jié)論

生物炭施入沙壤土后，可以有效地改善沙壤土結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)改變土壤容重和孔隙度對(duì)土壤含水率、土壤垂直入滲率和擴(kuò)散度產(chǎn)生影響，改變了沙壤土持水性差的缺點(diǎn)，提高土壤持水、保水的能力，改善土壤水土環(huán)境。

(1)4種不同摻量的生物炭(10、20、40、60 g/kg)能夠明顯改善沙壤土土壤結(jié)構(gòu)，與對(duì)照相比容重分別減少1.4%、2.9%、5.0%、9.4%；孔隙度增加1.4%、2.8%、4.8%、8.9%。

(2)在相同的土壤水吸力下，隨著生物炭含量的增加，土壤含水率增大。與對(duì)照相比，土壤含水率分別增大0.23、0.33、0.51、0.67倍。

(3)隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，生物炭可以抑制沙壤土的垂直入滲速率和入滲量，隨著摻量的增加入滲率和入滲量逐漸降低。120 min后，入滲率分別比對(duì)照減少24%、49%、50%、59%；入滲量分別是對(duì)照的75.98%、52.04%、50.06%、41.04%。

(4)隨著入滲距離的擴(kuò)大，生物炭可以減緩沙壤土濕潤(rùn)峰的遷移速率和土壤擴(kuò)散率，而且生物炭摻量越多這種效應(yīng)越明顯。到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(滲透距離為42 cm)，與對(duì)照相比各處理組的遷移速率分別減少10%、60%、80%、90%。當(dāng)土壤含水率為24.9%時(shí)，土壤擴(kuò)散率分別減小45.00%、79.11%、80.56%、83.33%。