炭化時間對南疆沙化土壤物理性質和水分特征的影響

張紅美，李 坷，朱 琴，周 嶺，孔德國

(1.塔里木大學機械電氣化工程學院/現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；2.鄭州電力職業技術學院，鄭州 451450)

0 引 言

新疆地區由于光照時間長，光熱資源豐富而成為我國棉花主要種植基地[1]。棉花種植極大地推動了當地棉紡業的發展，成為增加農戶收入的一個支柱產業，但大量的棉花秸稈也給環境帶來巨大的壓力。2013年秋后，我國棉花秸稈為3千多萬t，新疆棉花秸稈占了當年全國總產量的一半以上[2]。大量的棉花秸稈常在春播時被直接粉碎還田，棉花秸稈還田雖可增加土壤有機質，但會加重棉花病蟲害[3,4]。因此如何實現棉花秸稈資源的高值化利用成為一個亟待解決的問題。

南疆地區距塔克拉瑪干沙漠較近，氣候干旱少雨，水資源短缺，而當地土壤保水能力差。但由于當地氣候干燥，日照時間長，光照強度大，非常適宜棉花生長，棉花產量高，促進了當地經濟的快速發展。近年來棉花種植面積有不斷擴大的趨勢，這造成大量的棉花種植與當地水資源短缺之間的矛盾，因此提高當地土壤的保水能力成為解決這個問題的關鍵。

生物炭是生物質原料在厭氧條件下經過高溫熱解得到的富碳高度芳香化物質[5]，其具有豐富的孔隙結構，比表面積大，表面荷負電，在土壤改良方面具有較大的潛在應用[6]。將生物炭施入土壤可降低其容重[7-9]，增大土壤孔隙度[10,11]，提高土壤保水能力[12-15]，因此在土壤中添加生物炭可提高土壤對水分的持留能力，達到節水目的。孫愛華等[16]研究結果表明土壤中施加生物炭提高了水稻的產量及灌溉水分生產率。許健等[17]通過室內土箱模擬實驗研究了生物炭不同添加量對微潤灌土壤水分運動的影響，張新學等[18]通過室內模擬方法研究了生物炭對不同質地土壤蓄水能力影響，結果表明隨生物炭施入量增加土壤蓄水能力增強，生物炭對不同質地土壤蓄水能力影響不同。肖茜等[19]采用室內土柱實驗方法，研究了生物炭對黃土區土壤水分入滲、蒸發性能影響，結果表明生物炭提高了土壤的持水性，但對不同質地土壤影響不同。張妙等[20]研究了生物炭和PAM共施對黃綿土水分入滲和蒸發的影響。肖亞楠[21]等研究表明節水灌溉稻田施用生物炭在減少CH4排放的同時能夠實現節水增產。王紅蘭等[22]通過野外小區實驗方法研究了生物炭對紫色土坡耕地耕層土壤水力學性質的影響，結果表明生物炭不但提高了土壤對有效水的持留能力，而且提高了土壤導水率。顏永毫等[23]采用室內實驗方法研究了生物炭添加對黃土高原土壤田間持水量的影響，結果表明不同類型生物炭及其添加量對土壤的田間持水量影響差別較大。生物炭的添加量、種類以及土壤類型均會影響生物炭對土壤保水性能產生影響。為了探索棉稈基生物炭對南疆沙化土壤物理性能影響規律，結合孔德國等[24]前期研究結果，采用短絨棉棉花秸稈為原料制備棉稈基生物炭，并將其施入土壤中，研究炭化時間對南疆沙化土壤物理性能的影響，實現農業資源的循環利用，期望為南疆沙化土壤改良和棉花種植提供理論數據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 供試土壤

土壤采自于新疆生產建設兵團第一師十二團連作棉田。采用“W”型五點取樣法取樣，相鄰兩點之間的距離均為2 m。將土樣置于室外自然晾干，手動剔除雜物，混合均勻后過2 mm篩備用。

1.1.2 供試生物炭

將采自于新疆生產建設兵團第一師十二團連作棉田的短絨棉棉花秸稈自然曬干后，剪成2～3 cm長，在馬弗爐中于300 ℃炭化1.5、2、2.5、3、3.5 h，自然冷卻后取出手動研磨，過2 mm篩后備用。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣吸水性能測定

將供試生物炭與土樣按質量比為4∶100混合均勻。在底部開有小孔的容器中鋪3層濾紙，稱重記為m1；將等質量的混合土樣裝入容器中，并抹平上表面，稱重記為m2；向容器中緩慢加入等質量的水，多余的水分通過底部小孔滲出，每4 h補水1次，共補水3次。室內自然陳化2 d后，稱重記為m3。土樣吸水率采用下式計算。

(1)

1.2.2 土樣保水性能測定

采用每天定時稱重的方法測定土樣保水率。保水率采用下式計算：

(2)

式中：mi是第i次稱量時容器與濕土質量；m是陳化2 d后容器與濕土質量； 是容器與干土質量。

1.2.3 土樣容重與孔隙度性能測定

連續稱重14 d后采用環刀從容器中取土。將取樣后的環刀底部用4層紗布包裹后置入塑料盆中，加水至環刀上邊緣，浸泡24 h后去除底部紗布并稱重，記為m1；將帶土環刀放在鋪有一層濾紙的沙土上，用重物壓實8 h后，稱量環刀與土重，記為m2；最后將帶土環刀放入烘箱中于105 ℃烘至質量不變并稱重，記為m3；單一環刀質量記為m0，環刀體積記為v。按照以下公式計算容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.3 數據分析

以未添加生物炭的土樣為對照組，采用Excel軟件對數據進行計算，繪制圖表和擬合方程。

2 分析與討論

2.1 結構分析

為了研究生物炭施入沙化土壤后對土壤的稀釋或填充作用，對生物炭和純土進行了形貌測定，結果如圖1所示。由圖1可見，生物炭中分布著沿棉花秸稈軸向的橢圓形孔徑，孔洞深，在脫落的棉花秸稈表皮上也有橢圓形孔徑分布，孔徑相對較小，孔洞淺，并且隨著炭化時間的增加，生物炭中小粒徑顆粒出現，這可能與棉花秸稈炭化過程中結構發生坍塌有關，同時還發現在側壁上出現更為微小的孔徑，這將增大生物炭的比表面積。由圖1還可看出純土土樣顆粒大小不均，在較大顆粒的表面和間隙分布有小顆粒土樣，并且大部分土樣顆粒的粒徑大于供試生物炭的孔徑。生物炭與土樣顆粒的相對大小將導致生物炭施入沙化土壤后，大顆粒的生物炭對土壤起到稀釋作用，而小顆粒的生物炭將對土壤孔隙起填充作用，因此生物炭的施入會對土壤的容重和孔隙度產生相應影響。

圖1 生物炭和土樣SEM圖

2.2 容重與總孔隙度

為了研究生物炭對土樣結構狀況的影響測定了土樣容重、總孔隙度隨炭化時間的變化關系曲線，結果如圖2所示。在相同實驗條件下，對照組密度為1.37 g/mL，總孔隙度為47.51%。由圖2可見生物炭降低了土樣容重，增加了總孔隙度。隨炭化時間增加，密度較對照組分別降低了8.06%、10.95%、10.46%、8.41%和10.39%；總孔隙度分別增加了3.79%、7.73%、6.20%、2.87%、6.53%，可見炭化時間為2 h的生物炭對土樣密度和總孔隙度影響最大。生物炭發達的孔隙結構和施入土樣后的稀釋作用均會促使密度和總孔隙度的改變。由于所用生物炭炭化溫度較低，因此在2 h前的炭化中主要是棉花秸稈部位的大孔結構以及棉花秸稈表皮生成的孔洞，隨炭化時間的增加，側壁上出現了更小的孔徑，增加了孔隙度，但是生物炭結構出現坍塌，導致部分孔洞結構被破壞，施入土樣后，更小的土樣顆粒占據原來的孔隙，反而降低了孔隙度，在炭化過程中造孔與孔結構坍塌相互競爭，因此出現了容重和總孔隙度隨炭化時間的增加波動的情況，這與SEM結果一致。

圖2 炭化時間土樣對容重和總孔隙度的影響

2.3 (非)毛管孔隙度

總孔隙度包含毛管孔隙度和非毛管孔隙度。非毛管孔隙由于常被空氣占據，透氣透水性差，土壤中的水分常借助于毛管力得以儲存和運動，毛管中的水分最易被作物吸收和利用，是對作物最有效的水分。一般情況下毛管孔隙占35%，非毛管孔隙占15%時最有利于作物的生長。為了研究非毛管孔隙度與毛管孔隙度為最佳比值時的炭化時間測定了(非)毛管孔隙度隨炭化時間的變化關系曲線，結果如圖3所示。在相同實驗條件下，對照組毛管孔隙度為26.82%，非毛管孔隙度為20.69%。由圖3可見生物炭的施入增大了土樣毛管孔隙度，降低了非毛管孔隙度。隨炭化時間的增加毛管孔隙度較對照組分別分別提高了31.95%、16.92%、14.86%、27.88%、13.48%，可見炭化1.5 h時生物炭對毛管孔隙度影響最大，炭化3.5 h時的影響最小。由圖3還可看出(非)毛管孔隙度隨炭化時間的增加出現波動性變化，二者均未與總孔隙度表現出相同或相反的趨勢，非毛管孔隙度與毛管孔隙度之比分別為0.393、0.630、0.637、0.426和0.663，可見在炭化3 h時二者之比接近于最佳比值，并且此時非毛管孔隙度為14.6%，毛管孔隙度為34.3%。

圖3 炭化時間對(非)毛管孔隙度的影響

2.4 吸水性能

由于新疆地區水資源短缺，節約水資源顯得十分重要。為了制備出對土壤吸水性能影響最大的生物炭測定了施入生物炭后的土樣吸水性，結果如圖4所示。在相同實驗條件下， 対照組吸水率為36.4%。由圖4可見施入生物炭后，土樣的吸水率增大。炭化時間對生物炭吸水率的影響強度由大到小依次是3.5 h>2.5 h>2 h>3 h>1.5 h。由圖4可見，吸水率隨炭化時間的變化關系曲線與毛管孔隙度隨炭化時間變化關系曲線不一致，說明土樣吸收的水分除了毛管水以外還有非毛管水。炭化3 h時毛管孔隙度大于3.5 h，而吸水率卻小于后者，說明炭化3.5 h時非毛管吸水較多。由圖4還可看出，1.5 h時的吸水率最低，而毛管孔隙度最大，說明此時土樣的非毛管孔隙可能大部分被空氣占據，只有少部分非毛管孔隙吸收了水分。

圖4 炭化時間對土樣吸水率的影響

2.5 施入生物炭后土樣保水性

為了研究炭化時間對土樣保水性能影響，測定了保水率隨炭化時間的變化關系曲線，結果如圖5所示。由圖5可以看出，隨蒸發時間的增加各處理的保水率均呈下降趨勢，并且從第11 d開始對照組的保水率一直處于最低，這可能是由于在蒸發的前期，土樣水分的丟失主要是土樣表面和大孔隙水分的蒸發造成的，而在后期主要是小孔隙的水分蒸發，由于加入生物炭后，生物炭中的較小孔隙鎖住了水分，致使后期添加生物炭的土樣保水率較對照組高。

圖5 炭化時間對保水率的影響

為了研究土樣水分蒸發快慢程度，對圖5中的曲線進行擬合，擬合方程如表1所示。隨炭化時間的增加土樣水分蒸發速率分別為對照組的0.973、0.968、0.950、0.962、0.943倍，說明炭化時間為3.5 h時保水效果最好。由于3.5 h時非毛管水較多，而保水性最好，說明此時的非毛管水主要是存在于生物炭的微小孔隙中，炭化時間越長，孔壁上生成的微孔越多，水分進入微孔后很難釋放出來被作物利用。

表1 生物炭施入后沙化土壤保水性能

結合土樣的吸水率和保水率，計算了自然條件下室內蒸發14 d后土樣的含水量，結果表明隨炭化時間的增加土樣含水量分別較對照組增加了14.41%、23.81%、28.92%、17.09%、35.87%，可見土樣14 d后的含水量變化趨勢與吸水率相同。

3 結 語

生物炭施入沙化土壤中降低了容重和水分蒸發速度，增加了總孔隙度、毛管孔隙度、吸水性和保水性，并且各被測量均隨炭化時間的增加出現波動性。生物炭雖然增加了土樣的最終含水量，但由于部分水分是非毛管水，會出現下滲，或者被鎖在生物炭微小的孔隙中而無法釋放出來被作物利用，因此生物炭的添加并不一定能提高水分的利用率。施入土壤中的生物炭炭化時間應結合作物的最佳生長條件進行選擇。