生物炭對南方紅壤和水稻土水力學特性的影響分析

陳 姣，吳鳳平，王 輝，譚 帥，胡傳旺

（湖南農業(yè)大學 水利與土木工程學院，長沙 410128）

0 引 言

【研究意義】水稻土和紅壤是南方地區(qū)典型的土壤類型之一。紅壤孔隙度較低、有機碳量低、質地黏重、有效水量較低、易板結、易干旱、保肥性差[1]，水稻土易板結、易沙化、保水保肥能力弱，改善紅壤和水稻土的持水能力對于提高農業(yè)產出具有重要意義。【研究進展】生物炭是在缺氧或無氧環(huán)境條件下，經高溫裂解將農作物秸稈、木質材料、動物糞便等生物質碳化而形成的一種穩(wěn)定難溶、高度芳香化、碳量極其豐富的固態(tài)產物，具有發(fā)達的孔隙結構、極大的比表面積、較高的離子交換能力、較強的穩(wěn)定性等特點[2]。將生物炭施入土壤中，可改變土壤的理化性質，如降低土壤體積質量、改變土壤團聚性、增大土壤孔隙度、提高土壤的田間持水率等[3]，進而影響著土壤持水能力與水分入滲特征[4]。Karolina 等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在砂質壤土中加入2.5%和5%的熱解芒果木生物炭能有效提高粗粒砂的保水率；趙迪等[6]研究發(fā)現(xiàn)，粉黏壤在施加3%和6%生物炭后會減弱其持水能力；于博等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當生物炭添加比例低于8%時，壤土累積入滲量、入滲速率逐漸遞增，持水能力降低，而當添加生物炭量達到10%時，土壤持水性顯著提高。從改良土壤理化性質角度來看，生物炭改良土壤效果顯著，但施用量需要根據(jù)具體的土壤類型來確定。田丹等[8]研究表明，添加高量秸稈生物炭和花生殼炭均可有效減小土壤水分擴散率，增強粉砂壤土的土壤持水性，而添加低量生物炭則會降低土壤持水性；齊瑞鵬等[9]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能提高水分入滲能力，添加量過低，生物炭的促進作用不顯著，添加量過高，則會產生一定的抑制作用。由此可見，生物炭不同的添加量對不同質地土壤水分特性的影響差異顯著。【切入點】當前有關生物炭改良南方紅壤和水稻土的研究主要集中在生物炭對土壤板結、鹽漬化、土壤菌群、微量元素等理化性質的改善，及生物炭對農作物生長狀況、溫室氣體排放、重金屬吸附等方面的影響[10-11]，但從土壤水分運動及溶質運移機理方面對生物炭施加與參數(shù)變化關系的定量研究尚不多見。【擬解決的關鍵問題】本文通過研究南方典型的旱地紅壤與水田水稻土在不同生物炭施加條件下對其水力學特性的影響，以期為南方地區(qū)高效利用生物炭提供相應理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試紅壤取自于湖南省長沙市榔梨中學附近(113°16′46″E，28°32′49″N)，水稻土取自于湖南長沙春華研究基地(113°26′21″E，28°28′42″N)，該研究基地多年種植水稻，在多點取樣，清除土壤表層雜物，取0～20 cm 土層土壤，去除土壤中植物根系、大塊碎石等雜質，自然風干后充分碾壓磨細，過2 mm 篩備用。其中土壤機械組成采用比重計法測定，土壤EC和pH 值采用多功能離子計測定，供試土壤理化性質見表1。供試生物炭使用廢棄的一次性竹筷置于馬弗爐中，在500 ℃無氧條件下燒制3 h 而成，充分磨碎后過1 mm 篩孔備用。

表1 供試土壤的理化性質 Table 1 Physical and chemical properties of soil tested

1.2 試驗方法

紅壤和水稻土均設置6 種處理：不添加生物炭處理（CK）和生物炭分別占土壤的質量比為0.1%、0.5%、1%、3%、5%，每個處理重復3 次。試驗在湖南農業(yè)大學土壤水動力實驗室進行，采用日本HITACHI 公司生產的CR21N 高速恒溫冷凍離心機，測定土壤水吸力值與含水率之間的關系，并將實測數(shù)據(jù)用Brooks-Corey 模型進行擬合。試驗前將生物炭和土壤混合均勻，為接近田間實際體積質量，采取定體積質量的方式控制紅壤、水稻土的體積質量，均控制為1.3 g/cm3，稱取一定質量的土壤填裝到直徑為5 cm的離心機專用環(huán)刀內，填裝高度為4 cm。放置蒸餾水中浸泡24 h 以上直至飽和，取出環(huán)刀稱質量，將環(huán)刀放置于離心機內，離心轉速依次設置為500、1 000、1 500、2 500、3 500、5 000、7 000、9 000 r/min，離心時間均為60 min，離心溫度設置為20 ℃，每次離心后將離心的水分擦去，然后稱質量并用游標卡尺測量樣品壓縮深度，記錄數(shù)據(jù)。試驗結束后，采用烘干法測定土壤含水率。

采用定水頭滲透法測定飽和導水率，生物炭和土壤均勻混合后填裝，控制裝土體積質量為1.3 g/cm3，試驗所用土柱高10 cm，由內徑為5 cm，高5 cm 的環(huán)刀用防水膠黏接組裝而成，制成長5 cm 的均質土柱。用馬氏瓶從土柱表面供水，接樣裝置固定在土柱支撐架上，接樣裝置主要由玻璃漏斗與土柱架子組合形成。試驗開始后，用計時器計時，記錄接樣漏斗中第1 滴水滴下的時間和馬氏瓶讀數(shù)，而后每隔1 h，記錄1 次馬氏瓶讀數(shù)，換接樣瓶并稱質量以記錄出流量。出流量達到穩(wěn)定時測量并記錄水頭差，后停止接樣。

1.3 Brooks and Corey 模型

本文采用美國鹽改中心開發(fā)的RETC 軟件，RETC 軟件中有8 種不同的土壤水分特征曲線模型，用來擬合、分析、預測土壤的水力性質。Brooks and Corey 模型(簡稱BC 模型)和Van Genuchten（簡稱VG 模型）是常見的經驗模型，精度較高[12]，將試驗數(shù)據(jù)進行了2 種模型的擬合比較，發(fā)現(xiàn)BC 模型擬合度優(yōu)于VG 模型，因此采用擬合效果較好的BC 模型。根據(jù)該模型可以擬合得出的θr、θs、α、n 等水分特征曲線參數(shù)進一步推導出土壤非飽和導水率、當量孔徑比和水分擴散度。BC 模型表達式為：

式中：Se為飽和度(cm3/cm3)；θ 為土壤體積含水率(cm3/cm3)；h 為壓力水頭(cm)；θs為土壤飽和含水率(cm3/cm3)；θr為土壤殘余含水率(cm3/cm3)；α 為進氣值的倒數(shù)(cm-1)；n 為土壤孔隙尺寸分布參數(shù)，決定土壤水分特征曲線的斜率。

土壤中的孔隙設想為各種孔徑的圓形毛管，土壤水吸力和當量孔徑的關系[13]計算式為：

式中：τ 為水的表面張力系數(shù)，室溫條件下一般為75×10-5N/cm；S 為土壤水吸力（Pa）；d 為孔隙直徑（mm）。

土壤非飽和導水率采用間接公式推求方法來獲取，根據(jù)Brooks-Corey 模型表達式為：

式中：K(h)為土壤水吸力h 對應的土壤非飽和導水率（cm/min）；Ks為飽和導水率（cm/min）；m 為與土壤特征有關的形狀參數(shù)，m=3n+2。

土壤水分擴散可表示為土壤水分特征曲線和非飽和導水率的函數(shù)，計算式為：

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016 軟件進行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表；運用SPSS 20.0 進行顯著性分析及檢驗擬合效果；利用RETC 軟件中的BC 模型進行土壤水分特征曲線的參數(shù)擬合，并采用殘差平方和SSQ 和決定系數(shù)R2作為評價BC 模型擬合效果的評價指標。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤孔徑分布的影響

通過土壤水分特征曲線可以間接地反映出土壤孔隙大小的分布。根據(jù)吸力計算所得的孔徑稱為當量孔徑，已知水的表面張力系數(shù)τ 和水吸力S，可求出反映土壤孔隙大小分布情況的當量孔徑d。由圖1 可知，隨生物炭添加量的增加，紅壤微小孔隙所占比例較CK 分別減少了0.19%、4.56%、8.86%、10.25%、18.17%，而隨生物炭添加量的增多，其有效孔隙較CK 分別增加了0.73%、-0.017%、2.29%、0.49%、1.4%，大孔隙分別增加0.46%、4.45%、7.79%、9.80%、17.17%。隨生物炭的增加，紅壤大孔隙占比呈增大趨勢。水稻土隨炭量的增加，其有效孔隙所占比例分別減少了3.19%、2.39%、4.92%、3.3%、1.16%，微小孔隙所占比例分別增加了4.04%、2.89%、4.86%、6.2%、6.3%，表明水稻土在添加生物炭后顯著增加微小孔隙所占比例，減少了有效孔隙和大孔隙所占比例。從圖1 中也可以看出，在同一炭土比下，紅壤的微小孔隙所占比例明顯高于水稻土。

圖1 不同炭土比下土樣的當量孔徑分布比例 Fig.1 The equivalent pore diameter distribution ratio under different carbon soil ratios

圖2 不同炭土比下土樣的水分特征曲線 Fig.2 The water characteristic curve under different carbon soil ratios

2.2 生物炭對土壤水分特征曲線及模型擬合參數(shù)的影響

根據(jù)水分特征曲線將3.3×104Pa（1/3 bar）所對應的土壤含水率定義為田間持水率，紅壤各處理的田間持水率分別為26.17%、26.49%、27.32%、27.91%、30.25%、29.34%，水稻土各處理的田間持水率分別為13.15%、13.20%、13.31%、13.64%、14.47%、15.26%。從圖2 可看出，紅壤的曲線比水稻土的曲線更陡直，說明紅壤的持水性整體高于水稻土。不同類型土壤的結構和性質不同，其土壤持水能力也會不同。由表1可知，紅壤屬于黏土，水稻土屬于粉砂黏土，2 種土的孔隙度、粒徑、黏性作用不同，粉砂黏土透水性比黏土高，吸收、耗散水分比較快，脫濕也相對比較快。添加生物炭后，2 種土壤持水性均有所提高。紅壤添加生物炭組的持水性均高于CK，在添加量為3%時其持水能力最強，但當生物炭添加量超過3%時，持水性不再持續(xù)增強而稍有減弱，5%添加量持水性低于3%添加量，即CK＜添加量0.1%＜添加量0.5%＜添加量1%＜添加量5%＜添加量3%，水稻土的持水性隨炭添加量的增多而持續(xù)增強，即CK＜添加量0.1%＜添加量0.5%＜添加量1%＜添加量3%＜添加量5%。

從表2 可看出，在不同炭土比處理下，紅壤和水稻土的實測值與擬合值的相關系數(shù)R2均在0.98以上。隨生物炭量的增加水稻土的飽和導水率Ks相對于CK依次增大7.63%、54.17%、66.65%、122.22%、173.60%，紅壤的飽和導水率則隨生物炭的增加依次減小2.68%、7.20%、13.16%、17.42%、33.98%，主要因為土壤結構性質是影響土壤飽和導水率的重要因素[14-15]，水稻土完全飽和后生物炭的添加增大孔隙率和比表面積，土壤體積質量減小，容易形成水穩(wěn)性團聚體，加快了土壤水分在入滲過程中的入滲速率[16]。而紅壤黏粒量較多，與土壤混合后，經過水分長時間浸泡后膨脹，水的黏滯性增加，水分在土壤孔隙中流動時的摩擦力增大，影響土壤入滲，從而導致水分在入滲過程中入滲速度減慢，土壤飽和導水率降低。

由表2可知，與CK相比，紅壤的實測飽和含水率θs分別增加0.19%、5.38%、9.08%、22.28%、23.56%，水稻土的實測飽和含水率θs分別增加0.26%、0.88%、2.59%、7.5%、13.39%，紅壤和水稻土的飽和含水率θs也隨炭量的增加而增大，且在相同處理下，紅壤的飽和含水率增幅明顯大于水稻土。另外，由表2可知，生物炭量對土壤水分特征系數(shù)α、n值的影響并無明顯變化規(guī)律。

表2 不同處理下飽和導水率和BC 模型擬合參數(shù) Table 2 The saturation conductivity and the fitting parameters of BC model under different treatments

2.3 生物炭對土壤非飽和導水率的影響

非飽和導水率是土壤含水率和土壤基質勢的非線性函數(shù)，不同添加量會對其產生一定程度的影響，圖3 為RETC 軟件模型擬合所導出的非飽和導水率曲線。從圖3 中可以看出，生物炭均能減少這2 種土壤的非飽和導水率。在同一含水率情況下，生物炭量增加的越多，非飽和導水率減少的幅度越大，即非飽和導水率CK＞添加量0.1%＞添加量0.5%＞添加量1%＞添加量3%＞添加量5%，都具有顯著差異(P＜0.05)。

在同一含水率情況下，與CK相比，每增加1%生物炭，紅壤非飽和導水率降低2.45%～19.32%，水稻土非飽和導水率降低3.32%～14.53%。在同一情況下，生物炭對紅壤非飽和導水率的影響比水稻土明顯。研究表明，土壤實效孔徑＞0.3 mm時，水分可以自由流通，實效孔徑0.3～0.03 mm時，水在重力作用下較易流通，而實效孔徑＜0.03 mm時，水分不易流出。對于擾動土來說，土壤的孔隙變化是影響土壤導水率的主要因素[17]。水稻土砂粒量大，土壤中微小孔隙比紅壤少的多，形成的封閉孔隙較少，因此添加生物炭后土壤非飽和導水率降低且對紅壤非飽和導水率影響比水稻土更明顯。也可根據(jù)式（3）及表2可知，形式參數(shù)n變化率較小，且無明顯變化規(guī)律，可忽略不計，而紅壤和水稻土的飽和含水率θs增加幅度較大，使其非飽和導水率均降低。且隨碳量增加紅壤的飽和導水率Ks逐漸減少，水稻土的飽和導水率Ks逐漸增大，因此紅壤非飽和導水率降低幅度大于水稻土。

圖3 不同炭土比下土樣的非飽和導水率變化曲線 Fig.3 The curve of unsaturated water conductivity under different carbon soil ratios

2.4 生物炭對土壤水分擴散度的影響

從圖4可以看出，在同一含水率情況下，生物炭量增加的越多，水分擴散度減少的幅度越大，表現(xiàn)為CK＞添加量0.1%＞添加量0.5%＞添加量1%＞添加量3%＞添加量5%，都差異顯著(P＜0.05)。表明添加生物炭能抑制水分在土壤中的移動。從圖4可看出，在同一含水率下，紅壤和水稻土的生物炭組水分擴散度均低于CK，說明添加生物炭均可減少這2種土壤水分在的土壤中的運移速率。在同一含水率情況下，添加生物炭對紅壤的水分擴散度比CK降低了4.34%～96.26%，水稻土的水分擴散度比CK降低了1.35%～54.23%，且在相同配比下，生物炭對紅壤水分擴散度的影響比水稻土大。

圖4 不同碳土比下土樣的水分擴散度變化曲線 Fig.4 The water diffusivity curve under different carbon ratios

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)施加生物炭可有效改良土壤的性質，使土壤含水率增加，土壤的持水性增強，與已有研究結果[18-19]一致。這是因為生物炭本身是多孔結構且具有極大的比表面積和電荷密度，增強土壤顆粒對水分子和營養(yǎng)元素的吸附性[20]，形成相對粒徑較厚的水層或水膜，使得土壤孔隙中的自由水變成縛束水，因此水分不易排出，從而增強了土壤持水性。根據(jù)不同土壤質地、結構、性質其可能存在最優(yōu)的施加范圍，本研究通過定量研究發(fā)現(xiàn)對于紅壤而言，施加量并不是越多越好，控制在3%左右其持水性最佳。這可能是因為對黏性土壤而言，生物炭自身持水能力不及黏土，使得添加量過多時整體持水性有所減弱，也可能是由于添加量過高反而產生一定的疏水作用[21]。

本研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭使得紅壤的微小孔隙所占比例減少，有效孔隙和大孔隙所占比例增多，這可能是因為生物炭本身具有一定的大孔隙，紅壤細小黏粒較多且未能填充到生物炭孔隙中，從而增加了土壤的中大孔隙所占比例。而添加生物炭使得水稻土的有效孔隙所占比例減少，微小孔隙所占比例增多。這可能是由于生物炭顆粒可與土壤顆粒形成一定的微小團粒結構，且細炭顆粒粒徑較小，填充到土壤中大孔隙內，因此降低了中大孔隙比例。生物炭的施加改變了紅壤和水稻土的孔隙結構和孔徑分布特征，生物炭對不同土壤質地和不同半徑級別孔隙的影響程度不同[22]。

從土壤物理學角度來說，土壤孔隙度和大小分布，孔隙狀況決定了土壤水分的移動過程、持水容量和動力學特性。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可顯著降低紅壤和水稻土非飽和導水率及水分擴散度，該結果與王幼奇等[23]針對灰鈣土、王睿垠等[24]針對草甸黑土研究結論相似，這可能是由于生物炭與土壤混合后提高了土壤的總孔隙度[25]，改變了孔隙間的連通性和顆粒的堆積與團聚方式，孔隙能夠吸附土壤中的水和無機離子，吸附土壤顆粒，特別是小粒徑的生物炭能夠與土壤顆粒形成一定的微小團粒結構[26]，增加土壤對水分子的吸著能力，形成大量細小的封閉孔隙，導致水分難以流通，從而使得土壤非飽和導水率降低。也由于生物炭與土壤混合后，細炭顆粒會隨水分的運移而移動，且在移動過程中受土壤微小孔隙的阻擋，逐漸積累形成致密的層狀結構，減小了土壤中水分的運移能力[27]，從而導致土壤水分擴散度降低。

本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對紅壤非飽和導水率及水分擴散度的影響比水稻土顯著，是由于生物炭可能對不同土壤質地的體積質量和孔隙度產生不同程度的影響，紅壤的黏粒和微小孔隙比水稻土多，因此紅壤形成致密的層狀結構相對較多，從而抑制作用較強，導致生物炭對紅壤的非飽和導水率及水分擴散度降幅更大。表明生物炭的添加對土壤水分運動的影響主要是通過改變土壤孔隙結構來實現(xiàn)。然而孔隙結構的改變，不僅取決于土壤的原有質地，也取決于生物炭的種類、顆粒大小和孔隙特征以及生物炭添加量等。后期可從生物炭不同粒徑對土壤水分運動的影響或不同生物炭對土壤水分運動的影響等方面進行深入研究。生物炭量對土壤水分特征系數(shù)α、n 值的影響無明顯變化規(guī)律，這與文曼等[28]、王艷陽等[29]的研究結果相符，即水分特征曲線參數(shù)對生物炭添加量變化不具有敏感性。本文采用的是室內模擬試驗，為更接近于實際的紅壤和水稻土水分條件，還需進一步采用田間試驗、原位取土等方式開展深入研究。

4 結 論

1）添加適量生物炭（0～5%）能提高紅壤和水稻土的持水性，且紅壤的持水性大于水稻土持水性，隨生物炭量的持續(xù)增加，紅壤的持水性先增強后減弱，水稻土的持水性持續(xù)增強。

2）生物炭能顯著增大紅壤的有效孔隙的占比，且隨生物炭量的增加，其有效孔隙占比呈增大的趨勢，而生物炭會明顯減小水稻土的有效孔隙占比，增加其微小孔隙的占比。

3）紅壤和水稻土的非飽和導水率、水分擴散度均隨著生物炭量的增加而降低，生物炭對紅壤的非飽和導水率和水分擴散度的影響比水稻土大。紅壤和水稻土的θs隨炭土比的增大而增大，參數(shù)α、n 隨炭土比的增大而無明顯變化規(guī)律。