生物質炭施用對土壤水分影響的研究進展

孫樹臣，趙 鑫，翟 勝，田曉飛，李建豹，朱 超，鄭云珠

（1.聊城大學 環境與規劃學院，山東 聊城 252059；2.南京財經大學 公共管理學院， 南京 210023；3.聊城大學 人力資源處，山東 聊城 252059）

0 引 言

生物質炭是在缺氧或厭氧條件下將有機物料（秸稈、樹干或枝條、糞便、生產和生活垃圾等）經高溫裂解產生的一類富含碳素、穩定性高、具有不同芳香化的固態顆粒物質[1-3]。因其具有豐富的孔隙度、巨大的比表面積、豐富的表面官能團及礦質營養元素等特點被廣泛應用于土壤改良，可有效改善土壤理化性質、凈化和吸收土壤污染物、減少溫室氣體排放，并能有效促進植物營養吸收等[4-9]。生物質炭的研究源于對巴西亞馬遜河流域黑土的認識，之后利用各種有機物料制備生物質炭并應用于農業備受關注，特別是秸稈質生物炭作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑引起了國內外學者的廣泛關注[10-12]。全球廢棄生物質（包括初級農林生產剩余物、農林次級剩余物和生物利用及轉化廢棄物等）資源可達1 400 億t[10]，如果制備為生物質炭不僅可促進農業廢棄物的資源化利用，還可改善土壤肥力、提高水資源利用率和促進農作物穩產及高產的作用[9]。同時，生物質炭平均維持時間為2 000 a，半衰期為1 400 a[12]，有利于碳封存和緩解溫室效應。

土壤水分是影響植物生長發育、分布格局及演替的重要限制因子。當前，全球氣候變暖及水資源短缺已經對全球性的農業生產產生了重要影響。生物質炭因其巨大的比表面積和豐富的孔隙度等特點在施入土壤后可有效改善土壤水分狀況，提高土壤保水能力，增加土壤有效水量[5,8,13]，有利于節水灌溉及提高水資源利用效率，進而實現水資源及農業可持續發展。然而，因生物質炭裂解溫度、種類、顆粒大小、添加量及所施入土壤的類型、質地等的不同，不同學者關于生物質炭對土壤水分的影響研究存在一定差異?；诖?，為深入理解生物質炭對土壤水分的影響，本文系統回顧了生物質炭對土壤水力學參數、土壤含水率、蒸散發及水分利用效率等方面的影響，并就生物質炭與土壤水分之間的相互作用關系研究進行了展望，以期為促進生物質炭與土壤水分的研究提供參考。

1 生物質炭對土壤水力學參數的影響

土壤水力學參數綜合反映了土壤的孔隙狀況、導水性、入滲、持水性及供水能力等，受土壤質地、結構、有機質量等諸多因素的共同影響[14]。生物質炭因其獨特的孔隙結構和巨大的比表面積等，施入土壤后可有效改善土壤結構、降低土壤體積質量、增加土壤孔隙度[15-17]；同時，生物質炭可起到穩定和提高土壤有機質量的作用[1]，而有機質又是土壤團聚體形成的關鍵，進一步對土壤結構產生影響，從而影響土壤水分運移及再分配過程等[18]，進而引起土壤水力學參數的變化。

1.1 生物質炭對土壤水分常數的影響

土壤水分常數是表征土壤水形態和性質轉折點的特征值，綜合反映了土壤的持水能力、土壤水的物理特性及對植物的有效性，受土壤孔隙狀況、質地、結構及有機質量等眾多因素的共同影響。大量研究表明，農田土壤施入生物質炭后可顯著增加土壤田間持水率、飽和含水率及土壤有效含水率等水分常數，且隨生物質炭添加量的增加而升高，并能有效降低土壤凋萎系數[19-21]。Tryon 等[22]研究指出，添加生物質炭使沙土的田間持水率增加且提高18%的有效水量，并使土壤萎焉系數降低。Karhu 等[5]在芬蘭南部的研究也發現，粉土田間持水率隨生物質炭添加量的增加而增大。黃土高原3 種典型土壤塿土、黃綿土、風沙土的田間持水率隨生物質炭（蘋果樹枝和鋸末生物炭）添加量（2%、5%、10%）的增加而增大，且蘋果樹枝生物炭效果優于鋸末生物炭，2 種生物炭均表現為對風沙土的效果最佳[23]，在黑土[14]、潮土[15]及黃壤[24]的研究也得出類似的結果。生物質炭對土壤水分常數的增加效應一方面是由生物質炭本身的性質決定的。生物質炭在炭化過程中形成的多孔結構及巨大的比表面積為土壤水分提供了良好的存儲空間[6,25-26]，其本身具有較強的吸濕能力，比土壤有機質高1～2 個數量級[2,27]；其次，生物質炭含有豐富的有機質及多種官能團[16]，而土壤水分常數隨土壤有機質量的增加而增加。另一方面是由于生物質炭施入土壤后土壤體積質量降低、孔隙度增加，其較高的含鹽量導致土壤對水分的吸持能力增強[15]；同時，生物質炭還可以提高土壤微生物群落和土壤整體的吸附能力[28]，從而有利于提高土壤田間持水率、飽和含水率和有效水量并有效降低土壤萎焉系數[5-6,25,29]。

也有學者研究表明，生物質炭對土壤水分常數的影響無明顯規律[30]或隨生物炭添加量的增加其影響效果減弱[2,31]，甚至出現負效應[32]。Dugan 等[31]研究發現，土壤添加5、10 t/hm2的玉米秸稈生物炭時，田間持水率均有顯著增加，而在15 t/hm2條件下增加幅度卻又明顯下降。旱作黃綿土在生物質炭施用量為40 t/hm2時土壤水分常數達到峰值，之后增加幅度下降，各水分常數趨于穩定，但對土壤凋萎系數的影響不顯著[33]。魏彬萌等[26]通過研究生物質炭添加對砒砂巖與沙復配土時指出，土壤田間持水率在生物質炭施用量達到50 g/kg 時出現下降。砂質土壤有效含水量隨生物炭施用量（0%、0.6%、1.8%、3.6%、5.4%）的增加呈降低趨勢，凋萎系數則呈增加趨勢[32]。因此，生物質炭對土壤水分常數的改善可能只適用于粗糙質地的土壤，或者具有大量孔隙的土壤，而對于黏質土壤則表現出抑制作用[13,22]。造成以上差異的原因可能是由于生物質炭本身的吸水能力是有限的，且生物質炭大多含有疏水基團[34]，當生物質炭添加量增加時，這種水分排斥作用就會更容易表現出來[17,31]。并且生物質炭中大量的有機質量也是導致其斥水性的主要原因[35-36]。此外，當生物質炭施用量較大時，其細顆粒會堵塞土壤毛管孔隙，從而導致土壤田間持水率、飽和含水率等水分常數隨生物質炭添加量的增加而降低[37]。生物質炭本身巨大的多孔結構和比表面積及高鹽分特性，會導致其對土壤水分的吸持能力增強，作物無法吸收利用，也是使土壤有效水量降低及凋萎系數升高的重要原因[11,32]。

1.2 生物質炭對土壤導水性能的影響

生物質炭施入土壤后極大的改變了土壤的原有結構，甚至會形成特殊的雙層或多層土壤結構[38]，從而使得土壤水分在土壤中的遷移及停留時間發生改變，進而影響土壤水分的入滲、擴散及導水率等[18]。

1.2.1 生物質炭對土壤水分入滲及擴散的影響

土壤水分入滲及擴散綜合表征了土壤孔隙度狀況及導水性能，分別用土壤水分入滲率及擴散率表示，對土壤水分運動具有重要影響。研究表明，生物質炭可有效提高黏性土壤水分入滲能力，促進水分下滲及擴散[39-42]。黑土土壤水分入滲隨生物質炭添加量的增加而逐漸升高，當土壤含水率≤42%時，生物炭抑制土壤水分的擴散；而當土壤含水率＞42%時則促進了土壤水分的擴散[14,43]。塿土[44]和壤土[45]的累積入滲量及入滲速率隨生物質炭添加量的增加不斷增加；且不同粒徑生物質炭對塿土入滲的影響存在較大差異，在低添加量條件下對塿土入滲影響不明顯[44]。而高海英等[2]研究則指出，隨生物質炭施入量的增加塿土水分入滲率逐漸降低。因此，生物質炭的不同施用方式及施用量均會對塿土的入滲過程及累積入滲量產生較大影響[46]。

在輕質土壤中添加生物質炭后土壤水分入滲受到抑制，且生物質炭添加量越高，抑制作用越明顯[2,39,47]。黃綿土隨生物質炭添加量的增加入滲能力明顯降低，小粒徑抑制作用顯著大于大粒徑，且對黃綿土入滲的抑制效果弱于黑壚土[8,48]。肖茜等[49]在黃土區的研究也表明，隨生物質炭添加量的增加風沙土及黑壚土的濕潤鋒移動速度及累積入滲量均呈降低趨勢，在砂土[45]、淡灰鈣土[50]及砂壤土[51]中亦得出相似的結論。并且隨著入滲時間的延長及生物質炭添加量（10、20、40、60 g/kg）的增加沙壤土的擴散率呈降低趨勢，與對照相比分別減少45.00%、79.11%、80.56%和83.33%[51]。

生物質炭與土壤共同作用的結果是產生以上差異的主要原因。黏質土壤添加生物質炭后可增加土壤的通透性，使土壤孔隙增多，從而促進黏質土壤水分入滲及擴散[13,17,39]。而質地較輕土壤一方面因其本身含有較多的孔隙，施加生物質炭后導致土壤通透性降低，甚至堵塞土壤孔隙[2,37]；另一方面生物質炭表面含有豐富的高密度負電荷，有助于形成有機-無機復合物和團聚體，增加土壤黏粒量，降低輕質土壤孔隙度[23]，從而導致輕質土壤入滲及擴散的減小。

1.2.2 生物質炭對土壤導水率的影響

生物質炭對土壤導水率的影響因生物質炭種類、添加量、土壤質地等而異，黏質土壤中施用生物質炭后可有效提高土壤孔隙度，增加通氣孔隙，從而促進土壤導水率的升高。Asai 等[42]研究表明，生物質炭對0～5 cm水稻田土壤飽和導水率具有明顯提高作用，在16 t/hm2添加量下增加效果最明顯，但對土壤飽和導水率的影響效果在不同土質條件下差異較大。生物質炭添加可提高黑土土壤飽和導水率的14.3%～52.4%[43]，黑土的非飽和導水率亦表現出增加趨勢[14,52]，但在土壤含水率＜30%條件下，隨土壤含水率的增加非飽和導水率增加緩慢，而在土壤含水率＞30%時，非飽和導水率增加迅速[14]。Lim 等[21]通過開展4 種生物質炭（硬木粒、硬木片、燕麥殼、木屑）對4 種質地土壤（粗砂土、細砂土、壤土和黏土）飽和導水率的研究發現，生物質炭添加可提高壤土和黏質土的導水率，卻抑制了沙質土的導水率，且隨生物質炭添加量的增加抑制效果越明顯[30,47]。主要是由于砂質土壤本身含有較高的孔隙度，添加生物質炭后反而堵塞了原有的土壤孔隙，導致土壤導水性能下降[2,23,37]。此外，還有研究指出，生物質炭對土壤飽和導水率的影響只有在一定施用量（土壤干質量的1.6%～6%）條件下才會起作用，而在低添加量（0.1%～0.8%）條件下效果不明顯[15,53]。

1.3 生物質炭對土壤水分特征曲線的影響

土壤水分特征曲線是反映土壤水能態和土壤含水率關系的基本水力參數，也是推求其它土壤水力學參數的基礎[24]，凡是對土壤孔隙狀況及水分特性產生影響的因素均會對土壤水分特征曲線產生影響。生物質炭因其特殊的孔性結構施入土壤后對土壤孔性、結構等均會產生重要影響，進而對土壤水分特征曲線產生影響，但其對土壤水分特征曲線的影響在不同水吸力下表現出較大差異。研究表明，較高的生物質炭（2%）可提高基質勢在-100 kPa 和-500 kPa 條件下的土壤含水率，但對-33 kPa 和-1 500 kPa 基質勢條件下含水率則無明顯作用且對土壤滲透系數改變不明顯，在低吸力下對土壤給水度幾乎沒有影響[6,54]。而Brockhoff 等[55-56]研究則指出，生物質炭使較高土壤水勢下的含水率高于空白，即使作物長期受水分脅迫，生物質炭也能增加土壤的持水能力。高海英等[2]和吳維等[24]的研究也表明，在低吸力下土壤含水率與生物質炭添加量正相關，在高吸力段土壤含水率與生物炭添加量負相關；這一結果與王竹等[57]在黃棕壤中的研究結果相反。生物質炭對黑土土壤水分特征曲線各參數均會產生不同程度的影響，在各吸力段內黑土持水能力均隨生物質炭的添加呈上升趨勢，其影響程度還受地形坡度的制約[14,51]。而王睿垠等[52]的研究則指出生物質炭對黑土持水能力的增加主要是＞2 200 cm吸力范圍。

2 生物質炭對土壤含水率的影響

土壤水分是影響土壤肥力的重要組成部分，同時也是土壤內部生物、化學及物理過程不可缺少的重要介質。生物質炭添加可顯著影響土壤含水率，但其影響程度會受到生物質炭施加量、類型、制備工藝及土壤自身結構等的共同影響。生物質炭本身的多孔特性使其具有一定的吸水能力[2,13,27,31]，添加到土壤后可降低土壤體積質量，增加對土壤水分的固持能力[21,58]和土壤孔隙度，且添加量越多對土壤孔隙及土壤含水率的增加越明顯[28,59-61]。Oguntunde 等[29]研究表明，向土壤中添加生物質炭可提高5%左右的土壤孔隙度，孔隙度的增大提高了土壤的通氣透水性和比表面積，且生物質炭對黏質土壤體積質量的微小變化會在很大程度上制約土壤液相與氣相孔隙的平衡[62]，從而導致土壤含水率上升。同時，生物質炭添加還可促進土壤團聚體的形成及穩定性，進而提高土壤含水率[15]，而對砂性土壤的影響則不顯著[63]。然而也有研究指出，生物質炭對土壤含水率的促進作用是有限度的，一定范圍內土壤含水率隨生物質炭添加量的增加而升高，超過一定量后土壤含水率又會下降[2]。其原因可能是由于在高添加量條件下，生物質炭的斥水性表現明顯，從而導致土壤含水率在高添加量下降低[19]。

生物質炭對土壤含水率的影響還受到生物質炭原料、制備工藝及土壤類型等的影響。吳愉萍等[64]通過對比分析7 種生物質炭材料（黃秋葵秸稈炭、茭白秸稈炭、水稻秸稈炭、廢棄食用菌基質炭、無花果秸稈炭、豬糞炭和稻殼炭）及4 種添加量（0.5%、1%、2%和5%）對土壤水分的影響發現，生物質炭均能顯著提高土壤含水率，2%下效果最佳，其中又以水稻秸稈效果最明顯。Herath 等[59]、單瑞峰等[65]和Shafíe等[66]研究表明，同種生物質炭材料下土壤含水率隨裂解溫度的升高而增加，其原因是由于隨裂解溫度的升高其平均孔徑及表面積均增大[65]。不同土壤類型條件下的研究表明，生物質炭對黑壚土土壤含水率的提高作用優于黃綿土[48]，黃棕壤含水率隨煙桿生物質炭施用量（0%、1%、4%、7%、11%）的增加逐漸升高，赤紅壤、水稻土及紫色土則呈先升高后降低的趨勢變化，而黃紅壤則表現出降低的趨勢[67]。此外，田間管理方式及生物質炭粒徑大小的不同也會使生物質炭對土壤含水率的影響產生較大差異[68-69]。

3 生物質炭對土壤水分蒸發的影響

蒸發是土壤水分損失的重要途徑之一，有效抑制土壤無效水分蒸發對提高土壤水分利用效率具有重要意義。農田土壤施入生物質炭后，受耕作措施、土壤環境及生物質炭本身特性等的共同影響，對土壤水分的蒸發表現出雙重效應。一些學者研究認為，農田土壤施入生物質炭后，有利于抑制土壤水分蒸發[1,3,5,15]。其原因可能是由于生物質炭可促進土壤鹽分的增加，并有利于土壤團聚體的形成，增強對土壤水分的吸持能力，降低土壤水分蒸發；另一方面是由于當生物炭添加量較小時，對土壤孔隙及顏色的影響較小，抑制了土壤水分的蒸發[15]。如邢英等[70]通過室內土柱模擬試驗探討4 種杉樹木屑生物質炭添加量（1%、2%、4%、10%）對黃壤蒸發的影響指出，4 種生物質炭處理分別使黃壤蒸發減少0.01%、0.02%、0.03%、14%，10%處理條件下對土壤蒸發的抑制效果最佳。潮土蒸發量隨生物質炭添加量（0%、0.5%、1%、3%、6%）的增加逐漸降低，在6%添加量條件下對土壤水分蒸發的抑制效果最佳[15]。而在沙化土壤的研究則表明，隨生物質炭濃度（0%、2%、4%、6%、8%）的增加，除2%處理促進土壤蒸發外，其余各處理均降低土壤蒸發，且隨生物質炭添加量的增加對土壤蒸發的抑制效果增強[71]。

然而也有學者認為，生物質炭因其顏色深，施入農田土壤后，土壤吸熱能力增強，特別是高添加量有利于土壤溫度的快速升高，從而促進土壤水分蒸發[7]，且不同質地土壤蒸發對生物質炭添加后的響應也存在較大差異。黏質土壤中添加5%的生物質炭可有效抑制土壤蒸發，而高添加量則促進土壤蒸發[69]。黑壚土、黃綿土和風沙土中分別添加不同比例（0%、0.5%、1%、2%、3%、5%）的玉米秸稈生物質炭30 d 后，促進了不同時期黃綿土和黑壚土的累積蒸發量，但與對照相比差異不顯著；但卻顯著抑制風沙土前20 d的土壤蒸發，而20 d 后則表現出促進作用[49]。此外，不同生物質炭施用方式及施用量亦會對塿土蒸發產生影響，既有促進也有抑制，但與對照相比均未達到顯著水平[46]。

4 生物質炭對水分利用效率的影響

農田土壤施入生物質炭后可顯著提高土壤的水分利用效率，但這種提高是有限度的，當生物質炭超過一定量后又表現出下降趨勢[1,13,47]。沙地土壤水分利用效率隨生物質炭添加量（10、15、20 t/hm2）的增加分別比對照提高6%、139%、91%，這種提高主要是源于生物質炭明顯減少了土壤水分的滲漏損失[47]。重壤土隨小麥秸稈生物質炭添加量（0、20、30、40、50、60 t/hm2）的增加，冬小麥耗水量逐漸減小，水分利用效率呈先增加后降低的趨勢變化，40 t/hm2處理下冬小麥農田土壤水分利用效率最佳[73]。沖積型鹽化潮土條件下玉米農田土壤耗水量隨生物質炭添加量（1.8、3.6、7.2 t/hm2）的增加顯著降低，水分利用效率呈先增加后降低的趨勢，低添加量條件下水分利用效率最佳，且生物質炭施用年限亦對水分利用效率有明顯影響[72]。此外，生物質炭添加對水分利用效率的影響還受到田間管理措施的影響，如馬鈴薯水分利用效率隨生物質炭添加量的增加不斷升高，但起壟覆膜下增幅普遍高于露地平種[68]。

5 討論與展望

國內外學者圍繞生物質炭對土壤水力學參數、土壤含水率、蒸散發及水分利用效率等方面開展了大量卓有成效的研究。然而，因原料及制備工藝的不同導致生物質炭特性存在較大差異，由此導致不同生物質炭及添加量在施入不同的土壤類型、質地結構及植被類型后對上述土壤水分狀況的影響也就存在較大差異。加之田間管理方式的不同進一步加劇了生物質炭對上述土壤水分狀況影響的復雜性，特別是生物質炭添加后，在田間管理措施的影響下容易形成特殊的雙層甚至多層土壤結構，而層狀土壤水分的運動明顯不同于均質土壤[38]，從而使得生物質炭還田后的土壤水分運動更加復雜[46]。

基于此，為深入理解生物質炭對土壤水分的影響及推進生物質炭在農業生產中的應用與推廣，本文在綜述生物質炭施用對土壤水分影響研究的基礎上，提出生物質炭與土壤水分相互作用關系的未來研究應加強以下幾個方面：①不同土壤類型及植被條件下適宜生物質炭種類及添加量的研究。當前，生物質炭的制備工藝（原料、裂解溫度等）復雜多樣導致生產出的生物質炭性質差別較大，其在施入土壤后因添加量、土壤類型及田間管理措施等的共同影響下，對土壤水分狀況的影響也就存在較大差異。因此，在不同土壤及植被類型條件下如何選擇最適的生物質炭類型、施用量及施用方式以達到改善土壤水分并提高作物產量及品質的最佳效果仍是當前亟需解決的問題。②生物質炭在高效節水農業中的應用研究。當前，全球氣候變暖及水資源短缺已成為農業生產的重要限制因素，如何提高水資源利用效率進而發展高效節水農業已成為當前農業生產中面臨的重要問題。生物質炭作為新興的土壤改良劑，在提高土壤肥力、節約水資源及促進作物生長和提高產量等方面發揮著重要作用。然而，當前關于生物質炭與高效節水農業的相關研究報道較少，未充分考慮節水灌溉條件下生物質炭對土壤水分狀況及作物生長和產量的影響。加強生物質炭在高效節水農業中的應用研究有利于節約利用水資源并實現農業的可持續發展。③生物質炭還田后的長期生態水文效應研究。生物質炭還田后，在田間管理措施影響下，必將會和土壤之間相互作用，從而對生物質炭本身及土壤狀況產生影響。而當前對生物質炭添加后的生態水文效應研究期限相對較短，不足以說明生物質炭對土壤水環境狀況的長期影響，特別是生物質炭添加后短期內的有利或不利影響可能被放大或縮小。因此，加強生物質炭還田后的長期生態水文效應研究，特別是長期定位研究，對于深入認識和理解生物質炭對土壤水分的影響具有重要的理論意義，并且可為生物質炭在農業生產中的應用與推廣提供理論依據。④生物質炭在干旱半干旱地區特別是生態脆弱區的應用研究。生物質炭添加后可有效提高土壤水分狀況及水分利用效率，而水資源短缺又是影響干旱半干旱區及生態脆弱區農業發展及生態環境建設的重要限制因素。為此，加強生物質炭在干旱半干旱區特別是生態脆弱區的應用研究，對于改善區域土壤水分狀況及提高水分利用效率進而達到植被恢復與生態環境建設具有重要的理論和實踐意義。