生物炭對和田風沙土水力特性的影響

閆辰嘯，洪 明，秦佳豪，傅俊杰，李海軍，王 云

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052 )

新疆和田地區位于塔里木盆地南緣[1]，氣候干燥、降雨稀少且風沙危害嚴重，屬于典型的干旱荒漠性氣候[2]。風沙土是當地農業生產的主要耕地土壤，由于其物理結構差、有機質含量低、水肥易流失等缺陷，制約了該地區耕地面積及農業經濟的增長[3]。為此，采取有效措施改善風沙土結構，提高其蓄水保墑能力，是該地區實現農業可持續發展的重要途徑。

生物炭輸入對土壤性質有多方面的影響[13]，不同時間、空間、土壤質地、生物炭原料及用量等，都會造成生物炭對土壤改良的差異，而有關生物炭對和田風沙土持水性能的影響鮮有報道。本文研究了不同生物炭施入量對風沙土持水性和入滲參數的影響，以期為和田地區風沙土改良提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2020年8月在新疆農業大學水鹽運移實驗室進行，試驗用土取自和田地區和諧新村，取土深度為表層0～20 cm，土壤類型為風沙土，其砂粒、粉粒和粘粒含量分別為66.05%、28.59%和5.36%，將土樣在避光條件下自然風干后過2 mm篩備用。生物炭為香梨果木炭，呈粉末狀，裂解溫度為500℃，裂解時長8 h。

1.2 試驗裝置

試驗裝置由馬氏瓶和土柱構成，馬氏瓶用以提供恒定水頭，其截面積為15 cm2，高度為25 cm。土柱由透明有機玻璃制成，其規格為內徑5 cm，高20 cm，恒定水頭控制為2.70 cm，透水隔板距土柱底3 cm。試驗裝置見圖1。

1.注水口;2.排氣閥;3.標尺;4.發泡點;5.進水閥;6.恒定水頭;7.土樣;8.支架;9.透水隔板;10.出水口1. Water injection port；2. Exhaust valve；3. Scale；4. Foaming point；5. Water inlet valve；6. Constant water head；7. Soil sample；8. Scaffold；9. Permeable partition；10. Water outlet圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

1.3 試驗方法及原理

1.3.1 試驗設計 試驗共設置了5個生物炭添加量處理，相對干土樣的質量比分別為：CK(0%，對照處理)、T1(4%)、T2(8%)、T3(12%)、T4(16%)，考慮初始含水量的影響，由烘干法測得風沙土和生物炭的初始含水量(質量)分別為1.08%和6.58%，生物炭和風沙土的用量分別由(1)式和(2)式計算得出。根據預裝填試驗獲得生物炭和風沙土的干容重為0.48 g·cm-3和1.60 g·cm-3，在保證土層裝填體積一定的情況下，由不同混合比確定各處理土樣設計容重，水分常數由環刀法測定，供試土樣基本性質見表1。

W1=W×i(1+θ1)

(1)

W2=W(1-i)(1+θ2)

(2)

式中，W為試驗土樣質量(g)；W1為生物炭的風干質量(g)；W2為風沙土的風干質量(g)；i為生物炭添加比例(%)；θ1為生物炭初始含水量(g·g-1)；θ2為風沙土初始含水量(g·g-1)。

表1 試驗土樣基本性質

1.3.2 土壤水分特征曲線的測定與擬合 土壤水分特征曲線(SWCC)是土壤含水量與土壤基質吸力的函數，SWCC不僅能夠有效反映土壤持水特性，還是獲取土壤比水容量和非飽和導水率的重要參數。利用H-1400PF離心機對脫濕過程的SWCC進行測定，試驗共設置13個轉速，分別為400、700、1 000、1 400、1 700、2 200、3 100、4 400、5 300、6 200、6 900、7 900、8 500 r·min-1，離心時間定為100 min。通過(3)式可將離心轉速換算成相應的土壤水吸力，為了更直觀地反映低吸力下土壤水分狀態，一般用土壤水吸力的對數(PF)來表示，根據下式計算不同轉速對應的PF值：

h=z(r-z/2)×1.118×10-5N2

(3)

PF=lgh

(4)

式中，h為土壤水吸力(cm),r為旋轉半徑(8.6 cm),z為樣品杯的高度(2.55 cm),N為轉速(r·min-1)。

在對土壤水分特征曲線描述的幾種數學模型中，Van Genuchten 模型[14](簡稱VG模型)由于在不同質地的土壤中普遍表現出較高的擬合精度，且曲線光滑有連續斜率，因而被普遍采用，其表達式為：

(5)

式中，θ為土壤含水量(cm3·cm-3),θr為土壤殘余含水量(cm3·cm-3),θs為土壤飽和含水量(cm3·cm-3),h為土壤水吸力(cm),α為土壤進氣吸力倒數(cm-1),n和m為控制曲線形狀的試驗常數，其中m=1-1/n。

1.3.3 土壤當量孔徑的計算 當量孔徑能夠反映土壤的孔隙組成和水分有效性，或稱實效孔徑。根據茹林公式[15]：

d=3/h

(6)

式中，d為土壤孔隙的當量孔徑(mm)。

1.3.4 土壤比水容量的計算 比水容量(C(h))能夠反映土壤在單位吸力下所引起的含水量變化，是分析土壤持水及對作物供水難易程度的重要參數。以土壤水吸力為自變量對式(5)求導可得C(h)，即

(7)

式中，C(h)為隨土壤水吸力變化的比水容量(cm3·cm-4)。

1.3.5 土壤導水率的確定 飽和導水率(Ks)由定水頭法確定，測定Ks時，首先在透水隔板上鋪一張濾紙以防止土樣流失，為防止土柱壁面優勢流產生，將凡士林均勻涂抹于土柱內壁，然后將制備好的土樣分層填入土柱，為使層間結合更緊密，每層填土高度控制為3 cm，最后一層為2.5 cm，總填土高度為11.5 cm，最后將裝有土樣的土柱放入水槽中24 h吸水至飽和。

將飽和的樣品與馬氏瓶連接，在恒定水頭建立后，每次接取30 min的滲出液并稱重，重復3次，計算公式：

(8)

(9)

式中，T為滲透液溫度(℃)，KT為T℃時土壤的飽和導水率(cm·min-1),V為滲透液體積(cm3),L為土樣高度(cm),A為土柱截面積(cm2),t為時間(min),ΔH為水頭差(cm),Ks為水溫10℃的標準飽和導水率(cm·min-1)。

非飽和土壤導水率(Kθ)采用間接法獲得，Mualem模型的數學表達式為：

(10)

式中，Kθ為非飽和土壤導水率(cm·min-1)。

1.3.6 模型精度評價指標 根據統計分析方法對VG模型擬合結果進行評價，通過實測數據與模型預測數據之間比較，使用決定系數(R2)和均方根誤差(RMSE)來分析模型適用性：

(11)

(12)

1.4 數據分析

分析試驗數據運用Microsoft Excel 2019和SPSS 26，繪圖及VG模型求解采用Matlab R2017b。

2 結果與分析

2.1 生物炭對風沙土水分特征曲線的影響

采用VG模型擬合水分特征曲線如圖2。由圖可知，經生物炭處理風沙土的SWCC較對照處理均整體上移，并且隨著生物炭用量的增加而增大，這種現象在PF=2.0～3.0階段時表現尤為明顯(P<0.05)；在PF<1.8的低吸力階段，土壤中水分運動主要受孔隙分布特征的影響，飽和土壤依靠大孔隙進行重力排水；在PF=1.5～3.0階段，土壤含水率出現急劇下降，隨著吸力的不斷增強，含水量變化逐漸進入殘留區[16]。在PF=3.0～3.8階段，各處理土壤含水量下降速度有所減緩，這是由于表面吸附力在風沙土和生物炭顆粒中起主要作用，從而使等量的水分釋放消耗的能量更多；在PF>3.8的強吸力階段，土壤水分保持受吸附作用的影響越來越大，受孔隙結構因素的影響逐漸變小，各處理在相同吸力下的含水量變化減小。整個脫濕過程，T1、T2、T3和T4處理較CK處理的持水能力分別增加2.96%、4.28%、5.11%和4.79%，這是由于生物炭、土壤顆粒以及有機質亞分子之間存在的范德華力使顆粒吸附力增強，從而使生物炭增強了風沙土的持水性[17],且土壤持水能力隨著生物炭添加量的增加呈先增大后減小趨勢，對風沙土持水特性提升最大的是T3處理。

圖2 不同生物炭含量下風沙土土壤水分特征曲線Fig.2 Soil water characteristic curve of aeolian sandysoil with different biochar content

不同生物炭處理風沙土的SWCC的參數擬合與模型驗證結果見表2。從擬合程度來看，調整后R2均大于0.9978，RMSE均小于0.0054，表明模型參數迭代初始值選擇較好，模型精度較高。為了定量研究生物炭對風沙土SWCC的影響，需要進一步分析VG模型擬合參數。T1～T4處理α值隨生物炭用量的增加而緩慢增加，但其均值較CK處理下降了17.92%，T1處理下降最多，為23.75%；n可以反映SWCC逼近殘余含水量的快慢[18]，調整參數發現n在PF=3.0～3.8階段對曲線斜率的影響最敏感，在脫濕曲線中，n值的變化更能反映風沙土在此階段的釋水速率。各處理n值隨生物炭用量的增加先增大后減少，僅在T1時比CK高4.58%，總體呈下降趨勢，平均降幅為4.84%，T4處理降低最多，為12.48%，說明T1處理較CK處理釋水速率有所增加，T1～T4處理釋水速率隨著生物炭施入量的增加而減小。

表2 土壤水分特征曲線VG模型擬合參數

2.2 生物炭對風沙土有效水含量的影響

土壤水分常數不僅可以通過試驗直接獲取，也可根據SWCC求得。根據已有研究，通常以PF=1.80～2.52時的土壤含水量為田間持水量(FC)，PF=4.18時的土壤含水量為萎蔫系數(PWP)[19-20]。根據環刀試驗測定數據與SWCC比較，本試驗統一將PF=1.80土壤水吸力下的含水量定為FC，據此分別計算出全有效含水量(PF=1.80～4.18)、速效含水量(PF=1.80～3.80)[21]、遲效含水量(PF=3.80～4.18)與無效含水量(PF>4.18)在各處理中所占土壤水分總量的比例。

由表3可知，各處理田間持水量(FC)均表現為隨生物炭添加比的增加而增大，FC從CK處理的19.42%增加到T4處理的30.64%，平均增加了8.34%。PWP從CK處理的1.27%增加到T4處理的5.01%，平均增加了2.25%。生物炭對風沙土有效水分含量產生了較大的影響，T1～T4處理的有效含水量均顯著大于未施用生物炭的CK處理，并隨生物炭用量的增加而增加。施用生物炭使風沙土的全有效含水量平均增加了6.09%，T4處理較CK處理增加最多，為7.48%，但T3和T4處理的全有效含水量沒有明顯差異。土壤有效水的絕對含量(速效水占全有效水的含量)在CK、T1、T2、T3、T4處理中分別為96.40%、96.87%、96.27%、95.64%、94.46%，這表明隨生物炭添加比的提升，遲效水增長的速率略大于速效水。根據該規律擬合表明，土壤有效水的絕對含量與生物炭用量有較好的二次函數關系，其關系式為y=-1.4965x2+0.1117x+0.9647(其中y為各處理有效水的絕對含量，x為生物炭添加量，g·g-1)，R2=0.9825。遲效含水量在不同處理中占比最小，且隨生物炭添加比的遞增而增大。總之，生物炭作為改良劑摻入風沙土后，改善了土壤的有效水分含量，增強了土壤的水分保持能力，進而為植物生長提供更多的水分。

表3 生物炭對風沙土有效水分的影響

2.3 生物炭對風沙土當量孔徑的影響

當量孔徑在分析生物炭對風沙土持水特性的影響機理中具有重要意義。根據SWCC由(6)式可以得到d與θ的關系，而當量孔徑分布比實際上是指d1≥d≥d2時對應土壤含水量的差值。根據土壤中孔隙特性，可將當量孔徑主要分為三級，即通氣孔隙d≥0.06 mm、毛管孔隙0.06 mm>d≥0.002 mm、非活性孔隙d<0.002 mm[15]，各處理不同當量孔徑占比見表4。

由表4可知，T1～T4處理通氣孔隙較對照組顯著降低，而毛管孔隙和非活性孔隙較對照組均有顯著提升，通氣孔隙平均降低了1.84%，毛管孔隙和非活性孔隙分別平均提高4.77%、3.55%。d≥0.060 mm時，T3較CK的通氣孔隙降低最多，為2.34%，但T3和T4并無顯著性差異，說明加入生物炭能夠有效減少風沙土的大孔隙數量，從而提升風沙土的持水性能；d介于0.060～0.002 mm時，毛管孔隙隨著生物炭施用量的增加而先增大后減小，T3較CK的毛管孔隙提升最多，為5.61%。根據該規律擬合二次函數關系式為y=-457.54x2+99.146x+19.086(其中，y為各處理毛管孔隙比，x為生物炭添加量(g·g-1))，R2=0.9499，這也使2.2節中速效含水量與生物炭添加量的變化規律得到進一步印證。d<0.002 mm時，T4較CK的非活性孔隙提升最多，為6.20%，生物炭的添加量與非活性孔隙的提升呈線性關系，其關系式為y=37.895x+2.9721，R2=0.9833(其中，y為各處理非活性孔隙比，x為生物炭添加量(g·g-1))，這也解釋了SWCC在高吸力段土壤含水量隨生物炭添加量的增加而升高的關系。

表4 生物炭對風沙土當量孔徑分布比的影響/%

毛管孔隙對土壤有效水含量的影響起主導作用，在本研究中，不同處理毛管孔隙中的有效水含量占全有效水含量的81.60%～92.17%，試驗條件下生物炭的摻入顯著增大了風沙土毛管孔隙的比例，說明生物炭有效改善了風沙土的孔徑分布。

2.4 生物炭對風沙土比水容量的影響

圖3為不同生物炭添加量處理下風沙土比水容量與土壤水吸力的關系。由于采用對數坐標，在PF<1.8階段，CK處理的比水容量均值處于最高水平，說明未添加生物炭的風沙土較生物炭處理的風沙土更容易排出重力水；此后，CK處理的比水容量隨著土壤水吸力的增加而迅速下降，在PF=2.0時降為最低，各處理比水容量表現為T1>T2>T3>T4>CK；在PF=2.0～2.5階段，各處理的比水容量有較大的變化，直到PF=2.5時各處理比水容量呈現最終排列狀態，其關系依次為T4>T3>T2>T1>CK；在PF=1.8～3.8階段，根據計算發現各處理比水容量均值為T3>T4>T2>T1>CK，這說明生物炭能使風沙土有效水供應能力增強，在此階段T3處理以速效水為主的土壤水分較其他處理更容易釋放，植物獲取相同速效水所需要的灌溉水量最少。可見，生物炭施入風沙土中能夠減少重力水的排出，使更多的水分存留于土壤中，可減小風沙土中由降雨或灌溉補給水分的深層滲漏，提升風沙土中植物根系層的儲水量。

圖3 生物炭對風沙土比水容量的影響Fig.3 Effect of biochar on the specific watercapacity of aeolian sandy soil

2.5 生物炭對風沙土導水率的影響

土壤飽和導水率隨生物炭添加量的增加而顯著降低(圖4)，當生物炭增加時，會降低水在飽和土壤中的運移速度，改變土壤入滲特性。添加生物炭的風沙土較CK處理飽和導水率下降了70.84%～91.95%，并且各處理間均有顯著性差異。

圖4 生物炭對風沙土飽和導水率的影響Fig.4 Effect of biochar on saturated hydraulicconductivity of aeolian sandy soil

非飽和導水率(Kθ)是土壤水分動態參數，其受含水率、土壤容重及孔隙分布特征等因素的共同影響，對風沙土而言，當孔隙度小、容重小、有機質含量高時，Kθ往往趨向于減小。圖5為不同處理下非飽和導水率與體積含水量和土壤水吸力之間的關系。在相同的含水量條件下，非飽和導水率與生物炭添加量成反比，即CK>T1>T2>T3>T4，且不同處理的差異性均達到顯著水平。不同處理的非飽和導

圖5 生物炭對風沙土非飽和導水率的影響Fig.5 Effect of biochar on unsaturated hydraulic conductivity of aeolian sandy soil

水率隨土壤水吸力的增加有明顯的變化，在PF≤3.0時，各處理非飽和導水率為CK>T1>T2>T3>T4；當PF>3.0時，不同處理非飽和導水率的關系逐漸發展為T3>T4>CK>T2>T1，這是由于在相同土壤水吸力條件下含水量相差過大導致T3和T4處理的非飽和導水率大于CK處理。

3 討 論

研究水分運移和土壤水分分布的重要參數有土壤(飽和、非飽和)導水率、土壤孔隙分布、土壤水分特征曲線及比水容量等，這些參數能反映出土壤持水特征、水分有效性、滲透速度及供水能力，它們的差異是由土壤結構、質地及有機質含量等多重因素共同作用的結果。本研究通過在風沙土中加入不同比例的生物炭開展室內土柱和環刀試驗，探明不同生物炭添加量對和田風沙土水動力學參數和水分常數的影響。

本研究發現，添加生物炭導致風沙土通氣孔隙所占比例減少，毛管孔隙和非活性孔隙所占比例增加，這可能是由于生物炭機械強度較低，易破碎成微小的黏粒，添補了風沙土中相對較大的孔隙，從而減小了風沙土中大孔隙的占比，增大了有效孔隙與微小孔隙的占比。比水容量能夠衡量土壤對植物提供水分和其自身持水量的強弱，在本研究中生物炭能夠降低風沙土重力排水階段的比水容量，增加有效水階段的比水容量，對作物生長及土壤水分調控產生積極影響，這與魏永霞等[22]的研究結論一致。研究土壤水分運移的關鍵參數是飽和導水率及非飽和導水率，本研究表明風沙土的導水率隨著生物炭含量的增加而明顯降低，這與Ajayi等[23]在細砂中添加生物炭的結論一致。Obia等[24]認為生物炭對沙質壤土飽和導水率的影響表現為隨其添加比例的遞增而降低，對壤土細砂的抗滲透性卻沒有顯著影響，這種現象與生物炭的粒徑無關。風沙土飽和導水率的降低可能是受到生物炭具有較大比表面積的影響，通過增加土壤微孔率而改變了土壤結構引起土壤聚集而導致的。

施用生物炭后對風沙土SWCC各參數均有顯著影響，對參數θr和θs有增大的效果，對參數α呈先減小后隨生物炭含量的增加而緩慢增加，對參數n表現為先增大到T1最大值，后隨生物炭含量的增加而減小，這與于博等[25]研究結果一致。在相同土壤水吸力下，T1、T2、T3、T4的SWCC均位于CK上方，由于生物炭是一種擁有巨大比表面積與電荷密度的多孔結構有機物，與風沙土結合后改善了土壤中的團粒結構，極大地增強了土壤顆粒對水分子的吸附能力，在顆粒間形成了較厚的水膜，使土壤孔隙中更多的重力水轉變為毛管水及束縛水，從而增強了土壤整體的持水性。近年來，關于生物炭對土壤有效含水量的影響，國內外學者得出的結論多不相同。本研究發現，在土壤水分特征曲線中FC和PWP確定的土壤有效含水量隨生物炭添加量的增加而明顯增加，這與Cornelissen等[26]在5種土壤中添加玉米芯生物炭能夠有效增大作物可利用水的結論一致，但與Burrell等[27]在砂土中添加木質生物炭未顯著改變有效水含量的結論相反。這是因為生物炭原料、加工參數及制備工藝不同導致生物炭特性的差異，生物炭穩定性受到原料的顯著影響，制備工藝的不同會直接影響生物炭的得率，裂解溫度的升高會提高生物炭原子結構的有序性以及增強其化學穩定性，升溫速率會影響生物炭的比表面積和孔隙率，升溫速率越快生物炭的比表面積越大，孔隙率越小，而裂解時間的長短對生物炭有機質含量有較大的影響。盡管目前國內外學者對生物炭在污染防治、土壤改良和大氣循環等方面展開了大量研究，但對生物炭自身特性與功能間關聯的研究仍相對缺乏，因而推進生物炭裝備與技術的現代化，制定相應的規范及標準顯得極其重要。

在本研究中，風沙土達到最高有效水含量和毛管孔隙比所消耗生物炭的量巨大。以T3處理12%的生物炭用量為例，應用于大田中，相當于在風沙土表層20 cm的土壤中添加的生物炭將達到384 t·hm-2。大量的生物炭遠遠超出了小型農戶的經濟承受能力，然而，結合和田設施農業大棚，如果可以將生物炭聚集在作物的根部區域，不但能使農業廢棄物變廢為寶，而且還能根據現有的種植模式至少將生物炭用量減少50%以上。這既實現了資源可持續利用，又提高了經濟效益，使生物炭改良和田風沙土成為可能。

4 結 論

本文以不同生物炭添加量的風沙土為研究對象，通過室內試驗分析了生物炭對風沙土持水特性、入滲參數和釋水過程的影響，得出以下結論：

1)生物炭對風沙土土壤水分特征曲線隨土壤水吸力變化的規律沒有顯著影響，與CK處理相比，經生物炭改良后的風沙土持水能力增加了2.96%～4.79%，有效含水量增加了3.64%～7.48%，毛管孔隙增加了4.25%～5.61%，飽和導水率降低了70.84%～91.95%。

2)在對作物生長最有利的速效水范圍內，供水能力最強的是T3處理。生物炭的加入導致風沙土的入滲能力顯著降低，在相同土壤剖面含水量下，入滲速率最低的為T4處理。

本研究立足于利用生物炭改良和田風沙土，解決其蓄水量少、滲漏速度快等缺陷。通過定量分析發現，在12%和16%的生物炭施用比例下，土壤持水特性、土壤水分常數、土壤水分有效性及土壤毛管孔隙占比均未表現出明顯差異，只在土壤飽和導水率中表現出隨生物炭含量增加而明顯下降的現象。因此，從改善土壤持水性的角度出發，建議和田風沙土適宜的生物炭施用量為12%。