外加劑對土壤水分保持性能影響研究

宋邦其

(畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節 551700)

水是自然界中最重要的物質，在土壤中是植物組織不可或缺的元素，也是植物通過根毛收集的礦鹽的載體[1]。植物收集水分的能力取決于其與土壤結合的能力，從而取決于土壤的質量和水量。土壤中水的存在決定了它的所有基本功能。然而，由于受土壤本身持水性能的影響以及環境的變化，部分地區土壤中水分開始逐漸流失，使土地生產力下降甚至喪失，造成嚴重的經濟損失，因此改善土壤的固水性能十分重要[2-3]。

周晗等[4]以離石王家溝流域官道梁坡地土壤為研究對象,對保水劑以及施加保水劑后土壤的吸水性及保水性進行了測定分析; 金云杰[5]以丹東市寬甸縣棕壤土區無水保措施和5種不同水保措施的坡地為例,通過對比土壤可蝕性特征與速效養分含量的差異,揭示了不同水保措施下土壤可蝕性與速效養分間的關系;周曉瑩等[6]研究了油頁巖與沙復配成土的保水特性，結果表明油頁巖與沙復配成土后能降低土壤容重,改善土壤松緊狀況,提高土壤的供水持水能力；宮鶴憶[7]以土壤改良材料中“保水劑”和“有機肥”的應用為主,并在此基礎上加入“微生物菌劑”,研究三者對土壤生態系統以及植物生長發育的共同作用；尹應武等[8]以生物質磺酸鹽作為新型的沙漠生態修復材料,證明了生物基磺酸鈣鹽及銨鹽具有較好的保水供肥作用。

本文通過文獻調研，引入了一種新型土壤保水劑—生物炭。該物質是有機物在300～700 ℃(缺氧條件下)熱解后的富碳產物，由于生物炭孔隙度較高，施入田間后，能大幅提高土壤含水量，且保水性強，是一種優良的土壤改良劑。本文從畢節市某水渠附近鉆取土樣，先通過室內研究了不同生物炭含量對土壤保水性能的研究，之后將其運用到現場進行分析驗證，得到了生物炭土體的持水性能曲線，研究成果可為相關工程提供參考。

1 材料與方法

本文從畢節市某水渠附近鉆取土樣，采用烘干法測得原狀土樣水分含量w=26%，室內試驗測試其主要組成部分為黏土礦物，包括有蒙脫石、伊利石等，碎屑礦物主要有石英與長石，其次含有少量方解石。通過對土樣進行物理力學性質測定，測得其，密度為1.90 g/m3，干密度1.47 g/m3，含水率20%，塑限含水率25%，液限含水率50%，塑性與液性指數分別為26.00，0.28。本次試驗添加的生物炭是在農場規模氣化爐中制成的，使用稻殼作為生物質源,之后利用氣體板裝置測量了生物質氣化過程中氣體產物的成分。實驗時的空氣溫度在30～32 ℃之間；空氣濕度為68%～71%。

制作完成生物炭之后，將含量分別為0 mg、10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60 mg、70 mg、80 mg、90 mg和100 mg的生物炭添加至土壤當中。試驗時用砂箱法測量了不超過100 cm水頭的毛細電位內的特征水合狀態，為了獲得毛細電位為2.7～4.2 mg的土層含水量，使用了高壓和低壓室，而保水性曲線在毛細電位和含水量之間具有非線性關系。土壤保水性能的測定主要采用烘干法，將放置在容量為2000 g的刻度盤上，刻度靈敏度為0.01 g。該天平能夠實時測量土壤的重量，因此可以計算土壤含水量。試驗開始前每組土的含水率含量誤差不超過1%。

2 試驗結果分析

圖1給出了不同生物炭含量下土壤的含水率變化規律。在靜置2 d后，未添加生物炭土的含水率最低，蒸散作用最強，僅為4.2%，而此時生物炭含量為100 mg的土的含水率為14.2%；當土壤靜置4 d后，生物炭的保水作用有所降低,此時含有50 mg生物炭土壤的含水率最低為7.8%，而此時生物炭含量為100 mg的土的含水率仍然最大，為10.0%。最后當土壤靜置第5天后，含有60 mg生物炭土壤的含水率最低，為12.0%，而含有80 mg生物炭土壤的含水率最高，為14.0%。

圖1 不同生物炭含量下土壤的含水率變化

從以上結果分析可以看到，在自然環境當中不同生物炭含量下，土壤中的含水量具有明顯差異，但總體上隨著天數增加，生物炭含量越高，土壤的含水量越高。這是由于生物炭的施用可以顯著的降低土壤容重，增大孔隙度；隨著施用時間的推移，材料通過改變土壤孔隙度和團聚體水平使得土壤中水分和養分含量增加，由于生物炭本質上疏水的性質，進一步導致土壤具有更高的吸水和保留能力。

3 現場應用分析

本次現場分析第一次施加的生物炭含量分別為0 t/hm2、1 t/hm2、5 t/hm2、10 t/hm2、20 t/hm2、30 t/hm2,圖2為現場試驗情況。另外，研究土壤固水性能所必需的特征是土壤保水性-吸力曲線，曲線的形狀由粒化、礦物含量和生物炭的有機物含量決定，圖3為在1～30 t范圍內，生物炭參與的試驗田土壤，其保水性-吸力曲線變化過程。由圖可知，在低吸力范圍內，即 0～1.2 kPa之間土壤含水量存在較大差異，與全水容量值相比，在自然條件下，與最大水容量相對應的水儲量土壤很少能夠達到，除非在長期暴雨后或春季融化期間。

圖2 現場試驗

圖3 生物炭土壤保水性-吸力曲線

圖4為第二次施加的生物炭的試驗結果，分含量別為0 t/hm2、40 t/hm2、50 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2、100 t/hm2。由圖可知，持水曲線最大的差異出現在吸力 0～3 kPa的范圍內，土壤持水量在0.039～0.455 m3/m3的范圍內，對于使用1～100 t生物炭的分析土壤，該范圍在0.224～0.280 m3/m3之間。此外從以上分析可得出，不論生物炭含量多少，持水曲線有一個變陡的過程，這表示土壤孔隙逐漸排空水分的一個過程，且孔隙大小分布不規則。從耕作的角度來看，孔隙大小不規則分布的土壤具有更大的保水能力。另外，以最低劑量使用生物炭的持水曲線有輕微的變緩平的過程，意味著土壤含有略多的土壤大孔隙，此時大小相似的大孔隙在相同的土壤毛細吸力下更容易失水干燥。最后，與沒有施用生物炭的土壤相比，土壤中施用高劑量的生物炭可以增加土壤的持水性能。

圖4 第二次施加的生物炭的試驗結果

4 結 論

(1)在靜置2 d后，未添加生物炭土的含水率最低，蒸散作用最強，僅為4.2%；當土壤靜置4 d后，此時含有50 mg生物炭土壤的含水率最低為7.8%，而此時生物炭含量為100 mg的土的含水率仍然最大，為10.0%。

(2)在低吸力范圍內，持水曲線即 0～1.2 kPa之間存在較大差異。在自然條件下，與最大水容量相對應的水儲量土壤很少能夠達到，除非在長期暴雨后或春季融化期間。

(3)當生物炭含量別為0 t/hm2、40 t/hm2、50 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2、100 t/hm2時，持水曲線最大的差異出現在吸力 0～3 kPa的范圍內。此外，土壤持水量在0.039～0.455 m3/m3的范圍內，對于使用1～100 t生物炭的分析土壤，該范圍在0.224～0.280 m3/m3之間。