生物炭種類與施量對新復墾區土壤水分入滲過程的影響

王 娟 陳安全 宋文瑾 趙一凡 謝嘉華 孟雷翔

(揚州大學水利科學與工程學院，揚州 225009)

0 引言

耕地資源日益緊缺制約了我國經濟發展與現代化建設，2019年《土地管理法》修訂強調對耕地數量、質量和生態三位一體綜合保護[1]。新復墾土地作為被重新開發的耕地資源，存在土壤理化性質較差、水土流失嚴重、肥力薄弱等問題。因此，通過不同措施改善新復墾區土壤的理化性質，提高保水保肥的能力，對于增加耕地資源、保護糧食安全和保障農業可持續發展具有重要科學意義。

入滲是水分進入土壤的過程[2]，是土壤水分運動的主要部分和“四水”(大氣水、地表水、土壤水和潛水)轉換的重要環節，決定土壤對降雨和灌溉水的有效利用程度[3-4]。土壤水分運動受土壤質地、結構及有機質含量等諸多因素影響[5]。生物炭是農林廢棄物等生物質在高溫限氧條件下通過熱化學反應轉換形成的富碳產物[6]。生物炭具有巨大的比表面積、豐富的孔隙度及離子吸附能力等特點，被廣泛應用于土壤改良，改善土壤理化性質、降低土壤容重、增加土壤孔隙度[7]。MAO等[8]研究發現，添加生物炭后喀斯特地區土壤的入滲過程明顯受到抑制，累積入滲量和入滲率顯著低于未添加生物炭土壤，大粒徑生物炭對土壤入滲的抑制作用顯著強于小粒徑生物炭。解倩等[9]研究發現，生物炭明顯降低了黃綿土的入滲能力，增強了黃綿土持水能力，其影響效果因生物炭粒徑和施量而異。肖茜等[10]研究發現，隨著生物炭施量增加，風沙土和黑壚土的累積入滲量逐漸降低，而黃綿土累積入滲量呈先增大后減緩的趨勢。詹舒婷等[11]研究發現，馬鈴薯稈生物炭顯著促進了濕潤鋒的運移，而藜麥稈和油菜稈生物炭減緩了中后期濕潤鋒的運移速度。SUN等[12]研究發現，在濱海鹽漬土中添加10%未篩分的生物炭顯著降低水分入滲，而過0.25 mm篩的生物炭顯著提高了水分入滲。魏永霞等[13]研究發現，在黑土區土壤中添加生物炭可顯著降低土壤容重、提高土壤孔隙度，土壤體積含水率低于42%時生物炭抑制水分擴散。黃明逸等[14]研究發現，添加 15 t/hm2生物炭配合微咸水-淡水輪灌能夠改善濱海鹽漬土的入滲特性、持水能力和鹽分分布。綜上，生物炭對土壤水分入滲特性的影響會因其種類、施量、粒徑及土壤本身質地等因素的不同而異。新復墾土地作為廣泛存在的耕地資源，具有很大的開發價值和研究意義，目前選擇適宜的生物炭改善新復墾區土壤的研究報道較少。本研究基于室內土柱模擬試驗，分析不同種類和施量的生物炭對新復墾區土壤水分入滲過程的影響，為新復墾土地的快速熟化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及試驗材料

供試土壤采自揚州大學農水與水文水生態試驗場，該試驗場于2016年建成，復墾前為荒地,屬于典型的新復墾土地。采用Z型采樣方法采集表層 0～25 cm 土樣，去除大的礫石后，風干、碾碎、過2 mm篩備用。使用馬爾文激光粒度分析儀(MS-3000型)測定土壤粒徑組成，其中黏粒質量分數4.38%，粉粒質量分數32.76%，砂粒質量分數62.86%，屬于砂質壤土(國際制)。土壤堿解氮質量比32.08 mg/kg，有機質質量比7.20 g/kg，容重為1.37 g/cm3，飽和含水率38.05%，飽和導水率8.07×10-4cm/s。試驗用生物炭購于河南立澤環保科技有限公司，性質如表1所示。

表1 生物炭物理性質

1.2 試驗設計

試驗于2021年4月在揚州大學江陽路南校區農業水土環境與生態實驗室進行。考慮試驗用土其砂質壤土的物理性質以及存在的水土流失問題，結合前人的研究成果和課題組之前的研究進展，試驗設置不添加生物炭處理為對照(CK)，將生物炭種類和施量作為因素，土壤與2種生物炭(玉米秸稈生物炭A、水稻稻殼生物炭B)按不同比例(2%、4%、8%)混合均勻，分別記為A2、A4、A8、B2、B4、B8，試驗共7個處理，每個處理4個重復。試驗選用透明有機玻璃圓柱，內徑10 cm、高40 cm，側面貼有不銹鋼刻度尺，底部安裝通氣閥門。將土壤與生物炭按設計質量比混合均勻，在室溫下靜置24 h后按設計容重1.37 g/cm3，每5 cm一層裝入土柱，上層 0～25 cm 土壤均勻混合生物炭，25 cm以下為不添加生物炭的原土樣，填土總高度35 cm。為減少內壁對入滲的影響，在土柱內壁涂一層凡士林，且每層土之間充分打毛，保證土層緊密接觸，避免分層，裝土前土柱底部放置兩層100目紗網和一層濾紙，防止土壤顆粒流失并利于通氣。

采用一維定水頭垂直積水入滲法開展土壤入滲試驗。入滲試驗系統主要包括供水裝置馬氏瓶(內徑10 cm、高60 cm)、試驗土柱和固定支架組。用馬氏瓶進行自動供水并控制水頭恒定為4 cm。按照前密后疏(0～3 min間隔30 s，3～10 min間隔 1 min，10～20 min間隔2 min，20～60 min間隔 4 min，60 min 以上間隔5 min)的原則記錄濕潤鋒運移距離和累積入滲量，當濕潤鋒推進到指定深度即 30 cm 時入滲結束，灌水量約為入滲結束時的累積入滲量。馬氏瓶繼續供水直至土柱底部有滲出液，停止供水。試驗結束，每個處理取一個土柱破壞性取樣，用直徑2.5 cm小土鉆每5 cm分層在土柱3個方向分別取土樣，干燥法測定不同深度處土壤含水率。

1.3 土壤入滲過程擬合

為進一步研究不同種類生物炭在不同施量下對新復墾土壤入滲過程的影響，采用Philip模型對入滲過程進行擬合，Philip入滲模型[15]數學表達式為

I=St0.5+At

式中I——累積入滲量，mm

S——吸滲率，mm/min0.5

A——穩滲率，mm/min

t——入滲時間，min

采用冪函數[16]對濕潤鋒運移距離與時間進行擬合，數學表達式為

F=atb

式中F——濕潤鋒運移距離，mm

a——第1個計時單位后濕潤鋒推進距離，mm

b——濕潤鋒進程的衰減系數

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Office Excel對數據進行預處理，Origin 2021作圖，SPSS 26.0進行ANOVA方差分析，Duncan法進行顯著性分析，非線性回歸分析擬合公式。

2 結果與分析

2.1 入滲時間及濕潤鋒運移

入滲時間指水分垂直入滲至結束所需時間，反映水分運動的快慢程度。不同生物炭種類和施量條件下，生物炭對土壤入滲時間的影響差異明顯。由圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)可知，不同處理入滲時間由小至大依次為B2、CK、B8、B4、A2、A4、A8，B2入滲時間最短(200 min)，較CK入滲時間(228 min)減少12.3%，A8入滲時間最長(363 min)，較CK增加59.2%。結果表明，施用玉米秸稈生物炭可以增加土壤入滲時間，施量與入滲時間呈正相關，與CK相較，隨施量增加，入滲時間增加35.0%、46.0%和59.1%；低施量水稻稻殼生物炭減少土壤入滲時間，而中高施量增加入滲時間，且中施量水稻稻殼生物炭增加入滲時間最多，較CK增加28.5%。

圖1 不同處理下入滲時間

濕潤鋒表征水分在土壤基質吸力和重力作用下的運動特征[17]。不同種類和施量條件下，生物炭對土壤濕潤鋒運移的影響差異明顯。由圖2可知，入滲初期濕潤鋒運移很快，隨時間推移逐漸變慢，最終以較穩定速度運移。處理B2、CK、B8濕潤鋒運移曲線相近且濕潤鋒運移快；處理B4、A2、A4濕潤鋒運移曲線相近，處理B4、A2、A4濕潤鋒運移明顯慢于處理B2、CK、B8；處理A8在同一時間下濕潤鋒運移距離最小，因此處理A8濕潤鋒運移最慢。入滲 120 min 時，濕潤鋒運移距離由大到小依次表現為B2、CK、B8、B4、A2、A4、A8，玉米秸稈生物炭隨著施量增加濕潤鋒運移越緩慢，而水稻稻殼生物炭低施量加快濕潤鋒運移，中高施量減緩濕潤鋒運移且中施量減緩最明顯。

圖2 不同處理下濕潤鋒隨時間變化曲線

綜上所述，高施量玉米秸稈生物炭可以增加新復墾區土壤入滲時間，減緩濕潤鋒運移，有利于改善新復墾區土壤存在的水分下滲過快、保水能力弱的問題。

采用冪函數F=atb對濕潤鋒運移距離F與時間t進行擬合，擬合結果如表2所示，各處理擬合決定系數R2均大于 0.99，顯著性檢驗P<0.01，說明冪函數能很好地描述生物炭不同種類和施量條件下新復墾區土壤濕潤鋒的運移規律。對該函數求一階導數，可以近似用a×b來描述濕潤鋒運移速度，玉米秸稈生物炭處理濕潤鋒運移速率均低于對照，且隨施量增加逐漸減小，這是因為玉米秸稈生物炭的添加減緩了水分初始入滲速率。而水稻稻殼生物炭處理，除B4外，其余處理a×b參數均大于CK。

表2 濕潤鋒運移距離與時間擬合結果

2.2 累積入滲量及入滲率

土壤入滲過程達到穩定后可用穩定入滲率來表征土壤入滲能力，但在達到穩定入滲之前，常用累積入滲量來表征土壤入滲能力[18]。不同種類和施量生物炭處理下累積入滲量隨時間變化如圖3所示。由圖3可知，入滲初期累積入滲量迅速增加，隨時間推移，進入穩定入滲階段，累積入滲量以較穩定速率增加。處理B2、CK、B8的累積入滲量曲線相近，處理A2、B4、A4、A8的累積入滲量曲線相近。同一時間下，處理B2、CK、B8的累積入滲量大于處理A2、B4、A4、A8，說明玉米秸稈生物炭和中施量的水稻稻殼生物炭可以明顯降低累積入滲量。在0～100 min內，CK、B2和B8的曲線高度重合，處理B4的累積入滲量明顯低于其他3個處理；100～200 min 時，在同一時間下累積入滲量由大到小依次為B2、CK、B8、B4，說明入滲前期2%施量和8%施量的水稻稻殼生物炭處理對土壤的累積入滲量無明顯影響，后期表現為低施量處理提高累積入滲量，中高施量處理降低累積入滲量，中施量(4%)的水稻稻殼生物炭降低土壤的累積入滲量效果更明顯。另外，高施量玉米秸稈生物炭處理可以增加入滲結束后新復墾區土壤的累積入滲量。

圖3 不同處理下累積入滲量隨時間變化曲線

土壤入滲率反映了土壤的入滲性能。不同種類及施量生物炭處理下土壤入滲率變化曲線如圖4所示。干土入滲條件下，土壤初始入滲率較高，短時間內入滲率大幅降低，隨時間推移進入穩定入滲階段，入滲率逐漸穩定。CK的入滲率較高，入滲10 min后與CK相比，處理A2、A4、A8、B2、B4、B8入滲率分別降低20.8%、33.3%、34.2%、0.8%、12.5%和2.5%，說明添加生物炭降低了土壤初始入滲率。A4、A8入滲率曲線明顯低于CK，說明中高施量的玉米秸稈生物炭處理降低入滲率更明顯，而稻殼生物炭規律不明顯。

圖4 不同處理下土壤入滲率隨時間變化曲線

采用Philip模型對入滲過程的參數進行擬合。由表3可知，決定系數R2均不低于0.995，顯著性檢驗P<0.05，說明Philip模型能較好地模擬不同種類及施量生物炭處理下新復墾區土壤的水分入滲過程。入滲初期土壤基質勢較大，入滲率主要表現為吸滲率。添加生物炭的各處理吸滲率均小于對照，表明添加生物炭可以降低初始入滲率。隨時間推移，逐漸進入穩定入滲階段，穩滲率占主導作用，除處理B8外，添加生物炭穩滲率均小于CK，表明添加生物炭可以降低穩定入滲率。

表3 Philip模型擬合結果

2.3 入滲結束后水分重分布

不同種類和施量的生物炭對入滲結束后水分重分布的影響如圖5、6所示。由圖5可知，處理A8、B8的土壤平均含水率明顯高于其他處理，較CK提高了10.4%～11.4%，說明高施量的玉米秸稈生物炭和水稻秸稈生物炭可以明顯提高土壤的保水能力。由圖6可知，土壤剖面含水率呈“S”形分布，表層0～5 cm含水率最高，5～10 cm各處理土壤含水率逐漸降低，10～25 cm土壤含水率變化不大，趨于穩定，25 cm以下土壤含水率大幅下降。各處理表層0～5 cm含水率最高，由小到大依次為CK、B2、B4、A4、B8、A2、A8，與CK相比，各處理含水率分別提高2.2%、8.8%、12.5%、17.1%、18.4%和20.3%，說明添加生物炭提高了表層0～5 cm土壤的含水率，高施量生物炭對表層土壤含水率的影響更明顯。隨著土層深度增加，中低施量生物炭處理對土壤含水率影響無明顯規律，A8、B8土壤剖面含水率最高，高施量生物炭處理土壤含水率始終明顯高于其他處理，說明高施量生物炭可以有效提高土壤的保水能力。

圖5 土壤平均含水率

圖6 土壤剖面含水率

3 討論

土壤水分入滲受土壤質地、結構、有機質含量和團聚體等諸多因素影響[5]。施用生物炭明顯增加了新復墾區土壤的入滲時間。入滲前期由于土壤干燥、基質勢大，受分子間引力和庫侖力作用，土壤水分入滲較快，濕潤鋒運移距離、累積入滲量和入滲率曲線都呈陡峭趨勢，隨著時間推移，逐漸進入穩定入滲階段，曲線平緩。在本研究入滲前期，添加生物炭明顯降低了初始入滲率，隨著時間延長，添加生物炭處理的濕潤鋒運移距離、累積入滲量和入滲率均低于對照。Philip模型也較好地擬合不同種類及施量生物炭處理下新復墾土壤的水分入滲過程，決定系數R2均不低于0.995，顯著性檢驗P<0.05，其擬合的吸滲率和穩滲率反映了添加生物炭降低土壤的初始入滲率和穩定入滲率的實際情況。添加生物炭延緩土壤水分入滲，一方面是由于添加生物炭改變了土壤結構，堵塞土壤中的大孔隙，使水分下滲受阻。周蓓蓓等[19]研究表明，大孔隙會促進水分入滲，而中小孔隙會限制水分入滲。添加生物炭后，可能堵塞土壤大孔隙，減少大孔數量，增加中小孔數量，中小孔效應大于大孔時，水分運動通道曲折復雜，其入滲能力自然會被抑制。另一方面，生物炭本身具有比表面積大、孔隙度高等特點，施入土壤后能降低土壤容重[20]，增加土壤孔隙度，土壤體積膨脹，按照試驗設計容重裝填土柱，土壤變得更緊實。此外，生物炭與土壤混合后遇水形成了土壤微團體，團聚體對水分的吸附能力較強，會阻礙水分入滲，這與潘全良等[21]研究一致。包維斌等[22]研究發現，砂壤土中添加生物炭可以減緩水分快速入滲、增加水分在土壤中的持留時間，新復墾區土壤為典型的砂質壤土，添加生物炭有效解決了土壤水分滲漏過快，保水能力弱的問題。在試驗過程中，隨著玉米秸稈生物炭施量增加，濕潤鋒運移距離、累積入滲量及初始入滲率呈減小趨勢，說明土壤入滲的阻滯效應與玉米秸稈生物炭施量呈正相關，這與高言等[23]研究一致。而入滲過程參數與水稻稻殼生物炭施量無明顯線性關系，表現為隨施量的增加先增大后減小，這可能是由于兩種生物炭物理特性差異所導致的。

入滲結束后，添加生物炭處理表層土壤含水率均高于對照。高施量生物炭處理土壤平均含水率與剖面含水率顯著高于對照處理，說明生物炭可以改善入滲結束后的土壤剖面水分狀況，且改善效果與施量呈正相關，這與黃成真等[24]研究一致。這可能是因為生物炭具有巨大的比表面積和多孔性，具有羧基、羥基、脂族雙鍵等親水基結構，從而具有極強的吸附和持水能力[25]。需要指出的是高施量玉米秸稈生物炭處理土壤水分主要集中在0～20 cm處，而高施量稻殼生物炭處理土壤含水率峰值則集中于15～25 cm處，說明玉米秸稈生物炭更有利于根系層土壤水分的保蓄，而稻殼生物炭利用過程中則需要警惕深層滲漏的發生。

總體來講，添加8%玉米秸稈生物炭是新復墾土地快速熟化利用比較推薦的選擇。

4 結論

(1)除低施量水稻稻殼生物炭處理外，添加生物炭均延緩了新復墾區土壤水分入滲過程，入滲時間增加，同一時間下濕潤鋒運移距離、累積入滲量和初始入滲率均有所降低。其中玉米秸稈生物炭效果優于水稻稻殼生物炭，且隨施量增加，玉米秸稈生物炭對水分入滲的延緩效應越強，而水稻稻殼生物炭中施量處理效果優于高、低施量。

(2)添加生物炭均提高了土壤表層含水率，且兩種生物炭均在高施量處理條件下土壤保水能力明顯優于中、低施量。

(3)冪函數可較好地擬合不同種類和施量生物炭處理下濕潤鋒運移距離F和時間t的關系。不同種類及施量生物炭處理下新復墾土壤的水分入滲過程可使用Philip模型較好地模擬。

(4)總體來講，添加8%玉米秸稈生物炭有利于改善新復墾區土壤水分下滲快、保水能力弱的問題，是新復墾土地快速熟化利用比較推薦的選擇。