生物炭添加量对南疆沙化土壤理化性质和水分特征的影响

宋宝栋 覃齐正 郭子玉 闫 安 孔德国,2 张红美,2*

(1 塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)(2 新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室， 新疆 阿拉尔 843300)

新疆地区由于光照时间长，非常适宜棉花生长，是我国的主要棉花种植区。近年来棉花种植面积不断扩大，促进了当地经济的快速发展，但棉秆资源作为一种农业剩余物也给当地的环境造成一定的压力。将棉花秸秆炭化制备成生物炭，并将其施入土壤中，可实现农业资源的高效循环利用。

新疆是温带大陆性气候，昼夜温差大，属典型的大陆性干燥气候。尤其是处于塔克拉玛干边缘的南疆部分地区，气候异常干燥，年降雨量较小，缺水严重，而当地土壤沙化现象严重，土壤保水能力差，缺水与土壤保水能力差的现状无疑增加当地棉花种植成本，成为制约当地经济快速发展的一个瓶颈。

生物炭是将生物质原料在缺氧或厌氧条件下进行高温裂解得到的一种固体材料[1]。由于其具有较大的比表面积，孔隙结构发达，并且还含有植物生长所需要的营养元素，将其施入土壤中可对土壤性能进行改良，增加土壤保水保肥能力，因此成为近年来研究的一个热点。已有研究表明，添加生物炭可使土壤容重减低[2-3]，增大土壤孔隙度[4]，改变土壤团聚度[5-6]，进而影响土壤持水能力和水分入渗特性[7-10]。姚俊卿等[11]研究了炭化温度、炭化时间和升温速率对黑沙蒿生物炭保水性能的影响，秦玲等[12]研究了草炭对砂质土壤保水特性的影响，方圆等[13]研究了活性炭对土壤入渗、蒸发特性及养分淋溶损失的影响。制备生物炭所用的原料不同，对不同质地的土壤保水性能也不同。

本研究以棉花秸秆为原料制备生物炭，并将其施入棉花连作土壤中，探讨棉秆基生物炭不同添加量对南疆沙化土壤保水性能影响，以期为棉花秸秆的资源化利用提供理论依据和实验数据。

1 材料、仪器与方法

1.1 材料和仪器

材料：实验所用棉秆基生物炭由经过粉碎过筛的棉花秸秆在马弗炉中于300 ℃热解4 h制得。实验所用土壤采自于第一师十二团连作棉花地。供试生物炭和土壤基本理化性质如表1所示。

表1 生物炭与供试土壤基本理化性质

仪器：JF-2000型智能马弗炉(江苏江分电分析仪器有限公司)、pH-2606型多功能高精度酸度计(上海恰森仪器有限公司)、美国FEI Quanta250 型扫描电子显微镜。

1.2 研究方法

实验设置5个处理，即生物炭与土壤的质量比分别为0%、0. 5%、1%、1. 5%和2%，每个处理重复三次。将生物炭与土壤混合均匀后，置于底部铺有3层滤纸的器皿中，底部开有小孔，供水分下渗流出。每次向各器皿中加入等质量的水，多余的水分通过底部的小孔渗出，每隔4 h加水1次，共补充水分3次。自然陈化2天后每天定时称量器皿质量，12天后采用环刀从器皿中取土样。

1.3 保水性能测定

将取样后的环刀下部用4层纱布包裹后放进塑料盆中，加水至环刀上边缘，浸泡24 h后去除底部纱布称重，记为m2；将带土环刀放在铺有一层滤纸的沙土上，用重物压实8 h后，称量环刀与土重，记为m3；最后将环刀与土样放入烘箱中于105 ℃烘干至质量不变后称重，记为m4；单一环刀质量记为m1，环刀体积记为v。按照以下公式计算各项指标：

(1)

(2)

(3)

毛管孔隙度=田间持水量×容重

(4)

1.4 电导与pH的测定

将按照一定比例混合的炭土样品置入锥形瓶中，加入适量的水并超声处理后静置一定时间，取上层清夜测定电导与pH值。

2 结果与讨论

2.1 样品形貌

实验所用生物炭和纯土图样的SEM图分别如图1和图2所示。由图1可以看出，生物炭具有圆孔状的孔洞结构，由于生物炭炭化过程是将棉花秸秆粉碎过2 mm的筛子后进行热解，因此所得生物炭粒径相对较小，由图1还可看出在脱落的碎片上还有大量的椭圆形孔洞结构存在，这进一步增大了生物炭的比表面积。由图2可以看出，实验所用纯土颗粒相对较大，形状不规则，在大颗粒土样表面还附着有颗粒较小的土样颗粒，这种较小的土样颗粒可能会进入生物炭的孔洞结构中，阻碍孔洞的通透性，不利于生物炭对水分的吸附，但粒径较小的颗粒含量相对较少，而较大的土样颗粒对生物炭的孔隙结构不会产生影响；生物炭的加入会增大土样的比表面积和孔隙结构，从而会对其水分特征产生相应的影响。

图1 生物炭SEM图 图2 纯土土样SEM图

2.2 生物炭添加量对土样pH值和电导的影响

为了研究生物炭对南疆沙化土壤的盐碱性和土壤水溶性盐的影响，测定了土壤样品的pH值和电导。由图3可以看出，随着生物炭含量的增加，土壤样品的电导增加，这可能是因为棉花秸秆中含有大量的钾、钠、镁、钙等金属元素，在热解过程中，生成相应的氯化物、碳酸盐和碳酸氢盐等可溶性盐，随着生物炭含量的增加，相应的可溶性盐的含量也随之增加，最终导致电导增大。由图3还可看出，土壤pH值随生物炭含量增加出现降低的趋势，这与侯艳艳等[14]研究结果一致。可见生物炭的施入降低了南疆沙化土壤的酸碱度，这可能会提高当地土壤肥力，对当地碱性土壤改良具有重要的作用。至于棉秆基生物炭降低南疆沙化土壤pH值的机制尚需进一步探讨。

图3 生物炭添加量对土壤电导和pH值的影响

2.3 生物炭添加量对容重与土样饱和含水量的影响

土壤容重表示土壤的疏松程度，容重越大，土壤越紧实，孔隙度越小；容重越小，土壤越疏松，孔隙度越大。土壤容重随生物炭添加量的变化关系如图4所示。由图4可知，当生物炭添加量为1%时，土壤容重比纯土容重大，而其它的添加量均使土壤容重降低，这与已有文献报道的土壤容重随生物炭添加量增大而降低的报道不一致[15]。由于实验中所用生物炭颗粒较小，具有较大的比表面积和发达的孔隙结构，因此能够减小土壤的容重；另一方面，生物炭表面含有大量的带电官能团，能够与土壤中的胶体发生吸引或排斥作用，当二者之间是吸引作用时，土壤中的胶体发生团簇，容重增大，反之，容重减小。可见生物炭影响土壤容重是生物炭的发达孔隙结构、表面官能团与胶体之间作用力相互竞争的结果。土壤饱和含水量是指土壤中所有孔隙全部充满水时的含水量，土壤总孔隙度越大，饱和含水量越高。由图4可以看出，饱和含水量与土壤容重变化趋势相反，这是由土壤总孔隙度与容重呈现相反变化趋势所决定的。

图4 生物炭添加量对土壤容重和饱和含水量的影响

2.4 生物炭添加量对土壤孔隙度和田间持水量的影响

土壤孔隙包括无效孔隙、毛管孔隙和通气孔隙，总孔隙度等于各项孔隙度之和。其中毛管中的水分借助于毛管作用力而储存和运动，容易被作物吸收和利用，是对作物最有效的水分；田间持水量是土壤中悬着毛管水达到最大量时的土壤含水量，是土壤对作物有效水的上限，常用来计算灌溉定额的依据[16]。由图5可以看出，土壤毛管孔隙度和田间持水量表现出相同的趋势，二者均在生物炭添加量为0. 5%时出现最小值，而后随着生物炭添加量的增大而增大。

图5 生物炭添加量对土壤毛管孔隙度和田间持水量的影响

2.5 生物炭添加量对土样保水性能影响

图6土壤每天水分蒸发量图7生物炭添加量对土壤含水量和总蒸发量的影响

A是陈化2天后土壤含水量；B是水分总蒸发量；C是自然蒸发12天后土壤含水量。

为了研究生物炭添加量对土壤水分保水性能的影响，采用每天称重的方法测得土壤每天的水分蒸发量，计算土壤水分总蒸发量，同时还对陈化2天后及自然状态下蒸发12天的土壤含水量进行了计算，结果如图6和图7所示。由图6可以看出，土壤水分日蒸发量出现上下波动现象，整体服从相似的规律。由图7可以看出，样品陈化2天后的含水量随生物炭添加量的增加而增大，水分总蒸发量亦表现出相似的趋势，但每个样品蒸发总量相差不大，土壤最终含水量随生物炭含量的增加而增大，即生物炭添加量越大，虽然蒸发量大，但由于土样吸水量大，因此最终含水量还是最高。

3 结论

(1) 添加生物炭可以改变土壤容重、饱和含水量、毛管孔隙度、田间持水量及水分蒸发量，随生物炭含量的增加，土壤容重与饱和含水量表现出相反的趋势，而毛管孔隙度和田间持水量则表现出相同的趋势。

(2) 虽然不同生物炭添加比例的土壤样品水分总蒸发量相差不大，但随生物炭添加量的增大，土壤吸水量及连续蒸发12天后的含水量亦增大。

(3)因此当生物炭添加量为2%时，pH值和容重最小，电导、饱和含水量和田间持水量均为最大，这对降低南疆沙化土壤盐碱性，提高土壤保水能力提供了理论数据。