生物炭对土壤水分特征曲线影响的试验研究

王 竹，叶晓思，孙爱华，张 涛，朱士江

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2. 宜昌市东风渠灌区管理局，湖北 宜昌 443000；3. 三峡大学农业水土资源可持续利用研究中心，湖北 宜昌 443002)

生物炭作为一种新型环境功能型材料，具有高孔隙度和比表面积大的特点，能在一定程度上提高土壤的田间持水量[1]；生物炭的碱性属性能够提高土壤的pH值，对喜碱作物的生长发育有着积极影响；生物炭还能增加土壤微生物含量，改善土壤的结构性质。添加生物炭对土壤的物理、化学性质产生一定的影响[2-3]。土壤水分特征曲线是描述土壤水含量与基质势大小关系的曲线，通过计算研究不同生物炭含量处理下的土壤水分参数，得出对应的水分特征曲线，从而分析生物炭的施加对土壤水分特征曲线的影响。

近年来，许多专家学者在生物炭与土壤水分特征曲线的相互作用方面取得了新的进展。陈温福等[4]研究了生物炭对土壤理化性质的影响，发现生物炭在土壤持水能力方面作用显著，但作用效果会受到土壤自身结构和生物炭施加量的影响。朱蔚利等[5]将Van-Genuchten模型和单一参数Gardner模型分别与土壤水分特征曲线进行拟合，发现Van-Genuchten模型拟合精度更高。吕殿青等[6]通过分析不同压实度下的土壤水分特征曲线，得出容重的改变会影响土壤水分特征曲线，并且容重增大，曲线变得越平缓。齐瑞鹏等[7]分析了添加生物炭后的土壤水分入渗过程，发现在半干旱地区，生物炭能整体提高水分入渗能力，低添加量的生物炭的促进作用不显著，高添加量则会产生一定的抑制作用。赵迪等[8]研究施加生物炭后的粉黏壤发现，加炭处理均会减弱粉黏壤的持水能力。因此，生物炭对土壤持水能力的影响是与土壤本身的机械组成紧密相关的[9-12]。

目前，关于生物炭对土壤理化性质的研究，大多属于定性分析生物炭对土壤相关参数的影响，很少从定量方面研究生物炭施加于参数变化的关系。因此本文研究施加生物炭后的土壤水分特征曲线，通过在土壤中添加不同含量的生物炭，利用离心机测定其土壤水分特征曲线，定量描述土壤水分特征曲线在不同生物炭施加条件下的变化情况，对比分析得出生物炭对土壤水分特征曲线的影响规律。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本实验选取湖北省宜昌市三峡大学水文气象站内土壤作为供试土壤，该站属亚热带季风性湿润气候，多年平均气温为16～18℃，多年平均降雨量983～1406 mm。试验区内土壤类型为黄棕壤，土壤容重为1.367 g/cm3，有机质含量为21.2 g/kg，pH值为6～7。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理(CK、T1、T2、T3、T4)，每个处理3次重复。5个处理中生物炭施加的质量百分比依次为0%、2%、4%、6%、8%。

首先，用与离心机配套的环刀在不同样地中取土，取样土层为0～20 cm，土样风干后经直径2 mm的筛孔过筛，利用环刀法测定土壤的容重；将用环刀取得的原状土经蒸馏水浸透48 h直至饱和，并称重；将饱和的原状土样和扰动土样放入离心装置中，设定离心机转速分别为0、500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、4000 r/min、6000 r/min、8000 r/min，在每次压力达到平衡后取出土样进行称重，并用游标卡尺测量土面到环刀顶面的高度，以此确定土样收缩和容重变化。

根据以上所测数据，计算出不同转速下的土壤体积含水率，取平均值作为最终的土壤体积含水率，从而得到实测的土壤水分特征曲线。

1.3 分析方法

当采用离心机法测定土壤水分特征曲线时，离心机转速增大会实现水分和土壤颗粒的分离，导致土壤的容重增大，改变土壤的孔隙度和土壤孔隙分布，导致饱和含水率减小，从而影响土壤水分特征曲线的走势。为了减小土壤容重对试验结果造成的影响，本文分别采用Van-Genuchten模型和Gardner模型拟合试验数据。

(1)Van-Genuchten模型的具体表达形式见式(1)：

(1)

式中：θr和θs分别为残留含水率和饱和含水率,cm3/cm3；h为负压即水吸力值,cm；α、m、n为经验拟合参数，其中m=1-1/n；α为与土壤初始排水有关的参数，在数值上等于进气压力值的倒数，n、m决定特征曲线的形状。

(2)Gardner模型的表达形式见式(2)：

S=aθ-b

(2)

式中：S是土壤水吸力；a、b为拟合参数，其中a值与土壤蓄水能力有关，b值与土壤水分特征曲线的斜率有关。

1.4 数据处理

将试验数据用Excel2013进行处理，计算出不同处理下的吸力值和实测体积含水率。将实测体积含水率与相应的吸力值作为输入值，用Origin拟合曲线，将拟合参数代入Van-Genuchten模型、Gardner模型得到与吸力值对应的拟合土壤含水率，并与实测结果进行比较，直到满足精度要求。

2 结果与分析

2.1 Van-Genuchten模型拟合

通过对比分析5个处理的试验结果可以发现，适量的生物炭施加整体上能够显著提高土壤的含水率，同时可以在一定程度上改善土壤的持水能力。

在土壤中分别施加质量百分数为0、2%、4%、6%、8%的生物炭后，测得土壤水吸力值与含水率之间的关系曲线，然后将实测数据用Van-Genuchten模型进行拟合见表1，得到实测数据和拟合的土壤水分特征曲线如图1所示，图中各点为实测体积含水率，曲线为拟合体积含水率，可见拟合效果较好，实测值与拟合值近于重合，须计算其相关性系数来比较实测值与拟合值的差别。

表1 土壤水分特征曲线Van-Genuchten模型拟合参数

(a)CK处理土壤水分特征曲线

(b)2%处理土壤水分特征曲线

(c)4%处理土壤水分特征曲线

(d)6%处理土壤水分特征曲线

(e)8%处理土壤水分特征曲线图1 土壤水分特征曲线及VG模型拟合情况

由表1可知，4条拟合曲线的相关性系数>0.98，1条拟合曲线相关性系数>0.80。由此，可以看出Van-Genuchten模型参数的拟合度满足要求，因而可以用该模型中参数的含义来解释土壤水分特征曲线变化规律。

2.2 Gardner模型拟合

将数据由Gardner模型拟合得到如图2所示的曲线，图中各点表示实测数据，曲线为拟合结果，各点与曲线基本重合。

(a)CK处理土壤水分特征曲线

(b)2%处理土壤水分特征曲线

(c)4%处理土壤水分特征曲线

(d)6%处理土壤水分特征曲线

(e)8%处理土壤水分特征曲线图2 土壤水分特征曲线及Gardner模型拟合情况

Gardner模型拟合的相关系数(如表2所示)均>0.99，说明模型拟合度较高，可描述土壤水分特征曲线的变化规律。

表2 土壤水分特征曲线Gardner模型拟合参数

2.3 定量分析

确定模型满足本试验所需精度后，做以下分析：

(1)定量分析处理T1、T2、T3、T4与CK试验结果。不同处理下的土壤浸水饱和后，测得其体积含水率数据结果如图3所示，由图可知，各处理CK、T1、T2、T3、T4组分别在水吸力为63.1 cm、67.07 cm、31.55 cm、31.14 cm和147.59 cm时达到田间持水量，且田间持水量随着生物炭施加量的增大而增大。因此施加生物炭整体上能提高土壤的持水能力。

图3 生物炭含量与田间持水量关系

(2)施加不同比例生物炭后的土壤水分特征曲线变化趋势。分析模型拟合得到的各炭土比例(分别为0、2%、4%、6%、8%)下的曲线，如图4所示。当土壤的吸力值<1000 cm时，各处理下的土壤水分特征曲线斜率均较大且分布密集；当土壤吸力值>1000 cm后，曲线斜率有显著的减小趋势，各处理的曲线变得平缓，说明模型中的θr值即土壤的残留含水率在逐渐减小，导致土壤中无效水分含量在减少。

图4 拟合土壤水分特征曲线

由图4可以看出，在某一特定吸力范围内时，不同炭土比例的体积含水率呈现不同的变化趋势，结果如图5所示。当吸力值<600 cm时，如图5(a)、图5(b)所示，土壤体积含水率随炭土比的增加呈现先增大后减小再增大的趋势，炭土比为2%和8%时的体积含水率均可达到最大值，当吸力值为527 cm时分别为26.2%和25.4%。比例为4%的土壤体积含水率在吸力值为527 cm时达到最小值23.8%，且最小值<无炭处理的体积含水率25.7%。

当吸力值逐渐增大后(吸力值>600 cm)，如图5(c)～图5(f)所示，土壤体积含水率随炭土比的施加形成两次波峰，即T1、T3处理。当炭土比例为6%时，土壤存在最大体积含水率，当吸力值为716.4 cm时，体积含水率为24.4%；炭土比为8%时，土壤体积含水率最小，当吸力值为716.4 cm时，体积含水率为22.8%，但仅T1、T3处理下的土壤体积含水率高于供试土壤，说明一定吸力下，生物炭的施加量为2%和6%时能显著提高土壤的持水能力。

(a)吸力为381 cm时的含水率

(b)吸力为527 cm时的含水率

(c)吸力为966 cm时的含水率

(d)吸力为1636 cm时的含水率

(e)吸力为2502 cm时的含水率

(f)吸力为4151 cm时的含水率图5 含水率与炭土比的变化规律

3 讨 论

目前，生物炭在农业中的作用已经得到国内外许多专家学者的认可[13-16]，国内关于生物炭对土壤水分特征曲线影响的研究较少，现有研究大多针对土壤水分参数等，没有直观的描述出生物炭对土壤水分特征曲线的影响规律。本次试验旨在定量描述生物炭比例对土壤水分特征曲线的作用。

土壤水分特征曲线与土壤本身的机械组成有很大关系，本试验所取的土壤属于较普遍的黄棕壤，能代表本区域农业中所使用的土壤，对于其他类型的土壤，可能与本试验不同。研究得到，在吸力值>600 cm时，添加生物炭会导致土壤的体积含水率显著减小，说明土壤的残余含水量θr逐渐减小，即土壤中的无效水在减少，这与相关研究结果一致[13]。这可能是由于生物炭的施加导致了土壤结构在组成上的变化，同时减小了容重也增加了孔隙度，导致土壤的持水性能提升。同时由于试验中的主客观因素，例如：所取土壤成分不够稳定，施加生物炭与土壤的搅拌不够充分等，会使得本试验存在一定的误差。

试验结果表明，土壤水分特征曲线与生物炭的施加量存在非线性变化的规律，炭土比为6%时出现最大体积含水率，炭土比为8%时出现最小体积含水率。因此，可以推断在土壤水吸力一定时，存在着一个最优炭土比，其土壤体积含水率最大。因此，寻找最优炭土比可以作为进一步研究内容，深入探究适宜该地区的最优生物炭施加量，为当地的农业生产和水资源高效利用提供基础数据。

4 结 论

生物炭的施加可以影响土壤水分特征曲线，不同水吸力下，不同比例生物炭的作用效果不同。吸力值<600 cm时，施加2%和8%的生物炭可以减小土壤容重，增加土壤总孔隙度，显著提高土壤的体积含水率和持水能力；吸力值>600 cm时，施加2%和6%的生物炭可以显著提高土壤持水能力。

本文旨在提高宜昌地区的水土资源利用效率，仅探究生物炭的不同施加量对土壤水分特征曲线的影响情况，对影响曲线变化的原因以及生物炭的最优配比可作进一步研究。