生物质炭对华南典型红壤水分渗透及持水性的影响

2019-04-09杜衍红蒋恩臣刘传平王向琴袁雨珍

生态环境学报 2019年2期

杜衍红，蒋恩臣，刘传平，王向琴，袁雨珍

1. 广东省生态环境技术研究所/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东广州 510650；2. 华南农业大学材料与能源学院，广东广州 510642

旱地红壤由第四纪红土发育而来，酸度较高，硬度大，不耐旱，黏粒表面吸附水分和团聚体内所吸持的无效水分占土壤含水量的比重较大，导致其有效水含量较低，保水、保肥性差，土地利用率低，产出率低（刘祖香等，2013），因此，改善红壤的持水能力，提高保水性能，是亟待解决的难题。

生物质炭是生物质原料（稻壳、秸秆、椰壳、蔗渣等）在高温低氧条件下热解得到的固体产物，因其比表面积大，孔隙结构发达，密度低，常被用于土壤改良（房彬等，2014）。已有研究表明，生物质炭能够改良土壤结构从而提高土壤持水性（Dugan et al.，2010；王红兰等，2015），并随着生物质炭添加量的增加，土壤持水性增强（Bouqbis et al.，2018；Günal et al.，2018）。生物质炭能够很大程度地改善土壤的持水能力和供水能力（Glaser et al.，2002），抑制土壤水分蒸发，延长土壤水分释放的时间（文曼等，2012），保持相对潮湿的孔隙状况，在高温、干旱条件下改善土壤水分环境（Amoakwah et al.，2017）。已有报道新鲜生物质炭一般表现出较强的疏水性，能够显著降低土壤水分入渗及初始导水率（Asai et al.，2009；齐瑞鹏等，2014）；随着生物质炭表面氧化及羧基基团增多，生物质炭的亲水性会逐渐增强，其吸水能力和土壤持水量逐渐提高（Cohen-Ofri et al.，2006）。另外，生物质炭的添加能够提高黄土高原典型旱作农田土壤饱和含水量、土壤田间持水量、土壤有效水分含量，但输入水平达到40 t·hm-2后，土壤持水性能趋于稳定（刘小宁等，2017）。也有研究发现，生物质炭在适当的添加比例情况下可以显著增强土壤的持水能力，20%的炭土比保水性优于5%的添加比例（Wong et al.，2017）。土壤持水性与土壤的容重、质地、孔隙结构是密切相关的。刘祖香等（2013）研究表明，容重和孔隙度为旱地红壤水力学特性的主要影响因素，生物质炭加入红壤后，必将改变其容重和孔隙度，红壤水分特征随之改变。然而，有关生物质对红壤水分渗透特性、持水性等水分基本特征的影响规律与机制尚不清楚。

土壤的水分渗透特性通常由水分的入渗率反映，入渗率是指单位时间内通过地表单位面积渗入到土壤的水量，主要受土壤质地、结构、孔隙度、供水强度等因素影响，其总体变化规律为随着入渗时间的推移，入渗率不断降低，最终恒定至一个常数，即稳渗率（白文波等，2009）。土壤水分的保持和运动规律通常由水分特征曲线来反映，是描述土壤水的基质势或土壤水吸力随土壤含水率变化的关系曲线，是土壤质地、结构和孔隙等物理性综合作用的结果，反映了土壤持水的基本特性，体现了土壤质地结构的差异（朱蔚利等，2011）。

为了准确表征各种土壤水分特征曲线的特征，定量地研究土壤的持水能力，土壤物理学界已为之建立了许多数学模型，其中Gardner模型适用于中国国大部分土壤（沈思渊等，1990）。Van Genuchten模型因适用土壤质地范围广，其线型与实测数据的拟合程度高而被广泛应用（Mollinedo et al.，2015）。为了研究生物质炭对红壤的持水特性的影响规律，本研究采用离心机法测定不同压力下，不同生物质炭添加量对红壤持水特性的影响，运用Gardner模型和Van Genuchten方程进行拟合，研究生物质炭对红壤持水性的影响机理，为生物质炭还田及改善红壤保水性能研究提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

红壤采自广东省湛江甘蔗种植基地，基本理化性质见表 1。生物质炭为稻壳炭，利用实验室自制连续热解装置，在500 ℃条件下制备而得，含固定碳约50.8%，灰分物质含量30.7%，挥发分含量约占14.3%。

1.2 土壤渗透性试验

自制土柱渗透装置如图1所示，用1000 mL塑料量筒改制，量筒规格为内径6.8 cm、高30 cm，量筒底部由电烙铁打孔，安装上1 mL移液器枪头，装土之前依次垫上一层滤纸，一层0.074 mm滤网，以防止土粒流失。模拟降雨装置为1 L厌氧瓶和输液管，控制输液管水的滴速约为2.4 mL·min-1。按照炭土比0（CK）、3%（RHC-3）、5%（RHC-5）、10%（RHC-10）将生物质炭与红壤混合均匀，等量装入量筒中，压紧，各处理同时计时开始试验，记录土柱的水分入渗高度、时间、移液器枪头开始滴水的时间，当枪头水滴滴速均匀时，表明此时土壤水分已达到饱和状态，停止滴水和计时，迅速对各处理土柱进行多点取样，并装入已知质量的带孔铝盒中，称取铝盒和土的总质量，于烘箱105 ℃下烘干至恒重，测定质量，计算土壤饱和含水量、水分入渗速率。

表1 红壤和稻壳炭的理化性质Table1 Physicochemical property of the soil and biochar

图1 土柱渗透装置Fig. 1 Osmosis device of soil column

1.3 土壤水分特征曲线描述（SWCC）：离心机法

将经过 500 ℃连续热解的稻壳炭过 0.42 mm筛，与土壤（过0.5 mm筛）充分混匀后，装入不锈钢环刀中，压实，上下加微孔盖，称重。生物质炭与土壤的混合比例为0%、1%、3%、5%、10%，各处理依次记为：W0、W1、W3、W5、W10，将各个处理环刀全部置于蒸馏水中浸泡24 h，吸水饱和过程中水面略低于土壤表面，待土壤吸水饱和后，取出用滤纸拭去表面明水，称重（差值法计算毛管最大持水量）。将环刀装入离心盒中，在恒温25 ℃不同转速（500、1500、2500、4000、5500、6000、7000、7500 r·min-1）下离心 100 min，每次离心后进行称重、记录，当各处理环刀总质量保持稳定（无水分损失）时，即离心力与土壤吸力达到了平衡，用游标卡尺测定土样表面到离心盒（不带盖）盒口的距离，然后根据下式计算离心结束时的土壤吸力（H）（尚熳廷等，2009）：

式中，n为离心机的转速（r·min-1）；r1为基准水面旋转半径（cm），r1=16.1 cm；l为离心机转子中心到离心盒（不带盖）顶端的距离（cm），l=5.7 cm；h′为离心盒（不带盖）顶端到土样表面的距离（cm）。将r1和l代入式（1），得：

待各个处理离心结束后，将土样烘干，称重，计算土壤饱和含水率。

1.4 土壤水分特征曲线Gardner模型

Gardner模型方程为：

式中，ψ为土壤水吸力（kPa）；SWC为土壤持水量；A表征持水能力的大小，A值越大，持水能力越强；B表征土壤水势值变化时，土壤含水量变化的快慢程度，B值越大，变化越快（王孟本等，1999）。

1.5 土壤水分特征曲线Van Genuchten模型

Van Genuchten模型是描述土壤水分特征的具有代表性的经验模型，公式如下：

式中，θ为土壤含水率（%）；ψm为土壤基质势（土壤吸力）；θs、θr分别为土壤饱和含水率（%）和残余含水率（%）；α、m、n分别为土壤水分曲线参数（杜臻杰等，2014；梁晨璟等，2014），一般认为α是进气吸力的倒数，进气值即水分特征曲线接近饱和时拐点的吸力值（kPa）。对于同一种土壤而言，进气吸力越小，α值越大，排水越容易。水分特征曲线的斜率 n或 m反映了土壤的释水速率（m·s-1），主要依赖于土壤基膜的孔隙特性。

1.6 数据处理

运用 SPSS 19.0软件对数据进行了差异性分析，Origin 8.0软件对土壤水分特征曲线单一参数模型和Van-Genuchten模型进行拟合，并计算相关参数值。

2 结果与分析

2.1 稻壳炭对土壤水分入渗特性的影响

由图2可知，不同的生物质炭按照3%、5%、10%的比例与红壤混合后，在同一入渗条件下，均显著降低了红壤水分的入渗率，并且随着生物质炭添加量的增加，水分入渗率持续降低，即炭对水分的渗透抑制作用越明显，越有利于土壤饱和含水量的提高。添加稻壳炭处理同一时刻土壤水分入渗率显著低于对照组；稻壳炭处理的红壤水分入渗率起始阶段表现为：RHC-10＜RHC-5＜RHC-3＜CK，最后入渗率趋于稳定；对照组起始阶段水分入渗率最高，说明红壤水分下渗较快。红壤质地粘重，易板结，持水性差，水分过快入渗，导致水分下渗入土壤底层，不利于作物对水分的吸收，易造成干旱，而生物质炭具有大面积的网状孔隙结构，比表面积大，吸水、吸气能力强，有利于保水保肥（张忠河等，2010），恰好弥补了红壤持水性能差的缺点。生物质炭通过各孔隙吸持固定大量的水分，从而改善红壤的水分条件，调节红壤的水分渗透，增强红壤的持水能力。

图2 稻壳炭对红壤水分入渗率的影响Fig. 2 Effect of rice husk charcoal on water infiltration rate of red soil

2.2 稻壳炭对土壤持水特性的影响

2.2.1 土壤水分特征曲线Gardner方程拟合

采用离心机法测定了不同炭土比土壤自然吸水饱和后，在不同转速（吸力值）下土壤水分平衡后的含水率，利用Gardner模型进行拟合，得到各参数值。如表2所示，各处理模型拟合度较高，模型参数A值随着红壤中稻壳炭添加量的增多呈先增大后降低的趋势，这说明土壤的持水能力随着生物质炭的增加而先增后减，当炭土比为 5%时，A值最大，为空白对照的3倍以上，该处理显著提高了土壤的持水能力。随着生物质炭添加量的增大，B值呈现先增加后减少的趋势，说明土壤持水量的变化呈先快后慢，炭添加量为0－3%时，土壤孔隙度变大，土壤毛管吸力减弱，土壤含水量变化较快，尤其在低吸力段，较小的吸力使得土壤的含水量发生较大变化；当炭添加量为3%－10%，随着炭添加量的明显增多，加上炭本身的比表面积较大，土壤颗粒表面积增大，土壤颗粒表面吸力远大于毛管吸力。因此，高炭量处理主要是炭颗粒表面的分子作用力起作用，土水势的变化引起的土壤含水量变化也随之减弱。

表2 Gardner模型参数值Table 2 Gardner model parameters of water characteristic curve

2.2.2 土壤水分特征曲线Van Genuchten方程拟合

测定不同添加比例稻壳炭土壤在不同吸力条件下土壤水分平衡时的含水率，利用Van Genuchten方程进行拟合，各参数值见表 3，拟合曲线如图 3所示。Van Genuchten模型能够很好地模拟添加生物质炭后红壤水分特征曲线，相关性系数均在0.97以上。添加生物质炭后土壤θs低于对照（不添加生物质炭处理）。添加不同比例的生物质炭处理红壤θs随着生物质炭添加量的增加而先增后减，即添加了生物质炭后，红壤的饱和含水率下降，但是随着生物质炭添加量由1%增至10%，红壤饱和含水率呈先增后减趋势，吸水能力则先升后降，不添加生物质炭处理的α值较大，说明红壤持水力差，容易排水。随着炭土比增加（W3、W5、W10处理），α值降低，说明土壤不易排水，保水性增强；W0、W1和W10处理的释水速率（m）均大于1.1，W3和W5约为1.0，表明3%和5%的生物质炭添加量处理红壤释水速率较慢。

Van Genuchten模型拟合曲线如图3所示。添加不同比例生物质炭后土壤的持水性发生了较大变化。不同添加量处理的土壤水分曲线走向一致，在较低吸力下，质量含水率出现一个急剧下降阶段，之后随着吸力的增强，含水量变化进入平缓区。研究表明（吴文强等，2002；余新晓等，2003），在低吸力段（＜1000 kPa）土壤所能保持或释放出的水量主要取决于土壤质地，大孔毛细管力起主要的吸附作用；中高吸力段主要取决于土壤颗粒的表面吸附作用。在较低吸力段（0－1000 kPa）质量含水率下降速率高于对照组，W0、W1、W3、W5、W10处理质量含水率降幅分别为 25.86%、38.15%、38.27%、36.88%、31.64%，随着炭添加量的增多，下降速率增大，这是因为生物质炭改变了土壤的孔隙结构分布，增加了颗粒间的孔隙度，大孔毛细管力微弱，较小吸力下大孔隙中的水分即可被析出；在1000－6000 kPa吸力段，各处理土壤质量含水率下降速率明显减慢，这阶段主要是土壤颗粒表面吸附力起作用，在同一吸附力作用下，随着生物质炭添加量增加，土壤质量含水率呈增大趋势，生物质炭含量越高，土壤质量含水率越高。在高吸力段（＞6000 kPa），各处理土壤质量含水率变化趋于平缓，添加 10%生物质炭处理土壤质量含水率最高，持水性最好，在高吸力下土壤结构更加紧密，孔隙通道变小，析出水分减少，这一阶段的吸水力来自颗粒表面的吸附力，生物质炭的孔隙结构使其具有比表面积大、容重小、吸附和交换性能强等特征，使得颗粒表面吸附力增强，持水性增强。

表3 水分特征曲线Van Genuchten方程参数Table 3 Van Genuchten parameters of water characteristic curve

图3 土壤水分特征曲线Fig. 3 Water characteristic curve of red soil

2.2.3 稻壳炭-红壤混合物毛管持水量的变化

毛管持水量是毛管上升水达最大量时的土壤含水量，由图4可知，随着稻壳炭添加比例的增加，土壤毛管持水量显著增加，表现为 W10＞W5＞W3＞W1＞W0，表明随着生物质炭添加量的增加，红壤的密度、容重降低，孔隙度增大，毛管导水作用增强，加上生物质炭比表面积大，增加了红壤对水分的吸力和附着力，因此红壤的毛管持水量随着生物质炭添加量增加而不断升高。这有利于红壤对水分的固持，可提高其抗干旱能力。

图4 土壤毛管最大持水量Fig. 4Maximum moisture capacity of red soil

3 讨论

华南地区典型红壤的保水保肥能力较弱，而生物质炭比面积大，阳离子交换能力强，还田后可对土壤的水分特征产生较大影响。一方面，生物质炭通过各孔隙吸持固定大量水分，从而能改善红壤的水分条件，调节红壤的水分渗透，增强红壤的持水能力。另一方面，生物质炭添加至红壤中改变了土壤的团聚体结构，提高了土壤毛管持水量，并且随着生物质炭添加量的增加而不断升高，这也有助于红壤对水分的固持，提高其抗干旱能力。本研究结果与Abel et al.（2013）研究结果一致，生物质炭的添加对土壤的直接影响是降低了土壤容重，增大了土壤孔隙体积，提高了土壤的毛管持水量和饱和含水率。

值得一提的是，生物质炭粒径分布对土壤团聚体、土壤孔隙分布具有显著影响，这也可对土壤的持水能力产生不同的影响（Lim et al.，2016）。当然，土壤质地也是影响土壤水分入渗和水分特征的重要因素，生物质炭添加到不同质地土壤中，对该土壤的持水性的影响也是不同的。研究表明，生物质炭对质地较粗的土壤（砂壤、粉砂壤）持水性影响更大（Villagra-Mendoza et al.，2018；刘小宁，2017）。

本研究主要采用室内土柱模拟试验，对红壤水分条件的改善具有一定理论指导作用。为更接近于实际的红壤水分条件，今后可考虑采用田间试验、原位取土等方式开展深入研究。