生物炭对和田风沙土水力特性的影响

闫辰啸，洪 明，秦佳豪，傅俊杰，李海军，王 云

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052 )

新疆和田地区位于塔里木盆地南缘[1]，气候干燥、降雨稀少且风沙危害严重，属于典型的干旱荒漠性气候[2]。风沙土是当地农业生产的主要耕地土壤，由于其物理结构差、有机质含量低、水肥易流失等缺陷，制约了该地区耕地面积及农业经济的增长[3]。为此，采取有效措施改善风沙土结构，提高其蓄水保墒能力，是该地区实现农业可持续发展的重要途径。

生物炭输入对土壤性质有多方面的影响[13]，不同时间、空间、土壤质地、生物炭原料及用量等，都会造成生物炭对土壤改良的差异，而有关生物炭对和田风沙土持水性能的影响鲜有报道。本文研究了不同生物炭施入量对风沙土持水性和入渗参数的影响，以期为和田地区风沙土改良提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2020年8月在新疆农业大学水盐运移实验室进行，试验用土取自和田地区和谐新村，取土深度为表层0～20 cm，土壤类型为风沙土，其砂粒、粉粒和粘粒含量分别为66.05%、28.59%和5.36%，将土样在避光条件下自然风干后过2 mm筛备用。生物炭为香梨果木炭，呈粉末状，裂解温度为500℃，裂解时长8 h。

1.2 试验装置

试验装置由马氏瓶和土柱构成，马氏瓶用以提供恒定水头，其截面积为15 cm2，高度为25 cm。土柱由透明有机玻璃制成，其规格为内径5 cm，高20 cm，恒定水头控制为2.70 cm，透水隔板距土柱底3 cm。试验装置见图1。

1.注水口;2.排气阀;3.标尺;4.发泡点;5.进水阀;6.恒定水头;7.土样;8.支架;9.透水隔板;10.出水口1. Water injection port；2. Exhaust valve；3. Scale；4. Foaming point；5. Water inlet valve；6. Constant water head；7. Soil sample；8. Scaffold；9. Permeable partition；10. Water outlet图1 试验装置Fig.1 Test device

1.3 试验方法及原理

1.3.1 试验设计 试验共设置了5个生物炭添加量处理，相对干土样的质量比分别为：CK(0%，对照处理)、T1(4%)、T2(8%)、T3(12%)、T4(16%)，考虑初始含水量的影响，由烘干法测得风沙土和生物炭的初始含水量(质量)分别为1.08%和6.58%，生物炭和风沙土的用量分别由(1)式和(2)式计算得出。根据预装填试验获得生物炭和风沙土的干容重为0.48 g·cm-3和1.60 g·cm-3，在保证土层装填体积一定的情况下，由不同混合比确定各处理土样设计容重，水分常数由环刀法测定，供试土样基本性质见表1。

W1=W×i(1+θ1)

(1)

W2=W(1-i)(1+θ2)

(2)

式中，W为试验土样质量(g)；W1为生物炭的风干质量(g)；W2为风沙土的风干质量(g)；i为生物炭添加比例(%)；θ1为生物炭初始含水量(g·g-1)；θ2为风沙土初始含水量(g·g-1)。

表1 试验土样基本性质

1.3.2 土壤水分特征曲线的测定与拟合 土壤水分特征曲线(SWCC)是土壤含水量与土壤基质吸力的函数，SWCC不仅能够有效反映土壤持水特性，还是获取土壤比水容量和非饱和导水率的重要参数。利用H-1400PF离心机对脱湿过程的SWCC进行测定，试验共设置13个转速，分别为400、700、1 000、1 400、1 700、2 200、3 100、4 400、5 300、6 200、6 900、7 900、8 500 r·min-1，离心时间定为100 min。通过(3)式可将离心转速换算成相应的土壤水吸力，为了更直观地反映低吸力下土壤水分状态，一般用土壤水吸力的对数(PF)来表示，根据下式计算不同转速对应的PF值：

h=z(r-z/2)×1.118×10-5N2

(3)

PF=lgh

(4)

式中，h为土壤水吸力(cm),r为旋转半径(8.6 cm),z为样品杯的高度(2.55 cm),N为转速(r·min-1)。

在对土壤水分特征曲线描述的几种数学模型中，Van Genuchten 模型[14](简称VG模型)由于在不同质地的土壤中普遍表现出较高的拟合精度，且曲线光滑有连续斜率，因而被普遍采用，其表达式为：

(5)

式中，θ为土壤含水量(cm3·cm-3),θr为土壤残余含水量(cm3·cm-3),θs为土壤饱和含水量(cm3·cm-3),h为土壤水吸力(cm),α为土壤进气吸力倒数(cm-1),n和m为控制曲线形状的试验常数，其中m=1-1/n。

1.3.3 土壤当量孔径的计算 当量孔径能够反映土壤的孔隙组成和水分有效性，或称实效孔径。根据茹林公式[15]：

d=3/h

(6)

式中，d为土壤孔隙的当量孔径(mm)。

1.3.4 土壤比水容量的计算 比水容量(C(h))能够反映土壤在单位吸力下所引起的含水量变化，是分析土壤持水及对作物供水难易程度的重要参数。以土壤水吸力为自变量对式(5)求导可得C(h)，即

(7)

式中，C(h)为随土壤水吸力变化的比水容量(cm3·cm-4)。

1.3.5 土壤导水率的确定 饱和导水率(Ks)由定水头法确定，测定Ks时，首先在透水隔板上铺一张滤纸以防止土样流失，为防止土柱壁面优势流产生，将凡士林均匀涂抹于土柱内壁，然后将制备好的土样分层填入土柱，为使层间结合更紧密，每层填土高度控制为3 cm，最后一层为2.5 cm，总填土高度为11.5 cm，最后将装有土样的土柱放入水槽中24 h吸水至饱和。

将饱和的样品与马氏瓶连接，在恒定水头建立后，每次接取30 min的渗出液并称重，重复3次，计算公式：

(8)

(9)

式中，T为渗透液温度(℃)，KT为T℃时土壤的饱和导水率(cm·min-1),V为渗透液体积(cm3),L为土样高度(cm),A为土柱截面积(cm2),t为时间(min),ΔH为水头差(cm),Ks为水温10℃的标准饱和导水率(cm·min-1)。

非饱和土壤导水率(Kθ)采用间接法获得，Mualem模型的数学表达式为：

(10)

式中，Kθ为非饱和土壤导水率(cm·min-1)。

1.3.6 模型精度评价指标 根据统计分析方法对VG模型拟合结果进行评价，通过实测数据与模型预测数据之间比较，使用决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)来分析模型适用性：

(11)

(12)

1.4 数据分析

分析试验数据运用Microsoft Excel 2019和SPSS 26，绘图及VG模型求解采用Matlab R2017b。

2 结果与分析

2.1 生物炭对风沙土水分特征曲线的影响

采用VG模型拟合水分特征曲线如图2。由图可知，经生物炭处理风沙土的SWCC较对照处理均整体上移，并且随着生物炭用量的增加而增大，这种现象在PF=2.0～3.0阶段时表现尤为明显(P<0.05)；在PF<1.8的低吸力阶段，土壤中水分运动主要受孔隙分布特征的影响，饱和土壤依靠大孔隙进行重力排水；在PF=1.5～3.0阶段，土壤含水率出现急剧下降，随着吸力的不断增强，含水量变化逐渐进入残留区[16]。在PF=3.0～3.8阶段，各处理土壤含水量下降速度有所减缓，这是由于表面吸附力在风沙土和生物炭颗粒中起主要作用，从而使等量的水分释放消耗的能量更多；在PF>3.8的强吸力阶段，土壤水分保持受吸附作用的影响越来越大，受孔隙结构因素的影响逐渐变小，各处理在相同吸力下的含水量变化减小。整个脱湿过程，T1、T2、T3和T4处理较CK处理的持水能力分别增加2.96%、4.28%、5.11%和4.79%，这是由于生物炭、土壤颗粒以及有机质亚分子之间存在的范德华力使颗粒吸附力增强，从而使生物炭增强了风沙土的持水性[17],且土壤持水能力随着生物炭添加量的增加呈先增大后减小趋势，对风沙土持水特性提升最大的是T3处理。

图2 不同生物炭含量下风沙土土壤水分特征曲线Fig.2 Soil water characteristic curve of aeolian sandysoil with different biochar content

不同生物炭处理风沙土的SWCC的参数拟合与模型验证结果见表2。从拟合程度来看，调整后R2均大于0.9978，RMSE均小于0.0054，表明模型参数迭代初始值选择较好，模型精度较高。为了定量研究生物炭对风沙土SWCC的影响，需要进一步分析VG模型拟合参数。T1～T4处理α值随生物炭用量的增加而缓慢增加，但其均值较CK处理下降了17.92%，T1处理下降最多，为23.75%；n可以反映SWCC逼近残余含水量的快慢[18]，调整参数发现n在PF=3.0～3.8阶段对曲线斜率的影响最敏感，在脱湿曲线中，n值的变化更能反映风沙土在此阶段的释水速率。各处理n值随生物炭用量的增加先增大后减少，仅在T1时比CK高4.58%，总体呈下降趋势，平均降幅为4.84%，T4处理降低最多，为12.48%，说明T1处理较CK处理释水速率有所增加，T1～T4处理释水速率随着生物炭施入量的增加而减小。

表2 土壤水分特征曲线VG模型拟合参数

2.2 生物炭对风沙土有效水含量的影响

土壤水分常数不仅可以通过试验直接获取，也可根据SWCC求得。根据已有研究，通常以PF=1.80～2.52时的土壤含水量为田间持水量(FC)，PF=4.18时的土壤含水量为萎蔫系数(PWP)[19-20]。根据环刀试验测定数据与SWCC比较，本试验统一将PF=1.80土壤水吸力下的含水量定为FC，据此分别计算出全有效含水量(PF=1.80～4.18)、速效含水量(PF=1.80～3.80)[21]、迟效含水量(PF=3.80～4.18)与无效含水量(PF>4.18)在各处理中所占土壤水分总量的比例。

由表3可知，各处理田间持水量(FC)均表现为随生物炭添加比的增加而增大，FC从CK处理的19.42%增加到T4处理的30.64%，平均增加了8.34%。PWP从CK处理的1.27%增加到T4处理的5.01%，平均增加了2.25%。生物炭对风沙土有效水分含量产生了较大的影响，T1～T4处理的有效含水量均显著大于未施用生物炭的CK处理，并随生物炭用量的增加而增加。施用生物炭使风沙土的全有效含水量平均增加了6.09%，T4处理较CK处理增加最多，为7.48%，但T3和T4处理的全有效含水量没有明显差异。土壤有效水的绝对含量(速效水占全有效水的含量)在CK、T1、T2、T3、T4处理中分别为96.40%、96.87%、96.27%、95.64%、94.46%，这表明随生物炭添加比的提升，迟效水增长的速率略大于速效水。根据该规律拟合表明，土壤有效水的绝对含量与生物炭用量有较好的二次函数关系，其关系式为y=-1.4965x2+0.1117x+0.9647(其中y为各处理有效水的绝对含量，x为生物炭添加量，g·g-1)，R2=0.9825。迟效含水量在不同处理中占比最小，且随生物炭添加比的递增而增大。总之，生物炭作为改良剂掺入风沙土后，改善了土壤的有效水分含量，增强了土壤的水分保持能力，进而为植物生长提供更多的水分。

表3 生物炭对风沙土有效水分的影响

2.3 生物炭对风沙土当量孔径的影响

当量孔径在分析生物炭对风沙土持水特性的影响机理中具有重要意义。根据SWCC由(6)式可以得到d与θ的关系，而当量孔径分布比实际上是指d1≥d≥d2时对应土壤含水量的差值。根据土壤中孔隙特性，可将当量孔径主要分为三级，即通气孔隙d≥0.06 mm、毛管孔隙0.06 mm>d≥0.002 mm、非活性孔隙d<0.002 mm[15]，各处理不同当量孔径占比见表4。

由表4可知，T1～T4处理通气孔隙较对照组显著降低，而毛管孔隙和非活性孔隙较对照组均有显著提升，通气孔隙平均降低了1.84%，毛管孔隙和非活性孔隙分别平均提高4.77%、3.55%。d≥0.060 mm时，T3较CK的通气孔隙降低最多，为2.34%，但T3和T4并无显著性差异，说明加入生物炭能够有效减少风沙土的大孔隙数量，从而提升风沙土的持水性能；d介于0.060～0.002 mm时，毛管孔隙随着生物炭施用量的增加而先增大后减小，T3较CK的毛管孔隙提升最多，为5.61%。根据该规律拟合二次函数关系式为y=-457.54x2+99.146x+19.086(其中，y为各处理毛管孔隙比，x为生物炭添加量(g·g-1))，R2=0.9499，这也使2.2节中速效含水量与生物炭添加量的变化规律得到进一步印证。d<0.002 mm时，T4较CK的非活性孔隙提升最多，为6.20%，生物炭的添加量与非活性孔隙的提升呈线性关系，其关系式为y=37.895x+2.9721，R2=0.9833(其中，y为各处理非活性孔隙比，x为生物炭添加量(g·g-1))，这也解释了SWCC在高吸力段土壤含水量随生物炭添加量的增加而升高的关系。

表4 生物炭对风沙土当量孔径分布比的影响/%

毛管孔隙对土壤有效水含量的影响起主导作用，在本研究中，不同处理毛管孔隙中的有效水含量占全有效水含量的81.60%～92.17%，试验条件下生物炭的掺入显著增大了风沙土毛管孔隙的比例，说明生物炭有效改善了风沙土的孔径分布。

2.4 生物炭对风沙土比水容量的影响

图3为不同生物炭添加量处理下风沙土比水容量与土壤水吸力的关系。由于采用对数坐标，在PF<1.8阶段，CK处理的比水容量均值处于最高水平，说明未添加生物炭的风沙土较生物炭处理的风沙土更容易排出重力水；此后，CK处理的比水容量随着土壤水吸力的增加而迅速下降，在PF=2.0时降为最低，各处理比水容量表现为T1>T2>T3>T4>CK；在PF=2.0～2.5阶段，各处理的比水容量有较大的变化，直到PF=2.5时各处理比水容量呈现最终排列状态，其关系依次为T4>T3>T2>T1>CK；在PF=1.8～3.8阶段，根据计算发现各处理比水容量均值为T3>T4>T2>T1>CK，这说明生物炭能使风沙土有效水供应能力增强，在此阶段T3处理以速效水为主的土壤水分较其他处理更容易释放，植物获取相同速效水所需要的灌溉水量最少。可见，生物炭施入风沙土中能够减少重力水的排出，使更多的水分存留于土壤中，可减小风沙土中由降雨或灌溉补给水分的深层渗漏，提升风沙土中植物根系层的储水量。

图3 生物炭对风沙土比水容量的影响Fig.3 Effect of biochar on the specific watercapacity of aeolian sandy soil

2.5 生物炭对风沙土导水率的影响

土壤饱和导水率随生物炭添加量的增加而显著降低(图4)，当生物炭增加时，会降低水在饱和土壤中的运移速度，改变土壤入渗特性。添加生物炭的风沙土较CK处理饱和导水率下降了70.84%～91.95%，并且各处理间均有显著性差异。

图4 生物炭对风沙土饱和导水率的影响Fig.4 Effect of biochar on saturated hydraulicconductivity of aeolian sandy soil

非饱和导水率(Kθ)是土壤水分动态参数，其受含水率、土壤容重及孔隙分布特征等因素的共同影响，对风沙土而言，当孔隙度小、容重小、有机质含量高时，Kθ往往趋向于减小。图5为不同处理下非饱和导水率与体积含水量和土壤水吸力之间的关系。在相同的含水量条件下，非饱和导水率与生物炭添加量成反比，即CK>T1>T2>T3>T4，且不同处理的差异性均达到显著水平。不同处理的非饱和导

图5 生物炭对风沙土非饱和导水率的影响Fig.5 Effect of biochar on unsaturated hydraulic conductivity of aeolian sandy soil

水率随土壤水吸力的增加有明显的变化，在PF≤3.0时，各处理非饱和导水率为CK>T1>T2>T3>T4；当PF>3.0时，不同处理非饱和导水率的关系逐渐发展为T3>T4>CK>T2>T1，这是由于在相同土壤水吸力条件下含水量相差过大导致T3和T4处理的非饱和导水率大于CK处理。

3 讨 论

研究水分运移和土壤水分分布的重要参数有土壤(饱和、非饱和)导水率、土壤孔隙分布、土壤水分特征曲线及比水容量等，这些参数能反映出土壤持水特征、水分有效性、渗透速度及供水能力，它们的差异是由土壤结构、质地及有机质含量等多重因素共同作用的结果。本研究通过在风沙土中加入不同比例的生物炭开展室内土柱和环刀试验，探明不同生物炭添加量对和田风沙土水动力学参数和水分常数的影响。

本研究发现，添加生物炭导致风沙土通气孔隙所占比例减少，毛管孔隙和非活性孔隙所占比例增加，这可能是由于生物炭机械强度较低，易破碎成微小的黏粒，添补了风沙土中相对较大的孔隙，从而减小了风沙土中大孔隙的占比，增大了有效孔隙与微小孔隙的占比。比水容量能够衡量土壤对植物提供水分和其自身持水量的强弱，在本研究中生物炭能够降低风沙土重力排水阶段的比水容量，增加有效水阶段的比水容量，对作物生长及土壤水分调控产生积极影响，这与魏永霞等[22]的研究结论一致。研究土壤水分运移的关键参数是饱和导水率及非饱和导水率，本研究表明风沙土的导水率随着生物炭含量的增加而明显降低，这与Ajayi等[23]在细砂中添加生物炭的结论一致。Obia等[24]认为生物炭对沙质壤土饱和导水率的影响表现为随其添加比例的递增而降低，对壤土细砂的抗渗透性却没有显著影响，这种现象与生物炭的粒径无关。风沙土饱和导水率的降低可能是受到生物炭具有较大比表面积的影响，通过增加土壤微孔率而改变了土壤结构引起土壤聚集而导致的。

施用生物炭后对风沙土SWCC各参数均有显著影响，对参数θr和θs有增大的效果，对参数α呈先减小后随生物炭含量的增加而缓慢增加，对参数n表现为先增大到T1最大值，后随生物炭含量的增加而减小，这与于博等[25]研究结果一致。在相同土壤水吸力下，T1、T2、T3、T4的SWCC均位于CK上方，由于生物炭是一种拥有巨大比表面积与电荷密度的多孔结构有机物，与风沙土结合后改善了土壤中的团粒结构，极大地增强了土壤颗粒对水分子的吸附能力，在颗粒间形成了较厚的水膜，使土壤孔隙中更多的重力水转变为毛管水及束缚水，从而增强了土壤整体的持水性。近年来，关于生物炭对土壤有效含水量的影响，国内外学者得出的结论多不相同。本研究发现，在土壤水分特征曲线中FC和PWP确定的土壤有效含水量随生物炭添加量的增加而明显增加，这与Cornelissen等[26]在5种土壤中添加玉米芯生物炭能够有效增大作物可利用水的结论一致，但与Burrell等[27]在砂土中添加木质生物炭未显著改变有效水含量的结论相反。这是因为生物炭原料、加工参数及制备工艺不同导致生物炭特性的差异，生物炭稳定性受到原料的显著影响，制备工艺的不同会直接影响生物炭的得率，裂解温度的升高会提高生物炭原子结构的有序性以及增强其化学稳定性，升温速率会影响生物炭的比表面积和孔隙率，升温速率越快生物炭的比表面积越大，孔隙率越小，而裂解时间的长短对生物炭有机质含量有较大的影响。尽管目前国内外学者对生物炭在污染防治、土壤改良和大气循环等方面展开了大量研究，但对生物炭自身特性与功能间关联的研究仍相对缺乏，因而推进生物炭装备与技术的现代化，制定相应的规范及标准显得极其重要。

在本研究中，风沙土达到最高有效水含量和毛管孔隙比所消耗生物炭的量巨大。以T3处理12%的生物炭用量为例，应用于大田中，相当于在风沙土表层20 cm的土壤中添加的生物炭将达到384 t·hm-2。大量的生物炭远远超出了小型农户的经济承受能力，然而，结合和田设施农业大棚，如果可以将生物炭聚集在作物的根部区域，不但能使农业废弃物变废为宝，而且还能根据现有的种植模式至少将生物炭用量减少50%以上。这既实现了资源可持续利用，又提高了经济效益，使生物炭改良和田风沙土成为可能。

4 结 论

本文以不同生物炭添加量的风沙土为研究对象，通过室内试验分析了生物炭对风沙土持水特性、入渗参数和释水过程的影响，得出以下结论：

1)生物炭对风沙土土壤水分特征曲线随土壤水吸力变化的规律没有显著影响，与CK处理相比，经生物炭改良后的风沙土持水能力增加了2.96%～4.79%，有效含水量增加了3.64%～7.48%，毛管孔隙增加了4.25%～5.61%，饱和导水率降低了70.84%～91.95%。

2)在对作物生长最有利的速效水范围内，供水能力最强的是T3处理。生物炭的加入导致风沙土的入渗能力显著降低，在相同土壤剖面含水量下，入渗速率最低的为T4处理。

本研究立足于利用生物炭改良和田风沙土，解决其蓄水量少、渗漏速度快等缺陷。通过定量分析发现，在12%和16%的生物炭施用比例下，土壤持水特性、土壤水分常数、土壤水分有效性及土壤毛管孔隙占比均未表现出明显差异，只在土壤饱和导水率中表现出随生物炭含量增加而明显下降的现象。因此，从改善土壤持水性的角度出发，建议和田风沙土适宜的生物炭施用量为12%。