生物質(zhì)炭對旱地紅壤理化性狀和水力學(xué)特性的影響

靳澤文, 陳效民, 李秋霞, 靖 彥, 張佳寶, 黃欠如

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095; 2.中國科學(xué)院 南京土壤研究所

土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實驗室, 江蘇 南京 210008; 3.江西紅壤研究所, 江西 進(jìn)賢 331717)

生物質(zhì)炭對旱地紅壤理化性狀和水力學(xué)特性的影響

靳澤文1,2, 陳效民1,2, 李秋霞1, 靖 彥1, 張佳寶2, 黃欠如3

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095; 2.中國科學(xué)院 南京土壤研究所

土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實驗室, 江蘇 南京 210008; 3.江西紅壤研究所, 江西 進(jìn)賢 331717)

摘要：[目的] 研究生物質(zhì)炭對旱地紅壤基本理化性質(zhì)及水分特征曲線的影響，為紅壤地區(qū)土壤改良提供依據(jù)。[方法] 分層測定不同生物質(zhì)炭施用量水平下的土樣容重、孔隙度和有機(jī)碳含量，采用原狀土壓力膜法分層測定土壤的水分特征曲線。 [結(jié)果] 施用生物質(zhì)炭能顯著降低土壤的容重，提高土壤的孔隙度及有機(jī)碳含量，且隨著施用量的增加，土壤容重逐漸降低，孔隙度及有機(jī)碳含量逐漸提高；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤飽和含水量、田間持水量和有效水含量逐漸增加，凋萎系數(shù)逐漸減小，施用生物質(zhì)炭30 t/hm2的土壤處理飽和含水量、田間持水量和有效水含量最高；生物質(zhì)炭施用量與土壤飽和含水量、田間持水量和有效水含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與凋萎系數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。[結(jié)論] 施用生物質(zhì)炭能顯著提高紅壤田間持水量和有效水含量。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭; 旱地紅壤; 理化性狀; 水分特征曲線

紅壤是中國熱帶和亞熱帶地區(qū)的地帶性土壤，廣泛分布于長江以南各省區(qū)，是中國重要的土壤資源，在占全國耕地面積28%的紅壤地區(qū)支撐了占全國43%的人口[1]。但是由第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而來的江西旱地紅壤，土壤容重較高，孔隙度較低，有機(jī)碳含量低，質(zhì)地黏重，硬度較大，加之黏粒表面吸附的水分和團(tuán)聚體內(nèi)所吸持的無效水分占土壤含水量的比重較大，導(dǎo)致其有效水含量較低，保水、保肥性較差[2]。土壤水分特征曲線是反映土壤水勢與土壤含水量之間關(guān)系的基本土壤水力參數(shù)，是研究土壤水分入滲、蒸發(fā)、土壤侵蝕及溶質(zhì)運(yùn)移過程的關(guān)鍵[3-4]，可間接地反映土壤孔隙的分布[5]。通過土壤水分特征曲線能了解土壤的持水性、土壤水分的有效性，可應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法對土壤水分運(yùn)動進(jìn)行定量分析[6]。近年來，利用生物質(zhì)炭改良土壤已成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。生物質(zhì)炭(biochar， BC)是作物秸稈等有機(jī)物質(zhì)在限制供氧的條件下加熱而成[7]，其具有偏堿性和疏松多孔的性質(zhì)。有研究[8]表明生物質(zhì)炭不但能補(bǔ)充土壤的有機(jī)物含量同時還能有效地保存水分和養(yǎng)料，提高土壤肥力。本研究選擇不同生物質(zhì)炭施用量下的旱地紅壤，分別研究其基本理化性質(zhì)和水分特征曲線，探討施用生物質(zhì)炭與土壤水分特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，為進(jìn)一步研究生物質(zhì)炭對旱地紅壤基本理化性質(zhì)的影響及水分保持與運(yùn)移、土壤水分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

試驗在江西省進(jìn)賢縣紅壤研究所的旱地紅壤上進(jìn)行，其地理位置為116°20′24″N，28°15′30″E，屬于亞熱帶濕潤氣候，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，無霜期長。年平均氣溫17.5 ℃，年平均無霜期282 d，年平均日照時數(shù)19 00～2 000 h，年降雨量1 587 mm，降雨主要集中在3—6月。供試土壤基本性質(zhì)為：土壤pH值4.54，全氮0.98 g/kg，陽離子交換量15.20 cmol/kg，有效磷13.26 mg/kg，有機(jī)碳7.98 g/kg，全磷0.45 g/kg，總孔隙度53.60%，容重1.23 g/cm3，結(jié)構(gòu)系數(shù)94.16%,，黏粒316.00 g/kg，粉砂粒391.20 g/kg，砂粒292.80 g/kg。

1.2　試驗設(shè)計

生物質(zhì)炭于2011年9月施入，C因素(生物質(zhì)炭)施用量分7個水平，分別為：C00 t/hm2，C12.5 t/hm2，C25 t/hm2，C310 t/hm2，C420 t/hm2，C530 t/hm2，C640 t/hm2；氮磷鉀肥按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施用量施入土壤。各小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列，每個小區(qū)的面積為5 m×4 m=20 m2，每個處理3次重復(fù)。本試驗施用的生物質(zhì)炭來自于河南商丘三利新能源有限公司，原料為小麥秸稈，炭化溫度為350～500 ℃，生物質(zhì)材料35%轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭的pH值為10.35，陽離子交換量為217 cmol/kg，有效磷4.7 g/kg，有機(jī)碳467.1 g/kg，全氮5.9 g/kg，容重0.45 g/cm3，比表面積8.9 m2/g。試驗地一年兩季，為油菜和紅薯輪作，供試油菜為德油5號，紅薯為署薯8號。

1.3　土壤指標(biāo)測定

1.3.1土壤容重、孔隙度和有機(jī)碳含量測定于2014年4月27日，按0—15 cm，15—30 cm分層采集土壤剖面樣品。土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤總孔隙度采用〔(1-容重)/比重×100〕計算；土壤有機(jī)碳的測定采用重鉻酸鉀容量法，測定結(jié)果詳見表1。

1.3.2土壤水分特征曲線測定采用壓力膜儀進(jìn)行測定，按土壤層次用容重圈分別采集C0，C1，C2，C3，C4，C5和C6處理各小區(qū)0—15及15—30 cm土層的樣品，每層采集3個土樣，共42個土樣。試驗前將紗布墊于容重環(huán)下，用橡皮筋固定，飽和24 h，稱得環(huán)刀加紗布及飽和土重，處理完成后置于壓力膜裝置上測定，在0，1×104， 3×104，5×104，1×105，3×105，5×105和1.5×106Pa共8個不同吸力下測定土壤含水量，經(jīng)1.5×106Pa壓力脫水后的土樣置于105 ℃烘箱內(nèi)烘干，冷卻稱重，最后得出在飽和至烘干后及各吸力下的土壤含水量，用各處理含水量及所施加的對應(yīng)吸力記錄土壤水分特征曲線參數(shù)[9]。

1.4　數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析(p<0.05)。

2結(jié)果與分析

2.1　不同生物質(zhì)炭施用量下土壤容重、孔隙度、有機(jī)碳含量變化

表1為各處理容重、孔隙度和有機(jī)碳含量的測定結(jié)果。從表1可以看出，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤容重逐漸降低，孔隙度逐漸增加，這是因為生物質(zhì)炭疏松多孔，比重較小，加入土壤后顯著改變了土壤容重，增加了土壤的孔隙度，其中各處理0—15 cm土層土壤容重降幅較15—30 cm土層大。各處理0—15 cm土層土壤孔隙度增幅較15—30 cm土層高。施用生物質(zhì)炭各處理0—15 cm土層的土壤容重較對照分別降低了2.46%，4.10%，7.38%，10.66%，13.11%和13.93%，C5和C6處理與其他處理相比差異顯著；孔隙度分別提高了2.82%，3.15%，5.71%，9.09%，10.69%和10.78%，C5，C6處理與其他處理相比差異也較為顯著。15—30 cm土層的土壤容重分別降低了1.41%，1.41%，6.34%，6.34%，9.86%和9.86%，孔隙度分別提高了0.26%，0.38%，6.92%，7.24%，10.97%和10.99%，C5和C6處理在容重與孔隙度2個指標(biāo)上與其他處理之間也表現(xiàn)為顯著性差異。

生物質(zhì)炭可以提高土壤有機(jī)碳的含量[10]。土壤有機(jī)碳含量增加可提高土壤的C/N 比，從而提高土壤對氮素及其他養(yǎng)分元素吸持容量[11]。本研究中，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤有機(jī)碳的含量逐漸提高，由于旱地紅壤有機(jī)碳含量較低[12]，因此施加生物質(zhì)炭后有機(jī)碳提高幅度明顯，0—15 cm土層不同處理有機(jī)碳含量分別增加了32.71%，33.18%，48.89%，82.42%，100.69%和158.44%，除C1與C2處理間差異不顯著外，其他各處理間差異均達(dá)到顯著水平；15—30 cm土層不同處理的有機(jī)碳含量分別增加了5.66%，5.83%，21.61%，45.80%，60.89%和150.94%，除C1與C2處理外，其他各處理間差異也達(dá)到了顯著性水平。

2.2　不同生物質(zhì)炭施用量下土壤水分特征曲線狀況

水分特征曲線表示土壤水的能量狀態(tài)與土壤水含量之間的關(guān)系，反映了土壤基本的持水特性。表2為根據(jù)壓力膜法測定的水分特征曲線數(shù)據(jù)，其中飽和含水量、田間持水量和有效水含量等指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉的必要參數(shù)詳見表3。

表1　土壤容重、孔隙度、有機(jī)碳含量測定結(jié)果

注：同列中各數(shù)值后小寫字母不同表示處理間有顯著差異

(p<0.05)。下同。

飽和含水量是指土壤孔隙全部充滿水時的最大含水量，其包括吸濕水、膜狀水、毛管水和重力水。從表3可以看出，在同一土層中土壤的飽和含水量隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而增加，0—15 cm土層各處理相比空白分別提高了2.34%，3.05%，13.02%，14.25%，16.78%和16.57%，在C5水平時飽和含水量達(dá)到最大，相比空白提高了16.78%，這是由于生物質(zhì)炭是一種多孔材料，可以增加土壤的吸水性，且生物質(zhì)炭的表面結(jié)構(gòu)使其具有比表面積大、容重小的特征，與土壤混合改變了土壤原有的孔隙狀況，使其容重降低，提高的土壤孔隙度，增加了土壤對水分的吸持量，且生物質(zhì)炭施用量越大，對土壤孔隙度的影響也就越大，土壤的持水性能改變也越大[13]；除外，生物質(zhì)炭表面極性官能團(tuán)較多，親水性較強(qiáng)，具有較大的水分截留能力，且生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)能夠減小水分的滲濾速度[14]，而C6的飽和含水量有所降低，這可能是由于生物質(zhì)炭表面普遍具有斥水性，當(dāng)其施用量增加時，這種斥水效應(yīng)就更容易表現(xiàn)出來[15]，加之生物質(zhì)炭含量過高會堵塞了部分孔隙[16]，因此，施用量更高的C6處理飽和含水量較C5處理有所降低。同一處理中0—15 cm土層土壤的飽和含水量較15—30 cm土層高，這是因為0—15 cm土層受耕作及施用有機(jī)肥的影響容重較低，孔隙度及有機(jī)碳含量也較高，導(dǎo)致0—15 cm土層飽和含水量較15—30 cm土層高。

田間持水量是指壓力為3.0×104Pa時測得的土壤含水量，是植物有效水的上限，可表示土壤持水能力的高低。C0處理0—15 cm土層的田間持水量最小，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，田間持水量呈現(xiàn)出一種逐漸增大的趨勢，各處理相較空白分別提高了3.44%，4.18%，12.42%，12.77%，28.29%和22.80%，以C5處理的增幅最大，且C5和C6處理的田間持水量顯著高于其他處理。這是因為紅壤具有膨脹性強(qiáng)的特點(diǎn)，添加的生物質(zhì)炭表面積大，顆粒較細(xì)，毛管孔隙豐富，遇水后孔隙內(nèi)表面產(chǎn)生的張力較大，對水的吸持較強(qiáng)。其次，有機(jī)物在裂解為生物質(zhì)炭時，由于內(nèi)部氣態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的生成釋放以及后期溫度升高，生物質(zhì)炭自身內(nèi)部發(fā)生熔陷，會形成孔徑大小不一的微小孔隙[17]，正是這些孔隙的存在，才使生物質(zhì)炭具有良好的保水性能，生物質(zhì)炭施用到土壤中后提高了土壤的有效水含量，且隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤的田間持水量也有所增加。15—30 cm土層呈現(xiàn)出與0—15 cm土層田間持水量隨生物質(zhì)炭施用量升高而增大的相同的趨勢，但兩土層間田間持水量差異不明顯。凋萎系數(shù)是指植物產(chǎn)生永久凋萎時的土壤含水量，在實際操作中一般取1.5×106Pa時的土壤含水量作為凋萎系數(shù)。由表3可以看出，未施生物質(zhì)炭的C0處理土壤凋萎系數(shù)最高，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，0—15 cm及15—30 cm的土壤凋萎系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，各處理與空白相比差異顯著，C5和C6處理土壤凋萎系數(shù)最低，較空白分別降低了15.59%和19.63%。這是由于土壤的凋萎系數(shù)與土壤容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而生物質(zhì)炭本身密度較小，孔隙豐富，因此施入土壤后會使土壤容重降低，從而降低土壤的凋萎系數(shù)。

土壤最大有效水含量是指田間持水量減去凋萎系數(shù)所得的差值，從表3可以看出，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤的有效水含量逐漸增加，0—15 cm土層各處理相比空白分別提高了11.88%，16.27%，42.08%，51.61%，92.18%和84.58%，其中C5處理有效水含量最高。這一方面是因為生物質(zhì)炭的施入提高了田間持水量并且降低有效水含量而使土壤最大有效水含量增加；另一方面生物質(zhì)炭的添加提高了土壤有機(jī)碳的含量，而有機(jī)碳則因含有大量的親水膠體而使土壤對于有效水的吸持能力增加[18]。15—30 cm土層的有效水含量與0—15 cm土層呈現(xiàn)出相同的隨生物質(zhì)炭施用量增加而提高的趨勢，C5處理有效水含量最高，各處理有效水含量均高于空白處理且與空白之間差異顯著，0—15 cm土層各處理較15—30 cm土層對應(yīng)處理的有效水含量要高。

表2　各處理不同吸力下含水量　cm3/cm3

表3　各處理水分特征曲線參數(shù)

向飽和土壤施加壓力，當(dāng)壓力較小時，土壤水尚未排出，土壤含水量維持飽和；當(dāng)壓力增加到一定值的時候，土壤孔隙中的水開始向外排出，該臨界負(fù)壓值成為進(jìn)氣值[19]。參數(shù)a表示土壤進(jìn)氣值的倒數(shù)。參數(shù)a可利用VG模型對土壤水分特征曲線擬合求解得到。由水分特征曲線數(shù)據(jù)可知，0—15 cm土層C0的a值最小即進(jìn)氣值最大，但隨著生物質(zhì)炭施用量增加a值逐漸增大，C6處理a達(dá)到最高，C5，C6處理與空白相比差異顯著，15—30 cm土層呈現(xiàn)出同樣的勢，C6處理的a值最高，其原因可能是由于供試土壤和質(zhì)地較黏重，其進(jìn)氣值較大，未施生物質(zhì)炭的處理質(zhì)地較為黏重故a值最小，而隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，紅壤容重高、質(zhì)地黏重的性質(zhì)得到改善，因此a值逐漸增大，進(jìn)氣值減小。

2.3　生物質(zhì)炭與土壤水分特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

經(jīng)統(tǒng)計分析，生物質(zhì)炭施用量與0—15 cm及15—30 cm土層的土壤飽和含水量均呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為0.888 0和0.943 0)，表明隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，旱地紅壤的飽和含水量增加，這與顏永毫等[20]的研究結(jié)果一致。生物質(zhì)炭施用量與與0—15 cm及15—30 cm土層的土壤田間持水量呈線性極顯著正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為0.980 0和0.958 0)，相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，表明田間持水量隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增加，施用量為30 t/hm2時土壤的田間持水量最高。生物質(zhì)炭施用量與0—15 cm及15—30 cm土層凋萎系數(shù)之間均呈線性極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為-0.979 0和-0.952 0)，表明隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，旱地紅壤凋萎系數(shù)降低，土壤無效水含量減少。與田間持水量相同，生物質(zhì)炭施用量與0—15 cm及15—30 cm土層土壤有效水含量之間呈線性極顯著正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為0.956 0和0.940 0)，相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，表明隨著生物質(zhì)炭施用量增加，土壤有效水含量逐漸增加，當(dāng)施用量達(dá)到30 t/hm2時土壤的有效水含量最高。

3結(jié) 論

(1) 隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，0—15 cm土層及15—30 cm土層容重逐漸降低，土壤孔隙度、土壤有機(jī)碳含量逐漸升高，研究結(jié)果表明生物質(zhì)炭為土壤保水透水以及作物生長提供了良好的條件。

(2) 隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，0—15 cm及15—30 cm土層各處理飽和含水量、田間持水量、有效水含量均逐漸增大，在生物質(zhì)炭施用量達(dá)到30 t/hm2(C5)時達(dá)到最大，當(dāng)施用量達(dá)到40 t/hm2(C6)時各指標(biāo)均有所下降，土壤的凋萎系數(shù)隨著生物質(zhì)炭施用量的增加逐漸減小。

(3) 經(jīng)統(tǒng)計分析，生物質(zhì)炭施用量與0—15 cm及15—30 cm土層土壤飽和含水量、田間持水量和有效水含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與凋萎系數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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Effects of Biochar on Physicochemical Properties and Hydraulic Characteristics in Upland Red Soil

JIN Zewen1,2, CHEN Xiaomin1,2, LI Qiuxia1, JING Yan1, ZHANG Jiabao2, HUANG Qianru3

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing，Jiangsu210095,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilandSustainableAgriculture,InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing,Jiangsu210008,China; 3.JiangxiInstituteofRedSoil,Jinxian,Jiangxi, 331717,China)

Abstract：[Objective] The impacts of biochar on the physicochemical properties and hydraulic characteristics were assessed in order to guide the improving of the red soil at uplands. [Methods] Soil bulk density and porosity were measured for samples of two different layers of undisturbed red soil treated with varying amount of biochar, and curve of soil water characteristics were studied by pressure membrane method. [Results] Application of biochar could significantly decrease bulk density as well as improve porosity and soil organic carbon content. With the increase of application amount, soil bulk density decreased; While porosity and soil carbon content increased gradually. Soil saturation moisture content, field capacity and available water content increased and wilting coefficient decreased with the increasing application of biochar. The saturated moisture content, field capacity and available water content were at their highest when the application biochar was 30 t/hm2. The application amount of biochar was significantly and positively correlated with soil saturation moisture content, field capacity and available water content, and had significant negative correlation with wilting coefficient.[Conclusion] Application of biochar can significantly increase field capacity and available water content of red soil.

Keywords:biochar; upland red soil; physicochemical characters; soil water characteristic curve

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0081-05

中圖分類號：S152.5， S152.7+4

通信作者：陳效民(1957—),男(漢族),江蘇省張家港市人,博士,教授,主要從事水土資源利用與環(huán)境和土壤與環(huán)境物理過程研究。E-mail:xmchen@njau.edu.cn。

收稿日期：2014-09-21修回日期：2014-11-26

資助項目：國家基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展(973)計劃項目“典型地區(qū)農(nóng)田地力定向培育理論與技術(shù)對策”子課題“典型紅壤區(qū)農(nóng)田地力定向培育與提升技術(shù)研究”(2011CB100506); 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實驗室基金項目(0812201208)

第一作者：靳澤文(1990—),男(漢族),山西省太原市人,碩士研究生,研究方向為水土資源利用與管理研究。E-mail:2013103071@njau.edu.cn。