生物炭對(duì)黃綿土水分入滲和持水性能的影響

解 倩，王麗梅，齊瑞鵬，王彤彤，鄭紀(jì)勇,

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100；2.黑龍江倍豐農(nóng)資集團(tuán)，哈爾濱 150000；3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

生物炭對(duì)黃綿土水分入滲和持水性能的影響

解 倩1，王麗梅1，齊瑞鵬2，王彤彤1，鄭紀(jì)勇1,3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100；2.黑龍江倍豐農(nóng)資集團(tuán)，哈爾濱 150000；3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

基于室內(nèi)一維土柱入滲試驗(yàn)，定容重條件下研究了生物炭粒徑（1— 2 mm和≤0.25 mm）和添加量（10 g·kg-1、50 g·kg-1、100 g·kg-1和150 g·kg-1）對(duì)擾動(dòng)黃綿土的水分入滲過(guò)程及持水能力的影響。結(jié)果表明：生物炭明顯降低了黃綿土的入滲能力，黃綿土的濕潤(rùn)鋒深度與累積入滲量隨著生物炭添加量的增加而降低，且小粒徑生物炭對(duì)黃綿土入滲能力的降低作用強(qiáng)于大粒徑；生物炭明顯增加了黃綿土的持水能力，且隨添加量增大而增大，小粒徑生物炭的促進(jìn)作用優(yōu)于大粒徑；添加生物炭后黃綿土濕潤(rùn)鋒深度與時(shí)間關(guān)系可用冪函數(shù)描述；Kostiakov、Philip、Horton入滲模型均能較好模擬生物炭添加后黃綿土累積入滲量隨時(shí)間變化，其中，Kostiakov模型擬合精度更高；van Genuchten公式可以用來(lái)描述添加生物炭后黃綿土持水特征。該研究結(jié)果為添加生物炭后的黃綿土適宜性評(píng)價(jià)提供了土壤水分方面的參考依據(jù)。

黃綿土；生物炭；累積入滲量；濕潤(rùn)鋒；持水能力

生物炭又稱生物質(zhì)炭（劉玉學(xué)等，2009；張文玲等，2009）或生物焦（羅凱等，2007），是指生物質(zhì)（如：木材、作物秸稈或其他農(nóng)作物廢物）在厭氧或者無(wú)氧的條件下進(jìn)行熱解，生成的含有豐富空隙、含碳量高以及具有高熱值而無(wú)污染的固體生物燃料（Lehmann and Joseph，2009）。生物炭以其良好的孔隙結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，廣泛的材料來(lái)源和廣闊的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景，成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)、能源與環(huán)境等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)（陳溫福等，2013）。對(duì)生物炭研究的重視源于對(duì)巴西亞馬遜河流域中部黑土的認(rèn)識(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，富含木炭的土壤比臨近的無(wú)木炭土壤具有更高的肥力和良好的物理特性（Chan et al，2007），且其在土壤中保存已有數(shù)百年甚至上千年的歷史。有研究表明，生物炭可以提高土壤保水保肥能力、改善土壤理化性質(zhì)、凈化與吸收土壤污染物、減少溫室氣體排放、提高作物產(chǎn)量等（Lehmann et al，2003；Whitman et al，2009）。土壤累積入滲量、土壤水分特征曲線等參數(shù)是表征土壤水動(dòng)力學(xué)特征的重要指標(biāo)，可反映土壤孔隙大小、導(dǎo)水性能和土壤水入滲性能等（雷志棟等，1988）。土壤水動(dòng)力學(xué)的研究不僅有助于促進(jìn)土壤非飽和帶水分遷移過(guò)程理論發(fā)展，而且可為綜合評(píng)價(jià)地表、地下水資源，合理確定農(nóng)田灌溉技術(shù)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)（李雪轉(zhuǎn)和樊貴盛，2006）。Glaser et al（2002）在田間條件下研究認(rèn)為，加入生物炭土壤的持水性能比周?chē)醇由锾客寥赖某炙阅茉黾恿酥辽?8%。但也有學(xué)者認(rèn)為加入土壤的生物炭如果過(guò)細(xì)，也有可能因?yàn)榧?xì)小生物炭顆粒堵塞土壤孔隙而導(dǎo)致土壤入滲性能下降（Doerr et al，2000）。還有研究表明，隨生物炭添加量增加，土壤含水量逐漸提高，但在生物炭添加量繼續(xù)增多時(shí)，含水量又會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。Dugan et al（2011）發(fā)現(xiàn)土壤添加5 t·hm-2、10 t·hm-2的玉米秸稈生物炭時(shí)，田間持水量均有顯著增加，而15 t·hm-2添加量下的田間持水量增加幅度卻有明顯下降，原因可能是生物炭表面普遍具有斥水性，當(dāng)其添加量增加時(shí)，這種水分排斥效應(yīng)就更易表現(xiàn)出來(lái)。目前，生物炭對(duì)土壤水分或土壤水文過(guò)程的影響還僅停留在田間持水量方面，而對(duì)土壤水分入滲過(guò)程、持水能力及動(dòng)態(tài)變化方面的研究相對(duì)缺乏。

黃土高原陜北地區(qū)大部分土壤質(zhì)地疏松，保水保肥性較差，使得該區(qū)域水土流失極為嚴(yán)重，土壤的干旱與貧瘠是限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素（山侖，2012），若將吸水保肥性極強(qiáng)的生物炭加入該質(zhì)地土壤，勢(shì)必對(duì)該區(qū)域土壤持水保肥性有顯著影響。且近年來(lái)，將生物炭農(nóng)用作為土壤改良劑、肥料緩釋載體以及碳封存劑備受關(guān)注（Lehmann et al，2006；Steiner et al，2008；Kimetu et al，2010），生物炭的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了一種新途徑和新方法。因此，本文通過(guò)室內(nèi)模擬方法，系統(tǒng)研究了生物炭不同粒徑和添加量對(duì)半干旱地區(qū)典型土壤黃綿土水分入滲過(guò)程和持水能力的影響，并進(jìn)行了模型模擬，擬為生物炭在改善黃綿土理化性質(zhì)、提高土壤保水保肥性能及減輕黃土高原水土流失等方面提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

黃綿土采自陜西安塞生態(tài)試驗(yàn)站試驗(yàn)田，采用S型采樣方法，利用小土鏟取5個(gè)土樣，土壤采樣深度均為0—20 cm。樣品采集后將土壤雜物去除，避光條件下自然風(fēng)干，過(guò)2 mm篩備用，并在取土點(diǎn)附近利用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)3次。土壤風(fēng)干后過(guò)1 mm篩，利用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的MS-2000激光粒度分析儀，測(cè)定土壤機(jī)械組成（黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）。土壤基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤的基本物理性質(zhì)Tab.1 Physical property of experimental soil

1.2 供試生物炭

試驗(yàn)用生物炭為雜木黑炭（楊樹(shù)、棗樹(shù)、槐樹(shù)等），碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%，由陜西億鑫生物能源科技開(kāi)發(fā)有限公司提供。將生物炭粉碎過(guò)篩，制備1—2 mm和≤0.25 mm 2種粒徑備用，生物炭的電鏡結(jié)構(gòu)如圖1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)置和方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)置

將1—2 mm和≤0.25 mm 兩種粒徑生物炭，按照0 g·kg-1、10 g·kg-1、50 g·kg-1、100 g·kg-1、150 g·kg-1的添加劑量，與土壤混合均勻，其中0為不添加生物炭的對(duì)照處理（CK）。

1.3.2 土壤入滲的測(cè)定方法

裝柱容器為內(nèi)徑5 cm、高35 cm的透明聚氯乙烯（polyvinyl chloride resin，PVC）圓柱。裝土前底部用幾層細(xì)紗布封口，防止土樣顆粒流失，管壁均勻涂抹一薄層凡士林，以減少管壁對(duì)入滲產(chǎn)生影響。為使室內(nèi)模擬條件下試驗(yàn)結(jié)果具有更高的參考價(jià)值，將各處理分別按田間實(shí)際容重設(shè)定容重，分層均勻裝入土柱（總高度控制在30 cm），每次填土必須保證土壤表面打毛，再進(jìn)行填裝，以保證土層之間接觸緊密，每個(gè)處理重復(fù)3次。將土柱容器垂直固定在鐵架臺(tái)上，調(diào)整馬氏瓶發(fā)泡點(diǎn)高度，使橡皮管口與土柱表面在同一水平面上，水頭高度均控制為3 cm。打開(kāi)閥門(mén)，待濕潤(rùn)鋒通過(guò)土壤表面時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，連續(xù)記錄時(shí)間，相應(yīng)的濕潤(rùn)鋒運(yùn)動(dòng)深度和入滲量，當(dāng)濕潤(rùn)鋒超過(guò)土柱3/4后停止供水。

圖1 雜木生物炭的電鏡掃描圖Fig.1 Microstructure of biochar by SEM

1.3.3 土壤水分特征曲線的測(cè)定方法

按照設(shè)定容重分層均勻裝入體積為100 cm3的環(huán)刀中，浸水飽和12 h。然后放入高速冷凍離心機(jī)中（CR-21G，日本HITACHI公司），根據(jù)設(shè)計(jì)壓力設(shè)定離心機(jī)轉(zhuǎn)速，加壓范圍為10 —1000 kPa，分別為10 kPa、20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、600 kPa、800 kPa、1000 kPa。每個(gè)壓力下土樣達(dá)到平衡后，取出稱質(zhì)量。全部離心結(jié)束，取土在105℃下烘干，計(jì)算不同吸力下的土壤體積含水率。

1.3.4 濕潤(rùn)鋒深度與入滲時(shí)間的擬合方法

為充分了解生物炭添加量和粒徑對(duì)黃綿土濕潤(rùn)鋒動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，根據(jù)曲線變化趨勢(shì)，用冪函數(shù)對(duì)濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間的變化過(guò)程進(jìn)行擬合，公式為：

式中：A和B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，無(wú)實(shí)際物理意義。其中A在數(shù)值上等于時(shí)間為1 h濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離，B可表征濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度的衰減程度。

1.3.5 入滲模型

Kostiakov入滲公式：

式中：K和n取決于土壤及入滲初始條件的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，無(wú)實(shí)際物理意義。

Philip方程：

式中：I(t)為累積入滲量（cm）；S為吸滲率（cm·min-0.5）；A為穩(wěn)滲率（cm·min-1）。

霍頓（Horton）公式：

式中：a是穩(wěn)定入滲率；b是初始入滲率；t是時(shí)間；c是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

1.3.6 土壤水分特征曲線的擬合方法

采用van Genuchten方程作為土壤水分特征曲線的表達(dá)式，利用美國(guó)國(guó)家鹽改中心（US Salinity Laboratory）提供的RETC軟件對(duì)方程中的5 個(gè)參數(shù)，即θs、θr、m、n、α進(jìn)行分析求解。其表達(dá)式如下：

式中：θs為飽和土壤含水率，%；θr為滯留土壤含水率，%；h為土壤水吸力，cm；α為進(jìn)氣吸力的倒數(shù)，m、n是土壤孔隙尺寸分布參數(shù)，且m= 1-1/n，α、m、n均是影響土壤水分特征曲線形態(tài)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 RETC 軟件進(jìn)行土壤水分特征曲線擬合，Sigmaplot 12.5和Origin 8.5軟件作圖，SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)黃綿土濕潤(rùn)鋒的影響

2.1.1 生物炭粒徑對(duì)黃綿土濕潤(rùn)鋒運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響

土壤積水入滲后，剖面可分為4 個(gè)區(qū)：飽和區(qū)、過(guò)渡區(qū)、傳導(dǎo)區(qū)以及含水量瞬時(shí)減少到初始值的濕潤(rùn)區(qū)。濕潤(rùn)區(qū)的前端為濕潤(rùn)鋒，可表征水分在土壤基質(zhì)吸力和重力作用下的運(yùn)動(dòng)特征。隨著入滲時(shí)間延長(zhǎng)，濕潤(rùn)鋒深度不斷增加，在入滲初始階段，濕潤(rùn)鋒曲線較陡，隨著時(shí)間的推移，濕潤(rùn)鋒曲線越來(lái)越平緩（圖2）。

圖2 生物炭粒徑對(duì)黃綿土濕潤(rùn)鋒的影響Fig.2 Effects of biochar particle size on loessial soil wetting front

由圖2可以看出，添加生物炭對(duì)黃綿土入滲有顯著影響，當(dāng)生物炭添加量相同時(shí)，濕潤(rùn)鋒一維垂直運(yùn)動(dòng)深度基本表現(xiàn)為不添加生物炭處理大于添加生物炭處理，1—2 mm生物炭粒徑處理大于≤0.25 mm生物炭粒徑處理。在40 min時(shí)，各添加量下1—2 mm和≤0.25 mm粒徑處理濕潤(rùn)鋒深度分別低于對(duì)照3.67%和13.49%（10 g·kg-1生物炭添加量）、12.47%和14.79%（50 g·kg-1生物炭添加量）、10.23%和22.79%（100 g·kg-1生物炭添加量）和17.49%和36.28%（150 g·kg-1生物炭添加量），表明生物炭對(duì)黃綿土濕潤(rùn)鋒運(yùn)動(dòng)起到了抑制作用，且小粒徑生物炭的抑制作用大于大粒徑。

2.1.2 生物炭添加量對(duì)黃綿土濕潤(rùn)鋒運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響

相同粒徑條件下生物炭添加量對(duì)黃綿土濕潤(rùn)鋒運(yùn)動(dòng)深度的影響大致相同，與生物炭添加量呈反比，即CK ＞ 10 g·kg-1＞ 50 g·kg-1＞ 100 g·kg-1＞ 150 g·kg-1（圖3）。40 min時(shí)，1—2 mm粒徑處理中，10 g·kg-1，50 g·kg-1，100 g·kg-1和150 g·kg-1添加量處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)動(dòng)深度分別為20.27 mm，18.82 mm， 19.30 mm和17.74 mm，分別比對(duì)照處理低5.72%、12.47%、10.23%和17.49%；≤0.25 mm粒徑處理中，分別比對(duì)照處理低13.49%、14.79%、22.79%和36.28%。數(shù)據(jù)表明，生物炭添加量越大對(duì)黃綿土濕潤(rùn)鋒一維垂直運(yùn)動(dòng)深度的抑制效果越明顯。

2.1.3 濕潤(rùn)鋒深度與入滲時(shí)間的擬合

用公式（1）對(duì)濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間的變化過(guò)程進(jìn)行擬合的結(jié)果顯示（表2），決定系數(shù)R2在0.997—0.999，表明生物炭不同添加量和粒徑影響下的濕潤(rùn)鋒深度與時(shí)間均有較好冪函數(shù)關(guān)系。

圖3 生物炭添加量對(duì)黃綿土濕潤(rùn)鋒的影響Fig.3 Effects of biochar addition amount on loessial soil wetting front

表2 濕潤(rùn)鋒深度與入滲時(shí)間的擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of wetting depth and in fi ltration time

2.2 生物炭對(duì)黃綿土累積入滲量的影響

2.2.1 生物炭粒徑對(duì)黃綿土累積入滲量的影響

水分入滲過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定后可用穩(wěn)定入滲率表征入滲能力，但在達(dá)到穩(wěn)定入滲之前，常用累積入滲量表征入滲能力（李卓等，2009）。各處理土壤入滲累積過(guò)程如圖4所示，結(jié)果表明：除了50 g·kg-1添加量下，1—2 mm和≤0.25 mm粒徑處理累積入滲曲線重合外，黃綿土累積入滲量均表現(xiàn)為不添加生物炭處理最大，1—2 mm生物炭粒徑處理大于≤0.25 mm生物炭粒徑處理的規(guī)律。40 min時(shí)各處理之間土壤的入滲速率基本穩(wěn)定，故以該時(shí)刻的累積入滲量來(lái)衡量土壤穩(wěn)滲前入滲能力。10 g·kg-1添加量下，40 min時(shí)1—2 mm和≤0.25 mm粒徑處理累積入滲量分別為128.8 mm和109 mm，比對(duì)照低11.17%和24.83%。其他3種添加量對(duì)土壤累積入滲量的影響趨勢(shì)基本與10 g·kg-1添加量相同，但是抑制程度有所不同。結(jié)果表明，小粒徑生物炭對(duì)黃綿土累積入滲量的抑制程度更強(qiáng)。

圖4 生物炭粒徑對(duì)黃綿土累積入滲量的影響Fig.4 Effects of biochar particle size on loessial soil cumulative in fi ltration

2.2.2 生物炭添加量對(duì)黃綿土累積入滲量的影響

圖5可知，1—2 mm粒徑條件下，黃綿土累積入滲量隨著生物添加量的增加而降低。40 min時(shí)，10 g·kg-1，50 g·kg-1，100 g·kg-1和150 g·kg-1添加量處理土壤累積入滲量分別為128.8 mm，109.5 mm，113.0 mm和99.9 mm，與對(duì)照處理的145 mm相比，分別降低了11.17%、24.48%、22.07%和31.10%；≤0.25 mm粒徑處理中，10 g·kg-1，50 g·kg-1和 100 g·kg-1粒徑處理均降低了黃綿土累積入滲量，但三者的累積入滲曲線基本重合，而150 g·kg-1粒徑處理顯著降低了黃綿土的累積入滲量，40 min時(shí)的累積入滲量為61 mm，與對(duì)照相比降低幅度為57.93%。

2.2.3 各處理對(duì)黃綿土入滲模型參數(shù)的擬合

本文采用Kostiakov，Philip，Horton三種入滲模型（Ghorbani et al，2009）對(duì)各處理的入滲過(guò)程進(jìn)行擬合。表3所示，各入滲模型處理的決定系數(shù)（R2）分別在0.989—0.998（Kostiakov），0.936—0.998（Philip），0.985—0.995（Horton）?？梢钥闯鯧ostiakov入滲模型擬合效果較好，表明Kostiakov入滲模型適合添加生物炭的土壤入滲狀況模擬。相同生物炭粒徑添加時(shí)，Kostiakov入滲模型中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)K隨著生物炭添加量的增加而減小。相同添加量條件下，生物炭粒徑對(duì)黃綿土的K值有相同的影響規(guī)律，即不添加生物炭處理大于添加生物炭處理，1—2 mm粒徑大于≤0.25 mm粒徑生物炭處理。生物炭對(duì)累積入滲量的衰減程度n值的影響沒(méi)有明顯變化規(guī)律。

圖5 生物炭添加量對(duì)黃綿土累積入滲量的影響Fig.5 Effects of biochar addition amount on loessial soil cumulative infiltration

表3 各處理土壤水分入滲模型擬合結(jié)果Tab.3 Outcomes of model fi tting for water in fi ltration in different soil treatments

2.3 生物炭對(duì)黃綿土水分特征曲線的影響

2.3.1 生物炭粒徑對(duì)黃綿土水分特征曲線的影響

水分特征曲線是反映土壤水勢(shì)與土壤含水率之間關(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(guò)程的關(guān)鍵（邵明安等，2006；程冬兵和蔡崇法，2008）。

生物炭粒徑對(duì)土壤水分特征曲線的影響因生物炭添加量的不同而不同（圖6）。當(dāng)生物炭添加量為10 g·kg-1時(shí)，1—2 mm和≤0.25 mm粒徑處理的水分特征曲線基本和不添加生物炭處理的重合，說(shuō)明低添加量下，生物炭粒徑對(duì)黃綿土的持水能力影響不明顯；50 g·kg-1添加量時(shí)，1—2 mm和≤0.25 mm粒徑處理均增加了黃綿土的持水能力，但兩種粒徑的水分特征曲線基本重合；100 g·kg-1和150 g·kg-1添加量時(shí)，同一水吸力下黃綿土的體積含水量表現(xiàn)為不添加生物炭處理＜大粒徑（1— 2 mm）＜小粒徑（≤0.25 mm）生物炭處理，且150 g·kg-1添加量時(shí)黃綿土的持水能力更強(qiáng)，說(shuō)明生物炭在粒徑越小，添加量越高時(shí)，才能充分發(fā)揮其持水能力。

圖6 生物炭粒徑對(duì)黃綿土水分特征曲線的影響Fig.6 Effects of biochar particle size on loessial soil water retention curve

2.3.2 生物炭添加量對(duì)黃綿土水分特征曲線的影響

由圖7看出，生物炭添加量對(duì)黃綿土水分特征曲線產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)生物炭粒徑相同，一定土壤水吸力內(nèi)，黃綿土體積含水量隨著生物炭添加量的增加而增加。當(dāng)土壤水吸力在400 kPa時(shí)，≤0.25 mm粒徑生物炭，10 g·kg-1，50 g·kg-1，100 g·kg-1和150 g·kg-1添加量處理的土壤體積含水量分別比對(duì)照處理高4.93%、11.41%、12.10%和17.29%；1—2 mm粒徑生物炭，10 g·kg-1添加量的土壤水分特征曲線基本和不添加生物炭處理重合，50 g·kg-1，100 g·kg-1和150 g·kg-1添加量處理的土壤體積含水量分別比對(duì)照處理高12.77%、21.15%和40.94%。結(jié)果表明：一定土壤水吸力內(nèi)，在添加小粒徑生物炭且添加量大時(shí)，黃綿土體積含水量較大，即小粒徑大添加量生物炭對(duì)促進(jìn)黃綿土的持水能力效果更佳。

2.3.3 水分特征曲線模型參數(shù)分析

從表4看出，使用RETC軟件得到的van Genuchten模型決定系數(shù)R2在0.995—0.999，擬合效果好，說(shuō)明van Genuchten模型適合添加生物炭的土壤水分特征曲線的擬合。添加生物炭處理的土壤滯留含水率（θr）和土壤飽和含水率（θs）均高于CK處理。α值一般認(rèn)為是進(jìn)氣吸力的倒數(shù)，即水分特征曲線接近飽和時(shí)拐點(diǎn)的吸力值的倒數(shù)。對(duì)于同種土壤來(lái)說(shuō)，進(jìn)氣吸力越小，α值越大，土壤持水能力越差，排水越容易，添加生物炭處理使得黃綿土進(jìn)氣吸力的倒數(shù)均降低，由此可知，添加生物炭能夠使得黃綿土持水能力有所增加。各土壤處理之間的n值變化不大，且沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。

圖7 生物炭添加量對(duì)黃綿土水分特征曲線的影響Fig.7 Effects of biochar addition amount on loessial soil water retention curve

表4 土壤水分特征曲線擬合參數(shù)Tab.4 Soil water retention curve fi tting parameters

3 討論

3.1 生物炭對(duì)黃綿土入滲特征的影響

土壤入滲特征受土壤質(zhì)地、容重、含水率、地表結(jié)皮狀況、水穩(wěn)性團(tuán)粒含量等多種因素的共同影響（閔雷雷等，2010）。生物炭處理均明顯抑制了黃綿土的入滲能力。在入滲初期，不同粒徑和添加量的生物炭對(duì)黃綿土累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率的影響均較小，其曲線重合度較大。這主要是由于在入滲初始階段，水勢(shì)梯度較大，基質(zhì)勢(shì)為影響累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率的主要因素（譚帥等，2014），因此在最初幾分鐘內(nèi)，累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率均隨生物炭添加量和粒徑變化較??；隨著入滲的進(jìn)行，黃綿土累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率逐漸趨于穩(wěn)定，同時(shí)，不同生物炭添加量和粒徑對(duì)黃綿土累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率的抑制影響差異逐漸明顯。這可能是因?yàn)樯锾康募尤胩畛淞送寥乐锌紫?，有效孔隙及水分通道成為影響累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率的主要因素。向黃綿土中添加生物炭后，無(wú)論生物炭粒徑大小，其持水能力都會(huì)好于對(duì)照的黃綿土自身顆粒，因?yàn)橄螯S綿土中添加生物炭，相當(dāng)于提高了土壤黏粒含量，大大增加了土壤的持水能力，即生物炭處理均明顯抑制了黃綿土的入滲能力，這與高海英等（2011）生物炭能夠降低質(zhì)地較輕土壤入滲性能的研究結(jié)果相一致。

生物炭添加量相同，一定入滲歷時(shí)內(nèi)，黃綿土累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率均在小粒徑生物炭（≤0.25 mm）添加時(shí)表現(xiàn)為最?。簧锾苛较嗤?，一定入滲歷時(shí)內(nèi)，除了≤0.25 mm粒徑處理，10 g·kg-1，50 g·kg-1和100 g·kg-1添加量時(shí)累積入滲曲線重合外，其他處理黃綿土累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率均隨著生物炭添加量的增加而降低。這主要是由于生物炭具有極大比表面積，加入生物炭后，雖然小孔隙增多，但可供水分流動(dòng)和互相連通的孔隙減少，水流彎曲度增加，使得導(dǎo)水率降低，從而使黃綿土累積入滲量和濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速率受阻。而小粒徑生物炭（≤0.25 mm）比大粒徑生物炭具有更大的比表面積，從而能夠更有效減少黃綿土透水大孔隙數(shù)量，堵塞土壤孔隙運(yùn)動(dòng)通道而導(dǎo)致土壤入滲性能力下降，且生物炭添加量越大這種阻礙作用就越強(qiáng)，這與Doerr et al（2000）的研究結(jié)果相一致，所以黃綿土的入滲能力隨著生物炭添加量的增加而降低，且小粒徑生物炭對(duì)黃綿土入滲的抑制作用更明顯?！?.25 mm粒徑生物炭處理中，10 g·kg-1，50 g·kg-1和100 g·kg-1添加量累積入滲曲線重合，這可能是因?yàn)橛绊戇@一粒徑土壤入滲的主要因素是生物炭顆粒大小，而不是生物炭添加量，具體原因需要進(jìn)一步研究。

3.2 生物炭對(duì)黃綿土水分特征曲線的影響

土壤水分特征曲線依賴于土壤性狀，在不同階段影響因素也不同，在低吸力段，主要是大孔隙毛管力起作用。中高吸力段主要取決于土壤顆粒的表面吸附作用（余新曉等，2003）。所以在低吸力范圍內(nèi)土壤水分特征曲線都有個(gè)急速下降階段，之后隨吸力增加出現(xiàn)一個(gè)較長(zhǎng)的平緩區(qū)。

生物炭明顯增加了黃綿土的持水能力，且小粒徑大添加量生物炭對(duì)促進(jìn)黃綿土的持水能力效果更佳，與Ibrahim et al（2013）研究結(jié)果一致。這主要是因?yàn)樯锾繉俣嗫仔圆牧?，具有一定的吸水倍率，可增加土壤吸水量；其次，生物炭具有巨大的比表面積，與土壤混合改變了原土樣的孔隙狀況，增加了土壤孔隙度。而小粒徑（≤0.25 mm）比大粒徑生物炭可能具有更大的比表面積，吸水能力及對(duì)黃綿土孔隙度的增加能力更優(yōu)，所以黃綿土持水能力隨著生物炭粒徑的減小而增加，且在生物炭粒徑一定時(shí)，生物炭添加量越大，對(duì)原土樣孔隙狀況的影響愈強(qiáng)烈，對(duì)土壤持水量增加作用就越大（Nimmo，1997；Chan et al，2007；Atkinson et al，2010）。低添加量（10 g·kg-1）條件下，生物炭粒徑對(duì)黃綿土持水能力的影響并不明顯，可能原因是生物炭在低含量的條件下，對(duì)土壤水分的固持能力是有限的，在強(qiáng)大的外力干擾下，這種固持能力無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)，但具體原因需要深入的研究。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)采用定水頭法分析了生物炭粒徑和添加量對(duì)擾動(dòng)黃綿土入滲過(guò)程及持水能力的影響，得到以下結(jié)論：

（1）生物炭能夠明顯抑制黃綿土的入滲能力。黃綿土的入滲能力隨著生物炭添加量的增加而降低，且小粒徑（≤0.25 mm）生物炭對(duì)黃綿土入滲的抑制作用更明顯。

（2）生物炭明顯增加了黃綿土的持水能力，且小粒徑（≤0.25 mm）大添加量（150 g·kg-1）生物炭對(duì)促進(jìn)黃綿土的持水能力效果更佳。

（3）添加生物炭后黃綿土濕潤(rùn)鋒深度與時(shí)間關(guān)系遵循冪函數(shù)變化；Kostiakov、Philip、Horton入滲模型均能較好的描述添加不同生物炭粒徑和含量的黃綿土累積入滲量隨時(shí)間變化過(guò)程。其中，Kostiakov模型擬合精度更高；van Genuchten公式適合添加生物炭黃綿土水分特征曲線的擬合。

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Effects of biochar on water in fi ltration and water holding capacity of loessial soil

XIE Qian1, WANG Limei1, QI Ruipeng2, WANG Tongtong1, ZHENG Jiyong1,3
(1. College of Environment and Resources, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Heilongjiang Beifeng Agricultural Production Means Group, Harbin 150000, China; 3. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)

Background, aim, and scopeBiochar is a newly constructed scienti fi c term which is de fi ned as ‘‘a(chǎn) carbon(C)-rich and non-pollution product when biomass such as wood, manure or leaves is heated in a closed container with little or unavailable air’’. It has the properties of high internal surface area, microporosity, non-biological and biological stability. It has been widely proposed as a promising novel alternative of soil amendment to improve soil physical and chemical properties, to reduce the biological effectiveness of soil pollutant, as well as to reduce the emission of carbon dioxide and other greenhouse gases. However, to date, the effects of biochar addition on soil hydraulic properties, and the in fl uencing mechanism of biochar addition on water retention and holding capacity are still unclear.Materials and methodsEffects of biochar with two sizes (1—2 mm and ≤0.25 mm) and 4 doses (10 g·kg-1, 50 g·kg-1, 100 g·kg-1and 150 g·kg-1) on wetting front, cumulative in fi ltration and retention curves of loessial soil were explored through simulated experiments in laboratory. The loessial soil was collected from the soil surface (0—20 cm) of a fi eld without tillage in Ansai Ecological Experimental Station, Shaanxi Province innorthwest China. Experiment with biochar was charcoal-derived biochar and its carbon mass fraction was 85%.ResultsThe results showed that (1) the in fi ltration capacity was obviously decreased and water holding capacity was signi fi cantly increased compared to the control due to the biochar addition in loessial soil. When the particle size was the same and within a certain in fi ltration time period, in addition to the ≤0.25 mm treatment and the cumulative infiltration curve almost superposition under the 10 g·kg-1, 50 g·kg-1and 100 g·kg-1treatments, cumulative in fi ltration and wetting front moving rate tended to decrease with the increasing content of biochar, while water holding capacity tended to increase with the increasing content of biochar. Under the conditions of the same biochar addition dose, cumulative in fi ltration and wetting front moving rate tended to decrease with the particle size decreased within a certain in fi ltration period (40 minutes after in fi ltration start), while water holding capacity increased with the particle size decreased, but there was no signi fi cant effect on water holding capacity at the dose of 10 g·kg-1. 40 minutes after in fi ltration start, the wetting front moving rates for 1—2 mm treatment with 10 g·kg-1, 50 g·kg-1, 100 g·kg-1and 150 g·kg-1doses were decreased by 5.72%, 12.47%, 10.23% and 17.49%, respectively, compared with the control, cumulative infiltration were decreased by 11.17%, 24.48%, 22.07% and 31.10%, respectively; the wetting front moving rates of ≤0.25 mm treatment with the addition doses of 10 g·kg-1, 50 g·kg-1, 100 g·kg-1and 150 g·kg-1were decreased by 13.49%, 14.79%, 22.79% and 36.28%, respectively, compared with the control, and cumulative infiltration were decreased most by 57.93% with the dose of 150 g·kg-1. The averaged wetting front moving rate and cumulative in fi ltration were decreased by 16.69% and 27.79% in loessial soil with the comparison to the control. Overall, biochar addition reduced the water in fi ltration capacity and increased the water holding capacity for loessial soil. (2) Variation of the wetting front with time demonstrated a power function relationship, the determination coef fi cient was 0.997—0.999. Kostiakov, Philip and Horton in fi ltration model were successively used to simulation the soil water in fi ltration process and Kostiakov in fi ltration model of which determination coef fi cient was 0.989—0.998 fi tted best. (3) van Genuchten model was suitable for simulation the soil water holding process with biochar application, and the determination coef fi cient of it was 0.995—0.999.DiscussionThe results showed that the in fi ltration capacity was decreased and water holding capacity was increased with the biochar amendments to loessial soil. Biochar has high internal porosity and surface area and it creates a soil conditioning agent that can lower bulk density, increase the content of soil clay, affect pore size distribution and increase soil porosity. Therefore, it inhibited the in fi ltration capacity and improved water holding capacity of loessial soil.ConclusionsThe results showed that the loessial soil in fi ltration capacity tended to decrease with the increasing content of biochar, decreased with the particle size increased, while water holding capacity tended to increase with the increasing content of biochar, and the water holding capacity was best with the smallest particle size (≤0.25 mm) biochar addition in loessial soil. The results also showed that variation of the wetting front with time demonstrated a power function relationship, the determination coef fi cient was 0.997—0.999. Kostiakov, Philip, Horton in fi ltration model were successively used to simulation the soil water in fi ltration process and Kostiakov infiltration model fitted best. van Genuchten model was suitable for simulation the soil water holding process with biochar application.Recommendations and perspectivesThe data suggested that the use of biochar as soil amendment in loessialsoil plays an important role in increasing soil water holding capacity, and providing a scienti fi c basis for the evaluation on the in fl uence of biochar application on soil hydrology in the Loess Plateau.

loessial soil; biochar; cumulative in fi ltration; wetting front; water holding capacity

ZHENG Jiyong, E-mail: zhjy@ms.iswc.ac.cn

10.7515/JEE201601008

2015-10-12；錄用日期：2015-11-10

Received Date:2015-10-12;Accepted Date:2015-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571225）；西北農(nóng)林科技大學(xué)科研專項(xiàng)（2013BSJJ119，QN2013077）

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China (41571225); Scienti fi c Research of Northwest A & F University

(2013BSJJ119, QN2013077)

鄭紀(jì)勇，E-mail: zhjy@ms.iswc.ac.cn