活性炭對農(nóng)田土壤孔隙結構的影響

丁奠元，趙 英，方 圓，馮 浩,3

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院， 江蘇 揚州 225009； 2.西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西 楊凌 712100；3.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院， 陜西 楊凌 712100)

土壤孔隙結構的改善可以提高土壤保蓄水分和養(yǎng)分的能力，土壤的毛管孔隙和非毛管孔隙對土壤肥力、植物根系延伸和土壤動物活動影響顯著[1]，并且對土壤的通透性[2]和滲透性[3]具有重要影響。近20年，人們大量利用有機無機材料對土壤的結構進行改良研究[4-7]。其中活性炭作為一種具有較強的吸附性和催化性能的有機物料，原料充足，且安全性高[8-9]，耐酸堿、耐熱、不溶于水和有機溶劑、易再生，是一種環(huán)境友好型的活性材料[10-11]。前人研究表明，活性炭作為優(yōu)良的土壤改良劑，能夠較強吸附土壤中有機生長抑制物質，吸附土壤中的化感物質[12]；活性炭單獨施用或配合施用都能明顯減少小麥對鎘的吸收[13]，有效促進小麥生長發(fā)育[14]；活性炭可以降低污染土壤中有效態(tài)Cr[15-16]，提高土壤的陽離子交換性能[17]，調節(jié)土壤的pH值[18]；適量施用活性炭可以增加土壤的穩(wěn)滲和吸滲率，抑制土壤蒸發(fā)，加強土壤對養(yǎng)分的吸附和保持作用[19]?；钚蕴孔鳛橐环N高性能的土壤改良劑，其對土壤孔隙結構的改良是改良土壤其它性質的基礎，研究意義重大。然而，目前活性炭對土壤的改良作用的研究還處于初步探索階段，僅僅停留在對研究現(xiàn)象簡單的描述上，難以用參數(shù)量化。

根據(jù)土壤孔隙的性質和大小不同，土壤孔隙從小到大依此可以分為殘余孔隙(residual pore)、基質孔隙(matrix pore)、結構孔隙(structural pore)和大孔隙(macro-pore)[20-21]。Dexter等[20]提出的雙指數(shù)土壤水分特征曲線模型(the double-exponential water retention equation，簡稱DE雙指數(shù)模型)可以較好地估計以上土壤的不同大小等級的孔隙度，表達式如下：

(1)

式中，θ為土壤體積含水量(cm3·cm-3)；C，A1和A2分別表示土壤的殘余孔隙度(%)、基質孔隙度(%)和結構孔隙度(%，包括大孔隙)；h為吸力水頭(hPa)；h1和h2分別為A1和A2排空水時的土壤基質吸力(hPa)；e為自然常數(shù)。DE雙指數(shù)模型作為一個定量反映土壤孔隙結構的土壤水分特征曲線(SWRC)模型，已經(jīng)得到較廣泛的應用研究[22-24]，然而利用DE雙指數(shù)模型研究活性炭對土壤孔隙結構的影響國內外鮮有報道。

鑒于以上研究現(xiàn)狀，筆者擬向土壤中施用不同用量活性炭，首先驗證DE雙指數(shù)模型對加入活性炭的土壤水分特征曲線(soilwaterretentioncurve,SWRC)的模擬效果；其次利用DE雙指數(shù)模型估算土壤不同大小等級的孔隙度及其孔徑的變化，定量研究活性炭對土壤毛管孔隙、非毛管孔隙和總孔隙的影響，以期為活性炭改良和培肥土壤、改善土壤孔隙結構和土壤耕性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉試驗站，取地表以下10～30cm土壤，去除表層雜草和秸稈，風干碾碎后，過2mm篩備用。土壤有機質含量7.10g·kg-1，堿解氮22.99mg·kg-1，速效磷(P2O5)41.64mg·kg-1，速效鉀(K2O)138.25mg·kg-1，屬于中等肥力土壤。土壤平均容重為1.30g·cm-3，密度為2.67g·cm-3，供試土壤具體機械組成見表1。供試活性炭由天津市科密歐化學試劑有限公司生產(chǎn)(市購)，黑色粉末狀，分析純。

表1 土壤顆粒組成Table 1 Soil particle size composition

注：砂粒2～0.05mm；粉粒0.05～0.002mm；黏粒<0.002mm。

Note:sand, 2～0.05mm;silt, 0.05～0.002mm;clay, <0.002mm.

1.2 試驗設計

本試驗以不添加活性炭作為對照處理(CK)；前期預試驗根據(jù)活性炭對土壤的改良效果，選擇了合適的活性炭添加數(shù)量梯度，本研究選取活性炭處理添加比例分別為土壤質量的0.1%(H1)、0.3%(H2)、0.6%(H3)、0.9%(H4)和1.2%(H5)。裝土容器采用直徑10cm，高35cm的PVC管。為保證各處理土壤與活性炭充分完全混合，每6cm為一層(共5層，裝土高度為30cm)計算土壤質量，每層土壤分別與對應質量的活性炭充分攪拌混合，分層填裝到PVC管中。通過搗錘控制土壤的緊實度，控制其容重為1.3g·cm-3。裝土之前PVC管底部用細紗布封閉，管內均勻涂抹薄層凡士林，管底部放一層濾紙。每次裝土前必須保證下層土壤表面打毛，避免上下土層間出現(xiàn)結構和水動力學特性突變等不必要的內邊界[25]。每個處理12個重復，共72個土柱。

裝土之后，所有土柱放入水桶中，均從底部吸水達到飽和，放在控水旱棚內培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中依據(jù)CK處理的含水量變化控制灌水，每天定時對CK處理土柱稱重，當其含水量低于80%田間持水量(0～30d為16.0%，30～60d為16.7%，60～90d為19.7%)，對所有土柱稱重后計算灌水量進行灌水，灌水上限為CK處理的100%田間持水量。培養(yǎng)期間，控水旱棚環(huán)境的平均溫度為36.2℃(±5.3℃)，平均相對濕度為47.0%(±6.5%)。

在培養(yǎng)0、30、60d和90d時，每個處理分別取3個土柱，用標準環(huán)刀(100cm3)從土柱取土(取土深度5～10cm)，用離心機(HITACHIhimacCR21GII)測定SWRC(20、30、50、100、300、500、700、1 000、1 200kPa和1 500kPa)。測定土壤容重，并利用土壤密度推算土壤總孔隙度。

1.3 試驗方法

Kutilek[21]提出結構孔隙中的水分運動形式為優(yōu)先流(preferentialflow)，根據(jù)毛管孔隙和非毛管孔隙的定義[1]，本研究將結構孔隙(包括大孔隙)作為非毛管孔隙，將殘余孔隙和基質孔隙作為毛管孔隙，即A2表示土壤非毛管孔隙度，(C+A1)表示毛管孔隙度。

假設土壤失水過程是從大孔隙到小孔隙依次進行，且在土壤中水的接觸角為0°。孔隙的吸力h(hPa)和孔隙半徑r(cm)存在以下關系[26-27]：

(2)

式(2)表明，土壤孔隙的半徑跟吸力成反比例關系，即較小吸力對應土壤較大孔隙，較大吸力對應土壤較小孔隙。由此h1和h2可以分別表明土壤基質孔隙和結構孔隙孔徑的變化趨勢。

本研究基于OriginC8.0(OriginLabCorporation,Northampton,MA,U.S.A.)利用DE雙指數(shù)模型對實測SWRC數(shù)據(jù)進行擬合，驗證DE雙指數(shù)模型對土壤總孔隙度估算效果，并在此基礎上估算土壤的毛管孔隙度(C+A1)和非毛管孔隙度(A2)。試驗中采用Excel2010、SPSS15.0和SigmaPlot 10.0分別對數(shù)據(jù)進行處理、分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 DE雙指數(shù)模型的驗證

DE雙指數(shù)模型已應用在研究土壤的飽和導水率[22]、適宜耕作的土壤含水量[23]和有機物對土壤孔隙的影響[24]等方面，但是對于添加活性炭后的SWRC的模擬效果有待驗證。由圖1a可以看出，DE雙指數(shù)模型能夠較好地模擬活性炭處理的SWRC，SWRC的實測值和DE雙指數(shù)模型模擬值之間的均方根誤差(RMSE)介于0.07～0.098 cm3·cm-3之間，土壤含水量的模擬值和實測值非常接近1∶1的線(圖1b)，這表明DE雙指數(shù)模型可以準確地反映添加土壤改良劑后土壤含水量隨吸力水頭的變化規(guī)律。

圖1 土壤水分特征曲線實測值與估計值比較(以90 d H5為例)

Fig.1 Comparison between curves of measured and estimated soil water retentions (using 90 d H5 as an example)

土壤總孔隙的估計值非常接近實測值(圖2)，其RMSE為0.02%，R2接近于1。DE雙指數(shù)模型不僅可以準確地模擬SWRC，還可以較好地估算土壤不同大小等級的孔隙度，因此，DE雙指數(shù)模型可以作為一個有效評價土壤孔隙結構的工具。

注：活性炭處理添加比例分別為土壤質量的0%(CK)、0.1%(H1)、0.3%(H2)、0.6%(H3)、0.9%(H4)和1.2%(H5)；不同小寫字母表示不同處理在5%水平上差異顯著；下同。

Note: treatments of activated carbon additions were 0% (CK), 0.1% (H1), 0.3% (H2), 0.6% (H3), 0.9% (H4) and 1.2% (H5) of the soil weight; the different small letters mean significant difference at 5% level between treatments; the same below.

圖2 不同活性炭用量處理下的土壤總孔隙度

Fig.2 Soil total porosity under different amounts of activated carbon additions

2.2 活性炭對土壤容重和總孔隙的影響

試驗表明不同活性炭處理土壤容重總體表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(表2)；在60 d以內，活性炭對土壤的容重影響不顯著；在培養(yǎng)90 d時，與CK相比，H4和H5處理顯著降低了土壤的容重(P<0.05)。

生物炭施到土壤中后，生物炭自身的物理特性會改變土壤孔隙的大小分布[28]，影響土壤的孔隙結構，改良土壤孔隙性質。與生物炭類似，活性炭處理也影響了土壤的孔隙變化。試驗結果表明，培養(yǎng)0 d時，不同處理的土壤總孔隙度差異很小，在52.5%左右(圖2)。培養(yǎng)30 d時，可能由于土壤中壓實作用和有機質迅速礦化，導致各處理的總孔隙度較0 d時均有顯著減小(P<0.05)，其中減小最大為H4處理(P<0.01)。

一方面，培養(yǎng)60 d與培養(yǎng)30 d相比，各個活性炭處理均增大了土壤的總孔隙度；另一方面，培養(yǎng)60 d時添加活性炭的土壤總孔隙度均比CK大，表現(xiàn)為H4>H5>H2>H3>H1>CK；活性炭處理的總孔隙度(從H1到H5)相比CK分別增加1.1%、1.7%、1.5%、3.5%和2.7%(圖2)。

與培養(yǎng)60 d時相比，培養(yǎng)90 d時活性炭處理土壤的總孔隙度進一步增加，其中H5增加最顯著(P<0.05)；不同活性炭處理表現(xiàn)為H5>H4>H3>H1>H2>CK，其中H4和H5與CK相比，顯著增加了土壤的總孔隙度(P<0.05)；活性炭處理的總孔隙度(從H1到H5)比對照處理CK分別增加1.9%、1.8%、2.3%、2.7%和4.3%，活性炭施用量與各處理土壤總孔隙度呈顯著的正相關關系(P<0.05，R2=0.82)，這表明在試驗范圍內，活性炭施用量越多，土壤總孔隙度越大(圖2)。

表2 不同活性炭用量處理下的土壤 h1、h2和容重的平均值 Table 2 Mean values of h1, h2 and bulk density relative under dirrerent amounts of activated carbon additions

當土樣培養(yǎng)30 d時，活性炭對土壤總孔隙度的作用不明顯；當培養(yǎng)60 d時，活性炭的作用開始顯現(xiàn)；當培養(yǎng)90 d時，活性炭顯著增加了土壤總孔隙度，且土壤總孔隙度隨著活性炭施用量的增加而增加；活性炭處理對土壤總孔隙度的影響隨著時間的推進越來越明顯(圖2)。

2.3 活性炭對土壤毛管和非毛管孔隙的影響

各處理的毛管孔隙總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(圖3a)。當土樣培養(yǎng)0 d時，各處理毛管孔隙度較小，其值大致在27%附近。培養(yǎng)30 d時，各處理毛管孔隙度顯著增大(P<0.05)。與培養(yǎng)30 d相比，培養(yǎng)60 d時，CK、H2和H4處理毛管孔隙度均進一步增大，H1、H3和H5處理毛管孔隙度均減小，表現(xiàn)為H2>H4>CK>H3>H1>H5。培養(yǎng)90 d時，H2的土壤毛管孔隙度最大，其余活性炭處理的毛管孔隙度(H1、H3、H4、H5)分別比CK減小0.5%、1.7%、1.3%和2.2%。由表2的h1的變化得出，在前60 d以內，活性炭對土壤毛管孔隙中基質孔隙孔徑影響不顯著；在培養(yǎng)90 d時，與CK相比，H1和H2處理顯著減小了基質孔隙孔徑(P<0.05)。

當土樣培養(yǎng)0 d時，活性炭對非毛管孔隙的影響不明顯，各處理非毛管孔隙度大致為26%(圖3a、b)。培養(yǎng)30 d時各處理的土壤非毛管孔隙度極顯著減小(P<0.01)，表現(xiàn)為CK>H5>H3>H2>H1>H4。這可能是由于添加活性炭后，激發(fā)了土壤有機質的礦化作用[29]，并且表層土壤對下層土壤具有壓實作用。一方面，培養(yǎng)60 d與30 d相比，活性炭處理的土壤非毛管孔隙度均增大，CK的非毛管孔隙度減?。涣硪环矫?，培養(yǎng)60 d時不同活性炭處理的非毛管孔隙度均比CK大，表現(xiàn)為H5>H3>H1>H2>H4>CK。培養(yǎng)90 d時，土壤的非毛管孔隙度總體隨著各處理活性炭施用量的增加而增大，表現(xiàn)為H5>H4>H3>H1>H2>CK。其中，與CK相比，H5顯著增加了土壤的非毛管孔隙度(P<0.05)；活性炭處理(從H1到H5)的非毛管孔隙度比CK的分別增加5.8%、2.5%、8.7%、9.1%和14.7%。

圖3 不同活性炭用量處理下的土壤毛管和非毛管孔隙度

Fig.3 Soil capillary and noncapillary porosity relative under different amounts of activated carbon additions

由表2中的h2的變化得出，在培養(yǎng)30 d，活性炭處理表現(xiàn)出減小土壤非毛管孔隙孔徑的趨勢，其中H1顯著減小了土壤非毛管孔隙孔徑(P<0.05)。在培養(yǎng)60 d后，活性炭處理均增加了土壤非毛管孔隙孔徑；在培養(yǎng)90 d時，H1、H2、H4和H5均顯著增加了土壤非毛管孔隙孔徑(P<0.05)。

在培養(yǎng)時間內，活性炭對土壤毛管孔隙度影響不顯著，培養(yǎng)90 d時活性炭減小了土壤的毛管孔徑。當土樣培養(yǎng)0 d和30 d時，活性炭對土壤非毛管孔隙影響不明顯；當培養(yǎng)到60 d時，活性炭增加了土壤非毛管孔隙度和孔徑；培養(yǎng)90 d時，活性炭增加非毛管孔隙度和孔徑的作用更明顯，隨著活性炭添加量的增加，土壤非毛管孔隙度和孔徑隨之增加，且這種效應隨著時間的推進越來越明顯。

3 討 論

研究結果表明活性炭處理減小了土壤的容重，增大了土壤總孔隙度，這與前人[30-31]的研究結果一致。土壤的孔隙度與緊實度密切相關，Soane[32]總結有機質對土壤緊實度的影響得出，土壤有機質中的長鏈分子能夠有效的黏結礦物顆粒，促進團聚結構的形成和發(fā)育；有機質促進微生物生長的同時，微生物的菌絲可以結合礦物顆粒，形成新的土壤結構，改變土壤緊實度。活性炭作為一種有機質，一方面活性炭顆粒本身具有高度發(fā)達孔隙結構和巨大的表面積，并且其表面含有多種官能團[33]?；钚蕴繌姶蟮奈阶饔茫梢詮臍庀嗷蛞合嘀形礁鞣N物質[34]?；钚蕴窟@種吸附能力可以聚集土壤中的礦物顆粒，促進土壤團聚結構的形成[35]，從而增加了土壤的總孔隙度。另一方面，施用生物炭可以顯著改善酶活性，提高土壤酶指數(shù)[36]和土壤微生物的多樣性[37]?；钚蕴颗c生物炭性質相似[38]，施用活性炭的土壤有效激發(fā)了土壤中的酶活性[39]，增加土壤中微生物的數(shù)量，促進了有機質的腐殖質化；炭能夠吸附土壤有機分子，通過表面催化活性促進小的有機分子聚合形成土壤有機質[40]，進而增加了有機質含量，促進了團聚結構的形成和孔隙結構的發(fā)育[41-43]。此外，活性炭本身添加量的差異也導致了干濕交替過程土壤結構的形成和重組發(fā)生變化，并最終增加了土壤的總孔隙度。

當土樣培養(yǎng)0 d時，活性炭與土壤顆粒隨機混合和重組，沒有壓實和礦化的影響，此時的非毛管孔隙度較大；在培養(yǎng)30 d，各處理土壤毛管孔隙度增大，非毛管孔隙度減小，原因可能是在培養(yǎng)過程中，土柱內土壤含水量一直較高(田間持水量的80%以上)，表層土壤對下層土壤存在一定的壓實作用，這種壓實作用在土壤培養(yǎng)初期(30 d以內)作用明顯，增加了土壤的毛管孔隙(圖3a，30 d)，減小了土壤的非毛管孔隙[20](圖3b，30 d)，而導致土壤的總孔隙度減小(圖2，30 d)；隨著試驗的進行(30 d以后)，土壤的壓實作用逐漸減小，而活性炭的作用逐漸加強，使得土壤的非毛管孔隙增加(圖3b，60 d和90 d)，總孔隙度也隨之增加(圖2，60 d和90 d)。

活性炭對毛管孔隙度影響不顯著(圖3a)，但其明顯增加了土壤非毛管孔隙度(圖3b)。原因可能是在土壤干濕交替和有機質礦化過程中，活性炭顆粒上的官能團聚合吸附周圍的土壤顆粒，并與有機組分重組，形成新的土壤結構；在此過程中，活性炭將土壤的礦物顆粒和微小團聚體重新組合形成新的團聚體，而增加了土壤中大團聚體數(shù)量[16,35]。根據(jù)土壤的顆粒和土壤孔隙的對稱分布的關系[44-45]，土壤團聚體數(shù)量增加導致了團聚體之間非毛管孔隙增加。

試驗中(90 d)土壤非毛管孔隙度增加量占總孔隙度增加量的百分比分別為(從H1到H5)116.4%、54.7%、147.4%、130.9%和132.7%；并且土壤總孔隙度與非毛管孔隙度表現(xiàn)出了極顯著的正相關關系(圖4，P<0.01)，與毛管孔隙度相關關系不顯著，因此，活性炭是通過增加土壤的非毛管孔隙度，有效地增加了土壤的總孔隙度。

圖4 土壤總孔隙度和非毛管孔隙度之間的關系

Fig.4 Relationship between soil total porosity and noncapillary porosity

活性炭通過自身特性，可以有效調節(jié)土壤的水、氣平衡，創(chuàng)造了土壤微生物生活的優(yōu)良環(huán)境[39]，從而促進了作物根系生長[12]。本試驗著重于短時間(90 d)內活性炭對土壤孔隙結構的影響，活性炭對土壤其它物理化學性質的影響(土壤的導水率、微生物生長和養(yǎng)分的保持特性等)，以及大田中活性炭對土壤的改良作用，還需要進一步研究。

4 結 論

本研究利用小土柱試驗，在不同活性炭用量、不同培養(yǎng)時間條件下，基于DE雙指數(shù)模型，定量地分析了活性炭對農(nóng)田土壤毛管孔隙、非毛管孔隙和總孔隙的影響，深入探究了活性炭對土壤孔隙結構的影響機理，主要得到以下結論：

1) 土壤中的活性炭有效地減小了土壤容重，增加了土壤的總孔隙度；

2) 農(nóng)田土壤中施用活性炭顯著增加了土壤非毛管孔隙及其孔徑，活性炭是通過增加土壤的非毛管孔隙度，有效地增加了土壤的總孔隙度；

3) 活性炭施用量越大，對土壤孔隙的作用效果越顯著，并且活性炭對土壤孔隙的影響隨著時間的推移越來越明顯。

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