生物炭添加量對南疆沙化土壤理化性質(zhì)和水分特征的影響

宋寶棟 覃齊正 郭子玉 閆 安 孔德國,2 張紅美,2*

(1 塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)(2 新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾 843300)

新疆地區(qū)由于光照時間長，非常適宜棉花生長，是我國的主要棉花種植區(qū)。近年來棉花種植面積不斷擴大，促進了當?shù)亟?jīng)濟的快速發(fā)展，但棉稈資源作為一種農(nóng)業(yè)剩余物也給當?shù)氐沫h(huán)境造成一定的壓力。將棉花秸稈炭化制備成生物炭，并將其施入土壤中，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的高效循環(huán)利用。

新疆是溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，屬典型的大陸性干燥氣候。尤其是處于塔克拉瑪干邊緣的南疆部分地區(qū)，氣候異常干燥，年降雨量較小，缺水嚴重，而當?shù)赝寥郎郴F(xiàn)象嚴重，土壤保水能力差，缺水與土壤保水能力差的現(xiàn)狀無疑增加當?shù)孛藁ǚN植成本，成為制約當?shù)亟?jīng)濟快速發(fā)展的一個瓶頸。

生物炭是將生物質(zhì)原料在缺氧或厭氧條件下進行高溫裂解得到的一種固體材料[1]。由于其具有較大的比表面積，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，并且還含有植物生長所需要的營養(yǎng)元素，將其施入土壤中可對土壤性能進行改良，增加土壤保水保肥能力，因此成為近年來研究的一個熱點。已有研究表明，添加生物炭可使土壤容重減低[2-3]，增大土壤孔隙度[4]，改變土壤團聚度[5-6]，進而影響土壤持水能力和水分入滲特性[7-10]。姚俊卿等[11]研究了炭化溫度、炭化時間和升溫速率對黑沙蒿生物炭保水性能的影響，秦玲等[12]研究了草炭對砂質(zhì)土壤保水特性的影響，方圓等[13]研究了活性炭對土壤入滲、蒸發(fā)特性及養(yǎng)分淋溶損失的影響。制備生物炭所用的原料不同，對不同質(zhì)地的土壤保水性能也不同。

本研究以棉花秸稈為原料制備生物炭，并將其施入棉花連作土壤中，探討棉稈基生物炭不同添加量對南疆沙化土壤保水性能影響，以期為棉花秸稈的資源化利用提供理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。

1 材料、儀器與方法

1.1 材料和儀器

材料：實驗所用棉稈基生物炭由經(jīng)過粉碎過篩的棉花秸稈在馬弗爐中于300 ℃熱解4 h制得。實驗所用土壤采自于第一師十二團連作棉花地。供試生物炭和土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 生物炭與供試土壤基本理化性質(zhì)

儀器：JF-2000型智能馬弗爐(江蘇江分電分析儀器有限公司)、pH-2606型多功能高精度酸度計(上海恰森儀器有限公司)、美國FEI Quanta250 型掃描電子顯微鏡。

1.2 研究方法

實驗設(shè)置5個處理，即生物炭與土壤的質(zhì)量比分別為0%、0. 5%、1%、1. 5%和2%，每個處理重復(fù)三次。將生物炭與土壤混合均勻后，置于底部鋪有3層濾紙的器皿中，底部開有小孔，供水分下滲流出。每次向各器皿中加入等質(zhì)量的水，多余的水分通過底部的小孔滲出，每隔4 h加水1次，共補充水分3次。自然陳化2天后每天定時稱量器皿質(zhì)量，12天后采用環(huán)刀從器皿中取土樣。

1.3 保水性能測定

將取樣后的環(huán)刀下部用4層紗布包裹后放進塑料盆中，加水至環(huán)刀上邊緣，浸泡24 h后去除底部紗布稱重，記為m2；將帶土環(huán)刀放在鋪有一層濾紙的沙土上，用重物壓實8 h后，稱量環(huán)刀與土重，記為m3；最后將環(huán)刀與土樣放入烘箱中于105 ℃烘干至質(zhì)量不變后稱重，記為m4；單一環(huán)刀質(zhì)量記為m1，環(huán)刀體積記為v。按照以下公式計算各項指標：

(1)

(2)

(3)

毛管孔隙度=田間持水量×容重

(4)

1.4 電導(dǎo)與pH的測定

將按照一定比例混合的炭土樣品置入錐形瓶中，加入適量的水并超聲處理后靜置一定時間，取上層清夜測定電導(dǎo)與pH值。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品形貌

實驗所用生物炭和純土圖樣的SEM圖分別如圖1和圖2所示。由圖1可以看出，生物炭具有圓孔狀的孔洞結(jié)構(gòu)，由于生物炭炭化過程是將棉花秸稈粉碎過2 mm的篩子后進行熱解，因此所得生物炭粒徑相對較小，由圖1還可看出在脫落的碎片上還有大量的橢圓形孔洞結(jié)構(gòu)存在，這進一步增大了生物炭的比表面積。由圖2可以看出，實驗所用純土顆粒相對較大，形狀不規(guī)則，在大顆粒土樣表面還附著有顆粒較小的土樣顆粒，這種較小的土樣顆?？赡軙M入生物炭的孔洞結(jié)構(gòu)中，阻礙孔洞的通透性，不利于生物炭對水分的吸附，但粒徑較小的顆粒含量相對較少，而較大的土樣顆粒對生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生影響；生物炭的加入會增大土樣的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，從而會對其水分特征產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

圖1 生物炭SEM圖 圖2 純土土樣SEM圖

2.2 生物炭添加量對土樣pH值和電導(dǎo)的影響

為了研究生物炭對南疆沙化土壤的鹽堿性和土壤水溶性鹽的影響，測定了土壤樣品的pH值和電導(dǎo)。由圖3可以看出，隨著生物炭含量的增加，土壤樣品的電導(dǎo)增加，這可能是因為棉花秸稈中含有大量的鉀、鈉、鎂、鈣等金屬元素，在熱解過程中，生成相應(yīng)的氯化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽等可溶性鹽，隨著生物炭含量的增加，相應(yīng)的可溶性鹽的含量也隨之增加，最終導(dǎo)致電導(dǎo)增大。由圖3還可看出，土壤pH值隨生物炭含量增加出現(xiàn)降低的趨勢，這與侯艷艷等[14]研究結(jié)果一致。可見生物炭的施入降低了南疆沙化土壤的酸堿度，這可能會提高當?shù)赝寥婪柿?，對當?shù)貕A性土壤改良具有重要的作用。至于棉稈基生物炭降低南疆沙化土壤pH值的機制尚需進一步探討。

圖3 生物炭添加量對土壤電導(dǎo)和pH值的影響

2.3 生物炭添加量對容重與土樣飽和含水量的影響

土壤容重表示土壤的疏松程度，容重越大，土壤越緊實，孔隙度越??；容重越小，土壤越疏松，孔隙度越大。土壤容重隨生物炭添加量的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，當生物炭添加量為1%時，土壤容重比純土容重大，而其它的添加量均使土壤容重降低，這與已有文獻報道的土壤容重隨生物炭添加量增大而降低的報道不一致[15]。由于實驗中所用生物炭顆粒較小，具有較大的比表面積和發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，因此能夠減小土壤的容重；另一方面，生物炭表面含有大量的帶電官能團，能夠與土壤中的膠體發(fā)生吸引或排斥作用，當二者之間是吸引作用時，土壤中的膠體發(fā)生團簇，容重增大，反之，容重減小?？梢娚锾坑绊懲寥廊葜厥巧锾康陌l(fā)達孔隙結(jié)構(gòu)、表面官能團與膠體之間作用力相互競爭的結(jié)果。土壤飽和含水量是指土壤中所有孔隙全部充滿水時的含水量，土壤總孔隙度越大，飽和含水量越高。由圖4可以看出，飽和含水量與土壤容重變化趨勢相反，這是由土壤總孔隙度與容重呈現(xiàn)相反變化趨勢所決定的。

圖4 生物炭添加量對土壤容重和飽和含水量的影響

2.4 生物炭添加量對土壤孔隙度和田間持水量的影響

土壤孔隙包括無效孔隙、毛管孔隙和通氣孔隙，總孔隙度等于各項孔隙度之和。其中毛管中的水分借助于毛管作用力而儲存和運動，容易被作物吸收和利用，是對作物最有效的水分；田間持水量是土壤中懸著毛管水達到最大量時的土壤含水量，是土壤對作物有效水的上限，常用來計算灌溉定額的依據(jù)[16]。由圖5可以看出，土壤毛管孔隙度和田間持水量表現(xiàn)出相同的趨勢，二者均在生物炭添加量為0. 5%時出現(xiàn)最小值，而后隨著生物炭添加量的增大而增大。

圖5 生物炭添加量對土壤毛管孔隙度和田間持水量的影響

2.5 生物炭添加量對土樣保水性能影響

圖6土壤每天水分蒸發(fā)量圖7生物炭添加量對土壤含水量和總蒸發(fā)量的影響

A是陳化2天后土壤含水量；B是水分總蒸發(fā)量；C是自然蒸發(fā)12天后土壤含水量。

為了研究生物炭添加量對土壤水分保水性能的影響，采用每天稱重的方法測得土壤每天的水分蒸發(fā)量，計算土壤水分總蒸發(fā)量，同時還對陳化2天后及自然狀態(tài)下蒸發(fā)12天的土壤含水量進行了計算，結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，土壤水分日蒸發(fā)量出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象，整體服從相似的規(guī)律。由圖7可以看出，樣品陳化2天后的含水量隨生物炭添加量的增加而增大，水分總蒸發(fā)量亦表現(xiàn)出相似的趨勢，但每個樣品蒸發(fā)總量相差不大，土壤最終含水量隨生物炭含量的增加而增大，即生物炭添加量越大，雖然蒸發(fā)量大，但由于土樣吸水量大，因此最終含水量還是最高。

3 結(jié)論

(1) 添加生物炭可以改變土壤容重、飽和含水量、毛管孔隙度、田間持水量及水分蒸發(fā)量，隨生物炭含量的增加，土壤容重與飽和含水量表現(xiàn)出相反的趨勢，而毛管孔隙度和田間持水量則表現(xiàn)出相同的趨勢。

(2) 雖然不同生物炭添加比例的土壤樣品水分總蒸發(fā)量相差不大，但隨生物炭添加量的增大，土壤吸水量及連續(xù)蒸發(fā)12天后的含水量亦增大。

(3)因此當生物炭添加量為2%時，pH值和容重最小，電導(dǎo)、飽和含水量和田間持水量均為最大，這對降低南疆沙化土壤鹽堿性，提高土壤保水能力提供了理論數(shù)據(jù)。