生物質(zhì)炭對(duì)華南典型紅壤水分滲透及持水性的影響

杜衍紅，蔣恩臣，劉傳平，王向琴，袁雨珍

1. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642

旱地紅壤由第四紀(jì)紅土發(fā)育而來，酸度較高，硬度大，不耐旱，黏粒表面吸附水分和團(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、保肥性差，土地利用率低，產(chǎn)出率低（劉祖香等，2013），因此，改善紅壤的持水能力，提高保水性能，是亟待解決的難題。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)原料（稻殼、秸稈、椰殼、蔗渣等）在高溫低氧條件下熱解得到的固體產(chǎn)物，因其比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，密度低，常被用于土壤改良（房彬等，2014）。已有研究表明，生物質(zhì)炭能夠改良土壤結(jié)構(gòu)從而提高土壤持水性（Dugan et al.，2010；王紅蘭等，2015），并隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，土壤持水性增強(qiáng)（Bouqbis et al.，2018；Günal et al.，2018）。生物質(zhì)炭能夠很大程度地改善土壤的持水能力和供水能力（Glaser et al.，2002），抑制土壤水分蒸發(fā)，延長土壤水分釋放的時(shí)間（文曼等，2012），保持相對(duì)潮濕的孔隙狀況，在高溫、干旱條件下改善土壤水分環(huán)境（Amoakwah et al.，2017）。已有報(bào)道新鮮生物質(zhì)炭一般表現(xiàn)出較強(qiáng)的疏水性，能夠顯著降低土壤水分入滲及初始導(dǎo)水率（Asai et al.，2009；齊瑞鵬等，2014）；隨著生物質(zhì)炭表面氧化及羧基基團(tuán)增多，生物質(zhì)炭的親水性會(huì)逐漸增強(qiáng)，其吸水能力和土壤持水量逐漸提高（Cohen-Ofri et al.，2006）。另外，生物質(zhì)炭的添加能夠提高黃土高原典型旱作農(nóng)田土壤飽和含水量、土壤田間持水量、土壤有效水分含量，但輸入水平達(dá)到40 t·hm-2后，土壤持水性能趨于穩(wěn)定（劉小寧等，2017）。也有研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭在適當(dāng)?shù)奶砑颖壤闆r下可以顯著增強(qiáng)土壤的持水能力，20%的炭土比保水性優(yōu)于5%的添加比例（Wong et al.，2017）。土壤持水性與土壤的容重、質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的。劉祖香等（2013）研究表明，容重和孔隙度為旱地紅壤水力學(xué)特性的主要影響因素，生物質(zhì)炭加入紅壤后，必將改變其容重和孔隙度，紅壤水分特征隨之改變。然而，有關(guān)生物質(zhì)對(duì)紅壤水分滲透特性、持水性等水分基本特征的影響規(guī)律與機(jī)制尚不清楚。

土壤的水分滲透特性通常由水分的入滲率反映，入滲率是指單位時(shí)間內(nèi)通過地表單位面積滲入到土壤的水量，主要受土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、供水強(qiáng)度等因素影響，其總體變化規(guī)律為隨著入滲時(shí)間的推移，入滲率不斷降低，最終恒定至一個(gè)常數(shù)，即穩(wěn)滲率（白文波等，2009）。土壤水分的保持和運(yùn)動(dòng)規(guī)律通常由水分特征曲線來反映，是描述土壤水的基質(zhì)勢(shì)或土壤水吸力隨土壤含水率變化的關(guān)系曲線，是土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和孔隙等物理性綜合作用的結(jié)果，反映了土壤持水的基本特性，體現(xiàn)了土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)的差異（朱蔚利等，2011）。

為了準(zhǔn)確表征各種土壤水分特征曲線的特征，定量地研究土壤的持水能力，土壤物理學(xué)界已為之建立了許多數(shù)學(xué)模型，其中Gardner模型適用于中國國大部分土壤（沈思淵等，1990）。Van Genuchten模型因適用土壤質(zhì)地范圍廣，其線型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度高而被廣泛應(yīng)用（Mollinedo et al.，2015）。為了研究生物質(zhì)炭對(duì)紅壤的持水特性的影響規(guī)律，本研究采用離心機(jī)法測(cè)定不同壓力下，不同生物質(zhì)炭添加量對(duì)紅壤持水特性的影響，運(yùn)用Gardner模型和Van Genuchten方程進(jìn)行擬合，研究生物質(zhì)炭對(duì)紅壤持水性的影響機(jī)理，為生物質(zhì)炭還田及改善紅壤保水性能研究提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紅壤采自廣東省湛江甘蔗種植基地，基本理化性質(zhì)見表 1。生物質(zhì)炭為稻殼炭，利用實(shí)驗(yàn)室自制連續(xù)熱解裝置，在500 ℃條件下制備而得，含固定碳約50.8%，灰分物質(zhì)含量30.7%，揮發(fā)分含量約占14.3%。

1.2 土壤滲透性試驗(yàn)

自制土柱滲透裝置如圖1所示，用1000 mL塑料量筒改制，量筒規(guī)格為內(nèi)徑6.8 cm、高30 cm，量筒底部由電烙鐵打孔，安裝上1 mL移液器槍頭，裝土之前依次墊上一層濾紙，一層0.074 mm濾網(wǎng)，以防止土粒流失。模擬降雨裝置為1 L厭氧瓶和輸液管，控制輸液管水的滴速約為2.4 mL·min-1。按照炭土比0（CK）、3%（RHC-3）、5%（RHC-5）、10%（RHC-10）將生物質(zhì)炭與紅壤混合均勻，等量裝入量筒中，壓緊，各處理同時(shí)計(jì)時(shí)開始試驗(yàn)，記錄土柱的水分入滲高度、時(shí)間、移液器槍頭開始滴水的時(shí)間，當(dāng)槍頭水滴滴速均勻時(shí)，表明此時(shí)土壤水分已達(dá)到飽和狀態(tài)，停止滴水和計(jì)時(shí)，迅速對(duì)各處理土柱進(jìn)行多點(diǎn)取樣，并裝入已知質(zhì)量的帶孔鋁盒中，稱取鋁盒和土的總質(zhì)量，于烘箱105 ℃下烘干至恒重，測(cè)定質(zhì)量，計(jì)算土壤飽和含水量、水分入滲速率。

表1 紅壤和稻殼炭的理化性質(zhì)Table1 Physicochemical property of the soil and biochar

圖1 土柱滲透裝置Fig. 1 Osmosis device of soil column

1.3 土壤水分特征曲線描述（SWCC）：離心機(jī)法

將經(jīng)過 500 ℃連續(xù)熱解的稻殼炭過 0.42 mm篩，與土壤（過0.5 mm篩）充分混勻后，裝入不銹鋼環(huán)刀中，壓實(shí)，上下加微孔蓋，稱重。生物質(zhì)炭與土壤的混合比例為0%、1%、3%、5%、10%，各處理依次記為：W0、W1、W3、W5、W10，將各個(gè)處理環(huán)刀全部置于蒸餾水中浸泡24 h，吸水飽和過程中水面略低于土壤表面，待土壤吸水飽和后，取出用濾紙拭去表面明水，稱重（差值法計(jì)算毛管最大持水量）。將環(huán)刀裝入離心盒中，在恒溫25 ℃不同轉(zhuǎn)速（500、1500、2500、4000、5500、6000、7000、7500 r·min-1）下離心 100 min，每次離心后進(jìn)行稱重、記錄，當(dāng)各處理環(huán)刀總質(zhì)量保持穩(wěn)定（無水分損失）時(shí)，即離心力與土壤吸力達(dá)到了平衡，用游標(biāo)卡尺測(cè)定土樣表面到離心盒（不帶蓋）盒口的距離，然后根據(jù)下式計(jì)算離心結(jié)束時(shí)的土壤吸力（H）（尚熳廷等，2009）：

式中，n為離心機(jī)的轉(zhuǎn)速（r·min-1）；r1為基準(zhǔn)水面旋轉(zhuǎn)半徑（cm），r1=16.1 cm；l為離心機(jī)轉(zhuǎn)子中心到離心盒（不帶蓋）頂端的距離（cm），l=5.7 cm；h′為離心盒（不帶蓋）頂端到土樣表面的距離（cm）。將r1和l代入式（1），得：

待各個(gè)處理離心結(jié)束后，將土樣烘干，稱重，計(jì)算土壤飽和含水率。

1.4 土壤水分特征曲線Gardner模型

Gardner模型方程為：

式中，ψ為土壤水吸力（kPa）；SWC為土壤持水量；A表征持水能力的大小，A值越大，持水能力越強(qiáng)；B表征土壤水勢(shì)值變化時(shí)，土壤含水量變化的快慢程度，B值越大，變化越快（王孟本等，1999）。

1.5 土壤水分特征曲線Van Genuchten模型

Van Genuchten模型是描述土壤水分特征的具有代表性的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，公式如下?/p>

式中，θ為土壤含水率（%）；ψm為土壤基質(zhì)勢(shì)（土壤吸力）；θs、θr分別為土壤飽和含水率（%）和殘余含水率（%）；α、m、n分別為土壤水分曲線參數(shù)（杜臻杰等，2014；梁晨璟等，2014），一般認(rèn)為α是進(jìn)氣吸力的倒數(shù)，進(jìn)氣值即水分特征曲線接近飽和時(shí)拐點(diǎn)的吸力值（kPa）。對(duì)于同一種土壤而言，進(jìn)氣吸力越小，α值越大，排水越容易。水分特征曲線的斜率 n或 m反映了土壤的釋水速率（m·s-1），主要依賴于土壤基膜的孔隙特性。

1.6 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用 SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了差異性分析，Origin 8.0軟件對(duì)土壤水分特征曲線單一參數(shù)模型和Van-Genuchten模型進(jìn)行擬合，并計(jì)算相關(guān)參數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻殼炭對(duì)土壤水分入滲特性的影響

由圖2可知，不同的生物質(zhì)炭按照3%、5%、10%的比例與紅壤混合后，在同一入滲條件下，均顯著降低了紅壤水分的入滲率，并且隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，水分入滲率持續(xù)降低，即炭對(duì)水分的滲透抑制作用越明顯，越有利于土壤飽和含水量的提高。添加稻殼炭處理同一時(shí)刻土壤水分入滲率顯著低于對(duì)照組；稻殼炭處理的紅壤水分入滲率起始階段表現(xiàn)為：RHC-10＜RHC-5＜RHC-3＜CK，最后入滲率趨于穩(wěn)定；對(duì)照組起始階段水分入滲率最高，說明紅壤水分下滲較快。紅壤質(zhì)地粘重，易板結(jié)，持水性差，水分過快入滲，導(dǎo)致水分下滲入土壤底層，不利于作物對(duì)水分的吸收，易造成干旱，而生物質(zhì)炭具有大面積的網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，吸水、吸氣能力強(qiáng)，有利于保水保肥（張忠河等，2010），恰好彌補(bǔ)了紅壤持水性能差的缺點(diǎn)。生物質(zhì)炭通過各孔隙吸持固定大量的水分，從而改善紅壤的水分條件，調(diào)節(jié)紅壤的水分滲透，增強(qiáng)紅壤的持水能力。

圖2 稻殼炭對(duì)紅壤水分入滲率的影響Fig. 2 Effect of rice husk charcoal on water infiltration rate of red soil

2.2 稻殼炭對(duì)土壤持水特性的影響

2.2.1 土壤水分特征曲線Gardner方程擬合

采用離心機(jī)法測(cè)定了不同炭土比土壤自然吸水飽和后，在不同轉(zhuǎn)速（吸力值）下土壤水分平衡后的含水率，利用Gardner模型進(jìn)行擬合，得到各參數(shù)值。如表2所示，各處理模型擬合度較高，模型參數(shù)A值隨著紅壤中稻殼炭添加量的增多呈先增大后降低的趨勢(shì)，這說明土壤的持水能力隨著生物質(zhì)炭的增加而先增后減，當(dāng)炭土比為 5%時(shí)，A值最大，為空白對(duì)照的3倍以上，該處理顯著提高了土壤的持水能力。隨著生物質(zhì)炭添加量的增大，B值呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，說明土壤持水量的變化呈先快后慢，炭添加量為0－3%時(shí)，土壤孔隙度變大，土壤毛管吸力減弱，土壤含水量變化較快，尤其在低吸力段，較小的吸力使得土壤的含水量發(fā)生較大變化；當(dāng)炭添加量為3%－10%，隨著炭添加量的明顯增多，加上炭本身的比表面積較大，土壤顆粒表面積增大，土壤顆粒表面吸力遠(yuǎn)大于毛管吸力。因此，高炭量處理主要是炭顆粒表面的分子作用力起作用，土水勢(shì)的變化引起的土壤含水量變化也隨之減弱。

表2 Gardner模型參數(shù)值Table 2 Gardner model parameters of water characteristic curve

2.2.2 土壤水分特征曲線Van Genuchten方程擬合

測(cè)定不同添加比例稻殼炭土壤在不同吸力條件下土壤水分平衡時(shí)的含水率，利用Van Genuchten方程進(jìn)行擬合，各參數(shù)值見表 3，擬合曲線如圖 3所示。Van Genuchten模型能夠很好地模擬添加生物質(zhì)炭后紅壤水分特征曲線，相關(guān)性系數(shù)均在0.97以上。添加生物質(zhì)炭后土壤θs低于對(duì)照（不添加生物質(zhì)炭處理）。添加不同比例的生物質(zhì)炭處理紅壤θs隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而先增后減，即添加了生物質(zhì)炭后，紅壤的飽和含水率下降，但是隨著生物質(zhì)炭添加量由1%增至10%，紅壤飽和含水率呈先增后減趨勢(shì)，吸水能力則先升后降，不添加生物質(zhì)炭處理的α值較大，說明紅壤持水力差，容易排水。隨著炭土比增加（W3、W5、W10處理），α值降低，說明土壤不易排水，保水性增強(qiáng)；W0、W1和W10處理的釋水速率（m）均大于1.1，W3和W5約為1.0，表明3%和5%的生物質(zhì)炭添加量處理紅壤釋水速率較慢。

Van Genuchten模型擬合曲線如圖3所示。添加不同比例生物質(zhì)炭后土壤的持水性發(fā)生了較大變化。不同添加量處理的土壤水分曲線走向一致，在較低吸力下，質(zhì)量含水率出現(xiàn)一個(gè)急劇下降階段，之后隨著吸力的增強(qiáng)，含水量變化進(jìn)入平緩區(qū)。研究表明（吳文強(qiáng)等，2002；余新曉等，2003），在低吸力段（＜1000 kPa）土壤所能保持或釋放出的水量主要取決于土壤質(zhì)地，大孔毛細(xì)管力起主要的吸附作用；中高吸力段主要取決于土壤顆粒的表面吸附作用。在較低吸力段（0－1000 kPa）質(zhì)量含水率下降速率高于對(duì)照組，W0、W1、W3、W5、W10處理質(zhì)量含水率降幅分別為 25.86%、38.15%、38.27%、36.88%、31.64%，隨著炭添加量的增多，下降速率增大，這是因?yàn)樯镔|(zhì)炭改變了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)分布，增加了顆粒間的孔隙度，大孔毛細(xì)管力微弱，較小吸力下大孔隙中的水分即可被析出；在1000－6000 kPa吸力段，各處理土壤質(zhì)量含水率下降速率明顯減慢，這階段主要是土壤顆粒表面吸附力起作用，在同一吸附力作用下，隨著生物質(zhì)炭添加量增加，土壤質(zhì)量含水率呈增大趨勢(shì)，生物質(zhì)炭含量越高，土壤質(zhì)量含水率越高。在高吸力段（＞6000 kPa），各處理土壤質(zhì)量含水率變化趨于平緩，添加 10%生物質(zhì)炭處理土壤質(zhì)量含水率最高，持水性最好，在高吸力下土壤結(jié)構(gòu)更加緊密，孔隙通道變小，析出水分減少，這一階段的吸水力來自顆粒表面的吸附力，生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)使其具有比表面積大、容重小、吸附和交換性能強(qiáng)等特征，使得顆粒表面吸附力增強(qiáng)，持水性增強(qiáng)。

表3 水分特征曲線Van Genuchten方程參數(shù)Table 3 Van Genuchten parameters of water characteristic curve

圖3 土壤水分特征曲線Fig. 3 Water characteristic curve of red soil

2.2.3 稻殼炭-紅壤混合物毛管持水量的變化

毛管持水量是毛管上升水達(dá)最大量時(shí)的土壤含水量，由圖4可知，隨著稻殼炭添加比例的增加，土壤毛管持水量顯著增加，表現(xiàn)為 W10＞W(wǎng)5＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)0，表明隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，紅壤的密度、容重降低，孔隙度增大，毛管導(dǎo)水作用增強(qiáng)，加上生物質(zhì)炭比表面積大，增加了紅壤對(duì)水分的吸力和附著力，因此紅壤的毛管持水量隨著生物質(zhì)炭添加量增加而不斷升高。這有利于紅壤對(duì)水分的固持，可提高其抗干旱能力。

圖4 土壤毛管最大持水量Fig. 4Maximum moisture capacity of red soil

3 討論

華南地區(qū)典型紅壤的保水保肥能力較弱，而生物質(zhì)炭比面積大，陽離子交換能力強(qiáng)，還田后可對(duì)土壤的水分特征產(chǎn)生較大影響。一方面，生物質(zhì)炭通過各孔隙吸持固定大量水分，從而能改善紅壤的水分條件，調(diào)節(jié)紅壤的水分滲透，增強(qiáng)紅壤的持水能力。另一方面，生物質(zhì)炭添加至紅壤中改變了土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提高了土壤毛管持水量，并且隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而不斷升高，這也有助于紅壤對(duì)水分的固持，提高其抗干旱能力。本研究結(jié)果與Abel et al.（2013）研究結(jié)果一致，生物質(zhì)炭的添加對(duì)土壤的直接影響是降低了土壤容重，增大了土壤孔隙體積，提高了土壤的毛管持水量和飽和含水率。

值得一提的是，生物質(zhì)炭粒徑分布對(duì)土壤團(tuán)聚體、土壤孔隙分布具有顯著影響，這也可對(duì)土壤的持水能力產(chǎn)生不同的影響（Lim et al.，2016）。當(dāng)然，土壤質(zhì)地也是影響土壤水分入滲和水分特征的重要因素，生物質(zhì)炭添加到不同質(zhì)地土壤中，對(duì)該土壤的持水性的影響也是不同的。研究表明，生物質(zhì)炭對(duì)質(zhì)地較粗的土壤（砂壤、粉砂壤）持水性影響更大（Villagra-Mendoza et al.，2018；劉小寧，2017）。

本研究主要采用室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，對(duì)紅壤水分條件的改善具有一定理論指導(dǎo)作用。為更接近于實(shí)際的紅壤水分條件，今后可考慮采用田間試驗(yàn)、原位取土等方式開展深入研究。

4 結(jié)論

（1）在同一入滲條件下，添加3%、5%和10%生物質(zhì)炭均顯著降低了紅壤水分的入滲率，并且隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，水分入滲率不斷降低，炭對(duì)水分的滲透抑制作用增強(qiáng)，有利于提高土壤的飽和含水量。

（2）采用離心機(jī)法測(cè)得不同土壤吸力條件下各生物質(zhì)炭處理土壤質(zhì)量含水率，Gardner和 Van Genuchten模型對(duì)土壤水分特征的擬合結(jié)果一致。隨著生物質(zhì)炭添加量增加（1%－10%），紅壤持水力呈先增加后減弱，持水量變化速率呈先快后慢，當(dāng)炭土比為5%時(shí)，土壤持水性最好。

（3）紅壤的毛管持水量隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而不斷升高，這有利于紅壤對(duì)水分的固持，可提高其抗干旱能力。