普通生物炭和酸改性生物炭對(duì)鹽漬土入滲、蒸發(fā)過程的影響

黃成真，王 娟，仲昭易，莊 曄

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

鹽漬土在我國(guó)分布廣泛，目前土地資源日益緊張，將鹽漬土改良并加以利用變得日趨重要。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)境內(nèi)大量的鹽漬土地具有改良應(yīng)用的價(jià)值，是潛在的耕地資源，目前常用于改良鹽漬土的手段包括配套灌排設(shè)施排水、種植耐鹽作物以及添加土壤改良劑等[1-3]。

生物炭是一種將生物質(zhì)在無(wú)氧或缺氧條件下經(jīng)過高溫裂解轉(zhuǎn)化而成的產(chǎn)物[4]，是一種具有良好性質(zhì)的土壤改良劑，常用玉米秸稈、水稻秸稈、花生殼、修剪樹枝等農(nóng)林廢棄物作為制備原料。根據(jù)所用生物質(zhì)制備原料的差異，生物炭可以分為木炭、竹炭、秸稈生物炭等類型[5]，其制備方法多樣，目前常用的制備方法有慢速熱解、快速熱解和高溫限氧氣化法[6]，不同的原材料以及制備方法對(duì)于生物炭最終的性質(zhì)具有很大的影響。目前關(guān)于生物炭在農(nóng)業(yè)方面的研究主要集中在生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的改良。生物炭多為堿性，研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭能改良酸性土壤pH[7]，但對(duì)堿性土壤是否有改良效果仍有爭(zhēng)議，部分研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭能夠有效降低鹽漬土pH[8，9]，也有部分研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭對(duì)降低土壤pH的效果不顯著[10，11]，有研究發(fā)現(xiàn)生物炭酸化改性后能夠有效降低鹽堿土pH[12]，為生物炭在鹽堿土改良中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了新思路。

改性生物炭不同于普通生物炭，通常會(huì)在制備階段或使用前通過各種手段對(duì)生物炭進(jìn)行處理，得到性質(zhì)不同的新生物炭。酸改性生物炭是使用酸對(duì)生物炭進(jìn)行改性處理后得到的產(chǎn)物，在對(duì)土壤改良的方面具有廣闊的應(yīng)用前景，常用于改良生物炭的酸有：硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、氫氟酸等。酸洗可以洗去生物炭表面灰分、增加比表面積[13，14]，但不同的酸對(duì)生物炭的結(jié)構(gòu)改良可能有不同的效果。如硝酸具有腐蝕性，處理不當(dāng)可能會(huì)造成生物炭比面積的減小[15]，磷酸是一種常見的中強(qiáng)酸，用于酸化生物炭可以提高生物炭比表面積、增強(qiáng)吸附能力[16，17]，是理想的酸化試劑。

本試驗(yàn)針對(duì)的是酸改性生物炭對(duì)鹽漬土理化性質(zhì)的改良，主要研究了酸改性生物炭以及普通秸稈生物炭在不同添加量下對(duì)鹽漬土的改良效果。根據(jù)室內(nèi)土柱試驗(yàn)以及蒸發(fā)試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)分析添加酸改性生物炭與普通小麥秸稈生物炭對(duì)濱海鹽漬土入滲、蒸發(fā)以及土壤水分、鹽分、pH的影響。研究結(jié)論對(duì)濱海鹽漬土改良具有一定的指導(dǎo)意義。

1 原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

1.1.1 供試土壤

試驗(yàn)土壤取自江蘇省東臺(tái)市弶港鎮(zhèn)條子泥墾區(qū)附近，初始容重1.4 g/cm3，飽和含水率(質(zhì)量)38.7%，田間持水率24.6%，土壤含鹽量4.72 g/kg，pH值8.51。使用馬爾文激光粒度分析儀(MS-2000)測(cè)定土壤顆粒組成如表1所示，依據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地標(biāo)準(zhǔn)分類，土壤為粉砂質(zhì)壤土。

1.1.2 試驗(yàn)用生物炭

試驗(yàn)所用的生物炭來(lái)自于河南譽(yù)中奧農(nóng)業(yè)科技有限公司，制備原料為小麥秸稈，制備溫度550～600 ℃，碳化時(shí)間4～6 h，

容重0.19 g/cm3,比表面積9 m2/g,總孔隙度67.03%，通氣孔隙度12.87%，持水孔隙度61.10%，pH值10.24，陽(yáng)離子交換量60.8 cmol/kg。將生物炭研磨，過2 mm篩備用。

試驗(yàn)中的改性生物炭是指用磷酸對(duì)生物炭進(jìn)行預(yù)處理。將上述生物質(zhì)炭與質(zhì)量百分比濃度為25%的磷酸溶液以質(zhì)量比1∶2混合均勻，浸泡30 min以上。浸泡后進(jìn)行固液分離，將得到的生物炭用純水清洗，直到洗出液為中性為止，最后進(jìn)行干燥并研磨，過2 mm篩得到酸改性生物炭備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)置一個(gè)不添加生物炭的對(duì)照處理(CK)，將添加量(2%、4%、8%)和生物炭種類(普通生物炭A、酸改性生物炭B)作為變量，組合后共設(shè)置7個(gè)處理，分別標(biāo)記為(CK、A1、A2、A3、B1、B2、B3)，重復(fù)3次。根據(jù)土壤來(lái)源地的田間實(shí)際容重，本次試驗(yàn)的土壤容重設(shè)計(jì)為1.4 g/cm3。

1.2.2 土柱與蒸發(fā)桶設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為入滲和蒸發(fā)兩個(gè)部分，入滲試驗(yàn)在土柱中進(jìn)行，蒸發(fā)試驗(yàn)在容積為5 L的塑料桶中進(jìn)行。

試驗(yàn)所用土柱為PVC透明圓柱，內(nèi)徑10 cm、高40 cm，側(cè)面貼有以mm為基礎(chǔ)刻度的不干膠刻度尺，根據(jù)試驗(yàn)要求一共設(shè)置21個(gè)試驗(yàn)土柱。為了減少管壁對(duì)土壤入滲的影響，裝土前需用凡士林涂抹內(nèi)壁。土柱以田間實(shí)際容重為填土容重(1.4 g/cm3)，計(jì)算好生物炭與土壤用量，先裝土5 cm，后按每層3 cm進(jìn)行分層裝土，每層夯土?xí)r需要打毛表面，填土總高度35 cm。

試驗(yàn)使用容積5 L的塑料桶進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，塑料桶底部鉆有小洞以排水，進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)時(shí)需用膠布將排水口封閉。根據(jù)土壤容重計(jì)算好生物炭與土壤用量，并按照3 cm一層進(jìn)行填土，填土總高度12 cm。

1.3 測(cè)定方法

入滲部分的試驗(yàn)采用一維定水頭垂直積水入滲法進(jìn)行測(cè)定，使用馬氏瓶將水頭高度控制在4 cm，依據(jù)土柱內(nèi)徑與控制水頭所需，在燒杯中準(zhǔn)備235.6 g純水，在入滲試驗(yàn)開始時(shí)，打開閥門使馬氏瓶供水，并同時(shí)將燒杯中準(zhǔn)備好的水倒入土柱以保證水頭高度，按照先密后疏(0～3 min內(nèi)間隔30 s，3～10 min間隔1 min，10～20 min間隔2 min，20～60 min間隔4 min，60 min以上間隔5 min)的原則記錄濕潤(rùn)峰運(yùn)移距離和累積入滲量，當(dāng)濕潤(rùn)峰運(yùn)移至土柱最下端5 cm的土層時(shí)停止讀數(shù)，但每組試驗(yàn)均需供水直至土壤有水分淋洗出。入滲試驗(yàn)完成后立即將土柱封口減少蒸發(fā)的影響。

蒸發(fā)部分的試驗(yàn)采用室內(nèi)稱重法進(jìn)行，試驗(yàn)開始前對(duì)裝好土的蒸發(fā)桶進(jìn)行稱重，記為原始重量。試驗(yàn)開始后，每天20∶00對(duì)蒸發(fā)桶進(jìn)行稱重，記錄每日損失的重量，即為每日蒸發(fā)的水分重量。30 d后結(jié)束稱重，記錄所得數(shù)據(jù)。

入滲試驗(yàn)結(jié)束1 d后，將土壤按照5 cm一層進(jìn)行分層取土，將土樣烘干、磨碎，過2 mm篩后制備1∶5土水比浸提液，雷磁DSSJ-308A型電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率，雷磁PHS-3C pH儀測(cè)定土壤pH值。

土壤的水分采用烘干法進(jìn)行測(cè)量，按照深度對(duì)土壤進(jìn)行分組，每10 cm分為一組，測(cè)定土壤表層30 cm含水率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本次試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)用Excel 2016以及SPSS17進(jìn)行處理，使用origin2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤累積入滲量的影響

通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)探究不同添加量下生物炭以及改性生物炭對(duì)鹽漬土入滲的影響，累積入滲量隨時(shí)間的變化如圖1所示。CK、A1、A2、A3、B1、B2、B3在60 min時(shí)的累積入滲量分別為52.0、55.9、56.4、64.6、56.1、58.2、62.8 mm，各處理的累積入滲量均高于對(duì)照組,相對(duì)CK增加了7.6%～24.3%的累積入滲量，A3處理對(duì)累積入滲量的提高效果最顯著，相對(duì)CK提高了24.26%，說明添加生物炭以及改性生物炭均提高累積入滲量，且生物炭添加量越大，累積入滲量提高幅度越大。A3處理對(duì)土壤累積入滲量增益的效果好于B3，但B2處理對(duì)累積入滲量的增益效果好于A2，說明改性生物炭與普通生物炭對(duì)土壤累積入滲量的影響可能與添加量有關(guān)，在較高的添加梯度下，普通生物炭對(duì)土壤累積入滲量的促進(jìn)效果更明顯。

圖1 不同處理下土壤累積入滲量隨時(shí)間的變化Fig.1 The dynamics of soil cumulative infiltration under different treatments

2.2 不同處理對(duì)濕潤(rùn)峰運(yùn)移的影響

濕潤(rùn)峰運(yùn)移可以反映出土壤水分入滲能力，濕潤(rùn)峰運(yùn)移隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 不同處理下濕潤(rùn)峰運(yùn)移隨時(shí)間的變化Fig.2 The dynamics of wetting front migration under different treatments

CK、A1、A2、A3、B1、B2、B3在60 min時(shí)濕潤(rùn)峰運(yùn)移距離分別為23.3、24.4、24.7、26.9、26.3、26.7、27 cm。不同處理均能提高土壤的入滲能力，促進(jìn)濕潤(rùn)峰的運(yùn)移，且添加量越大促進(jìn)入滲的作用越明顯。各處理相比，B3處理效果最為明顯，濕潤(rùn)峰運(yùn)移距離相對(duì)CK提高了15.71%。在相同的生物炭添加數(shù)量下，改性生物炭的試驗(yàn)組對(duì)土壤濕潤(rùn)峰運(yùn)移的促進(jìn)效果均好于普通生物炭試驗(yàn)組，說明改性生物炭在促進(jìn)濕潤(rùn)峰運(yùn)移方面具有更好的效果

2.3 不同處理對(duì)土壤剖面含水率的影響

添加生物炭與改性生物炭能改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，影響土壤持水性能。在入滲試驗(yàn)結(jié)束后將土柱封口，靜置1 d后按10 cm一層取樣測(cè)定不同處理下各土層的含水率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 生物炭不同添加量下土壤含水率隨土壤深度的變化Fig.3 The soil water content at different depth with various biochar application

由圖3可知，在入滲試驗(yàn)結(jié)束1 d后，土壤含水率整體上呈現(xiàn)從上到下減少的趨勢(shì)，各處理土壤平均含水率大小為B3>B2>B1>A3>A1>A2>CK，比較0～30 cm土層土壤含水率發(fā)現(xiàn)，B1、B2、B3處理能夠顯著提高土壤的含水率(p<0.05)，A1、A2、A3處理雖然也表現(xiàn)出提高土壤含水率的趨勢(shì)，但影響達(dá)不到顯著水平(p>0.05)。

2.4 不同處理對(duì)土壤剖面pH的影響

鹽漬土的pH一般較高，為了探究各處理對(duì)土壤pH的改良效果，在入滲試驗(yàn)結(jié)束后按5 cm一層取樣測(cè)定不同處理下各土層的pH值，結(jié)果如表2所示。

總體來(lái)講，各處理?xiàng)l件下土壤pH均低于對(duì)照，除B3處理外，其他各處理土壤pH表現(xiàn)為隨土層深度的增加先升高后降低的趨勢(shì)，以5～15 cm深度處pH最高，而30～35 cm處pH最低。比較土壤0～35 cm平均pH發(fā)現(xiàn)，除了A1處理，其他處理均顯著降低了土壤平均pH。對(duì)土壤pH改良效果最好的是B3處理，且各土層pH均滿足B1>B2>B3>7的關(guān)系，說明添加改性生物炭能夠有效地改良鹽漬土的pH，且添加量越多，對(duì)鹽漬土pH的改良效果越好，而普通生物炭在較高添加量下(4%以上)也能對(duì)土壤pH起到調(diào)節(jié)作用。

表2 不同處理土壤剖面pH值Tab.2 The pH value of soil profile under different treatments

2.5 不同處理對(duì)土壤剖面鹽分的影響

為了探討添加普通生物炭以及改性生物炭對(duì)土壤鹽分淋洗的影響，在入滲試驗(yàn)結(jié)束后按每5 cm一層取樣測(cè)定不同處理下各土層的含鹽量，各種處理方式下入滲后土體鹽分的分布情況如圖4所示。

圖4 不同處理土壤剖面鹽分分布Fig.4 The salt distribution in soil profiles under different treatments

入滲試驗(yàn)結(jié)束后土壤的鹽分隨水分下滲到了較深層土層，因此土壤鹽分含量總體呈現(xiàn)由上到下逐漸增大的趨勢(shì)。分析0～15 cm土層的土壤鹽分含量，發(fā)現(xiàn)B3處理表層15 cm土壤的含鹽量顯著高于CK，其他處理則未產(chǎn)生顯著性差異。分析15～30 cm土層的土壤鹽分含量，發(fā)現(xiàn)A1處理顯著降低了土壤的含鹽量。比較0～30 cm土層土壤平均含鹽量，發(fā)現(xiàn)各處理對(duì)土壤鹽分影響不大。說明改性生物炭添加量過高(8%)可能不利于表層0～15 cm土壤鹽分的淋洗，少量添加生物炭(2%)有利于15～30 cm土層土壤鹽分的排出。

2.6 不同處理對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

各處理日蒸發(fā)量測(cè)定結(jié)果見圖5，各處理對(duì)土壤累積蒸發(fā)量的影響見圖6。由圖5可知不同試驗(yàn)組的蒸發(fā)規(guī)律沒有明顯改變，影響日蒸發(fā)強(qiáng)度的主要因素為含水率和溫度。蒸發(fā)開始時(shí)土壤含水率較高，日蒸發(fā)量較大，在第12、13、22、23 d時(shí)，由于溫度較高，土壤蒸發(fā)量也較大。由圖6可知，僅A3顯著降低了土壤的累積蒸發(fā)量，而其他處理未達(dá)到顯著影響，說明生物炭在較高添加量下(8%)能夠抑制土壤蒸發(fā)，但較低添加量下對(duì)土壤蒸發(fā)的影響不大。

圖5 不同處理土壤日蒸發(fā)量變化過程Fig.5 The dynamics of daily soil evaporation

圖6 不同處理土壤累積蒸發(fā)量Fig.6 The accumulated evaporation under different treatments

3 討 論

土壤的入滲能力受土壤質(zhì)地、所添加生物炭粒徑大小、添加量、添加方式等多方面因素的影響[18-20]。李興等[19]發(fā)現(xiàn)添加生物炭能夠抑制沙壤土的入滲，王幼奇等[20,21]發(fā)現(xiàn)添加生物炭會(huì)減緩寧夏黑壚土的入滲速率，但當(dāng)研究對(duì)象變?yōu)榈意}土?xí)r，添加生物炭又起到了增加入滲速率的作用。本試驗(yàn)中添加普通生物炭以及酸改性生物炭均能夠加快濕潤(rùn)峰的運(yùn)移、增加累積入滲量，提高土壤含水率，且隨著添加量的增加，對(duì)濕潤(rùn)峰運(yùn)移的促進(jìn)以及累積入滲量的增加就越明顯，這與許多研究成果相同[22-24]，這可能是因?yàn)辂}漬土透水性差，添加生物炭可以改良土壤結(jié)構(gòu)，增大土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤滲透性[25]。

目前關(guān)于生物炭對(duì)鹽漬土pH改良效果的研究仍較少，唐珺瑤[8]發(fā)現(xiàn)在淹水培養(yǎng)條件下，生物炭提高了土壤中的碳酸氫鹽濃度，有效降低了土壤pH，認(rèn)為微生物的產(chǎn)氫產(chǎn)酸過程是降低鹽漬土pH的重要因素。趙海成[9]發(fā)現(xiàn)添加生物炭降低了鹽漬土pH，但也有部分研究人員發(fā)現(xiàn)添加生物炭不能顯著降低鹽漬土pH[10,11]，本試驗(yàn)中普通生物炭在添加量較低時(shí)對(duì)土壤pH改良效果不理想，酸改性生物炭對(duì)改良鹽漬土pH效果顯著，且添加量越大，改良效果越明顯，這與部分研究的結(jié)論相同[25-27]。

添加生物炭以及改性生物炭會(huì)影響到土壤水分入滲的過程，影響到鹽分的淋洗，從而影響到土體中鹽分的分布情況。李文雪[22]發(fā)現(xiàn)添加量5%的生物炭能夠提高鹽分的淋洗效率，岳燕等[28]發(fā)現(xiàn)添加量2%的生物炭將淋洗后的土壤表層鹽分降低了34.25%，本試驗(yàn)中B3處理顯著增大了土壤0～15 cm土層的含鹽量，A1處理顯著降低了土壤15～30 cm土層的含鹽量，說明少量添加生物炭有利于較深層土壤利用水分的入滲排鹽，這可能是因?yàn)檫m量添加生物炭能夠提高鹽漬土的入滲能力，促進(jìn)鹽分排出，但添加量過高時(shí)可能導(dǎo)致土壤水分入滲過快，從而使得淋洗過程不充分，生物炭對(duì)土壤鹽分淋洗的影響可能與土壤質(zhì)地、生物炭添加量等因素相關(guān)。

本試驗(yàn)僅A3處理對(duì)土壤的蒸發(fā)能力起到了抑制作用，其他處理則對(duì)土壤蒸發(fā)能力沒有顯著影響。李帥霖等[29]發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)塿土蒸發(fā)能力影響不顯著，肖茜等[30]發(fā)現(xiàn)生物炭的添加對(duì)黃綿土以及黑壚土的蒸發(fā)能力沒有顯著影響，但抑制了風(fēng)沙土的前期蒸發(fā)，許建等[31]發(fā)現(xiàn)風(fēng)沙土的蒸發(fā)能力受所添加生物炭的種類、添加量、粒徑大小等多重因素影響。相關(guān)研究說明生物炭的添加量、土壤的質(zhì)地都可能成為影響蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)果的因素，為了進(jìn)一步探究添加生物炭對(duì)土壤蒸發(fā)能力的影響，今后的研究可以針對(duì)不同質(zhì)地的土壤，采取不同的生物炭添加量進(jìn)行更多的試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

在淋洗入滲階段，添加普通生物炭以及酸改性生物炭能夠促進(jìn)濕潤(rùn)峰的運(yùn)移，增加累積入滲量，提高土壤的含水率，降低鹽漬土pH，對(duì)于改良濱海地區(qū)鹽漬土效果較理想，但添加量過高可能不利于土壤鹽分淋洗。在蒸發(fā)階段，添加生物炭以及改性生物炭對(duì)土壤的蒸發(fā)能力影響較小。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮多方面因素，特別是土壤本身的顆粒級(jí)配組成等因素，基于本試驗(yàn)所研究的土壤，添加4%的改性生物炭不僅能夠有效改良土壤的pH、促進(jìn)土壤水分入滲，而且對(duì)土壤鹽分淋洗以及蒸發(fā)的影響較小，因此認(rèn)為添加4%的改性生物炭對(duì)于改良濱海鹽漬土的效果最理想。