玉米秸稈生物炭用量對砂土孔隙和持水性的影響

張慧琦 ，李子忠*，秦艷

1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；3.吉林師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 四平 136000

截至 2014年，中國沙化土地總面積 1.72×106km2，占國土總面積的17.93%（國家林業(yè)和草原局等，2015）。同時砂土在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也占有重要的地位。近些年全球氣候變化劇烈，極端天氣狀況（長期干旱、水澇等）增加（Trenberth et al.，2015；Herawati et al.，2021），給全球的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都帶來了不穩(wěn)定性（Lesk et al.，2016），尤其是砂土區(qū)。這主要是因為砂土中有機質(zhì)和黏粒含量少，土壤大孔隙較多，土壤中的水分容易向下滲漏（Herawati et al.，2021），使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在不同的年季之間有很大的變異性（Song et al.，2022）。另外，中國每年都有大量的秸稈資源亟待處理利用（石祖梁，2018）。秸稈、有機肥等傳統(tǒng)有機物質(zhì)的施用，會因為砂質(zhì)土的好氧環(huán)境導(dǎo)致有機物質(zhì)的礦化速度加快，不利于有機質(zhì)的積累，并且容易造成農(nóng)田土壤溫室氣體排放增加，作物對水分和養(yǎng)分的利用率下降（謝立勇等，2011；孫麗惠等，2020）。

生物炭有著很大的比表面積，也有著良好的孔隙分布，這使得生物炭具有很高的保水能力（Wang et al.，2019）。在土壤中施用生物炭可以有效地改善土壤物理性能，顯著提高土壤的水分含量（房彬等，2014），增強土壤對水分的保持能力，促進植物生長（Jeffery et al.，2011；Blanco-Canqui，2017；Edeh et al.，2020），尤其在砂土中（Zhang et al.，2021）。生物炭大量施用后，憑借其巨大的比表面積以及豐富的有機質(zhì)含量，可以提高土壤對水分的保持能力（Solaiman et al.，2012），使土壤的田間持水量增加11%（Karhu et al.，2011）。Novak et al.（2009）的研究也表明，與不添加生物炭的處理相比，使用柳枝稷（PanicumvirgatumL.）制成的生物炭能夠使壤質(zhì)砂土的持水量從6.7%增加到15.9%。在壤質(zhì)砂土上添加生物炭提高土壤持水能力，也會提高土壤中作物的水分有效性（Basso et al.，2013）。不同孔隙結(jié)構(gòu)的生物炭對土壤物理和水力特性的影響是不同的（Bikbulatova et al.，2018；Yang et al.，2021）。

當(dāng)前多數(shù)研究表明，生物炭施用能夠提高土壤的持水性，但是以往關(guān)于生物炭對土壤持水性以及有效水含量的研究結(jié)果并不一致。尤其是不同的生物炭用量和不同的土壤之間表現(xiàn)差異很大。生物炭對不同類型的土壤中的（砂土、粉砂壤土和黏粒土）土壤有效水的影響并不一致，不同的土壤水含量的計算方式不同結(jié)果也不太相同；當(dāng)以體積含水量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)時，生物炭能夠少量增加砂土中的有效水含量，對其他土壤的有效水影響并不明顯（Zhang et al.，2021）。閆辰嘯等（2021）的研究表明，通過測定土壤水分特征曲線中的田間持水量（FHC）和萎蔫系數(shù)（WP）發(fā)現(xiàn)，土壤有效含水量會隨著生物炭添加量的增加而增加。這與 Cornelissen et al（2013）在 5種土壤中添加玉米芯制成的生物炭能夠顯著提高作物可利用的有效水的結(jié)論一致，但與Burrell et al.（2016）在砂土中添加木質(zhì)生物炭后沒有顯著改變土壤有效水含量的結(jié)論不同?？傮w而言，生物炭能夠改善土壤的水力特性，但其改良效果很大程度上取決于生物炭的類型，以及生物炭的用量和土壤質(zhì)地（Edeh et al.，2020；Razzaghi et al.，2020）。這主要是由于制備條件和原材料的不同，所形成的生物炭的含碳量、組成成分和芳香化程度都會有所不同，從而導(dǎo)致生成的生物炭的理化特性也有所差異（Mukome et al.，2013）。有研究表明在450—550 ℃下產(chǎn)生的生物炭具有較高的大、中和小孔隙分析，是生物炭作為土壤改良劑增加保水能力的最佳孔隙特性（Yang et al.，2021）。

本實驗根據(jù)目前中國關(guān)于玉米秸稈還田利用的現(xiàn)狀和發(fā)展，探究不同用量的玉米秸稈生物炭在砂土中的應(yīng)用效果。利用玉米秸稈在500 ℃下裂解產(chǎn)生的生物炭，通過室內(nèi)比重瓶法和離心機法測定生物炭不同的添加量對土粒密度、有效水含量和孔隙大小的影響規(guī)律，分析玉米秸稈生物炭的施用對砂土持水性等的影響，為應(yīng)用生物炭改良砂土提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和處理

供試土壤為砂土（土壤顆粒組成砂粒、粉粒和黏粒的質(zhì)量分數(shù)分別為96.26%、2.44%和1.30%），取自吉林省四平市梨樹縣付家街村（43.3°N，124.4°E，海拔196 m，深度20—40 cm）。土壤容重為 1.65 g·cm-3，無鹽酸反應(yīng)，田間持水量為 0.188 cm·cm-3，萎蔫含水量為 0.087 cm·cm-3。所有土壤經(jīng)過風(fēng)干處理過2 mm篩。將大約40 kg的風(fēng)干土用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水率到 75%田間持水量（FHC），25 ℃下培養(yǎng)7 d。玉米秸稈取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實驗站，秸稈風(fēng)干磨碎過2 mm篩。將粉碎后的玉米秸稈在500 ℃條件下制備生物炭。各試驗材料的性質(zhì)如表1。

表1 砂土、生物炭、玉米秸稈的化學(xué)性質(zhì)Table 1 Chemical analysis of sandy soil, biochar and maize straw

將玉米秸稈生物炭和供試土壤（干質(zhì)量）按0、1%、2%、3%、4%、6%、8%和10%的質(zhì)量比均勻混合，分別記為CK、1BC、2BC、3BC、4BC、6BC、8BC和10BC，每個處理3個重復(fù)。

1.2 測定項目與方法

土壤水分特征曲線采用離心機法（尚熳廷等，2009）測定，并確定試驗土壤的田間持水量、萎蔫系數(shù)。根據(jù)設(shè)計壓力設(shè)定離心機轉(zhuǎn)速，本試驗設(shè)定的轉(zhuǎn)速n分別 500、1000、1500、2000、3000、4000、5000、6000、8000、9000 r·min-1。離心過程完成后，將土樣烘干稱質(zhì)量，并計算各個轉(zhuǎn)速下的土壤質(zhì)量含水量θg。

應(yīng)用土壤水分特征曲線van Genuchten（1980）將各轉(zhuǎn)速下H′和θv進行擬合得到pF曲線，根據(jù)趙雅瓊（2015）綜合其他模型分析得知，van Genuchten模型是擬合水分特征曲線最理想的模型。

van Genuchten（1980）水分特征曲線擬合模型：

式中：

θ——土壤體積含水量（cm3·cm-3）；

θr——土壤殘余含水量（cm3·cm-3）；

θS——土壤飽和含水量（cm3·cm-3）；

h——是土壤基質(zhì)勢；

α——土壤進氣值參數(shù)；

m、n——曲線形狀參數(shù)；m=1-1/n。

再根據(jù)下式計算相應(yīng)吸力下的當(dāng)量孔徑，從而得到土壤孔隙分布狀況。土壤孔隙的分配采用的是Taboada的方法（Taboada et al.，1985），將土壤孔隙分為≥50 μm、50—20 μm 和<20 μm 3 部分。

式中：

D——相應(yīng)吸力下的當(dāng)量孔徑（mm）；

S——土壤吸力（hPa）。

利用壓力鍋調(diào)節(jié)壓力0.3 bar和15 bar，分別測定土壤樣品的田間持水量和萎蔫含水量，二者之差即為各處理土壤的有效含水量。

土粒密度采用比重瓶稱質(zhì)量法測定。計算公式如下：

其中：

d——真密度（g·cm-3）；

dw——該溫度下水的密度（g·cm-3）；

ms——裝入土壤的比重瓶的質(zhì)量（g）；

ma——比重瓶的質(zhì)量（g）；

msw——裝入土壤和水的比重瓶的質(zhì)量（g）；

mw——裝入水的比重瓶的質(zhì)量（g）。

1.3 統(tǒng)計分析方法

所有測量指標(biāo)數(shù)據(jù)應(yīng)用SAS（9.2）軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方差分析（ANOVA），并用最小顯著法LSD進行各處理的多重比較（P<0.05）。應(yīng)用 Microsoft Excel 2019整理數(shù)據(jù)，Origin（2021）軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土粒密度

從圖1可知，隨著生物炭添加量的增加，土粒密度呈下降趨勢。1BC和2BC相對CK處理對土粒密度無顯著影響，3BC、4BC、6BC、8BC使土粒密度有所降低但和CK處理相比也沒有顯著差異；只有大量施用生物炭時，10BC處理相對于CK、1BC、2BC處理能使土粒密度顯著降低，在10BC處理中土粒密度降到2.53 g·cm-3，降低了5.6%。

圖1 生物炭用量對土粒密度的影響Figure 1 Effect of biochar amount on soil particle density

2.2 土壤持水性

添加生物炭能夠使土壤萎蔫含水量（圖 2a）、田間持水量（圖2b）和有效含水量（圖2c）都顯著增加。與CK相比，1BC、2BC、3BC、4BC、6BC、8BC和10BC分別使土壤上能夠萎蔫含水量增加了11%、17%、34%、31%、41%、56%和73%。2BC、3BC、4BC、6BC、8BC和10BC分別使土壤田間持水量增加了14%、26%、39%、59%、83%和103%。2BC、4BC、6BC、8BC和10BC使土壤有效含水量分別增加了17%、67%、100%、133%和150%。與CK相比，處理1BC對田間持水量和有效水含量都沒有顯著影響。根據(jù)表2中的水分特征曲線參數(shù)也可以看出，除了2BC的飽和含水量（質(zhì)量含水量）顯著小于CK外，6BC和10BC都可以顯著提高土壤的飽和含水量。由此可見，隨著生物炭用量的增加，土壤萎蔫含水量、田間持水量和飽和含水量都會顯著增加，且田間持水量的增加幅度大于萎蔫含水量的增加幅度，所以土壤有效含水量能夠顯著增加。

圖2 生物炭用量對土壤持水性的影響Figure 2 Effect of biochar dosage on water-holding capacity of soil

表2 土壤水分特征曲線參數(shù)Table 2 Simulation parameters of pF curve

2.3 土壤孔隙狀況

根據(jù)不同處理對土壤有效水含量的影響效果，挑選處理CK、2BC、6BC和10BC經(jīng)離心機測定基質(zhì)勢和含水量，用van Genuchten模型模擬得到的水分特征曲線的參數(shù)見表 2，計算的孔隙狀況見表3。>50 μm的孔隙主要用于土壤通氣性和快速的重力排水，>100 μm的孔隙是作物根系生長的主要區(qū)域。本試驗是室內(nèi)試驗測定的土樣均為擾動土，所以將土壤孔隙分為≥50 μm、50—20 μm 和<20 μm。由表3可知只有2BC處理相較于CK處理，≥50 μm的土壤孔隙顯著減少，并能夠顯著提高50—20 μm和<20 μm的孔隙。而其他處理對土壤孔隙分布影響不顯著。

表3 土壤孔隙分布占比Table 3 Percentage of soil pore size distribution

3 討論

生物炭作為一種改良劑，其應(yīng)用主要集中在土壤理化性質(zhì)改良和對土壤中的重金屬等污染物的去除上（Yuan et al.，2015；Burrell et al.，2016；He et al.，2019）。土壤保水能力受土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)和土壤有機質(zhì)含量的影響，生物炭施入土壤后能夠改變土壤孔隙度、團聚程度和較強的吸附能力，最終影響土壤的保水能力（Baiamonte et al.，2019；Li et al.，2022），影響程度取決于土壤比表面積的相對變化。本研究結(jié)果表明，2BC處理相對于CK處理，≥50 μm的大孔隙顯著減少，同時能夠顯著提高50—20 μm和<20 μm的孔隙。同時相對于CK處理，添加玉米秸稈生物炭處理對砂土的有效含水量有顯著提高，僅處理1BC和CK之間沒有顯著差異。這和閆辰嘯等（2021）的研究結(jié)果類似，生物炭是一種擁有巨大比表面積與電荷密度的多孔結(jié)構(gòu)有機物，與風(fēng)砂土結(jié)合后改善了土壤中的團粒結(jié)構(gòu)，極大地增強了土壤顆粒對水分子的吸附能力，在顆粒間形成了較厚的水膜，使土壤孔隙中更多的重力水轉(zhuǎn)變?yōu)槊芩笆`水，從而增強了土壤整體的持水。而Wang et al.（2019）的研究表明，在長期的田間試驗中，粘土?xí)艿酵寥辣旧眍w粒固持的影響而對土壤有效水含量沒有顯著影響，但是和試驗室內(nèi)的培養(yǎng)結(jié)果具有一定的相似性，對土壤的田間持水量和有效含水量都有一定提高作用。相反，Obour et al.（2020）在長達36個月的盆栽試驗中，發(fā)現(xiàn)不同顆粒大?。?2 mm和2—4 mm）的生物炭對熱帶砂質(zhì)粘土的植物有效水分沒有產(chǎn)生影響。而本試驗的研究結(jié)果表明，施用生物炭能夠提高砂土的保水性，這和Li et al.（2021）的研究結(jié)果類似，施用生物炭確實可以改善土壤保水性能，雖不能完全緩解干旱脅迫對植物的影響，但可以在一定程度上減少灌溉水量。

施入生物炭能夠直接影響作物吸收利用的水，土壤保水性的表現(xiàn)主要是集中在>50 μm 范圍的孔隙，因為這些微米孔隙儲存的水分植物更容易獲得。由于生物炭具有較高的內(nèi)表面積和多孔結(jié)構(gòu)能夠改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)和蓄水能力，從而具備更好的保水能力（Baiamonte et al.，2019；Wang et al.，2019）。這和房彬等（2014）的研究結(jié)果類似，在旱作農(nóng)田中施用生物炭可以提高土壤的持水性，且隨著施用量的增加土壤年平均含水量相比對照處理的增幅越高。同樣地，閆辰嘯等（2021）的定量研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分有效性等參數(shù)隨著生物炭施用量的增加而增大，且在12%和16%的生物炭施用比例下，土壤持水特性、土壤水分常數(shù)、土壤水分有效性及土壤毛管孔隙占比均未表現(xiàn)出明顯差異，只在土壤飽和導(dǎo)水率中表現(xiàn)出隨生物炭含量增加而明顯下降的現(xiàn)象。生物炭的應(yīng)用在改良土壤、提高作物有效水含量時，會通過改善生物炭或土壤的孔隙大小來控制有效水的增加（Yang et al.，2021）。生物炭施用量的增加有利于土壤的孔隙和土壤團聚體的形成，顯著增大了土壤比表面積，從而提高土壤保水能力（Tang et al.，2013；曾愛等，2013）。有研究表明，與對照處理（生物炭添加量為零）相比，生物炭可以使土壤田間持水量增加23%（Basso et al.，2013）。同樣地，生物炭對土壤持水能力的影響也與土壤類型有關(guān)，劉祥宏（2013）的研究結(jié)果表明，生物炭對于塿土、黑壚土、黃綿土和砂黃土的作用效果不明顯，僅對風(fēng)砂土的持水能力體現(xiàn)出明顯的提高效果，尤其生物炭施用量高的情況下對風(fēng)砂土保水能力改善更加明顯。Burrell et al.（2016）發(fā)現(xiàn)生物炭對3種不同的農(nóng)田土壤（黑鈣土、白漿土、始成土）中的植物可利用的有效含水量有不同的結(jié)果。這和Zhang et al.（2021）的研究結(jié)果相似，生物炭對不同類型土壤中的（砂土、粉砂壤土和黏粒土）植物有效水的影響并不一致。因此，生物炭施用后對砂土改良的長期效果還需要進一步的研究，這對通過施用生物炭緩解田間作物干旱脅迫和指導(dǎo)灌溉用水都有很重要的意義。

4 結(jié)論

本試驗分析不同添加量生物炭對土壤的土粒密度、孔隙分布狀況、田間持水量以及萎蔫系數(shù)等的影響，結(jié)果表明，玉米秸稈生物炭的施用通過降低土壤的土粒密度和≥50 μm的孔隙，提高了田間持水量和萎蔫含水量，且對土壤田間持水量的提高更大，進而能夠提高土壤的有效含水量。當(dāng)施用量≥2%時土壤有效含水量有明顯提高，且隨著施用量的增加，土壤有效含水量提高越大，在10%時效果最好。但是以10%的生物炭施用量應(yīng)用于大田時（相當(dāng)于在砂土表層0—20 cm土壤中施用330 t·hm-2的生物炭），大量的生物炭施用會增加經(jīng)濟投入，因此在施用生物炭提高砂土持水性時，既要考慮生物炭的施用量應(yīng)≥2%時才會有明顯效果，又要考慮大量施用生物炭的經(jīng)濟投入和回報。最優(yōu)生物炭施用量需結(jié)合長期大田試驗進行驗證。