外加劑對(duì)土壤水分保持性能影響研究

宋邦其

(畢節(jié)市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 畢節(jié) 551700)

水是自然界中最重要的物質(zhì)，在土壤中是植物組織不可或缺的元素，也是植物通過根毛收集的礦鹽的載體[1]。植物收集水分的能力取決于其與土壤結(jié)合的能力，從而取決于土壤的質(zhì)量和水量。土壤中水的存在決定了它的所有基本功能。然而，由于受土壤本身持水性能的影響以及環(huán)境的變化，部分地區(qū)土壤中水分開始逐漸流失，使土地生產(chǎn)力下降甚至喪失，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此改善土壤的固水性能十分重要[2-3]。

周晗等[4]以離石王家溝流域官道梁坡地土壤為研究對(duì)象,對(duì)保水劑以及施加保水劑后土壤的吸水性及保水性進(jìn)行了測(cè)定分析; 金云杰[5]以丹東市寬甸縣棕壤土區(qū)無(wú)水保措施和5種不同水保措施的坡地為例,通過對(duì)比土壤可蝕性特征與速效養(yǎng)分含量的差異,揭示了不同水保措施下土壤可蝕性與速效養(yǎng)分間的關(guān)系;周曉瑩等[6]研究了油頁(yè)巖與沙復(fù)配成土的保水特性，結(jié)果表明油頁(yè)巖與沙復(fù)配成土后能降低土壤容重,改善土壤松緊狀況,提高土壤的供水持水能力；宮鶴憶[7]以土壤改良材料中“保水劑”和“有機(jī)肥”的應(yīng)用為主,并在此基礎(chǔ)上加入“微生物菌劑”,研究三者對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)以及植物生長(zhǎng)發(fā)育的共同作用；尹應(yīng)武等[8]以生物質(zhì)磺酸鹽作為新型的沙漠生態(tài)修復(fù)材料,證明了生物基磺酸鈣鹽及銨鹽具有較好的保水供肥作用。

本文通過文獻(xiàn)調(diào)研，引入了一種新型土壤保水劑—生物炭。該物質(zhì)是有機(jī)物在300～700 ℃(缺氧條件下)熱解后的富碳產(chǎn)物，由于生物炭孔隙度較高，施入田間后，能大幅提高土壤含水量，且保水性強(qiáng)，是一種優(yōu)良的土壤改良劑。本文從畢節(jié)市某水渠附近鉆取土樣，先通過室內(nèi)研究了不同生物炭含量對(duì)土壤保水性能的研究，之后將其運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析驗(yàn)證，得到了生物炭土體的持水性能曲線，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 材料與方法

本文從畢節(jié)市某水渠附近鉆取土樣，采用烘干法測(cè)得原狀土樣水分含量w=26%，室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試其主要組成部分為黏土礦物，包括有蒙脫石、伊利石等，碎屑礦物主要有石英與長(zhǎng)石，其次含有少量方解石。通過對(duì)土樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，測(cè)得其，密度為1.90 g/m3，干密度1.47 g/m3，含水率20%，塑限含水率25%，液限含水率50%，塑性與液性指數(shù)分別為26.00，0.28。本次試驗(yàn)添加的生物炭是在農(nóng)場(chǎng)規(guī)模氣化爐中制成的，使用稻殼作為生物質(zhì)源,之后利用氣體板裝置測(cè)量了生物質(zhì)氣化過程中氣體產(chǎn)物的成分。實(shí)驗(yàn)時(shí)的空氣溫度在30～32 ℃之間；空氣濕度為68%～71%。

制作完成生物炭之后，將含量分別為0 mg、10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60 mg、70 mg、80 mg、90 mg和100 mg的生物炭添加至土壤當(dāng)中。試驗(yàn)時(shí)用砂箱法測(cè)量了不超過100 cm水頭的毛細(xì)電位內(nèi)的特征水合狀態(tài)，為了獲得毛細(xì)電位為2.7～4.2 mg的土層含水量，使用了高壓和低壓室，而保水性曲線在毛細(xì)電位和含水量之間具有非線性關(guān)系。土壤保水性能的測(cè)定主要采用烘干法，將放置在容量為2000 g的刻度盤上，刻度靈敏度為0.01 g。該天平能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量土壤的重量，因此可以計(jì)算土壤含水量。試驗(yàn)開始前每組土的含水率含量誤差不超過1%。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1給出了不同生物炭含量下土壤的含水率變化規(guī)律。在靜置2 d后，未添加生物炭土的含水率最低，蒸散作用最強(qiáng)，僅為4.2%，而此時(shí)生物炭含量為100 mg的土的含水率為14.2%；當(dāng)土壤靜置4 d后，生物炭的保水作用有所降低,此時(shí)含有50 mg生物炭土壤的含水率最低為7.8%，而此時(shí)生物炭含量為100 mg的土的含水率仍然最大，為10.0%。最后當(dāng)土壤靜置第5天后，含有60 mg生物炭土壤的含水率最低，為12.0%，而含有80 mg生物炭土壤的含水率最高，為14.0%。

圖1 不同生物炭含量下土壤的含水率變化

從以上結(jié)果分析可以看到，在自然環(huán)境當(dāng)中不同生物炭含量下，土壤中的含水量具有明顯差異，但總體上隨著天數(shù)增加，生物炭含量越高，土壤的含水量越高。這是由于生物炭的施用可以顯著的降低土壤容重，增大孔隙度；隨著施用時(shí)間的推移，材料通過改變土壤孔隙度和團(tuán)聚體水平使得土壤中水分和養(yǎng)分含量增加，由于生物炭本質(zhì)上疏水的性質(zhì)，進(jìn)一步導(dǎo)致土壤具有更高的吸水和保留能力。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

本次現(xiàn)場(chǎng)分析第一次施加的生物炭含量分別為0 t/hm2、1 t/hm2、5 t/hm2、10 t/hm2、20 t/hm2、30 t/hm2,圖2為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況。另外，研究土壤固水性能所必需的特征是土壤保水性-吸力曲線，曲線的形狀由?；?、礦物含量和生物炭的有機(jī)物含量決定，圖3為在1～30 t范圍內(nèi)，生物炭參與的試驗(yàn)田土壤，其保水性-吸力曲線變化過程。由圖可知，在低吸力范圍內(nèi)，即 0～1.2 kPa之間土壤含水量存在較大差異，與全水容量值相比，在自然條件下，與最大水容量相對(duì)應(yīng)的水儲(chǔ)量土壤很少能夠達(dá)到，除非在長(zhǎng)期暴雨后或春季融化期間。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

圖3 生物炭土壤保水性-吸力曲線

圖4為第二次施加的生物炭的試驗(yàn)結(jié)果，分含量別為0 t/hm2、40 t/hm2、50 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2、100 t/hm2。由圖可知，持水曲線最大的差異出現(xiàn)在吸力 0～3 kPa的范圍內(nèi)，土壤持水量在0.039～0.455 m3/m3的范圍內(nèi)，對(duì)于使用1～100 t生物炭的分析土壤，該范圍在0.224～0.280 m3/m3之間。此外從以上分析可得出，不論生物炭含量多少，持水曲線有一個(gè)變陡的過程，這表示土壤孔隙逐漸排空水分的一個(gè)過程，且孔隙大小分布不規(guī)則。從耕作的角度來看，孔隙大小不規(guī)則分布的土壤具有更大的保水能力。另外，以最低劑量使用生物炭的持水曲線有輕微的變緩平的過程，意味著土壤含有略多的土壤大孔隙，此時(shí)大小相似的大孔隙在相同的土壤毛細(xì)吸力下更容易失水干燥。最后，與沒有施用生物炭的土壤相比，土壤中施用高劑量的生物炭可以增加土壤的持水性能。

圖4 第二次施加的生物炭的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)在靜置2 d后，未添加生物炭土的含水率最低，蒸散作用最強(qiáng)，僅為4.2%；當(dāng)土壤靜置4 d后，此時(shí)含有50 mg生物炭土壤的含水率最低為7.8%，而此時(shí)生物炭含量為100 mg的土的含水率仍然最大，為10.0%。

(2)在低吸力范圍內(nèi)，持水曲線即 0～1.2 kPa之間存在較大差異。在自然條件下，與最大水容量相對(duì)應(yīng)的水儲(chǔ)量土壤很少能夠達(dá)到，除非在長(zhǎng)期暴雨后或春季融化期間。

(3)當(dāng)生物炭含量別為0 t/hm2、40 t/hm2、50 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2、100 t/hm2時(shí)，持水曲線最大的差異出現(xiàn)在吸力 0～3 kPa的范圍內(nèi)。此外，土壤持水量在0.039～0.455 m3/m3的范圍內(nèi)，對(duì)于使用1～100 t生物炭的分析土壤，該范圍在0.224～0.280 m3/m3之間。