生物質(zhì)炭保水劑的吸水保水性能研究

陳 靜，李戀卿，鄭金偉，俞欣妍，潘根興，林振衡

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，江蘇 南京210095；2.商丘三利新能源有限公司，河南 商丘476000）

我國(guó)是缺水型國(guó)家，干旱半干旱地區(qū)水資源缺乏是農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期生產(chǎn)力低下的主要原因。近30a來(lái)，由于氣候變化，東北、華北和西北有效降雨日趨減少，旱災(zāi)受災(zāi)率不斷增加，已成為氣候變化下我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的最主要挑戰(zhàn)［1］。為保障我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，抵御日益頻繁的干旱脅迫是旱地農(nóng)業(yè)當(dāng)前的關(guān)鍵任務(wù)［2］。

生物質(zhì)炭是植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧情況下經(jīng)熱解炭化生成的一類高度芳香化的難熔性固態(tài)物質(zhì)［3］。研究表明［3－8］，生 物 質(zhì) 炭 施 入 土 壤 后 可 起 到固碳增匯及減少溫室氣體排放，提高酸性土壤pH值，降低土壤容重，提高土壤養(yǎng)分有效性以及改善土壤質(zhì)地等作用。生物質(zhì)炭具有較大的比表面積，孔隙度高。Karhu等［9］指出生物質(zhì)炭具有的高孔隙性，施用生物質(zhì)炭使土壤的保水能力提高了11%。Asai等［10］研究發(fā)現(xiàn)，大量生物質(zhì)炭的施用會(huì)提高土壤飽和導(dǎo)水率和植物木質(zhì)部汁液流量，表明生物質(zhì)炭的施用不僅提高了土壤水分的通透性和土壤保水能力，也提高了植物水資源的可利用量。由此可見(jiàn)，生物質(zhì)炭有一定的保水能力。但由于生物質(zhì)炭中有機(jī)物質(zhì)多含疏水性基團(tuán)［11］，故其保水作用有限。

聚丙烯酰胺（PAM）是一種多功能表面改性物質(zhì)，它作為一種重要的絮凝劑、表面活性劑、增稠劑、土壤改良劑及保水劑等廣泛用于石油開(kāi)采，農(nóng)業(yè)及水處理等行業(yè)［12］。PAM施用土壤后可以增加土壤團(tuán)聚性，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，防止土壤流失和抑制土壤水分蒸發(fā)及保水保肥等作用［13－16］，但由于 PAM 成本較高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用存在著較大的局限性。本研究擬利用PAM對(duì)生物質(zhì)炭進(jìn)行改性，增加生物質(zhì)炭中的親水性基團(tuán)，提高生物質(zhì)炭的保水能力和黏結(jié)性，減低保水和節(jié)水的成本，為旱地農(nóng)業(yè)保水節(jié)水技術(shù)發(fā)展提供新的方法和途徑。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試生物質(zhì)炭是以小麥秸稈制成，購(gòu)于商丘市三利新能源有限公司。聚丙烯酰胺（PAM）為 MW型PAM，型號(hào)1000萬(wàn)，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；陰型PAM，型號(hào)1200萬(wàn)，購(gòu)自廣州亞泰化工有限公司；陽(yáng)型PAM，型號(hào)1200萬(wàn)，購(gòu)自廣州亞泰化工有限公司。供試土壤為黃棕壤，取自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓教學(xué)科研基地，自然風(fēng)干后過(guò)10目篩備用。生物質(zhì)炭和供試土壤的基本性狀詳見(jiàn)表1。

表1 供試土壤和生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)

1.2 研究方法

1.2.1 生物質(zhì)炭保水劑的制備 MW型生物質(zhì)炭保水劑的制備:將生物質(zhì)炭磨碎后過(guò)60目篩孔，且混合均勻。稱取3份生物質(zhì)炭100g放置于燒杯中，分別加入65，70，75ml蒸餾水用玻璃棒攪勻，之后在燒杯中分別加入MW型PAM 10，15和20g，攪勻后鋪平放在托盤(pán)上，于60℃烘箱中烘3～5h至含水率為10%～30%時(shí)取出，切成長(zhǎng)、寬各約0.3～0.5cm的顆粒，然后繼續(xù)于60℃烘箱中烘至恒重，即得到1∶10MW 型，1.5∶10MW 型，2∶10MW 型生物質(zhì)炭保水劑，分別制取陰型和陽(yáng)型生物質(zhì)炭保水劑，制備方法與MW型相同。

1.2.2 生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率測(cè)定 分別稱取不同生物質(zhì)炭保水劑5g置于燒杯中，各加入100ml蒸餾水，吸水24h后用已稱重的400目尼龍篩網(wǎng)過(guò)濾，1h后（保證多余的水漏干）稱重，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。按照公式（1）計(jì)算每克生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率:

式中:Q——生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率（g/g）；

M1——吸水前生物質(zhì)炭保水劑的重量（g）；M2——尼龍篩網(wǎng)的重量（g）；M3——吸水后生物質(zhì)炭保水劑與尼龍篩網(wǎng)的總重量（g）。

1.2.3 生物質(zhì)炭保水劑在單質(zhì)肥料溶液中的吸水倍率測(cè)定 分別稱取各種生物質(zhì)炭保水劑5g置于燒杯中，分別加入100ml以下3種肥料溶液:A為尿素溶液，濃度為0.01和0.1mol/L；B為磷酸二氫鈣溶液，濃度為0.01和0.05mol/L；C為硫酸鉀溶液，濃度為0.01和0.1mol/L。24h后用已稱重的400目尼龍篩網(wǎng)過(guò)濾，1h后（保證多余的水漏干）稱重，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。按照公式（1）計(jì)算每克生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率。此外設(shè)置蒸餾水為對(duì)照，方法相同。

1.2.4 生物質(zhì)炭保水劑對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響測(cè)定

將生物質(zhì)炭磨碎過(guò)20目篩孔、60℃烘箱烘至恒重，稱取50g土壤于塑料杯中，然后分別稱取1.5g生物質(zhì)炭及生物質(zhì)炭保水劑（相對(duì)于風(fēng)干土重的3%）放入對(duì)應(yīng)塑料杯中，同時(shí)設(shè)置不加生物質(zhì)炭及生物質(zhì)炭保水劑的對(duì)照（CK）。將所加物質(zhì)混勻后，加入30ml蒸餾水，每天稱重一次，持續(xù)兩周，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

1.2.5 生物質(zhì)炭及其保水劑對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)和土壤水分的影響試驗(yàn) 試驗(yàn)共9個(gè)處理，分別為:（1）生物質(zhì)炭:2.5%和5%水平；（2）MW 型:2.5%和5%水平；（3）陰型:2.5%和5%水平；（4）陽(yáng)型:2.5%和5%水平。以上的生物質(zhì)炭保水劑均為1∶10型。同時(shí)以不添加生物質(zhì)炭及保水劑的為對(duì)照（CK）。稱取1.5kg土壤于塑料盆缽（12cm×20cm×18cm）中，分別加入3.75或7.5g生物質(zhì)炭及生物質(zhì)炭保水劑，每個(gè)處理3重復(fù)。在塑料盆缽中加入尿素（N 0.1g/kg）、磷酸二氫鈣（P2O50.1g/kg）、硫酸鉀（K2O 0.1g/kg）等肥料后混勻，按容重1.3g/cm3裝好，加入600ml蒸餾水，隔夜后播4粒/盆玉米種子，等出苗后留2株長(zhǎng)勢(shì)相似的玉米苗，將盆缽移到大棚中，22d后收獲并測(cè)定玉米苗的長(zhǎng)勢(shì)情況及盆栽土的水分含量。供試玉米品種為蘇玉24。玉米苗生長(zhǎng)期間澆水量為200ml/（次·盆），共澆水4次。試驗(yàn)于2011年8月8日開(kāi)始，8月9日加水，8月10日播種，8月13日部分出苗，8月14日全部出苗，8月15日移除多余苗后將盆缽移至大棚，9月5日收獲。

玉米苗的株高、葉長(zhǎng)及葉寬用直尺測(cè)定，其中葉面積＝葉長(zhǎng)×葉寬×0.7（選取每株玉米苗最大一片苗葉測(cè)定），玉米苗生物量用烘干法測(cè)定［17］。盆栽土的水分含量采用烘干法測(cè)定［18］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析，通過(guò)LSD多重比較分析判斷處理間的差異顯著性（p＜0.05），用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率

各類型生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率詳見(jiàn)表2。由表2可以看出，除1∶10陰型保水劑，其余各類型保水劑的吸水倍率均顯著高于生物質(zhì)炭，且MW型、陰型及陽(yáng)型生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率隨PAM用量所占比例的增加而顯著增大。其中MW型保水劑的增加效果最為明顯，1.5∶10型和2∶10型保水劑的吸水倍率比1∶10型分別提高175.43%和252.59%。陰型保水劑中1.5∶10型，2∶10型保水劑的吸水倍率比1∶10型的分別提高了46.11%，95.21%；陽(yáng)型保水劑則分別提高了54.24%，115.82%。總體上MW型保水劑的增加效果顯著高于陰型和陽(yáng)型，而后兩者1∶10陽(yáng)型與陰型間沒(méi)有顯著差異，但1.5∶10和2∶10陽(yáng)型分別顯著高于陰型。

2.2 在單質(zhì)肥料溶液中生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率

生物質(zhì)炭保水劑在不同單質(zhì)肥料溶液中的吸水倍率詳見(jiàn)表2。由表2可以看出，MW型、陰型及陽(yáng)型生物質(zhì)炭保水劑在單質(zhì)肥料溶液中的吸水倍率均隨PAM用量所占比例的增加而顯著增大。其中在0.01mol/L的 K2SO4溶液、0.01和0.1mol/L的尿素溶液中各類型生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率均顯著高于生物質(zhì)炭；在0.1mol/L的K2SO4溶液中，除陰1∶10型保水劑外，其余生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率均顯著高于生物質(zhì)炭；而在0.01和0.1mol/L的Ca（H2PO4）2溶液中，只有1.5∶10和2∶10MW 型，2:10陰型，1.5∶10和2∶10陽(yáng)型的吸水倍率顯著高于生物質(zhì)炭。

與對(duì)照相比，MW 型2∶10保水劑在0.01和0.1mol/L的尿素溶液中的吸水倍率顯著增大了11.98%和8.92%，但 MW 型1∶10和1.5∶10均沒(méi)有明顯變化。而在Ca（H2PO4）2和K2SO4溶液中MW型保水劑吸水倍率顯著降低，其吸水倍率隨著肥料濃度的增大而逐漸下降，且Ca（H2PO4）2溶液對(duì)吸水倍率的降低幅度顯著大于K2SO4溶液。

在0.01mol/L的尿素溶液中，陰型1∶10，1.5∶10和2∶10保水劑的吸水倍率分別比對(duì)照顯著提高了74.25%，57.49%和69.67%；0.1mol/L尿素溶液中則比對(duì)照顯著提高了79.10%，86.81%和90.49%。陽(yáng)型1∶10，1.5∶10和2∶10保水劑的吸水倍率分別比對(duì)照顯著提高100.56%，98.87%和52.01%；43.59%，18.85%和17.54%。但在 K2SO4溶液中陰型和陽(yáng)型保水劑吸水倍率沒(méi)有明顯影響，而在Ca（H2PO4）2溶液中，陰型和陽(yáng)型保水劑吸水倍率均顯著降低，且吸水倍率隨著肥料溶度的增大而呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

2.3 生物質(zhì)炭及保水劑對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響

生物質(zhì)炭及生物質(zhì)炭保水劑施用兩周的土壤水分累積蒸發(fā)量變化情況詳見(jiàn)表3。由表3可知，施用陽(yáng)型保水劑處理的土壤水分累積蒸發(fā)量與CK相比幾乎沒(méi)有差異，而生物質(zhì)炭、MW型及陰型保水劑處理的土壤水分累積蒸發(fā)量則低于CK，表明后者的施用有降低土壤水分蒸發(fā)的作用，其中施用生物質(zhì)炭?jī)芍芎罂山档屯寥浪终舭l(fā)量4.11%，施用 MW型1∶10，1.5∶10，2∶10保水劑兩周后可分別降低土壤水分蒸發(fā)量8.66%，10.42%和7.98%，陰型1∶10，1.5∶10，2∶10型可分別降低13.50%，7.00%和8.23%。由此可見(jiàn)，MW型和陰型保水劑對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用最強(qiáng)，其中陰型1∶10保水劑抑制該土壤的水分蒸發(fā)效果最好，其次是生物質(zhì)炭，而陽(yáng)型保水劑對(duì)抑制該土壤的水分蒸發(fā)幾乎無(wú)明顯影響。

2.4 生物質(zhì)炭及保水劑對(duì)土壤水分和玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

不同處理間土壤水分含量的差異較大。表4顯示，生物質(zhì)炭和生物質(zhì)炭保水劑中2.5%和5%處理的土壤水分含量分別在21.39%～28.16%和23.02%～37.52%范圍。2.5%和5%水平的生物質(zhì)炭、MW型、陰型及陽(yáng)型組土壤含水量分別比對(duì)照顯著提高了39.65%，54.32%，64.45%，83.95% 以 及 50.36%，145.09%，119.46%和130.79%，并且5%水平的處理顯著高于2.5%水平的處理，其中MW型提高幅度達(dá)58.78%。與生物質(zhì)炭組2.5%和5%水平相比，MW型、陰型及陽(yáng)型組土壤含水量分別顯著提高10.46%，17.70%，31.67%和63.00%，45.96%，53.49%。

表2 生物質(zhì)炭保水劑在不同單質(zhì)肥料溶液中的吸水倍率 g/g

表3 施用不同生物質(zhì)炭保水劑后不同時(shí)間土壤水分的累積蒸發(fā)量 g/100g

表4 不同處理下的玉米苗的各生長(zhǎng)指標(biāo)及盆栽土壤含水量

施用生物質(zhì)炭及保水劑后玉米苗期生長(zhǎng)指標(biāo)變化詳見(jiàn)表4。由表4可知，2.5%水平的生物質(zhì)炭以及陰型、陽(yáng)型組處理的玉米株高、葉面積和干物質(zhì)總重與對(duì)照相比均沒(méi)有顯著差異，而MW型2.5%處理的葉面積比對(duì)照顯著提高15.01%，干物質(zhì)總重顯著提高27.82%，但5%水平的處理中玉米株高、葉面積和干物質(zhì)總重均顯著降低。

3 結(jié)果討論

施用生物質(zhì)炭可以顯著提高土壤的水分含量。Karhu等［9］研究表明，生物質(zhì)炭的施用使土壤的保水能力提高了11%；Glaser等［19］研究表明，在亞馬遜施有生物質(zhì)炭的土壤保水能力提高了18%，這可能是由于生物質(zhì)炭含有豐富的孔隙，水分可在生物質(zhì)炭的小孔隙及大孔隙內(nèi)儲(chǔ)存，從而提高土壤水分含量。本研究發(fā)現(xiàn)PAM改性的生物質(zhì)炭的保水能力顯著提高。這可能是由于PAM是一類高吸水性物質(zhì)，施用后可提高土壤的持水及導(dǎo)水性能，也可有效減少土壤水分的蒸發(fā)［20］。此外，PAM分子鏈上的酰胺基可與許多物質(zhì)親和而吸附形成氫鍵，從而在兩個(gè)粒子之間產(chǎn)生黏結(jié)［21］。利用PAM的黏結(jié)性將生物質(zhì)炭制成顆粒狀，這樣既改善了生物質(zhì)炭的保水效果，又提高了生物質(zhì)炭保水劑在運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣利用的便宜性。

隨著PAM量的增加，MW型、陰型及陽(yáng)型生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率也逐漸增加，其中MW型保水劑的吸水倍率顯著高于陰型及陽(yáng)型。說(shuō)明不同類型PAM保水劑在單質(zhì)肥料溶液中的吸水倍率不同。茍春林［22］研究表明，除尿素溶液外，保水劑在各種肥料溶液中的吸水倍率會(huì)顯著下降，并且會(huì)隨著肥料濃度的增加下降幅度增加。本研究結(jié)果也表明溶液中的電解質(zhì)肥料可降低保水劑的吸水倍率，這可能是因當(dāng)聚合物在鹽溶液中發(fā)生水合反應(yīng)后，其膨脹能力降低的緣故［23］。此外，陰型和陽(yáng)型保水劑在尿素溶液中的吸水倍率提高幅度大于 MW型，K2SO4及Ca（H2PO4）2溶液對(duì)陰型和陽(yáng)型保水劑的影響小于對(duì)MW型的影響，這可能是由于陰、陽(yáng)離子型PAM鏈狀分子上的荷電基團(tuán)分別為帶負(fù)、正電荷，可以與接觸的顆粒間產(chǎn)生吸附和架橋及吸附表面陽(yáng)、陰離子的作用［24－26］。此外，由于保水劑中的生物質(zhì)炭可吸附溶液中的分子或離子，而MW型的吸水倍率原本就高于陽(yáng)型和陰型，故提升幅度低于陰型和陽(yáng)型。

施用生物質(zhì)炭可顯著提高玉米產(chǎn)量。Zhang等［27］通過(guò)田間試驗(yàn)研究表明，施用生物炭20和40 t/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量顯著提高，但張晗芝等［28］通過(guò)室內(nèi)盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭對(duì)玉米苗期的生長(zhǎng)沒(méi)有促進(jìn)作用。本研究也表明，生物質(zhì)炭的施用水平為2.5%和5%時(shí)對(duì)玉米苗的生長(zhǎng)沒(méi)有顯著性影響。PAM同樣可促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)及提高玉米產(chǎn)量［29－30］，但對(duì)苗期玉米生長(zhǎng)作用不顯著［12，31］。本研究結(jié)果表明，施用2.5%的陰型及陽(yáng)型保水劑也未明顯促進(jìn)苗期玉米的生長(zhǎng)，而施用2.5%MW型保水劑對(duì)苗期玉米生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，這說(shuō)明本研究中，MW型PAM比陰型及陽(yáng)型PAM在促進(jìn)苗期玉米生長(zhǎng)的效果方面作用更為顯著。此外，5%MW型、陰型及陽(yáng)型保水劑的施用均顯著抑制了玉米幼苗的生長(zhǎng)。本研究結(jié)果中施用5%生物質(zhì)炭保水劑時(shí)土壤含水量高達(dá)33.60%～37.52%，可能過(guò)高的土壤含水量抑制了玉米幼苗根系呼吸，進(jìn)而抑制玉米的生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

（1）施用生物質(zhì)炭可降低土壤水分蒸發(fā)，通過(guò)PAM改性的生物質(zhì)炭保水劑較生物質(zhì)炭的保水效果更好。適量的MW型保水劑施用可促進(jìn)苗期玉米生長(zhǎng)。

（2）生物質(zhì)炭保水劑中PAM的質(zhì)量比越高，其吸水倍率越高，三種保水劑的吸水倍率均表現(xiàn)為:2∶10型＞1.5∶10型＞1∶10型，且 MW 型生物質(zhì)炭保水劑的吸水倍率顯著高于陰型和陽(yáng)型。

（3）除尿素外，磷酸二氫鈣和硫酸鉀溶液均降低了保水劑的吸水倍率，且吸水倍率隨著肥料濃度的增大而逐漸下降?？梢?jiàn)施用保水劑時(shí)需適當(dāng)選擇合適的肥料類型配合施用。

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