生物炭與凹凸棒對土壤水力特性的影響

趙文舉，徐 浩，吳克倩，曹 偉

（蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，蘭州 730050）

0 引言

我國西北旱區(qū)面積約占國土面積的24.5%，但水資源含量僅占全國的3.2%[1,2]。由于西北旱區(qū)降水稀少而蒸發(fā)強烈，造成土壤水分的過多無效散失[3]，同時伴隨著土壤表層鹽分聚集，從而制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展[4-6]。面對西北旱區(qū)土壤保水效果與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境存在矛盾的現(xiàn)狀，如何采用合理措施提高土壤蓄水保墑能力，減少土壤無效蒸發(fā)，是實現(xiàn)西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[7]。生物炭是通過熱解反應(yīng)在高溫低氧條件下制備的含碳固體有機物，具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積。Hussain[8]等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以改善土壤保水性能，提升土壤飽和含水率。Zhang等[9,10]通過試驗表明，土壤中添加生物炭可以提高土壤的總孔隙率、持水能力并降低土壤容重，可用于土壤改良。凹凸棒作為一種富含層狀水鎂鋁硅酸鹽的黏土礦物，具有比表面積大、孔隙多以及生物相容性強等特征[11,12]。Francis等[13]研究發(fā)現(xiàn)，凹凸棒可以提高土壤蓄水能力，土壤有效水隨著凹凸棒添加量的增多而顯著增大。劉左軍等[14]研究發(fā)現(xiàn)施入少量凹凸棒可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成，提升土壤水分供應(yīng)能力。

土壤水分特征曲線是描述土壤含水量與吸力水頭之間的關(guān)系曲線，表示著土壤基本水力特性[15]，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究。Alghamdi[16]等測定了不同吸力下土壤含水率，并通過VG模型擬合土壤水分特征曲線和水力參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)在相同吸力下不同粒徑生物炭的土壤含水率均高于對照組。邢旭光等[17]研究指出，土壤水分特征曲線隨著吸力的增加呈現(xiàn)出“陡直-平緩”的變化趨勢，通過平均相對誤差和相關(guān)系數(shù)的對比得出VG模型可以較好的研究土壤水分特征曲線，并且精度較高。趙迪等[18]通過對土壤水分特征曲線進(jìn)一步分析得出土壤持水能力、孔隙分布以及水分常數(shù)，探究生物炭對土壤水力特性產(chǎn)生的影響。魏永霞等[19]通過水分特征曲線計算出1 000 cm吸力下的比水容量，研究發(fā)現(xiàn)生物炭會增加土壤的比水容量，從而增強土壤的供水能力。

目前研究主要集中于生物炭單獨施加對土壤相關(guān)參數(shù)的影響[20]，而針對生物炭與凹凸棒共同作用影響土壤相關(guān)參數(shù)的研究甚少。另外，已有研究表明單獨添加凹凸棒會使得土壤發(fā)生板結(jié)[14]，這也與生物炭降低土壤板結(jié)度互補。因此，基于生物炭高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積以及凹凸棒的聚鏈層狀結(jié)構(gòu)、可塑性與粘結(jié)性，利用室內(nèi)試驗探究生物炭與凹凸棒交互作用對土壤持水能力、比水容量、當(dāng)量孔隙分布、水分常數(shù)及土壤微觀結(jié)構(gòu)的影響。在綜合評價生物炭與凹凸棒施用效果的同時確定適宜的添加量，為提高土壤持水能力，促進(jìn)旱區(qū)土地生產(chǎn)力提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自甘肅省蘭州市蘭州新區(qū)現(xiàn)代牧草休閑示范園，采樣于2021年8月進(jìn)行，取樣深度0～30 cm。經(jīng)自然風(fēng)干、碾碎、去除雜質(zhì)后，過2 mm篩，土壤類型為黃綿土，質(zhì)地為壤土。供試生物炭來源于山東復(fù)合肥料生產(chǎn)公司，以小麥秸稈為主要生產(chǎn)原料，在550～600℃高溫有限氧條件下經(jīng)熱裂解而成，容重為0.19 g/cm3，比表面積為9 m2/g，總孔隙度為67.03%，通氣孔隙度為12.87%，持水孔隙度為61.10%。供試凹凸棒來源于白銀靖遠(yuǎn)宏豐建材加工有限公司，比重1.6，摩氏硬度2。

1.2 試驗設(shè)計

以采樣地實測容重為參考，設(shè)定土壤容重為1.3 g/cm3。凹凸棒記為a，生物炭記為b，試驗共設(shè)置9組處理，分別為添加0%凹 凸 棒+0%生 物 炭（CK）、0%凹 凸 棒+2%生 物 炭（a0b2）、0%凹凸棒+4%生物炭（a0b4）、2%凹凸棒+0%生物炭（a2b0）、2%凹凸棒+2%生物炭（a2b2）、2%凹凸棒+4%生物炭（a2b4）、4%凹凸棒+0%生物炭（a4b0）、4%凹凸棒+2%生物炭（a4b2）、4%凹凸棒+4%生物炭（a4b4），每個處理3次重復(fù)[21]。按照設(shè)定的容重將土壤分層裝入容積為100 cm3環(huán)刀中，然后將環(huán)刀放進(jìn)蒸餾水中浸泡至飽和。

土壤水分特征曲線采用日立CR21GⅡ型高速恒溫冷凍離心機測定，測定時離心機的溫度保持4℃，吸力水頭分別設(shè)為10、50、100、300、500、700、1 000、3 000、5 000、7 000 cm。離心結(jié)束后稱取離心盒質(zhì)量，各處理重復(fù)3次，取平均值作為結(jié)果。

1.3 試驗數(shù)據(jù)計算

1.3.1 當(dāng)量孔隙計算

將土壤中的各種孔隙假設(shè)成圓形毛管，則土壤水吸力S（Pa）和當(dāng)量孔隙d（mm）的關(guān)系可表示為[22]：

參考土壤學(xué)百科全書[23]，土壤當(dāng)量孔隙分為極微孔隙（＜0.3 μm）、微孔隙（0.3～5 μm）、小孔隙（5～30 μm）、中等孔隙（30～75 μm）、大孔隙（75～100 μm）與土壤空隙（≥100 μm）。

完善市縣配套政策，將兜底保障所需資金列入各級財政預(yù)算，為兜底保障工程提供可靠的資金保障。加強縣鄉(xiāng)救助隊伍建設(shè)，鼓勵發(fā)展壯大社會救助志愿者服務(wù)隊伍，幫助困難群眾在物質(zhì)脫貧的同時實現(xiàn)精神脫貧。建立各級各部門數(shù)據(jù)互通、工作機制有效銜接、合力保障兜底的工作機制。建立社會救助“一站式”服務(wù)窗口，方便群眾辦事。將所有社會保障救助政策項目梳理匯編成冊，加大宣傳力度，引導(dǎo)群眾依法依規(guī)理性尋求救助幫扶。

1.3.2 水分常數(shù)計算

由土壤水分特征曲線參數(shù)可以得出田間持水率、凋萎系數(shù)、重力水、有效水、易有效水與易利用水比例[24]。其中，田間持水率是指吸力水頭為330 cm對應(yīng)的土壤體積含水率，cm3/cm3；凋萎系數(shù)是指吸力水頭為15 000 cm對應(yīng)的土壤體積含水率，cm3/cm3；重力水是飽和含水率和田間持水率的差值，cm3/cm3；有效水是田間持水率和凋萎系數(shù)的差值，cm3/cm3；易有效水是田間持水率和毛管斷裂含水量的差值，cm3/cm3；易利用水比例是易有效水與飽和含水率的比值，cm3/cm3。

1.4 研究方法

1.4.1 van Genuchten模型（VG）

土壤水分特征曲線擬合模型選取應(yīng)用最為廣泛的van Genuchten模型[25]。

式中：θ(h)為土壤體積含水率，cm3/cm3；h為壓力水頭（負(fù)壓），cm；θs為土壤的飽和體積含水率，cm3/cm3；θr為土壤殘余體積含水率，cm3/cm3；α為進(jìn)氣值倒數(shù)，1/cm；m、n為形狀參數(shù)，與土壤孔隙分布有關(guān)，m=1-1/n。

1.4.2 比水容量模型

比水容量是指單位基質(zhì)勢變化引起土壤含水率的變化，即土壤水分特征曲線斜率的倒數(shù)，是分析土壤水分運動和保持的重要參數(shù)之一[26]，其值越大表明土壤的供水能力越大。因此由公式（2）可得到土壤比水容量模型，參數(shù)同式（2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與凹凸棒對土壤水分特征曲線的影響

如圖1所示，生物炭與凹凸棒的添加均增強了土壤持水能力。當(dāng)吸力水頭從0增加至7 000 cm時，土壤含水率表現(xiàn)為：a4b4＞a4b2＞a2b0＞a0b4＞a4b0＞a2b2＞a2b4＞a0b2＞CK，即 凹 凸 棒添加量為0與4%時，土壤持水能力隨生物炭添加量的增多而增強。凹凸棒添加量為2%時，土壤持水能力隨生物炭添加量的增多而減弱，但始終位于CK曲線上側(cè)。同時可以看出，當(dāng)凹凸棒添加量為4%時，土壤持水能力明顯高于CK。表1中計算平方和（SSQ）在0.000 1～0.000 4之間，決定系數(shù)（R2）在0.997 4～0.998 7之間，擬合效果較好。施加生物炭與凹凸棒的θr較CK增大0.01～0.066 cm3/cm3；α較CK減少0～0.004 cm-1；θs較CK的變化不明顯，但在a4b2與a4b4處明顯增大0.011、0.014 cm3/cm3。a4b2的n值較其他處理更高，表示其曲線的傾斜程度更明顯[27]。

表1 不同生物炭與凹凸棒添加量的VG模型擬合參數(shù)Tab.1 Fitting parameters of VG model with different concave attapulgite and biocarbon additions

圖1 不同生物炭與凹凸棒添加量的土壤水分特征曲線Fig.1 Soil water characteristic curve with different concave attapulgite and biocarbon additions

2.2 生物炭與凹凸棒對土壤比水容量的影響

圖2 不同生物炭與凹凸棒添加量的土壤比水容量曲線Fig.2 Soil specific water capacity curve with different concave attapulgite and biocarbon additions

2.3 生物炭與凹凸棒對土壤當(dāng)量孔隙分布與水分常數(shù)的影響

如圖3所示，凹凸棒添加量為0%或4%時，極微孔隙隨生物炭添加量的增加而增加；為2%時極微孔隙隨生物炭添加量的增加而減少。與CK相比，生物炭與凹凸棒的添加使得微孔隙和土壤空隙減少，但減少效果不明顯。生物炭與凹凸棒的添加對于中等空隙和大孔隙相差不大。生物炭與凹凸棒的添加使得小孔隙增加，但a2b0的小孔隙相比CK減少。由表2可見，凹凸棒添加量為0%或4%時，田間持水率與凋萎系數(shù)隨生物炭的添加而提高；凹凸棒添加量為2%時隨生物炭的添加而降低，但均使土壤毛管懸著水量提高[28]。生物炭與凹凸棒均可增大土壤毛管力，使得重力水較CK降低0～0.012 cm3/cm3。各處理之間有效水和易有效水差異不大（0.166～0.171、0.07～0.078 cm3/cm3），但易利用水比例略有提高。

圖3 不同生物炭與凹凸棒添加量的當(dāng)量孔隙分布Fig.3 Equivalent pore distribution of different biochar and attapulgite additions

表2 不同生物炭與凹凸棒添加量的土壤水分常數(shù)值Tab.2 Soil moisture parameters with different concave attapulgite and biocarbon additions

2.4 生物炭與凹凸棒對土壤水分常數(shù)的主成分分析

表3中將本研究的7個土壤水分常數(shù)進(jìn)行主成分分析，在進(jìn)行主成分分析之前將負(fù)向指標(biāo)取倒數(shù)之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。綜合考慮特征值、因子相關(guān)性、累積解釋變量等因素的前提下，本文提取了2個主成分作為主成分分析結(jié)果，2個主成分解釋了81.39%的信息量。主成分載荷矩陣如表4所示，由表可知第一主成分中貢獻(xiàn)值較高的是凋萎系數(shù)、田間持水率、易有效水、易利用水比例以及飽和含水率，第二主成分中貢獻(xiàn)值較高的是有效水、重力水。由表5可知，不同處理下土壤水分常數(shù)的綜合得分由高到低為a4b2、a4b4、a4b0、a0b4、a2b2、a2b4、a2b0、a0b2、CK，由此推薦添加4%凹凸棒與2%生物炭施入土壤較為適宜。

表3 土壤水分常數(shù)主成分分析結(jié)果Tab.3 Results of principal component analysis of soil water constant

表4 土壤水分常數(shù)主成分載荷矩陣Tab.4 Principal component loading matrix of soil water constant

表5 土壤水分常數(shù)主成分綜合得分Tab.5 Comprehensive scores of principal components of soil water constants

2.5 生物炭與凹凸棒對土壤微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4為土壤掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，CK與a4b2分別對應(yīng)圖4(a)和圖4(b)。5 μm和10 μm尺度下可以清晰地觀察到，CK的土壤顆粒界線較為分明且表面光滑，相反a4b2的土壤顆粒相互連結(jié)，表面附著物較多；20 μm與50 μm下觀察到CK土體顆粒分散，基本無膠結(jié)，土壤由顆粒間的穿插和鑲嵌構(gòu)成，而a4b2出現(xiàn)一定數(shù)量的橋接狀壘結(jié)，結(jié)構(gòu)形態(tài)分布緊密；100 μm尺度下，CK土壤顆粒之間大孔隙較多，添加生物炭與凹凸棒后，顆粒之間的大孔隙減少，土壤顆粒接觸緊密。微觀測試結(jié)果進(jìn)一步闡明了土壤持水特性隨著生物炭與凹凸棒的添加而增強的內(nèi)在機制。

圖4 生物炭與凹凸棒添加前后土壤微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Soil microstructure before and after attapulgite and biochar addition

3 討論

土壤持水能力對于維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用。本研究表明，當(dāng)在低吸力時，土壤水分特征曲線下降顯著，而在高吸力下土壤水分特征曲線下降平緩，這是因為低吸力時土壤主要排出的是重力水，重力水占據(jù)土壤水分的一定比例，因此低吸力下土壤水分特征曲線下降較快，隨著吸力的升高，毛管水逐漸從土壤中排出，土壤水分特征曲線下降趨勢放緩，這與邢旭光[17]等研究結(jié)果相似。本研究表明，當(dāng)凹凸棒添加量為0%或4%時，隨著生物炭添加量的增多，土壤持水能力增強，凋萎系數(shù)與田間持水率增大，這與魏永霞等[19]研究結(jié)果一致。而當(dāng)凹凸棒添加量為2%時，隨著生物炭添加量的增多，土壤持水能力減弱，可能是因為當(dāng)土壤中添加少量的凹凸棒時，會使得土壤質(zhì)地較細(xì)，土壤黏粒含量增多[28]，土壤持水能力高于生物炭，從而添加2%凹凸棒后，隨著生物炭添加量的增多，土壤持水能力減弱。凹凸棒添加量為2%時，土壤持水能力隨著生物炭的增加雖然減弱，但均高于純土的持水能力，從土壤的水分特征曲線中也可以看出添加2%凹凸棒的處理均優(yōu)于CK處理。

在相同吸力水頭下土壤比水容量越高，土壤供水能力越強，植物在相同能量下吸水量越大[19]。Zhao等[29]研究表明，在1 000 cm的吸力水頭下比水容量值越高，土壤有效性越強。從本研究中可以看出，在1 000 cm吸力水頭下，單獨添加生物炭會增加比水容量，單獨添加凹凸棒會減小比水容量。凹凸棒添加量一定時，施加2%生物炭會明顯增加土壤比水容量。這與閆辰嘯等[30]研究結(jié)果一致。因此，在凹凸棒添加下施用2%生物炭，既可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源的可持續(xù)利用，又有利于土壤生產(chǎn)力的提高。同時由土壤水分常數(shù)主成分分析的綜合評價結(jié)果表明，a4b2適宜該土壤的改良處理。

通過生物炭與凹凸棒對土壤的吸附作用，改變土壤內(nèi)部孔隙分布，從而影響土壤持水能力。Zhao等[31]通過土壤SEM圖像表明，土壤質(zhì)地的改善，持水能力的增強，內(nèi)在機制是因為土壤顆粒粒徑均勻，大孔隙減少。本研究表明，與CK相比，生物炭與凹凸棒的添加使得土體顆粒聚集趨勢明顯，顆粒之間的大孔隙減少，土體中出現(xiàn)一定數(shù)量的橋接狀壘結(jié)，從而持水能力高于CK。同時通過土壤水分特征曲線進(jìn)行土壤當(dāng)量孔隙的計算，分析得到土壤中施入生物炭與凹凸棒可以增加極微孔隙，降低微孔隙與土壤空隙，這與趙迪等[18]的研究結(jié)果略有不同，可能是受土壤質(zhì)地、生物炭類別以及凹凸棒的影響，使得土壤孔隙分布更為均勻，土壤持水能力提高。

土壤是否適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境是影響作物生長和產(chǎn)量的重要因素。凹凸棒是一種非金屬礦物，由于特殊的晶體構(gòu)造，使其具有極強的吸水性和耐鹽堿能力[32]。復(fù)配生物炭后，既可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源的高效利用，又可以提高作物吸水量，推進(jìn)西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）與純土相比，生物炭與凹凸棒可有效增強土壤持水能力。不添加凹凸棒時，土壤持水能力隨著生物炭的添加而增強；添加2%凹凸棒時，土壤持水能力隨著生物炭的添加而減弱；添加4%凹凸棒時，土壤持水能力隨著生物炭的添加而增強。施加生物炭與凹凸棒的θr較純土增大15.6%～103.1%；重力水較純土降低0%～7.1%。

（2）凹凸棒添加量為0%或4%時，極微孔隙隨生物炭添加量的增加而增加。凹凸棒添加量為2%時，極微孔隙隨生物炭添加量的增加而減少。生物炭與凹凸棒的添加使得微孔隙和土壤空隙減少，而對中等空隙和大孔隙基本沒有影響。生物炭與凹凸棒的添加使得土壤顆粒接觸緊密，出現(xiàn)橋接狀壘結(jié)。

（3）單獨添加生物炭能夠增加土壤比水容量，單獨添加凹凸棒會減小土壤比水容量。添加凹凸棒后，施加2%生物炭會明顯增加土壤比水容量。結(jié)合基于主成分分析的土壤水分常數(shù)評價結(jié)果，推薦施用4%凹凸棒與2%生物炭，對于提高該地土壤生產(chǎn)力較為適宜。