生物炭对南方红壤和水稻土水力学特性的影响分析

陈 姣，吴凤平，王 辉，谭 帅，胡传旺

（湖南农业大学 水利与土木工程学院，长沙 410128）

0 引 言

【研究意义】水稻土和红壤是南方地区典型的土壤类型之一。红壤孔隙度较低、有机碳量低、质地黏重、有效水量较低、易板结、易干旱、保肥性差[1]，水稻土易板结、易沙化、保水保肥能力弱，改善红壤和水稻土的持水能力对于提高农业产出具有重要意义。【研究进展】生物炭是在缺氧或无氧环境条件下，经高温裂解将农作物秸秆、木质材料、动物粪便等生物质碳化而形成的一种稳定难溶、高度芳香化、碳量极其丰富的固态产物，具有发达的孔隙结构、极大的比表面积、较高的离子交换能力、较强的稳定性等特点[2]。将生物炭施入土壤中，可改变土壤的理化性质，如降低土壤体积质量、改变土壤团聚性、增大土壤孔隙度、提高土壤的田间持水率等[3]，进而影响着土壤持水能力与水分入渗特征[4]。Karolina 等[5]研究发现，在砂质壤土中加入2.5%和5%的热解芒果木生物炭能有效提高粗粒砂的保水率；赵迪等[6]研究发现，粉黏壤在施加3%和6%生物炭后会减弱其持水能力；于博等[7]研究发现，当生物炭添加比例低于8%时，壤土累积入渗量、入渗速率逐渐递增，持水能力降低，而当添加生物炭量达到10%时，土壤持水性显著提高。从改良土壤理化性质角度来看，生物炭改良土壤效果显著，但施用量需要根据具体的土壤类型来确定。田丹等[8]研究表明，添加高量秸秆生物炭和花生壳炭均可有效减小土壤水分扩散率，增强粉砂壤土的土壤持水性，而添加低量生物炭则会降低土壤持水性；齐瑞鹏等[9]研究发现，生物炭能提高水分入渗能力，添加量过低，生物炭的促进作用不显著，添加量过高，则会产生一定的抑制作用。由此可见，生物炭不同的添加量对不同质地土壤水分特性的影响差异显著。【切入点】当前有关生物炭改良南方红壤和水稻土的研究主要集中在生物炭对土壤板结、盐渍化、土壤菌群、微量元素等理化性质的改善，及生物炭对农作物生长状况、温室气体排放、重金属吸附等方面的影响[10-11]，但从土壤水分运动及溶质运移机理方面对生物炭施加与参数变化关系的定量研究尚不多见。【拟解决的关键问题】本文通过研究南方典型的旱地红壤与水田水稻土在不同生物炭施加条件下对其水力学特性的影响，以期为南方地区高效利用生物炭提供相应理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试红壤取自于湖南省长沙市榔梨中学附近(113°16′46″E，28°32′49″N)，水稻土取自于湖南长沙春华研究基地(113°26′21″E，28°28′42″N)，该研究基地多年种植水稻，在多点取样，清除土壤表层杂物，取0～20 cm 土层土壤，去除土壤中植物根系、大块碎石等杂质，自然风干后充分碾压磨细，过2 mm 筛备用。其中土壤机械组成采用比重计法测定，土壤EC和pH 值采用多功能离子计测定，供试土壤理化性质见表1。供试生物炭使用废弃的一次性竹筷置于马弗炉中，在500 ℃无氧条件下烧制3 h 而成，充分磨碎后过1 mm 筛孔备用。

表1 供试土壤的理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of soil tested

1.2 试验方法

红壤和水稻土均设置6 种处理：不添加生物炭处理（CK）和生物炭分别占土壤的质量比为0.1%、0.5%、1%、3%、5%，每个处理重复3 次。试验在湖南农业大学土壤水动力实验室进行，采用日本HITACHI 公司生产的CR21N 高速恒温冷冻离心机，测定土壤水吸力值与含水率之间的关系，并将实测数据用Brooks-Corey 模型进行拟合。试验前将生物炭和土壤混合均匀，为接近田间实际体积质量，采取定体积质量的方式控制红壤、水稻土的体积质量，均控制为1.3 g/cm3，称取一定质量的土壤填装到直径为5 cm的离心机专用环刀内，填装高度为4 cm。放置蒸馏水中浸泡24 h 以上直至饱和，取出环刀称质量，将环刀放置于离心机内，离心转速依次设置为500、1 000、1 500、2 500、3 500、5 000、7 000、9 000 r/min，离心时间均为60 min，离心温度设置为20 ℃，每次离心后将离心的水分擦去，然后称质量并用游标卡尺测量样品压缩深度，记录数据。试验结束后，采用烘干法测定土壤含水率。

采用定水头渗透法测定饱和导水率，生物炭和土壤均匀混合后填装，控制装土体积质量为1.3 g/cm3，试验所用土柱高10 cm，由内径为5 cm，高5 cm 的环刀用防水胶黏接组装而成，制成长5 cm 的均质土柱。用马氏瓶从土柱表面供水，接样装置固定在土柱支撑架上，接样装置主要由玻璃漏斗与土柱架子组合形成。试验开始后，用计时器计时，记录接样漏斗中第1 滴水滴下的时间和马氏瓶读数，而后每隔1 h，记录1 次马氏瓶读数，换接样瓶并称质量以记录出流量。出流量达到稳定时测量并记录水头差，后停止接样。

1.3 Brooks and Corey 模型

本文采用美国盐改中心开发的RETC 软件，RETC 软件中有8 种不同的土壤水分特征曲线模型，用来拟合、分析、预测土壤的水力性质。Brooks and Corey 模型(简称BC 模型)和Van Genuchten（简称VG 模型）是常见的经验模型，精度较高[12]，将试验数据进行了2 种模型的拟合比较，发现BC 模型拟合度优于VG 模型，因此采用拟合效果较好的BC 模型。根据该模型可以拟合得出的θr、θs、α、n 等水分特征曲线参数进一步推导出土壤非饱和导水率、当量孔径比和水分扩散度。BC 模型表达式为：

式中：Se为饱和度(cm3/cm3)；θ 为土壤体积含水率(cm3/cm3)；h 为压力水头(cm)；θs为土壤饱和含水率(cm3/cm3)；θr为土壤残余含水率(cm3/cm3)；α 为进气值的倒数(cm-1)；n 为土壤孔隙尺寸分布参数，决定土壤水分特征曲线的斜率。

土壤中的孔隙设想为各种孔径的圆形毛管，土壤水吸力和当量孔径的关系[13]计算式为：

式中：τ 为水的表面张力系数，室温条件下一般为75×10-5N/cm；S 为土壤水吸力（Pa）；d 为孔隙直径（mm）。

土壤非饱和导水率采用间接公式推求方法来获取，根据Brooks-Corey 模型表达式为：

式中：K(h)为土壤水吸力h 对应的土壤非饱和导水率（cm/min）；Ks为饱和导水率（cm/min）；m 为与土壤特征有关的形状参数，m=3n+2。

土壤水分扩散可表示为土壤水分特征曲线和非饱和导水率的函数，计算式为：

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016 软件进行数据处理并绘制图表；运用SPSS 20.0 进行显著性分析及检验拟合效果；利用RETC 软件中的BC 模型进行土壤水分特征曲线的参数拟合，并采用残差平方和SSQ 和决定系数R2作为评价BC 模型拟合效果的评价指标。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤孔径分布的影响

通过土壤水分特征曲线可以间接地反映出土壤孔隙大小的分布。根据吸力计算所得的孔径称为当量孔径，已知水的表面张力系数τ 和水吸力S，可求出反映土壤孔隙大小分布情况的当量孔径d。由图1 可知，随生物炭添加量的增加，红壤微小孔隙所占比例较CK 分别减少了0.19%、4.56%、8.86%、10.25%、18.17%，而随生物炭添加量的增多，其有效孔隙较CK 分别增加了0.73%、-0.017%、2.29%、0.49%、1.4%，大孔隙分别增加0.46%、4.45%、7.79%、9.80%、17.17%。随生物炭的增加，红壤大孔隙占比呈增大趋势。水稻土随炭量的增加，其有效孔隙所占比例分别减少了3.19%、2.39%、4.92%、3.3%、1.16%，微小孔隙所占比例分别增加了4.04%、2.89%、4.86%、6.2%、6.3%，表明水稻土在添加生物炭后显著增加微小孔隙所占比例，减少了有效孔隙和大孔隙所占比例。从图1 中也可以看出，在同一炭土比下，红壤的微小孔隙所占比例明显高于水稻土。

图1 不同炭土比下土样的当量孔径分布比例 Fig.1 The equivalent pore diameter distribution ratio under different carbon soil ratios

图2 不同炭土比下土样的水分特征曲线 Fig.2 The water characteristic curve under different carbon soil ratios

2.2 生物炭对土壤水分特征曲线及模型拟合参数的影响

根据水分特征曲线将3.3×104Pa（1/3 bar）所对应的土壤含水率定义为田间持水率，红壤各处理的田间持水率分别为26.17%、26.49%、27.32%、27.91%、30.25%、29.34%，水稻土各处理的田间持水率分别为13.15%、13.20%、13.31%、13.64%、14.47%、15.26%。从图2 可看出，红壤的曲线比水稻土的曲线更陡直，说明红壤的持水性整体高于水稻土。不同类型土壤的结构和性质不同，其土壤持水能力也会不同。由表1可知，红壤属于黏土，水稻土属于粉砂黏土，2 种土的孔隙度、粒径、黏性作用不同，粉砂黏土透水性比黏土高，吸收、耗散水分比较快，脱湿也相对比较快。添加生物炭后，2 种土壤持水性均有所提高。红壤添加生物炭组的持水性均高于CK，在添加量为3%时其持水能力最强，但当生物炭添加量超过3%时，持水性不再持续增强而稍有减弱，5%添加量持水性低于3%添加量，即CK＜添加量0.1%＜添加量0.5%＜添加量1%＜添加量5%＜添加量3%，水稻土的持水性随炭添加量的增多而持续增强，即CK＜添加量0.1%＜添加量0.5%＜添加量1%＜添加量3%＜添加量5%。

从表2 可看出，在不同炭土比处理下，红壤和水稻土的实测值与拟合值的相关系数R2均在0.98以上。随生物炭量的增加水稻土的饱和导水率Ks相对于CK依次增大7.63%、54.17%、66.65%、122.22%、173.60%，红壤的饱和导水率则随生物炭的增加依次减小2.68%、7.20%、13.16%、17.42%、33.98%，主要因为土壤结构性质是影响土壤饱和导水率的重要因素[14-15]，水稻土完全饱和后生物炭的添加增大孔隙率和比表面积，土壤体积质量减小，容易形成水稳性团聚体，加快了土壤水分在入渗过程中的入渗速率[16]。而红壤黏粒量较多，与土壤混合后，经过水分长时间浸泡后膨胀，水的黏滞性增加，水分在土壤孔隙中流动时的摩擦力增大，影响土壤入渗，从而导致水分在入渗过程中入渗速度减慢，土壤饱和导水率降低。

由表2可知，与CK相比，红壤的实测饱和含水率θs分别增加0.19%、5.38%、9.08%、22.28%、23.56%，水稻土的实测饱和含水率θs分别增加0.26%、0.88%、2.59%、7.5%、13.39%，红壤和水稻土的饱和含水率θs也随炭量的增加而增大，且在相同处理下，红壤的饱和含水率增幅明显大于水稻土。另外，由表2可知，生物炭量对土壤水分特征系数α、n值的影响并无明显变化规律。

表2 不同处理下饱和导水率和BC 模型拟合参数 Table 2 The saturation conductivity and the fitting parameters of BC model under different treatments

2.3 生物炭对土壤非饱和导水率的影响

非饱和导水率是土壤含水率和土壤基质势的非线性函数，不同添加量会对其产生一定程度的影响，图3 为RETC 软件模型拟合所导出的非饱和导水率曲线。从图3 中可以看出，生物炭均能减少这2 种土壤的非饱和导水率。在同一含水率情况下，生物炭量增加的越多，非饱和导水率减少的幅度越大，即非饱和导水率CK＞添加量0.1%＞添加量0.5%＞添加量1%＞添加量3%＞添加量5%，都具有显著差异(P＜0.05)。

在同一含水率情况下，与CK相比，每增加1%生物炭，红壤非饱和导水率降低2.45%～19.32%，水稻土非饱和导水率降低3.32%～14.53%。在同一情况下，生物炭对红壤非饱和导水率的影响比水稻土明显。研究表明，土壤实效孔径＞0.3 mm时，水分可以自由流通，实效孔径0.3～0.03 mm时，水在重力作用下较易流通，而实效孔径＜0.03 mm时，水分不易流出。对于扰动土来说，土壤的孔隙变化是影响土壤导水率的主要因素[17]。水稻土砂粒量大，土壤中微小孔隙比红壤少的多，形成的封闭孔隙较少，因此添加生物炭后土壤非饱和导水率降低且对红壤非饱和导水率影响比水稻土更明显。也可根据式（3）及表2可知，形式参数n变化率较小，且无明显变化规律，可忽略不计，而红壤和水稻土的饱和含水率θs增加幅度较大，使其非饱和导水率均降低。且随碳量增加红壤的饱和导水率Ks逐渐减少，水稻土的饱和导水率Ks逐渐增大，因此红壤非饱和导水率降低幅度大于水稻土。

图3 不同炭土比下土样的非饱和导水率变化曲线 Fig.3 The curve of unsaturated water conductivity under different carbon soil ratios

2.4 生物炭对土壤水分扩散度的影响

从图4可以看出，在同一含水率情况下，生物炭量增加的越多，水分扩散度减少的幅度越大，表现为CK＞添加量0.1%＞添加量0.5%＞添加量1%＞添加量3%＞添加量5%，都差异显著(P＜0.05)。表明添加生物炭能抑制水分在土壤中的移动。从图4可看出，在同一含水率下，红壤和水稻土的生物炭组水分扩散度均低于CK，说明添加生物炭均可减少这2种土壤水分在的土壤中的运移速率。在同一含水率情况下，添加生物炭对红壤的水分扩散度比CK降低了4.34%～96.26%，水稻土的水分扩散度比CK降低了1.35%～54.23%，且在相同配比下，生物炭对红壤水分扩散度的影响比水稻土大。

图4 不同碳土比下土样的水分扩散度变化曲线 Fig.4 The water diffusivity curve under different carbon ratios

3 讨 论

本研究发现施加生物炭可有效改良土壤的性质，使土壤含水率增加，土壤的持水性增强，与已有研究结果[18-19]一致。这是因为生物炭本身是多孔结构且具有极大的比表面积和电荷密度，增强土壤颗粒对水分子和营养元素的吸附性[20]，形成相对粒径较厚的水层或水膜，使得土壤孔隙中的自由水变成缚束水，因此水分不易排出，从而增强了土壤持水性。根据不同土壤质地、结构、性质其可能存在最优的施加范围，本研究通过定量研究发现对于红壤而言，施加量并不是越多越好，控制在3%左右其持水性最佳。这可能是因为对黏性土壤而言，生物炭自身持水能力不及黏土，使得添加量过多时整体持水性有所减弱，也可能是由于添加量过高反而产生一定的疏水作用[21]。

本研究发现，添加生物炭使得红壤的微小孔隙所占比例减少，有效孔隙和大孔隙所占比例增多，这可能是因为生物炭本身具有一定的大孔隙，红壤细小黏粒较多且未能填充到生物炭孔隙中，从而增加了土壤的中大孔隙所占比例。而添加生物炭使得水稻土的有效孔隙所占比例减少，微小孔隙所占比例增多。这可能是由于生物炭颗粒可与土壤颗粒形成一定的微小团粒结构，且细炭颗粒粒径较小，填充到土壤中大孔隙内，因此降低了中大孔隙比例。生物炭的施加改变了红壤和水稻土的孔隙结构和孔径分布特征，生物炭对不同土壤质地和不同半径级别孔隙的影响程度不同[22]。

从土壤物理学角度来说，土壤孔隙度和大小分布，孔隙状况决定了土壤水分的移动过程、持水容量和动力学特性。研究发现，生物炭可显著降低红壤和水稻土非饱和导水率及水分扩散度，该结果与王幼奇等[23]针对灰钙土、王睿垠等[24]针对草甸黑土研究结论相似，这可能是由于生物炭与土壤混合后提高了土壤的总孔隙度[25]，改变了孔隙间的连通性和颗粒的堆积与团聚方式，孔隙能够吸附土壤中的水和无机离子，吸附土壤颗粒，特别是小粒径的生物炭能够与土壤颗粒形成一定的微小团粒结构[26]，增加土壤对水分子的吸着能力，形成大量细小的封闭孔隙，导致水分难以流通，从而使得土壤非饱和导水率降低。也由于生物炭与土壤混合后，细炭颗粒会随水分的运移而移动，且在移动过程中受土壤微小孔隙的阻挡，逐渐积累形成致密的层状结构，减小了土壤中水分的运移能力[27]，从而导致土壤水分扩散度降低。

本研究发现，生物炭对红壤非饱和导水率及水分扩散度的影响比水稻土显著，是由于生物炭可能对不同土壤质地的体积质量和孔隙度产生不同程度的影响，红壤的黏粒和微小孔隙比水稻土多，因此红壤形成致密的层状结构相对较多，从而抑制作用较强，导致生物炭对红壤的非饱和导水率及水分扩散度降幅更大。表明生物炭的添加对土壤水分运动的影响主要是通过改变土壤孔隙结构来实现。然而孔隙结构的改变，不仅取决于土壤的原有质地，也取决于生物炭的种类、颗粒大小和孔隙特征以及生物炭添加量等。后期可从生物炭不同粒径对土壤水分运动的影响或不同生物炭对土壤水分运动的影响等方面进行深入研究。生物炭量对土壤水分特征系数α、n 值的影响无明显变化规律，这与文曼等[28]、王艳阳等[29]的研究结果相符，即水分特征曲线参数对生物炭添加量变化不具有敏感性。本文采用的是室内模拟试验，为更接近于实际的红壤和水稻土水分条件，还需进一步采用田间试验、原位取土等方式开展深入研究。

4 结 论

1）添加适量生物炭（0～5%）能提高红壤和水稻土的持水性，且红壤的持水性大于水稻土持水性，随生物炭量的持续增加，红壤的持水性先增强后减弱，水稻土的持水性持续增强。

2）生物炭能显著增大红壤的有效孔隙的占比，且随生物炭量的增加，其有效孔隙占比呈增大的趋势，而生物炭会明显减小水稻土的有效孔隙占比，增加其微小孔隙的占比。

3）红壤和水稻土的非饱和导水率、水分扩散度均随着生物炭量的增加而降低，生物炭对红壤的非饱和导水率和水分扩散度的影响比水稻土大。红壤和水稻土的θs随炭土比的增大而增大，参数α、n 随炭土比的增大而无明显变化规律。