炭化时间对南疆沙化土壤物理性质和水分特征的影响

张红美，李 坷，朱 琴，周 岭，孔德国

(1.塔里木大学机械电气化工程学院/现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；2.郑州电力职业技术学院，郑州 451450)

0 引 言

新疆地区由于光照时间长，光热资源丰富而成为我国棉花主要种植基地[1]。棉花种植极大地推动了当地棉纺业的发展，成为增加农户收入的一个支柱产业，但大量的棉花秸秆也给环境带来巨大的压力。2013年秋后，我国棉花秸秆为3千多万t，新疆棉花秸秆占了当年全国总产量的一半以上[2]。大量的棉花秸秆常在春播时被直接粉碎还田，棉花秸秆还田虽可增加土壤有机质，但会加重棉花病虫害[3,4]。因此如何实现棉花秸秆资源的高值化利用成为一个亟待解决的问题。

南疆地区距塔克拉玛干沙漠较近，气候干旱少雨，水资源短缺，而当地土壤保水能力差。但由于当地气候干燥，日照时间长，光照强度大，非常适宜棉花生长，棉花产量高，促进了当地经济的快速发展。近年来棉花种植面积有不断扩大的趋势，这造成大量的棉花种植与当地水资源短缺之间的矛盾，因此提高当地土壤的保水能力成为解决这个问题的关键。

生物炭是生物质原料在厌氧条件下经过高温热解得到的富碳高度芳香化物质[5]，其具有丰富的孔隙结构，比表面积大，表面荷负电，在土壤改良方面具有较大的潜在应用[6]。将生物炭施入土壤可降低其容重[7-9]，增大土壤孔隙度[10,11]，提高土壤保水能力[12-15]，因此在土壤中添加生物炭可提高土壤对水分的持留能力，达到节水目的。孙爱华等[16]研究结果表明土壤中施加生物炭提高了水稻的产量及灌溉水分生产率。许健等[17]通过室内土箱模拟实验研究了生物炭不同添加量对微润灌土壤水分运动的影响，张新学等[18]通过室内模拟方法研究了生物炭对不同质地土壤蓄水能力影响，结果表明随生物炭施入量增加土壤蓄水能力增强，生物炭对不同质地土壤蓄水能力影响不同。肖茜等[19]采用室内土柱实验方法，研究了生物炭对黄土区土壤水分入渗、蒸发性能影响，结果表明生物炭提高了土壤的持水性，但对不同质地土壤影响不同。张妙等[20]研究了生物炭和PAM共施对黄绵土水分入渗和蒸发的影响。肖亚楠[21]等研究表明节水灌溉稻田施用生物炭在减少CH4排放的同时能够实现节水增产。王红兰等[22]通过野外小区实验方法研究了生物炭对紫色土坡耕地耕层土壤水力学性质的影响，结果表明生物炭不但提高了土壤对有效水的持留能力，而且提高了土壤导水率。颜永毫等[23]采用室内实验方法研究了生物炭添加对黄土高原土壤田间持水量的影响，结果表明不同类型生物炭及其添加量对土壤的田间持水量影响差别较大。生物炭的添加量、种类以及土壤类型均会影响生物炭对土壤保水性能产生影响。为了探索棉秆基生物炭对南疆沙化土壤物理性能影响规律，结合孔德国等[24]前期研究结果，采用短绒棉棉花秸秆为原料制备棉秆基生物炭，并将其施入土壤中，研究炭化时间对南疆沙化土壤物理性能的影响，实现农业资源的循环利用，期望为南疆沙化土壤改良和棉花种植提供理论数据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 供试土壤

土壤采自于新疆生产建设兵团第一师十二团连作棉田。采用“W”型五点取样法取样，相邻两点之间的距离均为2 m。将土样置于室外自然晾干，手动剔除杂物，混合均匀后过2 mm筛备用。

1.1.2 供试生物炭

将采自于新疆生产建设兵团第一师十二团连作棉田的短绒棉棉花秸秆自然晒干后，剪成2～3 cm长，在马弗炉中于300 ℃炭化1.5、2、2.5、3、3.5 h，自然冷却后取出手动研磨，过2 mm筛后备用。

1.2 研究方法

1.2.1 土样吸水性能测定

将供试生物炭与土样按质量比为4∶100混合均匀。在底部开有小孔的容器中铺3层滤纸，称重记为m1；将等质量的混合土样装入容器中，并抹平上表面，称重记为m2；向容器中缓慢加入等质量的水，多余的水分通过底部小孔渗出，每4 h补水1次，共补水3次。室内自然陈化2 d后，称重记为m3。土样吸水率采用下式计算。

(1)

1.2.2 土样保水性能测定

采用每天定时称重的方法测定土样保水率。保水率采用下式计算：

(2)

式中：mi是第i次称量时容器与湿土质量；m是陈化2 d后容器与湿土质量； 是容器与干土质量。

1.2.3 土样容重与孔隙度性能测定

连续称重14 d后采用环刀从容器中取土。将取样后的环刀底部用4层纱布包裹后置入塑料盆中，加水至环刀上边缘，浸泡24 h后去除底部纱布并称重，记为m1；将带土环刀放在铺有一层滤纸的沙土上，用重物压实8 h后，称量环刀与土重，记为m2；最后将带土环刀放入烘箱中于105 ℃烘至质量不变并称重，记为m3；单一环刀质量记为m0，环刀体积记为v。按照以下公式计算容重、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.3 数据分析

以未添加生物炭的土样为对照组，采用Excel软件对数据进行计算，绘制图表和拟合方程。

2 分析与讨论

2.1 结构分析

为了研究生物炭施入沙化土壤后对土壤的稀释或填充作用，对生物炭和纯土进行了形貌测定，结果如图1所示。由图1可见，生物炭中分布着沿棉花秸秆轴向的椭圆形孔径，孔洞深，在脱落的棉花秸秆表皮上也有椭圆形孔径分布，孔径相对较小，孔洞浅，并且随着炭化时间的增加，生物炭中小粒径颗粒出现，这可能与棉花秸秆炭化过程中结构发生坍塌有关，同时还发现在侧壁上出现更为微小的孔径，这将增大生物炭的比表面积。由图1还可看出纯土土样颗粒大小不均，在较大颗粒的表面和间隙分布有小颗粒土样，并且大部分土样颗粒的粒径大于供试生物炭的孔径。生物炭与土样颗粒的相对大小将导致生物炭施入沙化土壤后，大颗粒的生物炭对土壤起到稀释作用，而小颗粒的生物炭将对土壤孔隙起填充作用，因此生物炭的施入会对土壤的容重和孔隙度产生相应影响。

图1 生物炭和土样SEM图

2.2 容重与总孔隙度

为了研究生物炭对土样结构状况的影响测定了土样容重、总孔隙度随炭化时间的变化关系曲线，结果如图2所示。在相同实验条件下，对照组密度为1.37 g/mL，总孔隙度为47.51%。由图2可见生物炭降低了土样容重，增加了总孔隙度。随炭化时间增加，密度较对照组分别降低了8.06%、10.95%、10.46%、8.41%和10.39%；总孔隙度分别增加了3.79%、7.73%、6.20%、2.87%、6.53%，可见炭化时间为2 h的生物炭对土样密度和总孔隙度影响最大。生物炭发达的孔隙结构和施入土样后的稀释作用均会促使密度和总孔隙度的改变。由于所用生物炭炭化温度较低，因此在2 h前的炭化中主要是棉花秸秆部位的大孔结构以及棉花秸秆表皮生成的孔洞，随炭化时间的增加，侧壁上出现了更小的孔径，增加了孔隙度，但是生物炭结构出现坍塌，导致部分孔洞结构被破坏，施入土样后，更小的土样颗粒占据原来的孔隙，反而降低了孔隙度，在炭化过程中造孔与孔结构坍塌相互竞争，因此出现了容重和总孔隙度随炭化时间的增加波动的情况，这与SEM结果一致。

图2 炭化时间土样对容重和总孔隙度的影响

2.3 (非)毛管孔隙度

总孔隙度包含毛管孔隙度和非毛管孔隙度。非毛管孔隙由于常被空气占据，透气透水性差，土壤中的水分常借助于毛管力得以储存和运动，毛管中的水分最易被作物吸收和利用，是对作物最有效的水分。一般情况下毛管孔隙占35%，非毛管孔隙占15%时最有利于作物的生长。为了研究非毛管孔隙度与毛管孔隙度为最佳比值时的炭化时间测定了(非)毛管孔隙度随炭化时间的变化关系曲线，结果如图3所示。在相同实验条件下，对照组毛管孔隙度为26.82%，非毛管孔隙度为20.69%。由图3可见生物炭的施入增大了土样毛管孔隙度，降低了非毛管孔隙度。随炭化时间的增加毛管孔隙度较对照组分别分别提高了31.95%、16.92%、14.86%、27.88%、13.48%，可见炭化1.5 h时生物炭对毛管孔隙度影响最大，炭化3.5 h时的影响最小。由图3还可看出(非)毛管孔隙度随炭化时间的增加出现波动性变化，二者均未与总孔隙度表现出相同或相反的趋势，非毛管孔隙度与毛管孔隙度之比分别为0.393、0.630、0.637、0.426和0.663，可见在炭化3 h时二者之比接近于最佳比值，并且此时非毛管孔隙度为14.6%，毛管孔隙度为34.3%。

图3 炭化时间对(非)毛管孔隙度的影响

2.4 吸水性能

由于新疆地区水资源短缺，节约水资源显得十分重要。为了制备出对土壤吸水性能影响最大的生物炭测定了施入生物炭后的土样吸水性，结果如图4所示。在相同实验条件下， 対照组吸水率为36.4%。由图4可见施入生物炭后，土样的吸水率增大。炭化时间对生物炭吸水率的影响强度由大到小依次是3.5 h>2.5 h>2 h>3 h>1.5 h。由图4可见，吸水率随炭化时间的变化关系曲线与毛管孔隙度随炭化时间变化关系曲线不一致，说明土样吸收的水分除了毛管水以外还有非毛管水。炭化3 h时毛管孔隙度大于3.5 h，而吸水率却小于后者，说明炭化3.5 h时非毛管吸水较多。由图4还可看出，1.5 h时的吸水率最低，而毛管孔隙度最大，说明此时土样的非毛管孔隙可能大部分被空气占据，只有少部分非毛管孔隙吸收了水分。

图4 炭化时间对土样吸水率的影响

2.5 施入生物炭后土样保水性

为了研究炭化时间对土样保水性能影响，测定了保水率随炭化时间的变化关系曲线，结果如图5所示。由图5可以看出，随蒸发时间的增加各处理的保水率均呈下降趋势，并且从第11 d开始对照组的保水率一直处于最低，这可能是由于在蒸发的前期，土样水分的丢失主要是土样表面和大孔隙水分的蒸发造成的，而在后期主要是小孔隙的水分蒸发，由于加入生物炭后，生物炭中的较小孔隙锁住了水分，致使后期添加生物炭的土样保水率较对照组高。

图5 炭化时间对保水率的影响

为了研究土样水分蒸发快慢程度，对图5中的曲线进行拟合，拟合方程如表1所示。随炭化时间的增加土样水分蒸发速率分别为对照组的0.973、0.968、0.950、0.962、0.943倍，说明炭化时间为3.5 h时保水效果最好。由于3.5 h时非毛管水较多，而保水性最好，说明此时的非毛管水主要是存在于生物炭的微小孔隙中，炭化时间越长，孔壁上生成的微孔越多，水分进入微孔后很难释放出来被作物利用。

表1 生物炭施入后沙化土壤保水性能

结合土样的吸水率和保水率，计算了自然条件下室内蒸发14 d后土样的含水量，结果表明随炭化时间的增加土样含水量分别较对照组增加了14.41%、23.81%、28.92%、17.09%、35.87%，可见土样14 d后的含水量变化趋势与吸水率相同。

3 结 语

生物炭施入沙化土壤中降低了容重和水分蒸发速度，增加了总孔隙度、毛管孔隙度、吸水性和保水性，并且各被测量均随炭化时间的增加出现波动性。生物炭虽然增加了土样的最终含水量，但由于部分水分是非毛管水，会出现下渗，或者被锁在生物炭微小的孔隙中而无法释放出来被作物利用，因此生物炭的添加并不一定能提高水分的利用率。施入土壤中的生物炭炭化时间应结合作物的最佳生长条件进行选择。