生物质炭施用对土壤水分影响的研究进展

孙树臣，赵 鑫，翟 胜，田晓飞，李建豹，朱 超，郑云珠

（1.聊城大学 环境与规划学院，山东 聊城 252059；2.南京财经大学 公共管理学院， 南京 210023；3.聊城大学 人力资源处，山东 聊城 252059）

0 引 言

生物质炭是在缺氧或厌氧条件下将有机物料（秸秆、树干或枝条、粪便、生产和生活垃圾等）经高温裂解产生的一类富含碳素、稳定性高、具有不同芳香化的固态颗粒物质[1-3]。因其具有丰富的孔隙度、巨大的比表面积、丰富的表面官能团及矿质营养元素等特点被广泛应用于土壤改良，可有效改善土壤理化性质、净化和吸收土壤污染物、减少温室气体排放，并能有效促进植物营养吸收等[4-9]。生物质炭的研究源于对巴西亚马逊河流域黑土的认识，之后利用各种有机物料制备生物质炭并应用于农业备受关注，特别是秸秆质生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂引起了国内外学者的广泛关注[10-12]。全球废弃生物质（包括初级农林生产剩余物、农林次级剩余物和生物利用及转化废弃物等）资源可达1 400 亿t[10]，如果制备为生物质炭不仅可促进农业废弃物的资源化利用，还可改善土壤肥力、提高水资源利用率和促进农作物稳产及高产的作用[9]。同时，生物质炭平均维持时间为2 000 a，半衰期为1 400 a[12]，有利于碳封存和缓解温室效应。

土壤水分是影响植物生长发育、分布格局及演替的重要限制因子。当前，全球气候变暖及水资源短缺已经对全球性的农业生产产生了重要影响。生物质炭因其巨大的比表面积和丰富的孔隙度等特点在施入土壤后可有效改善土壤水分状况，提高土壤保水能力，增加土壤有效水量[5,8,13]，有利于节水灌溉及提高水资源利用效率，进而实现水资源及农业可持续发展。然而，因生物质炭裂解温度、种类、颗粒大小、添加量及所施入土壤的类型、质地等的不同，不同学者关于生物质炭对土壤水分的影响研究存在一定差异。基于此，为深入理解生物质炭对土壤水分的影响，本文系统回顾了生物质炭对土壤水力学参数、土壤含水率、蒸散发及水分利用效率等方面的影响，并就生物质炭与土壤水分之间的相互作用关系研究进行了展望，以期为促进生物质炭与土壤水分的研究提供参考。

1 生物质炭对土壤水力学参数的影响

土壤水力学参数综合反映了土壤的孔隙状况、导水性、入渗、持水性及供水能力等，受土壤质地、结构、有机质量等诸多因素的共同影响[14]。生物质炭因其独特的孔隙结构和巨大的比表面积等，施入土壤后可有效改善土壤结构、降低土壤体积质量、增加土壤孔隙度[15-17]；同时，生物质炭可起到稳定和提高土壤有机质量的作用[1]，而有机质又是土壤团聚体形成的关键，进一步对土壤结构产生影响，从而影响土壤水分运移及再分配过程等[18]，进而引起土壤水力学参数的变化。

1.1 生物质炭对土壤水分常数的影响

土壤水分常数是表征土壤水形态和性质转折点的特征值，综合反映了土壤的持水能力、土壤水的物理特性及对植物的有效性，受土壤孔隙状况、质地、结构及有机质量等众多因素的共同影响。大量研究表明，农田土壤施入生物质炭后可显著增加土壤田间持水率、饱和含水率及土壤有效含水率等水分常数，且随生物质炭添加量的增加而升高，并能有效降低土壤凋萎系数[19-21]。Tryon 等[22]研究指出，添加生物质炭使沙土的田间持水率增加且提高18%的有效水量，并使土壤萎焉系数降低。Karhu 等[5]在芬兰南部的研究也发现，粉土田间持水率随生物质炭添加量的增加而增大。黄土高原3 种典型土壤塿土、黄绵土、风沙土的田间持水率随生物质炭（苹果树枝和锯末生物炭）添加量（2%、5%、10%）的增加而增大，且苹果树枝生物炭效果优于锯末生物炭，2 种生物炭均表现为对风沙土的效果最佳[23]，在黑土[14]、潮土[15]及黄壤[24]的研究也得出类似的结果。生物质炭对土壤水分常数的增加效应一方面是由生物质炭本身的性质决定的。生物质炭在炭化过程中形成的多孔结构及巨大的比表面积为土壤水分提供了良好的存储空间[6,25-26]，其本身具有较强的吸湿能力，比土壤有机质高1～2 个数量级[2,27]；其次，生物质炭含有丰富的有机质及多种官能团[16]，而土壤水分常数随土壤有机质量的增加而增加。另一方面是由于生物质炭施入土壤后土壤体积质量降低、孔隙度增加，其较高的含盐量导致土壤对水分的吸持能力增强[15]；同时，生物质炭还可以提高土壤微生物群落和土壤整体的吸附能力[28]，从而有利于提高土壤田间持水率、饱和含水率和有效水量并有效降低土壤萎焉系数[5-6,25,29]。

也有学者研究表明，生物质炭对土壤水分常数的影响无明显规律[30]或随生物炭添加量的增加其影响效果减弱[2,31]，甚至出现负效应[32]。Dugan 等[31]研究发现，土壤添加5、10 t/hm2的玉米秸秆生物炭时，田间持水率均有显著增加，而在15 t/hm2条件下增加幅度却又明显下降。旱作黄绵土在生物质炭施用量为40 t/hm2时土壤水分常数达到峰值，之后增加幅度下降，各水分常数趋于稳定，但对土壤凋萎系数的影响不显著[33]。魏彬萌等[26]通过研究生物质炭添加对砒砂岩与沙复配土时指出，土壤田间持水率在生物质炭施用量达到50 g/kg 时出现下降。砂质土壤有效含水量随生物炭施用量（0%、0.6%、1.8%、3.6%、5.4%）的增加呈降低趋势，凋萎系数则呈增加趋势[32]。因此，生物质炭对土壤水分常数的改善可能只适用于粗糙质地的土壤，或者具有大量孔隙的土壤，而对于黏质土壤则表现出抑制作用[13,22]。造成以上差异的原因可能是由于生物质炭本身的吸水能力是有限的，且生物质炭大多含有疏水基团[34]，当生物质炭添加量增加时，这种水分排斥作用就会更容易表现出来[17,31]。并且生物质炭中大量的有机质量也是导致其斥水性的主要原因[35-36]。此外，当生物质炭施用量较大时，其细颗粒会堵塞土壤毛管孔隙，从而导致土壤田间持水率、饱和含水率等水分常数随生物质炭添加量的增加而降低[37]。生物质炭本身巨大的多孔结构和比表面积及高盐分特性，会导致其对土壤水分的吸持能力增强，作物无法吸收利用，也是使土壤有效水量降低及凋萎系数升高的重要原因[11,32]。

1.2 生物质炭对土壤导水性能的影响

生物质炭施入土壤后极大的改变了土壤的原有结构，甚至会形成特殊的双层或多层土壤结构[38]，从而使得土壤水分在土壤中的迁移及停留时间发生改变，进而影响土壤水分的入渗、扩散及导水率等[18]。

1.2.1 生物质炭对土壤水分入渗及扩散的影响

土壤水分入渗及扩散综合表征了土壤孔隙度状况及导水性能，分别用土壤水分入渗率及扩散率表示，对土壤水分运动具有重要影响。研究表明，生物质炭可有效提高黏性土壤水分入渗能力，促进水分下渗及扩散[39-42]。黑土土壤水分入渗随生物质炭添加量的增加而逐渐升高，当土壤含水率≤42%时，生物炭抑制土壤水分的扩散；而当土壤含水率＞42%时则促进了土壤水分的扩散[14,43]。塿土[44]和壤土[45]的累积入渗量及入渗速率随生物质炭添加量的增加不断增加；且不同粒径生物质炭对塿土入渗的影响存在较大差异，在低添加量条件下对塿土入渗影响不明显[44]。而高海英等[2]研究则指出，随生物质炭施入量的增加塿土水分入渗率逐渐降低。因此，生物质炭的不同施用方式及施用量均会对塿土的入渗过程及累积入渗量产生较大影响[46]。

在轻质土壤中添加生物质炭后土壤水分入渗受到抑制，且生物质炭添加量越高，抑制作用越明显[2,39,47]。黄绵土随生物质炭添加量的增加入渗能力明显降低，小粒径抑制作用显著大于大粒径，且对黄绵土入渗的抑制效果弱于黑垆土[8,48]。肖茜等[49]在黄土区的研究也表明，随生物质炭添加量的增加风沙土及黑垆土的湿润锋移动速度及累积入渗量均呈降低趋势，在砂土[45]、淡灰钙土[50]及砂壤土[51]中亦得出相似的结论。并且随着入渗时间的延长及生物质炭添加量（10、20、40、60 g/kg）的增加沙壤土的扩散率呈降低趋势，与对照相比分别减少45.00%、79.11%、80.56%和83.33%[51]。

生物质炭与土壤共同作用的结果是产生以上差异的主要原因。黏质土壤添加生物质炭后可增加土壤的通透性，使土壤孔隙增多，从而促进黏质土壤水分入渗及扩散[13,17,39]。而质地较轻土壤一方面因其本身含有较多的孔隙，施加生物质炭后导致土壤通透性降低，甚至堵塞土壤孔隙[2,37]；另一方面生物质炭表面含有丰富的高密度负电荷，有助于形成有机-无机复合物和团聚体，增加土壤黏粒量，降低轻质土壤孔隙度[23]，从而导致轻质土壤入渗及扩散的减小。

1.2.2 生物质炭对土壤导水率的影响

生物质炭对土壤导水率的影响因生物质炭种类、添加量、土壤质地等而异，黏质土壤中施用生物质炭后可有效提高土壤孔隙度，增加通气孔隙，从而促进土壤导水率的升高。Asai 等[42]研究表明，生物质炭对0～5 cm水稻田土壤饱和导水率具有明显提高作用，在16 t/hm2添加量下增加效果最明显，但对土壤饱和导水率的影响效果在不同土质条件下差异较大。生物质炭添加可提高黑土土壤饱和导水率的14.3%～52.4%[43]，黑土的非饱和导水率亦表现出增加趋势[14,52]，但在土壤含水率＜30%条件下，随土壤含水率的增加非饱和导水率增加缓慢，而在土壤含水率＞30%时，非饱和导水率增加迅速[14]。Lim 等[21]通过开展4 种生物质炭（硬木粒、硬木片、燕麦壳、木屑）对4 种质地土壤（粗砂土、细砂土、壤土和黏土）饱和导水率的研究发现，生物质炭添加可提高壤土和黏质土的导水率，却抑制了沙质土的导水率，且随生物质炭添加量的增加抑制效果越明显[30,47]。主要是由于砂质土壤本身含有较高的孔隙度，添加生物质炭后反而堵塞了原有的土壤孔隙，导致土壤导水性能下降[2,23,37]。此外，还有研究指出，生物质炭对土壤饱和导水率的影响只有在一定施用量（土壤干质量的1.6%～6%）条件下才会起作用，而在低添加量（0.1%～0.8%）条件下效果不明显[15,53]。

1.3 生物质炭对土壤水分特征曲线的影响

土壤水分特征曲线是反映土壤水能态和土壤含水率关系的基本水力参数，也是推求其它土壤水力学参数的基础[24]，凡是对土壤孔隙状况及水分特性产生影响的因素均会对土壤水分特征曲线产生影响。生物质炭因其特殊的孔性结构施入土壤后对土壤孔性、结构等均会产生重要影响，进而对土壤水分特征曲线产生影响，但其对土壤水分特征曲线的影响在不同水吸力下表现出较大差异。研究表明，较高的生物质炭（2%）可提高基质势在-100 kPa 和-500 kPa 条件下的土壤含水率，但对-33 kPa 和-1 500 kPa 基质势条件下含水率则无明显作用且对土壤渗透系数改变不明显，在低吸力下对土壤给水度几乎没有影响[6,54]。而Brockhoff 等[55-56]研究则指出，生物质炭使较高土壤水势下的含水率高于空白，即使作物长期受水分胁迫，生物质炭也能增加土壤的持水能力。高海英等[2]和吴维等[24]的研究也表明，在低吸力下土壤含水率与生物质炭添加量正相关，在高吸力段土壤含水率与生物炭添加量负相关；这一结果与王竹等[57]在黄棕壤中的研究结果相反。生物质炭对黑土土壤水分特征曲线各参数均会产生不同程度的影响，在各吸力段内黑土持水能力均随生物质炭的添加呈上升趋势，其影响程度还受地形坡度的制约[14,51]。而王睿垠等[52]的研究则指出生物质炭对黑土持水能力的增加主要是＞2 200 cm吸力范围。

2 生物质炭对土壤含水率的影响

土壤水分是影响土壤肥力的重要组成部分，同时也是土壤内部生物、化学及物理过程不可缺少的重要介质。生物质炭添加可显著影响土壤含水率，但其影响程度会受到生物质炭施加量、类型、制备工艺及土壤自身结构等的共同影响。生物质炭本身的多孔特性使其具有一定的吸水能力[2,13,27,31]，添加到土壤后可降低土壤体积质量，增加对土壤水分的固持能力[21,58]和土壤孔隙度，且添加量越多对土壤孔隙及土壤含水率的增加越明显[28,59-61]。Oguntunde 等[29]研究表明，向土壤中添加生物质炭可提高5%左右的土壤孔隙度，孔隙度的增大提高了土壤的通气透水性和比表面积，且生物质炭对黏质土壤体积质量的微小变化会在很大程度上制约土壤液相与气相孔隙的平衡[62]，从而导致土壤含水率上升。同时，生物质炭添加还可促进土壤团聚体的形成及稳定性，进而提高土壤含水率[15]，而对砂性土壤的影响则不显著[63]。然而也有研究指出，生物质炭对土壤含水率的促进作用是有限度的，一定范围内土壤含水率随生物质炭添加量的增加而升高，超过一定量后土壤含水率又会下降[2]。其原因可能是由于在高添加量条件下，生物质炭的斥水性表现明显，从而导致土壤含水率在高添加量下降低[19]。

生物质炭对土壤含水率的影响还受到生物质炭原料、制备工艺及土壤类型等的影响。吴愉萍等[64]通过对比分析7 种生物质炭材料（黄秋葵秸秆炭、茭白秸秆炭、水稻秸秆炭、废弃食用菌基质炭、无花果秸秆炭、猪粪炭和稻壳炭）及4 种添加量（0.5%、1%、2%和5%）对土壤水分的影响发现，生物质炭均能显著提高土壤含水率，2%下效果最佳，其中又以水稻秸秆效果最明显。Herath 等[59]、单瑞峰等[65]和Shafíe等[66]研究表明，同种生物质炭材料下土壤含水率随裂解温度的升高而增加，其原因是由于随裂解温度的升高其平均孔径及表面积均增大[65]。不同土壤类型条件下的研究表明，生物质炭对黑垆土土壤含水率的提高作用优于黄绵土[48]，黄棕壤含水率随烟杆生物质炭施用量（0%、1%、4%、7%、11%）的增加逐渐升高，赤红壤、水稻土及紫色土则呈先升高后降低的趋势变化，而黄红壤则表现出降低的趋势[67]。此外，田间管理方式及生物质炭粒径大小的不同也会使生物质炭对土壤含水率的影响产生较大差异[68-69]。

3 生物质炭对土壤水分蒸发的影响

蒸发是土壤水分损失的重要途径之一，有效抑制土壤无效水分蒸发对提高土壤水分利用效率具有重要意义。农田土壤施入生物质炭后，受耕作措施、土壤环境及生物质炭本身特性等的共同影响，对土壤水分的蒸发表现出双重效应。一些学者研究认为，农田土壤施入生物质炭后，有利于抑制土壤水分蒸发[1,3,5,15]。其原因可能是由于生物质炭可促进土壤盐分的增加，并有利于土壤团聚体的形成，增强对土壤水分的吸持能力，降低土壤水分蒸发；另一方面是由于当生物炭添加量较小时，对土壤孔隙及颜色的影响较小，抑制了土壤水分的蒸发[15]。如邢英等[70]通过室内土柱模拟试验探讨4 种杉树木屑生物质炭添加量（1%、2%、4%、10%）对黄壤蒸发的影响指出，4 种生物质炭处理分别使黄壤蒸发减少0.01%、0.02%、0.03%、14%，10%处理条件下对土壤蒸发的抑制效果最佳。潮土蒸发量随生物质炭添加量（0%、0.5%、1%、3%、6%）的增加逐渐降低，在6%添加量条件下对土壤水分蒸发的抑制效果最佳[15]。而在沙化土壤的研究则表明，随生物质炭浓度（0%、2%、4%、6%、8%）的增加，除2%处理促进土壤蒸发外，其余各处理均降低土壤蒸发，且随生物质炭添加量的增加对土壤蒸发的抑制效果增强[71]。

然而也有学者认为，生物质炭因其颜色深，施入农田土壤后，土壤吸热能力增强，特别是高添加量有利于土壤温度的快速升高，从而促进土壤水分蒸发[7]，且不同质地土壤蒸发对生物质炭添加后的响应也存在较大差异。黏质土壤中添加5%的生物质炭可有效抑制土壤蒸发，而高添加量则促进土壤蒸发[69]。黑垆土、黄绵土和风沙土中分别添加不同比例（0%、0.5%、1%、2%、3%、5%）的玉米秸秆生物质炭30 d 后，促进了不同时期黄绵土和黑垆土的累积蒸发量，但与对照相比差异不显著；但却显著抑制风沙土前20 d的土壤蒸发，而20 d 后则表现出促进作用[49]。此外，不同生物质炭施用方式及施用量亦会对塿土蒸发产生影响，既有促进也有抑制，但与对照相比均未达到显著水平[46]。

4 生物质炭对水分利用效率的影响

农田土壤施入生物质炭后可显著提高土壤的水分利用效率，但这种提高是有限度的，当生物质炭超过一定量后又表现出下降趋势[1,13,47]。沙地土壤水分利用效率随生物质炭添加量（10、15、20 t/hm2）的增加分别比对照提高6%、139%、91%，这种提高主要是源于生物质炭明显减少了土壤水分的渗漏损失[47]。重壤土随小麦秸秆生物质炭添加量（0、20、30、40、50、60 t/hm2）的增加，冬小麦耗水量逐渐减小，水分利用效率呈先增加后降低的趋势变化，40 t/hm2处理下冬小麦农田土壤水分利用效率最佳[73]。冲积型盐化潮土条件下玉米农田土壤耗水量随生物质炭添加量（1.8、3.6、7.2 t/hm2）的增加显著降低，水分利用效率呈先增加后降低的趋势，低添加量条件下水分利用效率最佳，且生物质炭施用年限亦对水分利用效率有明显影响[72]。此外，生物质炭添加对水分利用效率的影响还受到田间管理措施的影响，如马铃薯水分利用效率随生物质炭添加量的增加不断升高，但起垄覆膜下增幅普遍高于露地平种[68]。

5 讨论与展望

国内外学者围绕生物质炭对土壤水力学参数、土壤含水率、蒸散发及水分利用效率等方面开展了大量卓有成效的研究。然而，因原料及制备工艺的不同导致生物质炭特性存在较大差异，由此导致不同生物质炭及添加量在施入不同的土壤类型、质地结构及植被类型后对上述土壤水分状况的影响也就存在较大差异。加之田间管理方式的不同进一步加剧了生物质炭对上述土壤水分状况影响的复杂性，特别是生物质炭添加后，在田间管理措施的影响下容易形成特殊的双层甚至多层土壤结构，而层状土壤水分的运动明显不同于均质土壤[38]，从而使得生物质炭还田后的土壤水分运动更加复杂[46]。

基于此，为深入理解生物质炭对土壤水分的影响及推进生物质炭在农业生产中的应用与推广，本文在综述生物质炭施用对土壤水分影响研究的基础上，提出生物质炭与土壤水分相互作用关系的未来研究应加强以下几个方面：①不同土壤类型及植被条件下适宜生物质炭种类及添加量的研究。当前，生物质炭的制备工艺（原料、裂解温度等）复杂多样导致生产出的生物质炭性质差别较大，其在施入土壤后因添加量、土壤类型及田间管理措施等的共同影响下，对土壤水分状况的影响也就存在较大差异。因此，在不同土壤及植被类型条件下如何选择最适的生物质炭类型、施用量及施用方式以达到改善土壤水分并提高作物产量及品质的最佳效果仍是当前亟需解决的问题。②生物质炭在高效节水农业中的应用研究。当前，全球气候变暖及水资源短缺已成为农业生产的重要限制因素，如何提高水资源利用效率进而发展高效节水农业已成为当前农业生产中面临的重要问题。生物质炭作为新兴的土壤改良剂，在提高土壤肥力、节约水资源及促进作物生长和提高产量等方面发挥着重要作用。然而，当前关于生物质炭与高效节水农业的相关研究报道较少，未充分考虑节水灌溉条件下生物质炭对土壤水分状况及作物生长和产量的影响。加强生物质炭在高效节水农业中的应用研究有利于节约利用水资源并实现农业的可持续发展。③生物质炭还田后的长期生态水文效应研究。生物质炭还田后，在田间管理措施影响下，必将会和土壤之间相互作用，从而对生物质炭本身及土壤状况产生影响。而当前对生物质炭添加后的生态水文效应研究期限相对较短，不足以说明生物质炭对土壤水环境状况的长期影响，特别是生物质炭添加后短期内的有利或不利影响可能被放大或缩小。因此，加强生物质炭还田后的长期生态水文效应研究，特别是长期定位研究，对于深入认识和理解生物质炭对土壤水分的影响具有重要的理论意义，并且可为生物质炭在农业生产中的应用与推广提供理论依据。④生物质炭在干旱半干旱地区特别是生态脆弱区的应用研究。生物质炭添加后可有效提高土壤水分状况及水分利用效率，而水资源短缺又是影响干旱半干旱区及生态脆弱区农业发展及生态环境建设的重要限制因素。为此，加强生物质炭在干旱半干旱区特别是生态脆弱区的应用研究，对于改善区域土壤水分状况及提高水分利用效率进而达到植被恢复与生态环境建设具有重要的理论和实践意义。