外加剂对土壤水分保持性能影响研究

宋邦其

(毕节市勘测设计研究院，贵州 毕节 551700)

水是自然界中最重要的物质，在土壤中是植物组织不可或缺的元素，也是植物通过根毛收集的矿盐的载体[1]。植物收集水分的能力取决于其与土壤结合的能力，从而取决于土壤的质量和水量。土壤中水的存在决定了它的所有基本功能。然而，由于受土壤本身持水性能的影响以及环境的变化，部分地区土壤中水分开始逐渐流失，使土地生产力下降甚至丧失，造成严重的经济损失，因此改善土壤的固水性能十分重要[2-3]。

周晗等[4]以离石王家沟流域官道梁坡地土壤为研究对象,对保水剂以及施加保水剂后土壤的吸水性及保水性进行了测定分析; 金云杰[5]以丹东市宽甸县棕壤土区无水保措施和5种不同水保措施的坡地为例,通过对比土壤可蚀性特征与速效养分含量的差异,揭示了不同水保措施下土壤可蚀性与速效养分间的关系;周晓莹等[6]研究了油页岩与沙复配成土的保水特性，结果表明油页岩与沙复配成土后能降低土壤容重,改善土壤松紧状况,提高土壤的供水持水能力；宫鹤忆[7]以土壤改良材料中“保水剂”和“有机肥”的应用为主,并在此基础上加入“微生物菌剂”,研究三者对土壤生态系统以及植物生长发育的共同作用；尹应武等[8]以生物质磺酸盐作为新型的沙漠生态修复材料,证明了生物基磺酸钙盐及铵盐具有较好的保水供肥作用。

本文通过文献调研，引入了一种新型土壤保水剂—生物炭。该物质是有机物在300～700 ℃(缺氧条件下)热解后的富碳产物，由于生物炭孔隙度较高，施入田间后，能大幅提高土壤含水量，且保水性强，是一种优良的土壤改良剂。本文从毕节市某水渠附近钻取土样，先通过室内研究了不同生物炭含量对土壤保水性能的研究，之后将其运用到现场进行分析验证，得到了生物炭土体的持水性能曲线，研究成果可为相关工程提供参考。

1 材料与方法

本文从毕节市某水渠附近钻取土样，采用烘干法测得原状土样水分含量w=26%，室内试验测试其主要组成部分为黏土矿物，包括有蒙脱石、伊利石等，碎屑矿物主要有石英与长石，其次含有少量方解石。通过对土样进行物理力学性质测定，测得其，密度为1.90 g/m3，干密度1.47 g/m3，含水率20%，塑限含水率25%，液限含水率50%，塑性与液性指数分别为26.00，0.28。本次试验添加的生物炭是在农场规模气化炉中制成的，使用稻壳作为生物质源,之后利用气体板装置测量了生物质气化过程中气体产物的成分。实验时的空气温度在30～32 ℃之间；空气湿度为68%～71%。

制作完成生物炭之后，将含量分别为0 mg、10 mg、20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60 mg、70 mg、80 mg、90 mg和100 mg的生物炭添加至土壤当中。试验时用砂箱法测量了不超过100 cm水头的毛细电位内的特征水合状态，为了获得毛细电位为2.7～4.2 mg的土层含水量，使用了高压和低压室，而保水性曲线在毛细电位和含水量之间具有非线性关系。土壤保水性能的测定主要采用烘干法，将放置在容量为2000 g的刻度盘上，刻度灵敏度为0.01 g。该天平能够实时测量土壤的重量，因此可以计算土壤含水量。试验开始前每组土的含水率含量误差不超过1%。

2 试验结果分析

图1给出了不同生物炭含量下土壤的含水率变化规律。在静置2 d后，未添加生物炭土的含水率最低，蒸散作用最强，仅为4.2%，而此时生物炭含量为100 mg的土的含水率为14.2%；当土壤静置4 d后，生物炭的保水作用有所降低,此时含有50 mg生物炭土壤的含水率最低为7.8%，而此时生物炭含量为100 mg的土的含水率仍然最大，为10.0%。最后当土壤静置第5天后，含有60 mg生物炭土壤的含水率最低，为12.0%，而含有80 mg生物炭土壤的含水率最高，为14.0%。

图1 不同生物炭含量下土壤的含水率变化

从以上结果分析可以看到，在自然环境当中不同生物炭含量下，土壤中的含水量具有明显差异，但总体上随着天数增加，生物炭含量越高，土壤的含水量越高。这是由于生物炭的施用可以显著的降低土壤容重，增大孔隙度；随着施用时间的推移，材料通过改变土壤孔隙度和团聚体水平使得土壤中水分和养分含量增加，由于生物炭本质上疏水的性质，进一步导致土壤具有更高的吸水和保留能力。

3 现场应用分析

本次现场分析第一次施加的生物炭含量分别为0 t/hm2、1 t/hm2、5 t/hm2、10 t/hm2、20 t/hm2、30 t/hm2,图2为现场试验情况。另外，研究土壤固水性能所必需的特征是土壤保水性-吸力曲线，曲线的形状由粒化、矿物含量和生物炭的有机物含量决定，图3为在1～30 t范围内，生物炭参与的试验田土壤，其保水性-吸力曲线变化过程。由图可知，在低吸力范围内，即 0～1.2 kPa之间土壤含水量存在较大差异，与全水容量值相比，在自然条件下，与最大水容量相对应的水储量土壤很少能够达到，除非在长期暴雨后或春季融化期间。

图2 现场试验

图3 生物炭土壤保水性-吸力曲线

图4为第二次施加的生物炭的试验结果，分含量别为0 t/hm2、40 t/hm2、50 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2、100 t/hm2。由图可知，持水曲线最大的差异出现在吸力 0～3 kPa的范围内，土壤持水量在0.039～0.455 m3/m3的范围内，对于使用1～100 t生物炭的分析土壤，该范围在0.224～0.280 m3/m3之间。此外从以上分析可得出，不论生物炭含量多少，持水曲线有一个变陡的过程，这表示土壤孔隙逐渐排空水分的一个过程，且孔隙大小分布不规则。从耕作的角度来看，孔隙大小不规则分布的土壤具有更大的保水能力。另外，以最低剂量使用生物炭的持水曲线有轻微的变缓平的过程，意味着土壤含有略多的土壤大孔隙，此时大小相似的大孔隙在相同的土壤毛细吸力下更容易失水干燥。最后，与没有施用生物炭的土壤相比，土壤中施用高剂量的生物炭可以增加土壤的持水性能。

图4 第二次施加的生物炭的试验结果

4 结 论

(1)在静置2 d后，未添加生物炭土的含水率最低，蒸散作用最强，仅为4.2%；当土壤静置4 d后，此时含有50 mg生物炭土壤的含水率最低为7.8%，而此时生物炭含量为100 mg的土的含水率仍然最大，为10.0%。

(2)在低吸力范围内，持水曲线即 0～1.2 kPa之间存在较大差异。在自然条件下，与最大水容量相对应的水储量土壤很少能够达到，除非在长期暴雨后或春季融化期间。

(3)当生物炭含量别为0 t/hm2、40 t/hm2、50 t/hm2、60 t/hm2、80 t/hm2、100 t/hm2时，持水曲线最大的差异出现在吸力 0～3 kPa的范围内。此外，土壤持水量在0.039～0.455 m3/m3的范围内，对于使用1～100 t生物炭的分析土壤，该范围在0.224～0.280 m3/m3之间。