生物炭与凹凸棒对土壤水力特性的影响

赵文举，徐 浩，吴克倩，曹 伟

（兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050）

0 引言

我国西北旱区面积约占国土面积的24.5%，但水资源含量仅占全国的3.2%[1,2]。由于西北旱区降水稀少而蒸发强烈，造成土壤水分的过多无效散失[3]，同时伴随着土壤表层盐分聚集，从而制约着当地农业生产可持续发展[4-6]。面对西北旱区土壤保水效果与当地气候环境存在矛盾的现状，如何采用合理措施提高土壤蓄水保墒能力，减少土壤无效蒸发，是实现西北旱区农业可持续发展的有效途径[7]。生物炭是通过热解反应在高温低氧条件下制备的含碳固体有机物，具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积。Hussain[8]等研究发现，生物炭可以改善土壤保水性能，提升土壤饱和含水率。Zhang等[9,10]通过试验表明，土壤中添加生物炭可以提高土壤的总孔隙率、持水能力并降低土壤容重，可用于土壤改良。凹凸棒作为一种富含层状水镁铝硅酸盐的黏土矿物，具有比表面积大、孔隙多以及生物相容性强等特征[11,12]。Francis等[13]研究发现，凹凸棒可以提高土壤蓄水能力，土壤有效水随着凹凸棒添加量的增多而显著增大。刘左军等[14]研究发现施入少量凹凸棒可以促进土壤团粒形成，提升土壤水分供应能力。

土壤水分特征曲线是描述土壤含水量与吸力水头之间的关系曲线，表示着土壤基本水力特性[15]，国内外学者对此开展了大量研究。Alghamdi[16]等测定了不同吸力下土壤含水率，并通过VG模型拟合土壤水分特征曲线和水力参数，研究发现在相同吸力下不同粒径生物炭的土壤含水率均高于对照组。邢旭光等[17]研究指出，土壤水分特征曲线随着吸力的增加呈现出“陡直-平缓”的变化趋势，通过平均相对误差和相关系数的对比得出VG模型可以较好的研究土壤水分特征曲线，并且精度较高。赵迪等[18]通过对土壤水分特征曲线进一步分析得出土壤持水能力、孔隙分布以及水分常数，探究生物炭对土壤水力特性产生的影响。魏永霞等[19]通过水分特征曲线计算出1 000 cm吸力下的比水容量，研究发现生物炭会增加土壤的比水容量，从而增强土壤的供水能力。

目前研究主要集中于生物炭单独施加对土壤相关参数的影响[20]，而针对生物炭与凹凸棒共同作用影响土壤相关参数的研究甚少。另外，已有研究表明单独添加凹凸棒会使得土壤发生板结[14]，这也与生物炭降低土壤板结度互补。因此，基于生物炭高度发达的孔隙结构、巨大的比表面积以及凹凸棒的聚链层状结构、可塑性与粘结性，利用室内试验探究生物炭与凹凸棒交互作用对土壤持水能力、比水容量、当量孔隙分布、水分常数及土壤微观结构的影响。在综合评价生物炭与凹凸棒施用效果的同时确定适宜的添加量，为提高土壤持水能力，促进旱区土地生产力提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤采自甘肃省兰州市兰州新区现代牧草休闲示范园，采样于2021年8月进行，取样深度0～30 cm。经自然风干、碾碎、去除杂质后，过2 mm筛，土壤类型为黄绵土，质地为壤土。供试生物炭来源于山东复合肥料生产公司，以小麦秸秆为主要生产原料，在550～600℃高温有限氧条件下经热裂解而成，容重为0.19 g/cm3，比表面积为9 m2/g，总孔隙度为67.03%，通气孔隙度为12.87%，持水孔隙度为61.10%。供试凹凸棒来源于白银靖远宏丰建材加工有限公司，比重1.6，摩氏硬度2。

1.2 试验设计

以采样地实测容重为参考，设定土壤容重为1.3 g/cm3。凹凸棒记为a，生物炭记为b，试验共设置9组处理，分别为添加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），每个处理3次重复[21]。按照设定的容重将土壤分层装入容积为100 cm3环刀中，然后将环刀放进蒸馏水中浸泡至饱和。

土壤水分特征曲线采用日立CR21GⅡ型高速恒温冷冻离心机测定，测定时离心机的温度保持4℃，吸力水头分别设为10、50、100、300、500、700、1 000、3 000、5 000、7 000 cm。离心结束后称取离心盒质量，各处理重复3次，取平均值作为结果。

1.3 试验数据计算

1.3.1 当量孔隙计算

将土壤中的各种孔隙假设成圆形毛管，则土壤水吸力S（Pa）和当量孔隙d（mm）的关系可表示为[22]：

参考土壤学百科全书[23]，土壤当量孔隙分为极微孔隙（＜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）与土壤空隙（≥100 μm）。

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1.3.2 水分常数计算

由土壤水分特征曲线参数可以得出田间持水率、凋萎系数、重力水、有效水、易有效水与易利用水比例[24]。其中，田间持水率是指吸力水头为330 cm对应的土壤体积含水率，cm3/cm3；凋萎系数是指吸力水头为15 000 cm对应的土壤体积含水率，cm3/cm3；重力水是饱和含水率和田间持水率的差值，cm3/cm3；有效水是田间持水率和凋萎系数的差值，cm3/cm3；易有效水是田间持水率和毛管断裂含水量的差值，cm3/cm3；易利用水比例是易有效水与饱和含水率的比值，cm3/cm3。

1.4 研究方法

1.4.1 van Genuchten模型（VG）

土壤水分特征曲线拟合模型选取应用最为广泛的van Genuchten模型[25]。

式中：θ(h)为土壤体积含水率，cm3/cm3；h为压力水头（负压），cm；θs为土壤的饱和体积含水率，cm3/cm3；θr为土壤残余体积含水率，cm3/cm3；α为进气值倒数，1/cm；m、n为形状参数，与土壤孔隙分布有关，m=1-1/n。

1.4.2 比水容量模型

比水容量是指单位基质势变化引起土壤含水率的变化，即土壤水分特征曲线斜率的倒数，是分析土壤水分运动和保持的重要参数之一[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，参数同式（2）。

2 结果与分析

2.1 生物炭与凹凸棒对土壤水分特征曲线的影响

如图1所示，生物炭与凹凸棒的添加均增强了土壤持水能力。当吸力水头从0增加至7 000 cm时，土壤含水率表现为：a4b4＞a4b2＞a2b0＞a0b4＞a4b0＞a2b2＞a2b4＞a0b2＞CK，即 凹 凸 棒添加量为0与4%时，土壤持水能力随生物炭添加量的增多而增强。凹凸棒添加量为2%时，土壤持水能力随生物炭添加量的增多而减弱，但始终位于CK曲线上侧。同时可以看出，当凹凸棒添加量为4%时，土壤持水能力明显高于CK。表1中计算平方和（SSQ）在0.000 1～0.000 4之间，决定系数（R2）在0.997 4～0.998 7之间，拟合效果较好。施加生物炭与凹凸棒的θr较CK增大0.01～0.066 cm3/cm3；α较CK减少0～0.004 cm-1；θs较CK的变化不明显，但在a4b2与a4b4处明显增大0.011、0.014 cm3/cm3。a4b2的n值较其他处理更高，表示其曲线的倾斜程度更明显[27]。

表1 不同生物炭与凹凸棒添加量的VG模型拟合参数Tab.1 Fitting parameters of VG model with different concave attapulgite and biocarbon additions

图1 不同生物炭与凹凸棒添加量的土壤水分特征曲线Fig.1 Soil water characteristic curve with different concave attapulgite and biocarbon additions

2.2 生物炭与凹凸棒对土壤比水容量的影响

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

2.3 生物炭与凹凸棒对土壤当量孔隙分布与水分常数的影响

如图3所示，凹凸棒添加量为0%或4%时，极微孔隙随生物炭添加量的增加而增加；为2%时极微孔隙随生物炭添加量的增加而减少。与CK相比，生物炭与凹凸棒的添加使得微孔隙和土壤空隙减少，但减少效果不明显。生物炭与凹凸棒的添加对于中等空隙和大孔隙相差不大。生物炭与凹凸棒的添加使得小孔隙增加，但a2b0的小孔隙相比CK减少。由表2可见，凹凸棒添加量为0%或4%时，田间持水率与凋萎系数随生物炭的添加而提高；凹凸棒添加量为2%时随生物炭的添加而降低，但均使土壤毛管悬着水量提高[28]。生物炭与凹凸棒均可增大土壤毛管力，使得重力水较CK降低0～0.012 cm3/cm3。各处理之间有效水和易有效水差异不大（0.166～0.171、0.07～0.078 cm3/cm3），但易利用水比例略有提高。

图3 不同生物炭与凹凸棒添加量的当量孔隙分布Fig.3 Equivalent pore distribution of different biochar and attapulgite additions

表2 不同生物炭与凹凸棒添加量的土壤水分常数值Tab.2 Soil moisture parameters with different concave attapulgite and biocarbon additions

2.4 生物炭与凹凸棒对土壤水分常数的主成分分析

表3中将本研究的7个土壤水分常数进行主成分分析，在进行主成分分析之前将负向指标取倒数之后再进行数据处理。综合考虑特征值、因子相关性、累积解释变量等因素的前提下，本文提取了2个主成分作为主成分分析结果，2个主成分解释了81.39%的信息量。主成分载荷矩阵如表4所示，由表可知第一主成分中贡献值较高的是凋萎系数、田间持水率、易有效水、易利用水比例以及饱和含水率，第二主成分中贡献值较高的是有效水、重力水。由表5可知，不同处理下土壤水分常数的综合得分由高到低为a4b2、a4b4、a4b0、a0b4、a2b2、a2b4、a2b0、a0b2、CK，由此推荐添加4%凹凸棒与2%生物炭施入土壤较为适宜。

表3 土壤水分常数主成分分析结果Tab.3 Results of principal component analysis of soil water constant

表4 土壤水分常数主成分载荷矩阵Tab.4 Principal component loading matrix of soil water constant

表5 土壤水分常数主成分综合得分Tab.5 Comprehensive scores of principal components of soil water constants

2.5 生物炭与凹凸棒对土壤微观结构的影响

图4为土壤扫描电子显微镜（SEM）图像，CK与a4b2分别对应图4(a)和图4(b)。5 μm和10 μm尺度下可以清晰地观察到，CK的土壤颗粒界线较为分明且表面光滑，相反a4b2的土壤颗粒相互连结，表面附着物较多；20 μm与50 μm下观察到CK土体颗粒分散，基本无胶结，土壤由颗粒间的穿插和镶嵌构成，而a4b2出现一定数量的桥接状垒结，结构形态分布紧密；100 μm尺度下，CK土壤颗粒之间大孔隙较多，添加生物炭与凹凸棒后，颗粒之间的大孔隙减少，土壤颗粒接触紧密。微观测试结果进一步阐明了土壤持水特性随着生物炭与凹凸棒的添加而增强的内在机制。

图4 生物炭与凹凸棒添加前后土壤微观结构Fig.4 Soil microstructure before and after attapulgite and biochar addition

3 讨论

土壤持水能力对于维持当地生态系统和农业生产具有重要作用。本研究表明，当在低吸力时，土壤水分特征曲线下降显著，而在高吸力下土壤水分特征曲线下降平缓，这是因为低吸力时土壤主要排出的是重力水，重力水占据土壤水分的一定比例，因此低吸力下土壤水分特征曲线下降较快，随着吸力的升高，毛管水逐渐从土壤中排出，土壤水分特征曲线下降趋势放缓，这与邢旭光[17]等研究结果相似。本研究表明，当凹凸棒添加量为0%或4%时，随着生物炭添加量的增多，土壤持水能力增强，凋萎系数与田间持水率增大，这与魏永霞等[19]研究结果一致。而当凹凸棒添加量为2%时，随着生物炭添加量的增多，土壤持水能力减弱，可能是因为当土壤中添加少量的凹凸棒时，会使得土壤质地较细，土壤黏粒含量增多[28]，土壤持水能力高于生物炭，从而添加2%凹凸棒后，随着生物炭添加量的增多，土壤持水能力减弱。凹凸棒添加量为2%时，土壤持水能力随着生物炭的增加虽然减弱，但均高于纯土的持水能力，从土壤的水分特征曲线中也可以看出添加2%凹凸棒的处理均优于CK处理。

在相同吸力水头下土壤比水容量越高，土壤供水能力越强，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的吸力水头下比水容量值越高，土壤有效性越强。从本研究中可以看出，在1 000 cm吸力水头下，单独添加生物炭会增加比水容量，单独添加凹凸棒会减小比水容量。凹凸棒添加量一定时，施加2%生物炭会明显增加土壤比水容量。这与闫辰啸等[30]研究结果一致。因此，在凹凸棒添加下施用2%生物炭，既可以实现农业废弃物资源的可持续利用，又有利于土壤生产力的提高。同时由土壤水分常数主成分分析的综合评价结果表明，a4b2适宜该土壤的改良处理。

通过生物炭与凹凸棒对土壤的吸附作用，改变土壤内部孔隙分布，从而影响土壤持水能力。Zhao等[31]通过土壤SEM图像表明，土壤质地的改善，持水能力的增强，内在机制是因为土壤颗粒粒径均匀，大孔隙减少。本研究表明，与CK相比，生物炭与凹凸棒的添加使得土体颗粒聚集趋势明显，颗粒之间的大孔隙减少，土体中出现一定数量的桥接状垒结，从而持水能力高于CK。同时通过土壤水分特征曲线进行土壤当量孔隙的计算，分析得到土壤中施入生物炭与凹凸棒可以增加极微孔隙，降低微孔隙与土壤空隙，这与赵迪等[18]的研究结果略有不同，可能是受土壤质地、生物炭类别以及凹凸棒的影响，使得土壤孔隙分布更为均匀，土壤持水能力提高。

土壤是否适应当地气候环境是影响作物生长和产量的重要因素。凹凸棒是一种非金属矿物，由于特殊的晶体构造，使其具有极强的吸水性和耐盐碱能力[32]。复配生物炭后，既可以实现农业废弃物资源的高效利用，又可以提高作物吸水量，推进西北旱区农业生产的可持续发展。

4 结论

（1）与纯土相比，生物炭与凹凸棒可有效增强土壤持水能力。不添加凹凸棒时，土壤持水能力随着生物炭的添加而增强；添加2%凹凸棒时，土壤持水能力随着生物炭的添加而减弱；添加4%凹凸棒时，土壤持水能力随着生物炭的添加而增强。施加生物炭与凹凸棒的θr较纯土增大15.6%～103.1%；重力水较纯土降低0%～7.1%。

（2）凹凸棒添加量为0%或4%时，极微孔隙随生物炭添加量的增加而增加。凹凸棒添加量为2%时，极微孔隙随生物炭添加量的增加而减少。生物炭与凹凸棒的添加使得微孔隙和土壤空隙减少，而对中等空隙和大孔隙基本没有影响。生物炭与凹凸棒的添加使得土壤颗粒接触紧密，出现桥接状垒结。

（3）单独添加生物炭能够增加土壤比水容量，单独添加凹凸棒会减小土壤比水容量。添加凹凸棒后，施加2%生物炭会明显增加土壤比水容量。结合基于主成分分析的土壤水分常数评价结果，推荐施用4%凹凸棒与2%生物炭，对于提高该地土壤生产力较为适宜。