生物炭裂解溫度和施用水平對(duì)土壤導(dǎo)水率的影響

張昌天 郭建華 王龍

摘要：為定量研究生物炭對(duì)土壤導(dǎo)水率的影響機(jī)制，采用控制生物炭的裂解溫度為200、400、500、600 ℃，生物炭的施用水平為2%、5%（質(zhì)量比）的方法，利用HYPROP實(shí)時(shí)測(cè)定土炭混合物在蒸發(fā)過程中張力的變化，并開展了一系列的相關(guān)試驗(yàn)，研究分析生物炭對(duì)土壤非飽和導(dǎo)水率的影響機(jī)制，以及生物炭裂解溫度和生物炭施用水平與土壤非飽和導(dǎo)水率之間的定量關(guān)系。結(jié)果表明：（1）在低生物炭（2%）施用水平下，生物炭的裂解溫度越高對(duì)土壤的持水能力改良效果越好;（2）在高生物炭（5%）施用水平下，裂解溫度為400 ℃時(shí)制備出的生物炭，對(duì)土壤持水能力的改良效果最好;（3）生物炭對(duì)土壤導(dǎo)水率的影響同時(shí)受到生物炭施用水平和生物炭裂解溫度2個(gè)因素的共同作用。

關(guān)鍵詞：生物炭;裂解溫度;施用水平;土壤導(dǎo)水率;持水能力

中圖分類號(hào)： S152.7? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2020）06-0209-05

研究表明，生物炭的添加能夠改變土壤物理、化學(xué)性能[pH值、陽離子交換量（CEC）、土壤持水率、土壤導(dǎo)水率等][1-2]，施用生物炭作為一種土壤改良手段，得到了大量的關(guān)注。但生物炭對(duì)土壤導(dǎo)水率的改良方式及機(jī)制尚缺乏一致結(jié)論。相關(guān)研究認(rèn)為，生物炭不僅可以提高土壤中植物可利用水的比例，也可以提高土壤的持水能力[3-4];有數(shù)據(jù)表明，生物炭與土壤含水量的提高有較為顯著的關(guān)系[5];但Jeffery等的試驗(yàn)結(jié)果顯示，生物炭對(duì)土壤保水能力的影響并不顯著[6]Zhang等研究表明，生物炭對(duì)于土壤導(dǎo)水率的影響是非線性的，生物炭的裂解溫度和制備生物炭的原材料也是影響土壤導(dǎo)水率的原因之一[7]。

不同土壤的粒徑、沙粒占比、土粒間黏壤比、有機(jī)質(zhì)（SOM）含量均有差異，這些因素對(duì)土壤導(dǎo)水率都可能產(chǎn)生影響，主要反應(yīng)發(fā)生在生物炭與土壤團(tuán)聚體以及土壤有機(jī)質(zhì)之間[8]。盡管有研究認(rèn)為，可以通過生物炭粒徑尺寸預(yù)測(cè)其對(duì)土壤導(dǎo)水率的影響[9]，但是在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，上述結(jié)論可能存在一定偏差，主要是由于生物炭的物理結(jié)構(gòu)是松散和脆弱的，在種植過程中會(huì)發(fā)生形狀和尺寸的變化，因此僅通過生物炭初始的物理尺寸來預(yù)測(cè)其對(duì)土壤導(dǎo)水率的影響可能是不合理的。但是，生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的改良效果不會(huì)因生物炭形狀和尺寸的改變而衰減，因此選擇將土壤團(tuán)聚體作為研究的重點(diǎn)，在諸多影響土壤導(dǎo)水率的變量中，土壤團(tuán)聚體和生物炭的相互作用在任何質(zhì)地的土壤中均能夠提高土壤的持水能力，而生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響主要體現(xiàn)在大尺寸團(tuán)聚體（250～2 000 μm）上[10-11];有研究發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)土壤樣本干濕（WD）循環(huán)次數(shù)的增加，土壤持水能力的變化范圍不斷減小，最終趨于穩(wěn)定[12-13]，因此本研究通過對(duì)試驗(yàn)土壤進(jìn)行粉碎并過篩（100目）的預(yù)處理，獲得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和尺寸更加統(tǒng)一的土壤團(tuán)聚體。

相關(guān)研究表明，采用不同原材料和不同裂解溫度制備出的生物炭對(duì)土壤的物理特性和導(dǎo)水率有不同影響[12]。考慮到小麥秸稈回用需求，選擇秸稈這類易于獲得且數(shù)量巨大的農(nóng)業(yè)廢棄物作為制備生物炭的原材料，而不選擇灌木碎片或動(dòng)物糞便等具有現(xiàn)實(shí)意義[14-15]。另外，有研究表明，水稻秸稈半纖維素碳化物的比表面積和孔狀結(jié)構(gòu)會(huì)在400 ℃的裂解溫度下發(fā)生顯著變化[16-17]。生物炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)是形成土壤團(tuán)聚體或提高土壤保水能力的關(guān)鍵因素。綜上所述，本研究選擇將小麥秸稈作為制備生物炭的原材料，通過設(shè)置4種熱解溫度，并對(duì)生物炭和土壤均進(jìn)行研磨和過篩（100目）處理，較為系統(tǒng)地探討生物炭的裂解溫度對(duì)于土壤非飽和導(dǎo)水率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用小麥秸稈作為原材料，在限氧條件下，利用馬弗爐在200～600 ℃下自行制備生物炭[24]，冷卻至常溫后進(jìn)行研磨，并過100目（0.15 mm）篩后密封保存待用，其中小麥秸稈采集自安徽蚌埠;本研究中供試土壤取自邯鄲市郊區(qū)農(nóng)田（114°48′N，36°62′E），土壤質(zhì)地為沙質(zhì)壤土，土壤類型為黃土，取土深度為0～25 cm，土樣在去除雜物后自然風(fēng)干，分別過2 mm篩和100目（0.15 mm）篩制備成原狀土（UCK）和粉碎土（CCK），備用。

1.2 試驗(yàn)方法

本研究中試驗(yàn)組共設(shè)8個(gè)生物炭處理，分別為2%（質(zhì)量比，下同）200 ℃小麥秸稈炭（WS200-2%），2% 400 ℃小麥秸稈炭（WS400-2%），2% 500 ℃小麥秸稈炭（WS500-2%），2% 600 ℃小麥秸稈炭（WS600-2%）;5% 200 ℃ 小麥秸稈炭（WS200-5%），5% 400 ℃小麥秸稈炭（WS400-5%），5% 500 ℃小麥秸稈炭（WS500-5%），5% 600 ℃小麥秸稈炭（WS600-5%），試驗(yàn)組中所用土壤均為風(fēng)干粉碎后過100目（0.15 mm）篩的粉碎土;將各試驗(yàn)組中的生物炭與土壤混合均勻后，密實(shí)地裝入環(huán)刀中，置于并去離子水中，使土碳混合物吸水直至飽和（24 h），取出后自然蒸發(fā)24 h，再進(jìn)行二次吸水直至飽和（24 h）[13]，最后將環(huán)刀安裝在HYPROP傳感器上，讓土碳混合物自然蒸發(fā)，傳感器會(huì)自動(dòng)采集蒸發(fā)過程中土樣不同深度處的張力值，采集完畢后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和圖像擬合;另外，還設(shè)有2個(gè)空白對(duì)照組，即原狀土空白對(duì)照組和粉碎土空白對(duì)照組，每個(gè)試驗(yàn)組和空白對(duì)照組均設(shè)4次重復(fù)。

1.3 土壤及生物炭基本理化性質(zhì)的測(cè)定

使用元素分析儀（Vario EL Ⅲ，Elementar，Germany生產(chǎn)）對(duì)小麥秸稈中的元素進(jìn)行分析，通過電導(dǎo)率儀（METTLER TOLEDO，S210-K，Switzerland）對(duì)生物炭的水溶液pH值（碳水質(zhì)量比為 1 ∶ 100）[18]進(jìn)行測(cè)定（表1）。

小麥秸稈在不同裂解溫度（200～600 ℃）下得到的生物炭具有不同的元素組成。結(jié)果（表1）表明，生物炭的產(chǎn)率會(huì)隨著裂解溫度的升高而線性減少，從200 ℃時(shí)的74.510%降低到600 ℃時(shí)的 31.155%;產(chǎn)物中的灰分比例會(huì)因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)分解程度隨溫度升高的不斷增加而增加，從200 ℃時(shí)的 8.62% 上升至600 ℃時(shí)的23.66%;此外，氫元素的含量也會(huì)隨著裂解溫度的升高而減小，200 ℃時(shí)得到的生物炭中H含量為8.303%，600 ℃時(shí)得到的生物炭中的H含量為1.290%，類似的C/N也從200 ℃時(shí)的88.822增加至600 ℃時(shí)的115.006。上述指標(biāo)數(shù)值均與采用其他不同原材料制備得到的生物炭指標(biāo)數(shù)值相類似[20-21]。因此，小麥秸稈生物炭的裂解過程，是一個(gè)芳香性不斷增強(qiáng)、親水性不斷降低和極性不斷增強(qiáng)的過程，與水稻秸稈的碳化過程類似[17]。此外，不同裂解溫度下小麥秸稈中的纖維素和半纖維素分解程度也會(huì)有所不同，這將會(huì)影響生物炭和土壤顆粒的結(jié)合情況，同時(shí)也會(huì)在土碳混合物的非飽和導(dǎo)水率上有所反映，可以在掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中找到相關(guān)證據(jù)，即隨著生物炭裂解溫度的不斷增加，生物炭的結(jié)構(gòu)也在不斷變化，這些變化與土碳混合物持水能力的變化有著直接聯(lián)系。

1.4 土碳混合物結(jié)構(gòu)特征的測(cè)定

為了更直觀地分析不同裂解溫度下生物炭的結(jié)構(gòu)對(duì)土壤導(dǎo)水能力的影響，本研究利用掃描電子顯微鏡（Hitachi，SU8220，Japan）觀察了土碳混合物的結(jié)構(gòu)特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同裂解溫度下生物炭與土壤結(jié)合情況

在不同裂解溫度下制備的生物炭具有不同的理化特性，隨著裂解溫度的提高其親水性不斷降低，生物炭中纖維素的分解程度不斷提高，網(wǎng)格狀的空間結(jié)構(gòu)特征越來越明顯，與土壤顆粒的結(jié)合程度不斷提高，能夠與土壤顆粒形成新的團(tuán)聚體，詳見圖1。

2.2 生物炭對(duì)土壤非飽和導(dǎo)水率的影響

生物炭的裂解溫度和施用水平都會(huì)對(duì)土壤的水力特性產(chǎn)生影響，例如改變土壤的非飽和導(dǎo)水率和持水能力等，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量，但過高的生物炭添加比例會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長造成負(fù)反饋效應(yīng)[14]。HYPROR系統(tǒng)可以利用探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同深度土層中的水分張力，利用Kbi-PDI數(shù)學(xué)模型擬合出導(dǎo)水率-pF、導(dǎo)水率-水分殘留量和水分殘留量-pF曲線。

pF4.2是作物的萎蔫系數(shù)，土壤的田間持水量所對(duì)應(yīng)的pF值一般為2.15～2.81，因此非飽和導(dǎo)水率的數(shù)值主要在pF2～pF4之間，結(jié)合本研究中所使用的土壤種類，選擇pF1～pF3作為主要的數(shù)值研究區(qū)間，而導(dǎo)水率-pF曲線能夠很好地反映出隨著水分的不斷蒸發(fā)，土壤非飽和導(dǎo)水率的數(shù)值變化情況。

按照生物炭施用水平的不同，對(duì)各個(gè)試驗(yàn)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，并繪制pF1～pF3范圍內(nèi)土碳混合物的導(dǎo)水率-pF曲線。

生物炭已被證實(shí)可以改良土壤的水力特性，如影響土壤的飽和導(dǎo)水率、提高灌溉水中植物可利用水（plant-available water）的比例以及提高土壤的持水能力等[3，4，22]。土壤的非飽和導(dǎo)水率對(duì)灌溉有著重要的意義，目前在相關(guān)研究中對(duì)土壤非飽和導(dǎo)水率的關(guān)注不多，這一概念往往被簡(jiǎn)單地概括為蓄水能力的一部分，幾乎沒有相關(guān)的定量研究[10，22]，本研究選擇使用小麥秸稈來制備生物炭，并設(shè)定了4個(gè)裂解溫度梯度（200、400、500、600 ℃），與其他的試驗(yàn)相比，本研究使用了單一的原材料來制備生物炭，更符合實(shí)際情況，裂解溫度的設(shè)定在參考其他試驗(yàn)設(shè)定方法的同時(shí)，進(jìn)行了后續(xù)的補(bǔ)充，從圖2可以看出，當(dāng)生物炭的裂解溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，試驗(yàn)組的持水能力已經(jīng)低于對(duì)照組，即負(fù)反饋效果已經(jīng)出現(xiàn)。

從圖2至圖4可以看出，在pF1.5和pF3之間曲線的變化比較劇烈，并產(chǎn)生了多個(gè)交叉點(diǎn)，因此繪制了在特定pF值下，即特定的土壤水分蒸發(fā)節(jié)點(diǎn)下，生物炭裂解溫度與土碳混合物非飽和導(dǎo)水率的關(guān)系圖（圖5）。

綜上所述，在較低施用水平（2%）下，生物炭對(duì)土壤持水能力的改良效果與生物炭的裂解溫度呈明顯正相關(guān)關(guān)系，這一規(guī)律在較高施用水平時(shí)會(huì)有所不同，突變點(diǎn)發(fā)生在裂解溫度為400～500 ℃之間。通過比較相關(guān)試驗(yàn)可知[17]，在N2環(huán)境中，水稻秸稈的纖維素半纖維素的分解速率會(huì)在350 ℃條件下達(dá)到最大值[17]，而在本研究制備生物炭的條件下，由于原材料和環(huán)境的不同（本研究中使用的原材料是小麥秸稈，裂解調(diào)節(jié)為限氧裂解），導(dǎo)致這一分解速度達(dá)到極值的溫度范圍上升至400～500 ℃之間，結(jié)果見圖5。

3 結(jié)論與討論

pF4.2是作物的萎蔫系數(shù)，土壤的田間持水量所對(duì)應(yīng)的pF值一般為 2.15～2.81， 因此非飽和導(dǎo)水率的數(shù)值主要在pF2～pF4之間，結(jié)合本研究所使用的土壤的種類，選擇pF1.5～pF3作為主要的數(shù)值研究區(qū)間。也正是在pF1.5處，原狀土和粉碎土的非飽和導(dǎo)水率的差異開始出現(xiàn)，在此之前，二者的導(dǎo)水率曲線幾乎完全重合，在該點(diǎn)以后，原狀土的持水能力開始優(yōu)于粉碎土。因?yàn)榉鬯橥潦墙?jīng)由原狀土粉碎過篩得到的，土壤原有的顆粒級(jí)配和團(tuán)聚體都遭到了破壞，可以近似視為沙壤土，所以，從 pF1.5 這一點(diǎn)開始，試驗(yàn)組相對(duì)于對(duì)照組非飽和導(dǎo)水率的差異，均可視為生物炭和土壤顆粒所形成的團(tuán)聚體以及生物炭本身的持水能力差異所導(dǎo)致的。在2%施用水平下，隨著生物炭裂解溫度的不斷提高，土碳混合物的持水能力也在不斷增強(qiáng)，而當(dāng)生物炭裂解溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，在pF1.5處，土碳混合物的持水能力優(yōu)于原狀土和粉碎土。在pF0～pF1.5之間，土碳混合物的飽和、非飽和導(dǎo)水率大于對(duì)照組，即持水能力較對(duì)照組差，本研究結(jié)論與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論一致。但是，隨著土壤水分的不斷蒸發(fā)，pF值不斷增加，土碳混合物的持水能力不斷增強(qiáng)，即非飽和導(dǎo)水率不斷下降，在pF2.5處不同試驗(yàn)組的持水能力均大于等于粉碎土對(duì)照組。

當(dāng)生物炭的施用水平達(dá)到5%時(shí)，4個(gè)試驗(yàn)組的土炭混合物持水能力開始接近并超越對(duì)照組，同時(shí)，在這一施用水平下生物炭裂解溫度的提高與土炭混合物持水能力提高的正相關(guān)效應(yīng)在裂解溫度達(dá)到400 ℃時(shí)停止，并在400 ℃以上出現(xiàn)負(fù)相關(guān)效應(yīng)。裂解溫度為400 ℃的試驗(yàn)組土壤炭混合物持水能力在整個(gè)蒸發(fā)過程中均優(yōu)于空白對(duì)照組，但絕對(duì)差值并沒有隨著水分的蒸發(fā)而增大。生物炭的裂解溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，試驗(yàn)組的持水能力會(huì)隨著水分的不斷蒸發(fā)而明顯下降，與對(duì)照組相交于pF1.5處。當(dāng)生物炭裂解溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，施用量為2%的試驗(yàn)組土壤炭混合物非飽和導(dǎo)水率始終大于空白對(duì)照組，即持水能力劣于空白對(duì)照組，僅在pF2.5處達(dá)到空白對(duì)照組水平，在pF3.0處達(dá)到原狀土水平。

纖維素和半纖維素的大量分解導(dǎo)致生物炭的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，比表面積增加、官能團(tuán)類型改變、芳香性增強(qiáng)以及親水性和極性降低等，從而影響了生物炭顆粒與土壤團(tuán)聚體的結(jié)合程度，進(jìn)而導(dǎo)致了不同試驗(yàn)組中非飽和導(dǎo)水率的變化。在較低施用水平（2%）下沒有發(fā)生上述突變的原因是，此時(shí)影響土碳混合物持水能力的主要因素仍為土壤團(tuán)聚體，生物炭的主要作用體現(xiàn)在增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的形成上，即生物炭本身與持水相關(guān)的特性因?yàn)樯锾渴┯昧坎蛔愣谎谏w了。

施加生物炭可以提高土壤的持水能力，但提高的水平是由生物炭的裂解溫度和生物炭的施用水平共同決定的。由于2個(gè)影響因素和土壤的持水能力之間并不是完全的正相關(guān)關(guān)系，通過雙因素統(tǒng)計(jì)分析表明，選擇較低的施用水平時(shí)（2%），應(yīng)盡可能的選用較高裂解溫度下制備的生物炭;而在選擇較高施用水平時(shí)（5%），應(yīng)選用裂解溫度在400～500 ℃ 之間的生物炭。

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