閆辰嘯，洪 明，秦佳豪，傅俊杰，李海軍，王 云

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052 )

新疆和田地區(qū)位于塔里木盆地南緣[1]，氣候干燥、降雨稀少且風(fēng)沙危害嚴(yán)重，屬于典型的干旱荒漠性氣候[2]。風(fēng)沙土是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要耕地土壤，由于其物理結(jié)構(gòu)差、有機(jī)質(zhì)含量低、水肥易流失等缺陷，制約了該地區(qū)耕地面積及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的增長[3]。為此，采取有效措施改善風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)，提高其蓄水保墑能力，是該地區(qū)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

生物炭輸入對(duì)土壤性質(zhì)有多方面的影響[13]，不同時(shí)間、空間、土壤質(zhì)地、生物炭原料及用量等，都會(huì)造成生物炭對(duì)土壤改良的差異，而有關(guān)生物炭對(duì)和田風(fēng)沙土持水性能的影響鮮有報(bào)道。本文研究了不同生物炭施入量對(duì)風(fēng)沙土持水性和入滲參數(shù)的影響，以期為和田地區(qū)風(fēng)沙土改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2020年8月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水鹽運(yùn)移實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)用土取自和田地區(qū)和諧新村，取土深度為表層0～20 cm，土壤類型為風(fēng)沙土，其砂粒、粉粒和粘粒含量分別為66.05%、28.59%和5.36%，將土樣在避光條件下自然風(fēng)干后過2 mm篩備用。生物炭為香梨果木炭，呈粉末狀，裂解溫度為500℃，裂解時(shí)長8 h。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由馬氏瓶和土柱構(gòu)成，馬氏瓶用以提供恒定水頭，其截面積為15 cm2，高度為25 cm。土柱由透明有機(jī)玻璃制成，其規(guī)格為內(nèi)徑5 cm，高20 cm，恒定水頭控制為2.70 cm，透水隔板距土柱底3 cm。試驗(yàn)裝置見圖1。

1.注水口;2.排氣閥;3.標(biāo)尺;4.發(fā)泡點(diǎn);5.進(jìn)水閥;6.恒定水頭;7.土樣;8.支架;9.透水隔板;10.出水口1. Water injection port；2. Exhaust valve；3. Scale；4. Foaming point；5. Water inlet valve；6. Constant water head；7. Soil sample；8. Scaffold；9. Permeable partition；10. Water outlet圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

1.3 試驗(yàn)方法及原理

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)共設(shè)置了5個(gè)生物炭添加量處理，相對(duì)干土樣的質(zhì)量比分別為：CK(0%，對(duì)照處理)、T1(4%)、T2(8%)、T3(12%)、T4(16%)，考慮初始含水量的影響，由烘干法測(cè)得風(fēng)沙土和生物炭的初始含水量(質(zhì)量)分別為1.08%和6.58%，生物炭和風(fēng)沙土的用量分別由(1)式和(2)式計(jì)算得出。根據(jù)預(yù)裝填試驗(yàn)獲得生物炭和風(fēng)沙土的干容重為0.48 g·cm-3和1.60 g·cm-3，在保證土層裝填體積一定的情況下，由不同混合比確定各處理土樣設(shè)計(jì)容重，水分常數(shù)由環(huán)刀法測(cè)定，供試土樣基本性質(zhì)見表1。

W1=W×i(1+θ1)

(1)

W2=W(1-i)(1+θ2)

(2)

式中，W為試驗(yàn)土樣質(zhì)量(g)；W1為生物炭的風(fēng)干質(zhì)量(g)；W2為風(fēng)沙土的風(fēng)干質(zhì)量(g)；i為生物炭添加比例(%)；θ1為生物炭初始含水量(g·g-1)；θ2為風(fēng)沙土初始含水量(g·g-1)。

表1 試驗(yàn)土樣基本性質(zhì)

1.3.2 土壤水分特征曲線的測(cè)定與擬合 土壤水分特征曲線(SWCC)是土壤含水量與土壤基質(zhì)吸力的函數(shù)，SWCC不僅能夠有效反映土壤持水特性，還是獲取土壤比水容量和非飽和導(dǎo)水率的重要參數(shù)。利用H-1400PF離心機(jī)對(duì)脫濕過程的SWCC進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)共設(shè)置13個(gè)轉(zhuǎn)速，分別為400、700、1 000、1 400、1 700、2 200、3 100、4 400、5 300、6 200、6 900、7 900、8 500 r·min-1，離心時(shí)間定為100 min。通過(3)式可將離心轉(zhuǎn)速換算成相應(yīng)的土壤水吸力，為了更直觀地反映低吸力下土壤水分狀態(tài)，一般用土壤水吸力的對(duì)數(shù)(PF)來表示，根據(jù)下式計(jì)算不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的PF值：

h=z(r-z/2)×1.118×10-5N2

(3)

PF=lgh

(4)

式中，h為土壤水吸力(cm),r為旋轉(zhuǎn)半徑(8.6 cm),z為樣品杯的高度(2.55 cm),N為轉(zhuǎn)速(r·min-1)。

在對(duì)土壤水分特征曲線描述的幾種數(shù)學(xué)模型中，Van Genuchten 模型[14](簡(jiǎn)稱VG模型)由于在不同質(zhì)地的土壤中普遍表現(xiàn)出較高的擬合精度，且曲線光滑有連續(xù)斜率，因而被普遍采用，其表達(dá)式為：

(5)

式中，θ為土壤含水量(cm3·cm-3),θr為土壤殘余含水量(cm3·cm-3),θs為土壤飽和含水量(cm3·cm-3),h為土壤水吸力(cm),α為土壤進(jìn)氣吸力倒數(shù)(cm-1),n和m為控制曲線形狀的試驗(yàn)常數(shù)，其中m=1-1/n。

1.3.3 土壤當(dāng)量孔徑的計(jì)算 當(dāng)量孔徑能夠反映土壤的孔隙組成和水分有效性，或稱實(shí)效孔徑。根據(jù)茹林公式[15]：

d=3/h

(6)

式中，d為土壤孔隙的當(dāng)量孔徑(mm)。

1.3.4 土壤比水容量的計(jì)算 比水容量(C(h))能夠反映土壤在單位吸力下所引起的含水量變化，是分析土壤持水及對(duì)作物供水難易程度的重要參數(shù)。以土壤水吸力為自變量對(duì)式(5)求導(dǎo)可得C(h)，即

(7)

式中，C(h)為隨土壤水吸力變化的比水容量(cm3·cm-4)。

1.3.5 土壤導(dǎo)水率的確定 飽和導(dǎo)水率(Ks)由定水頭法確定，測(cè)定Ks時(shí)，首先在透水隔板上鋪一張濾紙以防止土樣流失，為防止土柱壁面優(yōu)勢(shì)流產(chǎn)生，將凡士林均勻涂抹于土柱內(nèi)壁，然后將制備好的土樣分層填入土柱，為使層間結(jié)合更緊密，每層填土高度控制為3 cm，最后一層為2.5 cm，總填土高度為11.5 cm，最后將裝有土樣的土柱放入水槽中24 h吸水至飽和。

將飽和的樣品與馬氏瓶連接，在恒定水頭建立后，每次接取30 min的滲出液并稱重，重復(fù)3次，計(jì)算公式：

(8)

(9)

式中，T為滲透液溫度(℃)，KT為T℃時(shí)土壤的飽和導(dǎo)水率(cm·min-1),V為滲透液體積(cm3),L為土樣高度(cm),A為土柱截面積(cm2),t為時(shí)間(min),ΔH為水頭差(cm),Ks為水溫10℃的標(biāo)準(zhǔn)飽和導(dǎo)水率(cm·min-1)。

非飽和土壤導(dǎo)水率(Kθ)采用間接法獲得，Mualem模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(10)

式中，Kθ為非飽和土壤導(dǎo)水率(cm·min-1)。

1.3.6 模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo) 根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)VG模型擬合結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)之間比較，使用決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)來分析模型適用性：

(11)

(12)

1.4 數(shù)據(jù)分析

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用Microsoft Excel 2019和SPSS 26，繪圖及VG模型求解采用Matlab R2017b。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)風(fēng)沙土水分特征曲線的影響

采用VG模型擬合水分特征曲線如圖2。由圖可知，經(jīng)生物炭處理風(fēng)沙土的SWCC較對(duì)照處理均整體上移，并且隨著生物炭用量的增加而增大，這種現(xiàn)象在PF=2.0～3.0階段時(shí)表現(xiàn)尤為明顯(P<0.05)；在PF<1.8的低吸力階段，土壤中水分運(yùn)動(dòng)主要受孔隙分布特征的影響，飽和土壤依靠大孔隙進(jìn)行重力排水；在PF=1.5～3.0階段，土壤含水率出現(xiàn)急劇下降，隨著吸力的不斷增強(qiáng)，含水量變化逐漸進(jìn)入殘留區(qū)[16]。在PF=3.0～3.8階段，各處理土壤含水量下降速度有所減緩，這是由于表面吸附力在風(fēng)沙土和生物炭顆粒中起主要作用，從而使等量的水分釋放消耗的能量更多；在PF>3.8的強(qiáng)吸力階段，土壤水分保持受吸附作用的影響越來越大，受孔隙結(jié)構(gòu)因素的影響逐漸變小，各處理在相同吸力下的含水量變化減小。整個(gè)脫濕過程，T1、T2、T3和T4處理較CK處理的持水能力分別增加2.96%、4.28%、5.11%和4.79%，這是由于生物炭、土壤顆粒以及有機(jī)質(zhì)亞分子之間存在的范德華力使顆粒吸附力增強(qiáng)，從而使生物炭增強(qiáng)了風(fēng)沙土的持水性[17],且土壤持水能力隨著生物炭添加量的增加呈先增大后減小趨勢(shì)，對(duì)風(fēng)沙土持水特性提升最大的是T3處理。

圖2 不同生物炭含量下風(fēng)沙土土壤水分特征曲線Fig.2 Soil water characteristic curve of aeolian sandysoil with different biochar content

不同生物炭處理風(fēng)沙土的SWCC的參數(shù)擬合與模型驗(yàn)證結(jié)果見表2。從擬合程度來看，調(diào)整后R2均大于0.9978，RMSE均小于0.0054，表明模型參數(shù)迭代初始值選擇較好，模型精度較高。為了定量研究生物炭對(duì)風(fēng)沙土SWCC的影響，需要進(jìn)一步分析VG模型擬合參數(shù)。T1～T4處理α值隨生物炭用量的增加而緩慢增加，但其均值較CK處理下降了17.92%，T1處理下降最多，為23.75%；n可以反映SWCC逼近殘余含水量的快慢[18]，調(diào)整參數(shù)發(fā)現(xiàn)n在PF=3.0～3.8階段對(duì)曲線斜率的影響最敏感，在脫濕曲線中，n值的變化更能反映風(fēng)沙土在此階段的釋水速率。各處理n值隨生物炭用量的增加先增大后減少，僅在T1時(shí)比CK高4.58%，總體呈下降趨勢(shì)，平均降幅為4.84%，T4處理降低最多，為12.48%，說明T1處理較CK處理釋水速率有所增加，T1～T4處理釋水速率隨著生物炭施入量的增加而減小。

表2 土壤水分特征曲線VG模型擬合參數(shù)

2.2 生物炭對(duì)風(fēng)沙土有效水含量的影響

土壤水分常數(shù)不僅可以通過試驗(yàn)直接獲取，也可根據(jù)SWCC求得。根據(jù)已有研究，通常以PF=1.80～2.52時(shí)的土壤含水量為田間持水量(FC)，PF=4.18時(shí)的土壤含水量為萎蔫系數(shù)(PWP)[19-20]。根據(jù)環(huán)刀試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)與SWCC比較，本試驗(yàn)統(tǒng)一將PF=1.80土壤水吸力下的含水量定為FC，據(jù)此分別計(jì)算出全有效含水量(PF=1.80～4.18)、速效含水量(PF=1.80～3.80)[21]、遲效含水量(PF=3.80～4.18)與無效含水量(PF>4.18)在各處理中所占土壤水分總量的比例。

由表3可知，各處理田間持水量(FC)均表現(xiàn)為隨生物炭添加比的增加而增大，F(xiàn)C從CK處理的19.42%增加到T4處理的30.64%，平均增加了8.34%。PWP從CK處理的1.27%增加到T4處理的5.01%，平均增加了2.25%。生物炭對(duì)風(fēng)沙土有效水分含量產(chǎn)生了較大的影響，T1～T4處理的有效含水量均顯著大于未施用生物炭的CK處理，并隨生物炭用量的增加而增加。施用生物炭使風(fēng)沙土的全有效含水量平均增加了6.09%，T4處理較CK處理增加最多，為7.48%，但T3和T4處理的全有效含水量沒有明顯差異。土壤有效水的絕對(duì)含量(速效水占全有效水的含量)在CK、T1、T2、T3、T4處理中分別為96.40%、96.87%、96.27%、95.64%、94.46%，這表明隨生物炭添加比的提升，遲效水增長的速率略大于速效水。根據(jù)該規(guī)律擬合表明，土壤有效水的絕對(duì)含量與生物炭用量有較好的二次函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為y=-1.4965x2+0.1117x+0.9647(其中y為各處理有效水的絕對(duì)含量，x為生物炭添加量，g·g-1)，R2=0.9825。遲效含水量在不同處理中占比最小，且隨生物炭添加比的遞增而增大?？傊?，生物炭作為改良劑摻入風(fēng)沙土后，改善了土壤的有效水分含量，增強(qiáng)了土壤的水分保持能力，進(jìn)而為植物生長提供更多的水分。

表3 生物炭對(duì)風(fēng)沙土有效水分的影響

2.3 生物炭對(duì)風(fēng)沙土當(dāng)量孔徑的影響

當(dāng)量孔徑在分析生物炭對(duì)風(fēng)沙土持水特性的影響機(jī)理中具有重要意義。根據(jù)SWCC由(6)式可以得到d與θ的關(guān)系，而當(dāng)量孔徑分布比實(shí)際上是指d1≥d≥d2時(shí)對(duì)應(yīng)土壤含水量的差值。根據(jù)土壤中孔隙特性，可將當(dāng)量孔徑主要分為三級(jí)，即通氣孔隙d≥0.06 mm、毛管孔隙0.06 mm>d≥0.002 mm、非活性孔隙d<0.002 mm[15]，各處理不同當(dāng)量孔徑占比見表4。

由表4可知，T1～T4處理通氣孔隙較對(duì)照組顯著降低，而毛管孔隙和非活性孔隙較對(duì)照組均有顯著提升，通氣孔隙平均降低了1.84%，毛管孔隙和非活性孔隙分別平均提高4.77%、3.55%。d≥0.060 mm時(shí)，T3較CK的通氣孔隙降低最多，為2.34%，但T3和T4并無顯著性差異，說明加入生物炭能夠有效減少風(fēng)沙土的大孔隙數(shù)量，從而提升風(fēng)沙土的持水性能；d介于0.060～0.002 mm時(shí)，毛管孔隙隨著生物炭施用量的增加而先增大后減小，T3較CK的毛管孔隙提升最多，為5.61%。根據(jù)該規(guī)律擬合二次函數(shù)關(guān)系式為y=-457.54x2+99.146x+19.086(其中，y為各處理毛管孔隙比，x為生物炭添加量(g·g-1))，R2=0.9499，這也使2.2節(jié)中速效含水量與生物炭添加量的變化規(guī)律得到進(jìn)一步印證。d<0.002 mm時(shí)，T4較CK的非活性孔隙提升最多，為6.20%，生物炭的添加量與非活性孔隙的提升呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為y=37.895x+2.9721，R2=0.9833(其中，y為各處理非活性孔隙比，x為生物炭添加量(g·g-1))，這也解釋了SWCC在高吸力段土壤含水量隨生物炭添加量的增加而升高的關(guān)系。

表4 生物炭對(duì)風(fēng)沙土當(dāng)量孔徑分布比的影響/%

毛管孔隙對(duì)土壤有效水含量的影響起主導(dǎo)作用，在本研究中，不同處理毛管孔隙中的有效水含量占全有效水含量的81.60%～92.17%，試驗(yàn)條件下生物炭的摻入顯著增大了風(fēng)沙土毛管孔隙的比例，說明生物炭有效改善了風(fēng)沙土的孔徑分布。

2.4 生物炭對(duì)風(fēng)沙土比水容量的影響

圖3為不同生物炭添加量處理下風(fēng)沙土比水容量與土壤水吸力的關(guān)系。由于采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，在PF<1.8階段，CK處理的比水容量均值處于最高水平，說明未添加生物炭的風(fēng)沙土較生物炭處理的風(fēng)沙土更容易排出重力水；此后，CK處理的比水容量隨著土壤水吸力的增加而迅速下降，在PF=2.0時(shí)降為最低，各處理比水容量表現(xiàn)為T1>T2>T3>T4>CK；在PF=2.0～2.5階段，各處理的比水容量有較大的變化，直到PF=2.5時(shí)各處理比水容量呈現(xiàn)最終排列狀態(tài)，其關(guān)系依次為T4>T3>T2>T1>CK；在PF=1.8～3.8階段，根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)各處理比水容量均值為T3>T4>T2>T1>CK，這說明生物炭能使風(fēng)沙土有效水供應(yīng)能力增強(qiáng)，在此階段T3處理以速效水為主的土壤水分較其他處理更容易釋放，植物獲取相同速效水所需要的灌溉水量最少?？梢?，生物炭施入風(fēng)沙土中能夠減少重力水的排出，使更多的水分存留于土壤中，可減小風(fēng)沙土中由降雨或灌溉補(bǔ)給水分的深層滲漏，提升風(fēng)沙土中植物根系層的儲(chǔ)水量。

圖3 生物炭對(duì)風(fēng)沙土比水容量的影響Fig.3 Effect of biochar on the specific watercapacity of aeolian sandy soil

2.5 生物炭對(duì)風(fēng)沙土導(dǎo)水率的影響

土壤飽和導(dǎo)水率隨生物炭添加量的增加而顯著降低(圖4)，當(dāng)生物炭增加時(shí)，會(huì)降低水在飽和土壤中的運(yùn)移速度，改變土壤入滲特性。添加生物炭的風(fēng)沙土較CK處理飽和導(dǎo)水率下降了70.84%～91.95%，并且各處理間均有顯著性差異。

圖4 生物炭對(duì)風(fēng)沙土飽和導(dǎo)水率的影響Fig.4 Effect of biochar on saturated hydraulicconductivity of aeolian sandy soil

非飽和導(dǎo)水率(Kθ)是土壤水分動(dòng)態(tài)參數(shù)，其受含水率、土壤容重及孔隙分布特征等因素的共同影響，對(duì)風(fēng)沙土而言，當(dāng)孔隙度小、容重小、有機(jī)質(zhì)含量高時(shí)，Kθ往往趨向于減小。圖5為不同處理下非飽和導(dǎo)水率與體積含水量和土壤水吸力之間的關(guān)系。在相同的含水量條件下，非飽和導(dǎo)水率與生物炭添加量成反比，即CK>T1>T2>T3>T4，且不同處理的差異性均達(dá)到顯著水平。不同處理的非飽和導(dǎo)

圖5 生物炭對(duì)風(fēng)沙土非飽和導(dǎo)水率的影響Fig.5 Effect of biochar on unsaturated hydraulic conductivity of aeolian sandy soil

水率隨土壤水吸力的增加有明顯的變化，在PF≤3.0時(shí)，各處理非飽和導(dǎo)水率為CK>T1>T2>T3>T4；當(dāng)PF>3.0時(shí)，不同處理非飽和導(dǎo)水率的關(guān)系逐漸發(fā)展為T3>T4>CK>T2>T1，這是由于在相同土壤水吸力條件下含水量相差過大導(dǎo)致T3和T4處理的非飽和導(dǎo)水率大于CK處理。

3 討 論

研究水分運(yùn)移和土壤水分分布的重要參數(shù)有土壤(飽和、非飽和)導(dǎo)水率、土壤孔隙分布、土壤水分特征曲線及比水容量等，這些參數(shù)能反映出土壤持水特征、水分有效性、滲透速度及供水能力，它們的差異是由土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地及有機(jī)質(zhì)含量等多重因素共同作用的結(jié)果。本研究通過在風(fēng)沙土中加入不同比例的生物炭開展室內(nèi)土柱和環(huán)刀試驗(yàn)，探明不同生物炭添加量對(duì)和田風(fēng)沙土水動(dòng)力學(xué)參數(shù)和水分常數(shù)的影響。

本研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭導(dǎo)致風(fēng)沙土通氣孔隙所占比例減少，毛管孔隙和非活性孔隙所占比例增加，這可能是由于生物炭機(jī)械強(qiáng)度較低，易破碎成微小的黏粒，添補(bǔ)了風(fēng)沙土中相對(duì)較大的孔隙，從而減小了風(fēng)沙土中大孔隙的占比，增大了有效孔隙與微小孔隙的占比。比水容量能夠衡量土壤對(duì)植物提供水分和其自身持水量的強(qiáng)弱，在本研究中生物炭能夠降低風(fēng)沙土重力排水階段的比水容量，增加有效水階段的比水容量，對(duì)作物生長及土壤水分調(diào)控產(chǎn)生積極影響，這與魏永霞等[22]的研究結(jié)論一致。研究土壤水分運(yùn)移的關(guān)鍵參數(shù)是飽和導(dǎo)水率及非飽和導(dǎo)水率，本研究表明風(fēng)沙土的導(dǎo)水率隨著生物炭含量的增加而明顯降低，這與Ajayi等[23]在細(xì)砂中添加生物炭的結(jié)論一致。Obia等[24]認(rèn)為生物炭對(duì)沙質(zhì)壤土飽和導(dǎo)水率的影響表現(xiàn)為隨其添加比例的遞增而降低，對(duì)壤土細(xì)砂的抗?jié)B透性卻沒有顯著影響，這種現(xiàn)象與生物炭的粒徑無關(guān)。風(fēng)沙土飽和導(dǎo)水率的降低可能是受到生物炭具有較大比表面積的影響，通過增加土壤微孔率而改變了土壤結(jié)構(gòu)引起土壤聚集而導(dǎo)致的。

施用生物炭后對(duì)風(fēng)沙土SWCC各參數(shù)均有顯著影響，對(duì)參數(shù)θr和θs有增大的效果，對(duì)參數(shù)α呈先減小后隨生物炭含量的增加而緩慢增加，對(duì)參數(shù)n表現(xiàn)為先增大到T1最大值，后隨生物炭含量的增加而減小，這與于博等[25]研究結(jié)果一致。在相同土壤水吸力下，T1、T2、T3、T4的SWCC均位于CK上方，由于生物炭是一種擁有巨大比表面積與電荷密度的多孔結(jié)構(gòu)有機(jī)物，與風(fēng)沙土結(jié)合后改善了土壤中的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，極大地增強(qiáng)了土壤顆粒對(duì)水分子的吸附能力，在顆粒間形成了較厚的水膜，使土壤孔隙中更多的重力水轉(zhuǎn)變?yōu)槊芩笆`水，從而增強(qiáng)了土壤整體的持水性。近年來，關(guān)于生物炭對(duì)土壤有效含水量的影響，國內(nèi)外學(xué)者得出的結(jié)論多不相同。本研究發(fā)現(xiàn)，在土壤水分特征曲線中FC和PWP確定的土壤有效含水量隨生物炭添加量的增加而明顯增加，這與Cornelissen等[26]在5種土壤中添加玉米芯生物炭能夠有效增大作物可利用水的結(jié)論一致，但與Burrell等[27]在砂土中添加木質(zhì)生物炭未顯著改變有效水含量的結(jié)論相反。這是因?yàn)樯锾吭稀⒓庸?shù)及制備工藝不同導(dǎo)致生物炭特性的差異，生物炭穩(wěn)定性受到原料的顯著影響，制備工藝的不同會(huì)直接影響生物炭的得率，裂解溫度的升高會(huì)提高生物炭原子結(jié)構(gòu)的有序性以及增強(qiáng)其化學(xué)穩(wěn)定性，升溫速率會(huì)影響生物炭的比表面積和孔隙率，升溫速率越快生物炭的比表面積越大，孔隙率越小，而裂解時(shí)間的長短對(duì)生物炭有機(jī)質(zhì)含量有較大的影響。盡管目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物炭在污染防治、土壤改良和大氣循環(huán)等方面展開了大量研究，但對(duì)生物炭自身特性與功能間關(guān)聯(lián)的研究仍相對(duì)缺乏，因而推進(jìn)生物炭裝備與技術(shù)的現(xiàn)代化，制定相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)顯得極其重要。

在本研究中，風(fēng)沙土達(dá)到最高有效水含量和毛管孔隙比所消耗生物炭的量巨大。以T3處理12%的生物炭用量為例，應(yīng)用于大田中，相當(dāng)于在風(fēng)沙土表層20 cm的土壤中添加的生物炭將達(dá)到384 t·hm-2。大量的生物炭遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了小型農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)承受能力，然而，結(jié)合和田設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚，如果可以將生物炭聚集在作物的根部區(qū)域，不但能使農(nóng)業(yè)廢棄物變廢為寶，而且還能根據(jù)現(xiàn)有的種植模式至少將生物炭用量減少50%以上。這既實(shí)現(xiàn)了資源可持續(xù)利用，又提高了經(jīng)濟(jì)效益，使生物炭改良和田風(fēng)沙土成為可能。

4 結(jié) 論

本文以不同生物炭添加量的風(fēng)沙土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了生物炭對(duì)風(fēng)沙土持水特性、入滲參數(shù)和釋水過程的影響，得出以下結(jié)論：

1)生物炭對(duì)風(fēng)沙土土壤水分特征曲線隨土壤水吸力變化的規(guī)律沒有顯著影響，與CK處理相比，經(jīng)生物炭改良后的風(fēng)沙土持水能力增加了2.96%～4.79%，有效含水量增加了3.64%～7.48%，毛管孔隙增加了4.25%～5.61%，飽和導(dǎo)水率降低了70.84%～91.95%。

2)在對(duì)作物生長最有利的速效水范圍內(nèi)，供水能力最強(qiáng)的是T3處理。生物炭的加入導(dǎo)致風(fēng)沙土的入滲能力顯著降低，在相同土壤剖面含水量下，入滲速率最低的為T4處理。

本研究立足于利用生物炭改良和田風(fēng)沙土，解決其蓄水量少、滲漏速度快等缺陷。通過定量分析發(fā)現(xiàn)，在12%和16%的生物炭施用比例下，土壤持水特性、土壤水分常數(shù)、土壤水分有效性及土壤毛管孔隙占比均未表現(xiàn)出明顯差異，只在土壤飽和導(dǎo)水率中表現(xiàn)出隨生物炭含量增加而明顯下降的現(xiàn)象。因此，從改善土壤持水性的角度出發(fā)，建議和田風(fēng)沙土適宜的生物炭施用量為12%。