張皓鈺，劉 競,，易 軍，劉秀蕓，陳 露，劉目興，張海林

生物質(zhì)炭短期添加對不同類型土壤水力性質(zhì)的影響①

張皓鈺1,2，劉 競1,2,3，易 軍1,2*，劉秀蕓1,2，陳 露1,2，劉目興1,2，張海林1,2

(1 華中師范大學(xué)地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，武漢 430079；2 華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079；3 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100)

為探究生物質(zhì)炭添加對農(nóng)田土壤水力性質(zhì)的影響，以我國10個地區(qū)農(nóng)田耕層土壤為供試土樣，通過室內(nèi)模擬試驗，研究4種生物質(zhì)炭添加比例下(C0、C5、C10和C15，生物質(zhì)炭體積占比分別為0%、5%、10% 和15%)土壤飽和導(dǎo)水率(s)、水分特征曲線及van Genuchten模型擬合參數(shù)和水分常數(shù)的變化特征。結(jié)果表明：生物質(zhì)炭添加對土壤滲透性能的影響與土壤質(zhì)地密切相關(guān)；添加生物質(zhì)炭后，砂粒含量較高的風(fēng)砂土和黃綿土的s顯著降低，C15的降幅分別為89.2% 和85.0%；而黏粒含量較高土壤的s普遍升高，C15處理下赤紅壤的增幅高達(dá)158.9%。生物質(zhì)炭添加改變了土壤的持水能力，且變幅隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而增大。生物質(zhì)炭添加提升了各類土壤的飽和含水量(0.7% ～ 17.6%)和低吸力段的持水能力；生物質(zhì)炭添加對中、高吸力水平下各類土壤持水能力的影響存在差異，大致表現(xiàn)為砂質(zhì)土持水能力提升、殘余含水量增大、值降低；而壤質(zhì)、黏質(zhì)土持水能力下降，殘余含水量、田間持水量及凋萎系數(shù)均降低。研究結(jié)果可為考慮生物質(zhì)炭施用的平衡模擬提供水力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)，并為各地區(qū)農(nóng)田生物質(zhì)炭的合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

飽和導(dǎo)水率；水分特征曲線；田間持水量；最大有效含水量；生物質(zhì)炭

生物質(zhì)炭是植物源物質(zhì)在300 ～ 1 000?℃、低氧氣濃度下熱解炭化得到的副產(chǎn)品，是一種穩(wěn)定、難降解的富有機(jī)碳化合物，具有巨大的比表面積和豐富的孔隙[1]。生物質(zhì)炭作為秸稈利用的一種新形式與農(nóng)田土壤改良的一種添加物，被廣泛應(yīng)用于改善土壤的物理化學(xué)性質(zhì)和土壤微生態(tài)環(huán)境，以及降低有毒元素等[2]。由于生物質(zhì)炭密度低、孔隙多，與土壤的物理性質(zhì)存在較大差異；在添加生物質(zhì)炭后土壤容重會降低[3]、孔隙特征也會發(fā)生改變[4]。這種變化會進(jìn)一步影響土壤的持水能力與導(dǎo)水性能，進(jìn)而影響水分入滲、蒸發(fā)、再分布等過程，最終改變農(nóng)田水循環(huán)與水分利用效率。因此，研究生物質(zhì)炭施用對土壤水力學(xué)性質(zhì)的影響具有重要意義。

生物質(zhì)炭的添加會引起土壤導(dǎo)水性能的改變。研究表明，生物質(zhì)炭可以降低砂質(zhì)土壤的飽和導(dǎo)水率(s)[5]，田丹等[6]發(fā)現(xiàn)隨著生物質(zhì)炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，砂土的s均遞減；黏質(zhì)土壤加炭后的s增加[7]，王艷陽等[8]發(fā)現(xiàn)在黑土中施入生物質(zhì)炭后s提高了14.3% ～ 52.4%。生物質(zhì)炭施用還會改變土壤的持水能力與水分特征曲線參數(shù)。杜臻杰等[9]發(fā)現(xiàn)施加花生殼生物質(zhì)炭提高了粉砂質(zhì)潮土的持水性能；吳維等[10]探究了玉米秸稈生物質(zhì)炭對黏質(zhì)黃壤持水能力的影響，發(fā)現(xiàn)在水吸力<100?kPa時，土壤持水能力隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增高；金梁等[11]將玉米秸稈生物質(zhì)炭施于黑土中，發(fā)現(xiàn)土壤飽和含水量增加了41.0% ～ 44.2%；高利華和屈忠義[12]發(fā)現(xiàn)適量施用生物質(zhì)炭能夠提升半干旱區(qū)耕層土壤含水量；王昆艷等[13]將生物質(zhì)炭施用于紅壤中，發(fā)現(xiàn)土壤含水量波動上升。土壤持水能力的改變也影響了土壤的田間持水量、凋萎系數(shù)和最大有效含水量等水分常數(shù)。Pranagal等[14]對壤質(zhì)砂土施炭30?t/hm2和45?t/hm2進(jìn)行6 a田間試驗后發(fā)現(xiàn)，相對于無炭添加的對照組，土壤有效含水量分別增加6.7% 和7.6%；而Jeffery等[15]發(fā)現(xiàn)將生物質(zhì)炭應(yīng)用在砂質(zhì)土壤中后，由于炭的疏水性，土壤的保水效果沒有明顯變化。生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤水力學(xué)參數(shù)的作用也受土壤本身性質(zhì)的影響[16]，導(dǎo)致生物質(zhì)炭添加對土壤水力學(xué)性質(zhì)影響的效應(yīng)也存在差異。目前圍繞生物質(zhì)炭添加對土壤水力學(xué)性質(zhì)影響的研究較為豐富，但不同研究的實驗條件存在差異，導(dǎo)致研究結(jié)果難以相互比較。另外，關(guān)于生物質(zhì)炭施用對土壤水分特征曲線的擬合參數(shù)影響的報道也非常有限。

生物質(zhì)炭在我國農(nóng)田土壤被廣泛應(yīng)用，添加后的水力學(xué)性質(zhì)改變也受眾多研究人員關(guān)注，但現(xiàn)有研究多集中于單種或2 ～ 3種土壤的對比[3, 9, 17-19]，尚缺乏針對我國不同地區(qū)農(nóng)田土壤的系統(tǒng)性對比研究。因此，本研究擬以我國不同地區(qū)典型農(nóng)田耕層土壤為研究對象，通過開展不同生物質(zhì)炭施加量對土壤水力學(xué)性質(zhì)影響的試驗研究，揭示其對各水力參數(shù)的影響程度與機(jī)制，以期為各地區(qū)農(nóng)田生物質(zhì)炭的科學(xué)施用提供科學(xué)依據(jù)，為考慮生物質(zhì)炭施加條件下的土壤水分運(yùn)動過程模擬提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與生物質(zhì)炭性質(zhì)

供試土壤于2017年10月采集自我國10個地區(qū)農(nóng)田的耕作層(0 ～ 20?cm)，按采集地點由北向南分別為遼寧沈陽黑土、甘肅臨澤風(fēng)砂土、陜西安塞黃綿土、長武塿土、河南封丘砂質(zhì)潮土、江蘇常熟烏柵土、四川鹽亭紫色土、湖北荊州壤質(zhì)潮土、江西鷹潭紅壤、廣東廣州赤紅壤，分布如圖1所示。

采集的土壤樣品風(fēng)干后研磨過篩，用于基本理化性質(zhì)測定和環(huán)刀填裝。采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定有機(jī)質(zhì)含量，用1︰2.5(︰)的土水比測定電導(dǎo)率和pH(20?℃)，用吸管法測定土壤顆粒組成(國際制)，結(jié)果見表1 (除風(fēng)砂土外，其他土壤按照黏粒含量從低到高排列)。

供試生物質(zhì)炭購自河南省商丘三利新能源有限公司，由小麥秸稈在450 ～ 550?℃下高溫裂解制成，容重為0.2?g/cm3，pH為10.3[20]；生物質(zhì)炭過2?mm篩后，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 供試土樣準(zhǔn)備

通過文獻(xiàn)搜集的方式獲取各地區(qū)典型土壤的容重數(shù)據(jù)；確定的土壤容重見表1。然后將生物質(zhì)炭分別按照0%、5%、10% 和15% 的體積分?jǐn)?shù)加入各供試土壤，依次記為C0、C5、C10和C15；折算為農(nóng)田耕作層(0 ～ 20?cm)施入量，則分別為0、20、40和60?t/hm2。將稱取的生物質(zhì)炭和土壤樣品充分?jǐn)嚢杈鶆颍缓缶?層(每層1?cm)填裝至體積為100?cm3的環(huán)刀，層與層間的接觸面打毛；每種處理3次重復(fù)，共填裝120個環(huán)刀樣品。將填裝好的樣品置于鋪有石英砂的收納箱中，在24 h內(nèi)分3次向收納箱中加水至水面與環(huán)刀上表面平齊，直至土樣飽和。環(huán)刀土樣在吸水過程中用一塊重量500?g的鐵塊壓實，以減少樣品吸水膨脹。

(該圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1823的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改)

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

1.3 飽和導(dǎo)水率和水分特征曲線測定

土壤飽和導(dǎo)水率(s)采用恒定水頭法測定，并將結(jié)果換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度10?℃下的s。水分特征曲線采用離心機(jī)法進(jìn)行測定：在恒定室溫(20?℃)條件下，依次測定0、1、3、5、7、10、30、60和100?kPa等9個吸力條件下環(huán)刀土樣的含水量。

1.4 水分特征曲線參數(shù)擬合

基于不同吸力條件下的土壤體積含水量數(shù)據(jù)，采用RETC軟件中的van Genuchten模型[21]進(jìn)行土壤水分特征曲線參數(shù)擬合。模型的具體表達(dá)式為：

式中：為給定水吸力的土壤含水量，cm3/cm3；為土壤水吸力，cm；s為土壤飽和含水量，cm3/cm3；r為土壤殘余含水量，cm3/cm3；、和是經(jīng)驗常數(shù)，=1–1/。s為吸力值為0?cm時的含水量，r等于吸濕系數(shù)乘以系數(shù)1.5[22]。借助模型擬合結(jié)果，計算土樣的土壤田間持水量(33?kPa吸力條件下的含水量)和最大有效含水量(田間持水量減去凋萎系數(shù))[23]。

1.5 數(shù)據(jù)分析與制圖

采用SPSS 25.0軟件的單因素方差分析進(jìn)行顯著性差異檢驗；使用Origin 2018軟件制圖。

2 結(jié)果

2.1 生物質(zhì)炭添加對飽和導(dǎo)水率的影響

生物質(zhì)炭添加改變了土壤的s，但不同類型土壤受到的影響有所差異(表2)。與C0相比，生物質(zhì)炭添加導(dǎo)致風(fēng)砂土、黃綿土和砂質(zhì)潮土的s有所降低，且下降的比率隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而增加，C15處理下的風(fēng)砂土、黃綿土和砂質(zhì)潮土s分別降低了89.2%、85.0% 和42.3%。生物質(zhì)炭添加后紫色土、壤質(zhì)潮土、黑土、赤紅壤和紅壤的s增加，與C0相比，C15處理s分別增加了52.1%、58.9%、90.7%、158.9% 和44.1%。而塿土和烏柵土的s隨著生物質(zhì)炭添加量的增加呈現(xiàn)波動變化，兩種土壤在C10下的s最大。方差分析結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用導(dǎo)致風(fēng)砂土和黃綿土的s顯著低于C0處理(<0.05)，而對砂質(zhì)潮土、紫色土、烏柵土、黑土和紅壤的s無顯著影響，在C10或C15條件下才能引起塿土、壤質(zhì)潮土和赤紅壤s的顯著增加。

2.2 生物質(zhì)炭添加對土壤水分特征的影響

2.2.1 生物質(zhì)炭添加對土壤水分特征曲線的影響 生物質(zhì)炭添加影響了各土壤的水分特征曲線(圖2)。生物質(zhì)炭對紫色土、塿土、壤質(zhì)潮土、烏柵土、黑土、赤紅壤含水量的影響在低吸力段(0.1 ～ 1?kPa)和高吸力段(10 ～ 100?kPa)較大，而在中吸力段(1 ～ 10?kPa)較??；生物質(zhì)炭對風(fēng)砂土含水量的影響在低吸力段及高吸力段較小，中吸力段較大；加炭后，黃綿土、砂質(zhì)潮土、塿土的含水量在低吸力段變化較大，而高吸力段變化不明顯。

表2 不同生物質(zhì)炭處理的土壤飽和導(dǎo)水率

注：表中同行數(shù)據(jù)小寫字母不同表示同一土壤在不同生物質(zhì)炭添加量下的s存在顯著差異(<0.05)。

不同類型土壤在不同加炭處理與不同吸力水平下的含水量變化趨勢存在差異。整體上，生物質(zhì)炭添加能夠提高各類土壤在低吸力段的含水量，且高炭處理增幅更大。對于風(fēng)砂土和黃綿土，加炭處理的土壤含水量在中、高吸力段均較C0處理高(<0.1)；其他8種土壤加炭后在中、高吸力段的含水量降低。在10?kPa吸力時，赤紅壤的全部處理、壤質(zhì)潮土和烏柵土C15處理的含水量均顯著低于其C0處理(<0.05)；30?kPa吸力時，塿土、壤質(zhì)潮土、赤紅壤的全部處理和烏柵土的C15處理與C0處理的差異顯著(<0.05)；60?kPa和100?kPa吸力時，塿土、壤質(zhì)潮土、赤紅壤的全部處理和黑土的C10處理均與C0處理存在顯著差異(<0.05)。

2.2.2 生物質(zhì)炭添加對水分特征曲線擬合參數(shù)的影響 生物質(zhì)炭添加改變了基于V-G模型擬合得到的水分特征曲線參數(shù)(s、r、、)。在試驗的添加量范圍內(nèi)，除風(fēng)砂土與赤紅壤的C5處理，其余土壤的s均隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增大(圖3A)；C5處理較C0增加0.7% ～ 4.9%，C10和C15處理分別較C0增加1.5% ～ 13.7% 和3.8% ～ 17.6%。其中，生物質(zhì)炭的添加導(dǎo)致黑土的s增幅最大(4.9% ～ 17.6%)。

烏柵土、黑土、赤紅壤、紅壤加炭處理的r較C0下降1.3% ～ 8.0%，且下降幅度隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增大(圖3B)。其他土壤加炭處理的r均增加，C5、C10、C15處理分別比C0增加1.5% ～ 15.3%、3.0% ～ 30.5%、4.5% ～ 45.8%；其中，風(fēng)砂土的r增幅最大(15.3% ～ 45.8%)。

(橫坐標(biāo)軸中，由于飽和時的吸力值(0?kPa)無法進(jìn)行l(wèi)g函數(shù)轉(zhuǎn)換，故用0.1?kPa代替)

除風(fēng)砂土C5處理的值有明顯下降、紅壤C5處理值有輕微降低外，其他所有生物質(zhì)炭添加處理均導(dǎo)致值增大(圖4A)?？偟膩碚f，值隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而增大，C5、C10和C15處理分別為C0的0.99 倍～ 1.01倍、1.00倍～ 1.03倍和1.01倍～ 1.04倍；紫色土、壤質(zhì)潮土和黑土的C15與C0處理的值均存在顯著差異(<0.05)；生物質(zhì)炭添加對風(fēng)砂土的值影響最小。

生物質(zhì)炭添加導(dǎo)致赤紅壤的C5處理、紅壤的C10與C15處理，以及風(fēng)砂土所有處理的值降低(圖4B)，下降幅度為1.8% ～ 17.4%。添加生物質(zhì)炭導(dǎo)致黃綿土、砂質(zhì)潮土、紫色土、塿土、壤質(zhì)潮土、烏柵土和黑土的值增大。大部分土壤的值隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而增大，黑土C15處理下的值增幅增大，是C0的2.3倍(<0.05)。

2.2.3 生物質(zhì)炭添加對土壤水分常數(shù)的影響 生物質(zhì)炭添加改變了土壤的最大有效含水量、田間持水量和凋萎系數(shù)等水分常數(shù)(圖5)。生物質(zhì)炭添加提高了風(fēng)砂土的田間持水量，黃綿土的C5和C15處理、砂質(zhì)潮土的C10處理和紅壤的C5處理提高幅度較小(圖5A)。風(fēng)砂土的田間持水量隨生物質(zhì)炭添加量的增大而增加，C5、C10、C15較C0提高了8.1%、10.0%、15.1%；黃綿土C5和C15處理分別提高1.6% 和4.0%，砂質(zhì)潮土C10處理較C0提高2.3%；紅壤C5處理較C0提升0.3%。添加生物質(zhì)炭降低了紫色土、塿土、壤質(zhì)潮土、烏柵土、黑土、赤紅壤和紅壤的田間持水量，其中C15處理的降低幅度最大，分別較C0降低4.9%、2.8%、12.0%、10.4%、8.1%、7.7% 和3.8%。隨炭添加量的增加，紫色土、塿土、烏柵土、黑土和赤紅壤的田間持水量降低；壤質(zhì)潮土C5和C15處理降幅較大，分別為9.4% 和12.0%。

圖3 不同生物質(zhì)炭添加量下的土壤飽和含水量θs (A)和殘余含水量θr(B)

圖4 不同生物質(zhì)炭添加量下的n值(A)及α值(B)相對于空白對照(C0)的倍數(shù)

圖5 不同生物質(zhì)炭處理的田間持水量(A)、凋萎系數(shù)(B)和最大有效含水量(C)

生物質(zhì)炭添加后，風(fēng)砂土、黃綿土、砂質(zhì)潮土的凋萎系數(shù)提高，其余土壤凋萎系數(shù)降低(圖5B)。C15處理下風(fēng)砂土、黃綿土、砂質(zhì)潮土的凋萎系數(shù)上升0.3% ～ 26.3%，其他7種土壤凋萎系數(shù)下降0.5% ～ 13.7%。烏柵土的凋萎系數(shù)下降幅度最大，在C5、C10、C15處理下分別下降3.5%、6.4% 和13.7%。田間持水量和凋萎系數(shù)的改變也影響了土壤的最大有效含水量(圖5C)。生物質(zhì)炭添加后，壤質(zhì)潮土的降幅最大，降低了0.02?cm3/cm3；其他9種土壤的最大有效含水量波動較小，變化幅度均不超過0.01?cm3/cm3。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭添加對土壤滲透性能的影響

生物質(zhì)炭添加對s的影響與土壤質(zhì)地密切相關(guān)。生物質(zhì)炭中的細(xì)小顆粒，在與砂質(zhì)土壤混合后阻塞原有的大孔隙通道[24]，進(jìn)而引起s降低；文曼[25]的研究也證實添加生物質(zhì)炭導(dǎo)致黃綿土s降低。表明生物質(zhì)炭的添加可以減小砂質(zhì)土壤在灌溉后的水分垂直滲漏速率，增加水分在土壤中的保持時間，進(jìn)而增加根系吸水量。從減少滲漏、保持水分的角度出發(fā)，同時兼顧生物質(zhì)炭施用成本，風(fēng)砂土、黃綿土和砂質(zhì)潮土的最佳施用處理分別為C10、C15和C5。

生物質(zhì)炭添加后，質(zhì)地黏重、土壤孔隙較小土壤的大孔隙體積增加，導(dǎo)致其s升高。此外，生物質(zhì)炭的親水性隨生產(chǎn)溫度的升高而增強(qiáng)[26]，本試驗使用的生物質(zhì)炭裂解溫度高(450 ～ 550?℃)，表面有機(jī)官能團(tuán)被破壞而顯示出親水性，進(jìn)一步提升土壤s。韓豪杰等[27]、孫婷寧等[28]通過土柱模擬試驗也發(fā)現(xiàn)，紫色土在添加生物質(zhì)炭后滲透性能提升。另外，研究表明較長時期的生物質(zhì)炭添加還會促進(jìn)土壤形成大團(tuán)聚體[29]，并有利于土壤的生物活動，對土壤s的提升作用也較持久。王紅蘭等[18]在生物質(zhì)炭施加1 a后，發(fā)現(xiàn)紫色土表層和亞表層耕作土的s提高45% 和35%；王睿垠[30]通過4 a的大田試驗，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭添加能夠使黑土的s提高3.7% ～ 17.6%。以上結(jié)果表明對于較為黏重的土壤，生物質(zhì)炭的施用可以有效增加降雨入滲速率和入滲深度，進(jìn)而減小降雨造成地表水土流失的風(fēng)險。從減少水土流失的角度出發(fā)，同時兼顧生物質(zhì)炭施用成本，紫色土、壤質(zhì)潮土、黑土、赤紅壤和紅壤的最佳施用處理分別為C10、C10、C15、C10和C5處理。而生物質(zhì)炭添加量對塿土和烏柵土s的影響波動幅度較大，暫不能確定優(yōu)化的施用水平。

3.2 生物質(zhì)炭添加對土壤持水能力及其特征參數(shù)的影響

由于生物質(zhì)炭與各土壤的水分特征曲線存在明顯差異(圖6)，導(dǎo)致生物質(zhì)炭的添加引起各土壤水分特征曲線及其參數(shù)發(fā)生變化。在添加生物質(zhì)炭后，土壤的容重顯著減低、總孔隙度增加，進(jìn)而導(dǎo)致所有土壤在低吸水力條件下的持水能力增強(qiáng)，V-G模型的特征參數(shù)s升高。在中高吸力條件下，生物質(zhì)炭添加對持水能力的改變與土壤性質(zhì)密切相關(guān)：生物質(zhì)炭的持水能力強(qiáng)于砂質(zhì)土壤(風(fēng)砂土、黃綿土)，但較壤質(zhì)、黏質(zhì)土壤弱(其余8種土壤)。這導(dǎo)致在生物質(zhì)炭添加后，砂質(zhì)土壤的持水能力提高，但提高效應(yīng)隨吸力值增加而減弱，r略微升高。而壤質(zhì)、黏質(zhì)土壤的持水能力在中高吸力條件有明顯的降低，且降低效應(yīng)隨吸力值和生物質(zhì)炭添加量的增加變得更為明顯，r變化不明顯或降低。

圖6 生物質(zhì)炭與試供土壤水分特征曲線

生物質(zhì)炭添加還影響了參數(shù)和。添加生物質(zhì)炭后，砂質(zhì)土值總體降低、釋水速率降低，近飽和狀態(tài)的土壤釋水難度增加、值減小，主要是由于生物質(zhì)炭添加后砂質(zhì)土小孔隙數(shù)量與體積占比增加，這與王丹丹等[31]和杜臻杰等[9]的結(jié)論基本一致。在中高吸力條件下，生物質(zhì)炭比壤質(zhì)和黏質(zhì)土的持水能力弱，導(dǎo)致壤質(zhì)、黏質(zhì)土壤在添加生物質(zhì)炭后更容易排水，表現(xiàn)為與值升高。然而王紅蘭等[18]和吳維等[10]研究表明生物炭添加導(dǎo)致紫色土和黃壤的持水能力增加，可能是由于本試驗生物質(zhì)炭添加時間短，土壤團(tuán)聚體尚未改變，持水能力的改變主要由生物質(zhì)炭和土壤性質(zhì)的差異影響。當(dāng)然，隨著施用時間的增加，土壤持水能力及其水力學(xué)參數(shù)也很可能會繼續(xù)發(fā)生改變。

3.3 生物質(zhì)炭添加對水分常數(shù)的影響

由于生物質(zhì)炭與各土壤的持水能力存在差異，導(dǎo)致生物質(zhì)炭添加影響了土壤的田間持水量、凋萎系數(shù)和最大有效含水量等水分常數(shù)，且這種影響與土壤類型和生物質(zhì)炭添加量有關(guān)。生物質(zhì)炭持水能力較砂質(zhì)土壤強(qiáng)，且生物質(zhì)炭的細(xì)小孔隙結(jié)構(gòu)可以增加毛管孔隙度[32]，導(dǎo)致風(fēng)砂土、黃綿土和砂質(zhì)潮土的田間持水量在生物質(zhì)炭添加后明顯提高。Laghari等[33]向兩種砂土中施加45?t/hm2生物質(zhì)炭8周后，發(fā)現(xiàn)田間持水量分別顯著提高33% 和26%；李晗灝等[34]也發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭后蘋果園砂土的田間持水量明顯提升，與本試驗結(jié)論一致。生物質(zhì)炭添加后對壤質(zhì)、黏質(zhì)土的田間持水量影響較為復(fù)雜；本試驗中僅紅壤C5處理下的田間持水量提高，其余土壤在各處理下的田間持水量均有所降低。然而，王忠江等[35]發(fā)現(xiàn)黑土的田間持水量隨生物質(zhì)炭添加比例的增加而顯著增大。董心亮和林啟美[36]認(rèn)為生物質(zhì)炭添加量不足可能使生物質(zhì)炭的孔隙被黏粒堵塞，從而導(dǎo)致壤質(zhì)、黏質(zhì)土壤的田間持水量不變甚至降低。同樣，為達(dá)到田間持水量提高的目的，Blanco-Canqui[37]認(rèn)為應(yīng)該在黏質(zhì)土中添加大量的生物質(zhì)炭。生物質(zhì)炭的施用也影響了凋萎系數(shù)；與風(fēng)砂土、黃綿土和砂質(zhì)潮土相比，生物質(zhì)炭的多孔特征更易吸附水分，進(jìn)而提高了凋萎系數(shù)。而壤質(zhì)、黏質(zhì)土壤本身的細(xì)小顆粒很多，吸水能力比生物質(zhì)炭強(qiáng)，因此其凋萎系數(shù)在生物質(zhì)炭添加后有所降低。

田間持水量與凋萎系數(shù)的改變也影響了土壤的最大有效含水量。添加生物質(zhì)炭后，壤質(zhì)潮土的田間持水量降幅較大而凋萎系數(shù)變化不明顯，導(dǎo)致其最大有效含水量降低。其余9種土壤的田間持水量與凋萎系數(shù)變化速率較為一致，造成有效含水量的變化不明顯，表明短期的生物質(zhì)炭添加對這些土壤的最大有效含水量影響較小。但在較長期施用條件下，生物質(zhì)炭添加能夠增大土壤有效水含量：Pranagal等[14]對壤質(zhì)砂土施炭30?t/hm2和45?t/hm2，進(jìn)行6 a田間試驗后發(fā)現(xiàn)土壤有效含水量分別增加6.7% 和7.6%；G??b等[38]發(fā)現(xiàn)高量生物質(zhì)炭可提高土壤水分有效性。因此，生物質(zhì)炭對土壤水分有效性的影響還需進(jìn)一步探索。從增加最大有效含水量的目標(biāo)考慮，風(fēng)砂土、砂質(zhì)潮土、紫色土、烏柵土、赤紅壤和紅壤的最佳施用處理分別為C15、C10、C10、C5、C5和C10處理；其余土壤的波動規(guī)律不一致，暫不能得出優(yōu)化的施用水平。另外，對于大田施用條件，隨著施用時間的延長，生物質(zhì)炭可以在物理、化學(xué)和生物的作用下與土壤形成新的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤的水力學(xué)性質(zhì)[39]。因此，有必要圍繞生物質(zhì)炭施用開展長時間序列的大田試驗，以全面揭示其對土壤水力學(xué)性質(zhì)的影響。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭添加影響了土壤的滲漏性能，表現(xiàn)為風(fēng)砂土、黃綿土和砂質(zhì)潮土的s降低，紫色土、壤質(zhì)潮土、黑土、赤紅壤和紅壤的s升高，而塿土和烏柵土的s變化無明顯規(guī)律。土壤水分特征曲線與擬合參數(shù)也受生物質(zhì)炭添加影響，各類土壤在低吸力段的r和持水能力均增加，而中、高吸力段土壤持水能力變化與土壤質(zhì)地相關(guān)。砂質(zhì)土壤持水能力和r值升高，值和值減?。蝗蕾|(zhì)和黏質(zhì)土持水能力不變或降低，與值升高。

生物質(zhì)炭添加改變了土壤水分常數(shù)，導(dǎo)致絕大部分土壤的田間持水量降低，風(fēng)砂土、黃綿土、砂質(zhì)潮土的凋萎系數(shù)降低，壤質(zhì)潮土最大有效含水量下降，其他土壤變化較小。綜合考慮短期添加生物質(zhì)炭對土壤滲透和持水能力的影響，風(fēng)砂土、黃綿土和黑土的最佳施用處理為C15，砂質(zhì)潮土、紫色土、壤質(zhì)潮土、赤紅壤和紅壤為C10，暫不能明確塿土和烏柵土的優(yōu)化施用水平。

[1] Sohi S, Lopez-Capel E, Krull E, et al. Biochar, climate change and soil: A review to guide future research[R]. CSIRO Land and Water Science Report, 2009.

[2] 孔絲紡, 姚興成, 張江勇, 等. 生物質(zhì)炭的特性及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(4): 716–723.

[3] 李秋霞, 陳效民, 靳澤文, 等. 生物質(zhì)炭對旱地紅壤理化性狀和作物產(chǎn)量的持續(xù)效應(yīng)[J]. 水土保持學(xué)報, 2015, 29(3): 208–213, 261.

[4] 劉志鵬, 徐杰男, 佘冬立, 等. 添加生物質(zhì)炭對土壤熱性質(zhì)影響機(jī)理研究[J]. 土壤學(xué)報, 2018, 55(4): 933–944.

[5] Zhang J, Chen Q, You C F. Biochar effect on water evaporation and hydraulic conductivity in sandy soil[J]. Pedosphere, 2016, 26(2): 265–272.

[6] 田丹, 屈忠義, 李波, 等. 生物炭對砂土水力特征參數(shù)及持水特性影響試驗研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2013, 32(3): 135–137.

[7] Barnes R T, Gallagher M E, Masiello C A, et al. Biochar-induced changes in soil hydraulic conductivity and dissolved nutrient fluxes constrained by laboratory experiments[J]. PLoS One, 2014, 9(9): e108340.

[8] 王艷陽, 魏永霞, 孫繼鵬, 等. 不同生物炭施加量的土壤水分入滲及其分布特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2016, 32(8): 113–119.

[9] 杜臻杰, 齊學(xué)斌, 陳效民, 等. 生物質(zhì)炭和豬場沼液對潮土水力特征參數(shù)的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2014, 28(1): 189–192, 197.

[10] 吳維, 李心清, 周運(yùn)超, 等. 玉米秸稈生物炭對貴州黃壤持水能力的影響[J]. 地球與環(huán)境, 2017, 45(6): 675– 680.

[11] 金梁, 魏丹, 李玉梅, 等. 生物炭與化肥配施對土壤主要物理特性的影響[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2017, 48(4): 424–430.

[12] 高利華, 屈忠義. 膜下滴灌條件下生物質(zhì)炭對土壤水熱肥效應(yīng)的影響[J]. 土壤, 2017, 49(3): 614–620.

[13] 王昆艷, 官會林, 盧俊, 等. 生物質(zhì)炭施用量對旱地酸性紅壤理化性質(zhì)的影響[J]. 土壤, 2020, 52(3): 503–509.

[14] Pranagal J, Oleszczuk P, Tomaszewska-Krojańska D, et al. Effect of biochar application on the physical properties of Haplic Podzol[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 174: 92–103.

[15] Jeffery S, Meinders M B J, Stoof C R, et al. Biochar application does not improve the soil hydrological function of a sandy soil[J]. Geoderma, 2015, 251/252: 47–54.

[16] Peake L R, Reid B J, Tang X Y. Quantifying the influence of biochar on the physical and hydrological properties of dissimilar soils[J]. Geoderma, 2014, 235/236: 182–190.

[17] 解倩, 王麗梅, 齊瑞鵬, 等. 生物炭對黃綿土水分入滲和持水性能的影響[J]. 地球環(huán)境學(xué)報, 2016, 7(1): 65–76, 86.

[18] 王紅蘭, 唐翔宇, 張維, 等. 施用生物炭對紫色土坡耕地耕層土壤水力學(xué)性質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2015, 31(4): 107–112.

[19] 陳姣, 吳鳳平, 王輝, 等. 生物炭對南方紅壤和水稻土水力學(xué)特性的影響分析[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2020, 39(9): 73–80.

[20] Zhang A, Cheng G, Hussain Q, et al. Contrasting effects of straw and straw-derived biochar application on net global warming potential in the Loess Plateau of China[J]. Field Crops Research, 2017, 205: 45–54.

[21] van Genuchten M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980, 44(5): 892–898.

[22] 張甘霖, 龔子同. 土壤調(diào)查實驗室分析方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[23] 邵明安, 王全九, 黃明斌. 土壤物理學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 278–281.

[24] Doerr S H, Shakesby R A, Walsh R P D. Soil water repellency: Its causes, characteristics and hydro-geomor-phological significance[J]. Earth-Science Reviews, 2000, 51(1/2/3/4): 33–65.

[25] 文曼. 黃土高原地區(qū)生物炭的土壤水動力學(xué)效應(yīng)[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2012.

[26] Kinney T J, Masiello C A, Dugan B, et al. Hydrologic properties of biochars produced at different temperatures[J]. Biomass and Bioenergy, 2012, 41: 34–43.

[27] 韓豪杰, 夏慶, 鄭彩霞, 等. HPMC聯(lián)合生物炭共施對紫色土入滲特性的影響[J]. 節(jié)水灌溉, 2020(10): 76–79, 84.

[28] 孫寧婷, 王小燕, 周豪, 等. 生物質(zhì)炭種類與混施深度對紫色土水分運(yùn)移和氮磷流失的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2021: DOI:10.11766/trxb202008130360.

[29] Jien S H, Wang C S. Effects of biochar on soil properties and erosion potential in a highly weathered soil[J]. CATENA, 2013, 110: 225–233.

[30] 王睿垠. 秸稈生物炭對東北草甸黑土水力特性的影響[D]. 哈爾濱: 東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2019.

[31] 王丹丹, 鄭紀(jì)勇, 顏永毫, 等. 生物炭對寧南山區(qū)土壤持水性能影響的定位研究[J]. 水土保持學(xué)報, 2013, 27(2): 101–104, 109.

[32] Song X Y, Li H Y, Shi W J. The development of a one-parameter model for the soil-water characteristic curve in loess gully regions[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 256/257/258/259: 488–493.

[33] Laghari M, Mirjat M S, Hu Z Q, et al. Effects of biochar application rate on sandy desert soil properties andgrowth[J]. CATENA, 2015, 135: 313–320.

[34] 李晗灝, 李文慶, 王媛, 等. 生物炭對砂土水肥保持及蘋果生長的影響研究[J]. 園藝學(xué)報, 2019, 46(3): 559– 566.

[35] 王忠江, 劉卓, 曹振, 等. 生物炭對東北黑土持水特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2019, 35(17): 147–153.

[36] 董心亮, 林啟美. 生物質(zhì)炭對土壤物理性質(zhì)影響的研究進(jìn)展[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(12): 1846–1854.

[37] Blanco-Canqui H. Biochar and soil physical properties[J]. Soil Science Society of America Journal, 2017, 81(4): 687–711.

[38] G??b T, Palmowska J, Zaleski T, et al. Effect of biochar application on soil hydrological properties and physical quality of sandy soil[J]. Geoderma, 2016, 281: 11–20.

[39] Omondi M O, Xia X, Nahayo A, et al. Quantification of biochar effects on soil hydrological properties using meta-analysis of literature data[J]. Geoderma, 2016, 274: 28–34.

Effects of Short-termed Biochar Application on Hydraulic Properties of Different Types of Soils

ZHANG Haoyu1,2, LIU Jing1,2,3, YI Jun1,2*, LIU Xiuyun1,2, CHEN Lu1,2, LIU Muxing1,2, ZHANG Hailin1,2

(1 Key Laboratory for Geographical Process Analysis & Simulation of Hubei Province, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; 2 College of Urban and Environmental Sciences, Central China Normal University, Wuhan 430079, China; 3 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China)

A laboratory simulation experiment was conducted to investigate the influence of biochar application on hydraulic properties of arable topsoils from ten regions in China. Biochar was incorporated into the soils at the volume rate of 0% (C0), 5% (C5), 10% (C10) and 15% (C15), respectively. The results indicated that the effect of biochar on soil permeability were determined by soil texture, the saturated hydraulic conductivity declined in aeolian sandy soil and yellow loamy soil with high sand content due to the application of biochar, which were decreased by 89.2% and 85.0% respectively when the application rate of biochar was 15% (C15). However, the addition of biochar commonly increased the permeability of soils with high clay content, especially for lateritic red soil, whose saturated hydraulic conductivity increased by 158.9%. Furthermore, the soil water-holding capacity varied with the application of biochar, and C15 showed the most obvious difference. Applying biochar improved the saturated soil water content by 0.7%–17.6% and water-holding capacity under low soil water suction. There were differences among the effects of biochar addition on water-holding capacities of various soils at medium and high suction levels. The application of biochar increased the water-holding capacity and residual water content but decreasedvalues of sandy soils, while decreased the water-holding capacity, residual water content and wilting coefficient of loam and clay soils. The results can provide basic hydraulics parameters for water balance simulation considering biochar application, and provide a scientific basis for the reasonable application of biochar into cropland soil.

Saturated hydraulic conductivity; Water retention curve; Field capacity; Maximum available water content; Biochar

S152.7

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.025

張皓鈺, 劉競, 易軍, 等. 生物質(zhì)炭短期添加對不同類型土壤水力性質(zhì)的影響. 土壤, 2022, 54(2): 396–405.

國家自然科學(xué)基金青年項目(41601215)、國家自然科學(xué)基金面上項目(41771261)和華中師范大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項目(CCNU20QN030)資助。

(yijun@mail.ccnu.edu.cn)

張皓鈺(2000— )，女，四川綿陽人，本科生，主要從事土壤水文研究。E-mail: haoyuzhanggeo@163.com