王 竹，葉曉思，孫愛華，張 濤，朱士江

(1.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002；2. 宜昌市東風渠灌區(qū)管理局，湖北 宜昌 443000；3. 三峽大學農業(yè)水土資源可持續(xù)利用研究中心，湖北 宜昌 443002)

生物炭作為一種新型環(huán)境功能型材料，具有高孔隙度和比表面積大的特點，能在一定程度上提高土壤的田間持水量[1]；生物炭的堿性屬性能夠提高土壤的pH值，對喜堿作物的生長發(fā)育有著積極影響；生物炭還能增加土壤微生物含量，改善土壤的結構性質。添加生物炭對土壤的物理、化學性質產(chǎn)生一定的影響[2-3]。土壤水分特征曲線是描述土壤水含量與基質勢大小關系的曲線，通過計算研究不同生物炭含量處理下的土壤水分參數(shù)，得出對應的水分特征曲線，從而分析生物炭的施加對土壤水分特征曲線的影響。

近年來，許多專家學者在生物炭與土壤水分特征曲線的相互作用方面取得了新的進展。陳溫福等[4]研究了生物炭對土壤理化性質的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭在土壤持水能力方面作用顯著，但作用效果會受到土壤自身結構和生物炭施加量的影響。朱蔚利等[5]將Van-Genuchten模型和單一參數(shù)Gardner模型分別與土壤水分特征曲線進行擬合，發(fā)現(xiàn)Van-Genuchten模型擬合精度更高。呂殿青等[6]通過分析不同壓實度下的土壤水分特征曲線，得出容重的改變會影響土壤水分特征曲線，并且容重增大，曲線變得越平緩。齊瑞鵬等[7]分析了添加生物炭后的土壤水分入滲過程，發(fā)現(xiàn)在半干旱地區(qū)，生物炭能整體提高水分入滲能力，低添加量的生物炭的促進作用不顯著，高添加量則會產(chǎn)生一定的抑制作用。趙迪等[8]研究施加生物炭后的粉黏壤發(fā)現(xiàn)，加炭處理均會減弱粉黏壤的持水能力。因此，生物炭對土壤持水能力的影響是與土壤本身的機械組成緊密相關的[9-12]。

目前，關于生物炭對土壤理化性質的研究，大多屬于定性分析生物炭對土壤相關參數(shù)的影響，很少從定量方面研究生物炭施加于參數(shù)變化的關系。因此本文研究施加生物炭后的土壤水分特征曲線，通過在土壤中添加不同含量的生物炭，利用離心機測定其土壤水分特征曲線，定量描述土壤水分特征曲線在不同生物炭施加條件下的變化情況，對比分析得出生物炭對土壤水分特征曲線的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本實驗選取湖北省宜昌市三峽大學水文氣象站內土壤作為供試土壤，該站屬亞熱帶季風性濕潤氣候，多年平均氣溫為16～18℃，多年平均降雨量983～1406 mm。試驗區(qū)內土壤類型為黃棕壤，土壤容重為1.367 g/cm3，有機質含量為21.2 g/kg，pH值為6～7。

1.2 試驗設計

試驗共設置5個處理(CK、T1、T2、T3、T4)，每個處理3次重復。5個處理中生物炭施加的質量百分比依次為0%、2%、4%、6%、8%。

首先，用與離心機配套的環(huán)刀在不同樣地中取土，取樣土層為0～20 cm，土樣風干后經(jīng)直徑2 mm的篩孔過篩，利用環(huán)刀法測定土壤的容重；將用環(huán)刀取得的原狀土經(jīng)蒸餾水浸透48 h直至飽和，并稱重；將飽和的原狀土樣和擾動土樣放入離心裝置中，設定離心機轉速分別為0、500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、4000 r/min、6000 r/min、8000 r/min，在每次壓力達到平衡后取出土樣進行稱重，并用游標卡尺測量土面到環(huán)刀頂面的高度，以此確定土樣收縮和容重變化。

根據(jù)以上所測數(shù)據(jù)，計算出不同轉速下的土壤體積含水率，取平均值作為最終的土壤體積含水率，從而得到實測的土壤水分特征曲線。

1.3 分析方法

當采用離心機法測定土壤水分特征曲線時，離心機轉速增大會實現(xiàn)水分和土壤顆粒的分離，導致土壤的容重增大，改變土壤的孔隙度和土壤孔隙分布，導致飽和含水率減小，從而影響土壤水分特征曲線的走勢。為了減小土壤容重對試驗結果造成的影響，本文分別采用Van-Genuchten模型和Gardner模型擬合試驗數(shù)據(jù)。

(1)Van-Genuchten模型的具體表達形式見式(1)：

(1)

式中：θr和θs分別為殘留含水率和飽和含水率,cm3/cm3；h為負壓即水吸力值,cm；α、m、n為經(jīng)驗擬合參數(shù)，其中m=1-1/n；α為與土壤初始排水有關的參數(shù)，在數(shù)值上等于進氣壓力值的倒數(shù)，n、m決定特征曲線的形狀。

(2)Gardner模型的表達形式見式(2)：

S=aθ-b

(2)

式中：S是土壤水吸力；a、b為擬合參數(shù)，其中a值與土壤蓄水能力有關，b值與土壤水分特征曲線的斜率有關。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將試驗數(shù)據(jù)用Excel2013進行處理，計算出不同處理下的吸力值和實測體積含水率。將實測體積含水率與相應的吸力值作為輸入值，用Origin擬合曲線，將擬合參數(shù)代入Van-Genuchten模型、Gardner模型得到與吸力值對應的擬合土壤含水率，并與實測結果進行比較，直到滿足精度要求。

2 結果與分析

2.1 Van-Genuchten模型擬合

通過對比分析5個處理的試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，適量的生物炭施加整體上能夠顯著提高土壤的含水率，同時可以在一定程度上改善土壤的持水能力。

在土壤中分別施加質量百分數(shù)為0、2%、4%、6%、8%的生物炭后，測得土壤水吸力值與含水率之間的關系曲線，然后將實測數(shù)據(jù)用Van-Genuchten模型進行擬合見表1，得到實測數(shù)據(jù)和擬合的土壤水分特征曲線如圖1所示，圖中各點為實測體積含水率，曲線為擬合體積含水率，可見擬合效果較好，實測值與擬合值近于重合，須計算其相關性系數(shù)來比較實測值與擬合值的差別。

表1 土壤水分特征曲線Van-Genuchten模型擬合參數(shù)

(a)CK處理土壤水分特征曲線

(b)2%處理土壤水分特征曲線

(c)4%處理土壤水分特征曲線

(d)6%處理土壤水分特征曲線

(e)8%處理土壤水分特征曲線圖1 土壤水分特征曲線及VG模型擬合情況

由表1可知，4條擬合曲線的相關性系數(shù)>0.98，1條擬合曲線相關性系數(shù)>0.80。由此，可以看出Van-Genuchten模型參數(shù)的擬合度滿足要求，因而可以用該模型中參數(shù)的含義來解釋土壤水分特征曲線變化規(guī)律。

2.2 Gardner模型擬合

將數(shù)據(jù)由Gardner模型擬合得到如圖2所示的曲線，圖中各點表示實測數(shù)據(jù)，曲線為擬合結果，各點與曲線基本重合。

(a)CK處理土壤水分特征曲線

(b)2%處理土壤水分特征曲線

(c)4%處理土壤水分特征曲線

(d)6%處理土壤水分特征曲線

(e)8%處理土壤水分特征曲線圖2 土壤水分特征曲線及Gardner模型擬合情況

Gardner模型擬合的相關系數(shù)(如表2所示)均>0.99，說明模型擬合度較高，可描述土壤水分特征曲線的變化規(guī)律。

表2 土壤水分特征曲線Gardner模型擬合參數(shù)

2.3 定量分析

確定模型滿足本試驗所需精度后，做以下分析：

(1)定量分析處理T1、T2、T3、T4與CK試驗結果。不同處理下的土壤浸水飽和后，測得其體積含水率數(shù)據(jù)結果如圖3所示，由圖可知，各處理CK、T1、T2、T3、T4組分別在水吸力為63.1 cm、67.07 cm、31.55 cm、31.14 cm和147.59 cm時達到田間持水量，且田間持水量隨著生物炭施加量的增大而增大。因此施加生物炭整體上能提高土壤的持水能力。

圖3 生物炭含量與田間持水量關系

(2)施加不同比例生物炭后的土壤水分特征曲線變化趨勢。分析模型擬合得到的各炭土比例(分別為0、2%、4%、6%、8%)下的曲線，如圖4所示。當土壤的吸力值<1000 cm時，各處理下的土壤水分特征曲線斜率均較大且分布密集；當土壤吸力值>1000 cm后，曲線斜率有顯著的減小趨勢，各處理的曲線變得平緩，說明模型中的θr值即土壤的殘留含水率在逐漸減小，導致土壤中無效水分含量在減少。

圖4 擬合土壤水分特征曲線

由圖4可以看出，在某一特定吸力范圍內時，不同炭土比例的體積含水率呈現(xiàn)不同的變化趨勢，結果如圖5所示。當吸力值<600 cm時，如圖5(a)、圖5(b)所示，土壤體積含水率隨炭土比的增加呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，炭土比為2%和8%時的體積含水率均可達到最大值，當吸力值為527 cm時分別為26.2%和25.4%。比例為4%的土壤體積含水率在吸力值為527 cm時達到最小值23.8%，且最小值<無炭處理的體積含水率25.7%。

當吸力值逐漸增大后(吸力值>600 cm)，如圖5(c)～圖5(f)所示，土壤體積含水率隨炭土比的施加形成兩次波峰，即T1、T3處理。當炭土比例為6%時，土壤存在最大體積含水率，當吸力值為716.4 cm時，體積含水率為24.4%；炭土比為8%時，土壤體積含水率最小，當吸力值為716.4 cm時，體積含水率為22.8%，但僅T1、T3處理下的土壤體積含水率高于供試土壤，說明一定吸力下，生物炭的施加量為2%和6%時能顯著提高土壤的持水能力。

(a)吸力為381 cm時的含水率

(b)吸力為527 cm時的含水率

(c)吸力為966 cm時的含水率

(d)吸力為1636 cm時的含水率

(e)吸力為2502 cm時的含水率

(f)吸力為4151 cm時的含水率圖5 含水率與炭土比的變化規(guī)律

3 討 論

目前，生物炭在農業(yè)中的作用已經(jīng)得到國內外許多專家學者的認可[13-16]，國內關于生物炭對土壤水分特征曲線影響的研究較少，現(xiàn)有研究大多針對土壤水分參數(shù)等，沒有直觀的描述出生物炭對土壤水分特征曲線的影響規(guī)律。本次試驗旨在定量描述生物炭比例對土壤水分特征曲線的作用。

土壤水分特征曲線與土壤本身的機械組成有很大關系，本試驗所取的土壤屬于較普遍的黃棕壤，能代表本區(qū)域農業(yè)中所使用的土壤，對于其他類型的土壤，可能與本試驗不同。研究得到，在吸力值>600 cm時，添加生物炭會導致土壤的體積含水率顯著減小，說明土壤的殘余含水量θr逐漸減小，即土壤中的無效水在減少，這與相關研究結果一致[13]。這可能是由于生物炭的施加導致了土壤結構在組成上的變化，同時減小了容重也增加了孔隙度，導致土壤的持水性能提升。同時由于試驗中的主客觀因素，例如：所取土壤成分不夠穩(wěn)定，施加生物炭與土壤的攪拌不夠充分等，會使得本試驗存在一定的誤差。

試驗結果表明，土壤水分特征曲線與生物炭的施加量存在非線性變化的規(guī)律，炭土比為6%時出現(xiàn)最大體積含水率，炭土比為8%時出現(xiàn)最小體積含水率。因此，可以推斷在土壤水吸力一定時，存在著一個最優(yōu)炭土比，其土壤體積含水率最大。因此，尋找最優(yōu)炭土比可以作為進一步研究內容，深入探究適宜該地區(qū)的最優(yōu)生物炭施加量，為當?shù)氐霓r業(yè)生產(chǎn)和水資源高效利用提供基礎數(shù)據(jù)。

4 結 論

生物炭的施加可以影響土壤水分特征曲線，不同水吸力下，不同比例生物炭的作用效果不同。吸力值<600 cm時，施加2%和8%的生物炭可以減小土壤容重，增加土壤總孔隙度，顯著提高土壤的體積含水率和持水能力；吸力值>600 cm時，施加2%和6%的生物炭可以顯著提高土壤持水能力。

本文旨在提高宜昌地區(qū)的水土資源利用效率，僅探究生物炭的不同施加量對土壤水分特征曲線的影響情況，對影響曲線變化的原因以及生物炭的最優(yōu)配比可作進一步研究。