張雅馥，王金滿,2，王敬朋，馮丁饒，李萬智，朱秋萍

生物炭添加對礦區(qū)壓實(shí)土壤水力特性的影響

張雅馥1，王金滿1,2※，王敬朋1，馮丁饒1，李萬智1，朱秋萍1

（1. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2. 自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035）

中國黃土高原大型露天煤礦開采導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，生物炭作為環(huán)境友好型土壤改良劑，在改善農(nóng)田土壤質(zhì)量中應(yīng)用廣泛，但在有關(guān)礦區(qū)壓實(shí)土壤改良的研究中不夠深入。為此，該研究通過室內(nèi)試驗(yàn)分析不同粒徑的生物炭在不同添加量下對礦區(qū)排土場壓實(shí)土壤水力特性的影響。試驗(yàn)采用4種粒徑（>1～2、>0.25～1、0.10～0.25、<0.10 mm）與4種添加量（0、4、8、16 g/kg）的生物炭，設(shè)計(jì)5種壓實(shí)條件（容重分別為1.3、1.4、1.5、1.6、1.7g/cm3），并利用van Genuchten模型（VG模型）擬合土壤水分特征曲線。結(jié)果表明，添加生物炭后土壤水分特征曲線的相關(guān)系數(shù)均在0.960以上，標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.015，說明VG模型適用于擬合添加生物炭后的土壤水分特征曲線。隨著生物炭添加量的增加，土壤孔隙分布明顯改變，形成了大量大孔隙和中孔隙，土壤的持水能力提高。在低容重（1.3、1.4 g/cm3）條件下，生物炭粒徑越大（0.25～2 mm）添加量越高（8、16 g/kg），土壤持水、保水效果越明顯；在高容重（1.5、1.6、1.7 g/cm3）條件下，小粒徑（<0.25 mm）和較低的生物炭添加量（4、8 g/kg）則表現(xiàn)出較好的持水能力。對于不同壓實(shí)條件的排土場土壤，有針對性地施用生物炭，將有效提高土壤持水保水能力，提高土壤中植物的有效利用水分。

生物炭；土壤含水率；土壤改良劑；采礦；土壤水分特征曲線；土壤壓實(shí)

0 引 言

煤炭開采是促進(jìn)中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展重要的人為過程之一，其為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)也對中國的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響[1]。中國大型礦產(chǎn)資源主要分布在生態(tài)脆弱的干旱、半干旱地區(qū)，而山西晉北煤炭基地更是由于具有豐富的資源賦存且煤質(zhì)優(yōu)良，成為煤炭基地重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域。由于晉北煤炭基地地處黃土高原東部，露天煤礦的開采直接造成礦區(qū)土壤-植被系統(tǒng)的嚴(yán)重退化，且復(fù)墾后土壤未經(jīng)熟腐，營養(yǎng)元素缺乏，土地貧瘠，亟需開展生態(tài)修復(fù)[2-3]。

由于土壤與植物生長密切相關(guān)，已有研究大都聚焦于農(nóng)業(yè)活動中的土壤壓實(shí)問題[4]，但對于人為因素（礦產(chǎn)開發(fā)、林業(yè)采伐、城市建設(shè)等）造成的土壤壓實(shí)關(guān)注較少。人為因素造成的土壤壓實(shí)往往強(qiáng)度較大，土壤修復(fù)的難度和時(shí)間相對更長[5]。隨著科技的快速發(fā)展和采煤活動機(jī)械化程度的增加，露天煤礦開采形成的排土場多采用土石混合大面積機(jī)械壓實(shí)的方法[6]，大型機(jī)械在運(yùn)輸、堆放廢土的過程中會對排土場造成嚴(yán)重壓實(shí)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，促使土壤穩(wěn)定性惡化[7]，土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)破壞[8]，總孔隙度降低[9]，土壤容重增加（一般為1.6～1.7 g/cm3，有些地區(qū)甚至達(dá)到1.8～2.0 g/cm3）[10]，導(dǎo)致土壤功能退化，土地生產(chǎn)力降低。另外壓實(shí)會造成土壤滲透率明顯降低，表層土被嚴(yán)重侵蝕[11]，土壤含水率降低，對土壤中的物理、化學(xué)和生物活動造成不利影響[12-13]。嚴(yán)重壓實(shí)的排土場還將影響區(qū)域水文平衡穩(wěn)定，制約礦區(qū)植被恢復(fù)進(jìn)程，威脅礦區(qū)復(fù)墾生態(tài)安全[14]。

生物炭是在高溫低氧條件下熱解而成的含碳有機(jī)物[15]。大量試驗(yàn)表明，在土壤中加入生物炭，可以提高土壤pH值和陽離子交換能力，有利于養(yǎng)分的保持和土壤肥力的提高[16]。土壤是高度復(fù)雜的多成分系統(tǒng)，具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，添加生物炭可以對孔隙度、粒度分布、容重等土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生較大影響[17-18]。將生物炭應(yīng)用于礦區(qū)土壤中，會顯著降低土壤的容重，有效提高土壤孔隙度，改善土壤持水保水能力[19]。

目前已有研究主要集中于生物炭在不同添加量下對農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)質(zhì)的提高以及礦區(qū)土壤重金屬吸附等化學(xué)性質(zhì)的改善，對不同生物炭粒徑及添加量共同作用下，生物炭添加對露天煤礦排土場壓實(shí)土壤物理特性的影響研究還不夠深入。為此，本研究通過添加不同粒徑、不同施用量的生物炭，分析生物炭添加后對露天煤礦排土場壓實(shí)土壤水力特性的影響，以期為中國露天煤礦排土場壓實(shí)土壤物理性質(zhì)改良與生態(tài)修復(fù)提供思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土壤來源于山西省大同市云州區(qū)（113°28′18″E，39°56′37″N）土林?jǐn)_動黃土，采樣深度為0～20 cm，本區(qū)土壤為栗鈣土與栗褐土的過渡帶，土壤物理風(fēng)化強(qiáng)烈，土質(zhì)偏沙。

試驗(yàn)所用生物炭來源于綠之源炭業(yè)、金邦環(huán)保公司，生物炭由玉米秸稈及果殼分別在500和800 ℃緩慢熱解下制備而成。生物炭基本性質(zhì)見表1。

表1 生物炭基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將采集到的土壤除去根系、石塊，在避光條件下自然風(fēng)干，過2 mm篩，按質(zhì)量與生物炭充分混合，生物炭施用率為4、8和16 g/kg[20]（表2）。生物炭粒徑添加組分別為：I. 對照（無生物炭添加土壤）；II. 粒徑為>1～2 mm（果殼）；III. 粒徑為>0.25～1 mm（果殼）；IV. 粒徑為0.10～0.25 mm（果殼）；V. 粒徑為<0.10 mm（玉米秸稈）[21]。不同壓實(shí)條件通過調(diào)整土壤容重得到，干土容重利用體積為100 cm3的環(huán)刀分別設(shè)置為1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3 [5]。試驗(yàn)共制備320個(gè)土壤-生物炭樣品（4種粒徑×4種添加量×5個(gè)容重×4次重復(fù)）。

表2 生物炭及土樣用量表

1.3 測試指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤水分特征曲線

試驗(yàn)在自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，利用離心機(jī)（HITACHI，CR22N，20℃，日本）測定土壤水分特征曲線，測量采用固定容重法，以消除離心力對土壤容重的影響[22]。土壤基質(zhì)吸力值設(shè)定分別為0、102、204、408、612、816、1 020、2 040、4 080、6 120、8 160和10 200 kPa。

土壤水分特征曲線通過vanGenuchten模型（VG模型）擬合，VG模型可以準(zhǔn)確量化土壤含水率和土壤基質(zhì)吸力的關(guān)系[23]。模型方程為

()=θ+(θ-θ)[1+()]（1）

式中()為土壤體積含水率，cm3/cm3；θ為飽和體積含水率，cm3/cm3；θ殘余體積含水率，cm3/cm3；為基質(zhì)勢，kPa；是相關(guān)系數(shù)；和為曲線的形狀參數(shù)，1-1/。

1.3.2 土壤水力特性參數(shù)

田間持水量：選擇33 kPa時(shí)的土壤含水量[24]；萎蔫系數(shù)：選擇1 500 kPa時(shí)的土壤含水量[25]；有效含水量：采用田間持水量和凋萎系數(shù)的差值含水量；土壤比水容量：土壤水分特征曲線中含水量與基質(zhì)勢的導(dǎo)數(shù)，代表土壤水分特征曲線斜率的大小[26]；進(jìn)氣吸力值：空氣開始進(jìn)入土壤中最大孔隙的基質(zhì)勢[27]，土壤水分特征曲線接近飽和時(shí)拐點(diǎn)處吸力值[28]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用MATLAB R2016a和SPSS 14.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、制表和繪圖。利用多因素方差分析進(jìn)行對照組和生物炭處理組顯著差異性檢驗(yàn)，采用配對樣本T檢驗(yàn)法檢驗(yàn)不同處理的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭添加對土壤水分特征曲線的影響

2.1.1 土壤水分特征曲線變化

生物炭施用對土壤水分特征曲線的影響隨生物炭添加量及粒徑的不同而呈現(xiàn)不同的變化趨勢，表明生物炭添加改變了不同壓實(shí)土壤的孔隙特性，影響了土壤持水保水能力。對容重、粒徑、添加量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素方差分析，檢驗(yàn)結(jié)果均為< 0.001，說明不同容重下的不同添加量及添加粒徑會顯著影響土壤水分特征曲線。

圖1為不同生物炭添加粒徑及添加量對土壤水分特征曲線的影響圖。不同生物炭處理對土壤的持水保水能力有較大差異。在相同土壤水吸力條件下，添加中大粒徑（>0.25～2 mm）生物炭對低容重（1.3 g/cm3）土壤持水能力有較大改善（圖1，對照組曲線位于生物炭組曲線下）。添加中小粒徑（0.10～0.25 mm）生物炭對中高容重（1.4和1.5 g/cm3）土壤的保水效果較好。在中粒徑（>0.25～1 mm）處理中，生物炭添加量越高，1.3～1.4 g/cm3的土壤持水能力越好，1.6 g/cm3則呈現(xiàn)相反趨勢，即生物炭添加量越低，土壤持水能力越好，甚至對照組優(yōu)于生物炭組。小粒徑（<0.10 mm）生物炭對土壤水分特征曲線變化趨勢僅在1.3、1.5、1.7 g/cm3時(shí)添加8 g/kg時(shí)表現(xiàn)出較好的持水能力。

綜上，在中低容重（1.3～1.5 g/cm3）當(dāng)添加中大粒徑（>0.25～2 mm）、中高量（8、16 g/kg）生物炭時(shí)，土壤水分特征曲線效果較好。在高容重（1.6和1.7 g/cm3）添加中量（8 g/kg）、小粒徑（0.10～0.25 mm）生物炭對曲線改善效果較好，其他處理均無明顯作用，甚至對保水能力具有消極影響。

2.1.2 土壤水分特征曲線模型參數(shù)變化

VG模型對添加生物炭土壤水分特征曲線具有較好的擬合結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)差均在0.001～0.015之間，2均在0.960～0.999之間，說明可以用VG模型擬合結(jié)果解釋說明土壤水分特征曲線變化規(guī)律。不同處理土壤水分特征曲線模型擬合參數(shù)見表3。

未有任何處理的土壤對照組，容重在1.3～1.7 g/cm3條件下，初始含水率分別為0.135、0.196、0.195、0.170、0.154 cm3/cm3。實(shí)驗(yàn)組在添加>1～2 mm粒徑生物炭下，含水率分別為0.166、0.203、0.196、0.188和0.164 cm3/cm3。不同容重條件下的含水率增加幅度分別為0.031、0.007、0.001、0.018、0.010 cm3/cm3，且在生物炭添加量為8、16 g/kg時(shí)土壤初始含水率最高。

在低容重（1.3～1.5 g/cm3）條件下，加入8 g/kg生物炭后，可提高土壤飽和含水率，用中大粒徑（0.25～2 mm）生物炭處理過的殘留含水率（θ）低于對照組，而飽和含水率（θ）均高于對照組。容重為1.6 g/cm3時(shí)，生物炭加入后土壤殘留含水率（θ）均低于對照組，且添加量越高，差異越明顯。飽和含水率（θ）僅在添加大粒徑及高量生物炭時(shí)高于對照組。而容重為1.7 g/cm3、添加小粒徑（0.10～0.25 mm）生物炭時(shí)，根據(jù)添加量的不同，飽和含水率會呈現(xiàn)不規(guī)則的變化趨勢，但均優(yōu)于對照組。

參數(shù)為進(jìn)氣吸力值的倒數(shù)，進(jìn)氣吸力越小，參數(shù)越大，土壤持水能力越差。生物炭添加后不同容重的土壤進(jìn)氣吸力在低容重時(shí)隨添加量的增加而增大（添加粒徑為0.25～2 mm，添加量為8、16 g/kg時(shí)個(gè)別略有減?。Ｖ禌Q定曲線的坡度，在高添加量下，各土壤處理之間的值低于對照組（其中的最大值出現(xiàn)在添加量為4 g/kg），其他處理沒有明顯變化規(guī)律。

表3 不同處理VG模型擬合參數(shù)

注：θ為飽和體積含水率，cm3·cm-3；θ為殘余體積含水率，cm3·cm-3；為進(jìn)氣吸力值倒數(shù)；為形狀參數(shù)。土壤粒徑單位均為mm，下同。

Note: θis saturated value of the soil water content, cm3·cm-3;θis residual values of the soil water content, cm3·cm-3;is the reciprocal of the air-entry value;is the shape parameter. The unit of soil particle size is mm, the same below.

2.2 生物炭添加對土壤水力特性參數(shù)的影響

2.2.1 田間持水量、萎蔫系數(shù)、有效含水量

不同處理下不同土壤水力特性參數(shù)（田間持水量、萎蔫系數(shù)及有效含水量）的變化結(jié)果如表4所示，其中三者間的相關(guān)性分析結(jié)果見圖2，土壤水力特性參數(shù)的相關(guān)系數(shù)處于0.541～1.000之間，圖中顏色越深，說明各水力特性參數(shù)間相關(guān)性越高。結(jié)果顯示，對于低容重土壤，添加高量、大粒徑生物炭可以顯著改善土壤水力特性；當(dāng)土壤容重較高時(shí)，添加少量、小粒徑生物炭對改良土壤水力特性有較好效果。詳細(xì)結(jié)果如下：

在低中容重（1.3～1.5 g/cm3）條件下，無論生物炭粒徑大小，生物炭施用比例越高，田間持水量越高。容重為1.3 g/cm3、添加粒徑為>1～2 mm時(shí)，對照組田間持水量最低為22.74%，在1.4 g/cm3條件下，當(dāng)粒徑為>0.25～1 mm、施用量為16 g/kg時(shí)，田間持水量最大為37.56%。在高容重（1.6、1.7 g/cm3）條件下，添加粒徑為1～2 mm時(shí)，田間持水量隨著生物炭添加量的增加而增加。

當(dāng)容重為1.6 g/cm3時(shí)，生物炭添加量越高，土壤萎蔫系數(shù)越小，作物抗旱能力越強(qiáng)。當(dāng)容重為1.7 g/cm3時(shí)，在4 g/kg的添加量下，萎蔫系數(shù)最小，為14.56%。伴隨容重的增加，土壤萎蔫系數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。而在低容重處理中，生物炭添加會促使土壤萎蔫系數(shù)提高。

在生物炭粒徑<0.10 mm、施用量為4 g/kg時(shí)，容重為1.3 g/cm3的有效含水量達(dá)到17.35%，為同類處理最高；當(dāng)在粒徑<0.10 mm，生物炭添加量為16 g/kg時(shí)，容重為1.4 g/cm3時(shí)，有效含水量達(dá)到同類處理最高值18.11%。在中高容重（1.5～1.7 g/cm3）、小粒徑（< 0.10 mm）的條件下，生物炭添加量越少，土壤有效含水量越低。

表4 土壤水力特性參數(shù)

2.2.2 進(jìn)氣吸力值和比水容量

在圖1中，在低吸力（101～102cm）的作用下，土壤水分特征曲線基本穩(wěn)定，此時(shí)土壤呈飽和狀態(tài)，水分儲存在土壤大孔隙（通氣孔隙）中。在中吸力作用下（>102～103cm），當(dāng)吸力增加到進(jìn)氣吸力值時(shí)，土壤中的大孔隙無法抵抗所施加的吸力，陸續(xù)由土壤中孔逐漸開始排水，土壤含水率開始下降，此時(shí)，水分從毛管孔隙中大量排出，此時(shí)土壤孔隙以中孔為主。而中孔可以通過毛管作用保留更多的水分，以提高土壤持水能力。當(dāng)吸力進(jìn)一步增大時(shí)，在高吸力的作用下（>103～104cm），土壤孔隙由大到小不斷排水，含水率逐漸降低，直至曲線再次平緩，此時(shí)水分儲存在土壤微孔中，土壤孔隙以無效孔隙為主。

比水容量作為含水率與基質(zhì)勢的導(dǎo)數(shù)[26]，在本文以土壤水分特征曲線圖像（圖1）傾斜程度進(jìn)行判別。當(dāng)在1.6 g/cm3土壤中加入不同量、不同粒徑的生物炭后，土壤比水容量明顯小于對照組。當(dāng)生物炭孔隙小于0.10 mm時(shí)，容重為1.4、1.6 g/cm3對照組的進(jìn)氣吸力值和比水容量的值均優(yōu)于生物炭添加組。可能是由于生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)較小，添加到土壤中會增加土壤微孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致保水能力下降。

當(dāng)土壤容重較大時(shí)，在中大粒徑（>0.25～2 mm）和高添加量（16g/kg）條件下，進(jìn)氣吸力值較大，比水容量較小，說明在此處理下，添加高量生物炭具有保持土壤水分的能力，且保水效果較好。在中小粒徑（0.10～0.25 mm）和低添加量（4g/kg）條件下，進(jìn)氣吸力值最大，比水容量最小。說明在高容重條件下，生物炭的添加量和粒徑的選擇對土壤水分保持能力有不同的影響。但是在容重為1.6 g/cm3時(shí)，與生物炭添加組相比，對照組的進(jìn)氣吸力值較大，由此可知容重的增加對土壤保水能力的提高并非都是正向的。

2.3 土壤水力特性配對樣本T檢驗(yàn)

不同處理下配對樣本T檢驗(yàn)結(jié)果見表5，值越低差異越顯著，表明該處理下的土壤持水保水效果越好。

注：**: 0.01水平上存在顯著差異.

Note:**: significant difference at the level of 0.01.

結(jié)果顯示，低容重（1.3、1.4 g/cm3）條件下，添加粒徑為>1～2 mm、添加量為16 g/kg時(shí)值最小；添加粒徑為>0.25～1 mm、添加量為16 g/kg時(shí)值<0.001，差異顯著。從圖1中可以看出，在低容重條件下，高添加量（16 g/kg）及中大粒徑（>0.25～2 mm）生物炭處理的效果較好。中容重條件下（1.5 g/cm3），添加粒徑為>0.25～1 mm、添加量為4 g/kg時(shí)值<0.001；添加粒徑為0.10～0.25 mm、添加量為4、8 g/kg時(shí)值<0.001；添加粒徑為<0.10 mm、添加量為8 g/kg時(shí)值<0.001，差異顯著。高容重（1.6、1.7 g/cm3）條件下，添加粒徑為1～2 mm、添加量為4 g/kg時(shí)值<0.001；添加粒徑為0.25～1 mm、添加量為8 g/kg時(shí)值<0.001；添加粒徑0.10～0.25 mm、添加量為4、8 g/kg時(shí)值<0.001；添加粒徑為<0.10 mm、添加量為4、8 g/kg時(shí)值均<0.001，差異最為顯著。

配對樣本T檢驗(yàn)的結(jié)果表明，在低容重時(shí)，大粒徑（0.25～2 mm）生物炭在高添加量（8、16 g/kg）下差異顯著，即大粒徑和大添加量的生物炭對促進(jìn)低容重土壤持水能力具有較好的作用。在中高容重下，添加小粒徑（<0.25 mm）生物炭在低、中添加量（4、8 g/kg）下對促進(jìn)土壤持水能力提升具有較好的效果。

3 討 論

土壤保水能力對維持土壤生態(tài)系統(tǒng)和保證糧食生產(chǎn)至關(guān)重要。土壤保存利用水分主要通過土壤孔隙狀況實(shí)現(xiàn)，而土壤容重對土壤孔隙具有直接影響。土壤容重越小，其毛管量越豐富，持水能力越高。生物炭容重低并具有高孔隙度及較大比表面積，本研究的試驗(yàn)結(jié)果表明，將其與土壤混合可以直接改變原土樣的孔隙結(jié)構(gòu)，增加土壤中的中孔和微孔數(shù)量，提高土壤的連通性[29]。與低容重相比，高容重土壤的吸水能力優(yōu)于低容重，土壤水分特征曲線在進(jìn)氣脫水過程中，低吸力段主要是大孔隙的毛管水起作用，中、高吸力段主要取決于土壤顆粒的表面吸附作用[30]。因此，在低吸力范圍內(nèi)，土壤水分特征曲線迅速下降，隨著吸力不斷增大，出現(xiàn)平坦區(qū)域，該結(jié)果與Amoakwah等[31]的研究相似。對于持水效果，在低容重土壤中添加>1～2 mm的粒徑的生物炭對土壤持水效果最好，且添加越多，效果越明顯。而高容重土壤與之相反。數(shù)據(jù)配對樣本T檢驗(yàn)結(jié)果小于0.001，表明高容重土壤中添加小粒徑（<0.10 mm）生物炭存在極顯著差異，說明添加小粒徑生物炭可以改善高容重土壤的含水率。因此添加少量小粒徑生物炭對高容重土壤持水能力的提升效果較好，這說明在壓實(shí)嚴(yán)重的土壤中添加生物炭后，生物炭表面不規(guī)則形狀產(chǎn)生的孔隙結(jié)構(gòu)[32]可以很容易地被土壤顆粒填充[16]，而小粒徑生物炭的添加可以有效增加土壤中孔及微孔數(shù)量。因此，生物炭的表面特性對于改善土壤持水保水能力具有間接作用[33]。

生物炭引起的土壤孔隙及其結(jié)構(gòu)組成變化是影響農(nóng)田土壤物理性質(zhì)的主要原因[34]。本研究試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭內(nèi)部孔隙被土壤顆粒填充后可以有效提高土壤田間持水能力[13]，但當(dāng)生物炭孔隙較少或土壤質(zhì)地較好時(shí)就會有所限制。因此，有針對性地使用生物炭可以提高土壤的保水能力，提升不同質(zhì)地和壓實(shí)土壤中植物的可利用水分[35]。劉卉等[36]在植煙土壤中連續(xù)3 a定點(diǎn)施用生物炭的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，長期施用生物炭可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度及耕作層土壤團(tuán)聚體數(shù)量，對作物增產(chǎn)有積極影響。因此，在礦區(qū)施用生物炭，有利于土壤生產(chǎn)力的提高，損毀的采礦用地可在人工參與的情況下，逐步恢復(fù)生產(chǎn)力以作為中國儲備耕地資源。

基于本研究的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，后續(xù)研究還應(yīng)推進(jìn)在野外環(huán)境下的長期定點(diǎn)定位研究，進(jìn)一步驗(yàn)證和加深生物炭添加對露天礦區(qū)壓實(shí)土壤物理特性影響的認(rèn)知，以及生物炭改良低效用地質(zhì)量的潛力。

4 結(jié) 論

本研究選取山西省大同市土林?jǐn)_動黃土為研究對象，通過添加4種粒徑（>1～2、>0.25～1、0.10～0.25、< 0.10 mm）、4種添加量（0、4、8、16 g/kg）的生物炭，利用離心機(jī)固定容重法測定5種不同容重（1.3、1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3）的水分特征曲線及水力特性參數(shù)，得到以下結(jié)論：

1）生物炭添加可以提高土壤初始含水率，從0.135 cm3/cm3（1.3 g/cm3，>1～2 mm，0 g/kg）提高到0.166 cm3/cm3（1.3 g/cm3，>1～2 mm，8 g/kg），初始含水率增幅最大為0.031 cm3/cm3，降低土壤進(jìn)氣吸力值，有利于土壤水分的有效利用。

2）生物炭添加能改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤總孔隙度，尤其是通氣孔隙及毛管孔隙的數(shù)量，并顯著提高土壤田間持水量，從最低22.74%（1.3 g/cm3，>1～2 mm，0 g/kg）提高到37.56%（1.4 g/cm3，>0.25～1 mm，16 g/kg）。

3）在低容重（1.3、1.4 g/cm3）條件下，添加大粒徑（>1～2 mm）、高量（8、16 g/kg）生物炭，或在高容重（1.6、1.7 g/cm3）條件下低量（4、8 g/kg）添加小粒徑（≤ 0.25 mm）生物炭，可以改善壓實(shí)土壤的持水保水能力。

本文通過試驗(yàn)研究明確了如何在不同壓實(shí)條件下有針對性地選擇和施加不同生物炭的添加量和粒徑，為科學(xué)促進(jìn)壓實(shí)土壤持水保水能力、有效提高礦區(qū)排土場水土資源利用效率，應(yīng)對不同低質(zhì)土壤改良需求提供了科學(xué)依據(jù)。

[1] Wang J M, Yang R X, Bai Z K. Spatial variability and sampling optimization of soil organic carbon and total nitrogen for Minesoils of the Loess Plateau using geostatistics[J]. Ecological Engineering, 2015, 82: 159-164.

[2] 任慧君，李素萃，劉永兵. 生態(tài)脆弱區(qū)露天煤礦生態(tài)修復(fù)效應(yīng)研究[J]. 煤炭工程，2016(2)：127-130.

Ren Huijun, Li Sucui, Liu Yongbing. Ecological rehabilitation effects of open-pit coal mine in ecological fragile region[J]. Coal Engineering, 2016(2): 127-130. (in Chinese with English abstract)

[3] 谷裕，王金滿，王洪丹，等. 黃土區(qū)露天煤礦排土場植被恢復(fù)的水肥響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2016, 35(12)：3233-3241.

Gu Yu, Wang Jinman, Wang Hongdan, et al. Response of soil water and soil fertility to vegetation resroearion in an opencast coal-mine in a loess area[J]. Chinese Journal of Ecology, 2016, 35(12): 3233-3241. (in Chinese with English abstract)

[4] Palansooriya K N, Yong S O, Awad Y M, et al. Impacts of biochar application on upland agriculture: A review[J]. Journal of Environmental Management, 2019, 234: 52-64.

[5] Feng Y, Wang J M, Bai Z K, et al. Three-dimensional quantification of macropore networks of different compacted soils from opencast coal mine area using X-ray computed tomography[J]. Soil & Tillage Research, 2020, 198: 104567.

[6] Dabrowski J, Guatav V, Wayne F T, et al. Dung beetles can tunnel into highly compacted soils from reclaimed mined sites in eMalahleni, South Africa[J]. Applied Soil Ecology, 2019, 134: 116-119.

[7] Jim C Y. Stress, shear deformation and micromorphological clay orientation-a synthesis of various concepts[J]. Catena, 1990, 17(4-5): 431-447.

[8] Jim C Y. Experimental-study of soil microfabrics induced by anisotropic stresses of confined swelling and shrinking[J]. Geoderma, 1986, 37(2): 91-112.

[9] Xiao L, Yuan G D, Feng L R, et al. Soil properties and the growth of wheat (L. ) and maize (L. ) in response to reed () biochar use in a salt-affected soil in the Yellow River Delta[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2020, 303: 107124.

[10] Feng Y, Wang J M, Bai Z K, et al. Effects of surface coal mining and land reclamation on soil properties: A review[J]. Earth-Science Reviews, 2019, 191: 12-25.

[11] Efthimiou N. The new assessment of soil erodibility in Greece[J]. Soil and Tillage Research, 2020, 204: 104720.

[12] 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(bào)，2019，35(17)：147-153.

Wang Zhongjiang, Liu Zhuo, Cao Zhen, et al. Effect of biochars on water retention properties of northeast region black soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 147-153. (in Chinese with English abstract)

[13] Wang D Y, Li C Y, Parikh S J, et al. Impact of biochar on water retention of two agricultural soils-A multi-scale analysis[J]. Geoderma, 2019, 340: 185-191.

[14] Wang J, Xia K, Waigi M G, et al. Application of biochar to soils may result in plant contamination and human cancer risk due to exposure of polycyclic aromatic hydrocarbons[J]. Environment International, 2018, 121(1): 169-177.

[15] Lehmann J. A handful of carbon[J]. Nature, 2007, 447(7141): 143-144.

[16] Lehmann J, Joseph S. Biochar for Environmental Management: Science and Technology[M]. London: Earthscan, 2009, 107-157.

[17] Graef H, Kiobia D, Saidia P, et al. Combined effects of biochar and fertilizer application on maize production in dependence on the cultivation method in a sub-humid climate[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2018, 49(22): 2905-2917.

[18] Zhang Y F, Wang J M, Feng Y. The effects of biochar addition on soil physicochemical properties: A review[J]. Catena, 2021, 202(2): 105284. .

[19] Susan Y, Chang N Y, Imhoff P T. Predicting water retention of biochar-amended soil from independent measurements of biochar and soil properties[J]. Advances in Water Resources, 2020, 142: 103638.

[20] 劉祥宏. 生物炭在黃土高原典型土壤中的改良作用[D]. 咸陽：中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，2013.

Liu Xianghong. Effect of Biochars Application on Soil Impeovement on the Loess Plateau[D]. Xianyang: Research Center of Soil and Water Conservation and Ecological Enviroment, 2013. (in Chinese with English abstract)

[21] 齊瑞鵬，張磊，顏永毫，等. 定容重條件下生物炭對半干旱區(qū)土壤水分入滲特征的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25(8)：2281-2288.

Qi Ruipeng, Zhang Lei, Yan Yonghao, et al. Effects of biochar addition into soils in semiarid land on water infiltration under the condition of the same bulk density[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(8): 2281-2288. (in Chinese with English abstract)

[22] 呂殿青，邵明安，王全九. 土壤持水特征測定中的容重變化及其確定方法[J]. 水利學(xué)報(bào)，2003，34(3)：110-114.

Lyu Dianqing, Shao Ming′an, Wang Quanjiu. Bulk density changing during measuring soil water retention characteristics and its determing method[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2003, 34(3): 110-114. (in Chinese with English abstract)

[23] 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.

[24] Lu S G, Sun F F, Zong Y T. Effect of rice husk biochar and coal fly ash on some physical properties of expansive clayey soil (vertisol)[J]. Catena, 2014, 114: 37-44.

[25] Ratliff L F, Ritchie J T, Cassel D K. Field-measured limits of soil water availability as related to laboratory-measured properties[J]. Journal of the Soil Science Society of America, 1983, 47(4): 770-775.

[26] Dexter A R. Soil physical quality: Part I. Theory, effects of soil texture, density, and organic matter, and effects on root growth[J]. Geoderma, 2004, 120: 201-214.

[27] Vanapalli S K, Fredlund D G, Pufahl D E, et al. Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1996, 33(3): 379-392.

[28] 潘登麗，倪萬魁，苑康澤，等. 基于VG模型確定土水特征曲線基本參數(shù)[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2020，28(1)：69-76.

Pan Dengli, Ni Wankui, Yuan Kangze, et al. Determination of soil-water characteristic curve variables based on VG model[J]. Journal of Engineering Geology, 2020, 28(1): 69-76. (in Chinese with English abstract)

[29] Ajayi A E, Horn R. Modification of chemical and hydrophysical properties of two texturally differentiated soils due to varying magnitudes of added biochar[J]. Soil & Tillage Research, 2016, 164: 34-44.

[30] Hussain R, Ravi K, Garg A. Influence of biochar on the soil water retention characteristics (SWRC): Potential application in geotechnical engineering structures[J]. Soil and Tillage Research, 2020, 204: 104713.

[31] Amoakwah E, Frimpong K A, Okae-anti D, et al. Soil water retention, air flow and pore structure characteristics after corn cob biochar application to a tropical sandy loam[J]. Geofisica Internacional, 2017, 307: 189-197.

[32] Tanure M M C, Costa L M, Huiz H A, et al. Soil water retention, physiological characteristics, and growth of maize plants in response to biochar application to soil[J]. Soil and Tillage Research, 2019, 192: 164-173.

[33] Omran S E, Shorafa M, Zolfaghari A A, et al. The effect of biochar on severity of soil water repellency of crude oil-contaminated soil[J]. Environmental Science & Pollution Research, 2020, 27(6): 6022-6032.

[34] Fu Q, Zhao H, Li H, et al. Effects of biochar application during different periods on soil structures and water retention in seasonally frozen soil areas[J]. Science of The Total Environment, 2019, 694: 133732.

[35] Hansena V, Hauggaard-Nielsen H, Petersen C T, et al. Effects of gasification biochar on plant-available water capacity and plant growth in two contrasting soil types[J]. Soil & Tillage Research, 2016, 161: 1-9.

[36] 劉卉，周清明，黎娟，等. 長期定位連續(xù)施用生物炭對植煙土壤物理性狀的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2018，33(3)：7.

Liu Hui, Zhou Qingming, Li Juan, et al. Effects of long-term located continuous application of biochar on soil physical properties of planting tobacco[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2018, 33(3): 7. (in Chinese with English abstract)

Effects of biochar addition on the hydraulic properties of compacted soils in mining areas

Zhang Yafu1, Wang Jinman1,2※, Wang Jingpeng1, Feng Dingrao1, Li Wanzhi1, Zhu Qiuping1

(1.,(),100083,;2.,,100035,)

Severe soil compaction often occurs with heavy traffic during mining, particularly for a large number of large-scale opencast mines in the Loess Plateau. An important indicator, the soil hydraulic property can be widely used to measure the soil pore conditions of compacted soils. Biochar can also be added to improve the land quality for higher crop yields in farmland in recent years. The environmental soil amendment has presented higher ecological and economic benefits, due to the specific properties from the special porous structure of biochar, including the large surface area, high porosity, low bulk density, and high organic carbon contents. As such, the soil bulk density can be reduced to increase the water holding capacity in the coarse texture soil. However, only a few studies focused on the biochar addition in the soil improvement in the mining areas, especially the hydraulic characteristics of compacted soil. The purpose of this study is to evaluate the impact of addition rates and particle sizes of biochar on the soil hydraulic conductivity under various compaction conditions in a mining dump. The soil sample was collected from Datong City in Shanxi Province of China. The experiment was then carried out under the four particle sizes of biochar (1-2, 0.25-1, 0.10-0.25, and <0.10 mm) with four addition rates(0, 4, 8, and 16 g/kg) and five compaction conditions (1.3, 1.4, 1.5, 1.6, and 1.7 g/cm3). A modified van Genuchten (VG) model was also established to determine the characteristic curve of soil water. The results show that all the correlation coefficients were above 0.960, and the standard deviations were below 0.015, indicating this model suitable for the characteristic curve of soil water after the biochar addition. Most macropores and mesopores with larger pore sizes were distributed to significantly improve the water holding capacity in the field. The specific values increased from the lowest 22.74% (1.3 g/cm3, 1-2 mm, 0 g/kg) to 37.56% (1.4 /cm3, 0.25-1 mm, 16 g/kg) with the amount of biochar addition. Furthermore, the initial soil water content increased from 0.135 cm3/cm3(1.3 g/cm3, 1-2 mm, 0 g/kg) to 0.166 cm3/cm3(1.3 g/cm3, 1-2 mm, 8 g/kg), where the maximum increase was 0.031 cm3/cm3in an initial soil water content. Therefore, the biochar addition greatly contributed to the water holding capacity of compacted soil with less air entry for the better use of soil water. Correspondingly, the higher capacity of water holding was obtained at the lower bulk densities (1.3 and 1.4 g/cm3), and the larger particle sizes(0.25-2 mm). A combination of parameters was achieved for the optimal water holding at the high bulk density (1.5, 1.6, and 1.7 g/cm3), lower particle sizes (<0.25 mm), and higher addition (8, 16 g/kg).Consequently, the targeted application of biochar can be widely expected to effectively improve the water holding and water retention capacity of the soils with various compaction in the mining areas. This finding can also provide a promising basis for recovery the low-quality soil.

biochar; soil moisture; soil conditioners; mining; soil water character curve; soil compaction

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.007

S152

A

1002-6819(2021)-22-0058-08

張雅馥，王金滿，王敬朋，等. 生物炭添加對礦區(qū)壓實(shí)土壤水力特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(22)：58-65.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.007 http://www.tcsae.org

Zhang Yafu, Wang Jinman, Wang Jingpeng, et al. Effects of biochar addition on the hydraulic properties of compacted soils in mining areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 58-65. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.007 http://www.tcsae.org

2021-08-08

2021-11-10

國家自然科學(xué)基金（41877532）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2652018028）

張雅馥，博士生，研究方向?yàn)橥恋卣闻c生態(tài)修復(fù)。Email：zhangyafu0601@163.com

王金滿，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥恋卣闻c生態(tài)修復(fù)。Email：wangjinman@cugb.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：王金滿（E040100098M）