張紅美，李 坷，朱 琴，周 嶺，孔德國(guó)

(1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院/現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300；2.鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 451450)

0 引 言

新疆地區(qū)由于光照時(shí)間長(zhǎng)，光熱資源豐富而成為我國(guó)棉花主要種植基地[1]。棉花種植極大地推動(dòng)了當(dāng)?shù)孛藜彉I(yè)的發(fā)展，成為增加農(nóng)戶收入的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)，但大量的棉花秸稈也給環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力。2013年秋后，我國(guó)棉花秸稈為3千多萬(wàn)t，新疆棉花秸稈占了當(dāng)年全國(guó)總產(chǎn)量的一半以上[2]。大量的棉花秸稈常在春播時(shí)被直接粉碎還田，棉花秸稈還田雖可增加土壤有機(jī)質(zhì)，但會(huì)加重棉花病蟲(chóng)害[3,4]。因此如何實(shí)現(xiàn)棉花秸稈資源的高值化利用成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

南疆地區(qū)距塔克拉瑪干沙漠較近，氣候干旱少雨，水資源短缺，而當(dāng)?shù)赝寥辣Ｋ芰Σ?。但由于?dāng)?shù)貧夂蚋稍铮照諘r(shí)間長(zhǎng)，光照強(qiáng)度大，非常適宜棉花生長(zhǎng)，棉花產(chǎn)量高，促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。近年來(lái)棉花種植面積有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，這造成大量的棉花種植與當(dāng)?shù)厮Y源短缺之間的矛盾，因此提高當(dāng)?shù)赝寥赖谋Ｋ芰Τ蔀榻鉀Q這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。

生物炭是生物質(zhì)原料在厭氧條件下經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤獾玫降母惶几叨确枷慊镔|(zhì)[5]，其具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，表面荷負(fù)電，在土壤改良方面具有較大的潛在應(yīng)用[6]。將生物炭施入土壤可降低其容重[7-9]，增大土壤孔隙度[10,11]，提高土壤保水能力[12-15]，因此在土壤中添加生物炭可提高土壤對(duì)水分的持留能力，達(dá)到節(jié)水目的。孫愛(ài)華等[16]研究結(jié)果表明土壤中施加生物炭提高了水稻的產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)率。許健等[17]通過(guò)室內(nèi)土箱模擬實(shí)驗(yàn)研究了生物炭不同添加量對(duì)微潤(rùn)灌土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響，張新學(xué)等[18]通過(guò)室內(nèi)模擬方法研究了生物炭對(duì)不同質(zhì)地土壤蓄水能力影響，結(jié)果表明隨生物炭施入量增加土壤蓄水能力增強(qiáng)，生物炭對(duì)不同質(zhì)地土壤蓄水能力影響不同。肖茜等[19]采用室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)方法，研究了生物炭對(duì)黃土區(qū)土壤水分入滲、蒸發(fā)性能影響，結(jié)果表明生物炭提高了土壤的持水性，但對(duì)不同質(zhì)地土壤影響不同。張妙等[20]研究了生物炭和PAM共施對(duì)黃綿土水分入滲和蒸發(fā)的影響。肖亞楠[21]等研究表明節(jié)水灌溉稻田施用生物炭在減少CH4排放的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)。王紅蘭等[22]通過(guò)野外小區(qū)實(shí)驗(yàn)方法研究了生物炭對(duì)紫色土坡耕地耕層土壤水力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明生物炭不但提高了土壤對(duì)有效水的持留能力，而且提高了土壤導(dǎo)水率。顏永毫等[23]采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法研究了生物炭添加對(duì)黃土高原土壤田間持水量的影響，結(jié)果表明不同類型生物炭及其添加量對(duì)土壤的田間持水量影響差別較大。生物炭的添加量、種類以及土壤類型均會(huì)影響生物炭對(duì)土壤保水性能產(chǎn)生影響。為了探索棉稈基生物炭對(duì)南疆沙化土壤物理性能影響規(guī)律，結(jié)合孔德國(guó)等[24]前期研究結(jié)果，采用短絨棉棉花秸稈為原料制備棉稈基生物炭，并將其施入土壤中，研究炭化時(shí)間對(duì)南疆沙化土壤物理性能的影響，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的循環(huán)利用，期望為南疆沙化土壤改良和棉花種植提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 供試土壤

土壤采自于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師十二團(tuán)連作棉田。采用“W”型五點(diǎn)取樣法取樣，相鄰兩點(diǎn)之間的距離均為2 m。將土樣置于室外自然晾干，手動(dòng)剔除雜物，混合均勻后過(guò)2 mm篩備用。

1.1.2 供試生物炭

將采自于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師十二團(tuán)連作棉田的短絨棉棉花秸稈自然曬干后，剪成2～3 cm長(zhǎng)，在馬弗爐中于300 ℃炭化1.5、2、2.5、3、3.5 h，自然冷卻后取出手動(dòng)研磨，過(guò)2 mm篩后備用。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣吸水性能測(cè)定

將供試生物炭與土樣按質(zhì)量比為4∶100混合均勻。在底部開(kāi)有小孔的容器中鋪3層濾紙，稱重記為m1；將等質(zhì)量的混合土樣裝入容器中，并抹平上表面，稱重記為m2；向容器中緩慢加入等質(zhì)量的水，多余的水分通過(guò)底部小孔滲出，每4 h補(bǔ)水1次，共補(bǔ)水3次。室內(nèi)自然陳化2 d后，稱重記為m3。土樣吸水率采用下式計(jì)算。

(1)

1.2.2 土樣保水性能測(cè)定

采用每天定時(shí)稱重的方法測(cè)定土樣保水率。保水率采用下式計(jì)算：

(2)

式中：mi是第i次稱量時(shí)容器與濕土質(zhì)量；m是陳化2 d后容器與濕土質(zhì)量； 是容器與干土質(zhì)量。

1.2.3 土樣容重與孔隙度性能測(cè)定

連續(xù)稱重14 d后采用環(huán)刀從容器中取土。將取樣后的環(huán)刀底部用4層紗布包裹后置入塑料盆中，加水至環(huán)刀上邊緣，浸泡24 h后去除底部紗布并稱重，記為m1；將帶土環(huán)刀放在鋪有一層濾紙的沙土上，用重物壓實(shí)8 h后，稱量環(huán)刀與土重，記為m2；最后將帶土環(huán)刀放入烘箱中于105 ℃烘至質(zhì)量不變并稱重，記為m3；單一環(huán)刀質(zhì)量記為m0，環(huán)刀體積記為v。按照以下公式計(jì)算容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.3 數(shù)據(jù)分析

以未添加生物炭的土樣為對(duì)照組，采用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，繪制圖表和擬合方程。

2 分析與討論

2.1 結(jié)構(gòu)分析

為了研究生物炭施入沙化土壤后對(duì)土壤的稀釋或填充作用，對(duì)生物炭和純土進(jìn)行了形貌測(cè)定，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，生物炭中分布著沿棉花秸稈軸向的橢圓形孔徑，孔洞深，在脫落的棉花秸稈表皮上也有橢圓形孔徑分布，孔徑相對(duì)較小，孔洞淺，并且隨著炭化時(shí)間的增加，生物炭中小粒徑顆粒出現(xiàn)，這可能與棉花秸稈炭化過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌有關(guān)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在側(cè)壁上出現(xiàn)更為微小的孔徑，這將增大生物炭的比表面積。由圖1還可看出純土土樣顆粒大小不均，在較大顆粒的表面和間隙分布有小顆粒土樣，并且大部分土樣顆粒的粒徑大于供試生物炭的孔徑。生物炭與土樣顆粒的相對(duì)大小將導(dǎo)致生物炭施入沙化土壤后，大顆粒的生物炭對(duì)土壤起到稀釋作用，而小顆粒的生物炭將對(duì)土壤孔隙起填充作用，因此生物炭的施入會(huì)對(duì)土壤的容重和孔隙度產(chǎn)生相應(yīng)影響。

圖1 生物炭和土樣SEM圖

2.2 容重與總孔隙度

為了研究生物炭對(duì)土樣結(jié)構(gòu)狀況的影響測(cè)定了土樣容重、總孔隙度隨炭化時(shí)間的變化關(guān)系曲線，結(jié)果如圖2所示。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)照組密度為1.37 g/mL，總孔隙度為47.51%。由圖2可見(jiàn)生物炭降低了土樣容重，增加了總孔隙度。隨炭化時(shí)間增加，密度較對(duì)照組分別降低了8.06%、10.95%、10.46%、8.41%和10.39%；總孔隙度分別增加了3.79%、7.73%、6.20%、2.87%、6.53%，可見(jiàn)炭化時(shí)間為2 h的生物炭對(duì)土樣密度和總孔隙度影響最大。生物炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和施入土樣后的稀釋作用均會(huì)促使密度和總孔隙度的改變。由于所用生物炭炭化溫度較低，因此在2 h前的炭化中主要是棉花秸稈部位的大孔結(jié)構(gòu)以及棉花秸稈表皮生成的孔洞，隨炭化時(shí)間的增加，側(cè)壁上出現(xiàn)了更小的孔徑，增加了孔隙度，但是生物炭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌，導(dǎo)致部分孔洞結(jié)構(gòu)被破壞，施入土樣后，更小的土樣顆粒占據(jù)原來(lái)的孔隙，反而降低了孔隙度，在炭化過(guò)程中造孔與孔結(jié)構(gòu)坍塌相互競(jìng)爭(zhēng)，因此出現(xiàn)了容重和總孔隙度隨炭化時(shí)間的增加波動(dòng)的情況，這與SEM結(jié)果一致。

圖2 炭化時(shí)間土樣對(duì)容重和總孔隙度的影響

2.3 (非)毛管孔隙度

總孔隙度包含毛管孔隙度和非毛管孔隙度。非毛管孔隙由于常被空氣占據(jù)，透氣透水性差，土壤中的水分常借助于毛管力得以儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)，毛管中的水分最易被作物吸收和利用，是對(duì)作物最有效的水分。一般情況下毛管孔隙占35%，非毛管孔隙占15%時(shí)最有利于作物的生長(zhǎng)。為了研究非毛管孔隙度與毛管孔隙度為最佳比值時(shí)的炭化時(shí)間測(cè)定了(非)毛管孔隙度隨炭化時(shí)間的變化關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3所示。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)照組毛管孔隙度為26.82%，非毛管孔隙度為20.69%。由圖3可見(jiàn)生物炭的施入增大了土樣毛管孔隙度，降低了非毛管孔隙度。隨炭化時(shí)間的增加毛管孔隙度較對(duì)照組分別分別提高了31.95%、16.92%、14.86%、27.88%、13.48%，可見(jiàn)炭化1.5 h時(shí)生物炭對(duì)毛管孔隙度影響最大，炭化3.5 h時(shí)的影響最小。由圖3還可看出(非)毛管孔隙度隨炭化時(shí)間的增加出現(xiàn)波動(dòng)性變化，二者均未與總孔隙度表現(xiàn)出相同或相反的趨勢(shì)，非毛管孔隙度與毛管孔隙度之比分別為0.393、0.630、0.637、0.426和0.663，可見(jiàn)在炭化3 h時(shí)二者之比接近于最佳比值，并且此時(shí)非毛管孔隙度為14.6%，毛管孔隙度為34.3%。

圖3 炭化時(shí)間對(duì)(非)毛管孔隙度的影響

2.4 吸水性能

由于新疆地區(qū)水資源短缺，節(jié)約水資源顯得十分重要。為了制備出對(duì)土壤吸水性能影響最大的生物炭測(cè)定了施入生物炭后的土樣吸水性，結(jié)果如圖4所示。在相同實(shí)驗(yàn)條件下， 対照組吸水率為36.4%。由圖4可見(jiàn)施入生物炭后，土樣的吸水率增大。炭化時(shí)間對(duì)生物炭吸水率的影響強(qiáng)度由大到小依次是3.5 h>2.5 h>2 h>3 h>1.5 h。由圖4可見(jiàn)，吸水率隨炭化時(shí)間的變化關(guān)系曲線與毛管孔隙度隨炭化時(shí)間變化關(guān)系曲線不一致，說(shuō)明土樣吸收的水分除了毛管水以外還有非毛管水。炭化3 h時(shí)毛管孔隙度大于3.5 h，而吸水率卻小于后者，說(shuō)明炭化3.5 h時(shí)非毛管吸水較多。由圖4還可看出，1.5 h時(shí)的吸水率最低，而毛管孔隙度最大，說(shuō)明此時(shí)土樣的非毛管孔隙可能大部分被空氣占據(jù)，只有少部分非毛管孔隙吸收了水分。

圖4 炭化時(shí)間對(duì)土樣吸水率的影響

2.5 施入生物炭后土樣保水性

為了研究炭化時(shí)間對(duì)土樣保水性能影響，測(cè)定了保水率隨炭化時(shí)間的變化關(guān)系曲線，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，隨蒸發(fā)時(shí)間的增加各處理的保水率均呈下降趨勢(shì)，并且從第11 d開(kāi)始對(duì)照組的保水率一直處于最低，這可能是由于在蒸發(fā)的前期，土樣水分的丟失主要是土樣表面和大孔隙水分的蒸發(fā)造成的，而在后期主要是小孔隙的水分蒸發(fā)，由于加入生物炭后，生物炭中的較小孔隙鎖住了水分，致使后期添加生物炭的土樣保水率較對(duì)照組高。

圖5 炭化時(shí)間對(duì)保水率的影響

為了研究土樣水分蒸發(fā)快慢程度，對(duì)圖5中的曲線進(jìn)行擬合，擬合方程如表1所示。隨炭化時(shí)間的增加土樣水分蒸發(fā)速率分別為對(duì)照組的0.973、0.968、0.950、0.962、0.943倍，說(shuō)明炭化時(shí)間為3.5 h時(shí)保水效果最好。由于3.5 h時(shí)非毛管水較多，而保水性最好，說(shuō)明此時(shí)的非毛管水主要是存在于生物炭的微小孔隙中，炭化時(shí)間越長(zhǎng)，孔壁上生成的微孔越多，水分進(jìn)入微孔后很難釋放出來(lái)被作物利用。

表1 生物炭施入后沙化土壤保水性能

結(jié)合土樣的吸水率和保水率，計(jì)算了自然條件下室內(nèi)蒸發(fā)14 d后土樣的含水量，結(jié)果表明隨炭化時(shí)間的增加土樣含水量分別較對(duì)照組增加了14.41%、23.81%、28.92%、17.09%、35.87%，可見(jiàn)土樣14 d后的含水量變化趨勢(shì)與吸水率相同。

3 結(jié) 語(yǔ)

生物炭施入沙化土壤中降低了容重和水分蒸發(fā)速度，增加了總孔隙度、毛管孔隙度、吸水性和保水性，并且各被測(cè)量均隨炭化時(shí)間的增加出現(xiàn)波動(dòng)性。生物炭雖然增加了土樣的最終含水量，但由于部分水分是非毛管水，會(huì)出現(xiàn)下滲，或者被鎖在生物炭微小的孔隙中而無(wú)法釋放出來(lái)被作物利用，因此生物炭的添加并不一定能提高水分的利用率。施入土壤中的生物炭炭化時(shí)間應(yīng)結(jié)合作物的最佳生長(zhǎng)條件進(jìn)行選擇。