2020 年 11 月 灌溉排水學(xué)報 第 39 卷 第 11 期 Nov 2020 Journal of Irrigation and Drainage No 11 V ol 39 112 文章編號 1672 3317 2020 11 0112 08 生物質(zhì)炭施用對土壤水分影響的研究進(jìn)展 孫樹臣 1 趙 鑫 1 翟 勝 1 田曉飛 1 李建豹 2 朱 超 3 鄭云珠 1 1 聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院 山東 聊城 252059 2 南京財經(jīng)大學(xué) 公共管理學(xué)院 南京 210023 3 聊城大學(xué) 人力資源處 山東 聊城 252059 摘 要 土壤 水分是 植物生 存及生 長發(fā)育 的物質(zhì) 基礎(chǔ) 不僅決 定植被 的分布 格局 而且對 作物的 產(chǎn)量及 品質(zhì)等 均 具 有重要 影響 生物質(zhì) 炭因其 特殊的 孔隙結(jié) 構(gòu)和肥 力等特 征 在 改善土 壤水分 提高 土壤肥 力 促 進(jìn)作物 生長 及 增 加 產(chǎn)量等 方面具 有重要 意義 然而 因生物 質(zhì)炭種 類 顆 粒大小 裂解 溫度 施用量 及施入 土壤類 型等的 不同 導(dǎo) 致 炭添加 后對土 壤水分 等方面 的影響 存在較 大差異 限制 了生物 質(zhì)炭在 農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)及土 壤改良 等方面 的廣泛 應(yīng)用 為 深 入理解 生物質(zhì) 炭對土 壤水分 的影響 從土 壤水動 力學(xué)參 數(shù) 土 壤含水 率 蒸 散發(fā)及 水分利 用效率 等方面 對生 物 質(zhì) 炭 添加的 響應(yīng)進(jìn) 行總結(jié) 并就 生物質(zhì) 炭與土 壤水分 之間的 相互關(guān) 系研究 進(jìn)行了 展望 以期為 生物質(zhì) 炭更好 的服 務(wù) 于 土 壤改良及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考 關(guān) 鍵 詞 生物質(zhì)炭 土壤水力學(xué)參數(shù) 土壤水分 水分利用效率 蒸散發(fā) 中圖分類號 S152 7 S216 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2020091 孫樹臣 趙鑫 翟勝 等 生物 質(zhì)炭施用對土壤水分影響的研究進(jìn)展 J 灌 溉排水學(xué)報 2020 39 11 112 119 SUN Shuchen ZHAO Xin ZHAI Sheng et al The Effect of Biochar Amendment on Soil Moisture A Review J Journal of Irrigation and Drainage 2020 39 11 112 119 0 引 言 1 生物質(zhì)炭是在缺氧或厭氧條件下將有機(jī)物料 秸 稈 樹干或枝條 糞便 生產(chǎn)和生活垃圾等 經(jīng)高溫 裂解產(chǎn)生的一類富含碳素 穩(wěn)定性高 具有不同芳香 化的固態(tài)顆粒物質(zhì) 1 3 因其具有豐富的孔隙度 巨 大的比表面積 豐富的表面官能團(tuán)及礦質(zhì)營養(yǎng)元素等 特點被廣泛應(yīng)用于土壤改良 可有效改善土壤理化性 質(zhì) 凈化和吸收土壤污染物 減少溫室氣體排放 并 能有效促進(jìn)植物營養(yǎng)吸收等 4 9 生物質(zhì)炭的研究源 于對巴西亞馬遜河流域黑土的認(rèn)識 之后利用各種有 機(jī)物料制備生物質(zhì)炭并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)備受關(guān)注 特別是 秸稈質(zhì)生物炭作為土壤改良劑 肥料緩釋載體及碳封 存劑引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注 10 12 全球廢棄生 物質(zhì) 包括初級農(nóng)林生產(chǎn)剩余物 農(nóng)林次級剩余物和 生物利用及轉(zhuǎn)化廢棄物等 資源可達(dá) 1 400 億t 10 如 果制備為生物質(zhì)炭不僅可促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化 利用 還 可改善土壤肥力 提高水資源利用率和促進(jìn) 農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)及高產(chǎn)的作用 9 同時 生物質(zhì)炭平均維 收稿日期 2020 02 23 基金項目 國家自 然科學(xué)青年基金項目 41701243 41807092 聊城大學(xué) 博士科研啟動基金項目 318051748 聊城大學(xué)大學(xué)生科技文化創(chuàng)新項目 cxcy2019y061 作者簡介 孫樹臣 1984 男 山東 汶上人 講師 主要從事土壤水分 與植物相互作用關(guān)系研究 E mail sunshuchen123 持時間為 2 000 a 半衰期 為 1 400 a 12 有利于碳封 存和緩解溫室效應(yīng) 土壤水分是影響植物生長發(fā)育 分布格局及演替 的重要限制因子 當(dāng)前 全球氣候變暖及水資源短缺 已經(jīng)對全球性的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了重要影響 生物質(zhì)炭 因其巨大的比表面積和豐富的孔隙度等特點在施入 土壤后可有效改善土壤水分狀況 提高土壤保水能力 增加土壤有效水量 5 8 13 有利于節(jié)水灌溉及提高水資 源利用效率 進(jìn)而實現(xiàn)水資源及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展 然 而 因生物質(zhì)炭裂解溫度 種類 顆粒大小 添加量 及所施入土壤的類型 質(zhì)地等的不同 不同學(xué)者關(guān)于 生物質(zhì)炭對土壤水分的影響研究存在一定差異 基于 此 為深入理解生物質(zhì)炭對土壤水分的影響 本文系 統(tǒng)回顧了生物質(zhì)炭對土壤水力學(xué)參數(shù) 土壤含水率 蒸散發(fā)及水分利用效率等方面的影響 并就生物質(zhì)炭 與土壤水分之間的相互作用關(guān)系研究進(jìn)行了展望 以 期為促進(jìn)生物質(zhì)炭與土壤水分的研究提供參考 1 生物質(zhì)炭對土壤水力學(xué)參數(shù)的影響 土壤水力學(xué)參數(shù)綜合反映了土壤的孔隙狀況 導(dǎo)水 性 入滲 持水性及供水能力等 受土壤質(zhì)地 結(jié)構(gòu) 有機(jī)質(zhì)量等諸多因素的共同影響 14 生物質(zhì)炭因其獨特 的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積等 施入土壤后可有效改 孫樹臣 等 生物質(zhì)炭施用對土壤水分的影響研究進(jìn)展 113 善土壤結(jié)構(gòu) 降低土壤體積質(zhì)量 增加土壤孔隙度 15 17 同時 生物質(zhì)炭可起到穩(wěn)定和提高土壤有機(jī)質(zhì)量 的作 用 1 而有機(jī)質(zhì)又是 土壤團(tuán)聚體 形成的關(guān)鍵 進(jìn)一步 對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響 從而影響土壤水分運(yùn)移及再分 配過程等 18 進(jìn)而引起土壤水力學(xué)參數(shù)的變化 1 1 生物質(zhì)炭對土壤水分常數(shù)的影響 土壤水分常數(shù)是表征土壤水形態(tài)和性質(zhì)轉(zhuǎn)折點 的特征值 綜合反映了土壤的持水能力 土壤水的物 理特性及對植物的有效性 受土壤孔隙狀況 質(zhì)地 結(jié)構(gòu)及有機(jī)質(zhì)量等眾多因素的共同影響 大量研究表 明 農(nóng)田土壤施入生物質(zhì)炭后可顯著增加土壤田間持 水率 飽和含水率及土壤有效含水率等水分常數(shù) 且 隨生物質(zhì)炭添加量的增加而升高 并 能 有效降低土壤 凋萎系數(shù) 19 21 Tryon 等 22 研究指出 添加生物質(zhì)炭 使沙土的田間持水率增加且提高 18 的有效水量 并 使 土壤萎焉系數(shù)降低 Karhu 等 5 在芬蘭南部的研究 也發(fā)現(xiàn) 粉土田間持水率隨生物質(zhì)炭添加量的增加而 增大 黃土高原 3 種典 型土壤塿土 黃綿土 風(fēng) 沙土 的田間持水 率 隨生物質(zhì)炭 蘋果樹枝和鋸末生物炭 添加量 2 5 10 的增加而增大 且蘋果樹 枝生物炭效果優(yōu)于鋸末生物炭 2 種 生物炭均表現(xiàn)為 對風(fēng)沙土的效果最佳 23 在黑土 14 潮 土 15 及黃壤 24 的研究也得出類似的結(jié)果 生物質(zhì)炭對土壤水分常數(shù) 的增加效應(yīng)一方面是由生物質(zhì)炭本身的性質(zhì)決定的 生物質(zhì)炭在炭化過程中形成的多孔結(jié)構(gòu)及巨大的比 表面積為土壤水分提供了良好的存儲空間 6 25 26 其 本身具有較強(qiáng)的吸濕能力 比土壤有機(jī)質(zhì)高 1 2 個 數(shù)量級 2 27 其次 生物質(zhì)炭含有豐富的有機(jī)質(zhì)及多 種官能團(tuán) 16 而土壤水分常數(shù)隨土壤有機(jī)質(zhì)量的增加 而增加 另一方面是由于生物質(zhì)炭施入土壤后土壤體 積質(zhì)量降低 孔隙度增加 其較高的含鹽量導(dǎo)致土壤 對水分的吸持能力增強(qiáng) 15 同時 生物質(zhì)炭還可以提 高土壤微生物群落和土壤整體的吸附能力 28 從而有 利于提高土壤田間持水率 飽和含水率和有效水量并 有效降低土壤萎焉系數(shù) 5 6 25 29 也有學(xué)者研究表明 生物質(zhì)炭對土壤水分常數(shù) 的影響無明顯規(guī)律 30 或隨生物炭添加量的增加其影 響效果減弱 2 31 甚至出現(xiàn)負(fù)效應(yīng) 32 Dugan 等 31 研 究發(fā)現(xiàn) 土壤添加 5 10 t hm 2 的玉米 秸稈生物炭時 田間持水率均有顯著增加 而在 15 t hm 2 條件下 增加 幅度卻又明顯下降 旱作黃綿土在生物質(zhì)炭施用量為 40 t hm 2 時土 壤水分 常數(shù) 達(dá)到峰 值 之后增 加幅 度下 降 各水分常數(shù)趨于穩(wěn)定 但對土壤凋萎系數(shù)的影響 不顯著 33 魏彬萌等 26 通過研究生物質(zhì)炭添加對砒砂 巖與沙復(fù)配土?xí)r指出 土壤田間持水率在生物質(zhì)炭施 用量達(dá)到 50 g kg時出現(xiàn) 下降 砂質(zhì)土壤有效含水量 隨生物炭 施 用量 0 0 6 1 8 3 6 5 4 的增加呈降低趨勢 凋萎系數(shù)則呈增加趨勢 32 因 此 生物質(zhì)炭對土壤水分常數(shù)的改善可能只適用于粗糙 質(zhì)地的土壤 或者具有大量孔隙的土壤 而對于黏質(zhì) 土壤則表現(xiàn)出抑制作用 13 22 造成以上差異的原因可 能是由于生物質(zhì)炭本身的吸水能力是有限的 且生物 質(zhì)炭大多含有疏水基團(tuán) 34 當(dāng)生物質(zhì)炭添加量增加時 這種水分排斥作用就會更容易表現(xiàn)出來 17 31 并且生 物質(zhì)炭中大量的有機(jī)質(zhì) 量 也是導(dǎo)致其斥水性的主要 原因 35 36 此外 當(dāng)生物質(zhì)炭施用量較大時 其細(xì)顆 粒會堵塞土壤毛管孔隙 從而導(dǎo)致土壤田間持水率 飽和含水率 等水分常數(shù)隨生物質(zhì)炭添加量的增加而 降低 37 生物質(zhì)炭本身巨大的多孔結(jié)構(gòu)和比表面積及 高鹽分特性 會導(dǎo)致其對土壤水分的吸持能力增強(qiáng) 作物無法吸收利用 也是使土壤有效水量降低及凋萎 系數(shù)升高的重要原因 11 32 1 2 生物質(zhì)炭對土壤導(dǎo)水性能的影響 生物質(zhì)炭施入土壤后極大的改變了土壤的原有 結(jié)構(gòu) 甚至?xí)纬商厥獾碾p層或多層土壤結(jié)構(gòu) 38 從 而使得土壤水分在土壤中的遷移及停留時間發(fā)生改 變 進(jìn) 而 影 響土壤水分的入滲 擴(kuò)散及導(dǎo)水率等 18 1 2 1 生物質(zhì)炭對土壤水分入滲及擴(kuò)散的影響 土壤水分入滲及擴(kuò)散綜合表征了土壤孔隙度狀 況及導(dǎo)水性能 分別用土壤水分入滲率及擴(kuò)散率表示 對土壤水分運(yùn)動具有重要影響 研究表明 生物質(zhì)炭 可有效提高黏性土壤水分入滲能力 促進(jìn)水分下滲及 擴(kuò)散 39 42 黑土土壤水分入滲隨生物質(zhì)炭添加量的增 加而逐漸升高 當(dāng)土壤含水率 42 時 生物炭抑制 土壤水分的擴(kuò)散 而當(dāng)土壤含水率 42 時則促 進(jìn)了 土壤水分的擴(kuò)散 14 43 塿 土 44 和壤土 45 的累積入滲量 及入滲速率隨生物質(zhì)炭添加量的增加不斷增加 且不 同粒徑生物質(zhì)炭對塿土入滲的影響存在較大差異 在 低添加量條件下對塿土入滲影響不明顯 44 而高海英 等 2 研究則指出 隨生物質(zhì)炭施入量的增加塿土水分 入滲率逐漸降低 因此 生物質(zhì)炭的不同施用方式及 施用量均會對塿土的入滲過程及累積入滲量產(chǎn)生較 大影響 46 在輕質(zhì)土壤中添加生物質(zhì)炭后土壤水分入滲 受到抑制 且生物質(zhì)炭添加量越高 抑制作用越明 顯 2 39 47 黃綿土隨生物 質(zhì)炭添加量 的增加入滲 能力 明顯降低 小粒徑抑制作用顯著大于大粒徑 且對黃 綿土入滲的抑制效果弱于黑壚土 8 48 肖茜等 49 在黃 土區(qū)的研究也表明 隨生物質(zhì)炭添加量的增加風(fēng)沙土 及黑壚土的濕潤鋒移動速度及累積入滲量均呈降低 趨勢 在砂土 45 淡灰鈣土 50 及砂壤土 51 中亦得出 相似的結(jié)論 并且隨著入滲時間的延長及生物質(zhì)炭添 灌溉排水學(xué)報 114 加 量 10 20 40 60 g kg 的增加 沙壤土的擴(kuò)散率 呈降低趨勢 與對照相比分別減少 45 00 79 11 80 56 和 83 33 51 生物質(zhì)炭與土壤共同作用的結(jié)果是產(chǎn)生以上差 異的主要原因 黏質(zhì)土壤添加生物質(zhì)炭后可增加土壤 的通透性 使土壤孔隙增多 從而促進(jìn)黏質(zhì)土壤水分 入滲及擴(kuò)散 13 17 39 而質(zhì)地較輕土壤一方面因其本身 含有較多的孔隙 施加生物質(zhì)炭后導(dǎo)致土壤通透性降 低 甚至堵塞土壤孔隙 2 37 另一方面生物質(zhì)炭表面 含有豐富的高密度負(fù)電荷 有助于形成有機(jī) 無機(jī)復(fù) 合物和團(tuán)聚體 增加土壤黏粒量 降低輕質(zhì)土壤孔隙 度 23 從而導(dǎo)致輕質(zhì)土壤入滲及擴(kuò)散的減小 1 2 2 生物質(zhì)炭對土壤導(dǎo)水率的影響 生物質(zhì)炭對土壤導(dǎo)水率的影響因生物質(zhì)炭種類 添加量 土壤質(zhì)地等而異 黏質(zhì)土壤中施用生物質(zhì) 炭后可有效提高土壤孔隙度 增加通氣孔隙 從而 促進(jìn)土壤導(dǎo)水率的升高 Asai 等 42 研究表明 生物 質(zhì)炭對 0 5 cm水稻田土壤飽和導(dǎo)水率具有明顯提高 作用 在 16 t hm 2 添加量 下增加效果最明顯 但對土 壤飽和導(dǎo)水率的影響效果在不同土質(zhì)條件下差異較 大 生物質(zhì)炭添加可提高黑土土壤飽和導(dǎo)水率的 14 3 52 4 43 黑土的 非飽和導(dǎo)水率亦表現(xiàn)出增加 趨勢 14 52 但在土壤含水率 30 條件下 隨土壤含 水 率 的增加非飽和導(dǎo)水率增加緩慢 而在土壤含水 率 30 時 非飽和導(dǎo)水率增加迅速 14 Lim 等 21 通 過開展 4 種 生物質(zhì)炭 硬木粒 硬木片 燕麥殼 木 屑 對 4 種質(zhì) 地土壤 粗砂土 細(xì)砂土 壤土和黏土 飽和導(dǎo)水率的研究發(fā)現(xiàn) 生物質(zhì)炭添加可提高壤土和 黏質(zhì)土的導(dǎo)水率 卻抑制了沙質(zhì)土的導(dǎo)水率 且隨 生物質(zhì)炭添加量的增加抑制效果越明顯 30 47 主要 是由于砂質(zhì)土壤本身含有較高的孔隙度 添加生物 質(zhì) 炭后反而 堵塞了原有的土壤孔隙 導(dǎo)致土壤導(dǎo)水性 能下降 2 23 37 此外 還有研究指出 生物質(zhì)炭對土 壤飽和導(dǎo)水率的影響只有在一定施用量 土壤干質(zhì)量 的 1 6 6 條件下才會起作用 而在低添加量 0 1 0 8 條件下效果不明顯 15 53 1 3 生物質(zhì)炭對土壤水分特征曲線的影響 土壤水分特征曲線是反映土壤水能態(tài)和土壤含 水率關(guān)系的基本水力參數(shù) 也是推求其它土壤水力學(xué) 參數(shù)的基礎(chǔ) 24 凡是對土壤孔隙狀況及水分特性產(chǎn)生 影響的因素均會對土壤水分特征曲線產(chǎn)生影響 生物 質(zhì)炭因其特殊的孔性結(jié)構(gòu)施入土壤后對土壤孔性 結(jié) 構(gòu)等均會產(chǎn)生重要影響 進(jìn)而對土壤水分特征曲線產(chǎn) 生影響 但其對土壤水分特征曲線的影響在不同水吸 力下表現(xiàn)出較大差異 研究表明 較高的生物質(zhì)炭 2 可提 高基質(zhì)勢在 100 kPa 和 500 kPa 條件下 的 土壤含水率 但對 33 kPa 和 1 500 kPa 基質(zhì)勢條件下 含水率 則無明顯作用且 對土壤滲透系數(shù)改變不明顯 在低吸力下對土壤給水度幾乎沒有影響 6 54 而 Brockhoff 等 55 56 研究則指出 生物質(zhì)炭使較高土壤水 勢下的含水 率 高于空白 即使作物長期受水分脅迫 生物質(zhì)炭也能增加土壤的持水能力 高海英等 2 和吳 維等 24 的研究也表明 在低吸力下土壤含水率與生物 質(zhì)炭添加量正相關(guān) 在高吸力段土壤含水率與生物炭 添加量負(fù)相關(guān) 這一結(jié)果與王竹等 57 在黃棕壤中的研 究結(jié)果相反 生物質(zhì)炭對黑土土壤水分特征曲線各參 數(shù)均會產(chǎn)生不同程度的影響 在各吸力段內(nèi)黑土持水 能力均隨生物質(zhì)炭的添加呈上升趨勢 其影響程度還 受地形坡度的制約 14 51 而王睿垠等 52 的研究則指出 生物質(zhì)炭對黑土持水能力的增加主要是 2 200 cm 吸 力范圍 2 生物質(zhì)炭對土壤含水率的影響 土壤水分是影響土壤肥力的重要組成部分 同時 也是土壤內(nèi)部生物 化學(xué)及物理過程不可缺少的重要 介質(zhì) 生物質(zhì)炭添加可顯著影響土壤含水率 但其影 響程度會受到生物質(zhì)炭施加量 類型 制備工藝及土 壤自身結(jié)構(gòu)等的共同影響 生物質(zhì)炭本身的多孔特性 使其具有一定的吸水能力 2 13 27 31 添加到土壤后可 降低土壤體積質(zhì)量 增加對土壤水分的固持能力 21 58 和土壤孔隙度 且添加量越多對土壤孔隙及土壤含水 率 的增加越明顯 28 59 61 Oguntunde 等 29 研究表明 向土壤中添加生物質(zhì)炭可提高 5 左 右的土壤孔隙度 孔隙度的增大提高了土壤的通氣透水性和比表面積 且生物質(zhì)炭對黏質(zhì)土壤體積質(zhì)量的微小變化會在很 大程度上制約土壤液相與氣相孔隙的平衡 62 從而導(dǎo) 致土壤含水率上升 同時 生物質(zhì)炭添加還可促進(jìn)土 壤團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性 進(jìn)而提高土壤含水率 15 而對砂性土壤的影響則不顯著 63 然而也有研究指出 生物質(zhì)炭對土壤含水率的促進(jìn)作用是有限度的 一定 范圍內(nèi)土壤含水率 隨生物質(zhì)炭添加量的增加而升高 超過一定量后土壤含水率又會下降 2 其原因可能是 由于在高添加量條件下 生物質(zhì)炭的斥水性表現(xiàn)明顯 從而導(dǎo)致土壤含水率在高添加量下降低 19 生物質(zhì)炭對土壤含水率 的影響還受到生物質(zhì)炭 原料 制備工藝及土壤類型等的影響 吳愉萍等 64 通 過對比分析 7 種生物質(zhì)炭 材料 黃秋葵秸稈炭 茭白 秸稈炭 水稻秸稈炭 廢棄食用菌基質(zhì)炭 無花果秸 稈炭 豬糞炭和稻殼炭 及 4 種添加 量 0 5 1 2 和 5 對 土壤水分的影響發(fā)現(xiàn) 生物質(zhì)炭均能顯 著提高土壤含水率 2 下效果最佳 其中又以水稻 秸稈效果最 明顯 Herath 等 59 單瑞 峰等 65 和Shaf e 孫樹臣 等 生物質(zhì)炭施用對土壤水分的影響研究進(jìn)展 115 等 66 研究表明 同種生物質(zhì)炭材料下土壤含水率隨裂 解溫度的升高而增加 其原因是由于隨裂解溫度的升 高其平均孔徑及表面積均增大 65 不同土壤類型條件 下的研究表明 生物質(zhì)炭對黑壚土土壤含水率的提高 作用優(yōu)于黃綿土 48 黃棕壤含水率隨煙桿生物質(zhì)炭施 用量 0 1 4 7 11 的 增加逐漸升高 赤紅壤 水稻土及紫色土則呈先升高后降低的趨勢變 化 而黃紅壤則表現(xiàn)出降低的趨勢 67 此外 田間管 理方式及 生物質(zhì)炭粒徑大小的不同也會使生物質(zhì)炭 對土壤含水率的影響產(chǎn)生較大差異 68 69 3 生物質(zhì)炭對土壤水分蒸發(fā)的影響 蒸發(fā)是土壤水分損失的重要途徑之一 有效抑 制土壤無效水分蒸發(fā)對提高土壤水分利用效率具有 重要意義 農(nóng)田土壤施入生物質(zhì)炭后 受耕作措施 土壤環(huán)境及生物質(zhì)炭本身特性等的共同影響 對土 壤水分的蒸發(fā)表現(xiàn)出雙重效應(yīng) 一些學(xué)者研究認(rèn)為 農(nóng)田土壤施入生物質(zhì)炭后 有利于抑制土壤水分蒸 發(fā) 1 3 5 15 其原因可能是由于生物質(zhì)炭可促進(jìn)土 壤鹽 分的增加 并有利于土壤團(tuán)聚體的形成 增強(qiáng)對土壤 水分的吸持能力 降低土壤水分蒸發(fā) 另一方面是由 于當(dāng)生物炭添加量較小時 對土壤孔隙及顏色的影響 較小 抑制了土壤水分的蒸發(fā) 15 如邢英等 70 通過 室內(nèi)土柱模擬試驗探討 4 種 杉樹木屑生物質(zhì)炭添加 量 1 2 4 10 對黃壤蒸發(fā)的影響指出 4 種 生物質(zhì)炭 處理分別使黃壤蒸發(fā)減少 0 01 0 02 0 03 14 10 處理條件下對土壤蒸發(fā)的抑制效 果最佳 潮土蒸發(fā)量隨生物質(zhì)炭添加量 0 0 5 1 3 6 的增加逐漸降低 在 6 添加量條 件 下對土壤水分蒸發(fā)的抑制效果最佳 15 而在沙化土壤 的研究則表明 隨生物質(zhì)炭濃度 0 2 4 6 8 的增加 除 2 處理 促進(jìn)土壤蒸發(fā)外 其余各處 理均降低土壤蒸發(fā) 且隨生物質(zhì)炭添加量的增加對土 壤蒸發(fā)的抑制效果增強(qiáng) 71 然而也有學(xué)者認(rèn)為 生物質(zhì)炭因其顏色深 施入 農(nóng)田土壤后 土壤吸熱能力增強(qiáng) 特別是高添加量有 利于土壤溫度的快速升高 從而促進(jìn)土壤水分蒸發(fā) 7 且不同質(zhì)地土壤蒸發(fā)對生物質(zhì)炭添加后的響應(yīng)也存 在較大差異 黏質(zhì)土壤中添加 5 的 生物質(zhì)炭可有效 抑制土壤蒸發(fā) 而高添加量則促進(jìn)土壤蒸發(fā) 69 黑 壚 土 黃綿土和風(fēng)沙土中分別添加不同比例 0 0 5 1 2 3 5 的 玉米秸稈生物質(zhì)炭 30 d 后 促進(jìn)了不同時期黃綿土和黑壚土的累積蒸發(fā)量 但與 對照相比差異不顯著 但卻顯著抑制風(fēng)沙土前 20 d 的土壤蒸發(fā) 而 20 d后 則表現(xiàn)出促進(jìn)作用 49 此外 不同生物質(zhì)炭施用方式及施用量亦 會對塿土蒸發(fā)產(chǎn) 生影響 既有促進(jìn)也有抑制 但與對照相比均未達(dá)到 顯著水平 46 4 生物質(zhì)炭對水分利用效率的影響 農(nóng)田土壤施入生物質(zhì)炭后可顯著提高土壤的水 分利用效率 但這種提高是有限度的 當(dāng)生物質(zhì)炭超 過一定量后又表現(xiàn)出下降趨勢 1 13 47 沙 地土 壤水分 利用效率隨生物質(zhì)炭添加量 10 15 20 t hm 2 的 增 加分別比對照提高 6 139 91 這種提高主要 是源于生物質(zhì)炭明顯減少了土壤水分的滲漏損失 47 重壤土隨小麥秸稈生物質(zhì)炭添加量 0 20 30 40 50 60 t hm 2 的增 加 冬小麥 耗水 量逐漸 減小 水 分利用 效率 呈先增 加后 降低的 趨勢 變化 40 t hm 2 處 理下冬小麥農(nóng)田土壤水分利用效率最佳 73 沖積型鹽 化潮土條件下玉米農(nóng)田土壤耗水量隨生物質(zhì)炭添加 量 1 8 3 6 7 2 t hm 2 的增加顯著降低 水分利用 效率呈先增加后降低的趨勢 低添加量條件下水分利 用效率最佳 且生物質(zhì)炭施用年限亦對水分利用效率 有明顯影響 72 此 外 生物質(zhì)炭添加對水分利用效率 的影響還受到田間管理措施的影響 如馬鈴薯水分利 用效率隨生物質(zhì)炭添加量的增加不斷升高 但起壟覆 膜下增幅普遍高于露地平種 68 5 討論與展望 國內(nèi)外學(xué)者圍繞生物質(zhì)炭對土壤水力學(xué)參數(shù) 土 壤含水率 蒸散發(fā)及水分利用效率等方面開展了大量 卓有成效的研究 然而 因原料及制備工藝的不同導(dǎo) 致生物質(zhì)炭特性存在較大差異 由此導(dǎo)致不同生物質(zhì) 炭及添加量在施入不同的土壤類型 質(zhì)地結(jié)構(gòu)及植被 類型后對上述土壤水分狀況的影響也就存在較大差 異 加之田間管理方式的不同進(jìn)一步加劇了生物質(zhì)炭 對上述土壤水分狀況影響的復(fù)雜性 特別是生物質(zhì)炭 添加后 在田間管理措施的影響下容易形成特殊的雙 層甚至多層土壤結(jié)構(gòu) 而層狀土壤水分的運(yùn)動明顯不 同于均質(zhì)土壤 38 從而使得生物質(zhì)炭還田后的土壤水 分運(yùn)動更加復(fù)雜 46 基于此 為深入理解生物質(zhì)炭對土壤水分的影響 及推進(jìn)生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣 本文在 綜述生物質(zhì)炭施用對土壤水分影響研究的基礎(chǔ)上 提 出生物質(zhì)炭與土壤水分相互作用關(guān)系的未來研究應(yīng) 加強(qiáng)以下幾個方面 不同土壤類型及植被條件下適 宜生物質(zhì)炭種類及添加量的研究 當(dāng)前 生物質(zhì)炭的 制備工藝 原料 裂解溫度等 復(fù)雜多樣導(dǎo)致生產(chǎn)出 的生物質(zhì)炭性質(zhì)差別較大 其在施入土壤后因添加量 土壤類型及田間管理措施等的共同影響下 對土壤水 分狀況的影響也就存在較大差異 因此 在不同土壤 灌溉排水學(xué)報 116 及植被類型條件下如何選擇最適的生物質(zhì)炭類型 施 用量及施用方式以達(dá)到改善土壤水分并提高作物產(chǎn) 量及品質(zhì)的最佳效果仍是當(dāng)前亟需解決的問題 生 物質(zhì)炭在高效節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究 當(dāng)前 全 球氣 候變暖及水資源短缺已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要限制因 素 如何提高水資源利用效率進(jìn)而發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè) 已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的重要問題 生物質(zhì)炭作 為新興的土壤改良劑 在提高土壤肥力 節(jié)約水資源 及促進(jìn)作物生長和提高產(chǎn)量等方面發(fā)揮著重要作用 然而 當(dāng)前關(guān)于生物質(zhì)炭與高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的相關(guān)研究 報道較少 未充分考慮節(jié)水灌溉條件下生物質(zhì)炭對土 壤水分狀況及作物生長和產(chǎn)量的影響 加強(qiáng)生物質(zhì)炭 在高效節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究有利于節(jié)約利用水資 源并實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 生物質(zhì)炭還田后的長 期生態(tài)水文效應(yīng)研究 生物質(zhì)炭還田后 在田間管理 措施影響下 必將會和土壤之間相互作用 從而對生 物質(zhì)炭本身及土壤狀況產(chǎn)生影響 而當(dāng)前對生物質(zhì)炭 添加后的生態(tài)水文效應(yīng)研究期限相對較短 不足以說 明生物質(zhì)炭對土壤水環(huán)境狀況的長期影響 特別是生 物質(zhì)炭添加后短期內(nèi)的有利或不利影響可能被放大 或縮小 因此 加強(qiáng)生物質(zhì)炭還田后的長期生態(tài)水文 效應(yīng)研究 特別是長期定位研究 對于深入認(rèn)識和理 解生物質(zhì)炭對土壤水分的影響具有重要的理論意義 并且可為生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣提供 理論依據(jù) 生物質(zhì)炭在干旱半干旱地區(qū)特別是生態(tài) 脆弱區(qū)的應(yīng)用研究 生物質(zhì)炭添加后可有效提高土壤 水分狀況及水分利用效率 而水資源短缺又是影響干 旱半干旱區(qū)及生態(tài)脆弱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境建設(shè) 的重要限制因素 為此 加強(qiáng)生物質(zhì)炭在干旱半干 旱區(qū)特別是生態(tài)脆弱區(qū)的應(yīng)用研究 對于改善區(qū)域 土壤水分狀況及提高水分利用效率進(jìn)而達(dá)到植被恢 復(fù)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要的理論和實踐意義 參考文獻(xiàn) 1 GLASER B BALASHOV E HAUMAIER L et al Black carbon in density fractions of anthropogenic soils of the Brazilian Amazon region J Organic Geochemistry 2000 31 7 669 678 2 高海英 何緒 生 耿增超 等 生物 炭及炭基肥對土壤 持水性能影響 的研究 J 中國農(nóng) 學(xué)通報 2011 27 24 207 213 GAO Haiying HE Xusheng GENG Zengchao et al Effects of biochar and biochar based nitrogen fertilizer on soil water holding capacity J Chinese Agricultural Science Bulletin 2011 27 24 207 213 3 陳溫福 張偉明 孟軍 農(nóng)用生物炭研究進(jìn)展與前景 J 中國農(nóng)業(yè) 科學(xué) 2013 46 16 3 324 3 333 CHEN Wenfu ZHANG Weiming MENG Jun Advances and prospects in research of biochar utilization in agriculture J Scientia Agricultura Sinica 2013 46 16 3 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