黄成真，王 娟，仲昭易，庄 晔

(扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

0 引 言

盐渍土在我国分布广泛，目前土地资源日益紧张，将盐渍土改良并加以利用变得日趋重要。相关研究发现，我国境内大量的盐渍土地具有改良应用的价值，是潜在的耕地资源，目前常用于改良盐渍土的手段包括配套灌排设施排水、种植耐盐作物以及添加土壤改良剂等[1-3]。

生物炭是一种将生物质在无氧或缺氧条件下经过高温裂解转化而成的产物[4]，是一种具有良好性质的土壤改良剂，常用玉米秸秆、水稻秸秆、花生壳、修剪树枝等农林废弃物作为制备原料。根据所用生物质制备原料的差异，生物炭可以分为木炭、竹炭、秸秆生物炭等类型[5]，其制备方法多样，目前常用的制备方法有慢速热解、快速热解和高温限氧气化法[6]，不同的原材料以及制备方法对于生物炭最终的性质具有很大的影响。目前关于生物炭在农业方面的研究主要集中在生物炭对土壤理化性质的改良。生物炭多为碱性，研究发现添加生物炭能改良酸性土壤pH[7]，但对碱性土壤是否有改良效果仍有争议，部分研究发现添加生物炭能够有效降低盐渍土pH[8，9]，也有部分研究发现添加生物炭对降低土壤pH的效果不显著[10，11]，有研究发现生物炭酸化改性后能够有效降低盐碱土pH[12]，为生物炭在盐碱土改良中的进一步应用提供了新思路。

改性生物炭不同于普通生物炭，通常会在制备阶段或使用前通过各种手段对生物炭进行处理，得到性质不同的新生物炭。酸改性生物炭是使用酸对生物炭进行改性处理后得到的产物，在对土壤改良的方面具有广阔的应用前景，常用于改良生物炭的酸有：硝酸、硫酸、盐酸、磷酸、氢氟酸等。酸洗可以洗去生物炭表面灰分、增加比表面积[13，14]，但不同的酸对生物炭的结构改良可能有不同的效果。如硝酸具有腐蚀性，处理不当可能会造成生物炭比面积的减小[15]，磷酸是一种常见的中强酸，用于酸化生物炭可以提高生物炭比表面积、增强吸附能力[16，17]，是理想的酸化试剂。

本试验针对的是酸改性生物炭对盐渍土理化性质的改良，主要研究了酸改性生物炭以及普通秸秆生物炭在不同添加量下对盐渍土的改良效果。根据室内土柱试验以及蒸发试验的结果来分析添加酸改性生物炭与普通小麦秸秆生物炭对滨海盐渍土入渗、蒸发以及土壤水分、盐分、pH的影响。研究结论对滨海盐渍土改良具有一定的指导意义。

1 原料与方法

1.1 试验原料

1.1.1 供试土壤

试验土壤取自江苏省东台市弶港镇条子泥垦区附近，初始容重1.4 g/cm3，饱和含水率(质量)38.7%，田间持水率24.6%，土壤含盐量4.72 g/kg，pH值8.51。使用马尔文激光粒度分析仪(MS-2000)测定土壤颗粒组成如表1所示，依据国际制土壤质地标准分类，土壤为粉砂质壤土。

1.1.2 试验用生物炭

试验所用的生物炭来自于河南誉中奥农业科技有限公司，制备原料为小麦秸秆，制备温度550～600 ℃，碳化时间4～6 h，

容重0.19 g/cm3,比表面积9 m2/g,总孔隙度67.03%，通气孔隙度12.87%，持水孔隙度61.10%，pH值10.24，阳离子交换量60.8 cmol/kg。将生物炭研磨，过2 mm筛备用。

试验中的改性生物炭是指用磷酸对生物炭进行预处理。将上述生物质炭与质量百分比浓度为25%的磷酸溶液以质量比1∶2混合均匀，浸泡30 min以上。浸泡后进行固液分离，将得到的生物炭用纯水清洗，直到洗出液为中性为止，最后进行干燥并研磨，过2 mm筛得到酸改性生物炭备用。

1.2 试验设计

1.2.1 试验方案

试验设置一个不添加生物炭的对照处理(CK)，将添加量(2%、4%、8%)和生物炭种类(普通生物炭A、酸改性生物炭B)作为变量，组合后共设置7个处理，分别标记为(CK、A1、A2、A3、B1、B2、B3)，重复3次。根据土壤来源地的田间实际容重，本次试验的土壤容重设计为1.4 g/cm3。

1.2.2 土柱与蒸发桶设计

试验分为入渗和蒸发两个部分，入渗试验在土柱中进行，蒸发试验在容积为5 L的塑料桶中进行。

试验所用土柱为PVC透明圆柱，内径10 cm、高40 cm，侧面贴有以mm为基础刻度的不干胶刻度尺，根据试验要求一共设置21个试验土柱。为了减少管壁对土壤入渗的影响，装土前需用凡士林涂抹内壁。土柱以田间实际容重为填土容重(1.4 g/cm3)，计算好生物炭与土壤用量，先装土5 cm，后按每层3 cm进行分层装土，每层夯土时需要打毛表面，填土总高度35 cm。

试验使用容积5 L的塑料桶进行蒸发试验，塑料桶底部钻有小洞以排水，进行蒸发试验时需用胶布将排水口封闭。根据土壤容重计算好生物炭与土壤用量，并按照3 cm一层进行填土，填土总高度12 cm。

1.3 测定方法

入渗部分的试验采用一维定水头垂直积水入渗法进行测定，使用马氏瓶将水头高度控制在4 cm，依据土柱内径与控制水头所需，在烧杯中准备235.6 g纯水，在入渗试验开始时，打开阀门使马氏瓶供水，并同时将烧杯中准备好的水倒入土柱以保证水头高度，按照先密后疏(0～3 min内间隔30 s，3～10 min间隔1 min，10～20 min间隔2 min，20～60 min间隔4 min，60 min以上间隔5 min)的原则记录湿润峰运移距离和累积入渗量，当湿润峰运移至土柱最下端5 cm的土层时停止读数，但每组试验均需供水直至土壤有水分淋洗出。入渗试验完成后立即将土柱封口减少蒸发的影响。

蒸发部分的试验采用室内称重法进行，试验开始前对装好土的蒸发桶进行称重，记为原始重量。试验开始后，每天20∶00对蒸发桶进行称重，记录每日损失的重量，即为每日蒸发的水分重量。30 d后结束称重，记录所得数据。

入渗试验结束1 d后，将土壤按照5 cm一层进行分层取土，将土样烘干、磨碎，过2 mm筛后制备1∶5土水比浸提液，雷磁DSSJ-308A型电导率仪测定电导率，雷磁PHS-3C pH仪测定土壤pH值。

土壤的水分采用烘干法进行测量，按照深度对土壤进行分组，每10 cm分为一组，测定土壤表层30 cm含水率。

1.4 数据处理

本次试验所得的数据用Excel 2016以及SPSS17进行处理，使用origin2018作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤累积入渗量的影响

通过室内土柱试验探究不同添加量下生物炭以及改性生物炭对盐渍土入渗的影响，累积入渗量随时间的变化如图1所示。CK、A1、A2、A3、B1、B2、B3在60 min时的累积入渗量分别为52.0、55.9、56.4、64.6、56.1、58.2、62.8 mm，各处理的累积入渗量均高于对照组,相对CK增加了7.6%～24.3%的累积入渗量，A3处理对累积入渗量的提高效果最显著，相对CK提高了24.26%，说明添加生物炭以及改性生物炭均提高累积入渗量，且生物炭添加量越大，累积入渗量提高幅度越大。A3处理对土壤累积入渗量增益的效果好于B3，但B2处理对累积入渗量的增益效果好于A2，说明改性生物炭与普通生物炭对土壤累积入渗量的影响可能与添加量有关，在较高的添加梯度下，普通生物炭对土壤累积入渗量的促进效果更明显。

图1 不同处理下土壤累积入渗量随时间的变化Fig.1 The dynamics of soil cumulative infiltration under different treatments

2.2 不同处理对湿润峰运移的影响

湿润峰运移可以反映出土壤水分入渗能力，湿润峰运移随时间的变化如图2所示。

图2 不同处理下湿润峰运移随时间的变化Fig.2 The dynamics of wetting front migration under different treatments

CK、A1、A2、A3、B1、B2、B3在60 min时湿润峰运移距离分别为23.3、24.4、24.7、26.9、26.3、26.7、27 cm。不同处理均能提高土壤的入渗能力，促进湿润峰的运移，且添加量越大促进入渗的作用越明显。各处理相比，B3处理效果最为明显，湿润峰运移距离相对CK提高了15.71%。在相同的生物炭添加数量下，改性生物炭的试验组对土壤湿润峰运移的促进效果均好于普通生物炭试验组，说明改性生物炭在促进湿润峰运移方面具有更好的效果

2.3 不同处理对土壤剖面含水率的影响

添加生物炭与改性生物炭能改变土壤的孔隙结构，影响土壤持水性能。在入渗试验结束后将土柱封口，静置1 d后按10 cm一层取样测定不同处理下各土层的含水率，结果如图3所示。

图3 生物炭不同添加量下土壤含水率随土壤深度的变化Fig.3 The soil water content at different depth with various biochar application

由图3可知，在入渗试验结束1 d后，土壤含水率整体上呈现从上到下减少的趋势，各处理土壤平均含水率大小为B3>B2>B1>A3>A1>A2>CK，比较0～30 cm土层土壤含水率发现，B1、B2、B3处理能够显著提高土壤的含水率(p<0.05)，A1、A2、A3处理虽然也表现出提高土壤含水率的趋势，但影响达不到显著水平(p>0.05)。

2.4 不同处理对土壤剖面pH的影响

盐渍土的pH一般较高，为了探究各处理对土壤pH的改良效果，在入渗试验结束后按5 cm一层取样测定不同处理下各土层的pH值，结果如表2所示。

总体来讲，各处理条件下土壤pH均低于对照，除B3处理外，其他各处理土壤pH表现为随土层深度的增加先升高后降低的趋势，以5～15 cm深度处pH最高，而30～35 cm处pH最低。比较土壤0～35 cm平均pH发现，除了A1处理，其他处理均显著降低了土壤平均pH。对土壤pH改良效果最好的是B3处理，且各土层pH均满足B1>B2>B3>7的关系，说明添加改性生物炭能够有效地改良盐渍土的pH，且添加量越多，对盐渍土pH的改良效果越好，而普通生物炭在较高添加量下(4%以上)也能对土壤pH起到调节作用。

表2 不同处理土壤剖面pH值Tab.2 The pH value of soil profile under different treatments

2.5 不同处理对土壤剖面盐分的影响

为了探讨添加普通生物炭以及改性生物炭对土壤盐分淋洗的影响，在入渗试验结束后按每5 cm一层取样测定不同处理下各土层的含盐量，各种处理方式下入渗后土体盐分的分布情况如图4所示。

图4 不同处理土壤剖面盐分分布Fig.4 The salt distribution in soil profiles under different treatments

入渗试验结束后土壤的盐分随水分下渗到了较深层土层，因此土壤盐分含量总体呈现由上到下逐渐增大的趋势。分析0～15 cm土层的土壤盐分含量，发现B3处理表层15 cm土壤的含盐量显著高于CK，其他处理则未产生显著性差异。分析15～30 cm土层的土壤盐分含量，发现A1处理显著降低了土壤的含盐量。比较0～30 cm土层土壤平均含盐量，发现各处理对土壤盐分影响不大。说明改性生物炭添加量过高(8%)可能不利于表层0～15 cm土壤盐分的淋洗，少量添加生物炭(2%)有利于15～30 cm土层土壤盐分的排出。

2.6 不同处理对土壤蒸发的影响

各处理日蒸发量测定结果见图5，各处理对土壤累积蒸发量的影响见图6。由图5可知不同试验组的蒸发规律没有明显改变，影响日蒸发强度的主要因素为含水率和温度。蒸发开始时土壤含水率较高，日蒸发量较大，在第12、13、22、23 d时，由于温度较高，土壤蒸发量也较大。由图6可知，仅A3显著降低了土壤的累积蒸发量，而其他处理未达到显著影响，说明生物炭在较高添加量下(8%)能够抑制土壤蒸发，但较低添加量下对土壤蒸发的影响不大。

图5 不同处理土壤日蒸发量变化过程Fig.5 The dynamics of daily soil evaporation

图6 不同处理土壤累积蒸发量Fig.6 The accumulated evaporation under different treatments

3 讨 论

土壤的入渗能力受土壤质地、所添加生物炭粒径大小、添加量、添加方式等多方面因素的影响[18-20]。李兴等[19]发现添加生物炭能够抑制沙壤土的入渗，王幼奇等[20,21]发现添加生物炭会减缓宁夏黑垆土的入渗速率，但当研究对象变为淡灰钙土时，添加生物炭又起到了增加入渗速率的作用。本试验中添加普通生物炭以及酸改性生物炭均能够加快湿润峰的运移、增加累积入渗量，提高土壤含水率，且随着添加量的增加，对湿润峰运移的促进以及累积入渗量的增加就越明显，这与许多研究成果相同[22-24]，这可能是因为盐渍土透水性差，添加生物炭可以改良土壤结构，增大土壤孔隙度，增强土壤渗透性[25]。

目前关于生物炭对盐渍土pH改良效果的研究仍较少，唐珺瑶[8]发现在淹水培养条件下，生物炭提高了土壤中的碳酸氢盐浓度，有效降低了土壤pH，认为微生物的产氢产酸过程是降低盐渍土pH的重要因素。赵海成[9]发现添加生物炭降低了盐渍土pH，但也有部分研究人员发现添加生物炭不能显著降低盐渍土pH[10,11]，本试验中普通生物炭在添加量较低时对土壤pH改良效果不理想，酸改性生物炭对改良盐渍土pH效果显著，且添加量越大，改良效果越明显，这与部分研究的结论相同[25-27]。

添加生物炭以及改性生物炭会影响到土壤水分入渗的过程，影响到盐分的淋洗，从而影响到土体中盐分的分布情况。李文雪[22]发现添加量5%的生物炭能够提高盐分的淋洗效率，岳燕等[28]发现添加量2%的生物炭将淋洗后的土壤表层盐分降低了34.25%，本试验中B3处理显著增大了土壤0～15 cm土层的含盐量，A1处理显著降低了土壤15～30 cm土层的含盐量，说明少量添加生物炭有利于较深层土壤利用水分的入渗排盐，这可能是因为适量添加生物炭能够提高盐渍土的入渗能力，促进盐分排出，但添加量过高时可能导致土壤水分入渗过快，从而使得淋洗过程不充分，生物炭对土壤盐分淋洗的影响可能与土壤质地、生物炭添加量等因素相关。

本试验仅A3处理对土壤的蒸发能力起到了抑制作用，其他处理则对土壤蒸发能力没有显著影响。李帅霖等[29]发现生物炭对塿土蒸发能力影响不显著，肖茜等[30]发现生物炭的添加对黄绵土以及黑垆土的蒸发能力没有显著影响，但抑制了风沙土的前期蒸发，许建等[31]发现风沙土的蒸发能力受所添加生物炭的种类、添加量、粒径大小等多重因素影响。相关研究说明生物炭的添加量、土壤的质地都可能成为影响蒸发试验结果的因素，为了进一步探究添加生物炭对土壤蒸发能力的影响，今后的研究可以针对不同质地的土壤，采取不同的生物炭添加量进行更多的试验。

4 结 论

在淋洗入渗阶段，添加普通生物炭以及酸改性生物炭能够促进湿润峰的运移，增加累积入渗量，提高土壤的含水率，降低盐渍土pH，对于改良滨海地区盐渍土效果较理想，但添加量过高可能不利于土壤盐分淋洗。在蒸发阶段，添加生物炭以及改性生物炭对土壤的蒸发能力影响较小。在实际工程应用时应综合考虑多方面因素，特别是土壤本身的颗粒级配组成等因素，基于本试验所研究的土壤，添加4%的改性生物炭不仅能够有效改良土壤的pH、促进土壤水分入渗，而且对土壤盐分淋洗以及蒸发的影响较小，因此认为添加4%的改性生物炭对于改良滨海盐渍土的效果最理想。