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商品生物炭的表征及其对土壤保水性的影响
作者：张辉 唐翔宇 刘琛 王红兰 贝荣塔 来源：《农家科技下旬刊》2015年第04期
摘 要：土壤改良是生物炭应用的一个重要方面。本研究对一种批量生产的商业生物炭进行了理化性质的表征，并将其施入川中丘陵区紫色土，以确定其能否提高该土壤的保水能力。结果表明：商品炭H/C较小、O/C较大，代表其芳香性、亲水性强，极性大。生物炭施用后，紫色土孔隙度由0.56增加至0.58 m3 m-3，植物有效水从0.047增至0.056 m3 m-3，表明其保水性孔隙在增加，该紫色土的保水性提到。
关键词：生物炭；表征；土壤孔隙度；土壤保水性
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生物炭是由植物或动物性生物质通过热解/碳化合成的一种稳定的富炭副产品。它的应用一般包括：碳封存、土壤改良、污染修复、农业副产品/废物的循环利用。在土壤改良方面：生物炭施用使土壤中大孔隙所占比例明显降低，中孔隙比例明显升高；有报道称添加生物炭以后土壤的保水性能提升了18% ；土壤田间持水量与所投加生物炭的疏水性和表面积有关，土壤结构的改善同样受投加生物炭的影响。本研究首先对商品炭的理化性质进行了表征，然后找出施用商品炭给川中丘陵区紫色土坡耕地土壤孔隙度带来的影响，从而确定商品炭的投加能否提高该地区土壤的保水性。 一、材料与方法 1.商品炭表征
本实验所用生物炭购买自生物炭生产企业（河南省商丘市三利新能源有限公司），称之为商品炭。原料主要是小麦、花生农作物秸秆混合物。在连续式炭化炉中经500℃、4h的高温无氧处理后制成生物炭产品。
参照《木质活性炭试验方法pH值的测定》GB/T12496.7-1999 测定商品炭的pH值和电导率（EC）；含水率的测定采用烘干法；利用热重法测商品炭的灰分、挥发分；商品炭的元素组成（C，H，O，N，S）通过元素分析仪（Flash EA 1112 series， CE Instruments， UK）测得；利用N2吸附法和压汞法对商品炭的BET比表面、总孔隙度等进行分析。 2.田间试验
本实验所用小区位于中科院盐亭紫色土农业生态试验站（四川、盐亭），属丘陵地貌，耕地以紫色土为主，年均气温17.3℃，年均降雨825.8 mm。
试验小区为4m*6m标准小区，坡度为6°，小麦—玉米轮作；设对照小区（S）和施炭小区（S-B），生物炭投加量 16 t/ha；正常耕作1年后，开始实验。
首先，在耕作层采原状环刀土样（100cm3），用沙箱法和压力膜仪法测其水分特征曲线，数据用van Genuchten模型模拟： （1）
式中：θ，土壤含水率 cm3cm-3； h，土壤水吸力 cm；θs、θr、α、m、n，参数；其中，θs和θr分别为土壤饱和含水率和残余含水率cm3cm-3。
此外，再取适量分散土样，测其基本理化性质：其中，用重铬酸钾—外加热法测定土壤有机质含量，用吸管法测定土壤颗粒组成。 二、结果与分析
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1.商品炭的基本性质 表1 商品炭的物理性质
Table 1. Selected physicochemical and pore structural properties of biochar pH EC（μS/cm） %C %H %N %S O%（计算） H/C O/C 9.6 1011 63.51 4.91 1.00
水分% 挥发分% 灰分% 固定碳% BET 比表面积（m2/g） 总孔体积（cc/g） 平均孔径nm 16.62 19.76 60.68 2.94 56.29 0.1074 6.2
如上表1所示：与同类型秸秆类生物炭相比部分结果是一致的。例如，pH为碱性，C元素在60%以上，灰分含量较高。但是，该商品炭O含量较高，这就使得其O/C增大，生物炭的H/C、O/C可用来表征其芳香性、极性和亲水性，H/C越小，芳香性、亲水性越强，O/C越大，极性越大。同样，商品炭的BET比表面积和总孔体积也较大，这表明该生物炭具有较为丰富的孔隙结构。
2.商品炭添加对土壤保水性的影响
本实验将利用沙箱法和压力膜仪法所测的土壤水分特征曲线通过vG模型（1980）进行模拟。模拟结果如下表2所示。 表2 vG模型的相关参数
Table 2. Parameters of van Genuchten model θ θs α n m R2
S 0.192 0.606 0.753 1.332 0.249 0.9 S-B 0.193 0.591 0.308 1.383 0.277 0.977 表3 土壤基本理化性质的对比
Table 3. The basic physicochemical properties of soil
土壤有机质（g Kg-1） 容重（g cm-3） %粘粒 %粉粒 %砂粒 孔隙度（m3 m-3） 饱和导水率（cm s-1） 植物有效水（m3 m-3） S 12.42 1.15 21 52 27 0.56 0.00038 0.047
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S-B 16.92 1.12 19 59 22 0.58 0.00056 0.056
从表2中可以看出，添加商品炭的S-B其土壤含水率θ高于未添加的S；S-B的饱和导水率小于S，这可能是因为添加商品炭以后，土壤的大孔隙减少、小孔隙增加造成的；但是，S-B样的n值明显大于S，这表明添加商品炭后，该土壤获得了更好的土壤结构，即添加商品炭后，土壤的保水性孔隙在增加。
从表3中可以看出，首先，商品炭的添加明显增加了土壤有机质的含量；与S相比，S-B的土壤容重在减少，土壤孔隙度在增加，这主要是因为S-B的孔隙结构中小孔隙的比例在增加；从机械组成来看，S-B的粉粒（2—50μm）部分在增加，粘粒和砂粒所占比例在减小，而这一部分增加的孔隙结构正代表了土壤的保水性孔隙（1—10μm）；从植物有效水来看，S-B样明显高于S样，植物可利用的土壤水明显增加，提高了土壤抵抗季节性干旱的能力，综上说明土壤的保水性因为商品炭的施入在明显增加。 四、结论
通过对以上实验结果的分析，得出以下结论：
1.商品炭的理化性质与同类型（秸秆类）生物炭相比，理化性质相似。但是其H/C较小、O/C较大，表明其芳香性、亲水性强，极性大。此外，商品炭的BET比表面积和总孔体积也较大，表明其具有较为丰富的孔隙结构。
2.生物炭施用后，紫色土孔隙度增加、土壤粉粒结构（2—50μm）增加，表明其保水性孔隙在增加，植物有效水从0.047增至0.056 m3 m-3，土壤的保水性提到。 参考文献：
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