生物炭基保水剂对土壤水分及油菜生长的影响

土壤保水剂是一种具有吸水和保水功能、能够改善植物根系或种子周围土壤水分性状、减少土壤水分散失的高分子聚合物［1，2］。现有的农用保水剂主要是以聚丙烯酸盐为代表的无机化学保水剂，受丙烯酸等化工原料限制，存在的主要问题是施用成本高、功能单一［3，4］。另外，聚丙酸盐降解过程中会产生一些有害物质，存在潜在的环境风险［5，6］，主要应用于水果、花卉、高档蔬菜等经济作物。未来，开发以生物材料为基质的可生物降解的、低成本、长效保水剂，并应用于粮食等低经济效益作物，将是保水剂的重要发展方向之一［3］。

生物炭基土壤保水剂是一种以农林生物质热解炭为主要原料，通过与其他吸水保水材料复合而成的土壤保水剂，不仅具有传统土壤保水剂功效，还兼具低成本、多功效、环保等优点，符合未来农用保水剂发展方向，对实现农业节水增效、农业废弃物减量增值利用具有重要意义［7～ 9］。目前，国内关于生物炭吸水保水性能的研究较多，多数研究表明生物炭具有多微孔结构，施用生物炭有利于增加土壤总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度，控制土壤水分蒸发，提高土壤田间持水量和有效水含量［10～ 14］，提高作物产量［15， 16］。陈静等［17］以小麦秸秆炭与不同类型、比例的聚丙烯酰胺混合制得生物炭基保水剂，并将其施用于土壤和玉米幼苗盆栽，结果表明施用生物炭基保水剂能够降低土壤水分蒸发量，提高土壤水分含量，但在高施用量时会抑制玉米的生长。本研究团队开发出一种生物炭基土壤保水剂，由于生物炭基保水剂的原料组成及合成工艺对其性能影响显著［3］，为深入考察该生物炭基保水剂对土壤及作物的作用效果，本文采用铝盒法和盆栽法研究了生物炭基保水剂及其施用量对土壤持水保水性能及油菜生长的影响，以期为开发和应用低成本、高效生物炭基保水剂提供依据。1 试验材料与方法

1．1 试验材料及仪器设备

生物炭基保水剂: 从低成本、高效保水剂研制角度出发，本试验选择具有成本低、改土保水效果好的生物炭，高吸水性能的凹凸棒土－聚丙烯酰胺，以及成本低、能够降低植物蒸腾强度的腐植酸材料，辅以引发剂和交联剂，通过交联反应获得。其中: 供试生物炭为自制的600℃木屑炭，比表面积为149．37 m2 /g，孔容为0．191 cm3 /g，吸去离子水倍率8 g /g，吸盐水( 0．9%NaCl) 倍率为3．2 g /g;腐植酸钾为黄腐植酸钾肥，黄腐植酸含量大于60%; 凹凸棒土－ 聚丙烯酰胺，吸去离子水倍率168 g /g，吸盐水倍率为43 g /g，pH 为7．2; 引发剂为过硫酸铵( 分析纯) ，交联剂为N，N'-亚甲基双丙烯酰胺( 分析纯) 。

生物炭基保水剂制备方法: 将生物炭、腐植酸钾、凹凸棒土－聚丙烯酰胺分别过1 mm 孔径筛储存备用，以凹凸棒土－聚丙烯酰胺添加量为标准，将生物炭、腐植酸钾、凹凸棒土－聚丙烯酰胺以及引发剂、交联剂按一定比例( 按比例不同分为生物炭基保水剂A、B) 混合，放入烧杯混合均匀，按照水溶液聚合法要求，添加一定量水，在室温条件下机械搅拌均匀，然后将烧杯放入80 ～ 85℃水浴锅中，进行反应，连续加热搅拌1 h，取出烧杯，放入80℃烘箱中干燥至恒重，将干燥物粉碎，过1 mm孔径筛，筛下物即为生物炭基保水剂。生物炭基保水剂A 中生物炭、腐植酸钾、凹凸棒土－聚丙烯酰胺、引发剂、交联剂干物质质量比2 ∶1 ∶10 ∶0．4 ∶0．01，吸去离子水倍率为135 g /g，吸盐水倍率为42 g /g，pH 为7．8; 生物炭基保水剂B中生物炭、腐植酸钾、凹凸棒土－聚丙烯酰胺、引发剂、交联剂干物质质量比4∶1∶10∶0．3∶0．01，吸去离子水倍率为126 g /g，吸盐水倍率为33 g /g，pH为8．0。

供试土壤取自北京市大兴区孝义营村蔬菜种植地耕作层土壤( 0～20 cm) ，土壤类型为潮土，土壤pH 为8．02，全氮为1．3 g /kg，有机质为26．37g /kg。试验前，将土壤风干后过10 mm 孔径筛，保留筛下物作为试验用土壤。

供试油菜( Brassica campestris L．) 品种为华冠青梗，取自北京市大兴区青云店蔬菜种植基地，2016 年5 月10 日播种，6月10 日移苗。

仪器设备: 便携式土壤水分快速检测仪( TDＲAZS-100，德国TDＲ 公司生产) ，电子天平( SPS402F，美国奥豪斯公司生产) ，电热恒温鼓风干燥箱( 101-3 型，北京中兴伟业仪器有限公司生产) ，扫描电镜( CamScan 3400，英国CamScan 公司生产) 。

1．2 试验方法

1．2．1 生物炭基保水剂对土壤持水和保水性能的影响试验采用铝盒法［8］，铝盒直径50 mm，高30 mm，底部加工成筛网状，试验时称取100 g 粉干过筛土壤，同时称量0．1 g 保水剂，将土壤与保水剂混合均匀，装入底部垫有纱布的铝盒，盖上铝盒盖，将铝盒放入去离子水中浸泡8 h，取出静置30 min，去除铝盒表面游离水，测量土壤饱和含水率，然后将铝盒放入50℃电热恒温鼓风干燥箱干燥，每隔30 min 称重一次，测量土壤水分蒸发速率等指标。试验共设置4 个处理，其中处理A1:生物炭基保水剂A，处理A2: 生物炭基保水剂B，处理A3: 凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂，处理A4:对照( CK) ，每个处理3 次重复。

1．2．2 生物炭基保水剂对油菜生长的影响试

验采用盆栽法，供试盆为高30 cm、直径25 cm 塑料盆，每个花盆装填风干土7 kg。根据前人研究经验，保水剂添加量为植物耕作层土壤干重的0．05%～ 0．2%比较好［8， 18］; 同时根据前期预备试验，生物炭基保水剂添加比例在0．1%以上有比较明显的保水效果; 另外考虑保水剂施用成本，本试验设置生物炭基保水剂的添加比例为土壤干重的0%( CK) 、0．1%和0．2%共3 个梯度。将保水剂与土壤充分混合均匀后装入花盆，采用移栽法种植油菜，每个花盆种植油菜3 棵，定期浇水，控制土壤相对含水率在55%～70%，低于55%开始浇水。每天上午9 点，测量每盆土壤含水率1 次，为减少对土壤的结构破坏以及植物生长对检测结果的影响，土壤水分测定采用TDＲ AZS-100 便携式土壤水分快速检测仪( 采用时域反射原理测定，0～40%土壤含水率测量精度为±2%，40% ～ 70%土壤含水率测量精度为±3%，测量探头长度160mm) ，测量时，将探头全部插入土壤，即可获得土壤水分值，试验结束后测定油菜地上生物量。试验设置6 个处理，其中处理B1: 对照( 不添加保水剂) ，处理B2: 低量( 0．1%干土) 凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂，处理B3: 低量( 0．1%干土) 生物炭基保水剂A，处理B4: 高量( 0．2%干土) 生物炭基保水剂A，处理B5: 低量( 0．1%干土) 生物炭基保水剂B，处理B6: 高量( 0．2%干土) 生物炭基保水剂B，每处理3 次重复。

1．3 测试项目及方法

土壤饱和含水率( SM) : 是指土壤颗粒间所有孔隙都充满水时的含水量。采用烘箱法测定烘干前和烘干后的土壤质量［11］，土壤饱和含水率计算公式:

SM= ( M湿－M干) / M干×100%式中，M湿为土壤充满水时的质量，M干为土壤干重。土壤水分蒸发速率: 是指单位质量土壤在单位蒸发时间内散失水分的质量，g /( g·h) ［19］。土壤水分蒸发速率= ( Ma － Mb) /( M × T)×100%

式中，Ma表示各处理土壤初始时刻含水量，Mb表示各处理土壤在各个时间测点时的含水量，M 为各处理土壤干重，T 为蒸发时间。

土壤水分利用效率( WUE) : 采用现实水分利用效率计算，即为农田蒸散消耗单位重量水所产生的作物质量，kg /m3［20］。

土壤水分利用效率计算公式:WUE = Y /ET

式中，Y 代表各处理地上生物量，kg; ET 代表各处理在生长周期内的耗水量，m3。油菜地上生物量( Y) : 指各处理在试验周期内花盆所栽种油菜地上部分鲜重，kg。采用SPS402F 电子天平测定。

油菜蒸散耗水量( ET) : 指各处理在试验周期内由于表面蒸发、呼吸作用等消耗的水量，kg。计算公式为:ET = 播前土壤含水量+灌水量－收获后土壤含水量。

1．4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007、Origin 处理试验数据，利用SPSS21．0 数据处理软件进行方差分析。

2 结果与分析

2．1 生物炭基保水剂对土壤吸水保水性能的影响

2．1．1 生物炭基保水剂对土壤饱和含水率的影响由图1（略） 可知，添加生物炭基保水剂的A1 和A2 处理较对照的土壤饱和含水率分别提高了13．31%和13．54%，说明添加生物炭基保水剂能够有效提高土壤饱和含水率，增加土壤水分含量; 添加生物炭基保水剂的A1 和A2 处理的土壤饱和含水率虽然低于A3 处理( 凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂) ，但也达到其饱和含水率的79． 35%和80．73%，表现出较好的保水性能。

2．1．2 生物炭基保水剂对土壤水分蒸发的影响

由图2a（略）可知，在烘干25 h 后，各处理土壤含水率的大小顺序为A2( 生物炭基保水剂B) ＞A3( 凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂) ＞A1( 生物炭基保水剂A) ＞CK，生物炭基保水剂A 和B 处理下土壤含水率分别较对照提高了332． 41% 和758%，说明添加生物炭基保水剂能够减缓土壤水分蒸发; 相对凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂处理，添加生物炭基保水剂B 处理的土壤相对含水率提高了44．36%，但生物炭基保水剂A 处理却降低了27．25%，说明保水剂中生物炭的添加比例对其作用效果有重要影响。另外，从各处理达到永久萎蔫系数时的土壤含水率所耗时间看( 潮土按15%计算) ［21］，添加生物炭基保水剂B 相对对照延迟10 h 到达( 减缓66．7%) ，相对凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂延长5 h 到达( 减缓25%) ，进一步说明添加生物炭基保水剂能够增强土壤的保水效果。由图2 b (略) 可知，土壤水分蒸发速率随着蒸发时间的延长，呈先降低后升高再降低再稳定的变化趋势，不同处理间存在差异，从初始到达到永久萎蔫系数土壤含水率，生物炭基保水剂B 平均水分蒸发速率最低，为0．016 g /( g·h) ，相对对照0．024 g /( g·h) ，土壤水分蒸发速率降低31．98%，相对凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂土壤水分蒸发速率0．021 g /( g·h) 降低22．42%，生物炭基保水剂能够有效降低土壤水分蒸发速率。

生物炭基保水剂能够提高土壤饱和含水率、降低土壤水分蒸发速率与其结构密切相关。已有的研究结果显示，生物炭比表面积越大，孔隙率越高，吸水性能越好［10］。生物炭、凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂、生物炭基保水剂的微观结构见图3（略），生物炭具有良好的多孔结构和网络状空间结构，凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂含有丰富的吸水颗粒，两者结合，吸水颗粒均布在生物炭孔隙结构间，形成互穿的网络空间结构，提高了保水剂的结构稳定性。这样既改善了生物炭保水效果不佳的缺陷，又弥补了凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂的吸水效果。

2．2 生物炭基保水剂对油菜地上生物量的影响

由图4 可知，与对照相比，施用生物炭基保水剂处理，油菜地上生物量增加了27．3% ～ 50．1%，其中生物炭基保水剂B 处理增加了30% ～50．1%，保水剂用量越多效果越好。方差分析显示，生物炭基保水剂处理与对照处理存在显著差异，说明施用生物炭基保水剂能够促进油菜生长，提高产量; 相同施用量条件下，生物炭基保水剂A处理与B 处理差异不显著，说明生物炭的添加比例对作物增产影响不显著。相对于B2 处理凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂，生物炭基保水剂A 处理与B 处理在低添加量下时，差异不显著; 但在高添加量时，生物炭基保水剂处理与凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂处理存在显著差异，添加高量生物炭基保水剂A 处理和B 处理油菜地上生物量分别增加了23．1%和26．9%，说明增加生物炭基保水剂的用量能够提高作物产量。

2．3 生物炭基保水剂对水分利用效率的影响

由图5（略） 可知，与对照相比，施用生物炭基保水剂处理，水分利用效率提高率在48．7%～ 110．9%，其中生物炭基保水剂B 处理相对对照提高了56．7%～110．9%，高添加量处理优于低量处理; 生物炭基保水剂处理与对照存在显著差异，说明生物炭基保水剂能够有效降低提高灌溉水利用效率，节约农业用水。相对凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂处理，在相同施用量条件下时，差异不显著; 在高添加量时，生物炭基保水剂处理与凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂处理存在显著差异，添加高量生物炭基保水剂A 处理和B 处理水分利用效率分别提高了27．7%和42．4%，说明增加保水剂的用量能够提高水分利用效率。

3 讨论

3．1 生物炭基保水剂对土壤持水保水能力的影响

保水剂对土壤的持水保水性能提升是衡量其性能优劣的重要指标，主要通过土壤饱和含水率和土壤水分蒸发速率等指标反映。

在对土壤饱和含水率影响方面，已有的研究结果显示，施用生物炭或生物炭基保水剂可以提高土壤饱和含水率，但只有在达到一定施用量( 土壤干重的1．6% ～ 6%) 时才会发生作用，在低施用量( 土壤干重的0．1%～ 0．8%) 时作用效果不明显，严重影响了生物炭在实际生产中的推广应用［11， 22］。本研究显示，将生物炭与腐植酸、凹凸棒土－聚丙烯酰胺复合制成的生物炭基保水剂，即使在较低的施用水平( 土壤干重的0． 1% ～0．2%) 时，也表现出较好的作用效果，与对照相比，土壤饱和含水率提高13．31% ～ 13．54%，这对降低生物炭的施用成本，促进生物炭在农业上的推广应用具有重要意义。

在对土壤水分蒸发速率影响方面，已有的研究结果显示，施用保水剂会延长第一阶段水分蒸发时间［8］。本研究结果显示，相对凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂，施用生物炭基保水剂能够缩短第一阶段水分蒸发时间，降低土壤水分蒸发速率，土壤水分蒸发速率降低22．41%。相对空白对照，施用高添加比例生物炭基保水剂能够土壤水分蒸发速率降低31．98%，表现出较好的保水性能; 但在低添加比例时，相对空白对照，却提高了土壤水分蒸发速率，这有待进一步深入研究。

3．2 生物炭基保水剂对植物生长和水分利用效率的影响

保水剂对植物生长的影响是衡量其能否推广应用的重要指标。已有研究显示，施用保水剂能够提高作物产量［23］。本研究显示施用生物炭基保水剂能够提高油菜产量，施用量0．1% ～ 0．2%时，油菜产量比对照提高27．3% ～ 50．1%，且生物炭基保水剂用量越高，增产效果越好，这可能是因为生物炭具有良好的物理化学性质和养分调控作用［10］，将生物炭制成保水剂施用于土壤，既发挥了生物炭改善土壤团粒结构、增进土壤养分的吸附和保持、促进作物生长的功效，又满足了植物生长对水分的需求。

保水剂对土壤水分利用效率的提升是衡量其性能的又一关键指标，已有的研究表明，施用保水剂能够提高作物的水分利用效率，具体提高幅度与所施用的土壤类型、作物品种及干旱程度有关［24～ 26］。本研究结果显示添加生物炭基保水剂可提高土壤水分利用效率，较对照提高48．7% ～110．9%，且施用量越高，效果越好; 相对凹凸棒土－聚丙烯酰胺保水剂，在同等施用量条件下，作用效果相当，这对发低成本、高效保水剂，实现保水剂在低经济效益作物上的应用提供了可能，具有重要的现实意义。