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2025 , Vol. 42 >Issue 5: 97 - 103

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240096

水土保持与生态修复

生物炭对红黏土饱和持水量及植物生长的影响

  • 李源涛 , 1 ,
  • 刘之葵 , 1 ,
  • 陶国钲 1 ,
  • 韦海霞 1 ,
  • 蒋仕清 2 ,
  • 姜大伟 2
展开
  • 1 桂林理工大学 土木工程学院,广西 桂林 541004
  • 2 建材桂林地质工程勘察院有限公司,广西 桂林 541002
刘之葵(1968-),男,江西兴国人,教授,博士,博士生导师,主要从事地质工程、岩土工程专业的教学与科研工作。E-mail:

李源涛(1999-),男,广西南宁人,硕士研究生,研究方向为环境岩土工程。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2024-01-25

  修回日期: 2024-04-23

  网络出版日期: 2024-12-26

基金资助

国家自然科学基金项目(41867039)

广西岩土力学与工程重点试验室项目(桂科能20-Y-XT-03)

南方石山地区矿山地质环境修复工程技术创新中心项目(CXZX2020002)

收起

Effects of Biochar on Saturated Water Holding Capacity of Red Clay and Plant Growth

  • LI Yuan-tao , 1 ,
  • LIU Zhi-kui , 1 ,
  • TAO Guo-zheng 1 ,
  • WEI Hai-xia 1 ,
  • JIANG Shi-qing 2 ,
  • JIANG Da-wei 2
Expand
  • 1 School of Civil Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China
  • 2 Guilin Geological Engineering Investigation Institute of China Building Materials Group Limited Company, Guilin 541002, China

Received date: 2024-01-25

  Revised date: 2024-04-23

  Online published: 2024-12-26

Fold

摘要

生物炭具有疏松多孔、高比表面积的性质,是一种环境友好型的土壤改良剂。为研究生物炭对红黏土的持水能力及常用护坡草种生长的影响,以桂林红黏土为研究对象,将不同原料类型和掺量的生物炭掺入红黏土中,进行了持水量试验、盆栽种植试验、酸碱度试验,结合扫描电镜(SEM)阐释生物炭对红黏土持水能力的影响机制。试验结果表明:红黏土的饱和持水量和pH值均随4种生物炭掺量的增加而增大,生物炭的掺入有效地改善了植物生长环境条件;掺入生物炭后草种的发芽数和株高都得到提高,但掺量>5%后会抑制草种生长;通过微观测试发现,生物炭充填于红黏土团聚体之间的孔隙中,因其多孔性和亲水性,使红黏土的饱和持水量提高。研究成果有助于生物炭在红黏土地区生态护坡工程中的应用。

关键词： 生物炭; 红黏土; 持水能力; 植物生长; 微观结构

本文引用格式

李源涛 , 刘之葵 , 陶国钲 , 韦海霞 , 蒋仕清 , 姜大伟 . 生物炭对红黏土饱和持水量及植物生长的影响[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(5) : 97 -103 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240096

Abstract

Biochar is an environmentally friendly soil modifier due to its porous and high specific surface area. To investigate its impact on the water-holding capacity of red clay and the growth of common slope grass species, we selected red clay from Guilin as the research subject. Different types and dosages of biochar were incorporated into the red clay. Subsequently, water-holding capacity tests, pot-planting tests, and pH tests were conducted. Scanning electron microscopy (SEM) was employed to elucidate the mechanism by which biochar affects the water-holding capacity of red clay. Results revealed that the saturated water-holding capacity and pH value of red clay increased with the rising content of four types of biochar, effectively improving the environmental conditions for plant growth. Specifically, adding biochar increased the germination number and plant height of grass seeds. However, a biochar content exceeding 5% negatively affected the growth of grass seeds. Microscopic tests indicated that biochar filled the pores between red clay aggregates, thereby enhancing the saturated water-holding capacity of red clay thanks to its porosity and hydrophilicity.

Key words： biochar; red clay; water-holding capacity; plant growth; microstructure

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

随着交通业的不断发展,在红黏土分布地区,高速公路、铁路等工程建设因挖填方形成许多裸露的红黏土边坡。桂林红黏土是碳酸盐岩经强烈风化后再经过红土化作用形成的弱酸性土[1],pH值在4.5~5.5之间,而大多草本植物的适宜生长pH值范围在6.5~7.5之间,因此常规的护坡植物在红黏土边坡难以生长。石灰是常用的改良剂,可以迅速降低土壤酸度,但长期施用,修复效果会减弱,造成土壤板结[2],影响植物生长。随着温室效应、生态破坏等环境问题日益突出,有学者[3-4]提出生物炭在生态边坡工程有着巨大的应用潜力。
生物炭是由生物质在缺氧或无氧的环境下,经过高温热解而形成的一种难溶的、稳定的、多孔的、富含碳素的可持续性固体物质[5],其一般呈碱性,pH值通常在7~10之间,将生物炭添加到酸性土中能提高土壤的pH值。生物炭能提高土体的持水性,李明玉等[6]通过蒸汽平衡法对生物炭掺入黏土后的持水性进行研究,结果表明随着水稻秸秆生物炭掺量的增加,黏土的持水性明显增加。闫辰啸等[7]利用离心机法和定水头法研究香梨果木生物炭改良和田风沙土的水力特性,经生物炭改良后的风沙土持水能力最大提升了4.79%。张慧琦等[8]研究了玉米秸秆生物炭用量对砂土孔隙和持水性的影响,结果表明秸秆生物炭施用量>2%时,土壤有效含水量明显提高,且随着施用量的增加含水量提高增大。添加生物炭后,土壤可以通过阳离子吸附来增加营养物质的持有量[9],提高土壤肥力,将生物炭应用于生态边坡工程有利于植物的生长[10]。Kang等[11]研究了生物炭对植物生长的影响,结果表明施用生物炭后大豆的发芽率提高了一倍,株高增加了50%,干重增加超过一倍。黄超等[12]采用盆栽试验研究小麦秸秆生物炭对黑麦草生长的影响,结果表明生物炭提高了黑麦草的产量,但施用量过高会抑制黑麦草的生长。方培结等[13]和孙嘉曼等[14]通过野外盆栽试验分别研究了4种生物炭对喀斯特区石灰土性质及作物生长的影响,结果表明生物炭提高了土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾的含量,促进了玉米、大豆和刺槐的生长。
现有文献中,将生物炭用于红黏土改良的研究极少,因此本文将生物炭掺入桂林红黏土中,研究掺量和生物炭类型对红黏土的持水能力以及常用护坡植物生长情况的影响,以期为生物炭应用于桂林红黏土地区生态护坡工程提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验用土

试验所用的红黏土取自桂林理工大学雁山校区,取土深度为地表以下2~4 m,属第四纪残坡积层土( Q 4 d l + e l)。土样呈红褐色,稍湿、硬塑状态,黏性较强,属于典型的残坡积土。红黏土的颗粒分布曲线如图1所示,红黏土中<0.075 mm的颗粒质量分数为59.2%。红黏土的基本物理指标如表1所示。
图1 试验用土和生物炭的粒径分布曲线

Fig.1 Particle size distribution curves of test soil and biochar

表1 桂林红黏土基本物理性质

Table 1 Basic physical properties of red clay

天然含
水率/%		 密度/
(g·cm-3)		 塑限/
%		 液限/
%		 塑性
指数		 最大干密度/
(g·cm-3)		 最优含
水率/%
26.8 1.65 38.7 62.8 24.1 1.39 33.9

1.1.2 生物炭

试验选择以小麦秸秆、玉米秸秆、木头、竹子为原材料制成的商业生物炭。其中,小麦秸秆炭和玉米秸秆炭是在500 ℃的高温下生产的,木炭和竹炭是在700 ℃高温下生产的,主要呈黑色的颗粒、粉末状,其粒径分布见图1,基本性质见表2。
表2 生物炭基本性质

Table 2 Basic properties of biochar

类型 pH值 密度/
(g·cm-3)		 灰分含
量/%		 比表面积/
(m2·g-1)		 热解温
度/℃
小麦秸秆炭 7.73 0.78 15.76 51.7 500
玉米秸秆炭 8.68 0.56 7.30 137.4 500
木炭 9.85 0.49 9.45 163.5 700
竹炭 7.78 0.38 4.69 198.2 700

1.2 试验方法

1.2.1 浸水饱和法

试验方案如表3所示,土壤饱和持水量是指土壤孔隙全部充满水时所持的水量,根据表3的方案,将生物炭掺入过2 mm筛的红黏土中,将混合搅拌好的土样装入底部带孔的盆中,向盆中缓慢注入自来水,水高不超过土体顶部2 cm,待水自然下渗至盆底有水滴落后停止注水,当盆底不再有水滴落后称量总质量,如图2所示。
表3 试验方案

Table 3 Test schemes

试验
名称		 生物炭类型 生物炭掺量/% 生物炭
粒径/mm		 红黏土
粒径/mm
浸水饱
和法		 小麦秸秆炭、玉米秸秆炭、木炭、竹炭 0、2.5、5、7.5、10 <0.5 <2
植生
试验		 小麦秸秆炭 0、2.5、5、7.5、10 <0.5 <5
玉米秸秆炭、
木炭、竹炭		 5
酸碱度
试验		 小麦秸秆炭、玉米秸秆炭、木炭、竹炭 0、2.5、5、7.5、10 <0.5 <2
图2 浸水饱和法示意图及实物

Fig.2 Schematic diagram of the immersion saturation method

每组重复取样测量3次取平均,最大持水量计算式为
w m a x = m 1 - m 2 m 2 × 100 % 。
式中:wmax为最大持水量; m 1为土体饱和时的总质量; m 2为干土的质量。

1.2.2 酸碱度

土壤酸碱度采用pH计测量。按表2的试验方案将4种生物炭掺入过2 mm筛的红黏土中,将混合均匀的土样与蒸馏水按1∶5的比例放在电磁搅拌器上搅拌3 min后静置30 min,然后使用酸度计测量并记录读数,每组测量3次取平均值。

1.2.3 植生试验

植生试验采用直径15.5 cm、底径12 cm、高14 cm,且底部有渗水孔的种植花盆进行。由于植生试验种植土粒径不能太细,因此红黏土过5 mm筛,按表3的试验方案,将搅拌均匀后的土装入花盆中,接着用水将土浇透,每个花盆中分别种植50颗黑麦草、狗牙根、香根草、高羊茅种子等常用的护坡植物,不施用任何肥料,待种子发芽后将盆栽放置在室外,根据天气情况适量浇水。试验期间记录发芽数和株高,各草种长势见图3。
图3 各草种生长情况

Fig.3 Grass growth

1.2.4 微观测试

微观测试试验所使用的仪器是型号为GeminiSEM300的场发射扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)。试验测试了4种生物炭、红黏土及掺入5%生物炭红黏土的微观形貌特征,试验前需将待测试样放入液氮中浸泡5min,然后在冷冻干燥机中进行抽真空冷干。

2 试验结果与分析

2.1 生物炭对红黏土饱和持水量的影响

浸水饱和法的结果如图4所示。从图4中可以看出,掺入4种生物炭均能使红黏土的饱和持水量提高,掺量从0%增加到2.5%时,持水量的增长速率最大,掺量>2.5%以后,持水量的增速减缓,但始终随着生物炭掺量的增加而增大。掺入玉米秸秆炭的红黏土持水量增加最大,从62.37%增长到77.27%,增幅为23.89%;掺入竹炭的红黏土持水量增长了11.83%,增幅为18.96%;掺入小麦秸秆炭的红黏土持水量增长了9.33%,增幅为14.88%;掺入木炭的红黏土持水量增加最小,从62.37%增长至69.56%,增幅为11.51%。
图4 最大持水量与掺量的关系曲线

Fig.4 Relationship between maximum water holding capacity and biochar dosage

随着生物炭掺量的增加,红黏土持水性的增大可归因于生物炭颗粒的多孔结构,生物炭的含量增加提高了土壤整体的孔隙度,从而增大了红黏土的持水性。同时,生物炭的比表面积大,掺入到红黏土中提高了红黏土的整体比表面积,很大程度上增强了红黏土的吸水性,从而提高了红黏土的持水性。

2.2 生物炭对红黏土pH值的影响

4种生物炭在不同掺量下对红黏土pH值的影响如图5所示。从图5中可以看出,纯红黏土的pH值为5.33,掺量从0%增加到10%时,掺入木炭的红黏土pH值增大至6.86,提高了1.53,增幅28.7%;掺入玉米秸秆炭的红黏土pH值提高了1.31,增幅24.39%;掺入竹炭的红黏土pH值提高了1.13,增幅21.2%;掺入小麦秸秆炭的红黏土pH值提高了1,增幅18.7%。试验结果表明,随着掺量的增加,4种生物炭均能使红黏土的pH值增大,其中掺入木炭的红黏土pH值增加最多,掺入小麦秸秆炭的红黏土pH值增加最小。
图5 不同生物炭类型及掺量下红黏土的pH值

Fig.5 The pH value of red clay with different biochar types and content

由于红黏土是酸性土,而生物炭大多呈碱性且自身含有碱性比较强的物质,将生物炭掺入红黏土后,碱性物质会释放出来,从而提高了红黏土的pH值。除此之外,生物炭表面含有的Na+、K+、C a 2 + 、Mg2+等盐基离子会与红黏土中的H+、A l 3 +进行离子交换,增加了盐基饱和度[15],因此红黏土的pH值随生物炭掺量的增加而增大。

2.3 生物炭对植物生长的影响

不同小麦秸秆炭掺量下各草种的生长情况如图6所示。图6(a)反映了各草种发芽数的变化。掺量从0%增加至10%时,黑麦草的发芽数大体上随着掺量的增加而增加,在掺量为10%时发芽数最大,为48颗;狗牙根的发芽数在掺量为5%之前从29颗增加到33颗,掺量>5%后发芽数开始减小,在掺量为10%时最小,为27颗;高羊茅的发芽数在掺量为2.5%时最大,为37颗,掺量>2.5%后开始减小且均小于未掺炭组;香根草的发芽数随着掺量的增加呈不规律变化,掺量为2.5%时发芽数最小,掺量>2.5%后,发芽数皆大于未掺炭组,且发芽数在掺量为10%时最大,为48颗。
图6 不同小麦秸秆炭掺量下各草种的生长情况

Fig.6 Growth of various grass species with different dosages of wheat straw biochar

图6(b)反映了各草种株高的变化。未掺炭组黑麦草的株高为15.6 cm,生物炭掺量为2.5%时株高最大,为16.1 cm,随着掺量的增加,株高减小,掺量在10%时为最小值13.9 cm;狗牙根的株高变化规律不明显,掺量<5%时,株高随掺量增加而增大,从6.1 cm增加到6.4 cm,掺量>5%后,株高随掺量增加而减小,最小值为5.9 cm;高羊茅株高在掺量为2.5%时最大,为14.4 cm,接着随掺量增加而减小,掺量为10%时株高仅9.6 cm,相差了4.8 cm;香根草的株高随着掺量的增加逐渐增大,从15.3 cm增加至17.4 cm,增幅13.7%。
试验结果表明,小麦秸秆炭掺量的增加,对不同草种发芽数和株高的影响有一定的差别,黑麦草和香根草的发芽数最多,其次是高羊茅和狗牙根;黑麦草、高羊茅和香根草的株高相差不大,狗牙根的株高相对较小。因此,掺量不宜超过5%。
4种生物炭在5%掺量下各草种的发芽数和株高变化如图7所示。
图7 4种生物炭在5%掺量下草种的生长情况

Fig.7 Grass growth with four kinds of biochar at a dosage of 5%

从图7(a)可以看出,掺入4种生物炭后,对黑麦草和香根草的发芽数基本不影响;掺入竹炭后对高羊茅和狗牙根发芽数的影响相较于掺入其他3种生物炭要大,分别仅为25颗和6颗。从图7(b)可以发现,生物炭类型对香根草的株高影响不大,高羊茅、黑麦草和狗牙根在掺入小麦秸秆炭的红黏土中长得最高,分别为14.4、16.1、6.3 cm,而在掺入其他3种生物炭的红黏土中草种株高略低,但相差不大。根据试验结果可知,生物炭类型对各草种的发芽数和株高的影响不显著,香根草和黑麦草发芽数和株高稍大于高羊茅和狗牙根。
生物炭具有独特的理化性质且影响土壤养分的含量及有效性,施加生物炭能提高红黏土的土壤肥力,并改变了红黏土的有机质组成。施加生物炭增加了有效P、有效K等含量[16],生物炭疏松多孔的结构加强了对营养元素的吸附能力,使养分得到固定,且为微生物提供适宜的环境,从而提高了土壤肥力。因此施加生物炭提高了黑麦草狗牙根等4种草的发芽率和株高,但施加量>5%会对植物生长产生负面作用,施用含量过高后生物炭中的挥发性物质影响了土壤微生物等的活动,减少了N的吸收,从而抑制了植物的生长。

2.4 微观测试分析

图8分别是小麦秸秆炭、玉米秸秆炭、木炭和竹炭的扫描电镜图像。从图8可知,小麦秸秆炭和玉米秸秆炭主要为条柱状的多孔结构(图8(a)、图8(b)),竹炭和木炭则是蜂窝状的多孔结构(图8(c)、图8(d))),这是由于原材料的不同,导致各生物炭的微观结构有所区别。其中木炭和竹炭还发育有小孔隙,而小麦秸秆炭和玉米秸秆炭未见有小孔隙,这是由于小麦秸秆炭和玉米秸秆炭是在500 ℃温度下生产的,木炭和竹炭则是在700 ℃的温度下生产的,更高的热解温度在炭化时会导致微小孔隙的形成,从而导致表面积和孔隙率的增加。
图8 生物炭的扫描电镜图像

Fig.8 SEM images of biochar

图9是红黏土和5%的生物炭-红黏土扫描电镜图像。从图9(a)红黏土的微观图像可以看出,红黏土的表面比较粗糙不平整,大孔隙主要是土颗粒团聚体的体间孔隙,孔隙形状不规则。由图9(b)可知,掺入生物炭时,细小的生物炭颗粒会依附在土颗粒上,由图9(c)—图9(f)可知,生物炭颗粒也会充填于红黏土团聚体的体间孔隙中。
图9 红黏土及5%掺炭红黏土的扫描电镜图像

Fig.9 SEM images of original red clay and red clay with 5% biochar

通过微观测试,发现生物炭可提升红黏土持水性,主要有3个方面的原因:
(1)粗糙的土颗粒中掺入细小颗粒的生物炭颗粒,降低了红黏土整体的平均孔径,这有助于通过毛细作用来保持水分[17]。
(2)由于生物炭的多孔性,掺入生物炭后,红黏土的整体孔隙度增大,使水分能额外储存在条柱状、蜂窝状(图8)的生物炭孔隙中。
(3)生物炭具有亲水性,其颗粒表面富含-H、-COOH和-CO等亲水基团[18],当细颗粒生物炭含量增加时,细生物炭颗粒附着于土颗粒表面,极大地增强了土颗粒对水分的吸附能力。与水作用后,生物炭颗粒表面和内部孔壁上的水膜变厚(图10),进一步提高了红黏土的持水能力。
图10 生物炭与水作用的示意图

Fig.10 Schematic diagram of the interaction between biochar and water

3 结论

(1)红黏土的饱和持水量、pH值随4种生物炭掺量的增加而逐渐增大,掺入生物炭提高了红黏土的持水性,降低了红黏土的酸性,有效地改善了植物生长环境。
(2)在红黏土中添加生物炭能够提高4种常用护坡草种的发芽率和株高,但掺量>5%后则会对草的生长产生抑制作用;生物炭类型对草种生长发育无显著影响。
(3)利用扫描电镜测试得到了红黏土、生物炭及生物炭-红黏土混合土的微观图像,发现掺入生物炭后,生物炭颗粒充填于红黏土团聚体之间的孔隙,土体的孔隙度增大,生物炭的多孔性和亲水性使红黏土的饱和持水量提高。

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