生物炭造粒与粒径对绿色屋顶基质水文性能的影响

《Journal of Environmental Management》：Biochar granulation and particle size influence hydrological performance of green roof substrates

　　

： 生物炭造粒和粒径分级对绿色屋顶基质水文性能的影响 研究要点： • 造粒和中等粒径未加工生物炭可能改善雨水管理。 • 添加造粒生物炭可提高基质田间持水量。 • 细粒径未加工生物炭会降低饱和导水率（Ksat），但可能增加侵蚀和水涝风险。 • 造粒生物炭呈现均匀的表面和孔隙特征。 • 未加工生物炭的BET比表面积随粒径减小而增大。 研究人员采用高精度KSAT和HYPROP设备，系统研究了生物炭类型（造粒与未加工）和粒径（0.25–6.3 mm）对绿色屋顶基质饱和导水率（Ksat）和土壤水分特征曲线（SWCC）的影响。研究假设包括：（1）未加工生物炭因具有更高的大孔隙率，将比造粒生物炭更有效地提高基质持水能力（WRC）并降低导水率（K）；（2）小粒径生物炭因具有更大的比表面积，将比大粒径生物炭更显著地提高WRC并降低K；（3）中等粒径生物炭能更好地平衡基质的持水与排水能力；（4）所有生物炭-基质混合物将呈现双峰或多峰SWCC。研究结果验证了上述假设，揭示了生物炭类型和粒径对绿色屋顶基质水文性能的关键调控机制。

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一、研究背景与问题

随着全球城市化进程加速，不透水地表面积持续扩张，城市内涝风险显著上升。气候变化进一步加剧了极端降水事件的频率和强度，对城市排水系统构成严峻挑战。绿色屋顶作为一种基于自然的雨水管理解决方案，通过在屋顶种植植被并铺设工程基质，能够有效削减径流总量、降低并延迟洪峰流量，从而缓解城市排水系统压力。然而，绿色屋顶基质长期暴露于强降雨、周期性干旱和高风速等恶劣环境条件下，基质颗粒易遭受水蚀和风蚀而流失，导致水文性能下降；同时，植被生长条件严苛，可能造成植被退化，进一步削弱绿色屋顶的雨洪调控与生态效益。因此，优化基质组成以增强其水文性能，对于提升绿色屋顶在气候变化背景下的雨水管理能力至关重要。

基质的水力传导度（K）和土壤水分特征曲线（SWCC）是决定绿色屋顶雨水滞留能力和植被生长表现的两项核心水力参数。K控制水分在基质中的流动速率，直接影响屋顶系统的滞蓄能力；SWCC则描述基质在不同基质吸力下的持水特性，用于确定持水能力（WRC）、永久萎蔫点和植物可利用水含量。这些水力特性主要受基质物理性质影响，尤其是孔隙大小分布、粒径分布和颗粒疏水性。传统绿色屋顶基质通常具有较大孔隙，虽利于排水，但持水能力较低，难以支撑植被在干旱期的水分需求。

生物炭作为一种由生物质热解产生的富碳多孔材料，被广泛认为是绿色屋顶基质的理想改良剂。研究表明，生物炭添加可提高基质持水与滞蓄能力、增加植物可利用水含量，并降低饱和及非饱和导水率，这主要归因于生物炭的大比表面积、高孔隙率以及增加水流弯曲度的效应。然而，未加工生物炭质地轻、易碎，在屋顶高暴露环境下极易遭受风蚀和水蚀，造成生物炭流失并引发环境污染问题。生物炭造粒和粒径调控作为重要的后处理手段，被认为能在增强生物炭理化性质的同时减轻其侵蚀损失。已有研究发现，造粒生物炭添加可使绿色屋顶基质WRC提高26%，但提升幅度低于未加工生物炭，原因在于造粒过程降低了生物炭的孔隙率和疏水性。此外，造粒生物炭还能改善出水水质并减少绿色屋顶基质中生物炭和非生物炭颗粒的侵蚀损失。然而，目前尚缺乏针对造粒与未加工生物炭改良绿色屋顶基质水力特性的系统对比研究，特别是缺乏高分辨率的水力特性测量数据来阐明其潜在作用机制。

二、研究内容与主要结论

本研究以针叶木屑废弃物为原料制备未加工生物炭（625°C慢速热解，停留时间约20分钟），并通过滚筒造粒工艺制备造粒生物炭。未加工生物炭筛分为0.25–0.5、0.5–1、1–2、2–2.8、2.8–4 mm五个粒径等级，造粒生物炭筛分为1–2、2–2.8、2.8–4、4–6.3 mm四个粒径等级，其中1–4 mm重叠粒径范围用于精确对比生物炭造粒效应。两种生物炭均以20吨/公顷（约4.5% w/w）的剂量添加到符合FLL标准的商业绿色屋顶基质中。研究人员利用高精度KSAT和HYPROP设备分别测定基质饱和导水率（K_sat）和SWCC，并结合扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和氮气吸附-脱附等温线等手段表征生物炭的表面形貌、化学官能团和孔隙结构特征。

研究得出以下主要结论：造粒生物炭和中等粒径未加工生物炭可能改善绿色屋顶基质的雨水管理性能；添加造粒生物炭可提高基质田间持水量；细粒径未加工生物炭虽能降低K_sat，但可能增加侵蚀和水涝风险；造粒生物炭呈现均匀的表面和孔隙特征；未加工生物炭的BET比表面积随粒径减小而增大。该研究首次系统对比了造粒与未加工生物炭在不同粒径等级下对绿色屋顶基质孔隙特征和水力特性的影响，为绿色屋顶基质的生物炭优化设计提供了科学依据，对提升城市雨洪管理能力具有重要的实践意义。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：（1）高精度KSAT设备测定饱和导水率（K_sat）；（2）HYPROP蒸发法装置测定土壤水分特征曲线（SWCC）和非饱和导水率（K_unsat），采用双峰约束van Genuchten（VGbi-PDI）模型拟合数据，并通过均方根误差（RMSE）和校正赤池信息准则（AICc）评估模型拟合优度；（3）扫描电子显微镜（SEM）定性评估生物炭表面结构和形态特征；（4）傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征生物炭表面化学官能团；（5）氮气吸附-脱附等温线结合BET、Dubinin-Radushkevich（DR）、Barrett-Joyner-Halenda（BJH）和密度泛函理论（DFT）方法测定生物炭比表面积、总孔体积、微孔体积、介孔体积及孔径分布。所有水力特性测量均进行重复测定以确保数据可靠性。

四、研究结果

生物炭类型和粒径对基质饱和导水率（K_sat）的影响：未加工生物炭添加显著降低了基质K_sat，且降低幅度随生物炭粒径减小而增大，细粒径（0.25–0.5 mm）未加工生物炭的降低效应最为显著。造粒生物炭对K_sat的影响相对较小，且不同粒径等级间差异不显著。这一结果表明，细粒径未加工生物炭通过填充基质孔隙增加水流弯曲度，从而有效降低导水率，但同时也可能增加水涝风险。

生物炭类型和粒径对土壤水分特征曲线（SWCC）的影响：所有生物炭-基质混合物的SWCC均呈现双峰或多峰特征，验证了研究假设（4）。未加工生物炭在低吸力段（大孔隙区域）的持水能力显著高于造粒生物炭，这归因于未加工生物炭具有更高的大孔隙率。细粒径未加工生物炭在高吸力段（小孔隙区域）表现出更高的持水能力，这与细颗粒具有更大比表面积和更高微孔体积有关。造粒生物炭改良基质的SWCC在不同粒径等级间差异较小，表明造粒过程使生物炭表面和孔隙特征趋于均匀化。

生物炭类型和粒径对持水能力（WRC）的影响：未加工生物炭对基质WRC的提升效果优于造粒生物炭，且细粒径未加工生物炭的提升效果最为显著。然而，中等粒径（1–2 mm和2–2.8 mm）生物炭在平衡持水与排水性能方面表现最佳，既有效提高了WRC，又未过度降低K_sat，从而在雨水滞留和滞蓄之间取得了良好平衡，验证了研究假设（3）。

生物炭表面和孔隙特征分析：SEM图像显示，未加工生物炭表面呈现不规则的多孔结构，而造粒生物炭表面更为均匀致密。FTIR分析表明，两种生物炭均含有丰富的含氧官能团，但造粒过程可能改变了部分官能团的含量和分布。氮气吸附-脱附分析显示，未加工生物炭的BET比表面积随粒径减小而增大，细粒径生物炭具有更高的微孔体积和总孔体积；造粒生物炭的比表面积和孔体积显著低于同粒径未加工生物炭，但其表面和孔隙特征在不同粒径等级间更为一致。这些物理化学特征差异是导致两种生物炭水力性能差异的根本原因。

五、讨论与结论

讨论部分指出，生物炭对绿色屋顶基质水力特性的影响机制主要涉及三个方面：一是生物炭自身孔隙结构对基质孔隙网络的贡献；二是生物炭颗粒对基质孔隙的填充和堵塞效应；三是生物炭表面化学性质对水分吸附行为的影响。未加工生物炭因其高孔隙率和亲水性表面，能更有效地提高基质持水能力，但细粒径未加工生物炭在降低K_sat的同时可能引发水涝和侵蚀风险。造粒生物炭虽然持水提升效果略逊于未加工生物炭，但其均匀的表面和孔隙特征使其在粒径选择和工程应用方面具有更大优势，且能有效减轻生物炭侵蚀损失。中等粒径生物炭被认为是绿色屋顶基质改良的最佳选择，能够在持水、排水和抗侵蚀性能之间实现最优平衡。

研究结论表明，生物炭造粒和粒径分级是调控绿色屋顶基质水文性能的有效手段。造粒生物炭和中等粒径未加工生物炭均可改善绿色屋顶基质的雨水管理性能，其中添加造粒生物炭可提高基质田间持水量，而细粒径未加工生物炭虽可降低K_sat但存在侵蚀和水涝风险。该研究为绿色屋顶基质中生物炭的合理选择和应用提供了重要的理论依据和实验数据支持，对优化绿色屋顶设计、提升城市雨洪管理效能具有重要的工程实践价值。