棉秆生物炭粒径对盐碱土孔隙结构与水分入渗的调控：粒径的主导作用

《Environmental Technology & Innovation》：Regulating Soil Pore Structure and Water Infiltration in Saline-Alkali Soil: The Dominant Role of Cotton Biochar Particle Size

　　

较大的生物炭（biochar）颗粒能够形成更好的土壤孔隙通道，使水分更快速地排出；极细的纳米生物炭（nano-biochar）可能堵塞微小土壤孔隙，减缓盐碱土（saline-alkali soil）中的水分运动；选择适宜的生物炭粒径有助于改善土壤排水。

**论文解读**

由Junxiao Zhang、Changxue Wu、Xiangwen Xie、Yongmei Xu、Wanli Xu与Emmanuel Arthur开展的研究，利用室内土柱试验和X射线CT技术，系统考察了棉秆生物炭粒径对盐碱土孔隙网络和水分入渗的调控作用。

**研究背景与问题**：土壤盐渍化是干旱半干旱区农业可持续发展的关键制约因素。盐碱土（saline-alkali soil）压实度高、孔隙连通性低、渗透性差；地表水分蒸发使盐分向表层聚集，造成出苗困难和减产。由于盐分无法下排，形成“入渗不良—排水不畅—盐分累积—结构恶化”的恶性循环。生物炭（biochar）可改善土壤结构并促进入渗，但已有结果受生物炭粒径影响而存在矛盾；针对盐碱土中生物炭粒径如何影响非饱和入渗及三维孔隙结构演变，仍缺乏系统研究。X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography, CT）可无损量化孔隙形态与连通性。研究人员假设纳米级生物炭（B1）会通过物理堵塞破坏孔隙连通性并抑制入渗，毫米级生物炭（B3）则通过重构大孔隙网络促进入渗，并对此进行了试验验证。

**研究内容与结论**：研究人员以新疆克拉玛依大农业开发区农田（45°27′31″N，84°55′34″E）0–45 cm盐碱土为对象，将水热法制备的棉秆生物炭分为纳米（B1）、微米（B2）和毫米（B3）级，以1%（w/w，干土基）施用于0–20 cm土层，设不施生物炭对照（B0），进行土柱入渗试验及入渗结束后CT扫描。结果表明，生物炭粒径对水力响应起主导作用：B1增加微孔比例但堵塞孔隙、降低连通性并延缓湿润锋，抑制入渗；B3提高总孔隙度、促进大孔隙形成并改善孔喉连通性，加速湿润锋推进；B2形成较均衡的孔隙系统，入渗能力居中。初始入渗率主要受大孔隙体积和连通性控制，稳定入渗率受总孔隙度和孔喉特征共同影响。这些发现表明，合理选择微米至毫米级生物炭粒径可改善盐碱土入渗行为，但盐分淋洗和水分利用效率等潜在效益仍需直接验证。

**主要技术方法**：研究方法包括室内土柱入渗试验、Horton入渗模型拟合、X射线CT扫描与图像定量分析、统计检验。供试土壤采自新疆克拉玛依大农业开发区（45°27′31″N，84°55′34″E）；棉秆生物炭由水热法制备并筛分为B1、B2、B3。入渗结束后对0–20 cm土层中心区域进行CT扫描，体素大小127 μm；用Avizo 2020.1进行滤波、分割、形态学处理和孔隙网络模型（pore network model, PNM）提取；用单因素方差分析（analysis of variance, ANOVA）、Tukey HSD检验和Mantel检验分析数据。

**研究结果**：3.1 粒径分布与孔隙特征——球磨显著减小水热炭粒径，主峰669.2 nm，多分散指数（polydispersity index, PDI）0.557；未球磨样品Dv(50)为67.2 μm。X射线衍射（X-ray diffractometry, XRD）显示三种生物炭均为无定形碳，B1衍射峰最宽最低；傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectrometry, FTIR）显示B1表面含氧官能团减弱；扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）显示B1颗粒破碎、表面粗糙并有二次孔隙；Brunauer-Emmet-Teller（BET）比表面积分析表明B1比表面积和总孔体积最大，B3平均孔径最大。3.2 土壤水分入渗——湿润锋深度随时间增加，B3推进最快并在280 min到达土柱底部，B1最慢；Horton模型参数表明B3入渗速率最高，B1显著减缓入渗。3.3 土壤孔隙网络结构——三维图像显示B0孔隙致密但破碎，B1微孔多且网络稀疏，B2较均匀，B3大孔隙和骨架通道显著增加；B0孔隙度和总孔数最低，分别比B3低29.56%和13.59%；B1配位数（ligancy）最低；B3总孔数和孔隙度最高。3.4 土壤孔隙结构分布与连通性——B0孔隙半径、表面积和体积分布窄而集中，连通性低；B1偏向小孔径，微孔多、大孔少，孔喉长度增加，部分超过800 μm；B2中孔占比较高，系统更均衡；B3分布右移，大孔和骨架孔隙比例高，渗透性提高但持水能力可能下降。3.5 孔隙网络结构与土壤水分入渗动态——Mantel检验显示，初始入渗率与孔体积、孔径、孔隙度和孔喉数量显著正相关（r>0.8，p<0.001）；稳定入渗率与孔隙度、连通性和孔喉通道数高度相关（p<0.01），大孔隙和连通性对前期入渗影响最大。

**讨论与结论**：讨论部分指出，土壤入渗受孔径分布、孔隙连通性和网络复杂度共同控制。B3的快速湿润锋推进并未对应最高稳定入渗率，反映非单调水力响应：连续大孔隙促进快速推进，但毛细储水孔隙减少限制了稳态供水，因此不能简单认为“粒径越大越促进入渗”。B1纳米颗粒易进入并堵塞微孔，B3则形成骨架孔隙和大孔喉；孔喉数量与入渗率正相关，水分在三维孔隙网络中迁移。生物炭粒径与土壤质地的匹配关系是决定改良效果的关键。结论可概括为：生物炭粒径主导盐碱土水力响应；B1堵塞孔隙、抑制入渗，B3通过增加总孔隙度、改善孔喉连通性而加速湿润锋，B2效果居中。初始入渗受大孔隙控制，稳定入渗受总孔隙度和孔喉特征控制。选择适宜粒径可望改善入渗和水利用效率，但相关效益及对盐分淋洗、作物响应的影响仍需进一步试验验证；结论外推到其他土壤、原料、剂量和田间条件需谨慎。