生物炭對黑土區(qū)土壤水分及其入滲性能的影響

魏永霞 王 鶴 劉 慧 吳 昱

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030； 3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院， 哈爾濱 150030； 4.黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院， 哈爾濱 150090； 5.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 哈爾濱 150040)

0 引言

土壤水分入滲是指降水或灌溉水由地表進入土壤的過程，是土壤水分運動中心環(huán)節(jié)，對地表徑流、地表侵蝕、地下水補給、植物根系吸水等均存在重要影響[1-3]。土壤入滲能力直接影響土壤含水率，決定土壤水分有效庫容及作物對土壤水分可利用率。由于東北黑土區(qū)的地理條件以及黑土入滲能力弱等原因，導(dǎo)致黑土區(qū)水資源利用效率低。因此，研究分析黑土區(qū)土壤水分入滲規(guī)律不僅可以改善土壤結(jié)構(gòu)、增加水資源利用效率，還可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)[4-5]。

生物炭是由植物生物質(zhì)在高溫缺氧或無氧狀況下裂解炭化而成的一種高度芳香化的難熔性物質(zhì)[6]，具有巨大比表面積、高度發(fā)達孔隙結(jié)構(gòu)及較強離子吸附交換能力[7]。已有研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可改善土壤理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及蓄水持水能力等[8-9]，土壤中添加生物炭后可增加土壤孔隙度、降低土壤容重[10]、增加土壤團聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性[11]、提高土壤入滲能力及持水性[12]等。國內(nèi)外學(xué)者在添加生物炭對土壤水分入滲的影響方面進行了大量的研究。TRYON[13]在研究中發(fā)現(xiàn)，生物炭改善了土壤結(jié)構(gòu)，使沙土土壤的有效水含量增加，但黏質(zhì)土壤的有效水含量減少；齊瑞鵬等[14]通過土柱試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭明顯降低了沙土的入滲能力，卻增強了塿土的入滲能力；王艷陽等[15]發(fā)現(xiàn)，生物炭-土壤的雙層結(jié)構(gòu)不僅增加了上層土壤蓄水能力，而且對下層土壤的持水性能也顯著提高；岑睿等[16]發(fā)現(xiàn)，粘土中施加生物炭量30 t/hm2時，施用層(0～40 cm)土壤入滲速率增加44.6%、含水率增加8.9%、累積入滲量增加45.45%。劉易等[17]研究認為，生物炭的施炭量不同，對不同程度鹽漬化土壤的入滲速率、累積入滲量不同，中鹽漬化土壤施加生物炭后促進了土壤入滲，重鹽漬化土壤中對水分入滲卻是抑制作用。上述研究結(jié)果可看出，不同質(zhì)地土壤中添加生物炭對土壤入滲的影響差異較大，這與生物炭對不同土壤性能改變不同有關(guān)[18-19]。

目前，東北黑土區(qū)對土壤水分改良措施研究多集中于地膜、秸稈覆蓋等方面，而針對生物炭對土壤水分改良的研究相對較少，對施用生物炭后土壤水分入滲過程及入滲模型的研究更為少見。本文在僅施加一次生物炭、施炭量為0、75 t/hm2的條件下，采用室內(nèi)一維垂直定水頭法與室外徑流小區(qū)相結(jié)合，研究3年土壤水分動態(tài)變化和土壤累積入滲量、入滲速率、濕潤鋒運移距離等入滲特征指標，分析施炭后土壤水分變化及其入滲規(guī)律，對比評價Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型3種入滲模型的適用性。旨在揭示黑土區(qū)施加生物炭后連續(xù)多年土壤水分入滲規(guī)律，為該區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源高效可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于北緯45°43′09″，東經(jīng)126°36′35″的黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗基地，該試驗區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫3.1℃，無霜期130～140 d，多年平均水面蒸發(fā)量796 mm，耕地土壤多以黑土為主，入滲能力較弱，年平均降水量介于400～650 mm，7—9月降雨量占全年降雨總量的70%以上。該區(qū)主要糧食作物為大豆和玉米。

1.2 試驗材料

供試生物炭購于遼寧金和福開發(fā)有限公司，采用玉米秸稈在450℃無氧條件下燒制而成，粒徑為1.5～2.0 mm，全碳質(zhì)量分數(shù)70.38%，全氮質(zhì)量分數(shù)1.53%，全磷質(zhì)量分數(shù)0.73%，全鉀質(zhì)量分數(shù)1.66%，灰分質(zhì)量分數(shù)31.8%，pH值為9.36。供試大豆品種為黑河3號。供試土壤為壤土，有效磷(P2O5)質(zhì)量比為16.9 mg/kg，銨態(tài)氮(N)質(zhì)量比為100.9 mg/kg，速效鉀(K2O)質(zhì)量比為280.1 mg/kg，干容重為1.22 g/cm3，0～80 cm土層平均田間持水率為29.4%。

1.3 試驗設(shè)計

野外試驗在黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗基地徑流小區(qū)進行，小區(qū)規(guī)格為2 m×5 m，分別設(shè)置施加生物炭(BC組)和不施加生物炭(CK組)處理，生物炭施用量根據(jù)前期試驗成果選擇施用增產(chǎn)效果較好的75 t/hm2[20]，每個小區(qū)重復(fù)3次，共計6個小區(qū)。生物炭僅在2016年施入耕層(0～20 cm)，2017、2018年不再施加，徑流小區(qū)采用相同的施肥方案，化肥施用量與當?shù)剞r(nóng)民習慣施加水平一致并以底肥形式一次性施入。室內(nèi)采用土柱試驗測定土壤水分入滲過程，土樣為大豆成熟期的耕層(0～20 cm)土，在自然狀態(tài)下風干后剔除雜草雜物，研磨過2 mm篩后待用。

1.4 觀測指標與方法

1.4.1土壤含水率

采用干燥法測定大豆各個生育期末(苗期、分枝期、開花-結(jié)莢期、鼓粒期)0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm不同土層的土壤含水率，分析土壤水分的動態(tài)變化。

極值比Ka和變異系數(shù)Cv可表征施生物炭后土壤含水率的變異程度，Ka計算式為

(1)

式中Xmax——土壤含水率的最大值，cm3/cm3

Xmin——土壤含水率的最小值，cm3/cm3

1.4.2土壤水分入滲性能參數(shù)

采用垂直入滲試驗測定土壤水分入滲過程，試驗土樣取自各年大豆成熟期，嚴格按照田間徑流耕層土壤容重配比土柱用土，試驗裝置為內(nèi)徑10 cm、高80 cm的有機玻璃土柱，每年設(shè)置CK組和BC組兩個處理，3次重復(fù)，每年共計6個土柱。裝土時，用凡士林涂滿有機玻璃筒壁，然后裝土并將土柱內(nèi)壁邊緣土壤壓實保證無邊緣效應(yīng)，裝土至60 cm。試驗過程中，利用馬氏瓶定水頭供水，維持土面5 cm的積水深度，分時間段記錄馬氏瓶水位變化和濕潤鋒下移位置。0～5 min每30 s記錄1次，5～15 min每1 min記錄1次，15～30 min每3 min記錄1次，30～60 min每5 min記錄1次，60～120 min每10 min記錄1次，120 min后每30 min記錄1次，當濕潤鋒到達40 cm停止試驗記錄。

每次在土柱上選取6個方向分別讀取濕潤鋒距離，將讀取的6個濕潤鋒點數(shù)據(jù)取平均值作為最終濕潤鋒距離；采用0～5 min土壤入滲速率均值作為初始入滲速率；采用各時刻土壤入滲量之和作為土壤累積入滲量；每年最終數(shù)據(jù)取3次重復(fù)的平均值。

分別選取Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型3個入滲模型對土壤入滲速率和入滲時間的關(guān)系進行擬合，分別為：

Philip模型

f(t)=0.5st-0.5+fc

(2)

式中f(t)——土壤入滲速率，mm/min

fc——土壤穩(wěn)定入滲速率，mm/min

t——時間，mins——模型參數(shù)

Kostiakov模型

f(t)=atb

(3)

式中a——模型參數(shù)，代表土壤水分入滲開始第1時段的平均入滲速率，mm/min

b——模型參數(shù)，表示土壤水分入滲速率隨時間變化的快慢程度

Horton模型

f(t)=fc+(f1-fc)e-kt

(4)

式中f1——土壤初始入滲速率，mm/min

k——衰減指數(shù)

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2010和Origin 9.0軟件進行基本數(shù)據(jù)處理、繪圖，利用SPSS 19.0進行擬合度檢驗和顯著性分析，采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)和多重比較中最小顯著性差異法(LSD)比較各土壤入滲速率差異，顯著性水平為0.05，應(yīng)用Matlab 2016軟件進行土壤水分入滲的擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對土壤含水率的影響

2.1.1對土壤含水率動態(tài)的影響

2016年施加生物炭后，2016—2018年大豆各生育期土壤含水率在土壤剖面的動態(tài)變化如圖1所示。每個生育期內(nèi)3年各處理土壤含水率隨土層深度變化趨勢一致，苗期土壤含水率均呈“下降-上升-再下降”趨勢；分枝期變化情況與苗期相反，表現(xiàn)為“上升-下降-再上升”，這是因為降雨后前期水分保留在土壤中，當陽光直射于土壤表層時土壤含水率會減小，表層土壤含水率就會小于20 cm土層土壤含水率；開花-結(jié)莢期和鼓粒期土壤含水率在土壤剖面變化也呈“上升-下降-再上升”趨勢，但與分枝期不同之處在于20～60 cm土層含水率一直是減小的狀態(tài)，土層深度達60 cm后土壤含水率又開始再次增加。

3年土壤含水率分布在22%～32%范圍內(nèi)，各年由于降雨蒸發(fā)情況不盡相同，各含水率之間存在差異，但在不同年份BC組土壤含水率均高于CK組。同一年中施炭處理與不施炭處理土壤含水率在耕層差異最大，苗期2016年耕層土壤含水率增長率為14.54%，2017、2018年分別為11.48%和7.08%；分枝期2016、2017、2018年土壤含水率增加率分別為8.46%、6.90%和4.97%；開花-結(jié)莢期增長率分別為8.32%、5.99%和4.69%；鼓粒期土壤含水率的增長率分別為4.27%、4.05%和1.76%。圖1中土壤含水率動態(tài)曲線隨土層深度增加，同一年的BC組和CK組曲線間距越來越小，表明土壤含水率的差異在逐漸減小，60～80 cm土層3年各處理的土壤含水率差異不顯著，主要是由于生物炭僅施加在土壤的耕層，對深層土壤水分影響不明顯所致。同時可看出各生育期土壤含水率增加量隨著施炭后年限的延長而減小，主要是由于生物炭僅在第1年施加，后續(xù)試驗?zāi)曛猩锾坑猩倭恳寻l(fā)生降解，對土壤水分已不再產(chǎn)生效果。

2.1.2土壤含水率在土壤垂直剖面的變異程度

分析土壤含水率的變異性可充分了解其變異程度，通常同一年的施炭處理和不施炭處理之間變異程度越大說明生物炭對增加土壤含水率的效果越好，本文采用極值比Ka和變異系數(shù)Cv表示土壤含水率的變異程度，Ka和Cv越小說明土壤含水率變異程度越小，變異性分析見表1。

相同處理Ka和Cv隨著土層深度增加總體上呈減小趨勢，這主要是由于耕層土受外界環(huán)境影響比較大，隨土壤深度增加土壤受外界影響逐漸減弱，故土層越深土壤含水率變異程度越小。相同年份同一土層深度，施炭處理的Ka和Cv比不施炭處理的明顯減小，說明施炭處理的土壤含水率變異程度明顯減小，即施炭處理與不施炭處理之間變異程度增大，生物炭對增加土壤含水率有良好的效果。不同年份，施炭處理在2016年10～20 cm土層Ka和Cv減小幅度最大，并且施炭處理土壤含水率Ka和Cv的減小幅度隨土層增加、施炭年限延長而減弱，這可能與生物炭2016年施加于土壤耕層且2017、2018年兩年未再施加，增強了施炭當年耕層土壤保水持水能力有關(guān)。綜上，生物炭具有良好的提高土壤持水性的能力，且土壤持水性的提高隨施炭年限增加而減弱。

表1 土壤含水率在土壤剖面的變異程度Tab.1 Variation degree of soil water content in soil profile

2.2 生物炭對土壤水分入滲性能的影響

2.2.1對土壤累積入滲量的影響

土壤入滲過程達到穩(wěn)定入滲后可用穩(wěn)定入滲率來表征土壤入滲能力，但未達到穩(wěn)定入滲之前通常用累積入滲量來表征土壤入滲能力[12]，累積入滲量指一定時間段內(nèi)單位表面積入滲到土壤的水分總和[21]。從圖2可看出，在0～5 min范圍內(nèi)各年不同處理土壤累積入滲量變化差異不顯著。隨時間推移5～60 min土壤入滲過程中土壤累積入滲量增加迅速，施炭處理(BC組)與未施炭處理(CK組)土壤累積入滲量差異逐漸顯現(xiàn)，且隨施炭年限的增加不論BC組還是CK組累積入滲量均減小。年份相同時，施炭處理的累積入滲量曲線明顯在不施炭處理之上，即BC組累積入滲量明顯多于CK組；年份不同時，隨施炭年限增加施炭處理累積入滲量的增長率逐漸減小，2016、2017、2018年BC組與CK組相比累積入滲量分別增長了143.85%、128.99%和114.03%。土壤入滲大于60 min后，各土壤累積入滲曲線達穩(wěn)定入滲階段，累積入滲量隨時間均勻增長，同一年中BC組累積入滲量高于CK組，不同年份隨施炭年限增加累積入滲量減小，這主要因為生物炭的添加有利于形成較大的孔隙度和比表面積，減小土壤容重，土壤容重又與土壤入滲性能負相關(guān)，土壤容重減小，土壤入滲能力增強，說明施用生物炭可以明顯增大土壤累積入滲量，增強土壤入滲能力，且入滲能力的增強效果隨生物炭施加年限的增加而減弱。

圖2 各處理土壤累積入滲量隨時間的變化曲線Fig.2 Variation curves of soil cumulative infiltration in each treatment with time

采用冪函數(shù)I=ctd對3年土壤累積入滲量進行擬合，I為土壤累積入滲量，c為入滲系數(shù)，d為入滲指數(shù)，擬合結(jié)果見表2，R2均不小于0.991，說明單次施用生物炭后連續(xù)3年土壤累積入滲量與時間均具有較好的冪函數(shù)關(guān)系。各年施炭處理的入滲系數(shù)和入滲指數(shù)較不施炭處理均有所增加。經(jīng)檢驗各年BC組的F值均大于CK組，說明施炭處理與不施炭處理之間土壤累積入滲量的差異明顯，表示生物炭可以增加土壤累積入滲量，提高土壤入滲性能。

表2 各處理土壤累積入滲量隨時間變化過程的擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of each treatment of soil cumulative infiltration with time

2.2.2對土壤入滲速率的影響

土壤入滲速率也是表征土壤入滲能力的重要指標之一。從圖3可看出，開始5 min內(nèi)土壤入滲速率迅速減小，5～60 min隨著入滲時間的增加土壤入滲速率逐漸減小且變化趨勢趨于平緩，60 min后土壤入滲速率變化不明顯，接近穩(wěn)定狀態(tài)，即入滲時間在60 min左右時認為達到穩(wěn)定入滲速率。同一入滲時刻，施加生物炭處理的土壤入滲速率明顯高于未施炭處理，且隨施炭年限增加同一時刻的土壤入滲速率有所下降，就t=20 min而言，施炭組(BC組)的3年土壤入滲速率在該時刻由大到小為2016年、2017年、2018年，各土壤入滲速率分別為6.87、5.72、4.41 mm/min。未施炭組(CK組)土壤入滲速率3年內(nèi)相差不大，同時5～60 min內(nèi)入滲速率隨生物炭施加年限的增加而變小，這可能與徑流小區(qū)3年種植同一種作物(大豆)使土壤板結(jié)有關(guān)。

圖3 各處理土壤入滲速率隨時間的變化曲線Fig.3 Changing curves of soil infiltration rate with time

各處理的土壤初始入滲速率(f1)、穩(wěn)定入滲速率(fc)以及150 min的平均入滲速率變化情況如表3所示。土壤初始入滲速率BC組較CK組顯著增加，2016、2017、2018年f1分別增加了70.48%、58.98%和48.41%，說明土壤中施用生物炭可以改變土壤初始入滲速率，使其增加顯著，且增加程度隨施炭年限的延長而減弱。土壤穩(wěn)定入滲速率是一個極為重要的判斷土壤入滲性能的指標之一，3年fc由大到小依次為2016年BC(1.65 mm/min)、2017年BC(1.22 mm/min)、2018年BC(1.17 mm/min)、2016年CK(0.46 mm/min)、2017年CK(0.43 mm/min)、2018年CK(0.38 mm/min)，可知3年BC組fc均高于CK組，表明生物炭施入土壤后顯著提高了土壤的入滲性能，雖然提高效果隨施炭年限增加而減弱，但對fc依然是促進作用，說明生物炭對土壤入滲性能的改善作用很強。土壤平均入滲速率在施加生物炭后的變化趨勢同f1、fc一致，土壤各入滲速率的主要影響因子是土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)、土壤初始含水率和土壤的地貌特征。由于生物炭自身具有孔隙度大、比表面積大、吸附性強的特點，施入土壤后，使土壤容重降低、孔隙度增大，更易于形成水穩(wěn)性團聚體，使土壤水分在入滲過程中入滲速度加快，促進地表水分快速進入土壤，對黑土區(qū)夏季暴雨頻發(fā)導(dǎo)致的耕地侵蝕、水土流失等現(xiàn)象也有所改善。

表3 各處理土壤水分入滲特性Tab.3 Soil moisture infiltration characteristics in each treatment mm/min

注：同列不同小寫字母表示同一年各處理差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2.3對濕潤鋒運移的影響

土壤水分入滲過程中，可從上到下將土壤水剖面分為飽和層、延伸層、濕潤層和濕潤鋒，濕潤區(qū)前端與干土層形成的明顯交界面稱作濕潤鋒[22]，濕潤鋒可表征水分在土壤基質(zhì)吸力和重力作用下的運動特征。施用生物對濕潤鋒運移有明顯影響(圖4)，沿土層深度的垂直方向上各處理濕潤鋒均隨入滲時間增加而向下運移。在入滲初期(前5 min)各處理濕潤鋒之間差異不明顯；5～30 min濕潤鋒運移距離隨入滲時間增加而迅速增加，t=20 min時，2016、2017、2018年施炭組濕潤鋒運移距離分別為14.74、12.94、8.81 cm，較同年未施炭組分別增加了106.44%、96.75%和80.11%，說明生物炭施入土壤后大幅度增強了土壤水垂直下滲能力，促進了濕潤鋒的運移；隨入滲時間繼續(xù)延長(30～60 min)，各濕潤鋒變化趨于平緩，60 min后濕潤鋒運移距離開始穩(wěn)步增長；當入滲時間達到150 min時，3年6個處理的濕潤鋒最終運移距離分別為14.33、32.24、13.12、30.27、10.35、26.94 cm，施用生物炭可以很大程度增加土壤水分的入滲、促進濕潤鋒的運移，并且施炭后在2016、2017、2018年濕潤鋒運移距離大體上呈現(xiàn)減小狀態(tài)，說明生物炭可以更易于土壤水垂直向下入滲到更深土層供給作物生長發(fā)育，而且單次施用生物炭后連續(xù)3年中這種趨勢逐漸減弱，但對提高入滲能力的作用依然很顯著。

圖4 各處理濕潤鋒運移距離隨時間的變化曲線Fig.4 Changing curves of humid peak migration distance of each treatment with time

為進一步探究單次施用生物炭后連續(xù)3年內(nèi)各處理濕潤鋒運移距離與入滲時間的關(guān)系，采用冪函數(shù)L=et3+ft2+gt+h(e≠0,f、g、h為常數(shù))對其進行擬合，L為濕潤鋒運移距離，擬合結(jié)果見表4。決定系數(shù)R2在0.963～0.998范圍內(nèi)，表明3年6個處理的濕潤鋒運移距離與時間具有較好的三次函數(shù)關(guān)系。經(jīng)檢驗同一年中F值在施炭小區(qū)大于不施炭小區(qū)，F(xiàn)值越大說明施炭處理與不施炭處理濕潤鋒運移距離之間的差異越明顯，表明生物炭很明顯地增加了土壤累積入滲量、入滲速率，提高了土壤入滲性能，促進了濕潤鋒的運移；并且F值在生物炭施用當年數(shù)值明顯高于其他兩年，各處理F值隨年份延長迅速減小，2017年與2018年相同處理F值較為接近，說明生物炭對濕潤鋒運移的促進效果在施用當年最為明顯而后逐年減弱。

表4 各處理濕潤鋒運移距離隨時間變化的擬合結(jié)果Tab.4 Fitting result of each treatment of humid peak migration distance with time

2.2.43種入滲模型的模擬結(jié)果分析

為進一步探究各年各處理土壤入滲速率與時間變化的關(guān)系以及各入滲模型在黑土區(qū)的適用性，將入滲速率隨時間變化的數(shù)據(jù)利用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型3個常用的入滲模型進行擬合，擬合結(jié)果如表5所示。決定系數(shù)R2的取值范圍為[0,1]，R2越接近1，表明方程變量對土壤入滲速率的解釋能力越強，這一模型對已有數(shù)據(jù)的擬合程度也就越好；均方根RMSE越趨近于0，說明所選模型的擬合度越佳。Philip模型的R2在0.929～0.968之間，RMSE在1.202～2.225 mm/min之間，表明Philip模型對土壤入滲速率隨時間關(guān)系的擬合程度較好，反映土壤水分入滲能力的吸濕率s越大代表土壤水分入滲能力越強，施炭組的s由大到小依次為2016年、2017年、2018年，這與實際土壤水分入滲能力相一致，但Philip模型擬合的穩(wěn)定入滲速率fc在-1.463～-1.178 mm/min范圍內(nèi)，與實際的fc正負相反，且各CK組fc值與真實值相差較多，說明Philip模型不適用于本試驗研究。Kostiakov模型的R2都不小于0.946，RMSE在0.516～1.941 mm/min范圍內(nèi)，表示該模型對于土壤入滲速率隨時間變化的擬合度良好。Horton模型的R2在0.842～0.924之間，RMSE各處理均大于2 mm/min，同時模型擬合的fc過高，不符合穩(wěn)定入滲速率真實物理意義，所以Horton模型不適用于擬合本研究土壤入滲速率。故Kostiakov模型最為適合于分析黑土區(qū)單次施用生物炭后連續(xù)多年土壤水分入滲的過程。

表5 各處理3種土壤水分入滲模型擬合結(jié)果Tab.5 Fitting results of three kinds of soil moisture infiltration models

參數(shù)a代表土壤水分入滲開始第1時段的平均入滲速率，第1時段平均入滲速率越大土壤入滲性能越好；參數(shù)b表示土壤水分入滲速率隨時間變化的快慢程度，參數(shù)b越大土壤水分入滲速率隨時間增加遞減越快[23]。Kostiakov模型擬合得到的參數(shù)a和b在各年施用生物炭后均有所增加，3年擬合參數(shù)a分別為10.58、20.29、9.93、18.23、9.39、16.80 mm/min，參數(shù)a在2016—2018年各自增加了9.71、8.30、7.41 mm/min，增加率分別為91.78%、83.59%和78.91%；BC組擬合參數(shù)b與CK組相比2016—2018年分別增大了0.138、0.195和0.155，增長率為22.77%、31.97%和23.52%，說明施炭后參數(shù)a代表的第1時段平均入滲速率的增加幅度明顯高達90%以上，且隨著施炭年限增加平均入滲速率的增加率減小，施炭后參數(shù)b表示的入滲速率隨時間增加遞減加快，但加快幅度僅為第1時段平均入滲速率增加幅度的1/3，且與生物炭施用年限關(guān)系并無明顯差異。

3 討論

土壤水是地表水和地下水的紐帶，是植物生長的必要水源，土壤水分相對充足對作物生長利大于弊，本研究結(jié)果表明在單次施加生物炭后連續(xù)3年中，施炭小區(qū)各個生育期不同土層土壤含水率明顯增加，高于未施炭小區(qū)，與CASTELLINI等[24]研究結(jié)果一致，本研究3年土壤含水率分布在22%～32%范圍內(nèi)，施炭后土壤含水率的增加率為1.76%～14.54%，土壤含水率在施用生物炭當年增加量最大，土壤含水率增加量隨著施炭后年限的增長而減小，各土層土壤含水率增長隨土層增加而減少，60～80 cm土層各處理的土壤含水率差異不明顯。3年施炭處理土壤含水率的變化幅度Ka和變異系數(shù)Cv均減小，且變異性的減弱程度也隨生物炭施用年限增加而變小，說明生物炭可明顯增加土壤水分，這主要是生物炭施入土壤后，由于自身具有較大比表面積、多孔結(jié)構(gòu)、親水性、吸附力大等特點，通過改善土壤理化性質(zhì)將更多水分留在土壤中，與相關(guān)研究結(jié)果[25-26]一致。土壤含水率增加主要因素為生物炭，次要因素為施炭年限和土層深度；僅一次施用生物炭對土壤含水率的影響程度逐年減弱、隨土層深度增加而減小。土壤含水率隨土層深度的變化主要是耕層土受外界環(huán)境影響較大，隨土層深度增加土壤受外界影響逐漸減弱，與勾芒芒等[27]所述一致。

土壤水分入滲過程各處理土壤水分的累積入滲量、入滲速率、濕潤鋒曲線均呈先陡峭后平緩的趨勢，且隨施炭年限增加各年BC組曲線呈下降態(tài)勢。土壤入滲5～30 min曲線變化明顯，可能是土壤水分含量少、基質(zhì)勢較大、生物炭中含有較多親水官能團，使入滲早期土壤吸水速度快，土壤水分變化大，與劉易等[17]結(jié)果相同；隨著土壤水分繼續(xù)入滲，土壤水分含量增多、基質(zhì)勢減小，土壤入滲速率減小且減少程度逐漸減弱[16]，在累積入滲量、入滲速率、濕潤鋒進程曲線圖上變化逐漸趨于平緩，同文獻[15,28]研究結(jié)論一致。在施用生物炭情況下，土壤團聚體含量增加、孔隙度增大，增加有效孔隙和過水橫斷面積，促進水分流通通道形成，減弱水分流動的復(fù)雜程度，使得土壤累積入滲量增多、入滲速率增大、濕潤鋒進程加快。入滲能力隨施用生物炭年限逐年減弱，可能是因為施炭后BC組隨年限增加土壤中小顆粒所占比例逐漸增多，大孔隙減少，使土壤進一步緊實，從而降低了土壤水分入滲的性能，與譚帥等[29]研究結(jié)果相符。因此施用生物炭增大了土壤的通透性，促進了土壤水分的入滲，且入滲能力的促進作用隨施用生物炭年限的增加而減弱。

本研究中Philip模型擬合的fc與實際土壤入滲的fc正負相反，不符合實際施加生物炭后土壤穩(wěn)定入滲速率的變化趨勢，與實際結(jié)果有出入，故該模型擬合欠佳。Horton模型R2相對較小、RMSE均大于2 mm/min，同時此模型擬合的fc過高，不符合穩(wěn)定入滲速率真實物理意義，所以Horton模型對于擬合黑土區(qū)施加生物炭后土壤水分入滲過程有一定缺陷，同樣不適合于本研究數(shù)據(jù)的擬合。Kostiakov模型各處理R2最高(0.946～0.991)、RMSE最小(0.516～1.941 mm/min)，并且沒有出現(xiàn)擬合參數(shù)與實際情況不符的現(xiàn)象，所以在本研究中Kostiakov模型擬合土壤入滲過程最優(yōu)，這與文獻[16,30-31]在土壤水分入滲模型的研究中得出的結(jié)果一致。綜上Kostiakov模型較好擬合黑土區(qū)生物炭添加條件下土壤水分的入滲過程，對該區(qū)土壤入滲適用性優(yōu)。

本研究取徑流小區(qū)土壤在室內(nèi)一維垂直土柱中進行的入滲試驗，沒有考慮大田的自然土壤水蒸散發(fā)、日照、濕度、溫度、風速等土壤地理環(huán)境，也沒有考慮土壤水平發(fā)生的入滲，故有待增加大田試驗考慮多重因素后進一步分析，獲得更為精準的生物炭施用后連續(xù)多年對土壤入滲性能的調(diào)節(jié)作用。

4 結(jié)論

(1)黑土區(qū)施加生物炭可有效提高土壤含水率，且持續(xù)效應(yīng)明顯，土壤含水率增長率隨生物炭施用年限的增加而減小。2016—2018年苗期耕層土壤含水率增加最多，分別增加了14.54%、11.48%和7.08%。生物炭施入土壤后可減小土壤含水率的極值比Ka和變異系數(shù)Cv，提高土壤持水保水性，且施炭年限越長，其效果越弱。

(2)生物炭可明顯提高土壤入滲能力，增加土壤累積入滲量和入滲速率，且增加效果隨施用年限增加而減弱，土壤累積入滲量與時間具有良好的冪函數(shù)關(guān)系。施炭后各年份累積入滲量由大到小依次為2016年、2017年、2018年，2016—2018年初始入滲速率分別增加了70.48%、58.98%和48.41%，3年土壤fc由大到小依次為2016年BC處理(1.65 mm/min)、2017年BC處理(1.22 mm/min)、2018年BC處理(1.17 mm/min)、2016年CK處理(0.46 mm/min)、2017年CK處理(0.43 mm/min)、2018年CK處理(0.38 mm/min)。

(3)生物炭可促進濕潤鋒的運移，對濕潤鋒運移的促進效果隨施炭年限延長而逐漸減弱，且濕潤鋒距離與時間呈三次函數(shù)關(guān)系，R2在0.963～0.998之間。2016—2018年中，2016年BC處理濕潤鋒運移距離最深，達32.24 mm，2017、2018年BC處理濕潤鋒運移距離逐漸減小，分別為30.27 mm和26.94 mm。

(4)Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型中，Kostiakov模型可較好地模擬本研究的土壤水分入滲過程，其R2最高(0.946～0.991)、RMSE最小(0.516～1.941 mm/min)，由該模型擬合的各年的參數(shù)a值表明，施加生物炭使第1時段平均速率明顯增加，與研究結(jié)果相符。