生物炭對黑土區(qū)土壤水分?jǐn)U散與溶質(zhì)彌散持續(xù)效應(yīng)研究

魏永霞 王 鶴 肖敬萍 劉 慧

(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)

0 引言

東北黑土區(qū)作為世界四大黑土區(qū)之一，總面積為1.03×106km2，2018年糧食產(chǎn)量16 885萬t，占全國糧食產(chǎn)量的25.67%，是我國主要糧食生產(chǎn)基地，保障著國家的糧食安全[1]。多年來，由于自然破壞和人類不合理利用使得黑土嚴(yán)重退化，黑土層厚度遠(yuǎn)低于土地開墾初期，致使土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量下降，土壤容重增大、結(jié)構(gòu)變差，導(dǎo)致作物生長環(huán)境惡化[2]，作物產(chǎn)量降低，直接威脅著我國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

土壤水分?jǐn)U散率和水動力彌散系數(shù)是反映土壤水分運動能力的主要參數(shù)，是表征土壤水分?jǐn)U散和溶質(zhì)彌散的重要物理量。非飽和土壤水分?jǐn)U散率可反映土壤孔隙狀況、孔隙分布以及導(dǎo)水性能，同時對土壤水分運動狀況也有一定影響[3]，受土壤的質(zhì)地、密度、容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和地面坡度等諸多因素的影響[4]。非飽和土壤水動力彌散系數(shù)是反映農(nóng)藥化肥等在農(nóng)田土壤中的運移規(guī)律，以及地下水資源保護(hù)和鹽堿地水鹽運動監(jiān)測中不可或缺的參數(shù)[5-7]，受土壤質(zhì)地、含水率、密度、溶質(zhì)種類及濃度等多種因素的影響[8]。因此，已有許多學(xué)者開始研究土壤水分?jǐn)U散率和土壤水動力彌散系數(shù)。

生物炭是由生物質(zhì)在高溫(一般小于700℃)限氧控制條件下經(jīng)過裂解炭化而成的固體物質(zhì)[9]。已有研究表明，施加生物炭后使土壤容重[10-11]和密度降低、孔隙度增加[12]、土壤含水率增加[13]、持水保水性能增強[14-15]、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量增加，從而提高土壤肥力，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)效果[16-17]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可影響土壤水分的運動和溶質(zhì)的運移，如田丹等[18]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對不同種類土壤水分?jǐn)U散率的影響規(guī)律存在一定差異，對粉砂壤土而言，施加0.15 g/g生物炭的處理水分?jǐn)U散率與對照處理相比有所增加，而施加0.05、0.1 g/g生物炭處理時，水分?jǐn)U散率均較對照處理有所減??；對砂土各處理均表現(xiàn)為隨生物炭含量的增大，水分?jǐn)U散率減小。王睿垠等[19]研究表明，在容積含水率相同時，生物炭添加比例越高，土壤水分?jǐn)U散率越小，證明生物炭含量較高可抑制土壤水分的水平擴(kuò)散。許健[20]通過室內(nèi)土柱和室內(nèi)土箱試驗也發(fā)現(xiàn)，生物炭可顯著影響土壤中鹽分的表聚現(xiàn)象，且影響效果與生物炭施加量有關(guān)；生物炭還可以促進(jìn)Na+和Cl-的表層積累、抑制Ca2+和Mg2+的表層積累；同時生物炭還能夠促進(jìn)土壤中可溶性鹽離子的運移速率，而且竹炭處理速率大于木炭處理速率。但目前生物炭在土壤水分?jǐn)U散和溶質(zhì)彌散方面的研究不足，在此方向不同坡度的研究也較為匱乏，生物炭具有較強穩(wěn)定性，可長期存在于土壤中，單次施用生物炭后的一定時間內(nèi)生物炭對土壤水分?jǐn)U散率、土壤水動力彌散系數(shù)的持續(xù)作用研究更為模糊。

本研究采用水平土柱法和Boltzmann變換，分析單次施用生物炭后的4年內(nèi)對不同坡度非飽和土壤水分?jǐn)U散率和非飽和土壤水動力彌散系數(shù)的影響，探究生物炭對坡耕地土壤水分?jǐn)U散運動和溶質(zhì)彌散的持續(xù)作用效果，以期了解生物炭對東北黑土區(qū)坡耕地土壤中水鹽運移的后效應(yīng)，為東北黑土區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源高效可持續(xù)利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于哈爾濱市黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗基地(北緯45°43′9″，東經(jīng)126°36′35″)，總面積55 hm2，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫3.1℃，全年無霜期130～140 d，多年平均水面蒸發(fā)量796 mm，耕地土壤多以壤土為主，入滲能力弱。年降水量為400～650 mm，降水集中且歷時較短，僅7—9月的降雨量就占全年降雨總量70%以上。本試驗區(qū)主要糧食作物為大豆和玉米。

1.2 供試材料

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?jǐn)?shù)70.38%，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.53%，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.73%，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.66%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.7%，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土層平均田間持水量為29.4 cm3/cm3。

1.3 試驗設(shè)計

在黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗基地的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行二因素(坡度、生物炭)完全隨機(jī)試驗，小區(qū)規(guī)格為2 m×5 m，坡度選擇東北黑土區(qū)比較有代表性的1.5°、3°、5°，分別設(shè)置施加生物炭(BC處理)和不施加生物炭(CK處理)，各處理分別以CK1.5、T1.5、CK3、T3、CK5和T5來表示，每個處理3次重復(fù)。根據(jù)前期研究成果[21]生物炭施用量選擇增產(chǎn)效果較好的75 t/hm2，2016年播種前將生物炭粉均勻鋪撒于土壤表面，人工攪拌至與0～20 cm表層土壤充分均勻混合后靜止待用，2017—2019年不再重復(fù)施加生物炭。施肥量各徑流小區(qū)一致，分別為尿素57 kg/hm2、二銨146.5 kg/hm2、氯化鉀63 kg/hm2，均以底肥形式一次性施入。

1.4 試驗指標(biāo)及方法

1.4.1土壤性質(zhì)

(1)土壤容重：采用環(huán)刀法測量，于各年大豆鼓粒期在各徑流小區(qū)0～20 cm土層用體積100 cm3環(huán)刀進(jìn)行取樣，每個小區(qū)3次重復(fù)。

(2)孔隙度：采用DIK-1130型土壤三相儀測定，土樣取自各年大豆鼓粒期各徑流小區(qū)0～20 cm土層，每個小區(qū)3次重復(fù)。

(3)土壤有機(jī)質(zhì)含量：采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。土樣取自各年大豆鼓粒期各徑流小區(qū)0～20 cm土層，每個小區(qū)3次重復(fù)。

1.4.2土壤非飽和水分?jǐn)U散率

目前水平土柱入滲法是測定土壤非飽和水分?jǐn)U散率D(θ)最為準(zhǔn)確的方法[22-23]，本試驗采用該方法，試驗原理見文獻(xiàn)[24-25]。通過馬氏瓶使土柱的進(jìn)水端維持在一個接近飽和的穩(wěn)定壓力水頭，使水分在土柱中作水平吸滲運動，忽略重力作用進(jìn)行試驗。其一維水平流的微分方程和定解條件為

(1)

(2)

式中θ——土壤含水率，cm3/cm3

x——水平入滲距離，cm

t——入滲時間，min

θ0——土柱初始含水率，cm3/cm3

θs——土柱進(jìn)水端含水率，接近于飽和含水率，cm3/cm3

對式(2)進(jìn)行Boltzmann變換，轉(zhuǎn)換為常微分方程

(3)

其中

ξ=xt-0.5

(4)

式中ξ——Boltzmann變換參數(shù)，cm/min0.5

便于實際計算，一般將式(4)轉(zhuǎn)換為差分形式

(5)

試驗所用裝備示意圖如圖1所示，自制帶通氣管的馬氏瓶與直徑5 cm、長60 cm的圓柱透明有機(jī)玻璃管，在裝土過程中，要保證各處理填裝過程都與對照組具有統(tǒng)一的擊實次數(shù)和擊實壓力。各處理土壤均分層裝入試驗裝置的透明有機(jī)玻璃管中，填裝過程也要保證各處理土壤的均一性。由馬氏瓶供水，待濕潤峰到達(dá)整個土柱的2/3(40 cm)時，關(guān)閉供水閥并記錄試驗結(jié)束時間，同時按節(jié)從濕潤峰處逐漸向土柱進(jìn)水端取出土壤，測定相應(yīng)土壤含水率，根據(jù)差分公式計算土壤非飽和水分?jǐn)U散率，每個處理3次重復(fù)。

1.4.3土壤水動力彌散系數(shù)

土壤水動力彌散系數(shù)測定方法與土壤水分?jǐn)U散一致，依然利用水平土柱法進(jìn)行測定。土樣裝填方式與土壤水分?jǐn)U散率相同，仍由馬氏瓶作為供水系統(tǒng)，待供水系統(tǒng)中水流穩(wěn)定后，調(diào)整馬氏瓶使供水位高于土柱頂端至少5 cm。于供水端排氣飽水，使其保持零壓飽和狀態(tài)邊界，記錄供給NaCl溶液初始時間，在濕潤峰達(dá)到2/3土柱長度時，停止供給NaCl溶液并記錄試驗結(jié)束時間，同時按節(jié)從濕潤峰處逐漸向土柱進(jìn)水端取出土壤，測定相應(yīng)土壤含水率和氯離子濃度，計算土壤水動力彌散系數(shù)，每個處理3次重復(fù)。

由文獻(xiàn)[1,26]可知，非穩(wěn)態(tài)一維水平流條件下，溶質(zhì)運移基本方程為

(6)

式中Dsh(θ,v)——土壤水動力學(xué)彌散系數(shù)，cm2/min

v——平均孔隙水流速度，cm/min

C——溶液質(zhì)量濃度，g/L

q——溶液通量，cm3/(min·cm2)

通常情況，Dsh是關(guān)于θ、v的函數(shù)，但在非飽和流中v極小，可忽略不計，而且本試驗水流穩(wěn)定，可將基本方程寫作

(7)

非穩(wěn)態(tài)一維水平流條件下，溶質(zhì)運移的定解條件為

(8)

式中C0——初始質(zhì)量濃度，g/L

Cn——進(jìn)水端邊界質(zhì)量濃度，g/L

對式(8)進(jìn)行Boltzmann變換和復(fù)合函數(shù)求導(dǎo)，將方程轉(zhuǎn)換為

(9)

(10)

根據(jù)式(5)，可將溶質(zhì)定解條件變?yōu)?/p>

(11)

最終可推導(dǎo)出土壤水動力彌散系數(shù)為

(12)

為方便實際計算，一般將式(12)轉(zhuǎn)換為差分形式

(13)

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)用Excel 2010、Origin 9.1對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理與圖表繪制，采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行回歸分析、經(jīng)驗公式擬合及顯著性分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對土壤性質(zhì)的持續(xù)作用

2.1.1土壤容重和孔隙度

2016—2019年各處理土壤容重變化如圖2(圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同)所示。年份相同時，施加生物炭的T1.5、T3、T5處理較相應(yīng)CK1.5、CK3、CK5處理土壤容重顯著減小，各年各坡度BC處理與CK處理差異均達(dá)顯著性水平(P<0.05)，2016年T1.5、T3、T5處理較CK1.5、CK3、CK5處理容重分別減少3.62%、3.31%、3.27%，2017年分別減少3.14%、2.82%、2.54%，2018年分別減少2.94%、2.63%、2.33%，2019年分別減少2.43%、2.07%、1.89%。年份不同時，同一坡度未施炭的CK1.5、CK3、CK5處理土壤容重變化不大，同一坡度施炭的T1.5、T3、T5處理土壤容重逐年增加，容重減少率逐年減小，不同坡度土壤容重仍然表現(xiàn)為坡度大容重大、容重減少率小。說明生物炭可明顯減小土壤容重，而且土壤容重減少率隨坡度增大而減小，同時土壤容重減少率逐年減少。

圖2 不同處理土壤容重Fig.2 Soil bulk density of different treatments

圖3 不同處理土壤孔隙度Fig.3 Soil porosity in different treatments

土壤水分運動和儲存均于孔隙中進(jìn)行，土壤孔隙度是影響土壤水分?jǐn)U散、溶質(zhì)彌散的關(guān)鍵要素，2016—2019年各處理土壤孔隙度變化如圖3所示。CK1.5、CK3、CK5處理孔隙度4年中略有改變但并不明顯，3個未施炭處理的孔隙度由大到小依次為CK1.5、CK3、CK5。T1.5、T3、T5處理孔隙度4年逐漸減小，3個處理孔隙度由大到小依次為T1.5、T3、T5。各年各坡度BC處理與CK處理差異均達(dá)顯著性水平(P<0.05)，T1.5、T3、T5處理較CK1.5、CK3、CK5處理土壤孔隙度顯著增加，2016年T1.5、T3、T5處理較CK1.5、CK3、CK5處理孔隙度分別增加5.56%、5.17%、4.56%，2017年分別增加4.93%、3.88%、3.74%，2018年分別增加4.52%、3.67%、3.26%，2019年分別增加3.65%、2.99%、2.83%。試驗結(jié)果表明土壤施入生物炭后明顯增大土壤孔隙度，土壤孔隙度增加率在2016—2019年逐年減小，并且相同年份內(nèi)坡度越大土壤孔隙度增加率越小。

建立土壤容重和孔隙度關(guān)于坡度、年份、是否施用生物炭的回歸方程，其中坡度因子(x1)、年份因子(x2)為定量變量，是否施用生物炭(x3)為定性變量，x3取0表示不施用生物炭，取1表示施用生物炭，回歸結(jié)果如表1所示。

表1 各年不同指標(biāo)的回歸結(jié)果Tab.1 Regression results of different indicators in each year

容重和孔隙度2個回歸方程的R2大于0.95，表明回歸方程擬合效果良好。根據(jù)土壤容重和孔隙度的F值和P值可知，由自變量坡度、年份、是否施用生物炭和因變量土壤容重、孔隙度建立的線性回歸模型均具有極顯著的統(tǒng)計學(xué)意義。但每個指標(biāo)各自變量的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)不同，容重回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)分別為0.303、0.187、-0.917，孔隙度回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)分別為-0.349、-0.225、0.888，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)絕對值越大代表在本回歸方程中自變量對因變量的解釋力度越強，因此，這3個自變量對土壤容重、孔隙度影響程度由大到小依次為是否施用生物炭、坡度、年份。容重回歸系數(shù)的符號表明土壤容重與坡度、年份呈正相關(guān)關(guān)系，與是否施用生物炭呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤容重隨坡度增大、年份延長而增大，且施用生物炭會減小土壤容重?？紫抖雀髯宰兞康幕貧w系數(shù)的符號與土壤容重恰好相反，說明孔隙度與坡度、年份呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與是否施用生物炭呈正相關(guān)關(guān)系，土壤孔隙度隨坡度增大、年份延長而減小，且施用生物炭會增加土壤孔隙度。

2.1.2土壤有機(jī)質(zhì)含量

圖4為2016—2019年各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量。由圖4可知，2016—2019年施炭處理的3個坡度之間有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著、未施炭處理的各坡度間有機(jī)質(zhì)含量差異也不顯著，但施炭處理較同坡度未施炭處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加(P<0.05)，而且2016年T1.5、T3、T5處理較CK1.5、CK3、CK5處理有機(jī)質(zhì)含量分別增加18.21%、17.15%、14.89%，2017年分別增加14.91%、13.01%、12.11%，2018年分別增加12.31%、11.67%、10.89%，2019年分別增加11.88%、10.44%、9.54%。試驗結(jié)果表明，土壤施入生物炭后使土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，有機(jī)質(zhì)含量增加率在2016—2019年逐年減小，并且相同年份內(nèi)坡度越大有機(jī)質(zhì)含量增加率越小。

圖4 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.4 Soil organic matter content of different treatments

建立土壤有機(jī)質(zhì)含量(y3)關(guān)于坡度、年份、是否施用生物炭的回歸方程，回歸結(jié)果見表1。決定系數(shù)R2大于0.95，表明回歸方程擬合效果良好。F值為188.110(P<0.001)，t檢驗的3個回歸系數(shù)顯著性P值均小于0.001，表示坡度、年份、是否施用生物炭和土壤有機(jī)質(zhì)含量建立的線性回歸模型均具有極顯著的統(tǒng)計學(xué)意義。回歸方程t檢驗的3個回歸系數(shù)均極顯著，無法比較3個自變量對有機(jī)質(zhì)含量的貢獻(xiàn)程度，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)分別為-0.414、-0.503、0.736，所以這3個自變量對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響程度由大到小依次為是否施用生物炭、年份、坡度。此方程的坡度因子和年份因子回歸系數(shù)均為負(fù)數(shù)，是否施用生物炭的回歸系數(shù)為正數(shù)，說明有機(jī)質(zhì)含量與坡度、年份呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與是否施用生物炭正相關(guān)關(guān)系，即土壤有機(jī)質(zhì)含量隨坡度增大、年份延長而下降，且土壤中添加生物炭后會使有機(jī)質(zhì)含量上升。

2.2 生物炭對土壤水分?jǐn)U散的持續(xù)作用

2.2.1土壤含水率與Boltzmann變換參數(shù)的關(guān)系

圖5 ξ與土壤含水率變化關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between ξ and soil water content

Boltzmann變換參數(shù)ξ可反映土壤中水分在水平擴(kuò)散入滲時濕潤峰前移速度的快慢程度[27-28]。當(dāng)土壤含水率接近θs時，ξ趨近于零；當(dāng)土壤含水率為θ0時，Boltzmann變換參數(shù)趨近于無窮大。由圖5可知，4年內(nèi)土壤含水率與Boltzmann變換參數(shù)之間的關(guān)系(ξ-θ)曲線總體表現(xiàn)一致，T1.5、T3、T5處理ξ-θ曲線均位于CK1.5、CK3、CK5處理上方，同時施炭的3個處理與未施炭的3個處理均表現(xiàn)為坡度越大的處理ξ-θ曲線位置越低。但隨施炭年限的延長，各年ξ-θ曲線各有不同，2016—2019年各處理ξ的最大值逐年減小，各坡度施炭處理與未施炭處理之間的間距差值也逐年變小，而且ξ-θ曲線的斜率也在隨施炭年限的延長而逐漸變緩。以上研究結(jié)果表明，土壤單次施用生物炭后4年內(nèi)可以明顯增大Boltzmann變換參數(shù)ξ，且ξ隨土壤坡度的增加而減小、隨施炭后年限的延長也逐年減小，生物炭使ξ增加主要是由于生物炭使土壤容重減小、孔隙度增加，使得土壤中可以增加更多的空間和場所供水分入滲以及擴(kuò)散，增大土壤的通透性、促進(jìn)了土壤中水分入滲性能，進(jìn)而促進(jìn)濕潤峰前移速度，所以使Boltzmann變換參數(shù)ξ增加。

2.2.2生物炭對非飽和土壤水分?jǐn)U散率的影響

非飽和土壤水分?jǐn)U散率可反映土壤孔隙狀況、孔隙分布以及導(dǎo)水性能，同時對土壤水分運動狀況也有一定影響，受土壤質(zhì)地、土壤密度、土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和地面坡度等諸多因素的影響，在相同介質(zhì)、不同環(huán)境下表現(xiàn)為不相同性。采用式(1)～(5)計算各處理非飽和土壤水分?jǐn)U散率D(θ)，4年D(θ)-θ曲線如圖6所示。當(dāng)θ≤0.42 cm3/cm3時，T1.5、T3、T5的D(θ)曲線均位于CK1.5、CK3、CK5曲線下方，說明土壤中施入生物炭會抑制土壤水分在水平方向的擴(kuò)散；當(dāng)θ>0.42 cm3/cm3時，T1.5、T3、T5的D(θ)迅速增大、曲線向上越過CK1.5、CK3、CK5曲線，說明該階段生物炭促進(jìn)了土壤水分的水平擴(kuò)散能力。試驗地區(qū)θ多處于0.20～0.35 cm3/cm3之間，即在試驗區(qū)土壤中施入生物炭會抑制土壤水分的水平運動，將更多水分留于土壤中，進(jìn)而促進(jìn)作物的生長發(fā)育。各年施炭處理的D(θ)-θ曲線均位于未施炭處理下方，未施炭處理在各坡度上變化并無明顯規(guī)律性，但施炭處理在1.5°、3°、5°這3個坡度上D(θ)由大到小依次為5°、3°、1.5°，說明施加生物炭后非飽和土壤水分?jǐn)U散率隨坡度增加而增大。4年內(nèi)D(θ)逐年呈減小態(tài)勢，而且施炭處理與未施炭處理之間的差值也在逐漸變小，主要原因是生物炭僅于2016年一次性施入土壤，之后3年未向土壤中再次施加生物炭，由于土壤徑流、侵蝕運動，每年各處理的生物炭隨表層土壤發(fā)生流失使土壤耕層生物炭逐年減少，而且生物炭每年均有微量發(fā)生分解也使得土壤耕層生物炭有所減少，因此對土壤水分?jǐn)U散的抑制效果逐年減弱。

圖6 土壤水分?jǐn)U散曲線Fig.6 Soil water diffusion curves

施入生物炭使土壤容重減小、孔隙度增大、有機(jī)質(zhì)含量增加，進(jìn)而使非飽和土壤水分?jǐn)U散率減小，4年內(nèi)生物炭對土壤容重的減小幅度、孔隙度的增加幅度以及土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加幅度均逐年減小，生物炭對D(θ)的減小幅度也逐年減弱。D(θ)隨土壤容重減小、孔隙度增加、有機(jī)質(zhì)含量增加而減小。通過分析D(θ)與土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)關(guān)系，可知D(θ)與土壤容重在0.01水平(雙側(cè))上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為0.862，D(θ)與孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量在0.01水平(雙側(cè))上顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為-0.798、-0.754。

4年內(nèi)不同處理的D(θ)隨θ增加而迅速增大，采用土壤水分?jǐn)U散率的經(jīng)驗公式D(θ)=aebθ對2016—2019年D(θ)與θ的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合方程參數(shù)如表2所示。各處理決定系數(shù)R2在0.851 6～0.992 9范圍內(nèi)，擬合效果較好，表明本試驗區(qū)D(θ)與θ符合經(jīng)驗公式，呈指數(shù)型曲線變化。

表2 土壤水分?jǐn)U散率與土壤含水率的擬合方程參數(shù)Tab.2 Fitting equation parameters of soil water diffusivity and soil water content

2.3 生物炭對土壤溶質(zhì)彌散的持續(xù)作用

從圖7可以得出，4年中當(dāng)土壤含水率小于等于0.36 cm3/cm3時，T1.5、T3、T5的Dsh(θ)-θ曲線均位于CK1.5、CK3、CK5曲線下方，說明土壤中施入生物炭會抑制NaCl溶液在土壤水平方向的彌散；當(dāng)土壤含水率大于0.36 cm3/cm3時，T1.5、T3、T5的Dsh(θ)迅速增大越過CK1.5、CK3、CK5的Dsh(θ)-θ曲線，說明此階段生物炭可以促進(jìn)NaCl溶液在土壤水平方向的彌散。試驗區(qū)土壤含水率在0.20～0.35 cm3/cm3范圍內(nèi)，則在試驗區(qū)土壤中添加生物炭會對NaCl溶液在土壤水平方向的彌散起到抑制作用。生物炭對Dsh(θ)的影響規(guī)律同D(θ)大體一致。各年施炭處理的Dsh(θ)-θ曲線均位于未施炭處理下方，且各個坡度Dsh(θ)由大到小依次為5°、3°、1.5°，說明Dsh(θ)隨坡度增加而增大，坡度大可促進(jìn)NaCl溶液在土壤水平方向的彌散。2016—2019年施炭處理較未施炭處理的Dsh(θ)明顯下降，抑制土壤中溶質(zhì)的運移，將更多溶質(zhì)保留在土壤中，而且隨坡度增加、施炭后年限增加Dsh(θ)逐漸增大，Dsh(θ)在施炭處理與同坡度未施炭處理之間的差值變小，表明生物炭可使Dsh(θ)減小，抑制土壤中溶質(zhì)的運移，且隨坡度增加、施炭后年限的延長對土壤中溶質(zhì)運移的抑制效果減弱。

圖7 土壤水動力彌散系數(shù)曲線Fig.7 Soil hydrodynamic dispersion coefficient curves

施入生物炭使土壤容重減小、孔隙度增大、有機(jī)質(zhì)含量增加，使非飽和土壤水分?jǐn)U散率減小，進(jìn)而也對土壤水動力彌散系數(shù)有所改變，2016—2019年生物炭對土壤容重、孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)含量以及D(θ)的變化幅度均逐年減小。土壤中施入生物炭后使得非飽和土壤水動力彌散系數(shù)下降，而且下降程度也是逐年減小且隨坡度增加而減小。進(jìn)行相關(guān)性分析得Dsh(θ)與土壤容重在0.01水平(雙側(cè))上顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為0.950；Dsh(θ)與孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量以及D(θ)在0.01水平(雙側(cè))上均呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為-0.920、-0.828、-0.924。即Dsh(θ)隨土壤容重減小、孔隙度增加、有機(jī)質(zhì)含量增加、D(θ)減小而減小，同時Dsh(θ)與4個指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)由大到小依次為土壤容重、D(θ)、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量。

運用經(jīng)驗公式Dsh(θ)=cedθ對4年Dsh(θ)與θ關(guān)系進(jìn)行擬合，得到擬合方程參數(shù)見表3。4年內(nèi)各個處理的R2均大于0.98，表示Dsh(θ)與θ之間具有良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，符合非飽和土壤水動力彌散系數(shù)的經(jīng)驗公式。

3 討論

農(nóng)業(yè)土壤中含有較多有機(jī)質(zhì)且結(jié)構(gòu)性較好的土壤容重多處于1.1～1.4 g/cm3之間，并且土壤的熟化程度越高土壤容重越小、孔隙度越大。本試驗結(jié)果得出，2016年土壤中添加生物炭后降低了土壤容重、提高了土壤孔隙度，這與文獻(xiàn)[29-31]在喀斯特山地土壤以及塿土土壤中施用生物炭對容重和孔隙度的影響趨勢大體相同，一方面主要是由于生物炭自身具有多孔結(jié)構(gòu)、密度低等特點，將其施入土壤后在一定程度上對土壤起到稀釋的作用，進(jìn)而使土壤容重降低、孔隙度提高；另一方面主要是施入生物炭后土壤中增加土壤微生物的豐富度、數(shù)量[32]以及提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[33]，從而使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，容重降低、孔隙度提高。

生物炭對容重的減小率與孔隙度的增加率均表現(xiàn)為隨坡度的增大而減小、隨施炭年限的延長而減小。隨坡度改變?nèi)葜睾涂紫抖茸兓饕且驗槠露却?，沿坡面方向土壤顆粒的下滑力大，土壤顆粒沿坡面下滑的可能性大，而且降雨時流速大、沖刷力大，大坡度土壤降雨時沖刷更多土壤表面的懸浮物以及土壤顆粒，致使土壤表面更為光滑，同時由于雨滴垂直作用力，使土壤更加堅固，使容重大、孔隙度??；小坡度土壤顆粒沿坡面下滑量少，土壤結(jié)構(gòu)相對大坡度土壤更為松散[34]，土壤容重小、孔隙度大。故隨坡度增加土壤容重增加、孔隙度減小，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[35-36]在華北土石山區(qū)等地研究趨勢一致。容重和孔隙度變化率逐年減弱，這與施用生物炭次數(shù)和時間有關(guān)，僅一次施炭后每年土壤耕層生物炭含量由于土壤徑流、侵蝕運動隨表層土壤發(fā)生流失以及各年生物炭微量分解而逐年減少，對容重、孔隙度的作用效果也逐年減弱。

表3 土壤水動力彌散系數(shù)與土壤含水率的擬合方程參數(shù)Tab.3 Fitting equation parameters of soil hydrodynamic dispersion coefficient and soil water content

土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，對改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤的通氣性、透水性，促進(jìn)微生物的活動以及增強土壤養(yǎng)分含量等方面都有巨大作用。本研究結(jié)果表明，生物炭可顯著提高有機(jī)質(zhì)含量，其增加率在4年內(nèi)逐年減小，并且相同年份內(nèi)坡度越大有機(jī)質(zhì)含量增加率越小。文獻(xiàn)[37-40]也認(rèn)為生物炭可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。主要原因是生物炭可通過促進(jìn)土壤有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體的形成來提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，進(jìn)而減少土壤有機(jī)質(zhì)淋失，有機(jī)質(zhì)增加幅度隨著年限增加而減少，這可能是年限增加，被包裹或吸附在生物炭空隙和有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體中的微生物生長繁殖速率及活性減弱所造成[41]。并且坡度越大，土壤有機(jī)質(zhì)含量越少，生物炭對其改善能力越小[36]。

生物炭可使Boltzmann變換參數(shù)ξ明顯增大，促進(jìn)濕潤峰前移速度，ξ隨土壤坡度的增加而減小、隨施炭后年限的延長也逐年減小，與田丹等[18]研究結(jié)論相同，ξ逐年減小與生物炭含量逐年減少密切相關(guān)。本研究得出，生物炭對D(θ)影響與θ范圍有關(guān)，當(dāng)θ≤0.42 cm3/cm3時，施加生物炭抑制土壤水分?jǐn)U散；當(dāng)θ>0.42 cm3/cm3時，添加生物炭促進(jìn)土壤水分?jǐn)U散。本試驗地區(qū)θ多集中于0.20～0.35 cm3/cm3，則生物炭對本試驗區(qū)水分?jǐn)U散具有抑制效果，與潘英華等[42]獲得結(jié)果相似。同時在本試驗θ范圍內(nèi)，生物炭對土壤水分?jǐn)U散的抑制作用在2016—2019年隨坡度增加、施炭年限延長而減弱，主要是施用生物炭后可以減小土壤容重、增加土壤孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量，使土壤穩(wěn)定性增強進(jìn)而抑制土壤水分水平擴(kuò)散，將更多水分留存于土壤中供植物生長利用，隨生物炭施用后年限的延長生物炭對容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量的改變逐年減弱，對土壤水分?jǐn)U散的改善效果也隨之減弱，與文獻(xiàn)[10]研究趨勢基本相同。本文D(θ)符合經(jīng)驗公式D(θ)=aebθ。對D(θ)與土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行相關(guān)分析可得，D(θ)與容重呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.862)，與孔隙度(r=-0.798)和有機(jī)質(zhì)含量(r=-0.754)均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，也有研究[14]表明D(θ)與容重?zé)o相關(guān)性，與孔隙度正相關(guān)，本研究結(jié)論與其不同主要由于試驗土壤類型、環(huán)境不同所致。

2016—2019年土壤僅單次施入生物炭后對Dsh(θ)的作用效果與D(θ)大體相同。本研究結(jié)論表明，Dsh(θ)隨θ增加而迅速增加，Dsh(θ)符合經(jīng)驗公式Dsh(θ)=cedθ指數(shù)函數(shù)方程。當(dāng)θ≤0.36 cm3/cm3時，生物炭會抑制土壤中NaCl溶液在土壤水平方向的彌散；當(dāng)θ>0.36 cm3/cm3時，生物炭可以促進(jìn)土壤中NaCl溶液在土壤水平方向的彌散，則在本試驗區(qū)土壤中添加生物炭會對NaCl溶液在土壤水平方向的彌散起到抑制作用，生物炭對其抑制作用隨坡度增加、施炭后年限增加逐漸減小，說明生物炭可以削弱土壤溶質(zhì)運移，使土壤溶質(zhì)可以更多地留在土壤中，為作物提供更多的養(yǎng)分、更好的生長發(fā)育環(huán)境，與王艷陽[43]在黑土區(qū)不同生物炭施加量條件下所得結(jié)論大體一致。主要是溶質(zhì)大部分都是隨著土壤水分的運動發(fā)生運移，由于生物炭抑制土壤水分?jǐn)U散，土壤水分運移減少，土壤水中攜帶的溶質(zhì)移動量也隨之減少，Dsh(θ)隨坡度、年份的變化規(guī)律也與D(θ)相同。Dsh(θ)與容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量、D(θ)均有顯著的相關(guān)性，與容重、D(θ)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(容重r為0.950，D(θ)的r為0.924)，與孔隙度、有機(jī)質(zhì)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(孔隙度r為0.920，有機(jī)質(zhì)含量r為0.828)，即Dsh(θ)與4個指標(biāo)的相關(guān)程度由大到小依次為土壤容重、D(θ)、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量。

4 結(jié)論

(1)與未施炭處理相比，土壤中單次添加生物炭后的4年內(nèi)對土壤容重、孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量均有顯著差異(P<0.05)，可顯著降低土壤容重、提高土壤孔隙度、增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，且生物炭對容重的減小率、孔隙度的增加率以及有機(jī)質(zhì)含量的增加率均表現(xiàn)為隨坡度的增大和施炭年限的延長而減小。坡度、年份、是否施用生物炭3個因素中，對土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)影響程度最大的均為是否施用生物炭。

(2)生物炭可以促進(jìn)濕潤峰前移速度、增大Boltzmann變換參數(shù)ξ，且ξ隨坡度的增加而減小、隨施炭后年限的延長也逐年減小。生物炭對D(θ)影響與土壤含水率θ范圍有關(guān)，當(dāng)θ≤0.42 cm3/cm3時，施加生物炭抑制土壤水分?jǐn)U散；當(dāng)θ>0.42 cm3/cm3時，添加生物炭促進(jìn)土壤水分?jǐn)U散。生物炭對本試驗區(qū)水分?jǐn)U散具有抑制效果，且生物炭對其抑制效果隨坡度增加、施炭后年限延長而減弱。

(3)2016—2019年Dsh(θ)隨土壤含水率θ增加而迅速增加，符合指數(shù)函數(shù)。生物炭對Dsh(θ)影響同樣與θ范圍有關(guān)，當(dāng)θ≤0.36 cm3/cm3時，生物炭抑制土壤中NaCl溶液的彌散；當(dāng)θ>0.36 cm3/cm3時，生物炭可以促進(jìn)土壤中NaCl溶液的彌散。試驗區(qū)內(nèi)土壤中添加生物炭對NaCl溶液彌散起到抑制作用，生物炭對彌散的抑制作用隨坡度增加、施炭后年限延長而逐漸減小。