不同生物炭添加量對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)過程的影響及模擬研究

高 言，沈洪政，楊 婷，何 念，馬孝義

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100）

0 引言

中國西北干旱半干旱地區(qū)是我國重要糧食產(chǎn)區(qū)，該區(qū)長期存在降雨季節(jié)性分布不均、灌溉水利用效率低下、土壤蒸發(fā)損失大等問題。因此，合理調(diào)控田間水分狀況、提高土壤持水能力以及減少土壤無效蒸發(fā)具有重要意義［1］。土壤水分入滲和蒸發(fā)是土壤水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，入滲環(huán)節(jié)主要決定降雨和灌溉過程的水分利用，蒸發(fā)環(huán)節(jié)主要與作物騰發(fā)過程相關(guān)，二者對(duì)提高作物水分利用效率均具有重要作用［2，3］。采取有效措施改善土壤水力特性，減少無效蒸發(fā)有助于提高旱地農(nóng)田灌溉水分利用效率，優(yōu)化灌溉管理，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

生物炭是一種富碳有機(jī)材料，通常由植物和動(dòng)物的生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下熱解碳化合成［4-6］。研究表明，生物炭具有高孔隙率、高比表面積以及有機(jī)官能團(tuán)豐富等特點(diǎn)［7，8］，使得生物炭作為一種土壤改良劑，在降低土壤容重、提高土壤孔隙度和透水性、增強(qiáng)土壤持水能力［9-11］等方面引起了廣泛關(guān)注。包維斌［12］等研究了生物炭添加量對(duì)寧夏中部地區(qū)砂壤土入滲和持水特性的影響，表明添加生物炭可以提高土壤持水能力。王艷陽［13］等通過野外試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合研究了生物炭添加對(duì)黑土區(qū)土壤水分入滲的影響。許?。?4］等研究指出生物炭添加量為5%時(shí)能夠有效抑制黏土土壤蒸發(fā)。但以上研究僅從入滲和蒸發(fā)單方面考慮，沒有進(jìn)行兩者的綜合研究。肖茜［15］和李帥霖［16］等研究了生物炭添加對(duì)土壤水分入滲和蒸發(fā)過程的影響，并使用入滲公式對(duì)入滲過程進(jìn)行了模擬。雖然兩者同時(shí)考慮了生物炭添加對(duì)土壤入滲和蒸發(fā)的影響，但在入滲過程模擬中僅使用了一種入滲模型且對(duì)蒸發(fā)過程沒有進(jìn)行模擬，缺乏多模型對(duì)比分析。因此，在生物炭添加條件下對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)過程的影響及模擬研究還有待加強(qiáng)。

本研究基于不同生物炭添加量的室內(nèi)土柱試驗(yàn)，綜合研究了影響土壤水分運(yùn)動(dòng)的入滲和蒸發(fā)過程，并采用不同模型對(duì)入滲和蒸發(fā)過程進(jìn)行了模擬，以確定生物炭添加條件下入滲和蒸發(fā)模型的適用性，以期為改善農(nóng)田土壤水分狀況，優(yōu)化灌溉管理及旱區(qū)土壤改良提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與生物炭

供試土壤取自陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉試驗(yàn)站內(nèi)0～20 cm 耕作層。所有土樣去除雜物后，經(jīng)風(fēng)干、碾壓，過2 mm 篩。土壤顆粒組成采用Mastersizer 2000 型激光粒度儀測(cè)定，根據(jù)美國制土壤標(biāo)準(zhǔn)（USDA）確定土壤類型為壤土，砂粒、粉粒、黏粒含量分別為38.4%、44.3%和17.3%。供試生物炭原材料為蘋果木炭，由陜西億鑫生物能源科技開發(fā)有限公司提供，灰分、揮發(fā)分、全硫和氫含量分別為5.59%、4.98%、0.15%和0.72%。

1.2 試驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)

室內(nèi)試驗(yàn)于2019年7月在西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行。土壤水分入滲試驗(yàn)裝置包括土柱和馬氏瓶兩部分。試驗(yàn)土柱采用5 mm 厚有機(jī)玻璃材料制作，內(nèi)徑為15 cm，高為65 cm。采用馬氏瓶持續(xù)供水，恒定水頭為5 cm，入滲水源為蒸餾水。將土樣按照容重1.45 g/cm3，分層裝入土柱，裝土深度為50 cm。考慮到實(shí)際田間應(yīng)用，生物炭一般施用到0～20 cm 土層，因此僅在0～20 cm 土柱深度摻混生物炭。根據(jù)王璞［17］等研究結(jié)果，生物炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10%之間對(duì)土壤水力參數(shù)影響最優(yōu)，魏永霞［18］等田間試驗(yàn)結(jié)果，0～20 cm 耕作層生物炭添加量為3.26%時(shí)增產(chǎn)節(jié)水效果最好，由此確定生物炭添加量（生物炭占干土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0%（CK）、1%（B1）、2%（B2）、3%（B3）、5%（B5）和7%（B7），共6 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)。

土壤蒸發(fā)試驗(yàn)在入滲結(jié)束后進(jìn)行，蒸發(fā)試驗(yàn)裝置主要由275 W 遠(yuǎn)紅外燈、土柱和臺(tái)秤組成。蒸發(fā)時(shí)使用275 W 遠(yuǎn)紅外燈作為增強(qiáng)光源，采用晝夜無間斷照射方式進(jìn)行，燈底距離土柱表土20 cm，蒸發(fā)試驗(yàn)期間室內(nèi)不通風(fēng)。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

本研究主要記錄入滲過程的水量、濕潤鋒下降距離以及土壤蒸發(fā)量。

入滲水量：記錄試驗(yàn)初始和結(jié)束時(shí)馬氏瓶水位高度，兩者差值即為試驗(yàn)入滲水量。

濕潤鋒下降距離：入滲試驗(yàn)開始時(shí)，按照“先密后疏”的原則，使用長度為1 m 的鋼尺測(cè)定不同時(shí)間段濕潤鋒下降距離。試驗(yàn)過程中，每次在土柱上選取4 個(gè)方向分別讀取濕潤鋒下降距離并取其平均值作為最終濕潤鋒下降距離。當(dāng)濕潤鋒下降距離達(dá)到50 cm，入滲過程結(jié)束，停止記錄。

土壤蒸發(fā)量：采用稱重法測(cè)定土壤蒸發(fā)量。晝夜蒸發(fā)過程持續(xù)7 d，每天8∶00-20∶00進(jìn)行稱重，記錄時(shí)間間隔為1 h。

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，Origin 2019b 進(jìn)行繪圖。

1.4 理論模型介紹

為了評(píng)估不同生物炭添加量條件下入滲和蒸發(fā)模型的適用性，本文選取Kostiakov模型［19］、Philip模型［20］和Horton模型［21］模擬土壤水分入滲過程：

圖1 試驗(yàn)裝置圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of test device

式中：I為累積入滲量，cm；t為入滲歷時(shí)，min；a為模型參數(shù)，代表土壤水分入滲開始第一時(shí)段內(nèi)的平均入滲速率，cm/min；n為模型參數(shù)，表示土壤水分入滲速率隨時(shí)間變化的快慢程度［22］；S為吸滲率，cm/min0.5，是指土壤依靠毛管力吸收或釋放液體的能力，主要對(duì)土壤初期入滲率的大小起主要作用［16］；ic為穩(wěn)定入滲率，cm/min；i0為初始入滲率，cm/min；β為待定參數(shù)。

選取Rose 模型［23］和Gardner 模型［24］對(duì)土壤蒸發(fā)過程進(jìn)行模擬：

式中：E為累積蒸發(fā)量，cm；t為蒸發(fā)歷時(shí)，min；A、B、C為蒸發(fā)系數(shù)。

1.5 精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究采用決定系數(shù)（R2）、相對(duì)均方根誤差（RRMSE）和納什系數(shù)（NS）等指標(biāo)對(duì)模型的擬合效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：n為樣本數(shù)量；Mi為實(shí)測(cè)值；為實(shí)測(cè)值的平均值；Si為模擬值；為模擬值的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭添加量對(duì)濕潤鋒運(yùn)移的影響

濕潤鋒是土壤入滲過程中一個(gè)明顯的干濕交界面，用以表征土壤基質(zhì)吸力和重力作用下的水分運(yùn)動(dòng)特征，各處理濕潤鋒運(yùn)移特征如圖2所示。

圖2 不同生物炭添加比例下濕潤鋒運(yùn)移深度隨入滲歷時(shí)變化Fig.2 Variation of wetting front migration depth with infiltration duration under different biochar addition ratios

由圖2 可知，不同比例生物炭添加均減小了土壤濕潤鋒運(yùn)移速率且生物炭添加量越多，濕潤鋒運(yùn)移速率越緩慢。從各處理結(jié)果看，CK、B1 和B2 處理濕潤鋒運(yùn)移情況隨著入滲時(shí)間的增加在后期逐漸趨于一致，B3、B5和B7濕潤鋒運(yùn)移速率明顯減小。B3 和B5 在入滲初期的濕潤鋒運(yùn)移深度較為相近，入滲100 min 后逐漸體現(xiàn)出差異，而B7 的濕潤鋒運(yùn)移進(jìn)程從初期就較為緩慢、持續(xù)時(shí)間最長且減緩水分在土體中的下降速率最明顯。從整體看，入滲初期（前5 min）各處理濕潤鋒之間差異不明顯，隨著入滲歷時(shí)增加，差異逐漸顯著。各濕潤鋒運(yùn)移深度達(dá)50 cm 所用時(shí)間分別為153 min（CK）、167 min（B1）、170 min（B2）、203 min（B3）、223 min（B5）、294 min（B7），添加生物炭處理達(dá)到相同深度所需時(shí)間比CK 分別增加了9.2%、11.1%、32.7%、45.8%、92.2%，表明生物炭對(duì)土壤水分入滲具有阻滯作用，且添加比例越多，效果越明顯。

為了進(jìn)一步明確濕潤鋒運(yùn)移深度和入滲歷時(shí)之間的關(guān)系，對(duì)兩者進(jìn)行了擬合（表1）。結(jié)果表明，濕潤鋒運(yùn)移深度和入滲歷時(shí)符合冪函數(shù)關(guān)系（F=m×tb，m和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)）。各處理的R2均大于0.99，且RRMSE趨近于0，NS趨近于1，表明所建立的冪函數(shù)公式可以很好地描述摻混生物炭條件下土壤濕潤鋒運(yùn)移深度隨入滲時(shí)間的變化關(guān)系。在濕潤鋒運(yùn)移深度與入滲歷時(shí)的變化關(guān)系中，隨著生物炭添加比例的增大，參數(shù)m逐漸減小，表明生物炭添加具有減緩?fù)寥浪秩霛B速度的作用，這一點(diǎn)也可以從圖2中得到驗(yàn)證。

表1 濕潤鋒運(yùn)移深度與入滲歷時(shí)擬合結(jié)果Tab.1 Results of wetting front migration depth and infiltration duration

2.2 生物炭添加量對(duì)累積入滲量的影響

累積入滲量和穩(wěn)定入滲率常用來表征土壤入滲達(dá)到穩(wěn)定前后的土壤入滲能力［25］。從圖3 可以看出，不同生物炭添加比例對(duì)累積入滲量有不同程度的影響，隨著生物炭添加比例增加，累積入滲量減小。入滲20 min 之后，添加生物炭處理土壤的累積入滲量開始明顯低于CK 處理。B7 的累積入滲量最小，為16.4 cm。各處理達(dá)到與B7相同的累積入滲量所用時(shí)間分別為126 min（CK）、142 min（B1）、158 min（B2）、184 min（B3）、217 min（B5）。入滲結(jié)束時(shí)各處理累積入滲量依次為18.1 cm（CK）、17.0 cm（B1）、16.0 cm（B2）、14.5 cm（B3）、13.0 cm（B5）、11.6 cm

圖3 不同生物炭添加比例對(duì)累積入滲量的影響Fig.3 Effects of different biochar proportion on cumulative infiltration

（B7），添加生物炭處理的累積入滲量比CK 處理分別減少了6.0%、11.9%、19.9%、28.0%、36.2%。因此，隨著生物炭添加比例的增加，土壤入滲速率逐漸降低，生物炭對(duì)土壤水分入滲的抑制越明顯，有利于提升土壤儲(chǔ)水能力。

2.3 生物炭添加量對(duì)累積蒸發(fā)量的影響

土壤水分蒸發(fā)是土壤水分平衡的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是影響土壤水分損失的重要因素之一，降低土壤水分無效蒸發(fā)對(duì)提高土壤水分利用率有重要影響。圖4表示的是不同生物炭添加比例下土壤累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)歷時(shí)的變化關(guān)系。

圖4 不同生物炭添加比例對(duì)累積蒸發(fā)量的影響Fig.4 Effect of different biochar proportion on cumulative evaporation

由圖4 可知，在蒸發(fā)初期，各處理蒸發(fā)量無明顯差異，當(dāng)蒸發(fā)歷時(shí)在1 000～4 000 min 時(shí)，B1、B2 仍然與CK 的變化趨勢(shì)相近，B3、B5、B7 處理已與CK 處理呈現(xiàn)明顯差異。蒸發(fā)歷時(shí)達(dá)到4 000 min 之后，B1 和B2 開始表現(xiàn)出對(duì)蒸發(fā)的抑制作用并逐漸趨于穩(wěn)定。B5和B7處理累積蒸發(fā)量大約在4 700 min時(shí)開始產(chǎn)生差異，而B7 處理已經(jīng)逐漸趨于平緩，B7 較B5 對(duì)于土壤蒸發(fā)的抑制作用更加明顯，說明生物炭添加比例越大對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制作用越明顯。蒸發(fā)歷時(shí)達(dá)到8 000 min時(shí)，各處理累積蒸發(fā)量均趨于穩(wěn)定，分別為111 mm（CK）、93 mm（B1）、85 mm（B2）、86 mm（B3）、84 mm（B5）、71 mm（B7），由此可見，不同生物炭添加比例均可以在蒸發(fā)中后期表現(xiàn)出對(duì)蒸發(fā)的抑制作用，且添加比例越大，抑制作用越強(qiáng)。生物炭添加量在7%時(shí)，抑制效果最明顯，添加量在3%～5%時(shí)蒸發(fā)前期的效果與7%接近，后期與2%～3%接近。因此，可根據(jù)實(shí)際情況，在抑制無效蒸發(fā)的同時(shí)減少生物炭用量。

2.4 生物炭添加量對(duì)土壤入滲和蒸發(fā)模型模擬評(píng)估

2.4.1 土壤入滲模型模擬

為進(jìn)一步研究不同生物炭添加比例對(duì)土壤水分入滲過程的影響，采用Kostiakov 模型、Philip 模型和Horton 模型對(duì)實(shí)測(cè)入滲數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（圖5）并對(duì)參數(shù)擬合結(jié)果進(jìn)行精度分析（表2）。由圖5 可知，Kostiakov 模型比Philip 模型和Horton 模型的累積入滲量模擬值與實(shí)測(cè)值更接近。同時(shí)，由表2可知，Kostiakov模型模擬的R2在0.999 3～0.999 6 之間，RRMSE在0.011 5～0.015 9之間；Philip 模型模擬的R2在0.969 5～0.996 3 之間，RRMSE在0.047 9～0.173 7 之間；Horton 模型模擬的R2在0.942 6～0.991 4之間，RRMSE在0.106 3～0.206 9之間。表明，3種入滲模型均能較好的模擬生物炭添加條件下的土壤水分入滲過程，結(jié)合圖5，Kostiakov模型模擬結(jié)果更優(yōu)。

表2 入滲模型擬合結(jié)果Tab.2 Results of infiltration model

圖5 不同處理土壤入滲過程模型模擬結(jié)果對(duì)比圖Fig.5 Comparison of simulation results of different soil infiltration models

對(duì)于土壤蒸發(fā)過程，采用Rose 和Gardner 模型對(duì)累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)歷時(shí)進(jìn)行擬合（圖6）并對(duì)參數(shù)擬合結(jié)果進(jìn)行精度分析（表3）。由圖6 可知，Rose 模型比Garden 模型的累積蒸發(fā)量模擬值與實(shí)測(cè)值更接近。由表3 可知，兩種模型均具有較高精度（R2>0.9）。Rose模型的RRMSE值較Gardner模型更趨近于0、NS值更趨近于1，結(jié)合圖6，表明Rose 模型擬合效果更好、模擬精度更高，更適用于模擬生物炭添加條件下的土壤蒸發(fā)過程。

表3 蒸發(fā)模型擬合結(jié)果Tab.3 Results of evaporation model

圖6 不同處理土壤蒸發(fā)過程模型模擬結(jié)果對(duì)比圖Fig.6 Comparison of simulation results of different soil evaporation models

3 討 論

生物炭添加比例對(duì)土壤濕潤鋒和累積入滲量有不同程度的影響，生物炭添加量越大，濕潤鋒運(yùn)移速度和累積入滲量減緩效果越明顯。原因是生物炭自身具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積及表面大量高密度負(fù)電荷的存在，使添加生物炭的土壤具有更強(qiáng)的保水能力［25］。在入滲初期，由于土體本身較為干燥，生物炭的親水性還未能完全發(fā)揮出來，導(dǎo)致入滲速率較快；隨著入滲時(shí)間增加，生物炭自身親水性開始對(duì)入滲過程產(chǎn)生影響，入滲20 min 之后，與CK 相比，添加生物炭處理土壤的累積入滲量開始明顯低于CK。表明，添加生物炭能夠?qū)ν寥廊霛B過程產(chǎn)生明顯的阻滯作用，從而提高土壤的持水性能。韓豪杰［26］等研究結(jié)果也表明添加生物炭能顯著降低土壤入滲能力，提高土壤保水效率。

Yang［27］和Alkhasha［28］等研究了不同生物炭添加比例對(duì)土壤蒸發(fā)過程的影響，結(jié)果表明，隨著生物炭添加量的增加，對(duì)蒸發(fā)的抑制作用越明顯，與本研究結(jié)果一致。但本研究還發(fā)現(xiàn)，在蒸發(fā)前期，3%～5%的生物炭添加量抑制蒸發(fā)效果與7%添加量相近，蒸發(fā)后期2%～3%的生物炭添加量抑制效果與7%添加量接近。原因是蒸發(fā)前期，土壤入滲過程剛結(jié)束，蒸發(fā)能力主要受土壤淺層含水量影響，由此削弱了不同處理間生物炭添加對(duì)蒸發(fā)的抑制作用。而蒸發(fā)后期，高比例生物炭添加處理的深層土壤含水率高于其他處理［29］，導(dǎo)致生物炭抑制蒸發(fā)效果與低添加量處理一致。因此，可以根據(jù)實(shí)際土壤蒸發(fā)情況，優(yōu)化生物炭用量，而不是單純的注重蒸發(fā)抑制效果，忽略生物炭用量。

土壤入滲模擬結(jié)果表明，3 種入滲公式的R2>0.99，均可以較好的模擬生物炭添加條件下的土壤入滲過程，其中，Kostia?kov 模型整體的RRMSE值更小，NS值更趨近于1，模擬結(jié)果最優(yōu)，這與李卓［30］等的研究結(jié)果一致。對(duì)于Kostiakov 模型，生物炭添加量越大，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a越小，表明添加生物炭能夠減緩?fù)寥浪秩霛B速率，但在生物炭添加量為7%時(shí)a值變大，說明添加量過多可能會(huì)加快土壤水分入滲，降低生物炭的保水效果。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)n表示土壤水分入滲速率隨時(shí)間變化遞減的快慢程度［31］，添加量為2%時(shí)n值最大，入滲速率遞減最快。對(duì)于Phil?ip 模型，吸滲率S值越小，土壤水分入滲速度越慢，各處理S值大小表現(xiàn)為CK>B1>B2>B3>B7>B5，生物炭添加量為7%時(shí)S值變大，土壤水分入滲速率變快，這與Kostiakov 模型模擬結(jié)果一致。Horton 模型模擬精度低于Kostiakov 模型和Philip 模型，結(jié)果與魏永霞［21］等的研究結(jié)果一致。包志為［32］等采用Black 模型和Rose模型模擬了生物炭添加條件下的砂壤土蒸發(fā)過程，結(jié)果表明，Black 模型可以較好的模擬砂壤土的蒸發(fā)過程。而本研究結(jié)果表明，Rose 模型可以更好的模擬生物炭添加條件下的土壤蒸發(fā)過程，二者差異在于不同土壤類型對(duì)蒸發(fā)過程具有較大影響。在今后的研究中應(yīng)當(dāng)考慮不同土壤類型的入滲蒸發(fā)過程對(duì)生物炭添加的響應(yīng)。

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，研究了不同生物炭添加量對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)過程（入滲和蒸發(fā)）的影響，同時(shí)驗(yàn)證了生物炭添加條件下不同入滲和蒸發(fā)模型的適用性，結(jié)論如下。

（1）添加生物炭可以減緩?fù)寥浪秩霛B速度和濕潤鋒運(yùn)移深度，降低初始入滲率，延長土壤水分入滲時(shí)間，降低累積入滲量，且生物炭添加量越大（<7%），減緩水分入滲效果越明顯。

（2）添加生物炭可以抑制土壤蒸發(fā)，添加比例越大，整體抑制蒸發(fā)效果越明顯。蒸發(fā)前期3%～5%的生物炭添加量抑制蒸發(fā)效果與7%添加量相近，蒸發(fā)后期2%～3%的生物炭添加量抑制效果與7%添加量接近，因此，對(duì)于壤土推薦使用3%～5%的生物炭添加量。

（3）與Philip 模型和Horton 模型相比，Kostiakov 模型可以更好的模擬不同生物炭添加比例下土壤水分入滲過程；Rose 模型比Gardner 模型能更有效的模擬不同生物炭添加比例下土壤水分蒸發(fā)過程。

綜上所述，生物炭減緩了土壤水分入滲，抑制了土壤蒸發(fā)，添加量在3%～5%時(shí)效果最佳。該研究豐富了入滲和蒸發(fā)模型的普適性，拓寬了生物炭的使用情景，為生物炭在農(nóng)田實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。□