褐土區(qū)生物炭施用量對水分入滲規(guī)律的影響

趙子璇，馬娟娟，孫西歡，鄭利劍，任小通

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

0 引言

黃土高原地處內(nèi)陸，大部分地區(qū)降水量少而蒸發(fā)量大，降水時(shí)空分布不均，汛期降雨強(qiáng)度大，加劇了水土流失。如今黃土高原水資源匱乏已成為制約區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素［1］。為了更好地解決黃土高原地區(qū)水資源短缺的問題，改善作物土壤水分狀況，研究新型土壤改良劑十分必要。

生物炭（Biochar）是一種富有潛力的土壤改良劑，由木質(zhì)材料或作物秸桿等有機(jī)材料在厭氧條件下經(jīng)過熱裂解產(chǎn)生的一類難溶性固態(tài)產(chǎn)物［2］，大量研究結(jié)果表明具有密度小、孔隙多、比表面積大、吸附性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良特性［3］，對提高土壤有機(jī)含量、改良土壤結(jié)構(gòu)［4-8］、提高土壤持水能力［9-12］等有著重要作用，并且不同土壤中施用生物炭效果不同，隨生物炭施用量的變化也不同［13-18］。解倩等［13］對黃綿土進(jìn)行了室內(nèi)一維土柱入滲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生物炭對黃綿土入滲的減緩作用顯著，黃綿土的累積入滲量和濕潤鋒深度都隨著生物炭施用量的增加而降低。王幼奇等［12］以黑壚土為研究對象，發(fā)現(xiàn)施加生物炭減緩了土壤入滲率。代鎮(zhèn)等［10］發(fā)現(xiàn)小麥秸稈生物炭可以顯著減小塿土土壤容重，增大孔隙度、田間持水量和飽和含水量，改良?jí)v土土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤持水能力。齊瑞鵬等［15］運(yùn)用室內(nèi)土柱模擬方法，發(fā)現(xiàn)在定容重條件下不同生物炭粒徑和施用量對塿土均有明顯的增滲作用，對風(fēng)沙土具有明顯的減滲作用。詹舒婷等［17］在栗鈣土中施用馬鈴薯?xiàng)U生物炭，發(fā)現(xiàn)其能顯著提高土壤的入滲能力。

黃土高原地區(qū)的主要土壤類型有黃綿土、褐土、塿土和黑壚土等［14］，現(xiàn)有研究研究發(fā)現(xiàn)生物炭能夠明顯抑制黃綿土［13］和黑壚土［12］的入滲能力，增加塿土［15］的入滲能力。但針對于在黃土高原地區(qū)褐土中生物炭的作用還不是很清楚，本研究以山西省中部地區(qū)褐土為研究對象，利用室內(nèi)垂直一維土柱模擬試驗(yàn)研究生物炭施用量對土壤水分入滲規(guī)律的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以太原市小店區(qū)西山0～20 cm 深度的褐土為供試土壤。土樣去除雜質(zhì)后，避光條件下自然風(fēng)干，碾壓過2 mm 篩備用。土壤的機(jī)械組成經(jīng)測定，土壤砂粒（2～0.02 mm），粉砂粒（0.02～0.002 mm），黏粒（<0.002 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為84.05%，14.20%，1.75%。使用的生物炭由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)，通過厭氧焚燒玉米秸稈制備而成，其基本理化指標(biāo)為：粒徑1.5～2.0 mm，pH 值為9.04，C、N、H 質(zhì)量百分比分別為47.17%、0.71%和3.83%。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器主要包括供水裝置、土柱、水分監(jiān)測裝置（如圖1）。選用特制的一維垂直有機(jī)玻璃土柱，在側(cè)面水平插入TDR水分監(jiān)測傳感器，每分鐘記錄土柱中各橫截面含水率動(dòng)態(tài)變化過程；采用馬氏瓶作為供水裝置。

圖1 入滲試驗(yàn)裝置Fig.1 Infiltration experimental apparatus

本試驗(yàn)所用土柱為：自行設(shè)計(jì)定制的透明有機(jī)玻璃圓柱桶內(nèi)徑為15 cm、高為50 cm，壁厚0.5 cm，底部為帶孔法蘭，便于透氣，側(cè)壁有8個(gè)便于水分監(jiān)測儀器放置的孔，各個(gè)孔中心距離土層表面深度分別為2.5、5、7.5、10、12.5、15、17.5和22.5 cm。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共設(shè)置6 個(gè)生物炭施用量，每個(gè)處理重復(fù)3 次試驗(yàn)。生物炭與土壤混合施用深度選擇0～15 cm。按照生物炭占干土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)設(shè)置生物炭施用量為0（CK）、1%（T1）、3%（T3）、5%（T5）、7%（T7）、9%（T9）。

土柱的填裝容重為1.35 g∕cm3，本試驗(yàn)采用分層填裝。土柱裝土前在土柱底部放置一層濾紙和兩層紗布封口，防止夯土?xí)r土壤顆粒流失。管壁均勻薄涂一層凡士林，減少管壁效應(yīng)對水分入滲的影響。試驗(yàn)過程中，利用馬氏瓶作為定水頭供水裝置，維持土面2 cm 的水頭，分時(shí)段記錄馬氏瓶水位變化和濕潤鋒下移位置。

1.4 模型擬合

為進(jìn)一步研究褐土區(qū)生物炭施用量對土壤水分入滲率的影響，參考和借鑒相關(guān)研究，選擇Kostiakov、Philip 和Horton 三種土壤水分入滲模型對各處理的土壤入滲率進(jìn)行模擬，并對三種模型的適用性進(jìn)行評價(jià)。模型方程如下：

Kostiakov模型［14］：

式中：f(t)為入滲率，mm∕min；t為入滲時(shí)間，min；i、α為模型參數(shù)。

Philip模型［15］：

式中：t為入滲時(shí)間，min；A為穩(wěn)定入滲率，mm∕min；S為模型參數(shù)。

Horton模型［19］：

式中：fc為穩(wěn)定入滲率，mm∕min；fl為初始入滲率，mm∕min；k為試驗(yàn)參數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，origin 2019 軟件進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理、繪圖，利用SPSS進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)與顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭施用量對土壤水分入滲率的影響

土壤水分入滲率是單位時(shí)間內(nèi)通過單位土壤面積的水量，反映土壤入滲性能［19］。土壤初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和平均入滲率是反映土壤入滲性能的重要指標(biāo)［20］。不同處理組的入滲率情況見表1。為了更好地表述土壤水分入滲率隨時(shí)間變化情況，根據(jù)試驗(yàn)所得入滲過程曲線的特征，本研究將入滲開始后3 min內(nèi)的平均入滲率當(dāng)作土柱的初始入滲率，將3小時(shí)內(nèi)平均每分鐘的入滲量作為土柱的平均入滲率，將2 個(gè)小時(shí)后平均每分鐘的入滲量作為穩(wěn)定入滲率。由表可見，T1 至T7 的初始入滲率隨著生物炭施用量的增加而減小。T1 和T3 比對照組增加了16.22%和5.41%，T5、T7、T9 比對照組減小了2.70%、5.41%、3.51%。T1 至T9 的平均入滲率與穩(wěn)定入滲率均隨著生物炭含量的增加而減小，與對照組相比，平均入滲率分別減小了5.77%、11.54%、17.31%、21.15%、25.00%，穩(wěn)定入滲率分別減小了9.68%、16.13%、22.58%、25.81%、29.03%。這說明對于褐土土壤，隨著生物炭施用量的增加，土壤平均入滲率和穩(wěn)定入滲率呈減少的趨勢。

表1 不同處理組的入滲率情況表 mm∕minTab.1 Table of infiltration rate of different treatment groups

由于本研究的試驗(yàn)土柱上部為炭土混合物、下部為供試土壤，屬于垂向異質(zhì)化土柱。為了進(jìn)一步探究各處理土壤入滲率與時(shí)間的關(guān)系，以及各入滲模型在褐土區(qū)的適用性，本文利用Kostiakov模型、Philip模型和Horton模型3個(gè)常用模型對不同處理組的入滲率進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表2。Kostiakov 模型中i值越大，說明土壤入滲曲線的斜率越大，α值越大，說明入滲率衰減越快［8］。由表2 可知，不同處理組的α值均大于對照組，說明施用生物炭可以增大褐土入滲率的衰減速度。Kostiakov 模型的R2除對照組是0.949 外，其余處理組均在0.982～ 0.991 之間，說明在褐土中表層混施生物炭的條件下，Kostiakov 模型適用性較好。Philip 模型中的吸滲率S在一定程度上反映了土壤初始入滲能力的強(qiáng)弱。但Philip模型的R2在0.900以下，擬合效果較差，說明Philip 模型雖然有一定的物理基礎(chǔ)，但在施用生物炭的褐土土壤水分入滲過程中適用性較差。Horton 模型的R2在0.969～ 0.983 之間，擬合效果一般。但Horton 模型的中fl、fc分別表征初始入滲率和穩(wěn)定入滲率，其中初始入滲率與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，說明Horton 模型不適用于褐土土壤混施生物炭的情況。相比之下，在褐土區(qū)上層混施生物炭的土壤中，Kostiakov模型對其水分入滲過程具有較好的適用性。

表2 不同入滲模型模擬結(jié)果Tab.2 Simulation results of different infiltration models

2.2 不同生物炭施用量對濕潤鋒運(yùn)移的影響

不同處理下濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化情況如圖2所示。

圖2 不同處理下的濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間變化情況Fig.2 Variation of transport distance of wetting fronts with time under different treatments

由圖2可以看出，濕潤鋒運(yùn)移的距離隨時(shí)間不斷增大，不同處理組入滲3 h 時(shí)的濕潤鋒運(yùn)移距離明顯不同。入滲初期（20 min內(nèi)），濕潤鋒運(yùn)移距離幾乎重合，這是因?yàn)樵撾A段土壤干燥，基質(zhì)勢大，生物炭對水分運(yùn)移的影響還不顯著導(dǎo)致的，隨著時(shí)間的推移，土壤基質(zhì)勢減小，生物炭巨大的比表面積及其對水分的吸附性逐漸發(fā)揮作用，導(dǎo)致不同處理間差異逐漸明顯，在入滲3 h 時(shí)，T1 到T9 3 h 時(shí)的濕潤鋒運(yùn)移距離與對照組相比分別減少了1.84%、14.17%、19.03%、26.18%、28.74%，說明濕潤鋒運(yùn)移距離隨著生物炭施用量的增加不斷減小，這是因?yàn)槭┯蒙锾恳种屏藵駶欎h向下運(yùn)移，且生物炭施用量越多，這種現(xiàn)象就越明顯。

為進(jìn)一步探討不同處理組下，濕潤鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化規(guī)律，使用冪函數(shù)H=a tb對其進(jìn)行擬合，其中H為濕潤鋒運(yùn)移距離（cm），t為時(shí)間（min），a與b為擬合參數(shù)，a值越大，土壤濕潤鋒運(yùn)移的速度越大，b值越大，土壤濕潤鋒運(yùn)移速度衰減越慢［10］。擬合結(jié)果見表3。

表3 的擬合結(jié)果顯示，T1 至T9 的a值、b值隨著生物炭含量的增加不斷減小，說明生物炭含量越高，濕潤鋒向下運(yùn)移的速度越慢，濕潤鋒運(yùn)移速度衰減越快。不同處理下的R2均高于0.998 0，說明冪函數(shù)能夠較好地?cái)M合入滲時(shí)間與濕潤鋒運(yùn)移之間的關(guān)系。

表3 冪函數(shù)擬合濕潤鋒運(yùn)移的結(jié)果Tab.3 Power function fits the results of wet front movement

2.3 不同生物炭施用量對累積入滲量的影響

不同處理下土壤累積入滲量隨時(shí)間變化的情況如圖3。

圖3 不同處理下的累積入滲量隨時(shí)間變化情況Fig.3 Cumulative infiltration with time under different treatments

由圖3 可見，不同處理組土壤累積入滲量隨時(shí)間變化總趨勢一致，均隨時(shí)間增加而增大。入滲開始時(shí)（3 min內(nèi)），除T9處理外，施用生物炭的處理組入滲量均大于對照組，這是因?yàn)槭┯蒙锾扛淖兞送寥澜Y(jié)構(gòu)，增加了土壤孔隙，加上生物炭對水分具有吸附力，所以在入滲開始時(shí)入滲量較大，T9 處理前期低于對照組是因?yàn)樯锾渴┯昧窟^大，細(xì)小的生物炭顆粒反而堵塞土壤孔隙，降低了土壤孔隙度，因而從一開始就表現(xiàn)出抑制水分入滲的特征。隨著入滲進(jìn)行，施用生物炭的處理組入滲量增加速度逐漸減緩，在入滲3 h 時(shí)，T1 至T9 處理土壤累積入滲量均小于對照組，且3 h 時(shí)土壤累積入滲量隨著生物炭施用量的增加而減小，與對照組相比，T1 至T9 分別減少了13.5%、16.4%、21.4%、23.3%、30.0%，其中，T9 能最大程度地減少土壤累積入滲量。綜合分析發(fā)現(xiàn)，少于9%的生物炭施用量會(huì)增加土壤初期入滲量，隨著入滲的進(jìn)行，入滲量增加的速度逐漸減緩，且這種減緩程度隨著生物炭施用量的增加而增加。在90 min后，土壤累積入滲量隨著生物炭施用量的增加而減小。

2.4 不同生物炭施用量對土壤含水率分布的影響

不同處理下3 h時(shí)土壤體積含水率分布情況如圖4。由圖4可見，施用生物炭對土壤水分分布產(chǎn)生了顯著影響，入滲3 h 的土壤最大含水率均出現(xiàn)在0～5 cm土層，且隨著生物炭施用量的增加不斷增加，與CK 相比，T1 至T9 的最大土壤含水率分別增加了0.73%、8.05%、9.76%、11.71%、17.56%。從圖4中還可以看出，施用生物炭的處理炭土混合土層含水率均大于對照組，且該層的平均土壤含水率隨生物炭施用量的增加而增加，與對照組相比分別增加了6.47%、10.27%、13.93%、17.77%、24.86%。

圖4 不同處理下3 h時(shí)土壤體積含水率Fig.4 Soil volumetric water content at 3h under different treatments

3 討論

土壤入滲過程主要受到外界供水強(qiáng)度和土壤入滲能力的影響，其中土壤入滲能力主要由土壤本身的物理特性決定［13］。而生物炭作為一種土壤改良劑，可以通過對土壤物理結(jié)構(gòu)特性影響土壤的入滲能力。本研究主要從入滲率、入滲量及濕潤鋒運(yùn)移情況等方面，結(jié)合土壤水分分布情況，分析生物炭對褐土土壤入滲能力的影響。

本實(shí)驗(yàn)通過一維土柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用生物炭對褐土土壤水分運(yùn)移規(guī)律有明顯影響。從試驗(yàn)結(jié)果可知，施用生物炭的處理組土壤水分平均入滲率較低、3 h 濕潤鋒運(yùn)移距離和累積入滲量較少，根據(jù)Kostiakov 模型模擬結(jié)果顯示，施用生物炭增大了褐土土壤入滲率的衰減速度，這說明生物炭降低了土壤入滲能力。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的增加，平均入滲率呈現(xiàn)出減少趨勢，3 h 濕潤鋒運(yùn)移距離隨之減少，這說明生物炭對土壤入滲能力的抑制作用隨著施用量的增加而增加。施用小于9%的生物炭增加了入滲初期（3 min 內(nèi)）入滲量，減小入滲后期（90 min 后）累積入滲量，說明生物炭增加了土壤初期入滲能力但同時(shí)也加快了土壤入滲能力的衰減速度。

解倩等［13］在探究生物炭對黃綿土中的作用時(shí)，通過冪函數(shù)對濕潤鋒運(yùn)移距離進(jìn)行擬合，結(jié)果來看，黃綿土中擬合參數(shù)a值范圍在1.9～3.7 之間，b在0.46～0.48 之間，本研究的a值在1.6～2.2之間，b在0.45～0.5之間，這是因?yàn)楹滞僚c黃綿土質(zhì)地不同導(dǎo)致的。由于褐土一般會(huì)發(fā)生黏化作用，透水性比黃綿土稍差，容重較大，所以在施用相同量的生物炭時(shí)，褐土的入滲率較慢。王幼奇等［12］研究生物炭對黑壚土入滲能力的作用時(shí)，利用Kostiakov 模型對入滲過程進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)入滲率的衰減程度隨生物炭的增加而減小，且未施加生物炭的土壤水分入滲率衰減最快，這與本試驗(yàn)擬合結(jié)果不同，本試驗(yàn)施用生物炭的處理α值均大于未施加生物炭處理，未施用生物炭的土壤水分入滲率衰減最慢。這是因?yàn)楹趬劳帘旧眇ち：臀F(tuán)聚體較多，持水性較好，隨著生物炭施用量的增加，其對土壤入滲能力的影響程度不斷減小，而褐土持水性能不如黑壚土，在入滲過程中生物炭巨大的比表面積及對水的吸附性極大的減少了入滲能力，導(dǎo)致入滲速率衰減速率增加。齊瑞鵬等［15］發(fā)現(xiàn)在塿土中施加生物炭有增滲作用，其累積入滲量隨著生物炭施用量的增加而增加，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相反。這是因?yàn)閴v土土壤黏性大［21］，水分?jǐn)U散率小，本身入滲能力較差，而生物炭可以分散黏粒之間的黏結(jié)，增加土壤孔隙度，所以可以明顯增加塿土入滲能力，而褐土黏性比塿土小，生物炭吸附土壤顆粒和水分，形成穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體，降低土壤飽和導(dǎo)水率、提高土壤的持水性，減小土壤的入滲能力。

綜上所述，生物炭對不同土壤入滲能力的作用不同，在黃土高原地區(qū)需要根據(jù)實(shí)際情況來確定是否使用生物炭。本試驗(yàn)就褐土區(qū)施用生物炭對土壤水分入滲規(guī)律進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)施用生物炭后會(huì)降低褐土土壤水分的入滲能力，且隨著施用量的增加入滲能力逐漸減小。在半干旱地區(qū)可以用來增加灌溉或降雨后表層土壤含水率，減少土壤的深層滲漏，但生物炭的施用量還需結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)條件、作物種類以及地形條件等因素綜合確定。

4 結(jié)論

通過一維垂向異質(zhì)化土柱試驗(yàn)，研究了施用生物炭對褐土土壤入滲和水分分布的影響，得到以下結(jié)論。

（1）褐土區(qū)土壤混施生物炭后，土壤入滲率隨著生物炭施用量的增加而減小。利用Kostiakov 模型、Philip 模型和Horton模型3個(gè)常用模型對不同處理組入滲率進(jìn)行擬合并比較模型參數(shù)的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)Kostiakov 模型模擬施用生物炭條件下的水分入滲規(guī)律效果最好。

（2）生物炭施用量越大，入滲試驗(yàn)結(jié)束后濕潤鋒運(yùn)移距離越小。運(yùn)用冪函數(shù)H=a tb對運(yùn)移距離進(jìn)行擬合，R2均高于0.998，可以較好地反映入滲時(shí)間與濕潤鋒距離之間的關(guān)系。

（3）褐土區(qū)施用生物炭會(huì)減緩水分的入滲，且生物炭施用量越大效果越明顯。其中，T9能最大程度減緩濕潤鋒向下運(yùn)移的速度，并減少累積入滲量。

（4）施用生物炭會(huì)增加炭土混合層的土壤最大含水率和平均含水率，且含水率隨生物炭施用量的增加而增大。