褐土区生物炭施用量对水分入渗规律的影响

赵子璇，马娟娟，孙西欢，郑利剑，任小通

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024）

0 引言

黄土高原地处内陆，大部分地区降水量少而蒸发量大，降水时空分布不均，汛期降雨强度大，加剧了水土流失。如今黄土高原水资源匮乏已成为制约区域农业发展的主要因素［1］。为了更好地解决黄土高原地区水资源短缺的问题，改善作物土壤水分状况，研究新型土壤改良剂十分必要。

生物炭（Biochar）是一种富有潜力的土壤改良剂，由木质材料或作物秸杆等有机材料在厌氧条件下经过热裂解产生的一类难溶性固态产物［2］，大量研究结果表明具有密度小、孔隙多、比表面积大、吸附性能好、化学性质稳定等优良特性［3］，对提高土壤有机含量、改良土壤结构［4-8］、提高土壤持水能力［9-12］等有着重要作用，并且不同土壤中施用生物炭效果不同，随生物炭施用量的变化也不同［13-18］。解倩等［13］对黄绵土进行了室内一维土柱入渗试验，发现生物炭对黄绵土入渗的减缓作用显著，黄绵土的累积入渗量和湿润锋深度都随着生物炭施用量的增加而降低。王幼奇等［12］以黑垆土为研究对象，发现施加生物炭减缓了土壤入渗率。代镇等［10］发现小麦秸秆生物炭可以显著减小塿土土壤容重，增大孔隙度、田间持水量和饱和含水量，改良塿土土壤结构，提高土壤持水能力。齐瑞鹏等［15］运用室内土柱模拟方法，发现在定容重条件下不同生物炭粒径和施用量对塿土均有明显的增渗作用，对风沙土具有明显的减渗作用。詹舒婷等［17］在栗钙土中施用马铃薯杆生物炭，发现其能显著提高土壤的入渗能力。

黄土高原地区的主要土壤类型有黄绵土、褐土、塿土和黑垆土等［14］，现有研究研究发现生物炭能够明显抑制黄绵土［13］和黑垆土［12］的入渗能力，增加塿土［15］的入渗能力。但针对于在黄土高原地区褐土中生物炭的作用还不是很清楚，本研究以山西省中部地区褐土为研究对象，利用室内垂直一维土柱模拟试验研究生物炭施用量对土壤水分入渗规律的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究以太原市小店区西山0～20 cm 深度的褐土为供试土壤。土样去除杂质后，避光条件下自然风干，碾压过2 mm 筛备用。土壤的机械组成经测定，土壤砂粒（2～0.02 mm），粉砂粒（0.02～0.002 mm），黏粒（<0.002 mm）质量分数分别为84.05%，14.20%，1.75%。使用的生物炭由辽宁金和福农业开发有限公司生产，通过厌氧焚烧玉米秸秆制备而成，其基本理化指标为：粒径1.5～2.0 mm，pH 值为9.04，C、N、H 质量百分比分别为47.17%、0.71%和3.83%。

1.2 试验仪器

试验仪器主要包括供水装置、土柱、水分监测装置（如图1）。选用特制的一维垂直有机玻璃土柱，在侧面水平插入TDR水分监测传感器，每分钟记录土柱中各横截面含水率动态变化过程；采用马氏瓶作为供水装置。

图1 入渗试验装置Fig.1 Infiltration experimental apparatus

本试验所用土柱为：自行设计定制的透明有机玻璃圆柱桶内径为15 cm、高为50 cm，壁厚0.5 cm，底部为带孔法兰，便于透气，侧壁有8个便于水分监测仪器放置的孔，各个孔中心距离土层表面深度分别为2.5、5、7.5、10、12.5、15、17.5和22.5 cm。

1.3 试验方案

试验共设置6 个生物炭施用量，每个处理重复3 次试验。生物炭与土壤混合施用深度选择0～15 cm。按照生物炭占干土质量百分数设置生物炭施用量为0（CK）、1%（T1）、3%（T3）、5%（T5）、7%（T7）、9%（T9）。

土柱的填装容重为1.35 g∕cm3，本试验采用分层填装。土柱装土前在土柱底部放置一层滤纸和两层纱布封口，防止夯土时土壤颗粒流失。管壁均匀薄涂一层凡士林，减少管壁效应对水分入渗的影响。试验过程中，利用马氏瓶作为定水头供水装置，维持土面2 cm 的水头，分时段记录马氏瓶水位变化和湿润锋下移位置。

1.4 模型拟合

为进一步研究褐土区生物炭施用量对土壤水分入渗率的影响，参考和借鉴相关研究，选择Kostiakov、Philip 和Horton 三种土壤水分入渗模型对各处理的土壤入渗率进行模拟，并对三种模型的适用性进行评价。模型方程如下：

Kostiakov模型［14］：

式中：f(t)为入渗率，mm∕min；t为入渗时间，min；i、α为模型参数。

Philip模型［15］：

式中：t为入渗时间，min；A为稳定入渗率，mm∕min；S为模型参数。

Horton模型［19］：

式中：fc为稳定入渗率，mm∕min；fl为初始入渗率，mm∕min；k为试验参数。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2010 进行数据处理，origin 2019 软件进行基本数据处理、绘图，利用SPSS进行拟合度检验与显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭施用量对土壤水分入渗率的影响

土壤水分入渗率是单位时间内通过单位土壤面积的水量，反映土壤入渗性能［19］。土壤初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率是反映土壤入渗性能的重要指标［20］。不同处理组的入渗率情况见表1。为了更好地表述土壤水分入渗率随时间变化情况，根据试验所得入渗过程曲线的特征，本研究将入渗开始后3 min内的平均入渗率当作土柱的初始入渗率，将3小时内平均每分钟的入渗量作为土柱的平均入渗率，将2 个小时后平均每分钟的入渗量作为稳定入渗率。由表可见，T1 至T7 的初始入渗率随着生物炭施用量的增加而减小。T1 和T3 比对照组增加了16.22%和5.41%，T5、T7、T9 比对照组减小了2.70%、5.41%、3.51%。T1 至T9 的平均入渗率与稳定入渗率均随着生物炭含量的增加而减小，与对照组相比，平均入渗率分别减小了5.77%、11.54%、17.31%、21.15%、25.00%，稳定入渗率分别减小了9.68%、16.13%、22.58%、25.81%、29.03%。这说明对于褐土土壤，随着生物炭施用量的增加，土壤平均入渗率和稳定入渗率呈减少的趋势。

表1 不同处理组的入渗率情况表 mm∕minTab.1 Table of infiltration rate of different treatment groups

由于本研究的试验土柱上部为炭土混合物、下部为供试土壤，属于垂向异质化土柱。为了进一步探究各处理土壤入渗率与时间的关系，以及各入渗模型在褐土区的适用性，本文利用Kostiakov模型、Philip模型和Horton模型3个常用模型对不同处理组的入渗率进行拟合，拟合结果见表2。Kostiakov 模型中i值越大，说明土壤入渗曲线的斜率越大，α值越大，说明入渗率衰减越快［8］。由表2 可知，不同处理组的α值均大于对照组，说明施用生物炭可以增大褐土入渗率的衰减速度。Kostiakov 模型的R2除对照组是0.949 外，其余处理组均在0.982～ 0.991 之间，说明在褐土中表层混施生物炭的条件下，Kostiakov 模型适用性较好。Philip 模型中的吸渗率S在一定程度上反映了土壤初始入渗能力的强弱。但Philip模型的R2在0.900以下，拟合效果较差，说明Philip 模型虽然有一定的物理基础，但在施用生物炭的褐土土壤水分入渗过程中适用性较差。Horton 模型的R2在0.969～ 0.983 之间，拟合效果一般。但Horton 模型的中fl、fc分别表征初始入渗率和稳定入渗率，其中初始入渗率与试验结果相差较大，说明Horton 模型不适用于褐土土壤混施生物炭的情况。相比之下，在褐土区上层混施生物炭的土壤中，Kostiakov模型对其水分入渗过程具有较好的适用性。

表2 不同入渗模型模拟结果Tab.2 Simulation results of different infiltration models

2.2 不同生物炭施用量对湿润锋运移的影响

不同处理下湿润锋运移距离随时间变化情况如图2所示。

图2 不同处理下的湿润锋运移距离随时间变化情况Fig.2 Variation of transport distance of wetting fronts with time under different treatments

由图2可以看出，湿润锋运移的距离随时间不断增大，不同处理组入渗3 h 时的湿润锋运移距离明显不同。入渗初期（20 min内），湿润锋运移距离几乎重合，这是因为该阶段土壤干燥，基质势大，生物炭对水分运移的影响还不显著导致的，随着时间的推移，土壤基质势减小，生物炭巨大的比表面积及其对水分的吸附性逐渐发挥作用，导致不同处理间差异逐渐明显，在入渗3 h 时，T1 到T9 3 h 时的湿润锋运移距离与对照组相比分别减少了1.84%、14.17%、19.03%、26.18%、28.74%，说明湿润锋运移距离随着生物炭施用量的增加不断减小，这是因为施用生物炭抑制了湿润锋向下运移，且生物炭施用量越多，这种现象就越明显。

为进一步探讨不同处理组下，湿润锋运移距离随时间的变化规律，使用幂函数H=a tb对其进行拟合，其中H为湿润锋运移距离（cm），t为时间（min），a与b为拟合参数，a值越大，土壤湿润锋运移的速度越大，b值越大，土壤湿润锋运移速度衰减越慢［10］。拟合结果见表3。

表3 的拟合结果显示，T1 至T9 的a值、b值随着生物炭含量的增加不断减小，说明生物炭含量越高，湿润锋向下运移的速度越慢，湿润锋运移速度衰减越快。不同处理下的R2均高于0.998 0，说明幂函数能够较好地拟合入渗时间与湿润锋运移之间的关系。

表3 幂函数拟合湿润锋运移的结果Tab.3 Power function fits the results of wet front movement

2.3 不同生物炭施用量对累积入渗量的影响

不同处理下土壤累积入渗量随时间变化的情况如图3。

图3 不同处理下的累积入渗量随时间变化情况Fig.3 Cumulative infiltration with time under different treatments

由图3 可见，不同处理组土壤累积入渗量随时间变化总趋势一致，均随时间增加而增大。入渗开始时（3 min内），除T9处理外，施用生物炭的处理组入渗量均大于对照组，这是因为施用生物炭改变了土壤结构，增加了土壤孔隙，加上生物炭对水分具有吸附力，所以在入渗开始时入渗量较大，T9 处理前期低于对照组是因为生物炭施用量过大，细小的生物炭颗粒反而堵塞土壤孔隙，降低了土壤孔隙度，因而从一开始就表现出抑制水分入渗的特征。随着入渗进行，施用生物炭的处理组入渗量增加速度逐渐减缓，在入渗3 h 时，T1 至T9 处理土壤累积入渗量均小于对照组，且3 h 时土壤累积入渗量随着生物炭施用量的增加而减小，与对照组相比，T1 至T9 分别减少了13.5%、16.4%、21.4%、23.3%、30.0%，其中，T9 能最大程度地减少土壤累积入渗量。综合分析发现，少于9%的生物炭施用量会增加土壤初期入渗量，随着入渗的进行，入渗量增加的速度逐渐减缓，且这种减缓程度随着生物炭施用量的增加而增加。在90 min后，土壤累积入渗量随着生物炭施用量的增加而减小。

2.4 不同生物炭施用量对土壤含水率分布的影响

不同处理下3 h时土壤体积含水率分布情况如图4。由图4可见，施用生物炭对土壤水分分布产生了显著影响，入渗3 h 的土壤最大含水率均出现在0～5 cm土层，且随着生物炭施用量的增加不断增加，与CK 相比，T1 至T9 的最大土壤含水率分别增加了0.73%、8.05%、9.76%、11.71%、17.56%。从图4中还可以看出，施用生物炭的处理炭土混合土层含水率均大于对照组，且该层的平均土壤含水率随生物炭施用量的增加而增加，与对照组相比分别增加了6.47%、10.27%、13.93%、17.77%、24.86%。

图4 不同处理下3 h时土壤体积含水率Fig.4 Soil volumetric water content at 3h under different treatments

3 讨论

土壤入渗过程主要受到外界供水强度和土壤入渗能力的影响，其中土壤入渗能力主要由土壤本身的物理特性决定［13］。而生物炭作为一种土壤改良剂，可以通过对土壤物理结构特性影响土壤的入渗能力。本研究主要从入渗率、入渗量及湿润锋运移情况等方面，结合土壤水分分布情况，分析生物炭对褐土土壤入渗能力的影响。

本实验通过一维土柱试验发现，施用生物炭对褐土土壤水分运移规律有明显影响。从试验结果可知，施用生物炭的处理组土壤水分平均入渗率较低、3 h 湿润锋运移距离和累积入渗量较少，根据Kostiakov 模型模拟结果显示，施用生物炭增大了褐土土壤入渗率的衰减速度，这说明生物炭降低了土壤入渗能力。通过进一步分析发现，随着生物炭施用量的增加，平均入渗率呈现出减少趋势，3 h 湿润锋运移距离随之减少，这说明生物炭对土壤入渗能力的抑制作用随着施用量的增加而增加。施用小于9%的生物炭增加了入渗初期（3 min 内）入渗量，减小入渗后期（90 min 后）累积入渗量，说明生物炭增加了土壤初期入渗能力但同时也加快了土壤入渗能力的衰减速度。

解倩等［13］在探究生物炭对黄绵土中的作用时，通过幂函数对湿润锋运移距离进行拟合，结果来看，黄绵土中拟合参数a值范围在1.9～3.7 之间，b在0.46～0.48 之间，本研究的a值在1.6～2.2之间，b在0.45～0.5之间，这是因为褐土与黄绵土质地不同导致的。由于褐土一般会发生黏化作用，透水性比黄绵土稍差，容重较大，所以在施用相同量的生物炭时，褐土的入渗率较慢。王幼奇等［12］研究生物炭对黑垆土入渗能力的作用时，利用Kostiakov 模型对入渗过程进行拟合发现入渗率的衰减程度随生物炭的增加而减小，且未施加生物炭的土壤水分入渗率衰减最快，这与本试验拟合结果不同，本试验施用生物炭的处理α值均大于未施加生物炭处理，未施用生物炭的土壤水分入渗率衰减最慢。这是因为黑垆土本身黏粒和微团聚体较多，持水性较好，随着生物炭施用量的增加，其对土壤入渗能力的影响程度不断减小，而褐土持水性能不如黑垆土，在入渗过程中生物炭巨大的比表面积及对水的吸附性极大的减少了入渗能力，导致入渗速率衰减速率增加。齐瑞鹏等［15］发现在塿土中施加生物炭有增渗作用，其累积入渗量随着生物炭施用量的增加而增加，与本实验结果完全相反。这是因为塿土土壤黏性大［21］，水分扩散率小，本身入渗能力较差，而生物炭可以分散黏粒之间的黏结，增加土壤孔隙度，所以可以明显增加塿土入渗能力，而褐土黏性比塿土小，生物炭吸附土壤颗粒和水分，形成稳定的土壤团聚体，降低土壤饱和导水率、提高土壤的持水性，减小土壤的入渗能力。

综上所述，生物炭对不同土壤入渗能力的作用不同，在黄土高原地区需要根据实际情况来确定是否使用生物炭。本试验就褐土区施用生物炭对土壤水分入渗规律进行探究，发现施用生物炭后会降低褐土土壤水分的入渗能力，且随着施用量的增加入渗能力逐渐减小。在半干旱地区可以用来增加灌溉或降雨后表层土壤含水率，减少土壤的深层渗漏，但生物炭的施用量还需结合当地的社会经济条件、作物种类以及地形条件等因素综合确定。

4 结论

通过一维垂向异质化土柱试验，研究了施用生物炭对褐土土壤入渗和水分分布的影响，得到以下结论。

（1）褐土区土壤混施生物炭后，土壤入渗率随着生物炭施用量的增加而减小。利用Kostiakov 模型、Philip 模型和Horton模型3个常用模型对不同处理组入渗率进行拟合并比较模型参数的优劣，发现Kostiakov 模型模拟施用生物炭条件下的水分入渗规律效果最好。

（2）生物炭施用量越大，入渗试验结束后湿润锋运移距离越小。运用幂函数H=a tb对运移距离进行拟合，R2均高于0.998，可以较好地反映入渗时间与湿润锋距离之间的关系。

（3）褐土区施用生物炭会减缓水分的入渗，且生物炭施用量越大效果越明显。其中，T9能最大程度减缓湿润锋向下运移的速度，并减少累积入渗量。

（4）施用生物炭会增加炭土混合层的土壤最大含水率和平均含水率，且含水率随生物炭施用量的增加而增大。