魏永霞 王 鶴 吳 昱 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030；3.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 哈爾濱 150090； 4.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 哈爾濱 150040；5.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

生物炭是指在限氧或無(wú)氧的環(huán)境條件下，通過(guò)高溫(一般小于700℃)裂解將小薪柴、農(nóng)作物秸稈、雜草等生物質(zhì)經(jīng)碳化而形成的一種穩(wěn)定難溶、高度芳香化、碳含量極其豐富(高達(dá)60%)的固態(tài)產(chǎn)物[1]。早有研究表明，將生物炭施入土壤，可降低土壤容重、提高總孔隙率，這種結(jié)構(gòu)改變對(duì)土壤持水能力也產(chǎn)生一定影響，如提高土壤含水率和降水的入滲量等[2]，特別是土壤中有效水含量的增加更利于作物的生長(zhǎng)[3-4]；生物炭的吸濕能力比土壤高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[5]，使含有生物炭的土壤比普通土壤田間持水率高約18%[6]。通常認(rèn)為，生物炭對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)等性狀的改良以及對(duì)土壤水分的影響均與生物炭自身具有多孔結(jié)構(gòu)和吸附能力密不可分[7-8]。隨著生物炭對(duì)土壤性質(zhì)改良、土壤水分調(diào)控等研究的進(jìn)一步深入，部分研究逐漸著眼于生物炭對(duì)土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，如田丹等[9]在研究中得出，添加0.05、0.10、0.15 g/g的秸稈木炭和花生殼炭均可有效減小土壤水分?jǐn)U散率，增加粉砂壤土的土壤持水性。劉志凱[10]在研究中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤體積含水率小于0.4 cm3/cm3時(shí)，生物炭抑制土壤水分?jǐn)U散率，當(dāng)土壤體積含水率大于0.4 cm3/cm3時(shí)，生物炭則提高土壤水分?jǐn)U散率，且生物炭可增加土壤的非飽和導(dǎo)水率，提高其導(dǎo)水能力。

位于我國(guó)松花江流域和遼河流域的東北黑土區(qū)是全球三大黑土區(qū)之一，東北黑土區(qū)土壤主要以黑土、黑鈣土和草甸黑土為主，黑土土壤肥沃、高產(chǎn)且結(jié)構(gòu)性好，具有東北地區(qū)主要農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的適宜土壤條件[11]。但隨著黑土區(qū)水土流失現(xiàn)象日益嚴(yán)重，黑土耕層逐步變薄，使土壤中有機(jī)質(zhì)含量下降，土壤一系列理化性狀也逐漸惡化，使土壤容重增大、孔隙度減小，進(jìn)而大大降低了土壤持水性能[12]。東北黑土區(qū)耕地中有60%為2°～5°坡耕地[13]，多年以來(lái)人們過(guò)度開(kāi)墾和掠奪式經(jīng)營(yíng)導(dǎo)致水土流失加劇，使黑土區(qū)農(nóng)作物實(shí)際平均產(chǎn)量?jī)H為潛在產(chǎn)量的48.49%[14]，東北黑土區(qū)作為我國(guó)糧食主要生產(chǎn)基地，改善其土壤性質(zhì)、促進(jìn)其土壤水分向作物所需方向運(yùn)動(dòng)，以保證糧食安全已刻不容緩。生物炭作為土壤改良劑、土壤保水劑、導(dǎo)水劑等，將會(huì)改善此現(xiàn)象[15-16]。

目前針對(duì)生物炭對(duì)土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響的研究多集中在無(wú)坡度土壤的一年試驗(yàn)中，對(duì)于不同坡度土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)在施加生物炭后兩年及以上的研究較少。本文對(duì)不同坡度坡耕地黑土中添加適量生物炭，研究分析坡度變化和添加生物炭后兩年內(nèi)對(duì)土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，并使用HYDRUS-1D軟件模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)情況，以期為高效利用東北黑土區(qū)坡耕地農(nóng)業(yè)水土資源提供相應(yīng)理論依據(jù)與方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地(45°43′09″N，126°36′35″E)，總面積55 hm2，多年平均氣溫3.1℃，無(wú)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，入滲能力弱。年平均降水量介于400～650 mm，多集中在7—9月，且歷時(shí)較短，僅7—9月的降水量就占全年降水總量的70%以上。供試土壤主要為黑土，速效氮(N)質(zhì)量比為154.4 mg/kg，速效磷(P2O5)質(zhì)量比為40.1 mg/kg，速效鉀(K2O)質(zhì)量比為376.8 mg/kg，pH值7.27。0～80 cm土層平均田間持水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為29.4%，土壤干容重為1.22 g/cm3。大豆是該地區(qū)主要農(nóng)作物之一。

1.2 試驗(yàn)材料

供試生物炭購(gòu)于遼寧金和福開(kāi)發(fā)有限公司，使用玉米秸稈在450℃無(wú)氧條件下燒制而成，其基本理化性質(zhì)如表1所示。供試大豆品種為黑河3號(hào)。

表1 生物炭的基本性質(zhì)Tab.1 Basic feature of biochar

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，小區(qū)規(guī)格為2 m×5 m，坡度選擇1.5°、3°、5°共3種在東北黑土區(qū)比較有代表性的坡度。每種坡度的徑流小區(qū)分別設(shè)置施加生物炭和不施加生物炭處理，小區(qū)編號(hào)分別為T(mén)1.5、T3、T5和CK1.5、CK3、CK5，共計(jì)6個(gè)小區(qū)。根據(jù)前期研究成果[16]，生物炭施用量選擇施用當(dāng)年效果較好的75 kg/hm2，施用時(shí)間為2016年，2017年不再施加。生物炭施用方法為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。

1.4 測(cè)定參數(shù)及方法

各參數(shù)測(cè)定按坡上、坡中、坡下3點(diǎn)取樣，取其平均值，每個(gè)樣點(diǎn)3次重復(fù)。

1.4.1土壤水分常數(shù)

采用環(huán)刀法和干燥法測(cè)定田間持水率和飽和含水率。使用環(huán)刀在徑流小區(qū)各位置點(diǎn)取深度15～20 cm處土壤作為試驗(yàn)土樣，將土樣帶回室內(nèi)處理后，采用干燥法測(cè)量土壤含水率。

1.4.2土壤水分特征曲線

土壤水分特征曲線(Soil water characteristic curve, SWCC)采用離心機(jī)法進(jìn)行測(cè)定。使用CR21-GIII型高速離心機(jī)配套環(huán)刀取樣帶回，環(huán)刀土樣處理后放入盛有蒸餾水的容器中浸泡12 h，水面低于環(huán)刀上緣2 mm，土壤達(dá)飽和后取出環(huán)刀離心備用。離心機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為310、540、690、980、1 700、2 190、3 100、5 370、6 210、6 930、8 210、9 300 r/min，相對(duì)應(yīng)平衡時(shí)間為10、12、16、26、42、49、58、73、77、80、85、89 min，每次離心結(jié)束后將離心的水分擦去，然后將環(huán)刀與土樣一同稱量并記錄數(shù)據(jù)。

目前應(yīng)用最為廣泛的推求土壤水分特征曲線的模型是Van Genuchten模型，表達(dá)式為

(1)

為了更加明顯地顯示體積含水率與負(fù)壓水頭間的關(guān)系，將式(1)轉(zhuǎn)換為

(2)

(3)

(4)

式中θ——體積含水率，cm3/cm3

h——負(fù)壓水頭，cm

θr——?dú)堄嗪?，cm3/cm3

θs——飽和含水率，cm3/cm3

α、n、m——經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)(或曲線性狀參數(shù))，其中α為進(jìn)氣值倒數(shù)

hb——進(jìn)氣吸力，cm

1.4.3土壤飽和導(dǎo)水率

土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)采用定水頭法測(cè)定。所用設(shè)備為自制馬氏瓶和內(nèi)徑10 cm、高80 cm的有機(jī)玻璃筒(圖1)。進(jìn)行試驗(yàn)裝土?xí)r，先在有機(jī)玻璃筒壁涂滿凡士林后，將土柱內(nèi)壁邊緣土壤壓實(shí)，確保無(wú)邊緣效應(yīng)。試驗(yàn)過(guò)程中，馬氏瓶作為供水系統(tǒng)裝置將供水水頭控制在200 cm。在定水頭作用下放置一段時(shí)間，待出水管管口有水溢出且保持均勻出水量時(shí)，則認(rèn)為土樣已達(dá)飽和，此時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)，各處理每隔60 min測(cè)量一次出流量，并記錄數(shù)據(jù)。

圖1 土壤飽和導(dǎo)水率試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental device for soil saturated hydraulic conductivity1.平臺(tái) 2.進(jìn)水口 3.馬氏瓶 4.進(jìn)氣管 5.土柱 6.滴水管7.止水閥 8.排水孔 9.濾層

土壤飽和導(dǎo)水率計(jì)算公式為

(5)

式中Ks——土壤飽和導(dǎo)水率，cm/min

V——一定時(shí)間下出流水量，cm3

L——土樣長(zhǎng)度，cm

H——水頭差，cm

A——土樣截面積，cm2

t——滲流時(shí)間，min

1.4.4土壤非飽和導(dǎo)水率

土壤非飽和導(dǎo)水率直接測(cè)量十分困難且復(fù)雜，故采用間接公式推求方法來(lái)獲取。根據(jù)Van Genuchten模型及土壤飽和導(dǎo)水率可計(jì)算出土壤非飽和導(dǎo)水率理論值

(6)

式中K(h)——土壤非飽和導(dǎo)水率，cm/min

1.4.5土壤非飽和水分?jǐn)U散率

土壤非飽和水分?jǐn)U散率采用水平土柱法測(cè)定。所用裝備示意圖如圖2所示，自制帶通氣管的馬氏瓶與直徑5 cm、長(zhǎng)60 cm的圓柱透明有機(jī)玻璃管，在裝土過(guò)程中，要保證各處理填裝過(guò)程都與對(duì)照組具有統(tǒng)一的擊實(shí)次數(shù)和擊實(shí)壓力。各處理土壤均分層裝入試驗(yàn)裝置的透明有機(jī)玻璃管中，填裝過(guò)程也要保證各處理土壤的均一性。供水系統(tǒng)依然由馬氏瓶供水，待濕潤(rùn)峰到達(dá)整個(gè)土柱的2/3(40 cm)時(shí)，關(guān)閉供水閥并記錄試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間，同時(shí)按節(jié)取出土壤，用干燥法測(cè)定土壤含水率，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 土壤水分?jǐn)U散率試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic of experimental device for soil water diffusion rate1.馬氏瓶 2.儲(chǔ)水室 3.濾料室 4.過(guò)濾板 5.土柱

水平入滲是測(cè)定土壤水分?jǐn)U散率非穩(wěn)定流的一種方法，此法利用水平土柱吸滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再結(jié)合解析法計(jì)算出土壤水分?jǐn)U散率。采用Boltzmann變換，對(duì)一維水平流動(dòng)微分方程求解，得出

(7)

將式(7)轉(zhuǎn)換為差分的形式

(8)

式中D(θ)——土壤非飽和水分?jǐn)U散率，cm2/min

θa——初始土壤含水率，cm3/cm3

ξ——Boltzmann變換參數(shù)

1.4.6比水容量

對(duì)Van Genuchten模型式(2)兩邊同時(shí)求導(dǎo)即可得到土壤的比水容量

(9)

式中C(h)——土壤比水容量，cm3/cm4

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2010、Origin 9.1進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理和繪圖，利用SPSS 19.0進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)和顯著性分析，顯著性水平為0.05、0.01，用HYDRUS-1D軟件對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)坡耕地土壤水分常數(shù)的影響

2016、2017年各處理飽和含水率和田間持水率如表2所示。無(wú)施加生物炭條件下隨地形坡度增加飽和含水率與田間持水率減小，與已有結(jié)果一致[17]。施加生物炭當(dāng)年飽和含水率與田間持水率均有所增加，且隨地形坡度增加二者變幅增強(qiáng)，坡度為1.5°、3°、5°時(shí)田間持水率增加率分別為4.89%、7.35%、10.98%，飽和含水率增加率分別是10.91%、15.10%、16.46%。施加生物炭次年飽和含水率與田間持水率也均有增加，且隨地形坡度增加二者變幅增強(qiáng)，坡度為1.5°、3°、5°時(shí)田間持水率增加率分別為6.69%、10.03%、11.94%，飽和含水率增加率分別為11.91%、15.48%、16.18%。

表2 各處理的土壤水分常數(shù)Tab.2 Soil moisture constants of each treatment cm3/cm3

施加生物炭增大了兩土壤水分常數(shù)，這與生物炭自身具有較低容重、較高的吸水能力密不可分，生物炭降低土壤容重，增加土壤孔隙度，使土壤含水率增加、土壤儲(chǔ)水空間變大，進(jìn)而提高土壤持水能力。隨地形坡度增加兩土壤水分常數(shù)增幅增大，這是因?yàn)榈匦纹露仍酱螅乇韽搅骱偷叵滤饺菀琢魇?，土壤水土流失情況越加嚴(yán)重，生物炭的強(qiáng)吸附性可使更多流失的水分留于土壤中，對(duì)土壤持水性改善能力更大。但2017年數(shù)值均較2016年有小幅減少，這與施加生物炭后的年限有關(guān)。

為進(jìn)一步分析坡度和是否施加生物炭?jī)梢蛩貙?duì)各土壤水分常數(shù)影響的顯著程度，分別建立2016年飽和含水率(y11)、田間持水率(y21)和2017年飽和含水率(y12)、田間持水率(y22)關(guān)于坡度和是否施用生物炭的回歸方程，其中坡度因子(x1)為定量變量，施用生物炭(x2)為定性變量，x2取0表示不施用生物炭，取1表示施用生物炭，得出回歸方程分別為

y11=0.430-0.002x1+0.6x2
(R2=0.976，F(xiàn)=62.25，P=0.004)

(10)

y21=0.329-0.001x1+0.25x2
(R2=0.905，F(xiàn)=14.23，P=0.029)

(11)

y12=0.425-0.003x1+0.061x2
(R2=0.985，F(xiàn)=100.26，P=0.002)

(12)

y22=0.319-0.001x1+0.03x2
(R2=0.955，F(xiàn)=31.78，P=0.010)

(13)

4個(gè)方程的R2均大于0.9，P值均小于0.05，表明回歸方程擬合效果較好。從兩個(gè)變量的顯著性看，生物炭施用當(dāng)年，坡度對(duì)飽和含水率和田間持水率的影響均不顯著(P分別為0.653、0.823)，而是否施用生物炭對(duì)飽和含水率影響極顯著(P=0.002)，對(duì)田間持水率的影響也達(dá)顯著程度(P=0.013)；生物炭施用次年，坡度對(duì)飽和含水率和田間持水率的影響均不顯著(P分別為0.381、0.841)，而是否施用生物炭對(duì)飽和含水率和田間持水率影響均為極顯著(P分別為0.001、0.004)。說(shuō)明是否施用生物炭對(duì)飽和含水率和田間持水率的影響顯著，坡度因子則不顯著。

2.2 生物炭對(duì)坡耕地土壤持水性的影響

2.2.1土壤水分特征曲線的擬合參數(shù)

土壤水分特征曲線可較好地反映土壤持水性能，采用HYDRUS-1D軟件中Van Genuchten模型對(duì)各處理土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，得到2016、2017年擬合參數(shù)及決定系數(shù)，如表3所示，各處理決定系數(shù)R2均大于0.99，表明HYDRUS-1D軟件中Van Genuchten模型對(duì)各處理均適用。同時(shí)從表3可看出，生物炭對(duì)參數(shù)θs和α有增大的作用，對(duì)參數(shù)θr和n有減小的作用，且參數(shù)θs、θr和n的變幅與坡度呈正相關(guān)，參數(shù)α的變幅與坡度呈負(fù)相關(guān)。

表3 各處理Van Genuchten模型的擬合參數(shù)Tab.3 Fitting parameters of Van Genuchten model for each treatment

2.2.2不同坡度施加生物炭對(duì)土壤水分特征曲線的影響

圖3 施用生物炭不同坡度的土壤水分特征曲線Fig.3 Soil water characteristic curves of different slopes with application of biological carbon

土壤水分特征曲線如圖3所示，在低吸力段(h<500 cm)時(shí)，曲線坡度陡峭而密集；當(dāng)吸力高于500 cm時(shí)，曲線變得平緩稀疏。這是由于在低吸力段，土壤排水主要是在大孔隙中進(jìn)行，盡管吸力變化不大，但足夠引起大孔隙土壤內(nèi)含水率發(fā)生明顯變化，故SWCC呈“陡直”狀；當(dāng)吸力在500～9 000 cm時(shí)，土壤中只有較小的孔隙能保留水分，土壤對(duì)水分的吸持力較大，土壤含水率隨吸力的變化不明顯，故在此吸力范圍內(nèi)SWCC呈“平緩”狀。兩年中T1.5、T3、T5的SWCC均位于CK1.5、CK3、CK5曲線上方，且坡度越大二者距離越遠(yuǎn)，這是因?yàn)樯锾吭黾恿送寥揽紫抖?，已有研究[18]表明，施加75 kg/hm2生物炭主要增加土壤的中、小孔隙相對(duì)比例，土壤中、小孔隙的水分不易流出，使有效水含量增加，進(jìn)而增強(qiáng)土壤持水性，故施加生物炭的SWCC位于對(duì)照曲線上方，且地形坡度最大的土壤其θr減小幅度最大，有效水含量增加最多，土壤持水性最優(yōu)，由于θr變幅與地形坡度呈正相關(guān)關(guān)系，土壤持水性與地形坡度亦呈正相關(guān)關(guān)系，故是否施加生物炭二者SWCC間距與地形坡度呈正相關(guān)關(guān)系。

表4為不同坡度坡耕地施加生物炭處理較對(duì)照處理土壤體積含水率隨吸力的變化，2016年施用生物炭土壤含水率的總變化量在1.5°、3°、5°坡度分別增加0.282 2、0.292 5、0.404 0 cm3/cm3，總變化率為8.16%、8.69%、14.21%；2017年1.5°、3°、5°坡度的土壤含水率總變化量各增大0.268 7、0.281 9、0.397 5 cm3/cm3，總變化率為7.77%、8.37%、13.98%。2017年較2016年相比施用生物炭后土壤體積含水率總增加量略有減少，土壤持水性能改善略弱，并且隨地形坡度增大總變化率幅度也略有減少，說(shuō)明施用生物炭次年作用效果較施用當(dāng)年有所減弱，但由于生物炭降解較慢，對(duì)土壤持水性能仍有增加的作用。

2.2.3生物炭對(duì)坡耕地土壤比水容量的影響

土壤比水容量是指單位基質(zhì)勢(shì)的變化引起的含水率變化，是衡量土壤水分對(duì)植物的有效性、反映土壤供水性能的一個(gè)重要指標(biāo)，一般土壤水在吸力h=1 000 cm時(shí)的比水容量可以表征土壤的供水能力。各處理h=1 000 cm時(shí)土壤比水容量見(jiàn)表5，2016、2017年T1.5、T3、T5的比水容量均較CK1.5、CK3、CK5有所增加，2016年1.5°、3°、5°坡度各自增加了1.160 44×10-3、1.282 537×10-3、1.830 207×10-3cm3/cm4，2017年分別增加1.215 2×10-5、2.000 1×10-5、4.9×10-5cm3/cm4，兩年增長(zhǎng)率均隨著坡度的增加而增大，表明生物炭可使土壤比水容量增加，且比水容量變幅隨地形坡度增加而增大。5°小區(qū)比水容量增長(zhǎng)率最大與生物炭對(duì)其田間持水率和殘余含水率變幅最大有關(guān)，坡度最大其田間持水率增幅最大，殘余含水率減幅最大，使其土壤有效含水量增加最大，供給作物的水分增加量也就最多，進(jìn)而供水能力增強(qiáng)最明顯，比水容量增長(zhǎng)率最大。2017年比水容量較2016年小，說(shuō)明施用生物炭次年與當(dāng)年相比供水能力的增加程度會(huì)減弱。

表4 不同坡度坡耕地施加生物炭處理較對(duì)照處理土壤體積含水率隨吸力的變化Tab.4 Changes of soil volumetric water content with suction in different slopes sloping farmland by biological carbon treatment

表5 不同坡度土壤吸力1 000 cm時(shí)的比水容量Tab.5 Water capacity of soil with different slopes under suction of 1 000 cm cm3/cm4

2.3 生物炭對(duì)坡耕地土壤非飽和導(dǎo)水率的影響

土壤非飽和導(dǎo)水率代表土壤水分在水頭壓力差作用下流動(dòng)的性能，受土壤容重、含水率、孔隙分布特征等因素的共同影響[19]，當(dāng)容重小、孔隙度大、有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分含量高時(shí)，K(h)往往相對(duì)較大。由圖4可知，當(dāng)土壤含水率小于0.30 cm3/cm3時(shí)，隨著土壤含水率的增加非飽和導(dǎo)水率增加緩慢，增幅并不明顯；當(dāng)土壤含水率大于0.30 cm3/cm3時(shí)，非飽和導(dǎo)水率隨θ的增加迅速增大。施用生物炭當(dāng)年與次年T1.5、T3、T5的K(h)曲線均位于CK1.5、CK3、CK5上方，且隨地形坡度增大K(h)曲線略向左上方移動(dòng)。施加生物炭使非飽和導(dǎo)水率增大主要是由于生物炭使土壤容重降低，孔隙度增大，增加了土壤對(duì)養(yǎng)分的吸附和有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而使非飽和導(dǎo)水率增加，說(shuō)明生物炭可以提高土壤在非飽和狀態(tài)下的導(dǎo)水能力，但坡度對(duì)土壤非飽和導(dǎo)水率的影響并不十分明顯。

施加生物炭當(dāng)年和次年T1.5、T3、T5的K(h)值較CK1.5、CK3、CK5均明顯增大，2016年1.5°、3°、5°坡度分別增加172.72%、239.61%、214.27%，2017年1.5°、3°、5°坡度分別增加143.03%、161.9%、164.04%。坡度相同時(shí)，2017年較2016年K(h)值均有所減小，且2017年較2016年施加生物炭后K(h)增量也減小。與SWCC相同，施加生物炭次年對(duì)土壤持水性、導(dǎo)水性仍有效但效果有所減弱，故施用生物炭K(h)依然增加但增加幅度減小，但坡度對(duì)土壤非飽和導(dǎo)水率的影響并無(wú)明顯規(guī)律。

2.4 生物炭對(duì)坡耕地土壤非飽和水分?jǐn)U散率的影響

土壤非飽和水分?jǐn)U散率D(θ)不僅反映出土壤孔隙狀況、孔隙分布以及導(dǎo)水性能，同時(shí)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)狀況也有一定影響[20]。土壤水分?jǐn)U散率受土壤質(zhì)地、土壤密度、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和地面坡度等諸多因素的影響[21]，在相同介質(zhì)、不同環(huán)境下表現(xiàn)為不相同性。由水平土柱試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)計(jì)算得出Boltzmann的變換參數(shù)ξ，采用式(8)計(jì)算各處理2016、2017年的土壤非飽和水分?jǐn)U散率，如圖5所示，各處理D(θ)隨著θ的增大迅速增大。采用經(jīng)驗(yàn)公式D(θ)=aebθ擬合2016、2017年土壤非飽和水分?jǐn)U散率與土壤含水率的關(guān)系，擬合結(jié)果如表6所示。各處理R2均大于0.96，擬合效果極為理想，表明土壤非飽和水分?jǐn)U散率與土壤含水率符合經(jīng)驗(yàn)公式呈顯著的指數(shù)型曲線變化。

圖5 施用生物炭不同坡度的土壤非飽和水分?jǐn)U散率Fig.5 Water diffusion rate of unsaturated soil on different slopes with application of biochar

當(dāng)θ小于等于0.42 cm3/cm3時(shí)，T1.5、T3、T5的D(θ)曲線均位于CK1.5、CK3、CK5曲線下方，說(shuō)明生物炭此時(shí)抑制了土壤水分?jǐn)U散；當(dāng)θ大于0.42 cm3/cm3時(shí)，T1.5、T3、T5的D(θ)數(shù)值迅速增大，曲線向上越過(guò)CK1.5、CK3、CK5曲線，說(shuō)明該階段生物炭的存在使土壤水分水平擴(kuò)散能力有所提高，在降雨時(shí)促進(jìn)水分移動(dòng)，提高降雨時(shí)土壤入滲速率，對(duì)夏季多發(fā)暴雨的黑土區(qū)尤為重要。同時(shí)隨地形坡度增大生物炭的作用效果增大，由于坡度增加水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)大量流失，生物炭可起到滯留劑作用，且坡度大滯留有機(jī)質(zhì)多，故D(θ)增加也就越多。根據(jù)徑流小區(qū)實(shí)際情況θ多處于0.20～0.35 cm3/cm3范圍內(nèi)，即生物炭抑制土壤水分的水平運(yùn)動(dòng)，使更多水分留于土壤中進(jìn)而促進(jìn)了作物生長(zhǎng)發(fā)育。2016年T1.5、T3、T5的D(θ)增加幅度相對(duì)2017年更大一些，即施用生物炭次年對(duì)土壤水分?jǐn)U散率的影響比施用生物炭當(dāng)年弱化一些。

表6 土壤非飽和水分?jǐn)U散率與土壤含水率的擬合方程參數(shù)Tab.6 Fitting equation parameters of water diffusion rate and soil water content

3 討論

土壤水分特征曲線、土壤非飽和導(dǎo)水率、土壤非飽和水分?jǐn)U散率以及比水容量等是土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程中的重要參數(shù)，反映了土壤孔隙狀況、導(dǎo)水能力、持水性能及供水能力，受到土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、坡度等多重因素的共同影響。本研究在東北黑土區(qū)坡耕地開(kāi)展了施加適量生物炭的對(duì)比試驗(yàn)，研究了坡度和施用生物炭當(dāng)年、次年對(duì)上述土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。

施加生物炭后的兩年內(nèi)飽和含水率和田間持水率均增大，這與生物炭自身特性密不可分，施加生物炭改良土壤性質(zhì)，使土壤含水率增加，持水能力加強(qiáng)，與已有研究[22-24]結(jié)果一致；并且坡度越大，效果越顯著，原因是坡度越大水土流失越嚴(yán)重，施用生物炭后提高了土壤持水能力，進(jìn)而吸附更多流失的水分。由2016、2017年飽和含水率和田間持水率關(guān)于坡度和是否施用生物炭的回歸方程可知：是否施用生物炭對(duì)飽和含水率和田間持水率的影響均較坡度因子顯著。施用生物炭次年的2017年飽和含水率和田間持水率都比2016當(dāng)年增加量少，這是由于施用生物炭后年限越長(zhǎng)生物炭產(chǎn)生效果越弱。

施用生物炭后兩年內(nèi)對(duì)SWCC參數(shù)均有影響，生物炭對(duì)參數(shù)θs和α有增大的作用，對(duì)參數(shù)θr和n有減小的作用，與王丹丹等[26]研究結(jié)果吻合，且參數(shù)θs、θr和n的變幅與地形坡度呈正相關(guān)關(guān)系，參數(shù)α的變幅與地形坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。兩年內(nèi)T1.5、T3、T5的SWCC均位于對(duì)照組上方，土壤持水能力增強(qiáng)[27]，隨坡度增大兩曲線距離越大，且均是T5曲線與CK5曲線距離最大，土壤有效水含量的變化是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因；但2017年各曲線間間距與2016年相比略小，這與生物炭降解緩慢有關(guān)。

作物以相同的能量吸水，在不同基質(zhì)勢(shì)下從各種土壤中所吸收的水量因比水容量不同而形成很大的差別，比水容量越高，土壤供水能力越強(qiáng)，持水量越大，土壤有效水含量越高，作物吸水量也就越大，在本研究中施用生物炭當(dāng)年和次年都使比水容量增大，對(duì)土壤水分調(diào)控、作物生長(zhǎng)均有可觀效果，同田丹等[9]對(duì)生物炭研究結(jié)果一致。

本研究中，施加生物炭當(dāng)年和次年T1.5、T3、T5小區(qū)的K(h)較CK1.5、CK3、CK5均增大，即土壤在非飽和狀態(tài)下的導(dǎo)水能力提高，劉志凱[10]、王睿垠等[28]得到過(guò)相似結(jié)論，但K(h)與坡度變化關(guān)系不明顯。生物炭增大K(h)的原因：土壤水分總向土水勢(shì)降低的方向移動(dòng)，水分在吸力的作用下從較小的孔隙流向大孔隙進(jìn)而流走，施加生物炭的土壤孔隙度較大，水分移動(dòng)更為容易，與已有結(jié)論一致[29]。且施加生物炭次年較當(dāng)年K(h)增加量減小，仍與施用年限和生物炭微降解相關(guān)。

由施加生物炭當(dāng)年與次年對(duì)不同坡度土壤水分?jǐn)U散率的影響可知，當(dāng)θ≤0.42 cm3/cm3時(shí)，施加生物炭抑制土壤水分?jǐn)U散；當(dāng)θ>0.42 cm3/cm3時(shí)，添加生物炭促進(jìn)土壤水分?jǐn)U散，東北黑土區(qū)土壤含水率多集中在0.20～0.35 cm3/cm3范圍內(nèi)，即生物炭抑制本地區(qū)土壤水分?jǐn)U散，已有研究得到類(lèi)似結(jié)論[9]，且與潘英華等[30]研究結(jié)果一致。坡度對(duì)土壤非飽和水分?jǐn)U散率也有影響，在東北黑土區(qū)生物炭對(duì)土壤水分?jǐn)U散的抑制程度隨地形坡度增大而變大，坡度變大土壤中可移動(dòng)水量增多，故施加生物炭后對(duì)水分流失控制更大，更加有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育，且D(θ)-θ曲線符合指數(shù)模型，R2均大于0.96，擬合效果較為理想。施用生物炭次年土壤水分?jǐn)U散率抑制效果比施用生物炭當(dāng)年略差，可能是生物炭施用次年效果減弱的原因。

本文僅分析了施加生物炭后兩年內(nèi)的情況，對(duì)于施加生物炭多年后的效應(yīng)有待增加試驗(yàn)?zāi)晗捱M(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

(1)施用生物炭當(dāng)年與次年均可增大土壤的田間持水率和飽和含水率，并且地形坡度越大效果越顯著，其中施用生物炭次年較當(dāng)年田間持水率和飽和含水率均略有減小。施用生物炭對(duì)飽和含水率和田間持水率的影響均較坡度因子更為顯著。

(2)施用生物炭當(dāng)年與次年對(duì)SWCC參數(shù)和土壤水吸力在1 000 cm時(shí)的比水容量均有影響，生物炭可增大參數(shù)θs、α和比水容量，減小參數(shù)θr和n，且參數(shù)θs、θr、n及比水容量的變幅與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，參數(shù)α的變幅與坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在各個(gè)土壤吸力條件下，施用生物炭當(dāng)年和次年均使土壤含水率增加、土壤持水性增強(qiáng)，生物炭施用次年效果較施用當(dāng)年減弱。

(3)坡度對(duì)K(h)影響無(wú)明顯規(guī)律性，但施加生物炭可使K(h)增大，使非飽和土壤的導(dǎo)水性增強(qiáng)，并且施加生物炭當(dāng)年的效果較次年更為顯著，2016年K(h)增長(zhǎng)率以3°坡度施加適量生物炭的處理最高，為239.61%，2017年K(h)增長(zhǎng)率以5°坡度施加適量生物炭的處理最高，為164.04%。

(4)對(duì)于土壤含水率多集中在0.20～0.35 cm3/cm3范圍內(nèi)的黑土區(qū)土壤，施加生物炭可降低D(θ)，抑制土壤水分的水平運(yùn)動(dòng)，隨地形坡度增加抑制效果增強(qiáng)，并且施用生物炭次年較施用當(dāng)年對(duì)土壤水分?jǐn)U散率的影響小。