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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wàn)t，占全國(guó)糧食產(chǎn)量的25.67%，是我國(guó)主要糧食生產(chǎn)基地，保障著國(guó)家的糧食安全[1]。多年來(lái)，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(zhǎng)環(huán)境惡化[2]，作物產(chǎn)量降低，直接威脅著我國(guó)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(dòng)力彌散系數(shù)是反映土壤水分運(yùn)動(dòng)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(shí)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)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(dòng)力彌散系數(shù)是反映農(nóng)藥化肥等在農(nóng)田土壤中的運(yùn)移規(guī)律，以及地下水資源保護(hù)和鹽堿地水鹽運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(guò)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(qiáng)[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(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)的運(yùn)移，如田丹等[18]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)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(duì)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(duì)照處理相比有所增加，而施加0.05、0.1 g/g生物炭處理時(shí)，水分?jǐn)U散率均較對(duì)照處理有所減??；對(duì)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(shí)，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(guò)室內(nèi)土柱和室內(nèi)土箱試驗(yàn)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(shí)生物炭還能夠促進(jìn)土壤中可溶性鹽離子的運(yùn)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(qiáng)穩(wěn)定性，可長(zhǎng)期存在于土壤中，單次施用生物炭后的一定時(shí)間內(nèi)生物炭對(duì)土壤水分?jǐn)U散率、土壤水動(dòng)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(duì)不同坡度非飽和土壤水分?jǐn)U散率和非飽和土壤水動(dòng)力彌散系數(shù)的影響，探究生物炭對(duì)坡耕地土壤水分?jǐn)U散運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)彌散的持續(xù)作用效果，以期了解生物炭對(duì)東北黑土區(qū)坡耕地土壤中水鹽運(yùn)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(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于哈爾濱市黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)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(wú)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(shí)較短，僅7—9月的降雨量就占全年降雨總量70%以上。本試驗(yàn)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(gòu)于遼寧金和福開發(fā)有限公司，采用玉米秸稈在450℃無(wú)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(hào)。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(yàn)設(shè)計(jì)

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)行二因素(坡度、生物炭)完全隨機(jī)試驗(yàn)，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(lái)表示，每個(gè)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(yàn)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(cè)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(gè)小區(qū)3次重復(fù)。

(2)孔隙度：采用DIK-1130型土壤三相儀測(cè)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(gè)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(cè)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(gè)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(cè)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(yàn)采用該方法，試驗(yàn)原理見文獻(xiàn)[24-25]。通過(guò)馬氏瓶使土柱的進(jìn)水端維持在一個(gè)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(yùn)動(dòng)，忽略重力作用進(jìn)行試驗(yàn)。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(shí)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(duì)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(shí)際計(jì)算，一般將式(4)轉(zhuǎn)換為差分形式

(5)

試驗(yàn)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(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。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)從濕潤(rùn)峰處逐漸向土柱進(jìn)水端取出土壤，測(cè)定相應(yīng)土壤含水率，根據(jù)差分公式計(jì)算土壤非飽和水分?jǐn)U散率，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.4.3土壤水動(dòng)力彌散系數(shù)

土壤水動(dòng)力彌散系數(shù)測(cè)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(cè)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(shí)間，在濕潤(rùn)峰達(dá)到2/3土柱長(zhǎng)度時(shí)，停止供給NaCl溶液并記錄試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間，同時(shí)按節(jié)從濕潤(rùn)峰處逐漸向土柱進(jìn)水端取出土壤，測(cè)定相應(yīng)土壤含水率和氯離子濃度，計(jì)算土壤水動(dòng)力彌散系數(shù)，每個(gè)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(yùn)移基本方程為

(6)

式中Dsh(θ,v)——土壤水動(dòng)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(jì)，而且本試驗(yàn)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(yùn)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(duì)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(dòng)力彌散系數(shù)為

(12)

為方便實(shí)際計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理與圖表繪制，采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行回歸分析、經(jīng)驗(yàn)公式擬合及顯著性分析，對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shuō)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(shí)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(yùn)動(dòng)和儲(chǔ)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(gè)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(gè)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(yàn)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(gè)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(jì)學(xué)意義。但每個(gè)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(duì)值越大代表在本回歸方程中自變量對(duì)因變量的解釋力度越強(qiáng)，因此，這3個(gè)自變量對(duì)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(hào)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(zhǎng)而增大，且施用生物炭會(huì)減小土壤容重?？紫抖雀髯宰兞康幕貧w系數(shù)的符號(hào)與土壤容重恰好相反，說(shuō)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(zhǎng)而減小，且施用生物炭會(huì)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(gè)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(yàn)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(yàn)的3個(gè)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(jì)學(xué)意義?；貧w方程t檢驗(yàn)的3個(gè)回歸系數(shù)均極顯著，無(wú)法比較3個(gè)自變量對(duì)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(gè)自變量對(duì)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(shuō)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(zhǎng)而下降，且土壤中添加生物炭后會(huì)使有機(jī)質(zhì)含量上升。

2.2 生物炭對(duì)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(shí)濕潤(rùn)峰前移速度的快慢程度[27-28]。當(dāng)土壤含水率接近θs時(shí)，ξ趨近于零；當(dāng)土壤含水率為θ0時(shí)，Boltzmann變換參數(shù)趨近于無(wú)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(shí)施炭的3個(gè)處理與未施炭的3個(gè)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(rùn)峰前移速度，所以使Boltzmann變換參數(shù)ξ增加。

2.2.2生物炭對(duì)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(shí)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shí)，T1.5、T3、T5的D(θ)曲線均位于CK1.5、CK3、CK5曲線下方，說(shuō)明土壤中施入生物炭會(huì)抑制土壤水分在水平方向的擴(kuò)散；當(dāng)θ>0.42 cm3/cm3時(shí)，T1.5、T3、T5的D(θ)迅速增大、曲線向上越過(guò)CK1.5、CK3、CK5曲線，說(shuō)明該階段生物炭促進(jìn)了土壤水分的水平擴(kuò)散能力。試驗(yàn)地區(qū)θ多處于0.20～0.35 cm3/cm3之間，即在試驗(yàn)區(qū)土壤中施入生物炭會(huì)抑制土壤水分的水平運(yùn)動(dòng)，將更多水分留于土壤中，進(jìn)而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)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(wú)明顯規(guī)律性，但施炭處理在1.5°、3°、5°這3個(gè)坡度上D(θ)由大到小依次為5°、3°、1.5°，說(shuō)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(shì)，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?jī)H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(yùn)動(dòng)，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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(yàn)公式D(θ)=aebθ對(duì)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(yàn)區(qū)D(θ)與θ符合經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(shí)，T1.5、T3、T5的Dsh(θ)-θ曲線均位于CK1.5、CK3、CK5曲線下方，說(shuō)明土壤中施入生物炭會(huì)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(shí)，T1.5、T3、T5的Dsh(θ)迅速增大越過(guò)CK1.5、CK3、CK5的Dsh(θ)-θ曲線，說(shuō)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(yàn)區(qū)土壤含水率在0.20～0.35 cm3/cm3范圍內(nèi)，則在試驗(yàn)區(qū)土壤中添加生物炭會(huì)對(duì)NaCl溶液在土壤水平方向的彌散起到抑制作用。生物炭對(duì)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(gè)坡度Dsh(θ)由大到小依次為5°、3°、1.5°，說(shuō)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(yùn)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(yùn)移，且隨坡度增加、施炭后年限的延長(zhǎng)對(duì)土壤中溶質(zhì)運(yùn)移的抑制效果減弱。

圖7 土壤水動(dòng)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(duì)土壤水動(dòng)力彌散系數(shù)有所改變，2016—2019年生物炭對(duì)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(dòng)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(shí)Dsh(θ)與4個(gè)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(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式Dsh(θ)=cedθ對(duì)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(gè)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(dòng)力彌散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(duì)容重和孔隙度的影響趨勢(shì)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(diǎn)，將其施入土壤后在一定程度上對(duì)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(duì)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(zhǎng)而減小。隨坡度改變?nèi)葜睾涂紫抖茸兓饕且驗(yàn)槠露却螅仄旅娣较蛲寥李w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(shí)流速大、沖刷力大，大坡度土壤降雨時(shí)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(shí)由于雨滴垂直作用力，使土壤更加堅(jiān)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(duì)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(shì)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(duì)容重、孔隙度的作用效果也逐年減弱。

表3 土壤水動(dòng)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(duì)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(dòng)以及增強(qiáng)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(guò)促進(jìn)土壤有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體的形成來(lái)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(zhǎng)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(duì)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(rùn)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(zhǎng)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(duì)D(θ)影響與θ范圍有關(guān)，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。本試驗(yàn)地區(qū)θ多集中于0.20～0.35 cm3/cm3，則生物炭對(duì)本試驗(yàn)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(shí)在本試驗(yàn)θ范圍內(nèi)，生物炭對(duì)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(zhǎng)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(qiáng)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(zhǎng)利用，隨生物炭施用后年限的延長(zhǎng)生物炭對(duì)容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量的改變逐年減弱，對(duì)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(shì)基本相同。本文D(θ)符合經(jīng)驗(yàn)公式D(θ)=aebθ。對(duì)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(yàn)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(duì)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(yàn)公式Dsh(θ)=cedθ指數(shù)函數(shù)方程。當(dāng)θ≤0.36 cm3/cm3時(shí)，生物炭會(huì)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(shí)，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(yàn)區(qū)土壤中添加生物炭會(huì)對(duì)NaCl溶液在土壤水平方向的彌散起到抑制作用，生物炭對(duì)其抑制作用隨坡度增加、施炭后年限增加逐漸減小，說(shuō)明生物炭可以削弱土壤溶質(zhì)運(yùn)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(zhǎng)發(fā)育環(huán)境，與王艷陽(yáng)[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(yùn)動(dòng)發(fā)生運(yùn)移，由于生物炭抑制土壤水分?jǐn)U散，土壤水分運(yùn)移減少，土壤水中攜帶的溶質(zhì)移動(dòng)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(gè)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(duì)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(duì)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(zhǎng)而減小。坡度、年份、是否施用生物炭3個(gè)因素中，對(duì)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(rùn)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(zhǎng)也逐年減小。生物炭對(duì)D(θ)影響與土壤含水率θ范圍有關(guān)，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。生物炭對(duì)本試驗(yàn)區(qū)水分?jǐn)U散具有抑制效果，且生物炭對(duì)其抑制效果隨坡度增加、施炭后年限延長(zhǎng)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(duì)Dsh(θ)影響同樣與θ范圍有關(guān)，當(dāng)θ≤0.36 cm3/cm3時(shí)，生物炭抑制土壤中NaCl溶液的彌散；當(dāng)θ>0.36 cm3/cm3時(shí)，生物炭可以促進(jìn)土壤中NaCl溶液的彌散。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤中添加生物炭對(duì)NaCl溶液彌散起到抑制作用，生物炭對(duì)彌散的抑制作用隨坡度增加、施炭后年限延長(zhǎng)而逐漸減小。