生物炭对不同坡度坡耕地土壤水动力学参数的影响

魏永霞 王 鹤 吴 昱 刘 慧

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030；2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030；3.黑龙江农垦勘测设计研究院， 哈尔滨 150090； 4.东北林业大学林学院， 哈尔滨 150040；5.东北农业大学理学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

生物炭是指在限氧或无氧的环境条件下，通过高温(一般小于700℃)裂解将小薪柴、农作物秸秆、杂草等生物质经碳化而形成的一种稳定难溶、高度芳香化、碳含量极其丰富(高达60%)的固态产物[1]。早有研究表明，将生物炭施入土壤，可降低土壤容重、提高总孔隙率，这种结构改变对土壤持水能力也产生一定影响，如提高土壤含水率和降水的入渗量等[2]，特别是土壤中有效水含量的增加更利于作物的生长[3-4]；生物炭的吸湿能力比土壤高1～2个数量级[5]，使含有生物炭的土壤比普通土壤田间持水率高约18%[6]。通常认为，生物炭对土壤物理结构等性状的改良以及对土壤水分的影响均与生物炭自身具有多孔结构和吸附能力密不可分[7-8]。随着生物炭对土壤性质改良、土壤水分调控等研究的进一步深入，部分研究逐渐着眼于生物炭对土壤水动力学参数的影响，如田丹等[9]在研究中得出，添加0.05、0.10、0.15 g/g的秸秆木炭和花生壳炭均可有效减小土壤水分扩散率，增加粉砂壤土的土壤持水性。刘志凯[10]在研究中也发现，当土壤体积含水率小于0.4 cm3/cm3时，生物炭抑制土壤水分扩散率，当土壤体积含水率大于0.4 cm3/cm3时，生物炭则提高土壤水分扩散率，且生物炭可增加土壤的非饱和导水率，提高其导水能力。

位于我国松花江流域和辽河流域的东北黑土区是全球三大黑土区之一，东北黑土区土壤主要以黑土、黑钙土和草甸黑土为主，黑土土壤肥沃、高产且结构性好，具有东北地区主要农作物生长所需的适宜土壤条件[11]。但随着黑土区水土流失现象日益严重，黑土耕层逐步变薄，使土壤中有机质含量下降，土壤一系列理化性状也逐渐恶化，使土壤容重增大、孔隙度减小，进而大大降低了土壤持水性能[12]。东北黑土区耕地中有60%为2°～5°坡耕地[13]，多年以来人们过度开垦和掠夺式经营导致水土流失加剧，使黑土区农作物实际平均产量仅为潜在产量的48.49%[14]，东北黑土区作为我国粮食主要生产基地，改善其土壤性质、促进其土壤水分向作物所需方向运动，以保证粮食安全已刻不容缓。生物炭作为土壤改良剂、土壤保水剂、导水剂等，将会改善此现象[15-16]。

目前针对生物炭对土壤水动力学参数影响的研究多集中在无坡度土壤的一年试验中，对于不同坡度土壤水动力学参数在施加生物炭后两年及以上的研究较少。本文对不同坡度坡耕地黑土中添加适量生物炭，研究分析坡度变化和添加生物炭后两年内对土壤水动力学参数的影响，并使用HYDRUS-1D软件模拟土壤水分运动情况，以期为高效利用东北黑土区坡耕地农业水土资源提供相应理论依据与方法。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黑龙江省水利科学研究院综合试验基地(45°43′09″N，126°36′35″E)，总面积55 hm2，多年平均气温3.1℃，无霜期130～140 d，多年平均水面蒸发量796 mm，耕地土壤多以黑土为主，入渗能力弱。年平均降水量介于400～650 mm，多集中在7—9月，且历时较短，仅7—9月的降水量就占全年降水总量的70%以上。供试土壤主要为黑土，速效氮(N)质量比为154.4 mg/kg，速效磷(P2O5)质量比为40.1 mg/kg，速效钾(K2O)质量比为376.8 mg/kg，pH值7.27。0～80 cm土层平均田间持水率(质量分数)为29.4%，土壤干容重为1.22 g/cm3。大豆是该地区主要农作物之一。

1.2 试验材料

供试生物炭购于辽宁金和福开发有限公司，使用玉米秸秆在450℃无氧条件下烧制而成，其基本理化性质如表1所示。供试大豆品种为黑河3号。

表1 生物炭的基本性质Tab.1 Basic feature of biochar

1.3 试验设计

试验在黑龙江省水利科学研究院综合试验基地的径流小区内进行，小区规格为2 m×5 m，坡度选择1.5°、3°、5°共3种在东北黑土区比较有代表性的坡度。每种坡度的径流小区分别设置施加生物炭和不施加生物炭处理，小区编号分别为T1.5、T3、T5和CK1.5、CK3、CK5，共计6个小区。根据前期研究成果[16]，生物炭施用量选择施用当年效果较好的75 kg/hm2，施用时间为2016年，2017年不再施加。生物炭施用方法为播种前将生物炭粉均匀铺撒于土壤表面，人工搅拌至与0～20 cm表层土壤充分均匀混合后静止待用。

1.4 测定参数及方法

各参数测定按坡上、坡中、坡下3点取样，取其平均值，每个样点3次重复。

1.4.1土壤水分常数

采用环刀法和干燥法测定田间持水率和饱和含水率。使用环刀在径流小区各位置点取深度15～20 cm处土壤作为试验土样，将土样带回室内处理后，采用干燥法测量土壤含水率。

1.4.2土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线(Soil water characteristic curve, SWCC)采用离心机法进行测定。使用CR21-GIII型高速离心机配套环刀取样带回，环刀土样处理后放入盛有蒸馏水的容器中浸泡12 h，水面低于环刀上缘2 mm，土壤达饱和后取出环刀离心备用。离心机转速设定为310、540、690、980、1 700、2 190、3 100、5 370、6 210、6 930、8 210、9 300 r/min，相对应平衡时间为10、12、16、26、42、49、58、73、77、80、85、89 min，每次离心结束后将离心的水分擦去，然后将环刀与土样一同称量并记录数据。

目前应用最为广泛的推求土壤水分特征曲线的模型是Van Genuchten模型，表达式为

(1)

为了更加明显地显示体积含水率与负压水头间的关系，将式(1)转换为

(2)

(3)

(4)

式中θ——体积含水率，cm3/cm3

h——负压水头，cm

θr——残余含水率，cm3/cm3

θs——饱和含水率，cm3/cm3

α、n、m——经验拟合参数(或曲线性状参数)，其中α为进气值倒数

hb——进气吸力，cm

1.4.3土壤饱和导水率

土壤饱和导水率(Ks)采用定水头法测定。所用设备为自制马氏瓶和内径10 cm、高80 cm的有机玻璃筒(图1)。进行试验装土时，先在有机玻璃筒壁涂满凡士林后，将土柱内壁边缘土壤压实，确保无边缘效应。试验过程中，马氏瓶作为供水系统装置将供水水头控制在200 cm。在定水头作用下放置一段时间，待出水管管口有水溢出且保持均匀出水量时，则认为土样已达饱和，此时开始试验，各处理每隔60 min测量一次出流量，并记录数据。

图1 土壤饱和导水率试验装置示意图Fig.1 Schematic of experimental device for soil saturated hydraulic conductivity1.平台 2.进水口 3.马氏瓶 4.进气管 5.土柱 6.滴水管7.止水阀 8.排水孔 9.滤层

土壤饱和导水率计算公式为

(5)

式中Ks——土壤饱和导水率，cm/min

V——一定时间下出流水量，cm3

L——土样长度，cm

H——水头差，cm

A——土样截面积，cm2

t——渗流时间，min

1.4.4土壤非饱和导水率

土壤非饱和导水率直接测量十分困难且复杂，故采用间接公式推求方法来获取。根据Van Genuchten模型及土壤饱和导水率可计算出土壤非饱和导水率理论值

(6)

式中K(h)——土壤非饱和导水率，cm/min

1.4.5土壤非饱和水分扩散率

土壤非饱和水分扩散率采用水平土柱法测定。所用装备示意图如图2所示，自制带通气管的马氏瓶与直径5 cm、长60 cm的圆柱透明有机玻璃管，在装土过程中，要保证各处理填装过程都与对照组具有统一的击实次数和击实压力。各处理土壤均分层装入试验装置的透明有机玻璃管中，填装过程也要保证各处理土壤的均一性。供水系统依然由马氏瓶供水，待湿润峰到达整个土柱的2/3(40 cm)时，关闭供水阀并记录试验结束时间，同时按节取出土壤，用干燥法测定土壤含水率，记录试验数据。

图2 土壤水分扩散率试验装置示意图Fig.2 Schematic of experimental device for soil water diffusion rate1.马氏瓶 2.储水室 3.滤料室 4.过滤板 5.土柱

水平入渗是测定土壤水分扩散率非稳定流的一种方法，此法利用水平土柱吸渗试验数据，再结合解析法计算出土壤水分扩散率。采用Boltzmann变换，对一维水平流动微分方程求解，得出

(7)

将式(7)转换为差分的形式

(8)

式中D(θ)——土壤非饱和水分扩散率，cm2/min

θa——初始土壤含水率，cm3/cm3

ξ——Boltzmann变换参数

1.4.6比水容量

对Van Genuchten模型式(2)两边同时求导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 数据处理方法

采用Excel 2010、Origin 9.1进行基本数据处理和绘图，利用SPSS 19.0进行拟合度检验和显著性分析，显著性水平为0.05、0.01，用HYDRUS-1D软件对土壤水分运动情况进行拟合。

2 结果与分析

2.1 生物炭对坡耕地土壤水分常数的影响

2016、2017年各处理饱和含水率和田间持水率如表2所示。无施加生物炭条件下随地形坡度增加饱和含水率与田间持水率减小，与已有结果一致[17]。施加生物炭当年饱和含水率与田间持水率均有所增加，且随地形坡度增加二者变幅增强，坡度为1.5°、3°、5°时田间持水率增加率分别为4.89%、7.35%、10.98%，饱和含水率增加率分别是10.91%、15.10%、16.46%。施加生物炭次年饱和含水率与田间持水率也均有增加，且随地形坡度增加二者变幅增强，坡度为1.5°、3°、5°时田间持水率增加率分别为6.69%、10.03%、11.94%，饱和含水率增加率分别为11.91%、15.48%、16.18%。

表2 各处理的土壤水分常数Tab.2 Soil moisture constants of each treatment cm3/cm3

施加生物炭增大了两土壤水分常数，这与生物炭自身具有较低容重、较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、土壤储水空间变大，进而提高土壤持水能力。随地形坡度增加两土壤水分常数增幅增大，这是因为地形坡度越大，地表径流和地下水越容易流失，土壤水土流失情况越加严重，生物炭的强吸附性可使更多流失的水分留于土壤中，对土壤持水性改善能力更大。但2017年数值均较2016年有小幅减少，这与施加生物炭后的年限有关。

为进一步分析坡度和是否施加生物炭两因素对各土壤水分常数影响的显著程度，分别建立2016年饱和含水率(y11)、田间持水率(y21)和2017年饱和含水率(y12)、田间持水率(y22)关于坡度和是否施用生物炭的回归方程，其中坡度因子(x1)为定量变量，施用生物炭(x2)为定性变量，x2取0表示不施用生物炭，取1表示施用生物炭，得出回归方程分别为

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

(10)

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

(11)

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

(12)

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

(13)

4个方程的R2均大于0.9，P值均小于0.05，表明回归方程拟合效果较好。从两个变量的显著性看，生物炭施用当年，坡度对饱和含水率和田间持水率的影响均不显著(P分别为0.653、0.823)，而是否施用生物炭对饱和含水率影响极显著(P=0.002)，对田间持水率的影响也达显著程度(P=0.013)；生物炭施用次年，坡度对饱和含水率和田间持水率的影响均不显著(P分别为0.381、0.841)，而是否施用生物炭对饱和含水率和田间持水率影响均为极显著(P分别为0.001、0.004)。说明是否施用生物炭对饱和含水率和田间持水率的影响显著，坡度因子则不显著。

2.2 生物炭对坡耕地土壤持水性的影响

2.2.1土壤水分特征曲线的拟合参数

土壤水分特征曲线可较好地反映土壤持水性能，采用HYDRUS-1D软件中Van Genuchten模型对各处理土壤水分特征曲线进行拟合，得到2016、2017年拟合参数及决定系数，如表3所示，各处理决定系数R2均大于0.99，表明HYDRUS-1D软件中Van Genuchten模型对各处理均适用。同时从表3可看出，生物炭对参数θs和α有增大的作用，对参数θr和n有减小的作用，且参数θs、θr和n的变幅与坡度呈正相关，参数α的变幅与坡度呈负相关。

表3 各处理Van Genuchten模型的拟合参数Tab.3 Fitting parameters of Van Genuchten model for each treatment

2.2.2不同坡度施加生物炭对土壤水分特征曲线的影响

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

土壤水分特征曲线如图3所示，在低吸力段(h<500 cm)时，曲线坡度陡峭而密集；当吸力高于500 cm时，曲线变得平缓稀疏。这是由于在低吸力段，土壤排水主要是在大孔隙中进行，尽管吸力变化不大，但足够引起大孔隙土壤内含水率发生明显变化，故SWCC呈“陡直”状；当吸力在500～9 000 cm时，土壤中只有较小的孔隙能保留水分，土壤对水分的吸持力较大，土壤含水率随吸力的变化不明显，故在此吸力范围内SWCC呈“平缓”状。两年中T1.5、T3、T5的SWCC均位于CK1.5、CK3、CK5曲线上方，且坡度越大二者距离越远，这是因为生物炭增加了土壤孔隙度，已有研究[18]表明，施加75 kg/hm2生物炭主要增加土壤的中、小孔隙相对比例，土壤中、小孔隙的水分不易流出，使有效水含量增加，进而增强土壤持水性，故施加生物炭的SWCC位于对照曲线上方，且地形坡度最大的土壤其θr减小幅度最大，有效水含量增加最多，土壤持水性最优，由于θr变幅与地形坡度呈正相关关系，土壤持水性与地形坡度亦呈正相关关系，故是否施加生物炭二者SWCC间距与地形坡度呈正相关关系。

表4为不同坡度坡耕地施加生物炭处理较对照处理土壤体积含水率随吸力的变化，2016年施用生物炭土壤含水率的总变化量在1.5°、3°、5°坡度分别增加0.282 2、0.292 5、0.404 0 cm3/cm3，总变化率为8.16%、8.69%、14.21%；2017年1.5°、3°、5°坡度的土壤含水率总变化量各增大0.268 7、0.281 9、0.397 5 cm3/cm3，总变化率为7.77%、8.37%、13.98%。2017年较2016年相比施用生物炭后土壤体积含水率总增加量略有减少，土壤持水性能改善略弱，并且随地形坡度增大总变化率幅度也略有减少，说明施用生物炭次年作用效果较施用当年有所减弱，但由于生物炭降解较慢，对土壤持水性能仍有增加的作用。

2.2.3生物炭对坡耕地土壤比水容量的影响

土壤比水容量是指单位基质势的变化引起的含水率变化，是衡量土壤水分对植物的有效性、反映土壤供水性能的一个重要指标，一般土壤水在吸力h=1 000 cm时的比水容量可以表征土壤的供水能力。各处理h=1 000 cm时土壤比水容量见表5，2016、2017年T1.5、T3、T5的比水容量均较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年分别增加1.215 2×10-5、2.000 1×10-5、4.9×10-5cm3/cm4，两年增长率均随着坡度的增加而增大，表明生物炭可使土壤比水容量增加，且比水容量变幅随地形坡度增加而增大。5°小区比水容量增长率最大与生物炭对其田间持水率和残余含水率变幅最大有关，坡度最大其田间持水率增幅最大，残余含水率减幅最大，使其土壤有效含水量增加最大，供给作物的水分增加量也就最多，进而供水能力增强最明显，比水容量增长率最大。2017年比水容量较2016年小，说明施用生物炭次年与当年相比供水能力的增加程度会减弱。

表4 不同坡度坡耕地施加生物炭处理较对照处理土壤体积含水率随吸力的变化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时的比水容量Tab.5 Water capacity of soil with different slopes under suction of 1 000 cm cm3/cm4

2.3 生物炭对坡耕地土壤非饱和导水率的影响

土壤非饱和导水率代表土壤水分在水头压力差作用下流动的性能，受土壤容重、含水率、孔隙分布特征等因素的共同影响[19]，当容重小、孔隙度大、有机质养分含量高时，K(h)往往相对较大。由图4可知，当土壤含水率小于0.30 cm3/cm3时，随着土壤含水率的增加非饱和导水率增加缓慢，增幅并不明显；当土壤含水率大于0.30 cm3/cm3时，非饱和导水率随θ的增加迅速增大。施用生物炭当年与次年T1.5、T3、T5的K(h)曲线均位于CK1.5、CK3、CK5上方，且随地形坡度增大K(h)曲线略向左上方移动。施加生物炭使非饱和导水率增大主要是由于生物炭使土壤容重降低，孔隙度增大，增加了土壤对养分的吸附和有机质含量，进而使非饱和导水率增加，说明生物炭可以提高土壤在非饱和状态下的导水能力，但坡度对土壤非饱和导水率的影响并不十分明显。

施加生物炭当年和次年T1.5、T3、T5的K(h)值较CK1.5、CK3、CK5均明显增大，2016年1.5°、3°、5°坡度分别增加172.72%、239.61%、214.27%，2017年1.5°、3°、5°坡度分别增加143.03%、161.9%、164.04%。坡度相同时，2017年较2016年K(h)值均有所减小，且2017年较2016年施加生物炭后K(h)增量也减小。与SWCC相同，施加生物炭次年对土壤持水性、导水性仍有效但效果有所减弱，故施用生物炭K(h)依然增加但增加幅度减小，但坡度对土壤非饱和导水率的影响并无明显规律。

2.4 生物炭对坡耕地土壤非饱和水分扩散率的影响

土壤非饱和水分扩散率D(θ)不仅反映出土壤孔隙状况、孔隙分布以及导水性能，同时对土壤水分运动状况也有一定影响[20]。土壤水分扩散率受土壤质地、土壤密度、孔隙度、有机质含量和地面坡度等诸多因素的影响[21]，在相同介质、不同环境下表现为不相同性。由水平土柱试验所得数据计算得出Boltzmann的变换参数ξ，采用式(8)计算各处理2016、2017年的土壤非饱和水分扩散率，如图5所示，各处理D(θ)随着θ的增大迅速增大。采用经验公式D(θ)=aebθ拟合2016、2017年土壤非饱和水分扩散率与土壤含水率的关系，拟合结果如表6所示。各处理R2均大于0.96，拟合效果极为理想，表明土壤非饱和水分扩散率与土壤含水率符合经验公式呈显著的指数型曲线变化。

图5 施用生物炭不同坡度的土壤非饱和水分扩散率Fig.5 Water diffusion rate of unsaturated soil on different slopes with application of biochar

当θ小于等于0.42 cm3/cm3时，T1.5、T3、T5的D(θ)曲线均位于CK1.5、CK3、CK5曲线下方，说明生物炭此时抑制了土壤水分扩散；当θ大于0.42 cm3/cm3时，T1.5、T3、T5的D(θ)数值迅速增大，曲线向上越过CK1.5、CK3、CK5曲线，说明该阶段生物炭的存在使土壤水分水平扩散能力有所提高，在降雨时促进水分移动，提高降雨时土壤入渗速率，对夏季多发暴雨的黑土区尤为重要。同时随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严重，导致土壤有机质大量流失，生物炭可起到滞留剂作用，且坡度大滞留有机质多，故D(θ)增加也就越多。根据径流小区实际情况θ多处于0.20～0.35 cm3/cm3范围内，即生物炭抑制土壤水分的水平运动，使更多水分留于土壤中进而促进了作物生长发育。2016年T1.5、T3、T5的D(θ)增加幅度相对2017年更大一些，即施用生物炭次年对土壤水分扩散率的影响比施用生物炭当年弱化一些。

表6 土壤非饱和水分扩散率与土壤含水率的拟合方程参数Tab.6 Fitting equation parameters of water diffusion rate and soil water content

3 讨论

土壤水分特征曲线、土壤非饱和导水率、土壤非饱和水分扩散率以及比水容量等是土壤水分运动基本方程中的重要参数，反映了土壤孔隙状况、导水能力、持水性能及供水能力，受到土壤质地、结构、坡度等多重因素的共同影响。本研究在东北黑土区坡耕地开展了施加适量生物炭的对比试验，研究了坡度和施用生物炭当年、次年对上述土壤水动力学参数的影响。

施加生物炭后的两年内饱和含水率和田间持水率均增大，这与生物炭自身特性密不可分，施加生物炭改良土壤性质，使土壤含水率增加，持水能力加强，与已有研究[22-24]结果一致；并且坡度越大，效果越显著，原因是坡度越大水土流失越严重，施用生物炭后提高了土壤持水能力，进而吸附更多流失的水分。由2016、2017年饱和含水率和田间持水率关于坡度和是否施用生物炭的回归方程可知：是否施用生物炭对饱和含水率和田间持水率的影响均较坡度因子显著。施用生物炭次年的2017年饱和含水率和田间持水率都比2016当年增加量少，这是由于施用生物炭后年限越长生物炭产生效果越弱。

施用生物炭后两年内对SWCC参数均有影响，生物炭对参数θs和α有增大的作用，对参数θr和n有减小的作用，与王丹丹等[26]研究结果吻合，且参数θs、θr和n的变幅与地形坡度呈正相关关系，参数α的变幅与地形坡度呈负相关关系。两年内T1.5、T3、T5的SWCC均位于对照组上方，土壤持水能力增强[27]，随坡度增大两曲线距离越大，且均是T5曲线与CK5曲线距离最大，土壤有效水含量的变化是导致这一现象的主要原因；但2017年各曲线间间距与2016年相比略小，这与生物炭降解缓慢有关。

作物以相同的能量吸水，在不同基质势下从各种土壤中所吸收的水量因比水容量不同而形成很大的差别，比水容量越高，土壤供水能力越强，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当年和次年都使比水容量增大，对土壤水分调控、作物生长均有可观效果，同田丹等[9]对生物炭研究结果一致。

本研究中，施加生物炭当年和次年T1.5、T3、T5小区的K(h)较CK1.5、CK3、CK5均增大，即土壤在非饱和状态下的导水能力提高，刘志凯[10]、王睿垠等[28]得到过相似结论，但K(h)与坡度变化关系不明显。生物炭增大K(h)的原因：土壤水分总向土水势降低的方向移动，水分在吸力的作用下从较小的孔隙流向大孔隙进而流走，施加生物炭的土壤孔隙度较大，水分移动更为容易，与已有结论一致[29]。且施加生物炭次年较当年K(h)增加量减小，仍与施用年限和生物炭微降解相关。

由施加生物炭当年与次年对不同坡度土壤水分扩散率的影响可知，当θ≤0.42 cm3/cm3时，施加生物炭抑制土壤水分扩散；当θ>0.42 cm3/cm3时，添加生物炭促进土壤水分扩散，东北黑土区土壤含水率多集中在0.20～0.35 cm3/cm3范围内，即生物炭抑制本地区土壤水分扩散，已有研究得到类似结论[9]，且与潘英华等[30]研究结果一致。坡度对土壤非饱和水分扩散率也有影响，在东北黑土区生物炭对土壤水分扩散的抑制程度随地形坡度增大而变大，坡度变大土壤中可移动水量增多，故施加生物炭后对水分流失控制更大，更加有利于作物生长发育，且D(θ)-θ曲线符合指数模型，R2均大于0.96，拟合效果较为理想。施用生物炭次年土壤水分扩散率抑制效果比施用生物炭当年略差，可能是生物炭施用次年效果减弱的原因。

本文仅分析了施加生物炭后两年内的情况，对于施加生物炭多年后的效应有待增加试验年限进一步探究。

4 结论

(1)施用生物炭当年与次年均可增大土壤的田间持水率和饱和含水率，并且地形坡度越大效果越显著，其中施用生物炭次年较当年田间持水率和饱和含水率均略有减小。施用生物炭对饱和含水率和田间持水率的影响均较坡度因子更为显著。

(2)施用生物炭当年与次年对SWCC参数和土壤水吸力在1 000 cm时的比水容量均有影响，生物炭可增大参数θs、α和比水容量，减小参数θr和n，且参数θs、θr、n及比水容量的变幅与坡度呈正相关关系，参数α的变幅与坡度呈负相关关系。在各个土壤吸力条件下，施用生物炭当年和次年均使土壤含水率增加、土壤持水性增强，生物炭施用次年效果较施用当年减弱。

(3)坡度对K(h)影响无明显规律性，但施加生物炭可使K(h)增大，使非饱和土壤的导水性增强，并且施加生物炭当年的效果较次年更为显著，2016年K(h)增长率以3°坡度施加适量生物炭的处理最高，为239.61%，2017年K(h)增长率以5°坡度施加适量生物炭的处理最高，为164.04%。

(4)对于土壤含水率多集中在0.20～0.35 cm3/cm3范围内的黑土区土壤，施加生物炭可降低D(θ)，抑制土壤水分的水平运动，随地形坡度增加抑制效果增强，并且施用生物炭次年较施用当年对土壤水分扩散率的影响小。