不同生物炭添加量对土壤水分运动过程的影响及模拟研究

2021-09-28沈洪政马孝义

中国农村水利水电 2021年9期

高言，沈洪政，杨婷，何念，马孝义

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100）

0 引言

中国西北干旱半干旱地区是我国重要粮食产区，该区长期存在降雨季节性分布不均、灌溉水利用效率低下、土壤蒸发损失大等问题。因此，合理调控田间水分状况、提高土壤持水能力以及减少土壤无效蒸发具有重要意义［1］。土壤水分入渗和蒸发是土壤水分循环的重要环节，入渗环节主要决定降雨和灌溉过程的水分利用，蒸发环节主要与作物腾发过程相关，二者对提高作物水分利用效率均具有重要作用［2，3］。采取有效措施改善土壤水力特性，减少无效蒸发有助于提高旱地农田灌溉水分利用效率，优化灌溉管理，促进区域农业可持续发展。

生物炭是一种富碳有机材料，通常由植物和动物的生物质在完全或部分缺氧条件下热解碳化合成［4-6］。研究表明，生物炭具有高孔隙率、高比表面积以及有机官能团丰富等特点［7，8］，使得生物炭作为一种土壤改良剂，在降低土壤容重、提高土壤孔隙度和透水性、增强土壤持水能力［9-11］等方面引起了广泛关注。包维斌［12］等研究了生物炭添加量对宁夏中部地区砂壤土入渗和持水特性的影响，表明添加生物炭可以提高土壤持水能力。王艳阳［13］等通过野外试验和室内试验相结合研究了生物炭添加对黑土区土壤水分入渗的影响。许健［14］等研究指出生物炭添加量为5%时能够有效抑制黏土土壤蒸发。但以上研究仅从入渗和蒸发单方面考虑，没有进行两者的综合研究。肖茜［15］和李帅霖［16］等研究了生物炭添加对土壤水分入渗和蒸发过程的影响，并使用入渗公式对入渗过程进行了模拟。虽然两者同时考虑了生物炭添加对土壤入渗和蒸发的影响，但在入渗过程模拟中仅使用了一种入渗模型且对蒸发过程没有进行模拟，缺乏多模型对比分析。因此，在生物炭添加条件下对土壤水分运动过程的影响及模拟研究还有待加强。

本研究基于不同生物炭添加量的室内土柱试验，综合研究了影响土壤水分运动的入渗和蒸发过程，并采用不同模型对入渗和蒸发过程进行了模拟，以确定生物炭添加条件下入渗和蒸发模型的适用性，以期为改善农田土壤水分状况，优化灌溉管理及旱区土壤改良提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与生物炭

供试土壤取自陕西省杨凌区西北农林科技大学灌溉试验站内0～20 cm 耕作层。所有土样去除杂物后，经风干、碾压，过2 mm 筛。土壤颗粒组成采用Mastersizer 2000 型激光粒度仪测定，根据美国制土壤标准（USDA）确定土壤类型为壤土，砂粒、粉粒、黏粒含量分别为38.4%、44.3%和17.3%。供试生物炭原材料为苹果木炭，由陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司提供，灰分、挥发分、全硫和氢含量分别为5.59%、4.98%、0.15%和0.72%。

1.2 试验装置与设计

室内试验于2019年7月在西北农林科技大学教育部农业水土工程重点试验室进行。土壤水分入渗试验装置包括土柱和马氏瓶两部分。试验土柱采用5 mm 厚有机玻璃材料制作，内径为15 cm，高为65 cm。采用马氏瓶持续供水，恒定水头为5 cm，入渗水源为蒸馏水。将土样按照容重1.45 g/cm3，分层装入土柱，装土深度为50 cm。考虑到实际田间应用，生物炭一般施用到0～20 cm 土层，因此仅在0～20 cm 土柱深度掺混生物炭。根据王璞［17］等研究结果，生物炭质量分数在0～10%之间对土壤水力参数影响最优，魏永霞［18］等田间试验结果，0～20 cm 耕作层生物炭添加量为3.26%时增产节水效果最好，由此确定生物炭添加量（生物炭占干土的质量分数）为0%（CK）、1%（B1）、2%（B2）、3%（B3）、5%（B5）和7%（B7），共6 个处理，每个处理3 次重复。

土壤蒸发试验在入渗结束后进行，蒸发试验装置主要由275 W 远红外灯、土柱和台秤组成。蒸发时使用275 W 远红外灯作为增强光源，采用昼夜无间断照射方式进行，灯底距离土柱表土20 cm，蒸发试验期间室内不通风。

1.3 试验数据采集

本研究主要记录入渗过程的水量、湿润锋下降距离以及土壤蒸发量。

入渗水量：记录试验初始和结束时马氏瓶水位高度，两者差值即为试验入渗水量。

湿润锋下降距离：入渗试验开始时，按照“先密后疏”的原则，使用长度为1 m 的钢尺测定不同时间段湿润锋下降距离。试验过程中，每次在土柱上选取4 个方向分别读取湿润锋下降距离并取其平均值作为最终湿润锋下降距离。当湿润锋下降距离达到50 cm，入渗过程结束，停止记录。

土壤蒸发量：采用称重法测定土壤蒸发量。昼夜蒸发过程持续7 d，每天8∶00-20∶00进行称重，记录时间间隔为1 h。

采用Excel 2010 进行数据处理分析，Origin 2019b 进行绘图。

1.4 理论模型介绍

为了评估不同生物炭添加量条件下入渗和蒸发模型的适用性，本文选取Kostiakov模型［19］、Philip模型［20］和Horton模型［21］模拟土壤水分入渗过程：

图1 试验装置图（单位：cm）Fig.1 Schematic diagram of test device

式中：I为累积入渗量，cm；t为入渗历时，min；a为模型参数，代表土壤水分入渗开始第一时段内的平均入渗速率，cm/min；n为模型参数，表示土壤水分入渗速率随时间变化的快慢程度［22］；S为吸渗率，cm/min0.5，是指土壤依靠毛管力吸收或释放液体的能力，主要对土壤初期入渗率的大小起主要作用［16］；ic为稳定入渗率，cm/min；i0为初始入渗率，cm/min；β为待定参数。

选取Rose 模型［23］和Gardner 模型［24］对土壤蒸发过程进行模拟：

式中：E为累积蒸发量，cm；t为蒸发历时，min；A、B、C为蒸发系数。

1.5 精度评价指标

本研究采用决定系数（R2）、相对均方根误差（RRMSE）和纳什系数（NS）等指标对模型的拟合效果进行评价。

式中：n为样本数量；Mi为实测值；为实测值的平均值；Si为模拟值；为模拟值的平均值。

2 结果与分析

2.1 生物炭添加量对湿润锋运移的影响

湿润锋是土壤入渗过程中一个明显的干湿交界面，用以表征土壤基质吸力和重力作用下的水分运动特征，各处理湿润锋运移特征如图2所示。

图2 不同生物炭添加比例下湿润锋运移深度随入渗历时变化Fig.2 Variation of wetting front migration depth with infiltration duration under different biochar addition ratios

由图2 可知，不同比例生物炭添加均减小了土壤湿润锋运移速率且生物炭添加量越多，湿润锋运移速率越缓慢。从各处理结果看，CK、B1 和B2 处理湿润锋运移情况随着入渗时间的增加在后期逐渐趋于一致，B3、B5和B7湿润锋运移速率明显减小。B3 和B5 在入渗初期的湿润锋运移深度较为相近，入渗100 min 后逐渐体现出差异，而B7 的湿润锋运移进程从初期就较为缓慢、持续时间最长且减缓水分在土体中的下降速率最明显。从整体看，入渗初期（前5 min）各处理湿润锋之间差异不明显，随着入渗历时增加，差异逐渐显著。各湿润锋运移深度达50 cm 所用时间分别为153 min（CK）、167 min（B1）、170 min（B2）、203 min（B3）、223 min（B5）、294 min（B7），添加生物炭处理达到相同深度所需时间比CK 分别增加了9.2%、11.1%、32.7%、45.8%、92.2%，表明生物炭对土壤水分入渗具有阻滞作用，且添加比例越多，效果越明显。

为了进一步明确湿润锋运移深度和入渗历时之间的关系，对两者进行了拟合（表1）。结果表明，湿润锋运移深度和入渗历时符合幂函数关系（F=m×tb，m和b为经验系数）。各处理的R2均大于0.99，且RRMSE趋近于0，NS趋近于1，表明所建立的幂函数公式可以很好地描述掺混生物炭条件下土壤湿润锋运移深度随入渗时间的变化关系。在湿润锋运移深度与入渗历时的变化关系中，随着生物炭添加比例的增大，参数m逐渐减小，表明生物炭添加具有减缓土壤水分入渗速度的作用，这一点也可以从图2中得到验证。

表1 湿润锋运移深度与入渗历时拟合结果Tab.1 Results of wetting front migration depth and infiltration duration

2.2 生物炭添加量对累积入渗量的影响

累积入渗量和稳定入渗率常用来表征土壤入渗达到稳定前后的土壤入渗能力［25］。从图3 可以看出，不同生物炭添加比例对累积入渗量有不同程度的影响，随着生物炭添加比例增加，累积入渗量减小。入渗20 min 之后，添加生物炭处理土壤的累积入渗量开始明显低于CK 处理。B7 的累积入渗量最小，为16.4 cm。各处理达到与B7相同的累积入渗量所用时间分别为126 min（CK）、142 min（B1）、158 min（B2）、184 min（B3）、217 min（B5）。入渗结束时各处理累积入渗量依次为18.1 cm（CK）、17.0 cm（B1）、16.0 cm（B2）、14.5 cm（B3）、13.0 cm（B5）、11.6 cm

图3 不同生物炭添加比例对累积入渗量的影响Fig.3 Effects of different biochar proportion on cumulative infiltration

（B7），添加生物炭处理的累积入渗量比CK 处理分别减少了6.0%、11.9%、19.9%、28.0%、36.2%。因此，随着生物炭添加比例的增加，土壤入渗速率逐渐降低，生物炭对土壤水分入渗的抑制越明显，有利于提升土壤储水能力。

2.3 生物炭添加量对累积蒸发量的影响

土壤水分蒸发是土壤水分平衡的一个重要环节，是影响土壤水分损失的重要因素之一，降低土壤水分无效蒸发对提高土壤水分利用率有重要影响。图4表示的是不同生物炭添加比例下土壤累积蒸发量与蒸发历时的变化关系。

图4 不同生物炭添加比例对累积蒸发量的影响Fig.4 Effect of different biochar proportion on cumulative evaporation

由图4 可知，在蒸发初期，各处理蒸发量无明显差异，当蒸发历时在1 000～4 000 min 时，B1、B2 仍然与CK 的变化趋势相近，B3、B5、B7 处理已与CK 处理呈现明显差异。蒸发历时达到4 000 min 之后，B1 和B2 开始表现出对蒸发的抑制作用并逐渐趋于稳定。B5和B7处理累积蒸发量大约在4 700 min时开始产生差异，而B7 处理已经逐渐趋于平缓，B7 较B5 对于土壤蒸发的抑制作用更加明显，说明生物炭添加比例越大对土壤蒸发的抑制作用越明显。蒸发历时达到8 000 min时，各处理累积蒸发量均趋于稳定，分别为111 mm（CK）、93 mm（B1）、85 mm（B2）、86 mm（B3）、84 mm（B5）、71 mm（B7），由此可见，不同生物炭添加比例均可以在蒸发中后期表现出对蒸发的抑制作用，且添加比例越大，抑制作用越强。生物炭添加量在7%时，抑制效果最明显，添加量在3%～5%时蒸发前期的效果与7%接近，后期与2%～3%接近。因此，可根据实际情况，在抑制无效蒸发的同时减少生物炭用量。

2.4 生物炭添加量对土壤入渗和蒸发模型模拟评估

2.4.1 土壤入渗模型模拟

为进一步研究不同生物炭添加比例对土壤水分入渗过程的影响，采用Kostiakov 模型、Philip 模型和Horton 模型对实测入渗数据进行拟合（图5）并对参数拟合结果进行精度分析（表2）。由图5 可知，Kostiakov 模型比Philip 模型和Horton 模型的累积入渗量模拟值与实测值更接近。同时，由表2可知，Kostiakov模型模拟的R2在0.999 3～0.999 6 之间，RRMSE在0.011 5～0.015 9之间；Philip 模型模拟的R2在0.969 5～0.996 3 之间，RRMSE在0.047 9～0.173 7 之间；Horton 模型模拟的R2在0.942 6～0.991 4之间，RRMSE在0.106 3～0.206 9之间。表明，3种入渗模型均能较好的模拟生物炭添加条件下的土壤水分入渗过程，结合图5，Kostiakov模型模拟结果更优。

表2 入渗模型拟合结果Tab.2 Results of infiltration model

图5 不同处理土壤入渗过程模型模拟结果对比图Fig.5 Comparison of simulation results of different soil infiltration models

对于土壤蒸发过程，采用Rose 和Gardner 模型对累积蒸发量和蒸发历时进行拟合（图6）并对参数拟合结果进行精度分析（表3）。由图6 可知，Rose 模型比Garden 模型的累积蒸发量模拟值与实测值更接近。由表3 可知，两种模型均具有较高精度（R2>0.9）。Rose模型的RRMSE值较Gardner模型更趋近于0、NS值更趋近于1，结合图6，表明Rose 模型拟合效果更好、模拟精度更高，更适用于模拟生物炭添加条件下的土壤蒸发过程。

表3 蒸发模型拟合结果Tab.3 Results of evaporation model

图6 不同处理土壤蒸发过程模型模拟结果对比图Fig.6 Comparison of simulation results of different soil evaporation models

3 讨论

生物炭添加比例对土壤湿润锋和累积入渗量有不同程度的影响，生物炭添加量越大，湿润锋运移速度和累积入渗量减缓效果越明显。原因是生物炭自身具有丰富的孔隙结构、巨大的比表面积及表面大量高密度负电荷的存在，使添加生物炭的土壤具有更强的保水能力［25］。在入渗初期，由于土体本身较为干燥，生物炭的亲水性还未能完全发挥出来，导致入渗速率较快；随着入渗时间增加，生物炭自身亲水性开始对入渗过程产生影响，入渗20 min 之后，与CK 相比，添加生物炭处理土壤的累积入渗量开始明显低于CK。表明，添加生物炭能够对土壤入渗过程产生明显的阻滞作用，从而提高土壤的持水性能。韩豪杰［26］等研究结果也表明添加生物炭能显著降低土壤入渗能力，提高土壤保水效率。

Yang［27］和Alkhasha［28］等研究了不同生物炭添加比例对土壤蒸发过程的影响，结果表明，随着生物炭添加量的增加，对蒸发的抑制作用越明显，与本研究结果一致。但本研究还发现，在蒸发前期，3%～5%的生物炭添加量抑制蒸发效果与7%添加量相近，蒸发后期2%～3%的生物炭添加量抑制效果与7%添加量接近。原因是蒸发前期，土壤入渗过程刚结束，蒸发能力主要受土壤浅层含水量影响，由此削弱了不同处理间生物炭添加对蒸发的抑制作用。而蒸发后期，高比例生物炭添加处理的深层土壤含水率高于其他处理［29］，导致生物炭抑制蒸发效果与低添加量处理一致。因此，可以根据实际土壤蒸发情况，优化生物炭用量，而不是单纯的注重蒸发抑制效果，忽略生物炭用量。

土壤入渗模拟结果表明，3 种入渗公式的R2>0.99，均可以较好的模拟生物炭添加条件下的土壤入渗过程，其中，Kostia⁃kov 模型整体的RRMSE值更小，NS值更趋近于1，模拟结果最优，这与李卓［30］等的研究结果一致。对于Kostiakov 模型，生物炭添加量越大，经验系数a越小，表明添加生物炭能够减缓土壤水分入渗速率，但在生物炭添加量为7%时a值变大，说明添加量过多可能会加快土壤水分入渗，降低生物炭的保水效果。经验系数n表示土壤水分入渗速率随时间变化递减的快慢程度［31］，添加量为2%时n值最大，入渗速率递减最快。对于Phil⁃ip 模型，吸渗率S值越小，土壤水分入渗速度越慢，各处理S值大小表现为CK>B1>B2>B3>B7>B5，生物炭添加量为7%时S值变大，土壤水分入渗速率变快，这与Kostiakov 模型模拟结果一致。Horton 模型模拟精度低于Kostiakov 模型和Philip 模型，结果与魏永霞［21］等的研究结果一致。包志为［32］等采用Black 模型和Rose模型模拟了生物炭添加条件下的砂壤土蒸发过程，结果表明，Black 模型可以较好的模拟砂壤土的蒸发过程。而本研究结果表明，Rose 模型可以更好的模拟生物炭添加条件下的土壤蒸发过程，二者差异在于不同土壤类型对蒸发过程具有较大影响。在今后的研究中应当考虑不同土壤类型的入渗蒸发过程对生物炭添加的响应。