马铃薯生物炭对土壤水分入渗及蒸发的影响

马 贵，韩新宁，赵文霞，曹江平，刘 婷,杨宏斌

(1.宁夏师范学院化学化工学院，宁夏固原 756000； 2.宁夏师范学院六盘山资源工程技术研究中心，宁夏固原 756000)

0 引 言

1 材料与方法

1.1 材 料

马铃薯秸秆和黑垆土均采自宁夏西吉县某农田(E105°47′47.49″，N36°3′18.77″)，山地草甸土采自当地某山坡(E105°48′39.27″，N36°3′53.22″)。采用Z型采样法采集深度为0～20 cm的土壤，去除杂质，自然风干，研磨过10目筛后备用。用激光粒度分析仪(Mastersizer2000)测定土壤颗粒组成。采集到的马铃薯秸秆用自来水洗净后，风干，剪成小段(10 cm)，干燥24 h后取出并研磨，过40目筛，装入坩埚中压实密封，在马弗炉中限氧热解(500℃)6 h，冷却至室温后取出，于研钵中研磨均匀，过80目筛,用1 mol/L的 HCl 洗 3 次，过滤后用去离子水洗至中性，烘干(70～80℃)后备用[17]。表 1

表1 土壤和生物炭的基本性质Table 1 Properties of experimental soil and biochar

1.2 方 法

试验共设6个不同生物炭添加量，分别为0(CK)、1%(B1)、2%(B2)、3%(B3)、5%(B4)和7%(B5)，2种土壤，计12个处理，每个处理重复 3 次。按照土壤的容重，将生物炭与供试土样混合物填装到有机玻璃柱(内径15 cm，高50 cm)中至40 cm土柱(5 cm为一层，每层之间打毛表面)。定水头供水试验通过马氏瓶进行(3 cm水头)，湿润峰距离为每一时间点6个湿润峰点的平均值，根据马氏瓶水位变化计算累积入渗量。当土柱水分饱和且其底部滴水时，收集为淋溶液并用紫外分光光度计其中硝态氮的含量。然后，将土柱放入气候箱中测定蒸发量(控制在30℃，连续测定33 d)，每天08：00称量土柱并打开人工气候箱，20：00关闭人工气候箱。按照E=M×10/(πr2)计算日蒸发量(E是日蒸发量，mm；M是土柱日质量变化值，g；r为土柱内半径，cm)。表1

通过幂函数(y=axb)对土柱试验湿润峰距离y(mm)和入渗时间x(min)进行拟合，其中：a为入渗系数(a值越大，代表土壤水分下渗越快，越小则下渗越慢)；b为入渗指数[18]。

用Philip 和 Kostiakov 模型拟合入渗试验数据，进一步研究不同生物炭处理下2种土壤水分的垂直入渗规律。Philip 模型的数学表达式：f(t)=0.5st-0.5+fc；Kostiakov模型：f(t)=atb，式中：f(t)为入渗速率，mm/min；fc为土壤稳渗速率mm/min；t为时间，min；s、a和b为实验模型参数(a值越大，初始入渗率越大，b值越大，入渗率的衰减程度越大[19])。

通过幂函数(Ec=a×tb)对土壤蒸发量随时间变化的实测数据进行拟合。

1.3 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理，分别用Origin 2018和Spss21.0作图和数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭含量对土壤湿润峰距离的影响

研究表明，随着入渗时间推进，各生物炭处理下的土壤湿润峰距离不断增加，其湿润峰曲线也由陡峭逐渐向平缓过渡；土壤湿润峰距离在不同生物炭处理下的差异随着入渗时间的推进逐渐增大。

各生物炭处理对2 种土壤的湿润峰运移均产生了明显影响。随着生物炭添加量的增加，山地草甸土的湿润峰距离逐渐变小且到达土柱底部(40 cm)所用时间逐渐增大，分别为319 min(B1)、298 min(B2)、353 min(B3)、403 min(B4)、422 min(B5)，适量生物炭的添加会减缓山地草甸中水分垂直移动速度，有利于土壤水分的保持；在B1生物炭处理下，黑垆土湿润峰距离均比CK大且到达土柱底部时间(376 min)比CK(438 min)短，而在B2、B3、B4、B5处理下，湿润峰距离均小于CK且到达土柱底部的时间都比CK长，分别为475 min(B2)、562 min(B3)、535 min(B4)、603 min(B5)，低添加量的生物炭(B1)增加了黑垆土的大孔隙的比例，使水分下渗速度加快，但随着生物炭添加量逐渐加大，土壤的吸水能力会逐渐增强，减缓了水分的下渗。

a值随着生物炭添加量的增加呈现逐渐减小趋势，即添加生物炭越多，土壤水分下渗越慢，生物炭对土壤水分下渗速度有较明显的影响；但b值的规律性不明显；不同处理的R2值都高于0.980，且显著性检验P<0.01，幂函数能够较好地拟合生物炭添加量和湿润峰距离之间的关系。图1

2.2 生物炭含量对土壤累积入渗量的影响

研究表明，生物炭的添加对 2种土壤累积入渗量均产生了明显的影响，当入渗时间一定时，2种土壤累积入渗量均随着生物炭添加量增加逐渐减少，山地草甸土入渗量减幅比黑垆土更明显。

对于山地草甸土，当入渗时间达到100 min时，CK、B1、B2、B3、B4和B5处理下累积入渗量分别为105.20、94.90、89.80、83.20、76.00和67.40 mm，比对照降低了9.79%～35.9%。各生物炭处理下，黑垆土累积入渗量在同一入渗时间段的大小依次是B1> CK> B2> B3> B4>B5。图2

2.3 土壤水分入渗过程的拟合

研究表明，2种土壤在各生物炭处理下的Kostiakov 模型中a 值大小均依次为CK>B1>B2>B3>B4>B5，而参数b的变化产生不同的变化规律，2种土壤的初始入渗率均随生物炭添加量的增加逐渐减小。Philip和 Kostiakov 入渗模型对2种土壤下渗过程的拟合效果存在一定差异，Philip 模型更适合描述山地草甸土的水分入渗过程，Kostiakov 模型更适合描述黑垆土的水分入渗过程。表2

2.4 生物炭对土壤蒸发特性的影响

研究表明，2种土壤的累计蒸发量均随着生物炭添加量的增加显著降低(P<0.05)，但山地草甸土的降低幅度大于黑垆土；在同一时间段内，山地草甸土在各处理下的土累积蒸发量均大于黑垆土；在第33 d，山地草甸土在B1、B2、B3、B4、B5处理下累积蒸发量较对照(CK)分别降低2.62%、3.95%、5.79%、10.67%、13.84%，黑垆土分别降低1.50%、7.55%、9.12%、14.15%、18.21%。生物炭添加量的增加能有效抑制2种土壤水分蒸发。图3

研究表明，各处理决定系数(R2)均大于0.944，拟合精度均较高。生物炭添加量越大，土壤的平均蒸发速率越小。表3

2.5 生物炭对不同质地土壤硝态氮淋溶的影响

表 3 累计蒸发量(Ec)与时间(t)回归关系Table 3 Regression relationship between accumulated evaporation and time

3 讨 论

湿润锋在土壤水分运移时湿润层的最前端，是土壤湿润层与干燥层的分界线，可展示土壤水分在土壤基质吸力和重力作用下的运动特征[12,18]。土壤自身容重、水分状况、孔隙结构、质地等特性是影响土壤下渗过程的主要内部因素[20]。试验中，随着入渗时间的推进，2种土壤在马铃薯生物炭处理下湿润峰距离不断增加，各湿润峰曲线由入渗初始阶段较陡逐渐向平缓过渡，这与许多研究[21-23]结果一致。这主要是由于在水分下渗的初始阶段，土壤比较干燥，基质势较大，加上生物炭巨大的表面积和其含有的大量亲水官团加速了土壤对水分的吸收[22]，所以入渗初始阶段的湿润峰进程快，累计入渗量大，但随着水分含量增加，土体表层的持水量就开始逐渐达到饱和，使得湿润峰和累积入渗量曲线逐渐变得平缓。马铃薯生物炭添加量的变化对2 种土壤的湿润峰运动特征和累计入渗量都产生了明显影响，生物炭对湿润峰距离和累积入渗量减弱作用随着其添加量的增加逐渐增强，李帅霖等[24]的研究也得了相似的结果，因为生物炭添加不仅增大了土壤表面积和孔隙度，而且破坏了土壤颗粒间的黏结，大量土壤水分被土壤吸附固定，降低土壤水分入渗速度，增强其持水能力[25]。马铃薯生物炭的添加能改善2种土壤水分迅速下渗、持水性能弱的问题。

累计入渗量常被用于表征入渗过程未达到稳定时土壤的入渗能力，是指在一定时间段内单位表面积土壤入渗水分的总量[20,21]。研究结果表明，当入渗时间相同时，山地草甸土润峰距离和累积入渗量随着生物炭添加量的增加显著减少，而黑垆土的湿润峰距离和累积入渗量在马铃薯生物炭添加量较小(1%)时均比CK大，但在2%、3%、5%和6%处理下都显著小于CK，可见，大于1%的生物炭添加量，能减少黑垆土入渗速度，提高其持水能力，与肖茜等[5]研究生物炭对黄棉土的下渗影响的结论一致。添加生物炭对 2 种不同质地土壤的湿润峰距离和累计入渗量的影响有差异，而黑垆土的黏粒含量比山地草甸土高，致使黑垆土持水能力比山地草甸土强，低生物炭添加量更加容易增大黑垆土的表面积及孔隙度，促进了水分的吸收，但当添加量逐渐增大时，大量生物炭吸附了土壤中的其它微小颗粒，堵塞了土壤中水分流通的孔隙，导致土壤入渗能力下降。 较低的生物炭添加量(B1)增加了黑垆土的累积入渗量，但当生物炭添加量继续增加时，土壤累积入渗量却逐渐减小，这与方圆等[26]对塿土的研究结果相似。

4 结 论

4.1马铃薯生物炭添加量减缓了山地草甸土水分下渗速度，降低了累积入渗量。低生物炭添加量(1%)促进了黑垆土的水分下渗，增加了累积入渗量，而较高添加量(2%～5%)减缓黑垆土的水分入渗速度，降低其累积入渗量。幂函数能较好的拟合各马铃薯生物炭处理下2种土壤的湿润峰距离与下渗时间之间的关系；Philip入渗模型能更好体现山地草甸土的水分入渗过程，Kostiakov模型能更好反映黑垆土的水分入渗过程。

4.2马铃薯生物炭显著降低了山地草甸土和黑垆土的累积蒸发量(33 d)，土壤蒸发量和时间复合幂函数关系。