生物炭混掺对沼液间接地下滴灌土壤水力特性的影响

郑 健 向 鹏 孙 强 康 健 王 燕

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院， 兰州 730050；2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室， 兰州 730050)

0 引言

间接地下滴灌最早源于砂管灌，不仅可以实现水肥一体化灌溉，而且能够有效地解决普通滴灌蒸发损失大的问题，在提高水分利用效率的同时还具有节约劳力以及方便使用、管理、维修的优点，特别适宜于干旱缺水地区，且在果园和设施栽培中的应用效果良好[1-2]。国内外学者通过室内试验和数值模拟研究确定了间接地下滴灌的关键技术参数和理论模型[3-4]，并在甜瓜[5]和枣树[6]等作物的试验研究中，发现该灌水技术还具有节水、抑盐和增产调质的作用[7]。但在水肥一体化条件下对间接地下滴灌水、养分分布特征的试验研究还显欠缺。

沼液是以人畜粪便及农作物秸秆等为原材料，通过厌氧发酵后的产物，是良好的绿色有机肥料[8]。但因其具有高水低肥的特性，在施用过程中水分和养分易产生淋洗流失，从而导致作物根区土壤可利用营养元素滞留量下降，造成资源浪费，甚至还会对地下水构成一定的污染威胁[9-10]。因此，如何有效减少配施沼液中水分和养分的损失，提高其在根区土壤的滞留量，已成为当前沼液农田应用亟待解决的实际问题。生物炭是由农林有机废弃物在限氧和一定温度(<700℃)条件下热解制成，具有含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、表面可吸附有机官能团多等特点[11-12]，在农业生产中作为土壤改良剂混掺于土壤之中，能够显著改良土壤物理及水力特性[13]。王竹等[14]的试验结果显示，施加生物炭在整体上可以提高土壤体积含水率，但在不同的水吸力下土壤的保水能力存在差异。IBRAHIM等[15]施用生物炭对沙壤土水力特性影响的研究也表明，生物炭的应用会降低土壤饱和导水率和入渗速率。同时，TOMASZ等[16]和HANSEN等[17]的研究还发现生物炭的应用可以增加土壤的有效水含量。现有研究充分表明了生物炭混掺入土壤后对土壤保水方面具有积极作用，但生物炭在水/沼液一体化灌溉条件下对土壤水力特性的影响，目前还未见相关研究报道。

基于此，本文将间接地下滴灌技术应用于沼液灌溉，同时融入生物炭能改良土壤物理及水力特性的作用，采用室内土箱试验，探索沼液间接地下滴灌条件下，不同生物炭混掺量和沼液配比对土壤持水特性、土壤饱和导水率、湿润锋运移、湿润体体积变化以及湿润体含水率分布规律的影响，旨在提高沼液灌溉时水分和养分在作物根区的滞留量，提高水分利用效率，为沼液灌溉中存在的实际问题提供解决方案，也为沼液间接地下滴灌的应用推广提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2021年3—7月在兰州理工大学水利水电工程研究所的实验室进行(36°06′N，103°78′E)。实验室层高6 m，空间较大，且装有空调，在试验周期内能够保持温度为(20±2)℃，故可忽略温度对土壤水分特性的影响。

试验所用土壤取自甘肃省兰州市魏岭乡狗牙村正常耕作农田，采集土壤深度为耕层0～40 cm，采集后自然风干、混合均匀，过2 mm筛备用。同时，采用土壤比重计(TM-85型)进行土壤粒径分析，砂粒(粒径0.02～2 mm)、粉粒(粒径0.002～0.02 mm)、黏粒(粒径0～0.002 mm)质量分数分别为24.30%、55.77%、19.93%。依据国际制土壤质地分类标准，供试土壤为粉壤土。根据当地农田土壤的容重状况，设置试验土壤容重为1.35 g/cm3。

试验所用沼液取自兰州市花庄镇甘肃荷斯坦良种奶牛繁育中心正常发酵、产气的沼气工程，该沼气工程的发酵原料为牛粪，沼液取出后曝气并静置60 d，待其理化性质稳定后备用。试验前将静置已久的沼液摇匀，用32目(4层)纱布过滤掉沼液中较大悬浮颗粒，并按照试验设置浓度进行配比(沼液、水体积比)，基本理化性质如表1所示。

表1 试验沼液基本理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of biogas slurry

试验采用的生物炭为小麦秸秆生物炭，其容重为0.19 g/cm3，比表面积为9 m2/g，总孔隙度为67.03%，通气孔隙度为12.87%，持水孔隙度为61.10%，pH值为10.24，阳离子交换量为60.8 cmol/kg。

1.2 试验设计

试验依据预试验结果，设置4个生物炭混掺量(生物炭、土壤质量百分比)： 0(B0)、1%(B1)、2%(B2)和5%(B5)，4个沼液配比(沼液、水体积比)：0(Z0)、1∶8(Z1∶8)、1∶6(Z1∶6)和1∶4(Z1∶4)，将不混掺生物炭和清水入渗的处理Z0B0作为对照，共计16个处理，各处理进行3次重复，取均值作为试验结果。

1.3 测定内容及方法

1.3.1土壤水分特征曲线

土壤水分特征曲线采用高速恒温冷冻离心机(CR21GⅡ型，日立公司)测定[18]，先将土壤按试验设计分层装入环刀，并在溶液(蒸馏水、不同配比沼液)中进行24 h的饱和处理，水面高度低于环刀高度1 mm，之后将环刀滞空放置一段时间，直到不再有重力水排出，此时认为土样达到饱和，并用高精度电子天平称量，然后按照土壤水分特征曲线测定规程进行测定，结束后置于105℃恒温干燥箱内干燥至质量恒定，以计算土壤含水率。各处理均进行4次重复，取其均值作为试验结果。土壤水分特征曲线拟合采用Van-Genuchten模型[18]，模型参数通过软件RETC拟合确定，模型为

(1)

其中

m=1-1/n

(2)

式中θ(h)——土壤相对饱和度，cm3/cm3

θs——土壤饱和体积含水率，cm3/cm3

θr——土壤残余体积含水率，cm3/cm3

α——进气值倒数，cm-1

h——负压，m

n——与孔径分布相关的经验参数

m——经验形状系数

1.3.2土壤有效水含量

土壤有效水是土壤中植物能够有效利用的水分，其含量计算公式为[19]

SAW=θFC-θPWP

(3)

式中SAW——土壤有效水含量，cm3/cm3

θFC——田间持水率，取土壤水吸力为100 cm处的土壤体积含水率，cm3/cm3

θPWP——凋萎含水率，取土壤水吸力为15 000 cm处的土壤体积含水率，cm3/cm3

1.3.3土壤孔隙

土壤中孔隙大小和分布可由土壤水分特征曲线间接反映。若将土壤中孔隙设想为各种孔径的圆形毛管，则土壤水吸力s和当量孔径d的关系可简单地表示为[20]

s=4σ/d

(4)

其中

d=300/s

(5)

式中σ——水的表面张力系数，室温条件下一般为7.5×10-4N/cm

s——土壤水吸力，cm

d——当量孔径，mm

根据式(4)计算出当量孔径，就可反映不同处理土壤中孔隙大小和分布。若土壤含水率θ1对应的当量孔径为d1，含水率θ2对应的当量孔径为d2，则土壤中孔径在d2与d1之间的孔隙所占的体积与孔隙总体积之比为θ1-θ2(θ1>θ2)[20]。因此，可根据不同处理土壤孔隙大小和分布状况，分析不同处理土壤持水能力的变化。

1.3.4土壤饱和导水率

土壤饱和导水率采用变水头渗透试验法测定[21]，结果均换算为10℃下的饱和导水率进行分析。试验装置采用TST-55型渗透仪(南京土壤仪器厂)，如图1所示。

图1 变水头渗透试验装置Fig.1 Diagram of variable head penetration test device1.渗透容器 2、6、7.进水管夹 3.变水头管 4.供水瓶 5.接水源管 8.排气水管 9.出水管

1.3.5土壤湿润体特征

试验系统由土箱和供水装置两部分组成，如图2所示。土箱采用30°扇形有机玻璃装置，取入渗所形成湿润体的1/12作为研究对象。土箱高 50 cm，径向长度40 cm，材料厚度为1 cm，供水装置采用蠕动泵，以设定恒定流量供水。图2中导水装置高度为20 cm，其中透水边界高度设为8 cm，不透水边界高度为12 cm，直径为7.4 cm，滴头流量设定为1.8 L/h。试验土样按照预定容重(1.35 g/cm3)分层(5 cm)均匀装入有机玻璃土箱内，层间打毛，装土高度为50 cm。土样装入土箱自然沉降24 h后进行试验。每组试验重复3次，取均值作为试验结果。

图2 间接地下滴灌试验装置Fig.2 Schematic of indirect subsurface drip irrigation1.高度可调节支架 2.蠕动泵 3.出水管 4.土壤表面 5.土箱 6.不透水边界 7.透水边界 8.导水装置 9.进水管 10.水桶

试验开始后，用秒表计时，按照先密后疏的原则观测土壤湿润锋运移，在土箱两侧描绘二维坐标系记录不同入渗时刻所对应的湿润锋位置。以图3所示坐标系，分别测量湿润体水平运移距离R，垂直向上运移距离X，垂直向下运移距离H，各方向的最大湿润距离分别记为Rmax、Xmax及Hmax,试验以定额灌水量(1 000 mL)入渗完成为试验结束标志，结束后立刻用直径1 cm土钻沿水平方向不同深度进行取土，沿水平间隔距离为5 cm，垂直间隔距离为5 cm，并将土样放入105℃恒温干燥箱内干燥至质量恒定，以计算湿润体土壤体积含水率。

1.4 数据处理

采用Excel 2016整理数据，水动力参数拟合采用RETC软件，显著性统计分析采用SPSS 24.0软件进行，绘图采用Origin 2018软件，并采用surfer12绘制等值线图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤持水特性的影响

2.1.1土壤水分特征曲线及拟合分析

为了分析不同生物炭混掺量和沼液配比对土壤水分特征曲线的影响，以试验实测数据为基础，绘制不同处理下的土壤水分特征曲线，如图 4 所示，图中lgs和θv分别为土壤水吸力对数、土壤体积含水率。从图4可以看出，不同处理土壤水分特征曲线形态类似，当土壤水吸力s从0增至15 000 cm时，各处理的土壤水分特征曲线在数值上产生一定差异,例如当土壤水吸力为1 000 cm时，处理Z0B1、Z0B2、Z0B5较处理Z0B0的土壤含水率分别增加1.12%、2.68%、3.11%，处理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的土壤含水率较对照处理Z0B0分别增加1.82%、2.96%、3.34%，处理Z1∶4B1、Z1∶4B2、Z1∶4B5的土壤含水率较对照处理Z0B0分别增加4.58%、8.92%、9.13%，即在相同土壤水吸力下，施用生物炭和沼液处理的土壤含水率均高于对照处理，且与沼液配比、生物炭混掺量均呈正比，联合施用的效果更加明显。

为了定量分析生物炭混掺量和沼液配比对土壤持水特性的影响，采用Van-Genuchten模型对各处理的土壤水分特征曲线进行拟合计算，结果见表2。从表2可以看出，各处理拟合曲线的决定系数R2均大于0.99，即Van-Genuchten模型的参数拟合度符合要求，各参数均可用来解释土壤持水曲线的变化规律。混掺生物炭对间接地下滴灌入渗θs、θr、α、n、θFC、θPWP和SAW的影响均具有统计学意义。与对照Z0B0相比，处理Z0B1、Z0B2、Z0B5的θs分别增加1.69%、3.47%和5.29%，θr分别增加2.35%、10.19%和14.31%，θFC分别增加2.3%、3.99%和6.81%，θPWP分别增加3.75%、10.53%和14.1%，

图4 不同处理土壤水分特征曲线Fig.4 Soil moisture characteristic curves under different treatments

表2 不同处理对土壤水动态参数的影响Tab.2 Effects of different treatments on dynamic parameters of soil water

SAW分别增加2.09%、2.63%和5.29%，即生物炭的混掺提高了土壤的持水能力，有效水含量增加。沼液间接地下滴灌各项土壤水动态参数的影响也均具有统计学意义，与对照Z0B0相比，处理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的θs、θr、θFC、θPWP和SAW增幅分别为4.41%～5.02%、7.05%～13.73%、2.5%～4.45%、7.14%～12.97%、1.52%～2.67%，说明沼液灌溉也可以提升土壤的持水能力。沼液和生物炭两因素交互作用对间接地下滴灌入渗θs、θr、α、θFC、θPWP和SAW的影响也均达到统计学水平，处理Z1∶4B1、Z1∶4B2、Z1∶4B5较处理Z0B0，θs分别增加5.7%、7.25%和7.25%，θr分别增加15.1%、17.84%和31.76%，θFC分别增加6.13%、7.85%和8.66%，θPWP分别增加16.54%、18.61%和21.8%，SAW分别增加4%、5.61%、6.92%。这表明，沼液灌溉和生物炭混掺耦合作用对土壤持水性能的增强明显大于单独沼液灌溉或生物炭混掺。

2.1.2土壤总孔隙度和毛管孔隙度

取土壤饱和含水率所对应的土壤孔隙度为总孔隙度，土壤水吸力为1.5×102～1.5×103cm所对应的土壤孔隙度为毛管孔隙度[22]，根据式(4)可计算各处理的土壤总孔隙度和毛管孔隙度，见表3。从表3可以看出，处理Z0B1、Z0B2、Z0B5较处理Z0B0的土壤总孔隙度分别增加1.81%、2.41%、3.10%，毛管孔隙度分别提高1.08%、2.30%、2.87%，表明生物炭轻质而疏松多孔的结构特点与土壤混掺后增加了土壤总孔隙度和毛管孔隙度，从而提升试验土壤的持水能力；处理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的总孔隙度较对照处理Z0B0分别增加1.16%、2.36%、3.87%，而毛管孔隙度分别增加0.73%、1.18%、3.02%，这表明施用沼液亦可通过改善土壤孔隙结构来提高土壤的持水能力；处理Z1∶4B1、Z1∶4B2、Z1∶4B5的总孔隙度和毛管孔隙度较对照处理Z0B0分别增加1.31%、4.42%、4.87%和3.27%、4.52%、4.89%，这表明联合施用生物炭和沼液可改善土壤的土壤孔隙结构，从而提高土壤持水能力，且比单施效果更加明显。

表3 不同处理土壤孔隙度Tab.3 Soil porosity for different treatments %

2.2 土壤饱和导水率

由图5(图中小写字母表示相同沼液配比水平下不同生物炭混掺量水平的土壤饱和导水率之间差异显著(P<0.05)；大写字母表示相同生物炭混掺量水平下不同沼液配比的土壤饱和导水率之间差异显著性(P<0.05))可知，混掺生物炭显著减小土壤的饱和导水率(P<0.05)，处理Z0B1、Z0B2、Z0B5较对照处理Z0B0分别减小57.5%、76.25%、70%，即当生物炭混掺量为1%、2%时，土壤饱和导水率与生物炭混掺量呈负相关；而当生物炭混掺量为5%时，土壤饱和导水率高于2%的生物炭混掺量处理。施用沼液亦可显著减小土壤饱和导水率，与对照Z0B0相比，处理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的土壤饱和导水率分别下降35%、52.27%、63.64%，即土壤饱和导水率和沼液配比呈负相关。沼液和生物炭联合施用对土壤饱和导水率的影响达到显著性水平，相比对照Z0B0，其中处理Z1∶4B1、Z1∶4B2、Z1∶4B5降幅达63.64%～91.36%，说明联合施用沼液和生物炭降低了土壤饱和导水率，二者对土壤饱和导水率的影响存在交互作用，且土壤饱和导水率最小的是处理Z1∶4B2，即沼液配比1∶4和生物炭混掺2%处理。

图5 不同处理土壤饱和导水率Fig.5 Saturated water conductivity of soil under different treatments

2.3 不同处理对湿润体特征的影响

2.3.1湿润锋运移距离

图6为入渗时间t在10、140、 400 min时不同处理的实测湿润锋运移距离。从图6可以看出，土壤湿润锋水平运移距离R、垂直向上运移距离X和垂直向下运移距离H均随灌水时间t的推移呈增加趋势。与水平B0相比较，B1、B2和B5的X、R从大到小依次为B0、B1、B2、B5，即混掺生物炭降低了水分在水平方向和垂直向上方向的运移距离，而H先减小后增大，顺序为B5、B0、B1、B2。即同一沼液配比水平下，混掺1%或2%的生物炭，能够有效减小土壤湿润锋运移距离，促使水分更好地集中在植物根系附近，便于植株吸收利用。

图6 不同处理湿润锋运移距离Fig.6 Wet front movement distances of different treatments

与水平Z0相比较，Z1∶8、Z1∶6和Z1∶4的湿润锋运移距离X、R、H由大到小均依次为Z0、Z1∶8、 Z1∶6、 Z1∶4， 处理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的Xmax较处理Z0B0分别减小6.67%、11.11%、16.67%；Rmax分别减小1.28%、2.13%、6.38%；Hmax分别减小3.09%、4.64%、5.67%。即随着沼液配比的升高，水分在水平方向和垂直向上、向下方向的运移距离均减小。

为进一步揭示不同处理湿润锋运移距离与灌水时间的关系，建立二者之间的幂函数关系

(6)

式中A、B——垂直向上方向扩散系数、扩散指数

C、D——垂直向下方向扩散系数、扩散指数

E、F——水平方向扩散系数、扩散指数

具体拟合结果如表4所示，各处理拟合方程的决定系数R2均在0.93以上，达极显著水平，说明幂函数能够准确描述生物炭混掺条件下沼液间接地下滴灌湿润锋运移距离与时间的关系。

表4 不同处理下湿润锋运移距离与时间的拟合参数Tab.4 Fitting parameters of movement distance and time of wet front under different treatments

2.3.2湿润体形状特征

从图6可以看出各处理湿润体形状近似为椭球体。为了分析不同处理入渗过程中湿润锋在垂向和水平方向运移过程及湿润体形状变化，本文采用方程β=(a-b)/a计算椭球体扁率[23]，其中a为垂向湿润距离，b为水平湿润距离，计算结果如图7所示。经分析可知，在入渗过程中，各处理湿润体扁率大于零且随时间延长逐渐减小，说明入渗初始阶段，湿润锋在垂向的湿润距离远大于在横向的湿润距离，随着时间的延长，二者之间的差距逐渐减小，湿润体形状为长轴在垂向的扁平程度逐渐减小的椭球体。同时，在相同沼液配比条件下，生物炭混掺量为1%、2%时，湿润体扁率小于对照处理，而生物炭混掺量为5%时，湿润体扁率大于对照处理。

图7 不同处理湿润体扁率Fig.7 Different treatments wetting zone flattening rates

2.3.3湿润体体积

由上述分析可知，间接地下滴灌入渗过程中，土壤湿润体形状呈椭球体，试验各处理湿润锋运移距离与时间的关系也可用幂函数进行描述(表4)，则湿润体体积V计算公式为

图8 不同处理湿润体体积变化Fig.8 Volume changes of wetted zone under different treatments

(7)

式中r——导水装置半径，为3.7 cm

将表4中的参数代入式(7)计算各处理湿润体体积，结果如图8所示，可以看出，相同沼液配比和入渗时间下，湿润体体积随生物炭混掺量的增大而减小，但生物炭混掺量为2%和5%时，湿润体体积差异较小；相同的生物炭混掺量和入渗时间下，湿润体体积随着沼液配比的增大而减小，其中处理Z0B5的湿润体体积比Z0B0减小了9.54%，处理Z1∶4B0减小了15.82%，处理Z1∶4B5减小了29.02%，这表明：随着生物炭混掺量和沼液配比的增大，湿润体体积呈较小趋势，二者存在交互作用。

2.3.4湿润体含水率分布

图9为不同生物炭混掺量和沼液配比下间接地下滴灌湿润体水分分布情况。由图9可见，在相同灌水定额下，不同处理的土壤含水率等值线形状差异不大，均为近似的旋转“椭球体”，线源附近土壤含水率较高，由内向外土壤含水率逐渐降低，等值线逐渐密集。处理Z0B0、Z0B1、Z0B2、Z0B5下，土壤高含水率(大于土壤田间持水率，0.306 2 cm3/cm3)分布区域面积为12.30、64.72、100.41、48.9 cm2，即随着生物炭混掺量的增大，土壤高含水率分布区域面积不断增大，在生物炭混掺量为2%时达到最大值，混掺量为5%出现明显减小；处理Z0B0、Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0下，土壤高含水率分布区域面积分别为12.30、57.87、68.7、93.27 cm2，表明土壤高含水率区域面积与沼液配比呈正比，处理Z1∶4B2土壤高含水率分布区域面积获得最大值(125.3 cm2)，较对照处理Z0B0增大了10.2倍，即生物炭和沼液配施可增大土壤高含水率区域面积，二者耦合作用明显。

3 讨论

3.1 土壤持水性能

土壤水分是决定作物生长的关键生态因子，不仅影响着土壤的理化性质及肥力特性，而且直接影响作物的生长和发育。土壤持水性能制约着土壤对水的吸持和贮存，是土壤水分管理必不可少的研究对象[24]，探究如何提高土壤持水性能，既可改善土壤抗旱性，亦促进农业增产增收。生物炭具有表面积大、孔隙率高、吸附性强的特点，QIAN等[25]施用生物炭对华南红壤保水特性影响的试验，以及BARNA等[26]混掺生物炭对粉壤土物理特性影响的研究结果均表明，生物炭添加可以改善土壤物理结构并提高土壤持水性能。沼液施用对土壤持水能力的提高也有积极作用，杨乐等[27]、侯冬梅等[28]和YAGUE等[29]的研究结果表明，施用沼液能够增大土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度，进而提高土壤的持水能力。ABDO等[30]在联合应用生物炭和沼液对土壤水物理性质变化的研究中发现，生物炭和沼液联合应用可提高沙土的持水能力，且效果优于单施生物炭或沼液。本研究将生物炭和沼液联合施用，同样发现生物炭混掺和沼液的施用均可以改善土壤结构，提高了土壤孔隙度和毛管孔隙度，增加了土壤水分常数(土壤饱和含水率、残余含水率、田间持水率和凋萎含水率)，从而提升了土壤的持水能力，进一步论证了生物炭和沼液对土壤持水性能的提高具有耦合效应。其主要原因是生物炭和沼液的微粒填充了土壤的大孔隙(排水孔)，且沼液与土壤颗粒可形成稳定的土壤团聚体[31]，其颗粒密度低，可通过稀释效应降低土壤容重，从而改变土壤孔隙的含量和分布，改善土壤的持水性能。

图9 不同处理湿润体体积含水率Fig.9 Volumetric water content in wetted zone under different treatments

3.2 土壤饱和导水率

土壤饱和导水率是指土壤全部空隙都充满水情况下，在单位水势梯度作用下，通过垂直于水流方向的单位面积土壤的水流通量或渗流速度，是土壤水分和溶质运移的重要水力参数[32]。HERATH等[33]研究表明生物炭的添加提高了粉壤土饱和水力传导度，而本文的试验结果表明，低混掺生物炭量(1%、2%)可降低土壤饱和导水率，而高生物炭混掺量(5%)处理土壤饱和导水率高于低生物炭混掺量处理。存在差异的原因可能是土壤中混掺的生物炭颗粒粒径不同所致，HERATH等[33]试验所用生物炭颗粒，粒径大于1 mm的颗粒占比80%，而本试验所用生物炭粒径小于1 mm。这与逄雅萍等[34]研究得出生物炭阻滞土壤水分运移能力，且生物炭颗粒越细越容易导致土壤水分运移能力降低的结论一致。同时，本研究中土壤饱和导水率与沼液配比呈负相关，这与郑健等[35]沼液施用对设施土壤饱和导水率影响的研究结果相同。主要是由于试验所用生物炭粒径较小，当生物炭混掺量较低(1%、2%)时，生物炭的微小颗粒在入渗过程中填充了土体颗粒间的大孔隙，阻挡了土体的渗流通道，从而减少土壤水分入渗；当生物炭混掺量较高(5%)时，生物炭颗粒可以形成新的、清晰的排水通道，从而促进了土壤水分的渗透。但随沼液配比增大，沼液电导率、沼液黏度、沼液干物质质量分数及沼液 pH 值均逐渐增大，而土壤饱和导水率与沼液配比、沼液电导率、沼液黏度、沼液干物质质量分数之间均呈负相关关系，与沼液 pH 值呈抛物线关系[36]，且沼液溶液中微小的悬浮颗粒随着沼液配比的增加而增多，灌溉过程中沼液中含有的有机悬浮颗粒在施用过程中容易在土壤入渗面形成致密层，影响沼液在土壤中的运移[37]。因此，土壤饱和导水率随着沼液配比的增大而不断减小。

3.3 间接地下滴灌湿润体特征

间接地下滴灌湿润体形状为长轴在垂向的扁平程度逐渐减小的椭球体，这与赵伟霞等[23]间接地下滴灌湿润体形状表现为扁率不断减小的椭球体的研究结论相一致。滴灌中湿润锋水平运移距离、垂直向上运移距离和垂直向下运移距离随时间的变化规律能够反映土壤湿润体的变化规律[3]。本研究中，相同沼液配比下，随生物炭混掺量的增大，湿润锋垂直向上运移距离X和水平运移距离R逐渐减小，向下运移距离H先减小后增大，这与许健等[38]生物炭添加可以促进微润灌土壤水分的水平和向下运移，抑制微润灌土壤水分的向上运移的研究结果相近。而相同生物炭混掺量下，随沼液配比的增大，湿润锋运移距离X、R、H均减小，这与沼液穴灌入渗中，沼液配比越大，相同时间内土壤湿润锋运移距离越小的研究结论相同[39]。说明沼液和低混掺量生物炭(1%、2%)耦合作用可以减小湿润体体积，增大土壤高含水率(大于0.306 2 cm3/cm3)分布区域面积，而沼液和高混掺量生物炭(5%)耦合作用使得土壤湿润体体积与混掺2%生物炭处理相近，并明显减小土壤高含水率分布区域面积，即处理Z1∶4B2可以更好地使水分聚集在植物根系附近，满足作物需水要求，进而提高作物的水分利用效率。

4 结论

(1)生物炭混掺和沼液灌溉均可以提高土体对水分的吸持能力，且两者耦合作用效果更加明显；随生物炭混掺量的增加和沼液配比的提高，土壤总孔隙度和毛管孔隙度逐渐增加；Van-Genuchten模型能够准确描述生物炭配施沼液条件下的土壤水分特征曲线。

(2)当沼液配比一定，生物炭混掺量分别为0、1%、2%时，土壤饱和导水率与生物炭混掺量呈负相关，而当生物炭混掺量为5%时，土壤饱和导水率明显增大；相同生物炭混掺量下，土壤饱和导水率随沼液配比的增大而降低。

(3)与沼液配合施用，生物炭混掺量为1%、2%时，可以减小湿润锋运移距离，但生物炭混掺量为5%时，湿润锋垂直向下运移距离增大，垂直向上和水平方向运移距离减小，存在深层渗漏可能；土壤湿润体体积与沼液配比和生物炭混掺量成反比；土壤高含水率(大于0.306 2 cm3/cm3)分布区域面积与沼液配比和生物炭混掺量(1%、2%)成正比，和高生物炭混掺量(5%)成反比；幂函数能够准确描述不同处理湿润锋运移距离与灌水时间的关系。

(4)综合考虑各项指标，处理Z1∶4B2的生物炭混掺量(2%)和沼液配比(1∶4)能够使间接地下滴灌下的粉壤土获得较好的土壤水力特性。