生物炭用量对黄土地水土保持的影响

摘 要：为了研究生物炭不同用量对黄土地水土保持的影响。本研究采用模拟降水试验分析在黄土中添加不同比例（质量比为2%、4%、6%和8%）生物炭时，黄土地的地表径流总量、径流持续时间以及土壤流失总量等关键参数的变化规律。结果表明，与未添加生物炭的黄土相比，添加生物炭后的试验组平均径流时段呈现延长趋势。当生物炭用量较低（2%和4%）时，生物炭的添加使总侵蚀量减少，总体上抑制了土壤流失，而当生物炭用量较高（6%和8%）时，则促进了土壤流失。土壤总流失量随生物炭用量的增加而增加。添加生物炭可增加gt;2 mm的水稳性团聚体含量。生物炭用量对gt;2 mm的水稳性团聚体含量影响不大小。

关键词：生物炭；径流；土壤流失；水稳性团聚体；饱和导水率

中图分类号：S 152" " " 文献标志码：A

在农业用地中，表层土壤侵蚀的程度明显高于土壤的形成，世界上90%的农业用地都遭受了不同程度的土壤侵蚀[1]。严重的土壤侵蚀加剧了可用水和富含营养物质的土壤成分流失，同时污染了地表水道，恶化了土壤质量，导致土壤退化，最终降低了农业和环境生产力。因此，实施各种措施对水土保持和保持农业用地的发展至关重要[2]。

生物炭是在部分或完全缺氧的情况下，利用植物生物质的热分解而生产的有机材料。基于其在改善土地退化、富含碳和环保方面的潜力，本研究探讨了生物炭施用量对黄土侵蚀特性改进的作用，并量化了不同生物炭添加量对径流时间和土壤流失量变化的效应。本研究对水稳性团聚体含量及饱和导水率进行深入探究，进一步阐明了生物炭施用量与土壤侵蚀控制机制之间的内在联系。

1 材料与方法

1.1 土壤和生物炭

本研究以栽培黄土为研究对象，从耕地表层0cm～22cm处收集土壤，对土壤进行风干粉碎并充分混合。

生物炭来自当地修剪苹果的废弃树枝，在大约550℃的温度下对树枝进行热解，就可以获得生物炭。土壤和生物炭的基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

为了模拟实际情况，本文将生物炭与土壤细致混匀，形成均质混合物，并以类似自然耕作层的体积密度将混合物平整填充至试验箱内。该程序在一定程度上保证了土壤和生物炭的人工处理接近自然土壤条件和土地管理，所得结果可为生物炭在田间实际应用提供基础支撑。

将生物炭以2%、4%、6%和8%的4种用量下混合到土壤中。这些用量是基于之前在农田土壤中施用生物炭的研究，这些研究显示添加生物炭后对作物的理化性质和生长有有益的影响。以不添加生物炭的土壤为作为对照组。

干燥和筛过的土壤与生物炭以指定的施用量彻底混合。将混合物在塑料桶中培养，塑料桶中水量约为20%。塑料桶盖上盖子避免蒸发，在试验室放置8个月。培养后，将添加生物炭的土壤调整到约10%的含水量（包括对照组），然后将对照组和土壤生物炭混合物放入试验田。

本研究使用尺寸为长1.2m×宽1m×深0.3m的带孔钢槽，坡度从0°～60°可调。用钢板将钢槽平均分为2个部分，分别为长1.2m×宽0.5m×深0.3m。每个部分的下边缘都安装了一个漏斗出口，以收集径流和沉积物样本。本次模拟降雨的强度为100mm/h，坡度为12°。

1.3 土壤地块准备

将配制好的土壤和生物炭的混合物和未添加生物炭的土壤以5cm厚的土层均匀填入试验田，总深度为22cm。为了减少层与层之间的不连续，在填入下一层土壤前，每一土层的表面都要轻轻划开。将顶部表层磨平，以尽量减少微观地形的影响。土壤容重约为1.26g/cm3，大致相当于研究区坡耕地自然条件下的土壤耕作层。将准备好的样地置于降雨模拟器下，以12°的坡度进行降雨试验。

1.4 降雨模拟

本研究中使用的降雨模拟器由恒定供水速率的水泵和降雨发生器组成。降雨发生器位于距离地面4m的高度，由一个水箱（有效降雨面积为1.2m×1.2m）、一个降液器（8号钢制注射器针头）和一个针板振动发生器组成。钢制注射器针头从水箱底部伸出，按照方形设计（2cm×2cm）的规则模式配置。针板通过振动发生器在水平方向上轻轻振荡，振动发生器由电机驱动的偏心轮组成，在不同位置释放雨滴。模拟雨滴均匀度系数gt;85%。为消除水质对土壤理化性质的影响，模拟试验均采用去离子水。

降雨强度设定为100mm/h。模拟降雨一般每隔60min进行一次，每个处理都进行了一次降雨事件。在模拟降雨试验阶段，采用塑料容器收集径流和沉积物。初始阶段，以1min为间隔进行采样。在降雨的10min～20min，调整为每间隔2min采集一次样本。随后改为每间隔3min采集一次样本。每次降雨事件后，每个塑料容器中收集的样本都要称重。将每个样本中收集的沉积物沉淀24h，然后用虹吸管将水分离出来，放入105℃的烤箱中进行烘干，直到达到恒定质量进行称重，再通过单位面积径流量和沉积物产量除以时间来确定每个采样区间的径流量和沉积物产量。

在本研究中，利用湿筛法精确量化了土壤中水稳性团聚体的含量。同时，采用恒定水头渗透试验技术，以精确获取各土壤样品的饱和导水率数据。

2 结果

2.1 径流

模拟降雨过程中生物炭用量对径流时间的影响如图1所示。由图1可知，与对照组相比，所有添加生物炭的试验组径流时间都有所增加。当生物炭用量为2%时，径流时间最长，为3.18min。随着生物炭用量增加，径流时间缩短。

模拟降雨过程中生物炭用量对总径流量的影响如图2所示。由图2可知，未添加生物炭的地块的总径流量达到了42.3kg/m2·h，添加生物炭后，地块的总径流量降低，与对照组相比，下降了9.5%～33.3%。由图2还可以看出，当生物炭用量为2%时的总径流量最小，当生物炭用量为6%时的总径流量最大，分别为31.98kg/m2·h和38.92kg/m2·h。

图3显示了模拟降雨过程中不同生物炭用量对径流率的影响。由图3可知，在首次产生径流后的15min内，所有试验组的径流率均迅速增加，然后达到稳定状态并保持。与对照相比，在模拟降雨过程中，生物炭的添加降低了径流率[3-4]。

产生径流后的15min内各组径流率差异较小，但在稳定状态期间，各组的径流率差异增大。在整个模拟降雨试验中，生物炭用量为6%的径流率普遍比生物炭用量2%、4%和8%的径流率高，生物炭用量为2%时的径流率最小。

2.2 土壤流失

模拟降雨过程中生物炭用量对总侵蚀量的影响如图4所示。由图4可知，土壤的总侵蚀量随着生物炭用量的增加而增大。在模拟降雨60min后，生物炭用量为8%时的总侵蚀量最大，生物炭用量为2%时的总侵蚀量最小。与对照组相比，当生物炭用量为2%和4%时，总侵蚀量小于对照组；当生物炭用量为6%和8%时，总侵蚀量超过对照组。

分析不同生物炭添加比例对土壤侵蚀速率变动趋势的影响。结果显示，各个实验组的土壤侵蚀速率呈现一致的变化模式。径流开始的初期阶段，土壤侵蚀速率快速攀升，并在径流形成约7min后到达一个峰值点。此后，土壤侵蚀速率开始稳步降低，并且随着降雨时间的推移，其下降的速率逐渐趋于平缓。与无生物炭的地块相比，除生物炭添加量为8%以外，其余试验地块（生物炭添加量为2%、4%、6%）的土壤侵蚀速率均比无生物炭的地块低。土壤侵蚀速率随着生物炭添加量的增加而增大。

2.3 水稳性团聚体和饱和导水率

各试验组的gt;2 mm水稳性团聚体和饱和导水率的测试结果见表2。由表2可知，对照组中gt;2 mm的水稳性团聚体含量仅为0.34%，与对照组相比，添加生物炭的土壤中gt;2 mm的水稳性团聚体含量比未添加生物炭的土壤高。然而，对比添加生物炭的试验组可以看出，生物炭用量对gt;2 mm的水稳性团聚体含量影响不大。在所有添加生物炭的试验组中，当生物炭用量为8%时，gt;2 mm的水稳性团聚体含量最高，为0.6%。当生物炭用量为4%时，gt;2 mm的水稳性团聚体含量最低，为0.54%。二者之间差异不显著。

对对照组来说，土壤的饱和导水率仅为0.25m/d，当生物炭用量为2%、4%、6%和8%时，土壤的饱和导水率分别为0.43m/d、0.39m/d、0.31m/d和0.27m/d。结果表明，添加生物炭可以增大土壤的饱和导水率，随生物炭用量的增加，土壤的饱和导水率呈逐渐减小的趋势。

3 讨论

本研究的数据表明，生物炭对黄土地水土保持有积极的影响，但是生物炭用量不宜过高，当生物炭添加量为2%时，对黄土地水土保持效果最佳。生物炭对径流和土壤侵蚀的影响随着生物炭用量的不同而不同，这是由于生物炭用量会对水稳性团聚体和饱和导水率产生影响。结果表明，与对照相比，生物炭能有效促进小颗粒向大颗粒聚集，并提高饱和导水率。随着生物炭添加比例的增加，土壤的饱和导水率逐渐降低，但gt;2 mm的水稳性团聚体的含量无明显变化。当生物炭用量为6%和8%时，gt;2 mm的水稳性团聚体含量略有增加，同时饱和导水率有所下降，这种负相关的关系表明，gt;2 mm的水稳性团聚体含量随着生物炭用量的增加并不一定会增加有效孔隙度，因此对添加生物炭土壤的饱和导水率没有积极影响，同时还会产生更多的径流。总径流的增加对侵蚀量的影响远大于gt;2 mm的水稳性团聚体含量的增加。在以往的研究中，生物炭用量的增加会增加土壤稳定性，因此增加生物炭用量对减少土壤侵蚀有积极影响。此研究与本文结果相反，这是由于以往的研究中土壤的成分主要为颗粒较小的黏土和淤泥，黏土含量越高，越有利于与生物炭的相互作用。本文的研究对象为黄土，其主要成分是颗粒较大的沙和淤泥。粗粒土壤颗粒（沙）对生物炭和其他土壤颗粒的吸附能力比小粒土壤颗粒（黏土）弱。因此，本研究中生物炭用量与土壤侵蚀呈负相关。

4 结语

本研究利用室内模拟降雨试验，通过测量地表径流总量、径流持续时间以及土壤流失总量等参数，研究了生物炭用量（2%、4%、6%和8%）对黄土地水土保持的影响。结果表明，与未添加生物炭的地块相比，添加生物炭可以延长地块的径流持续时间，同时减小地块的径流率。生物炭用量为2%时的径流时间最长，为3.18min。随着生物炭用量增加，径流时间缩短。生物炭用量为2%时的径流率最小，生物炭用量为6%时的径流率最大，随着生物炭用量增加，径流率呈先增大后减小的趋势。生物炭用量为2%时土壤的总侵蚀量最小。生物炭用量为8%时土壤的总侵蚀量最大，且大于对照组。随着生物炭用量的增加，总侵蚀量呈逐渐增大的趋势。土壤侵蚀率也表现出相同的变化趋势。添加生物炭的土壤中gt;2 mm的水稳性团聚体含量明显比对照组高。当生物炭用量为8%和4%时，gt;2 mm的水稳性团聚体含量达到最大值和最小值，分别为0.6%和0.54%。因此生物炭用量对gt;2 mm的水稳性团聚体含量影响不大。

参考文献

[1]宋鸽，史东梅，蒋光毅，等.土壤管理措施对坡耕地侵蚀退化耕层的恢复作用[J].中国农业科学，2021，54（8）：1702-1714.

[2]迟宇博，吴磊，李蕊，等.不同措施黄绵土坡地暴雨侵蚀及磷素流失特点[J].农业环境科学学报，2020，39（12）：2833-2843.

[3]邝曦芝，邓伟明，唐乐乐，等.不同磷水平配施生物炭对土壤磷有效性和大豆磷吸收的影响[J].应用生态学报，2022，33（7）：1911-1918.

[4]白珊，倪幸，杨瑗羽.不同原材料生物炭对土壤重金属Cd、Zn的钝化作用[J].江苏农业学报，2021，37（5）：1199-1205.