生物炭-土壤結皮對土壤水分入滲和蒸發特征的影響

趙曉樂，王琦，周旭姣，張登奎，王小赟，趙武成，孫元偉，劉青林

(1.甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室,甘肅 蘭州 730070)

干旱和水土流失是限制我國半干旱區農牧業可持續生產的重要因子[1]。在我國黃土高原區，農牧業生產主要依靠有限和不穩定的降水資源，降水資源管理技術落后，利用效率較低，尤其隨全球氣候變暖、極端氣候事件增多、經濟發展和人口膨脹，農業可利用水量越加短缺，干旱脅迫進一步加劇[2]。在我國黃土高原地區，降水季節與多數作物需水季節錯位，降水季節主要集中于夏末和秋初(6～9月)，該季節降水主要以大強度降水或暴雨為主，大強度降水或暴雨具有歷時短、規律性差和破壞性強等特點，易造成水分流失和土壤侵蝕；冬季和春初(11～翌年3月)降水量貧乏，氣溫較低，同時存在強風或暴風等現象，進一步加劇土壤表面水分蒸發和土壤風蝕，嚴重威脅農牧業可持續生產[3]。為了加強糧食安全生產和維護區域農牧業可持續發展，當地政府和農民采取壟溝集雨、覆蓋、少免耕等措施，提高降雨入滲，減少徑流、土壤水蒸散、土壤侵蝕[2-3]。

有機覆蓋是將植物殘留物或其他有機材料覆蓋于土壤表面的耕作措施，有機覆蓋農業是維持土壤、生態系統和人類健康的可持續生產系統[4-5]。有機覆蓋具有增加地表粗糙度、土壤孔隙率，減少土壤容重等特性，進而減少地表徑流、土壤侵蝕和增加土壤水分入滲等，同時，有機覆蓋減緩近地表與土壤的水熱交換，進而緩解晝夜溫差，降低土壤水分無效蒸發和提高水分利用效率。盡管有機覆蓋存在以上優點，有機覆蓋分解產生分泌物和低溫等效應對植物出苗和生長產生不利影響，有機覆蓋增產效應隨氣候、土壤、作物、覆蓋材料、地形等變化而變化[5]。有機覆蓋材料主要包括樹葉、秸稈、木屑、堆肥、松針、紙屑、污泥、生物炭等。生物炭是以秸稈、樹枝、糞便、木屑等農林有機廢棄物為原材料，經過高溫和低氧環境制成的1種有機富碳物質[6]。生物炭具有性質穩定、孔隙結構發達、吸附能力強等特點，這些特點有助于增強土壤持水力和水力傳導度，進而增加土壤有效水分，減少地表徑流和土壤蒸發，削弱土壤侵蝕[7]。李帥霖等[8]研究表明，與不施加生物炭相比，塿土施加生物炭累計入滲量增加10.63%，累計蒸發量減少7.84%。詹舒婷等[9]研究表明，與不施加生物炭相比，黏質壤土施加生物炭累計入滲量增加41.8%，累計蒸發量提高5.2%～10.2%。魏永霞等[10]研究表明，與不施加生物炭相比，黑土施加生物炭土壤含水率提高7.08%～14.54%，初始入滲速率增加48.41%～70.48%。土壤施加生物炭對土壤水分入滲和蒸發特性的影響隨氣候、土壤、地形、生物炭類型、粒徑、施加量等變化而變化。

在土壤施加生物炭過程中，將生物炭與土壤按一定比例均勻混合，混合物均勻撒施于土壤表面，土壤表面混合物經過雨淋、風吹、日曬等作用形成生物炭-土壤結皮。近些年國內外多數研究主要集中在生物炭對溫室氣體排放、土壤肥力、土壤物理性質、土壤污染和作物產量等方面的影響[11-12]，生物炭對土壤侵蝕和徑流的影響研究較少[13-15]，生物炭在農業生產中的具體應用目前處于起步階段[8-9]。生物結皮是由真菌、細菌、藻類、地衣和苔蘚等微小生物與土壤顆粒相互作用而形成的復合體，生物結皮的生理特性和理化性質影響土壤水分入滲和蒸發。與普通土壤結皮 (主要是生物結皮 )相比，生物炭-土壤結皮在人為干涉和自然條件下形成，在土壤結皮形成過程中，添加生物炭成分，假設生物炭-土壤結皮具有特殊土壤物理特性，對土壤水分影響機理不同。本研究采用定水頭土柱模擬試驗，研究生物炭-土壤結皮對黃綿土水分入滲和蒸發特征的影響，確定土壤入滲和蒸發參數，揭示生物炭-土壤結皮對土壤水分影響機制，以期為我國半干旱區農牧業廢棄物回收利用和生態系統良性循環提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤為黃綿土，采自中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態環境試驗基地，土壤容重為1.09～1.36 g/cm3，田間持水量為20%～21%，土壤全氮、全磷、全鉀含量和土壤有機質含量分別為0.78，0.77，23.59和10.51 g/kg，土壤pH為7.93。浙江省生物炭工程技術研究中心生產和提供生物炭，生物炭化學性質見表1，物理性質見表2。

表1 生物炭化學性質

表2 生物炭物理性質

1.2 試驗設計

試驗于2020年5～10月在中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態環境試驗基地室內實驗室進行，實驗室平均溫度和平均濕度分別為25℃和55%。試驗采用完全隨機設計，共設置3個處理，重復3次。3個處理分別為土壤結皮 (Soil crust)、單倍炭-土壤結皮 (Single biochar-soil crust) 和雙倍炭-土壤結皮 (Double biochar-soil crust)，根據土柱表面積，土壤結皮、單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的生物炭施加量分別為0×104、3×104和6×104kg/hm2，生物炭與濕土(含水量為14%～19%)按體積比1∶1均勻混合，混合物均勻撒施于土柱表面，形成10～15 cm生物炭-土壤混合物，混合物經過雨淋、風吹、日曬等作用形成生物炭-土壤結皮。

模擬土柱的內徑和高度分別為20和40 cm，根據以下程序安裝模擬土柱。首先將圓柱形PVC管 (厚3 mm)垂直放置在土壤表面。在開挖之前，用水灌溉土壤，使表層土壤達到飽和，可以保證土壤孔隙緊密，從而防止凡士林流入土壤裂隙和孔隙，同時有利于開挖。用鐵鍬在PVC管4周開始垂直開挖，開挖時要盡量避免對土壤干擾，以免影響土壤溶液淋溶。根據開挖深度，慢慢把PVC管用力按入土壤。當PVC管達到需要深度(37 cm)時，加熱液化凡士林密封柱形土柱和PVC管之間的縫隙，防止邊緣流發生。當凡士林填滿土柱和PVC管之間的縫隙后，用平鏟從PVC管底部水平插入土柱，以保證土柱底部平整。在PVC管底部安裝排水層，將30～37 cm深度土柱移走，然后用石英砂(粒徑為2.5～4.0 mm)代替填充，該填充層充當排水層。在自然條件下經1個月雨淋、風吹、日曬等，模擬土柱表層形成生物炭-土壤結皮，結皮厚度為8～12 cm。

采用垂直一維定水頭入滲法測定土壤入滲參數，供水裝置為1個標有刻度的馬氏瓶，馬氏瓶內徑和高度分別為6和60 cm，馬氏瓶用以提供恒定水頭。馬氏瓶的內部有1根進氣管，進氣管與外界大氣相通，進氣管下部進氣口稱為發泡點(圖1)。

圖1 土壤水分入滲和蒸發試驗裝置圖Fig.1 Schematic of the experimental setup for soil water infiltration and evaporation

1.3 入滲速率、入滲量和蒸發量測定

在試驗開始前，調整馬氏瓶發泡點高度，提供模擬土柱2 cm恒定水頭，采用普通地膜覆蓋生物炭-土壤結皮表面，防止生物炭-土壤結皮在干濕等作用下形成龜裂，產生優先流，確保試驗結果準確性。打開馬氏瓶閥門，迅速揭開地膜，采用秒表記錄入滲時間，用刻度尺記錄馬氏瓶水位下降高度。在0～10 min時間段，每1 min記錄1次馬氏瓶水位下降高度；在10～30 min時間段，每2 min記錄1次馬氏瓶水位下降高度；在30～100 min時間段，每3 min記錄1次馬氏瓶水位下降高度；當土柱底部出水口有水流出時，停止記錄，入滲持續時間為100～120 min。持續供水至模擬土柱飽和(流入模擬土柱水量=流出模擬土柱水量)，計算累計入滲量和入滲速率。

將飽和模擬土柱移至實驗室，采用稱量法測定模擬土柱日蒸發量，測定時間為每天12∶00 pm，測定期限為0～60 d。在0～30 d時間段，測定時間間隔為1 d；在30～60 d時間段，測定時間間隔為5 d。日蒸發量計算公式為：

(1)

式中：E為土柱日蒸發量(mm)；ΔM為測定當次土柱質量與前1次土柱質量差值(g)；r為土柱內徑(cm)。

1.4 土壤入滲特征模擬

為探究生物炭-土壤結皮對土壤水分入滲特征參數的影響，采用Philip模型、Kostiakov模型和Horton模型模擬實測累計入滲量與時間關系。

Philip入滲模型公式為：

I(t)=St0.5+At

(2)

式中：I(t)為土柱累計入滲量 (mm)，S為吸滲率 (mm/min0.5)，t為入滲時間(min)，A為穩定入滲速率 (mm/min)。

Kostiakov入滲模型公式為：

I(t)=Ktn

(3)

式中：K和n為經驗常數，K表示土壤水分入滲開始后第1時間段內的平均土壤入滲速率(mm/min)，n反映土壤水分入滲速率隨時間變化的快慢程度。

Horton入滲模型公式為：

(4)

式中：a為平均入滲速率(mm/min)，b為初始入滲速率(mm/min)，c為經驗常數。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2016進行作圖，采用IBM SPSS 21.0進行數據擬合，采用Tukey’s-b方差檢驗 (P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 生物炭-土壤結皮對累計入滲量和入滲速率的影響

累計入滲量是衡量土壤入滲能力的重要指標，指從入滲開始到結束通過土壤單位橫截面積的總入滲水量。土壤結皮、單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的累計入滲量均隨入滲時間增加而增加 (圖2-A)。在滲潤階段，各處理累計入滲量隨入滲時間變化的曲線斜率較大，不同處理之間差異不明顯；在滲漏階段，隨著入滲時間增加，曲線斜率逐漸變小，不同處理之間差異逐漸變大；在滲透階段，曲線斜率最小，不同處理之間差異最大。在相同入滲時間內，雙倍炭-土壤結皮的累計入滲量明顯大于單倍炭-土壤結皮，單倍炭-土壤結皮的累計入滲量明顯大于土壤結皮，生物炭-土壤結皮的累計入滲量隨生物炭覆蓋量增加而增加。入滲時間為100 min時，土壤結皮、單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的累計入滲量分別為58.5，68.4和77.3 mm，與土壤結皮相比，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的累計入滲量分別增加16.9%和32.1%。

入滲速率定義為單位時間內流入土壤剖面的水通量，是反映土壤吸收降水量或灌水量的速率。土壤結皮、單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的土壤水分入滲速率隨時間增加而減少(圖2-B)，在0～10 min時間段，生物炭-土壤結皮的土壤水分入滲速率隨時間減小幅度較大，不同處理間差異明顯；在10～100 min時間段，生物炭-土壤結皮的土壤水分入滲速率隨時間減小幅度較小，不同處理間差異不明顯；在100 min后，模擬土柱土壤水分達到飽和狀態，生物炭-土壤結皮的土壤水分入滲速率不隨時間變化而變化。本研究中，將0～10 min時間段平均土壤入滲速率定義為初始入滲速率，將10～100 min時間段平均土壤入滲速率定義為穩定入滲速率，將0～100 min時間段平均土壤入滲速率定義為平均入滲速率。土壤結皮、單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的初始入滲速率分別為3.13、4.10和5.00 mm/min，穩定入滲速率分別為0.30，0.31和0.32 mm/min，平均入滲速率分別為0.57，0.67和0.76 mm/min。與土壤結皮相比，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的初始入滲速率分別增加0.96和1.87 mm/min，穩定入滲速率分別增加0.01和0.02 mm/min，平均入滲速率分別增加0.10和0.18 mm/min。生物炭-土壤結皮的初始入滲速率、穩定入滲速率和平均入滲速率隨生物炭覆蓋量增加而增加。

圖2 土壤水分累計入滲量和入滲速率Fig.2 Cumulative infiltration and infiltration rate of soil water

2.2 生物炭-土壤結皮土壤水分入滲參數模擬

采用Philip入滲模型，穩定入滲速率(A)為負值，與實際入滲速率不符合，Philip入滲模型不適用于生物炭-土壤結皮的土壤水分入滲速率模擬；采用Kostiakov入滲模型，雙倍炭-土壤結皮的初始平均土壤入滲速率(K)顯著高于單倍炭-土壤結皮，單倍炭-土壤結皮的初始平均土壤入滲速率顯著高于土壤結皮，與土壤結皮相比，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的初始平均土壤入滲速率分別增加38.3%和74.7%。模擬方程n表示土壤水分入滲速率隨時間變化的快慢程度，不同處理之間的n差異不顯著。生物炭-土壤結皮的初始平均土壤入滲速率隨生物炭覆蓋量增加而增加。采用Horton入滲模型，不同處理之間的土壤平均入滲速率 (a) 間差異不顯著；雙倍炭-土壤結皮的土壤初始入滲速率(b)顯著高于單倍炭-土壤結皮，單倍炭-土壤結皮的土壤初始入滲速率顯著高于土壤結皮。與土壤結皮相比，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的土壤初始入滲速率分別增加29.02%和55.69%，生物炭-土壤結皮的初始平均土壤入滲速率隨生物炭覆蓋量增加而增加(表3)。

表3 Philip、Kostiakov和Horton模型模擬參數

為了比較不同模型的適用性，本研究采用決定系數R2評價模型有效性，決定系數越高，預測值與觀測值越接近，說明模型預測效果越好。Horton入滲模型的決定系數R2(0.997～0.998)明顯高于Kostiakov入滲模型的決定系數R2(0.928～0.980)，說明Horton入滲模型適用于生物炭-土壤結皮土壤水分入滲特征的模擬。

2.3 生物炭-土壤結皮對土壤累計蒸發量的影響

地表土壤蒸發量是農田蒸散量的重要組成部分，提高植物蒸騰量和降低土壤蒸發量是實現我國黃土高原地區水分合理分配的有效途徑。土壤累計蒸發量反映土壤持水力，土壤累計蒸發量越大，生物炭-土壤結皮持水力越低。土壤累計蒸發量隨時間變化呈現明顯的階段性變化，在蒸發前期，土壤累計蒸發量隨時間呈線性增加，在蒸發后期，土壤累計蒸發量隨時間呈曲線增加(圖3-A)。在室內穩定蒸發條件下，土壤結皮、單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的累計蒸發量隨蒸發時間增加而增加。在相同蒸發時間段，土壤結皮累計蒸發量明顯高于單倍炭-土壤結皮，單倍炭-土壤結皮累計蒸發量明顯高于雙倍炭-土壤結皮。在0～10 d時間段，與土壤結皮相比，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮累計蒸發量分別減少17.4%和25.0%；在10～30 d時間段，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮累計蒸發量分別減少5.4%和10.6%；在30～60 d時間段，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮累計蒸發量分別減少1.4%和3.4%。結果表明，生物炭-土壤結皮的累計蒸發量隨生物炭覆蓋量增加而減少。

日蒸發量反映土壤水分蒸發速率，主要受土體機械組成、土壤厚度、土壤含水量、降水強度和歷時、地面坡度、地下水位等因素影響。土壤結皮、單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮的日蒸發量隨蒸發時間增加而降低(圖3-B)，在0～10 d時間段，與土壤結皮相比，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮平均日蒸發量分別減少14.7%和25.0%；在10～30 d時間段，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮平均日蒸發量分別減少5.3%和10.6%；在30～60 d時間段，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮平均日蒸發量分別減少1.9%和5.3%。結果表明，生物炭-土壤結皮的日蒸發量隨生物炭覆蓋量增加而減少。

圖3 土壤累計蒸發曲線Fig.3 Soil cumulative evaporation curve

3 討論

土壤結皮是1種廣泛分布于干旱和半干旱地區土壤表層的特殊復合體，生物炭-土壤結皮具有較高孔隙度、較低容重、較好親水性和基質吸力等特點，這些特點有助于增加土壤水力傳導度和透水性[16]。土壤入滲是降水或灌溉水通過土壤孔隙流入土壤內部的過程，土壤入滲主要受氣象、地形、植被、土壤初始含水量、土壤質地、耕作措施等因素的影響。在0～10 min入滲時間段，生物炭-土壤結皮含水量較低，基質勢較大，初始入滲速率較高，累計入滲量隨入滲時間變化曲線為斜率較大線性方程；在10～100 min入滲時間段，生物炭-土壤結皮含水量逐漸飽和，基質勢變小，入滲速率降低，累計入滲量隨入滲時間變化曲線為斜率較小非線性方程。本研究結果表明，與土壤結皮相比，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮100 min的累計入滲量分別增加16.9%和32.1%，初始入滲速率分別增加0.96和1.87 mm/min，穩定入滲速率分別增加0.01和0.02 mm/min，平均入滲速率分別增加0.10和0.18 mm/min，生物炭-土壤結皮的累計入滲量、初始入滲速率、穩定入滲速率和平均入滲速率隨生物炭覆蓋量增加而增加。生物炭促進土壤微團粒形成，增加土壤孔隙度和過水斷面，促進土壤水分流動通道形成，增加土壤水入滲。齊瑞鵬等[17]研究結果表明，與不施加生物炭相比，塿土施加生物炭累計入滲量增加25.1%。岑睿等[18]研究結果表明，與不施加生物炭相比，黏壤土施加生物炭累計入滲量增加45.5%，土壤含水量增加8.9%。生物結皮是生長在土壤表面及以下的藻類+地衣+苔蘚+真菌和細菌等生物同土壤顆粒相互作用形成的復合層，胞外聚合物、菌絲及其分泌物填充生物結皮，形成1層致密層，降低土壤入滲能力[19]。生物炭-土壤結皮在土壤表層形成孔隙狀結皮層，增加表層土壤孔隙率，進而增加入滲速率和入滲量。王艷陽等[20]研究結果表明，土壤和生物炭混合形成生物炭-土壤雙層結構，該雙層結構的土壤水分入滲方程存在拐點，當濕潤鋒存在于生物炭-土壤結皮層，該曲線為斜率較大非線性方程；當濕潤鋒到達生物炭-土壤界面，該曲線為斜率較小非線性方程。本研究結果表明，在0～10 min時間段，生物炭-土壤結皮的土壤水分入滲速率隨時間減小幅度較大；在10～100 min時間段，生物炭-土壤結皮的土壤水分入滲速率隨時間減小幅度較小。

在模擬生物炭-土壤結皮的土壤水分入滲過程中，選擇合適入滲模型有利于理解生物炭-土壤結皮的水文過程。本研究結果表明，3種模型模擬精度存在較大差異，采用Philip入滲模型，穩定入滲速率為負值，與實際入滲速率不符合；Horton入滲模型的決定系數R2(0.997～0.998)明顯高于Kostiakov入滲模型的決定系數R2(0.928～0.980)。Philip入滲模型適用于均質土壤入滲模擬[21]，生物炭-土壤結皮屬于非均質雙層結構，Philip模型不適用于生物炭-土壤結皮土壤入滲模擬；Kostiakov入滲模型更適用于歷時較短入滲過程模擬[22]，本研究在定水頭下研究生物炭-土壤結皮土壤水分入滲特性，經歷歷時為100～120 min；Horton入滲模型模擬初始入滲速率和平均入滲速率與實測結果更接近，適用于生物炭-土壤結皮土壤水分入滲特征的模擬。

土壤蒸發是近地表與土壤水熱交換的重要組成部分，是提高雨養農業區水分利用效率的關鍵環節。生物炭是多孔疏松富碳物質，具有許多極性含氧官能團，生物炭-土壤結皮改變地表覆蓋狀況及土壤理化性質，引起土壤水文過程變化，進而影響土壤蒸發[23]。生物結皮對土壤蒸發的影響隨生物結皮發育、種類、土壤、地形等變化而變化[24]。部分學者認為生物結皮顏色較深，土壤地表反射率較低，土壤表層溫度較高，提高土壤蒸發[25-26]；另有學者認為生物結皮形成透明毛狀尖或疣狀突起等形態結構，減少土壤蒸發[27-28]。蒸發初始階段為大氣環境控制蒸發階段，土壤蒸發速率較快；蒸發穩定階段為土壤水導水率控制階段，土壤蒸發速率較慢；蒸發降低階段為土壤水汽控制階段，土壤蒸發速率最慢[29]。生物炭-土壤結皮利用自身特殊結構 (高孔隙率)，降低土壤水勢梯度，減弱下層土壤水分向土壤表面傳送能力，將土壤水分保存在下層土壤中，同時，生物炭-土壤結皮吸水能力較強，將土壤水分截留在生物炭-土壤結皮層中，進而減少土壤水分蒸發。本研究結果表明，日蒸發量隨時間延長逐漸降低，與土壤結皮相比，單倍炭-土壤結皮和雙倍炭-土壤結皮0～60 d累計蒸發量分別減少7.4%和12.3%，日平均蒸發量分別減少7.4%和13.7%，土壤蒸發降低程度隨生物炭施加量增加而增加。肖茜等[30]研究表明，生物炭施加土壤明顯減少前期土壤蒸發量，生物炭抑制土壤水分蒸發效果隨時間推移逐漸減弱。生物炭-土壤結皮破壞土壤孔隙連續性，阻斷土壤深層水分向大氣運移的通道，降低土壤水分累計蒸發量，同時，生物炭-土壤結皮具有較高保水能力，將土壤水分束縛在土層中，避免水分逸散到大氣，降低土壤水分蒸散速率。本研究基于室內模擬土柱試驗初步探索生物炭-土壤結皮對我國半干旱黃土高原丘陵區典型黃綿土水分入滲和蒸發過程的影響，與田間實際情況有所差異。為更好研究生物炭-土壤結皮對旱作農田土壤水分循環的影響，今后研究將集中于生物炭-土壤結皮的容重、持水力、孔隙率、疏水性等方面研究。

4 結論

生物炭-土壤結皮孔隙結構減少近地表與土壤水熱交換，提高降水入滲量，降低土壤蒸發量；生物炭-土壤結皮的初始入滲速率、穩定入滲速率、平均入滲速率和累計入滲量隨生物炭覆蓋量增加而增加，累計蒸發量隨生物炭覆蓋量增加而減少。經過模擬精度比較，Horton入滲模型適用于生物炭-土壤結皮土壤水分入滲特征的模擬。