棉稈炭對(duì)黏土冬灌水分運(yùn)移的影響

王 濤，蒲勝海，楊 廣*，李 磐，馬興旺，馬紅紅，王則玉，牛新湘，劉小利

棉稈炭對(duì)黏土冬灌水分運(yùn)移的影響

王 濤1，蒲勝海2,3,4，楊 廣1*，李 磐2,3，馬興旺2,3，馬紅紅2,3,4，王則玉2,3，牛新湘2,3，劉小利2,3

（1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830091；4.新疆慧爾農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，新疆 昌吉 831100）

【目的】探討施用棉稈炭對(duì)黏土冬灌水分入滲能力、入滲特征和冬灌水量分配的影響。【方法】通過土柱模擬試驗(yàn)，分析3個(gè)冬灌定額（4 200、5 100和6 000 m3/hm2，記為W1、W2、W3）和4個(gè)棉稈炭施用量（0%、1%、2%、4%，記為C0、C1、C2、C4）協(xié)同作用下對(duì)黏土濕潤(rùn)鋒、累積入滲量、入滲速率和水量分配的影響。【結(jié)果】棉稈炭促進(jìn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移，炭土層歷時(shí)呈單峰趨勢(shì)，棉稈炭施用量越大，濕潤(rùn)鋒到土柱底部所用時(shí)間越短；C1、C2、C4處理土壤初始入滲率分別比C0處理增加6.5%、22.8%、32.0%，平均入滲率增加6.9%、16.8%、21.4%，穩(wěn)定入滲率增加11.4%、38.6%、40.9%；入滲過程進(jìn)行到炭土層底部（20 cm）時(shí)，C1、C2、C4處理累積入滲量分別比C0處理增加5.0%、6.0%、9.8%，在土柱底部增加1.2%、4.5%、6.3%，累積入滲量隨棉稈炭施用量呈上升趨勢(shì)；W1、W2、W3處理下土壤持水量占灌溉定額比例為63.6%、53.3%、46.6% ，炭土層持水量與棉稈炭增加施用量正相關(guān)，滲漏量占灌溉定額比例27.3%、38.2%、45.6%，蒸發(fā)量占灌溉定額比例為8.5%左右。【結(jié)論】施用棉稈炭促進(jìn)黏土水分入滲，增大土壤入滲能力，炭土層持水量與棉稈炭施用量正相關(guān)，滲漏量受灌溉定額影響較大。

棉稈炭；濕潤(rùn)鋒；土壤水分；冬灌；入滲

0 引言

【研究意義】新疆鹽漬化土壤面積較大，膜下滴灌技術(shù)、過量施肥、棉花連作等原因[1-4]導(dǎo)致土壤次生鹽漬化嚴(yán)重，使新疆鹽漬化耕地占比已達(dá)到耕地總面積的37.72%[5]。2021年棉花播種面積、產(chǎn)量占全國(guó)第一，擁有豐富的棉花秸稈資源，但利用率僅有54.6%[6-7]。當(dāng)?shù)仄毡椴捎么箢~冬灌洗鹽和棉花秸稈直接還田的管理方式，導(dǎo)致水資源滲漏、蒸發(fā)損失嚴(yán)重，秸稈利用效率低下。因此，如何實(shí)現(xiàn)冬灌水高效管理，提高棉花秸稈還田效應(yīng)，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。基于此探討棉稈炭對(duì)黏土冬灌水分入滲能力和冬灌水量分配的影響，可合理降低冬灌無效水占比、提高冬灌水利用率、豐富秸稈資源應(yīng)用前景，對(duì)于干旱綠洲區(qū)冬灌管理、秸稈全域全量利用和維持綠洲生態(tài)具有積極意義。【研究進(jìn)展】眾多學(xué)者在新疆不同區(qū)域?qū)Χ喾绞健⒍喽~和生物炭如何影響冬灌水分展開深入研究。研究[8-9]發(fā)現(xiàn)，相對(duì)漫灌方式而言，滴灌冬灌方式土壤水分入滲更加均勻且規(guī)律明顯；馮進(jìn)平等[10]認(rèn)為砂質(zhì)壤土應(yīng)減少灌溉水量和縮短淋洗間隔，壤質(zhì)黏土應(yīng)加大水量和增加淋洗間隔；何平如等[11]研究發(fā)現(xiàn)，冬灌定額3 000 m3/hm2可將水分利用效率提高到1.40 kg/m3；鄒瑞晗等[12]研究表明，冬灌期間施加生物炭可以增加土壤總孔隙度，增強(qiáng)土壤保墑保溫能力，新疆滴灌棉田冬灌期間生物炭最佳施用量為30～45 t/hm2；姚寶林等[13]研究認(rèn)為，冬灌時(shí)不同地表覆蓋模式能影響土壤溫度和土壤水分，降低土壤初始入滲速率、穩(wěn)定入滲率和累計(jì)入滲量。基于新疆豐富的棉花秸稈資源，眾多學(xué)者對(duì)干旱綠洲區(qū)不同區(qū)域秸稈還田方式、秸稈施入量等展開深入研究，探討生物炭對(duì)改良土壤理化性質(zhì)、減少土壤養(yǎng)分流失和水分入滲等影響。霍啟煜等[14]、唐光木等[15]研究表明，秸稈直接還田和炭化還田多年后可提升土壤全氮量、有機(jī)碳量；鄒瑞晗等[12]研究認(rèn)為，非灌溉季節(jié)生物炭施加增強(qiáng)土壤保墑能力，融后含水率平均提高1.07%～2.65%；杜思垚等[16]研究表明，生物炭和秸稈能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，明顯提高土壤養(yǎng)分量；閆辰嘯等[17]研究表明，生物炭的加入導(dǎo)致風(fēng)沙土的持水能力增加了2.96%～4.79%，入滲能力顯著降低。張紅美等[18]發(fā)現(xiàn)，在南疆沙化土壤施入生物炭降低了土壤體積質(zhì)量和水分蒸發(fā)速率，增大了總孔隙度、毛管孔隙度和吸水率，提高了土壤的保水性能。【切入點(diǎn)】目前涉及生物炭對(duì)黏土冬灌水分入滲過程、水分分布及滲漏量的研究相對(duì)較少，研究結(jié)果也不盡相同，為明確冬灌水分分布和提高冬灌水利用率，更好管理干旱綠洲區(qū)冬灌，需進(jìn)一步研究棉稈炭對(duì)黏土冬灌水分運(yùn)移的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】為此，基于新疆綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)水資源短缺與冬灌壓鹽措施現(xiàn)狀，通過土柱模擬試驗(yàn)，探討棉稈炭對(duì)黏土冬灌水分入滲能力、入滲特征和冬灌水量分配的影響，為黏土改良、提高冬灌水利用率和冬灌管理提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐，同時(shí)豐富新疆棉花秸稈應(yīng)用前景，對(duì)棉花秸稈全域全量利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年6月—2022年6月在新疆巴音郭楞蒙古自治州庫(kù)爾勒市新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)站（E85.856°，N41.676°）進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)屬于典型干旱氣候，年平均降水量為56.2 mm，年平均蒸發(fā)量2 497.4 mm，年均日照時(shí)間2 878 h，無霜期205 d。主要種植作物為棉花。

1.2 試驗(yàn)材料

采集土壤剖面不同土層土壤（0～90 cm），自然風(fēng)干，過5 mm篩后備用。供試土壤屬于黏土，土壤體積質(zhì)量為1.42 g/cm3，0～20、20～40、40～60、60～80、80～90 cm田間持水率分別為27.45%、28.53%、27.85%、28.51%、26.82%。供試生物炭原材料為棉花秸稈，棉花秸稈的炭產(chǎn)量約為30%[19]，洗凈烘干后將切段（5～10 cm）的棉花秸稈按照逐步升溫法（400 ℃）進(jìn)行高溫?zé)峤猓瑓捬鯚疲鋮s至室溫，碾壓后過2 mm篩備用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)M自然條件下休耕期土壤（0～90 cm）冬季灌水時(shí)水分入滲和滲漏過程，采用雙因素完全試驗(yàn)。冬灌定額設(shè)4 200、5 100、6 000 m3/hm2，分別記為W1、W2、W3，棉稈炭施用量（生物炭占耕作層干土的質(zhì)量）設(shè)0%、1%、2%和4%，記為C0、C1、C2、C4，共計(jì)12個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)裝置由土柱和馬氏瓶二部分組成。土柱采用5 mm厚透明有機(jī)玻璃材料制作，內(nèi)徑為19 cm，高度為110 cm，底部中心開孔并安裝銅閥開關(guān)。裝土前在土柱底部放置2層200目的尼龍網(wǎng)和濾紙，鋪設(shè)10 cm石英砂作為反濾層，在土柱內(nèi)壁均勻涂抹1層凡士林，以便減少管壁效應(yīng)。裝土高度90 cm，0～20 cm（耕作層）按加權(quán)體積質(zhì)量回填棉稈炭混合土壤，20～90 cm層按實(shí)際體積質(zhì)量1.42 g/cm3回填，初始含水率7%（棉花收獲土壤平均含水率）。按5 cm厚度分層回填，分層界面處打毛。土柱裝填完成后，靜放3 d，試驗(yàn)裝置詳見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置

水源為純凈水，采用馬氏瓶持續(xù)供水，恒定水頭為5 cm。土壤水分入滲過程，記錄不同時(shí)段內(nèi)的濕潤(rùn)鋒位置及馬氏瓶下降水位，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到土柱底部（90 cm）時(shí)，打開土柱底部銅閥開關(guān)，接取滲漏水，量取滲漏水體積，按照0～20、20～40、40～60、60～80、80～90 cm分層，分別測(cè)得土壤含水率，全程監(jiān)測(cè)蒸發(fā)量。

1.4 觀測(cè)指標(biāo)與方法

濕潤(rùn)鋒按照先密后疏的原則，記錄入滲過程中4個(gè)方向的濕潤(rùn)鋒位置，取平均值作為濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離；入滲水量為濕潤(rùn)鋒記錄時(shí)刻對(duì)應(yīng)馬氏瓶減少水量；土壤含水率采用烘干法；滲漏水量采用量筒計(jì)量，蒸發(fā)量用蒸發(fā)皿（直徑20 cm）監(jiān)測(cè)。采用冪函數(shù)對(duì)濕潤(rùn)鋒距離與時(shí)間變化曲線進(jìn)行擬合。計(jì)算式為：

式中：為濕潤(rùn)鋒深度（cm）；為入滲系數(shù)，可表征土壤水分入滲初期能力，其值越大，初期入滲速率越大；為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；為入滲時(shí)間（min）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用IBM SPSS Statistics 25統(tǒng)計(jì)軟件，采用方差分析（ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）檢驗(yàn)不同處理的顯著性，當(dāng)≤0.05時(shí)，認(rèn)為差異性具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈炭施用量對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

土壤水分入滲過程中，濕潤(rùn)鋒是土壤濕潤(rùn)層與干土層的分界線，可表征水分垂向運(yùn)動(dòng)特征[20]。棉稈炭施用量對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移產(chǎn)生明顯影響。由圖2可知，濕潤(rùn)鋒到達(dá)炭土層底部（20 cm處）所用時(shí)間呈單峰趨勢(shì)，C1、C2、C4處理炭土層入滲歷時(shí)分別比C0處理縮短了20.5%、10.7%、6.3%，表明棉稈炭添加一定程度上促進(jìn)水分入滲，隨著棉稈炭施用量的增加，促進(jìn)水分入滲效果減弱，各棉稈炭添加處理間無顯著差異。C1處理在濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到炭土層底部所用時(shí)間最短，明顯促進(jìn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移。不同棉稈炭施用量對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到土柱底部（90 cm）所用時(shí)間差異顯著，均縮短濕潤(rùn)鋒到土柱底部入滲歷時(shí)，C4處理用時(shí)最短為1 795 min，比C0處理縮短了12.4%。濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與入滲歷時(shí)符合冪函數(shù)關(guān)系（表1），各處理2均大于0.998；施用棉稈炭各處理入滲系數(shù)值均大于C0處理，其中C1處理值最大為2.26。

2.2 棉稈炭和冬灌定額對(duì)水分入滲特性的影響

土壤水分入滲速率是衡量土壤入滲能力的指標(biāo)之一。入滲初始階段累積入滲量曲線斜率較大，到達(dá)穩(wěn)定入滲階段后斜率減小，入滲速率降低，表明隨著入滲過程的不斷進(jìn)行土壤入滲速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。添加不同比例的棉稈炭造成土壤入滲速率出現(xiàn)差異（表2）。本研究將入滲開始5 min內(nèi)的平均入滲率作為初始入滲率，由表2可以得出，C1、C2、C4處理土壤初始入滲率分別比C0處理增加6.5%、22.8%、32.0%，平均入滲率分別比C0處理增加6.9%、16.8%、21.4%，C0處理與C2、C4處理差異顯著，但C2處理與C4處理差異不顯著。穩(wěn)定入滲率與棉稈炭施用量正相關(guān)，C1、C2、C4處理穩(wěn)定入滲率分別比C0處理增加11.4%、38.6%、40.9%，C2、C4處理與C0處理差異顯著。C1處理炭土層入滲歷時(shí)比C0處理縮短20.5%，C1處理較其他施用棉稈炭處理所用時(shí)間短是由于高棉稈炭施用量處理生物炭較大的比表面積和較多的親水官能團(tuán)發(fā)揮巨大作用，吸持更多水分，使其入滲速度小于低棉稈炭施用量處理。

圖2 棉稈炭施用量對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度的影響

表1 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度與入滲歷時(shí)擬合結(jié)果

表2 不同棉稈炭施用量下土壤入滲特性

注 同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05）。

2.3 棉稈炭施用量對(duì)土壤水分分布特征的影響

圖3表明20～90 cm土層土壤含水率維持在各個(gè)土層田間持水率附近，表層0～20 cm施用棉稈炭，未影響到20～90 cm土層土壤含水率，不同冬灌定額下土壤含水率差異不顯著。圖4為土壤持水量分布圖，圖柱上方不同小寫字母表示不同棉稈炭施用量間差異顯著（<0.05）。由圖4可知，炭土層（0～20 cm）添加棉稈炭后土壤持水量均比C0處理高，C0處理與C2、C4處理具有顯著差異，但C2處理與C4處理之間差異不顯著，隨著棉稈炭施用量的增加，土壤持水量呈上升趨勢(shì)，高棉稈炭施用量明顯提升炭土層土壤持水量。非炭土層部分，C1、C2、C4處理持水量無顯著變化。施用棉稈炭改變了炭土層水分分布，隨著棉稈炭施用量的增加，炭土層土壤含水率不斷增大，對(duì)非炭土層土壤含水率影響較小。

圖3 棉稈炭施用量對(duì)土壤含水率的影響

圖4 土壤持水量分布

2.4 棉稈炭對(duì)土壤累積入滲量的影響

從圖5可以看出，棉稈炭施用量對(duì)累積入滲量有顯著影響，在水分入滲的初始階段（0～5 min），不同棉稈炭處理下累積入滲量差異不明顯。隨入滲時(shí)間不斷增加，各處理間累積入滲量差異逐漸顯現(xiàn)。入滲過程進(jìn)行到炭土層底部（20 cm）時(shí)，C0、C1、C2、C4處理累積入滲量分別為61.4、64.5、65.1、67.4 mm，C1、C2、C4處理累積入滲量比分別比C0處理增加了5.0%、6.0%、9.8%，C1、C2、C4處理入滲歷時(shí)分別比C0處理縮短了20.5%、10.7%、6.3%。可見施用棉稈炭增加了累積入滲量。非炭土層入滲過程中C1、C2、C4處理累積入滲量分別比C0處理增加0.1%、4.1%、5.3%，累積入滲量隨棉稈炭施用量增加而小幅提升，這是由于在非炭土層入滲過程中，棉稈炭混合土壤完全達(dá)到飽和狀態(tài)會(huì)吸持一定水分，而高棉稈炭施用量處理吸持水分更多。綜上，施用棉稈炭會(huì)增加土壤累積入滲量，在炭土層與非炭土層入滲過程中對(duì)累積入滲量影響不同。

圖5 棉稈炭施用量對(duì)累積入滲量的影響

2.5 棉稈炭和冬灌定額協(xié)同作用下水量平衡分析

總冬灌量由土壤持水量、滲漏量和蒸發(fā)量3部分組成。圖6表明滲漏量受灌溉定額的影響較大，冬灌定額越大，滲漏量越大，在W1、W2、W3處理中，滲漏量占各灌溉定額比例范圍分別在26.1%～28.6%、37.2%～38.9%、45.0%～46.7%。不同灌溉量下滲漏量具有顯著差異，施用棉稈炭對(duì)滲漏量無顯著影響，這是由于施入棉稈炭所增持的水分與冬灌定額、滲漏量相對(duì)較小所致。如圖7所示，3種不同灌溉定額下土壤持水量比例分別為63.6%、53.3%、46.6%，隨著灌溉定額增大，土壤持水量占灌溉定額比例逐漸減小。土壤持水量又可分為炭土層和非炭土層持水量2個(gè)部分，其中炭土層持水量C0處理與C2、C4處理差異顯著，隨著棉稈炭施用量不斷增加，炭土層持水量逐漸增大，非炭土層部分持水量無顯著差異。各處理間蒸發(fā)量占灌溉定額比例非常接近，在8.5%左右。

圖6 冬灌定額對(duì)滲漏量的影響

圖7 不同灌水定額下水量平衡分析

3 討論

土壤入滲過程及入滲能力主要受土壤質(zhì)地、體積質(zhì)量、初始含水率等內(nèi)部因素的綜合影響，同時(shí)也會(huì)受生物炭用量、種類等外部因素影響[21-23]。本試驗(yàn)供試土壤為黏土，具有土體結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)較小，通透性差，水分不容易從中通過等特點(diǎn)。眾多學(xué)者[24-26]研究表明，不同質(zhì)地土壤中施入生物炭會(huì)產(chǎn)生不同效果。本研究表明，添加棉稈炭可加快濕潤(rùn)鋒運(yùn)移進(jìn)程，縮短入滲歷時(shí)，其中C4處理效果最佳，到達(dá)土柱底部入滲歷時(shí)較C0處理縮短12.4%。這主要是由于棉稈炭添加后優(yōu)化了黏土顆粒組成，增大孔隙率，改變黏土孔隙結(jié)構(gòu)分布特征，使得土壤中水分流通通道增加，減小阻力，從而縮短入滲時(shí)間，促進(jìn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移。李帥霖等[27]研究認(rèn)為，在土壤表層添加4%的生物炭能提高黏壤土的入滲能力，這與本研究結(jié)果相似。棉稈炭添加可增大土壤初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率和土壤累積入滲量，這是由于黏土質(zhì)地較細(xì)，黏粒較多，通透性差，在施入棉稈炭后，大孔隙數(shù)量不斷增加，水分流通通道增大，提高土壤連通性，從而增加了水分入滲速率和累積入滲量。齊瑞鵬等[28]、岑睿等[29]研究表明，在黏質(zhì)土中施入生物炭可增強(qiáng)水分入滲能力，秸稈生物炭輸入對(duì)黏壤土的改良效果與本試驗(yàn)采用棉花秸稈類似。魏永霞等[30]研究也表明，生物炭添加可加快土壤初始入滲率，這與本研究相似。與黏土相比，生物炭對(duì)于砂壤土的改良具有不同效果，肖茜等[31]、Pu等[19]研究表明，生物炭的添加可以改善沙質(zhì)土壤的物理和水力特性，生物炭施用量越大，土壤含水率越高，土壤入滲速度減緩，增強(qiáng)土壤持水能力。綜上，施用棉稈炭增加黏土水分入滲速率，增大水分入滲能力，促進(jìn)水分入滲過程，低棉稈炭施用量影響較弱，高棉稈炭施用量影響較強(qiáng)。

棉稈炭與冬灌定額協(xié)同作用對(duì)土壤水分分布具有不同程度影響。生物炭具有高度發(fā)達(dá)的孔隙特征和巨大的比表面積，具有多種有機(jī)官能團(tuán)和較強(qiáng)的離子吸附交換能力，生物炭摻進(jìn)土壤后，增大土壤孔隙度、改變土壤團(tuán)聚體特性，增加土壤持水能力[32-35]。本研究表明，炭土層部分土壤含水率不斷增加，土壤持水量隨棉稈炭施用量呈上升趨勢(shì)，這與上述研究結(jié)果類似。棉稈炭施入后改變土壤原有性狀，隨著棉稈炭施用量增加，土壤累積入滲量不斷增加，土壤持水能力提升。王艷陽(yáng)等[36]、Rasa等[32]研究也表明，生物炭的輸入可以增加土壤飽和含水率、土壤田間持水率、土壤有效含水率。依據(jù)水量平衡原理，滲漏量受冬灌定額影響較大，冬灌定額越大，滲漏量占灌溉定額比例不斷增大，炭土層持水量與棉稈炭施用量正相關(guān)，蒸發(fā)量占比在8.5%左右。施用棉稈炭對(duì)滲漏量差異不顯著，這是由于添加棉稈炭所增持的水分，與冬灌定額、滲漏量相對(duì)較小所致，量化冬灌水量分配，對(duì)于減小冬灌定額和改變冬灌方式具有積極意義。綜上，棉稈炭添加可增加炭土層含水率，增強(qiáng)土壤持水能力，滲漏量受冬灌定額影響較大。

本研究表明，漫灌冬灌方式下蒸發(fā)量占灌溉定額比例8.5%左右，同時(shí)冬閑期較長(zhǎng)，蒸發(fā)較大，水資源利用效率降低。近年來眾多學(xué)者關(guān)注于滴灌冬灌方式、秸稈覆蓋措施，以期減少蒸發(fā)量，提升儲(chǔ)水能力，從而提升水資源利用率，這為下一步研究提供方向。姚寶林等[37]、魏一釗等[38]研究表明，秸稈覆蓋對(duì)凍融期土壤蒸發(fā)的抑制作用達(dá)24.0%～56.7%，秸稈覆蓋使土壤水分日蒸發(fā)量減小2.02～2.48 mm，秸稈覆蓋對(duì)土壤儲(chǔ)水能力、減控蒸發(fā)量具有顯著影響。

施用棉稈炭能夠促進(jìn)黏土水分入滲，增強(qiáng)土壤持水能力，為黏土改良及秸稈全域全量利用和降低冬灌無效水占比、提高冬灌水利用率和干旱綠洲區(qū)冬灌管理提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐。然而漫灌冬灌方式存在水資源滲漏、蒸發(fā)損失嚴(yán)重等現(xiàn)象，因此需要進(jìn)一步開展滴灌冬灌方式、秸稈覆蓋措施研究，確定在黏壤土中添加生物炭的改良效果和冬灌過程土壤水分分布特征，量化冬灌無效水占比，并開展數(shù)值模擬研究，綜合確定適宜冬灌方式，為干旱綠洲區(qū)冬灌技術(shù)提供支撐。

4 結(jié)論

1）施用棉稈炭可促進(jìn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移，濕潤(rùn)鋒與炭土層入滲歷時(shí)呈單峰趨勢(shì)，且符合冪函數(shù)關(guān)系，C1、C2、C4處理炭土層入滲歷時(shí)分別比C0處理縮短20.5%、10.7%、6.3%。

2）施用棉稈炭明顯提升黏土入滲能力，增加土壤入滲率和累積入滲量，且低棉稈炭施用量影響較弱，高棉稈炭施用量影響較強(qiáng)。C1、C2、C4處理初始入滲率分別比C0處理增加6.5%、22.8%、32.0%，平均入滲率增加6.9%、16.8%、21.4%，穩(wěn)定入滲率增加11.4%、38.6%、40.9%，入滲到土柱底部累積入滲量增加1.2%、4.5%、6.3%。

3）施用棉稈炭有效提升土壤含水率，提升炭土層持水能力，且與棉稈炭施用量正相關(guān)。C1、C2、C4處理炭土層持水量分別比C0處理增加1.1%、6.8%、7.4%，W1、W2、W3處理下滲漏量占灌溉定額比例27.3%、38.2%、45.6%，蒸發(fā)量占8.5%左右。

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Change in Water Flow in Clay Soils Amended by Cotton Biochar

WANG Tao1, PU Shenghai2,3,4, YANG Guang1*, LI Pan2,3, MA Xingwang2,3,MA Honghong2,3,4, WANG Zeyu2,3, NIU Xinxiang2,3, LIU Xiaoli2,3

(1. College of Water Conservancy & Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China;2. Institute of Soil, Fertilizer and Agricultural Water Saving, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China; 3. Key Laboratory of Northwest Oasis Agricultural Environment of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Urumqi 830091, China; 4. Xinjiang Huier Agricultural Group Co., Ltd., Changji 831100, China)

【Objective】Biochar has been widely used to amend degraded soils to improve their quality and fertility. The aim of this paper is to investigate the change in hydraulic properties of clay soils after being amended by cotton biochar.【Method】The experiment was conducted in repacked columns, with soil in the top 20 cm being amended by biochar at weight ratio 0 (C0), 1% (C0), 2% (C2) and 4% (C4), respectively. Each biochar amendment was associated with three irrigation treatments: 4 200 (W1), 5 100 (W2) and 6 000 m3/hm2(W3). For each treatment, we measured the advance of wetting front in the column, cumulative infiltration and infiltration rate, as well as water distribution in the soil.【Result】Biochar amendment enhanced water infiltration, with the enhancement increasing with biochar application amount. Compared with C0, C1, C2 and C3 increased initial infiltration rate, average infiltration rate, steady infiltration rate by 6.5%, 22.8% and 32.0%; 6.9%, 16.8% and 21.4%; and 1.4%, 38.6% and 40.9%, respectively. After the infiltration front crossed the top 20cm of soil layer, compared to C0, C1, C2 and C3 increased the cumulative infiltration by 5.0%, 6.0% and 9.8%, and soil water content at the column bottom by 1.2%, 4.5% and 6.3%, respectively. Overall, the cumulative infiltration increased with biochar application amount. On average, approximately 63.6%, 53.3% and 46.6% of the irrigated water in W1, W2 and W3 was stored in the soils, and the capacity the top 20 cm of soil layer to hold water increased with the biochar application amount. 【Conclusion】Amending clay soil by cotton-stalk biochar improved its ability to store and infiltrate water. The improved ability of the amended top 20 cm soil layer was positively correlated with biochar application amount. Water percolation and evaporation was affected by irrigation amount more than by biochar amendment. Our results have implications for improving physical quality and productivity of clay soils.

cotton charcoal;wetting front;soil moisture;winter irrigation;infiltration

1672 - 3317（2023）02 - 0024- 08

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022375

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2022-07-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD1900803）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52269006）；新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主培育項(xiàng)目（nkyzzkj-009）；第三次新疆綜合科學(xué)考察項(xiàng)目（SQ2021xjkk02704）；兵團(tuán)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2021AB021）；兵團(tuán)科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（2022BC001）；農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新穩(wěn)定支持項(xiàng)目（xjnkywdzc-2022005）

王濤（1997-），男，新疆昌吉人。碩士研究生，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)水資源高效利用技術(shù)。E-mail: wtstary@163.com

楊廣（1983-），男，河北新樂人。教授，博士，主要從事干旱區(qū)水資源高效利用技術(shù)研究。E-mail: mikeyork@163.com

責(zé)編編輯：白芳芳