生物炭-土壤結(jié)皮對土壤水分入滲和蒸發(fā)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(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070)

干旱和水土流失是限制我國半干旱區(qū)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的重要因子[1]。在我國黃土高原區(qū)，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)主要依靠有限和不穩(wěn)定的降水資源，降水資源管理技術(shù)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(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口膨脹，農(nóng)業(yè)可利用水量越加短缺，干旱脅迫進(jìn)一步加劇[2]。在我國黃土高原地區(qū)，降水季節(jié)與多數(shù)作物需水季節(jié)錯位，降水季節(jié)主要集中于夏末和秋初(6～9月)，該季節(jié)降水主要以大強(qiáng)度降水或暴雨為主，大強(qiáng)度降水或暴雨具有歷時短、規(guī)律性差和破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，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(qiáng)風(fēng)或暴風(fēng)等現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇土壤表面水分蒸發(fā)和土壤風(fēng)蝕，嚴(yán)重威脅農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)[3]。為了加強(qiáng)糧食安全生產(chǎn)和維護(hù)區(qū)域農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)?shù)卣娃r(nóng)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(jī)覆蓋是將植物殘留物或其他有機(jī)材料覆蓋于土壤表面的耕作措施，有機(jī)覆蓋農(nóng)業(yè)是維持土壤、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的可持續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)[4-5]。有機(jī)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(jìn)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(jī)覆蓋減緩近地表與土壤的水熱交換，進(jìn)而緩解晝夜溫差，降低土壤水分無效蒸發(fā)和提高水分利用效率。盡管有機(jī)覆蓋存在以上優(yōu)點(diǎn)，有機(jī)覆蓋分解產(chǎn)生分泌物和低溫等效應(yīng)對植物出苗和生長產(chǎn)生不利影響，有機(jī)覆蓋增產(chǎn)效應(yīng)隨氣候、土壤、作物、覆蓋材料、地形等變化而變化[5]。有機(jī)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(nóng)林有機(jī)廢棄物為原材料，經(jīng)過高溫和低氧環(huán)境制成的1種有機(jī)富碳物質(zhì)[6]。生物炭具有性質(zhì)穩(wěn)定、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)有助于增強(qiáng)土壤持水力和水力傳導(dǎo)度，進(jìn)而增加土壤有效水分，減少地表徑流和土壤蒸發(fā)，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(fā)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(zhì)壤土施加生物炭累計入滲量增加41.8%，累計蒸發(fā)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(fā)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(jīng)過雨淋、風(fēng)吹、日曬等作用形成生物炭-土壤結(jié)皮。近些年國內(nèi)外多數(shù)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(zhì)、土壤污染和作物產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用目前處于起步階段[8-9]。生物結(jié)皮是由真菌、細(xì)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(fù)合體，生物結(jié)皮的生理特性和理化性質(zhì)影響土壤水分入滲和蒸發(fā)。與普通土壤結(jié)皮 (主要是生物結(jié)皮 )相比，生物炭-土壤結(jié)皮在人為干涉和自然條件下形成，在土壤結(jié)皮形成過程中，添加生物炭成分，假設(shè)生物炭-土壤結(jié)皮具有特殊土壤物理特性，對土壤水分影響機(jī)理不同。本研究采用定水頭土柱模擬試驗(yàn)，研究生物炭-土壤結(jié)皮對黃綿土水分入滲和蒸發(fā)特征的影響，確定土壤入滲和蒸發(fā)參數(shù)，揭示生物炭-土壤結(jié)皮對土壤水分影響機(jī)制，以期為我國半干旱區(qū)農(nóng)牧業(yè)廢棄物回收利用和生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)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(tài)環(huán)境試驗(yàn)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(jī)質(zhì)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(shù)研究中心生產(chǎn)和提供生物炭，生物炭化學(xué)性質(zhì)見表1，物理性質(zhì)見表2。

表1 生物炭化學(xué)性質(zhì)

表2 生物炭物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)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(tài)環(huán)境試驗(yàn)基地室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室平均溫度和平均濕度分別為25℃和55%。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計，共設(shè)置3個處理，重復(fù)3次。3個處理分別為土壤結(jié)皮 (Soil crust)、單倍炭-土壤結(jié)皮 (Single biochar-soil crust) 和雙倍炭-土壤結(jié)皮 (Double biochar-soil crust)，根據(jù)土柱表面積，土壤結(jié)皮、單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)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(jīng)過雨淋、風(fēng)吹、日曬等作用形成生物炭-土壤結(jié)皮。

模擬土柱的內(nèi)徑和高度分別為20和40 cm，根據(jù)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(dá)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(jù)開挖深度，慢慢把PVC管用力按入土壤。當(dāng)PVC管達(dá)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(fā)生。當(dāng)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(dāng)排水層。在自然條件下經(jīng)1個月雨淋、風(fēng)吹、日曬等，模擬土柱表層形成生物炭-土壤結(jié)皮，結(jié)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(shù)，供水裝置為1個標(biāo)有刻度的馬氏瓶，馬氏瓶內(nèi)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(nèi)部有1根進(jìn)氣管，進(jìn)氣管與外界大氣相通，進(jìn)氣管下部進(jìn)氣口稱為發(fā)泡點(diǎn)(圖1)。

圖1 土壤水分入滲和蒸發(fā)試驗(yàn)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(fā)量測定

在試驗(yàn)開始前，調(diào)整馬氏瓶發(fā)泡點(diǎn)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(jié)皮表面，防止生物炭-土壤結(jié)皮在干濕等作用下形成龜裂，產(chǎn)生優(yōu)先流，確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)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(dāng)土柱底部出水口有水流出時，停止記錄，入滲持續(xù)時間為100～120 min。持續(xù)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(shí)驗(yàn)室，采用稱量法測定模擬土柱日蒸發(fā)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(fā)量計算公式為：

(1)

式中：E為土柱日蒸發(fā)量(mm)；ΔM為測定當(dāng)次土柱質(zhì)量與前1次土柱質(zhì)量差值(g)；r為土柱內(nèi)徑(cm)。

1.4 土壤入滲特征模擬

為探究生物炭-土壤結(jié)皮對土壤水分入滲特征參數(shù)的影響，采用Philip模型、Kostiakov模型和Horton模型模擬實(shí)測累計入滲量與時間關(guān)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(wěn)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(jīng)驗(yàn)常數(shù)，K表示土壤水分入滲開始后第1時間段內(nèi)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(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行作圖，采用IBM SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，采用Tukey’s-b方差檢驗(yàn) (P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭-土壤結(jié)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(biāo)，指從入滲開始到結(jié)束通過土壤單位橫截面積的總?cè)霛B水量。土壤結(jié)皮、單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)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(nèi)，雙倍炭-土壤結(jié)皮的累計入滲量明顯大于單倍炭-土壤結(jié)皮，單倍炭-土壤結(jié)皮的累計入滲量明顯大于土壤結(jié)皮，生物炭-土壤結(jié)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(jié)皮、單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)皮的累計入滲量分別為58.5，68.4和77.3 mm，與土壤結(jié)皮相比，單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)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(nèi)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(jié)皮、單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)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(jié)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(jié)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(dá)到飽和狀態(tài)，生物炭-土壤結(jié)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(wěn)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(jié)皮、單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)皮的初始入滲速率分別為3.13、4.10和5.00 mm/min，穩(wěn)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(jié)皮相比，單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)皮的初始入滲速率分別增加0.96和1.87 mm/min，穩(wěn)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(jié)皮的初始入滲速率、穩(wěn)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(jié)皮土壤水分入滲參數(shù)模擬

采用Philip入滲模型，穩(wěn)定入滲速率(A)為負(fù)值，與實(shí)際入滲速率不符合，Philip入滲模型不適用于生物炭-土壤結(jié)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(jié)皮的初始平均土壤入滲速率(K)顯著高于單倍炭-土壤結(jié)皮，單倍炭-土壤結(jié)皮的初始平均土壤入滲速率顯著高于土壤結(jié)皮，與土壤結(jié)皮相比，單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)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(jié)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(jié)皮的土壤初始入滲速率(b)顯著高于單倍炭-土壤結(jié)皮，單倍炭-土壤結(jié)皮的土壤初始入滲速率顯著高于土壤結(jié)皮。與土壤結(jié)皮相比，單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)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(jié)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(shù)

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

2.3 生物炭-土壤結(jié)皮對土壤累計蒸發(fā)量的影響

地表土壤蒸發(fā)量是農(nóng)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(fā)量是實(shí)現(xiàn)我國黃土高原地區(qū)水分合理分配的有效途徑。土壤累計蒸發(fā)量反映土壤持水力，土壤累計蒸發(fā)量越大，生物炭-土壤結(jié)皮持水力越低。土壤累計蒸發(fā)量隨時間變化呈現(xiàn)明顯的階段性變化，在蒸發(fā)前期，土壤累計蒸發(fā)量隨時間呈線性增加，在蒸發(fā)后期，土壤累計蒸發(fā)量隨時間呈曲線增加(圖3-A)。在室內(nèi)穩(wěn)定蒸發(fā)條件下，土壤結(jié)皮、單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)皮的累計蒸發(fā)量隨蒸發(fā)時間增加而增加。在相同蒸發(fā)時間段，土壤結(jié)皮累計蒸發(fā)量明顯高于單倍炭-土壤結(jié)皮，單倍炭-土壤結(jié)皮累計蒸發(fā)量明顯高于雙倍炭-土壤結(jié)皮。在0～10 d時間段，與土壤結(jié)皮相比，單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)皮累計蒸發(fā)量分別減少17.4%和25.0%；在10～30 d時間段，單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)皮累計蒸發(fā)量分別減少5.4%和10.6%；在30～60 d時間段，單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)皮累計蒸發(fā)量分別減少1.4%和3.4%。結(jié)果表明，生物炭-土壤結(jié)皮的累計蒸發(fā)量隨生物炭覆蓋量增加而減少。

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

圖3 土壤累計蒸發(fā)曲線Fig.3 Soil cumulative evaporation curve

3 討論

土壤結(jié)皮是1種廣泛分布于干旱和半干旱地區(qū)土壤表層的特殊復(fù)合體，生物炭-土壤結(jié)皮具有較高孔隙度、較低容重、較好親水性和基質(zhì)吸力等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)有助于增加土壤水力傳導(dǎo)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(nèi)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(zhì)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(jié)皮含水量較低，基質(zhì)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(jié)皮含水量逐漸飽和，基質(zhì)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(jié)果表明，與土壤結(jié)皮相比，單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)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(wěn)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(jié)皮的累計入滲量、初始入滲速率、穩(wěn)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(jìn)土壤微團(tuán)粒形成，增加土壤孔隙度和過水?dāng)嗝?，促進(jìn)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(jié)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(jié)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(jié)皮是生長在土壤表面及以下的藻類+地衣+苔蘚+真菌和細(xì)菌等生物同土壤顆粒相互作用形成的復(fù)合層，胞外聚合物、菌絲及其分泌物填充生物結(jié)皮，形成1層致密層，降低土壤入滲能力[19]。生物炭-土壤結(jié)皮在土壤表層形成孔隙狀結(jié)皮層，增加表層土壤孔隙率，進(jìn)而增加入滲速率和入滲量。王艷陽等[20]研究結(jié)果表明，土壤和生物炭混合形成生物炭-土壤雙層結(jié)構(gòu)，該雙層結(jié)構(gòu)的土壤水分入滲方程存在拐點(diǎn)，當(dāng)濕潤鋒存在于生物炭-土壤結(jié)皮層，該曲線為斜率較大非線性方程；當(dāng)濕潤鋒到達(dá)生物炭-土壤界面，該曲線為斜率較小非線性方程。本研究結(jié)果表明，在0～10 min時間段，生物炭-土壤結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)皮的水文過程。本研究結(jié)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(wěn)定入滲速率為負(fù)值，與實(shí)際入滲速率不符合；Horton入滲模型的決定系數(shù)R2(0.997～0.998)明顯高于Kostiakov入滲模型的決定系數(shù)R2(0.928～0.980)。Philip入滲模型適用于均質(zhì)土壤入滲模擬[21]，生物炭-土壤結(jié)皮屬于非均質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)，Philip模型不適用于生物炭-土壤結(jié)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(jié)皮土壤水分入滲特性，經(jīng)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(shí)測結(jié)果更接近，適用于生物炭-土壤結(jié)皮土壤水分入滲特征的模擬。

土壤蒸發(fā)是近地表與土壤水熱交換的重要組成部分，是提高雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)水分利用效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生物炭是多孔疏松富碳物質(zhì)，具有許多極性含氧官能團(tuán)，生物炭-土壤結(jié)皮改變地表覆蓋狀況及土壤理化性質(zhì)，引起土壤水文過程變化，進(jìn)而影響土壤蒸發(fā)[23]。生物結(jié)皮對土壤蒸發(fā)的影響隨生物結(jié)皮發(fā)育、種類、土壤、地形等變化而變化[24]。部分學(xué)者認(rèn)為生物結(jié)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(fā)[25-26]；另有學(xué)者認(rèn)為生物結(jié)皮形成透明毛狀尖或疣狀突起等形態(tài)結(jié)構(gòu)，減少土壤蒸發(fā)[27-28]。蒸發(fā)初始階段為大氣環(huán)境控制蒸發(fā)階段，土壤蒸發(fā)速率較快；蒸發(fā)穩(wěn)定階段為土壤水導(dǎo)水率控制階段，土壤蒸發(fā)速率較慢；蒸發(fā)降低階段為土壤水汽控制階段，土壤蒸發(fā)速率最慢[29]。生物炭-土壤結(jié)皮利用自身特殊結(jié)構(gòu) (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?zhèn)魉湍芰?，將土壤水分保存在下層土壤中，同時，生物炭-土壤結(jié)皮吸水能力較強(qiáng)，將土壤水分截留在生物炭-土壤結(jié)皮層中，進(jìn)而減少土壤水分蒸發(fā)。本研究結(jié)果表明，日蒸發(fā)量隨時間延長逐漸降低，與土壤結(jié)皮相比，單倍炭-土壤結(jié)皮和雙倍炭-土壤結(jié)皮0～60 d累計蒸發(fā)量分別減少7.4%和12.3%，日平均蒸發(fā)量分別減少7.4%和13.7%，土壤蒸發(fā)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(fā)量，生物炭抑制土壤水分蒸發(fā)效果隨時間推移逐漸減弱。生物炭-土壤結(jié)皮破壞土壤孔隙連續(xù)性，阻斷土壤深層水分向大氣運(yùn)移的通道，降低土壤水分累計蒸發(fā)量，同時，生物炭-土壤結(jié)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(nèi)模擬土柱試驗(yàn)初步探索生物炭-土壤結(jié)皮對我國半干旱黃土高原丘陵區(qū)典型黃綿土水分入滲和蒸發(fā)過程的影響，與田間實(shí)際情況有所差異。為更好研究生物炭-土壤結(jié)皮對旱作農(nóng)田土壤水分循環(huán)的影響，今后研究將集中于生物炭-土壤結(jié)皮的容重、持水力、孔隙率、疏水性等方面研究。

4 結(jié)論

生物炭-土壤結(jié)皮孔隙結(jié)構(gòu)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(fā)量；生物炭-土壤結(jié)皮的初始入滲速率、穩(wěn)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(fā)量隨生物炭覆蓋量增加而減少。經(jīng)過模擬精度比較，Horton入滲模型適用于生物炭-土壤結(jié)皮土壤水分入滲特征的模擬。