生物炭对黑土区土壤水分及其入渗性能的影响

为探究黑土区施用生物炭对土壤水分及其入渗性能影响的持续性,2016—2018年连续3年在东北黑土区进行了单次施加生物炭(75 t/hm~2,BC处理)和不施加生物炭(CK处理)的室内外对比试验,分析各土层土壤含水率及土壤水分入渗过程。结果表明:施加生物炭可增加各土层土壤含水率,使其极值比K_a和变异系数C_v减小,且土壤含水率、K_a、C_v的变化幅度均随生物炭施用年限增加而减弱,2016—2018年苗期耕层土壤含水率增加最多,分别增加了14.54%、11.48%和7.08%;施加生物炭明显增大了土壤累积入渗量、土壤入渗速率,增强了土壤入渗能力,促进了湿润锋的运移,各年份BC处理土壤累积入渗量由大到小依次为2016年、2017年、2018年,初始入渗速率f_1分别增加了70.48%、58.98%和48.41%,土壤稳定入渗速率f_c由大到小依次为2016年BC处理(1.65 mm/min)、2017年BC处理(1.22 mm/min)、2018年BC处理(1.17 mm/min)、2016年CK处理(0.46 mm/min)、2017年CK处理(0.43 mm/min)和2018年CK处理(0.38 mm/min);2016—2018年中,2016年BC处理湿润锋运移距离最深(32.24 mm),各表征土壤入渗性能的指标均于生物炭施用当年效果最优,而后逐年减弱;土壤累积入渗量与时间具有幂函数关系,湿润锋运移距离与时间具有三次函数关系,R~2均在0.963～0.998之间;Philip、Kostiakov、Horton 3个入渗模型拟合对比结果表明,Kostiakov模型R~2最高(0.946～0.991)、RMSE最小(0.516～1.941 mm/min),拟合参数与实际情况相符,故本研究中Kostiakov模型拟合的土壤水分入渗过程最优。本研究可为东北黑土区施加生物炭后改良土壤水分入渗过程提供理论依据。     

生物炭种类与施量对新复垦区土壤水分入渗过程的影响

为探究不同种类生物炭与其施量对新复垦区土壤水分入渗过程的影响,设置2个生物炭种类（玉米秸秆生物炭A、水稻稻壳生物炭B）和3个施量梯度（2%、4%和8%）以及不施加生物炭（CK）共7个处理,进行垂直一维积水入渗试验。结果表明：除低施量水稻稻壳生物炭处理（B2）外,添加生物炭延缓了新复垦区土壤水分入渗过程,玉米秸秆生物炭优于水稻稻壳生物炭。添加2%、4%和8%玉米秸秆生物炭处理（A2、A4、A8）随施量增加,入渗时间逐渐延长,与CK相比,入渗时间分别延长35.0%、46.0%和59.1%;而水稻稻壳生物炭组中仅4%施量处理（B4）延缓了水分入渗,入渗时间较CK增加28.5%。同时,添加生物炭降低了土壤初始入渗率及相同入渗时间内的湿润锋运移距离和累积入渗量,生物炭种类及其施量对这3项指标的影响与对入渗时间的影响规律相似。添加生物炭均提高了土壤表层含水率,增幅2.2%～20.3%,且两种生物炭在高施量处理条件下土壤保水能力明显优于中、低施量。湿润锋运移距离与时间符合幂函数关系,Philip模型能较好地模拟不同种类及施量生物炭处理下新复垦土壤的水分入渗过程。总体来讲,添加8%玉米秸秆生物炭处理有利于改善新复垦区土壤水分下渗快、保水能力弱的问题。     

生物炭对东北草甸黑土水分运动参数的影响

为探明添加生物炭对东北草甸黑土水力学特性的影响,研究了以5种生物炭体积比(0、2%、4%、6%、8%)施入土壤后的土壤水分运动参数。采用土壤的VAN GENUCHTEN模型和MUALEM理论,推导出添加生物炭土壤的水分特征曲线、相对导水率和水分扩散率方程,并用试验校验理论推导结果。理论和试验结果表明,添加生物炭土壤的饱和度随基质吸力的变化接近无添加的土壤;当基质吸力低于2 000 cm时,添加生物炭能够大大提高土壤的含水率,当基质吸力高于8 000 cm时,土壤的含水率不一定增加;水平土柱吸渗试验表明,生物炭能够抑制土壤水分的水平扩散;数值模拟降雨后的土壤含水率与田间实测数值相比误差小于13.3%。研究可为东北黑土区农业水土保护和利用提供理论依据。     

地面坡度对滴灌水分入渗过程的影响

通过土箱模拟滴灌实验,研究了不同地面坡度下滴灌水分运移规律。结果表明,地面各方向湿润半径、滴头下湿润深度和最大湿润深度均与时间呈显著的幂函数关系;随着地面坡度的增大,地面顺坡方向湿润锋推进加快,逆坡方向及滴头处横坡方向湿润锋推进减缓,横坡方向最大湿润宽度也随着坡度的增大而减小;在纵剖面上随着地面坡度的增大,滴头下入渗深度逐渐减小,而最大入渗深度则逐渐增加,最大入渗深度的位置也距滴头越远;地表和纵剖面湿润范围的变化表明,与水平地面相比,整个湿润体随着地面坡度的增大明显向下坡方向偏移,且坡度越大,偏移距离越大,湿润体形状由对称的半椭球形向下坡大而上坡小的梨形变化。     

容重对红壤区地下滴灌水分入渗能力影响研究

为分析红壤区容重对地下滴灌水分入渗能力的影响,采用室内试验模拟容重对红壤地下滴灌水分运动规律的影响。结果表明:随着容重的增大,湿润锋、累计入渗量及入渗率均逐渐减小,但容重越大,减小的幅度越小,且累计入渗量和稳渗率与容重均呈幂函数负相关关系;在灌水结束及重分布期间,容重对含水率的分布均有显著影响,灌水结束时间越长,容重的影响越弱,在灌水结束及重分布1 d,20 cm深度土壤含水率最高,而重分布3 d时,30 cm深度含水率最高。通过Kostiakov入渗模型表明,容重对土壤初渗率及入渗率的衰减速度均有显著影响,土壤初渗率随容重增大而减小,而入渗率的衰减速度随着容重的增大而增大。     

生物炭对有机菜心产量、品质及水分利用的影响

为探究生物炭对提升有机菜地土壤保水能力与菜心水分利用的作用,基于田间小区定位试验,研究不施肥（CK）、单施有机肥（MC0,110t/hm2）、有机肥+低量生物炭（MC1,110t/hm2+85t/hm2）和有机肥+高量生物炭（MC2,110t/hm2+17t/hm2）对土壤水分动态以及有机栽培菜心产量、品质及水分利用效率的影响。结果表明,有机肥配施生物炭可显著提高有机菜地表层土壤（0～20cm）含水率,增加0～70cm土壤贮水量,与处理MC0相比,处理MC1和MC2全生育期平均含水率分别提高4.7%和8.6%（P<0.05）,0～70cm土壤贮水量分别提高12.3%与3.4%。CK处理0～20cm土层含水率变化幅度大（10.5%～31.2%）,处理MC1变化幅度相对较小,为15.4%~30.4%。相比处理MC0、MC2和CK,处理MC1可显著促进菜心生长,增加产量,改善菜薹品质。菜心株高、叶片数和叶围面积均以处理MC1为最高,相比处理MC0,处理MC1生物量与产量分别提高36.7%、59.1%,而硝酸盐含量降低20.0%～44.3%。与MC2、MC0和CK相比,处理MC1周年耗水量分别降低3.6%、6.8%和13.7%（P<0.05）,而产量水分利用效率分别提高49.8%、75.7%和2264.8%（P<0.05）,生物量水分利用效率分别提高45.4%、46.6%和720.1%（P<0.05）。处理MC2与MC0相比,菜心产量和水分利用效率虽明显增加,但均显著低于处理MC1。研究结果可以为西北旱区有机蔬菜合理制定培肥制度提供理论依据。     

灌水量和生物炭施加量对柑橘品质及水分利用效率的影响

为揭示不同水分管理模式下生物炭对鄂西地区柑橘品质及水分利用效率（WUE）的影响，以20 a生红肉脐橙为研究对象，于2018-2020年设置3种供水水平（W1：雨养模式；W2：果实膨大期3 L/周、转色増糖期1 L/周；W3：果实膨大期后9 L/周、转色増糖期3 L/周）和5种生物炭施加量水平（B0:0%;B1:4%;B2:8%;B3:12%;B4:16%）进行大田试验，研究灌水量和生物炭施加量对柑橘品质指标、产量及WUE的影响。结果表明：施炭量为0%～12%时，单果重、果皮厚度、可食率、果汁率、可溶性固形物、VC、可滴定酸和固酸比等指标随施炭量增加显著提高（P<0.05），果形指数无明显变化；生物炭对柑橘产量与WUE均有明显改善能力，而灌溉仅对提升产量有影响，对改善WUE无明显效果。对柑橘品质、产量及WUE进行综合性分析，可知B3W3处理是果实品质效益最大化与WUE最佳的炭水耦合模式。     

生物炭对草甸黑土物理性质及雨后水分动态变化的影响

为探明生物炭对草甸黑土物理性质及雨后水分动态变化的影响,在大豆全生育期生长条件下,研究了东北黑土区草甸黑土5种生物炭添加量(0、25、50、75、100 t/hm2)下土壤物理性质(包括:土壤水分特征曲线、土壤含水率常数、土壤水分扩散率)和单次降雨土壤含水率变化特征,分析了生物炭对黑土区草甸黑土耕层土壤持水能力及雨后水分动态变化的影响。结果表明,施用生物炭能降低土壤残余含水率,增加土壤饱和含水率和田间持水量,其中对残余含水率的影响最显著,100 t/hm~2生物炭处理使残余含水率最多降低27.6%;施用生物炭能明显降低土壤水分扩散率,随生物炭添加量的增加依次比对照组减少34.8%、37.5%、71.4%和58.9%;在单次降雨过程中,施用生物炭能减小土壤含水率的变化幅度,使土壤含水率在降雨之后更快地由迅速下降期进入缓慢下降期,并能明显提高缓慢下降期对应的土壤含水率;施用生物炭可以提高大豆产量,以75 t/hm~2生物炭处理最高。研究结果可为黑土区农业水土资源高效利用与保护提供理论依据。     

微润灌溉条件下土壤质地对水分入渗的影响

为探究微润灌溉条件下水分在不同质地土壤中的入渗情况,分别选取黏壤土和黏土2种质地土壤,土壤体积质量均为1.35 g/cm3,压力水头为2 m,测定累计入渗量、湿润锋及土壤含水率3个指标。结果表明,水分累计入渗量与土壤含黏粒量为负相关关系;湿润锋是以微润管为中心的近似圆形,水平运移距离与垂直向下运移距离均大于垂直向上运移距离;湿润锋运移距离与时间的关系近似为幂函数关系;土壤含黏粒量越高,水分在土壤中的入渗速率越慢,湿润体的范围越小;同一取样点的土壤含水率随含黏粒量的增加而降低,经计算,微润灌溉的灌水均匀性符合要求。试验结论为微润灌溉系统的参数设计提供了理论参考。     

生物炭对黑垆土土壤水分运移特征参数影响

为了了解生物炭施加对宁南山区黑垆土土壤水分运移特征参数影响,以宁南山区典型土壤黑垆土为研究对象,按0%,1%,2%和3%的比例将土壤改良剂生物炭施加到垂直和水平土柱中,探讨不同施加比例下入渗速率、饱和体积含水量、饱和导水率、饱和扩散率等土壤水分运移特征参数的变化.研究结果表明:生物炭施加比例1%,2%和3%的土壤体积含水量较0%增加了2.98%,6.45%和7.94%,生物炭施加减缓了土壤入渗速率,提高了土壤持水性能;Philip模型比Kostiakov模型更加能反映出不同比例生物炭施加下土壤水分入渗过程;生物炭施加比例1%,2%和3%的饱和体积含水量分别较0%增加了5.05%,8.33%和9.85%,饱和导水率分别减少了45.71%,62.86%和74.28%,生物炭施加提高了土壤持水能力;Van Gencuhten中1%,2%,3%的参数a较0%分别减少了31.90%,29.25%,19.23%;n分别减少了0.28%,0.16%,0.66%;生物炭施加比例1%,2%和3%的饱和扩散率分别较0%减少了58.46%,77.96%和89.28%.生物炭施加改良了土壤结构,增加了土壤体积含水量,提高了土壤持水性能.     

负水头条件下入渗模型对于水分入渗规律适用性研究

通过室内土柱入渗实验,对比了不同负水头高度条件下的土壤入渗规律,并采用了三种入渗模型分析了土壤水分入渗特点。实验结果表明,累积吸渗量与时间呈良好的幂函数关系,湿润锋与时间平方根间呈良好的线性关系,并且负水头高度减小,累积入渗量逐渐减小,湿润锋的推进速度减慢。累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系。利用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov公式对入渗率与入渗时间的关系进行拟合,得出Kostiakov公式能更准确地描述出入渗率与时间关系。     

残膜对土壤水分入渗的影响及入渗模型适用性分析

为研究不同残膜量对土壤水分入渗的影响,通过室内土箱模拟试验,研究了滴灌条件下6个残膜添加量(0、80、160、320、640和1 280 kg/hm2)处理分别对土壤入渗率、湿润锋运移距离及水分分布的影响,比较了Kostiakov模型、Philip模型和Green-Ampt模型对含残膜土壤水分入渗过程的适用性。结果表明,残膜延长了土壤水分入渗时间,入渗至45 cm土层深度时入渗历时随残膜量增加而增大;入渗一定时间,含残膜的入渗曲线与无残膜曲线分离,分离时间随残膜量增加而提前,分离时间与残膜量之间呈对数函数减小;Kostiakov模型更适合模拟含残膜土壤的入渗过程;湿润锋运移距离与入渗时间呈幂函数增长关系,但湿润锋运移距离随残膜量增加而递减;随残膜量增加,作物适宜生长区和水分分布重心逐渐上移。残膜对土壤水分入渗有较大不利影响,其影响程度随残膜量增加而增大。     

水分入渗对土壤内部综合压力影响的试验研究

利用自制土壤内部压力测量装置对水分入渗过程中土壤内部的综合压力进行了测量,分析了水分入渗过程中不同土层的土壤内部压力的变化特征以及不同容重土壤的内部压力的变化特征。结果表明:同一容重下不同土层的土壤,在灌水初期0～20min左右,水分入渗对土壤内部扰动的综合压力随着土层深度的加深而减小;在360～420min内综合压力值随土层深度的加深而增大。不同容重下同一土层的土壤,水分入渗对土壤内部扰动的综合压力在表层土0～15cm土层,压力值随着容重的增大而增大;15～30cm和30～45cm土层在测定时间0～90min内,容重越大压力值越小,90min后压力值随着容重的增加呈递增的趋势。试验结果同时表明同一时段内,容重越大,压力值的变化幅度越小即压力差越小。     

不同硝酸钾溶液浓度对垂直一维入渗特性影响研究

通过室内不同浓度溶液的垂直一维入渗试验,分析了不同浓度碳酸钾溶液影响下的湿润锋和累积入渗量的变化规律以及土壤含水量和硝态氮浓度的分布规律,由不同浓度溶液累积入渗量,依据GREEN-AMPT入渗模型,反推出湿润锋面平均吸力和饱和导水率,结果表明增大溶液浓度提高了垂直一维入渗的饱和导水率,但减小了湿润锋面的平均吸力,溶液浓度通过影响湿润体的饱和导水率和湿润锋面的平均吸力来影响入渗量,二者的综合作用是增大了入渗量。     

淡水入渗模型对咸水入渗过程的适用性

由于咸水中含有各种盐分离子,当咸水进入土壤后,会引起土壤物理特性改变,从而影响土壤的入渗特性.为了分析单因素对土壤入渗能力的影响,在中国科学院南皮生态农业试验站进行了不同矿化度和钠吸附比(SAR)的咸水一维垂直积水入渗试验.结果表明:咸水的土壤表征饱和导水率在2.99 g/L时存在突变现象,并达到最大值;当矿化度为3 g/L,而SAR不同的水入渗时,SAR在8.15(mmol/L)1/2时,饱和导水率达到最大值;当SAR大于8.15(mmol/L)1/2时,饱和导水率呈下降趋势.利用Green-Ampt模型及一维代数入渗模型,对试验结果进行对比分析,结果表明两种模型都可以描述咸水入渗特征,但相关参数具有不同于淡水的变化特征.通过对累积入渗量的理论值与实测值的分析得知,长历时入渗的情况下,Green-Ampt模型较精确;在短历时入渗情况下,一维代数入渗模型较精确.     

PAM与SAP交并施用对一维水分垂直入渗特性的影响

PAM(聚丙烯酰胺)和SAP(高吸水性高分子)分别作为具有显著固土截流和土壤水分保蓄能力的两类土壤化学调控材料,对于水土流失防治、生态环境保护、农业水分高效利用、作物增产等意义重大。目前PAM和SAP的研究按各自作用特点和一定应用条件集中在单一材料上,而针对PAM和SAP在旱区坡耕地交并施用的研究未见报道。通过室内一维垂直积水入渗法试验,分析PAM和SAP并施对坡地土壤水分垂直入渗特性的影响。结果表明:在同一SAP处理水平下,随着PAM施用量的增加,土壤入渗率、饱和导水率、累积入渗量均减小;在同一PAM处理水平下,土壤入渗率、饱和导水率、累积入渗量均呈现随SAP施用量增加而减小的趋势。所以,PAM和SAP处理均降低了土壤的入渗能力;但相对于SAP,PAM对一维水分垂直入渗的抑制作用显著。     

秸秆生物炭对寒地黑土区玉米生长发育及耗水规律的影响

为探明在寒地黑土区不同生物炭添加量对玉米生物性状指标及耗水规律的影响,于2014年在北安市红星农场通过盆栽试验设置6个处理(CK-0g/kg、C1-20g/kg、C2-40g/kg、C3-60g/kg、C4-80g/kg、C5-100g/kg)进行研究。结果表明:适量施加生物炭(处理C1、C2)可以有效促进玉米生长发育,提高玉米的产量,也有效增加了玉米的日耗水量、全生育期耗水量及水分利用效率,处理C1、C2分别比对照CK增产20.95%、26.07%,水分利用效率增加14.62%和18.01%。而过量施加生物炭(处理C4、C5)则会抑制玉米的生长发育,导致减产,同时也降低了玉米的日耗水量、全生育期耗水量及水分利用效率。生物炭量与玉米单株产量和水分利用效率之间成二次抛物线关系,相关系数分别为0.812 2和0.772 1,当生物炭施加量为36.13和39.25g/kg时,产量和水分利用效率达到最大值150.95g/株和3.92g/kg。     

积水入渗下不同矿化度水对红壤水盐运移特征的影响

【目的】探讨积水入渗条件下矿化度对酸性红壤水盐运移特征的影响,为我国南方非常规水合理利用提供参考。【方法】采取土柱入渗试验,以蒸馏水灌溉(CK)为对照,探究不同矿化度水(1、2、3、5、10 g/L)入渗下南方红壤水分动态运移、水盐分布及土壤pH值变化,并量化矿化度与入渗模型参数关系。【结果】与CK相比,1～10g/L处理抑制红壤水分入渗,同一时刻累积入渗量表现为CK1 g/L处理5 g/L处理2 g/L处理3 g/L处理10 g/L处理。5 g/L处理持水能力显著高于其他处理(p0.05),单位时间湿润锋运移距离小于CK和1、2 g/L处理。Kostiakov公式较Philip方程能更精确描述1～3 g/L处理红壤累积入渗量随时间变化,矿化度大于3 g/L时则相反。红壤累积入渗量与湿润锋运移距离符合线性关系,红壤持水能力、入渗模型参数与矿化度关系均满足三次多项式(R20.95,RMSE0.06)。1～5 g/L处理可使5～25 cm土壤平均含水率增加0.09%～4.61%,各处理土壤EC值和Na~+、Cl~-质量分数随深度增加呈减小趋势,矿化度对25～40cm范围土壤盐分的影响小于上层土壤。与CK相比,1～5g/L处理加剧红壤酸化,10 g/L处理则增加土壤pH值。【结论】矿化度对土壤酸化和分散作用程度不同是造成红壤水盐运移特征差异的原因,南方红壤区非常规水安全利用需综合考虑矿化度作用下土壤水盐、酸碱环境变化。