生物炭用量對黃土地水土保持的影響

摘 要：為了研究生物炭不同用量對黃土地水土保持的影響。本研究采用模擬降水試驗分析在黃土中添加不同比例（質量比為2%、4%、6%和8%）生物炭時，黃土地的地表徑流總量、徑流持續(xù)時間以及土壤流失總量等關鍵參數(shù)的變化規(guī)律。結果表明，與未添加生物炭的黃土相比，添加生物炭后的試驗組平均徑流時段呈現(xiàn)延長趨勢。當生物炭用量較低（2%和4%）時，生物炭的添加使總侵蝕量減少，總體上抑制了土壤流失，而當生物炭用量較高（6%和8%）時，則促進了土壤流失。土壤總流失量隨生物炭用量的增加而增加。添加生物炭可增加gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量。生物炭用量對gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量影響不大小。

關鍵詞：生物炭；徑流；土壤流失；水穩(wěn)性團聚體；飽和導水率

中圖分類號：S 152" " " 文獻標志碼：A

在農業(yè)用地中，表層土壤侵蝕的程度明顯高于土壤的形成，世界上90%的農業(yè)用地都遭受了不同程度的土壤侵蝕[1]。嚴重的土壤侵蝕加劇了可用水和富含營養(yǎng)物質的土壤成分流失，同時污染了地表水道，惡化了土壤質量，導致土壤退化，最終降低了農業(yè)和環(huán)境生產力。因此，實施各種措施對水土保持和保持農業(yè)用地的發(fā)展至關重要[2]。

生物炭是在部分或完全缺氧的情況下，利用植物生物質的熱分解而生產的有機材料?；谄湓诟纳仆恋赝嘶⒏缓己铜h(huán)保方面的潛力，本研究探討了生物炭施用量對黃土侵蝕特性改進的作用，并量化了不同生物炭添加量對徑流時間和土壤流失量變化的效應。本研究對水穩(wěn)性團聚體含量及飽和導水率進行深入探究，進一步闡明了生物炭施用量與土壤侵蝕控制機制之間的內在聯(lián)系。

1 材料與方法

1.1 土壤和生物炭

本研究以栽培黃土為研究對象，從耕地表層0cm～22cm處收集土壤，對土壤進行風干粉碎并充分混合。

生物炭來自當?shù)匦藜籼O果的廢棄樹枝，在大約550℃的溫度下對樹枝進行熱解，就可以獲得生物炭。土壤和生物炭的基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

為了模擬實際情況，本文將生物炭與土壤細致混勻，形成均質混合物，并以類似自然耕作層的體積密度將混合物平整填充至試驗箱內。該程序在一定程度上保證了土壤和生物炭的人工處理接近自然土壤條件和土地管理，所得結果可為生物炭在田間實際應用提供基礎支撐。

將生物炭以2%、4%、6%和8%的4種用量下混合到土壤中。這些用量是基于之前在農田土壤中施用生物炭的研究，這些研究顯示添加生物炭后對作物的理化性質和生長有有益的影響。以不添加生物炭的土壤為作為對照組。

干燥和篩過的土壤與生物炭以指定的施用量徹底混合。將混合物在塑料桶中培養(yǎng)，塑料桶中水量約為20%。塑料桶蓋上蓋子避免蒸發(fā)，在試驗室放置8個月。培養(yǎng)后，將添加生物炭的土壤調整到約10%的含水量（包括對照組），然后將對照組和土壤生物炭混合物放入試驗田。

本研究使用尺寸為長1.2m×寬1m×深0.3m的帶孔鋼槽，坡度從0°～60°可調。用鋼板將鋼槽平均分為2個部分，分別為長1.2m×寬0.5m×深0.3m。每個部分的下邊緣都安裝了一個漏斗出口，以收集徑流和沉積物樣本。本次模擬降雨的強度為100mm/h，坡度為12°。

1.3 土壤地塊準備

將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厚的土層均勻填入試驗田，總深度為22cm。為了減少層與層之間的不連續(xù)，在填入下一層土壤前，每一土層的表面都要輕輕劃開。將頂部表層磨平，以盡量減少微觀地形的影響。土壤容重約為1.26g/cm3，大致相當于研究區(qū)坡耕地自然條件下的土壤耕作層。將準備好的樣地置于降雨模擬器下，以12°的坡度進行降雨試驗。

1.4 降雨模擬

本研究中使用的降雨模擬器由恒定供水速率的水泵和降雨發(fā)生器組成。降雨發(fā)生器位于距離地面4m的高度，由一個水箱（有效降雨面積為1.2m×1.2m）、一個降液器（8號鋼制注射器針頭）和一個針板振動發(fā)生器組成。鋼制注射器針頭從水箱底部伸出，按照方形設計（2cm×2cm）的規(guī)則模式配置。針板通過振動發(fā)生器在水平方向上輕輕振蕩，振動發(fā)生器由電機驅動的偏心輪組成，在不同位置釋放雨滴。模擬雨滴均勻度系數(shù)gt;85%。為消除水質對土壤理化性質的影響，模擬試驗均采用去離子水。

降雨強度設定為100mm/h。模擬降雨一般每隔60min進行一次，每個處理都進行了一次降雨事件。在模擬降雨試驗階段，采用塑料容器收集徑流和沉積物。初始階段，以1min為間隔進行采樣。在降雨的10min～20min，調整為每間隔2min采集一次樣本。隨后改為每間隔3min采集一次樣本。每次降雨事件后，每個塑料容器中收集的樣本都要稱重。將每個樣本中收集的沉積物沉淀24h，然后用虹吸管將水分離出來，放入105℃的烤箱中進行烘干，直到達到恒定質量進行稱重，再通過單位面積徑流量和沉積物產量除以時間來確定每個采樣區(qū)間的徑流量和沉積物產量。

在本研究中，利用濕篩法精確量化了土壤中水穩(wěn)性團聚體的含量。同時，采用恒定水頭滲透試驗技術，以精確獲取各土壤樣品的飽和導水率數(shù)據。

2 結果

2.1 徑流

模擬降雨過程中生物炭用量對徑流時間的影響如圖1所示。由圖1可知，與對照組相比，所有添加生物炭的試驗組徑流時間都有所增加。當生物炭用量為2%時，徑流時間最長，為3.18min。隨著生物炭用量增加，徑流時間縮短。

模擬降雨過程中生物炭用量對總徑流量的影響如圖2所示。由圖2可知，未添加生物炭的地塊的總徑流量達到了42.3kg/m2·h，添加生物炭后，地塊的總徑流量降低，與對照組相比，下降了9.5%～33.3%。由圖2還可以看出，當生物炭用量為2%時的總徑流量最小，當生物炭用量為6%時的總徑流量最大，分別為31.98kg/m2·h和38.92kg/m2·h。

圖3顯示了模擬降雨過程中不同生物炭用量對徑流率的影響。由圖3可知，在首次產生徑流后的15min內，所有試驗組的徑流率均迅速增加，然后達到穩(wěn)定狀態(tài)并保持。與對照相比，在模擬降雨過程中，生物炭的添加降低了徑流率[3-4]。

產生徑流后的15min內各組徑流率差異較小，但在穩(wěn)定狀態(tài)期間，各組的徑流率差異增大。在整個模擬降雨試驗中，生物炭用量為6%的徑流率普遍比生物炭用量2%、4%和8%的徑流率高，生物炭用量為2%時的徑流率最小。

2.2 土壤流失

模擬降雨過程中生物炭用量對總侵蝕量的影響如圖4所示。由圖4可知，土壤的總侵蝕量隨著生物炭用量的增加而增大。在模擬降雨60min后，生物炭用量為8%時的總侵蝕量最大，生物炭用量為2%時的總侵蝕量最小。與對照組相比，當生物炭用量為2%和4%時，總侵蝕量小于對照組；當生物炭用量為6%和8%時，總侵蝕量超過對照組。

分析不同生物炭添加比例對土壤侵蝕速率變動趨勢的影響。結果顯示，各個實驗組的土壤侵蝕速率呈現(xiàn)一致的變化模式。徑流開始的初期階段，土壤侵蝕速率快速攀升，并在徑流形成約7min后到達一個峰值點。此后，土壤侵蝕速率開始穩(wěn)步降低，并且隨著降雨時間的推移，其下降的速率逐漸趨于平緩。與無生物炭的地塊相比，除生物炭添加量為8%以外，其余試驗地塊（生物炭添加量為2%、4%、6%）的土壤侵蝕速率均比無生物炭的地塊低。土壤侵蝕速率隨著生物炭添加量的增加而增大。

2.3 水穩(wěn)性團聚體和飽和導水率

各試驗組的gt;2 mm水穩(wěn)性團聚體和飽和導水率的測試結果見表2。由表2可知，對照組中gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量僅為0.34%，與對照組相比，添加生物炭的土壤中gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量比未添加生物炭的土壤高。然而，對比添加生物炭的試驗組可以看出，生物炭用量對gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量影響不大。在所有添加生物炭的試驗組中，當生物炭用量為8%時，gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量最高，為0.6%。當生物炭用量為4%時，gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量最低，為0.54%。二者之間差異不顯著。

對對照組來說，土壤的飽和導水率僅為0.25m/d，當生物炭用量為2%、4%、6%和8%時，土壤的飽和導水率分別為0.43m/d、0.39m/d、0.31m/d和0.27m/d。結果表明，添加生物炭可以增大土壤的飽和導水率，隨生物炭用量的增加，土壤的飽和導水率呈逐漸減小的趨勢。

3 討論

本研究的數(shù)據表明，生物炭對黃土地水土保持有積極的影響，但是生物炭用量不宜過高，當生物炭添加量為2%時，對黃土地水土保持效果最佳。生物炭對徑流和土壤侵蝕的影響隨著生物炭用量的不同而不同，這是由于生物炭用量會對水穩(wěn)性團聚體和飽和導水率產生影響。結果表明，與對照相比，生物炭能有效促進小顆粒向大顆粒聚集，并提高飽和導水率。隨著生物炭添加比例的增加，土壤的飽和導水率逐漸降低，但gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體的含量無明顯變化。當生物炭用量為6%和8%時，gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量略有增加，同時飽和導水率有所下降，這種負相關的關系表明，gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量隨著生物炭用量的增加并不一定會增加有效孔隙度，因此對添加生物炭土壤的飽和導水率沒有積極影響，同時還會產生更多的徑流?？倧搅鞯脑黾訉η治g量的影響遠大于gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量的增加。在以往的研究中，生物炭用量的增加會增加土壤穩(wěn)定性，因此增加生物炭用量對減少土壤侵蝕有積極影響。此研究與本文結果相反，這是由于以往的研究中土壤的成分主要為顆粒較小的黏土和淤泥，黏土含量越高，越有利于與生物炭的相互作用。本文的研究對象為黃土，其主要成分是顆粒較大的沙和淤泥。粗粒土壤顆粒（沙）對生物炭和其他土壤顆粒的吸附能力比小粒土壤顆粒（黏土）弱。因此，本研究中生物炭用量與土壤侵蝕呈負相關。

4 結語

本研究利用室內模擬降雨試驗，通過測量地表徑流總量、徑流持續(xù)時間以及土壤流失總量等參數(shù)，研究了生物炭用量（2%、4%、6%和8%）對黃土地水土保持的影響。結果表明，與未添加生物炭的地塊相比，添加生物炭可以延長地塊的徑流持續(xù)時間，同時減小地塊的徑流率。生物炭用量為2%時的徑流時間最長，為3.18min。隨著生物炭用量增加，徑流時間縮短。生物炭用量為2%時的徑流率最小，生物炭用量為6%時的徑流率最大，隨著生物炭用量增加，徑流率呈先增大后減小的趨勢。生物炭用量為2%時土壤的總侵蝕量最小。生物炭用量為8%時土壤的總侵蝕量最大，且大于對照組。隨著生物炭用量的增加，總侵蝕量呈逐漸增大的趨勢。土壤侵蝕率也表現(xiàn)出相同的變化趨勢。添加生物炭的土壤中gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量明顯比對照組高。當生物炭用量為8%和4%時，gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量達到最大值和最小值，分別為0.6%和0.54%。因此生物炭用量對gt;2 mm的水穩(wěn)性團聚體含量影響不大。

參考文獻

[1]宋鴿，史東梅，蔣光毅，等.土壤管理措施對坡耕地侵蝕退化耕層的恢復作用[J].中國農業(yè)科學，2021，54（8）：1702-1714.

[2]遲宇博，吳磊，李蕊，等.不同措施黃綿土坡地暴雨侵蝕及磷素流失特點[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2020，39（12）：2833-2843.

[3]鄺曦芝，鄧偉明，唐樂樂，等.不同磷水平配施生物炭對土壤磷有效性和大豆磷吸收的影響[J].應用生態(tài)學報，2022，33（7）：1911-1918.

[4]白珊，倪幸，楊瑗羽.不同原材料生物炭對土壤重金屬Cd、Zn的鈍化作用[J].江蘇農業(yè)學報，2021，37（5）：1199-1205.