生物炭对黑土区土壤水分及其入渗性能的影响

魏永霞 王 鹤 刘 慧 吴 昱

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030； 2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030； 3.东北农业大学理学院， 哈尔滨 150030； 4.黑龙江农垦勘测设计研究院， 哈尔滨 150090； 5.东北林业大学林学院， 哈尔滨 150040)

0 引言

土壤水分入渗是指降水或灌溉水由地表进入土壤的过程，是土壤水分运动中心环节，对地表径流、地表侵蚀、地下水补给、植物根系吸水等均存在重要影响[1-3]。土壤入渗能力直接影响土壤含水率，决定土壤水分有效库容及作物对土壤水分可利用率。由于东北黑土区的地理条件以及黑土入渗能力弱等原因，导致黑土区水资源利用效率低。因此，研究分析黑土区土壤水分入渗规律不仅可以改善土壤结构、增加水资源利用效率，还可为农业生产发展提供理论依据和技术指导[4-5]。

生物炭是由植物生物质在高温缺氧或无氧状况下裂解炭化而成的一种高度芳香化的难熔性物质[6]，具有巨大比表面积、高度发达孔隙结构及较强离子吸附交换能力[7]。已有研究发现，施用生物炭可改善土壤理化性质、结构性质以及蓄水持水能力等[8-9]，土壤中添加生物炭后可增加土壤孔隙度、降低土壤容重[10]、增加土壤团聚体数量及其稳定性[11]、提高土壤入渗能力及持水性[12]等。国内外学者在添加生物炭对土壤水分入渗的影响方面进行了大量的研究。TRYON[13]在研究中发现，生物炭改善了土壤结构，使沙土土壤的有效水含量增加，但黏质土壤的有效水含量减少；齐瑞鹏等[14]通过土柱试验发现，生物炭明显降低了沙土的入渗能力，却增强了塿土的入渗能力；王艳阳等[15]发现，生物炭-土壤的双层结构不仅增加了上层土壤蓄水能力，而且对下层土壤的持水性能也显著提高；岑睿等[16]发现，粘土中施加生物炭量30 t/hm2时，施用层(0～40 cm)土壤入渗速率增加44.6%、含水率增加8.9%、累积入渗量增加45.45%。刘易等[17]研究认为，生物炭的施炭量不同，对不同程度盐渍化土壤的入渗速率、累积入渗量不同，中盐渍化土壤施加生物炭后促进了土壤入渗，重盐渍化土壤中对水分入渗却是抑制作用。上述研究结果可看出，不同质地土壤中添加生物炭对土壤入渗的影响差异较大，这与生物炭对不同土壤性能改变不同有关[18-19]。

目前，东北黑土区对土壤水分改良措施研究多集中于地膜、秸秆覆盖等方面，而针对生物炭对土壤水分改良的研究相对较少，对施用生物炭后土壤水分入渗过程及入渗模型的研究更为少见。本文在仅施加一次生物炭、施炭量为0、75 t/hm2的条件下，采用室内一维垂直定水头法与室外径流小区相结合，研究3年土壤水分动态变化和土壤累积入渗量、入渗速率、湿润锋运移距离等入渗特征指标，分析施炭后土壤水分变化及其入渗规律，对比评价Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型3种入渗模型的适用性。旨在揭示黑土区施加生物炭后连续多年土壤水分入渗规律，为该区农业水土资源高效可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于北纬45°43′09″，东经126°36′35″的黑龙江省水利科学研究院综合试验基地，该试验区属温带大陆性季风气候，多年平均气温3.1℃，无霜期130～140 d，多年平均水面蒸发量796 mm，耕地土壤多以黑土为主，入渗能力较弱，年平均降水量介于400～650 mm，7—9月降雨量占全年降雨总量的70%以上。该区主要粮食作物为大豆和玉米。

1.2 试验材料

供试生物炭购于辽宁金和福开发有限公司，采用玉米秸秆在450℃无氧条件下烧制而成，粒径为1.5～2.0 mm，全碳质量分数70.38%，全氮质量分数1.53%，全磷质量分数0.73%，全钾质量分数1.66%，灰分质量分数31.8%，pH值为9.36。供试大豆品种为黑河3号。供试土壤为壤土，有效磷(P2O5)质量比为16.9 mg/kg，铵态氮(N)质量比为100.9 mg/kg，速效钾(K2O)质量比为280.1 mg/kg，干容重为1.22 g/cm3，0～80 cm土层平均田间持水率为29.4%。

1.3 试验设计

野外试验在黑龙江省水利科学研究院综合试验基地径流小区进行，小区规格为2 m×5 m，分别设置施加生物炭(BC组)和不施加生物炭(CK组)处理，生物炭施用量根据前期试验成果选择施用增产效果较好的75 t/hm2[20]，每个小区重复3次，共计6个小区。生物炭仅在2016年施入耕层(0～20 cm)，2017、2018年不再施加，径流小区采用相同的施肥方案，化肥施用量与当地农民习惯施加水平一致并以底肥形式一次性施入。室内采用土柱试验测定土壤水分入渗过程，土样为大豆成熟期的耕层(0～20 cm)土，在自然状态下风干后剔除杂草杂物，研磨过2 mm筛后待用。

1.4 观测指标与方法

1.4.1土壤含水率

采用干燥法测定大豆各个生育期末(苗期、分枝期、开花-结荚期、鼓粒期)0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm不同土层的土壤含水率，分析土壤水分的动态变化。

极值比Ka和变异系数Cv可表征施生物炭后土壤含水率的变异程度，Ka计算式为

(1)

式中Xmax——土壤含水率的最大值，cm3/cm3

Xmin——土壤含水率的最小值，cm3/cm3

1.4.2土壤水分入渗性能参数

采用垂直入渗试验测定土壤水分入渗过程，试验土样取自各年大豆成熟期，严格按照田间径流耕层土壤容重配比土柱用土，试验装置为内径10 cm、高80 cm的有机玻璃土柱，每年设置CK组和BC组两个处理，3次重复，每年共计6个土柱。装土时，用凡士林涂满有机玻璃筒壁，然后装土并将土柱内壁边缘土壤压实保证无边缘效应，装土至60 cm。试验过程中，利用马氏瓶定水头供水，维持土面5 cm的积水深度，分时间段记录马氏瓶水位变化和湿润锋下移位置。0～5 min每30 s记录1次，5～15 min每1 min记录1次，15～30 min每3 min记录1次，30～60 min每5 min记录1次，60～120 min每10 min记录1次，120 min后每30 min记录1次，当湿润锋到达40 cm停止试验记录。

每次在土柱上选取6个方向分别读取湿润锋距离，将读取的6个湿润锋点数据取平均值作为最终湿润锋距离；采用0～5 min土壤入渗速率均值作为初始入渗速率；采用各时刻土壤入渗量之和作为土壤累积入渗量；每年最终数据取3次重复的平均值。

分别选取Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型3个入渗模型对土壤入渗速率和入渗时间的关系进行拟合，分别为：

Philip模型

f(t)=0.5st-0.5+fc

(2)

式中f(t)——土壤入渗速率，mm/min

fc——土壤稳定入渗速率，mm/min

t——时间，mins——模型参数

Kostiakov模型

f(t)=atb

(3)

式中a——模型参数，代表土壤水分入渗开始第1时段的平均入渗速率，mm/min

b——模型参数，表示土壤水分入渗速率随时间变化的快慢程度

Horton模型

f(t)=fc+(f1-fc)e-kt

(4)

式中f1——土壤初始入渗速率，mm/min

k——衰减指数

1.5 数据处理方法

采用Excel 2010和Origin 9.0软件进行基本数据处理、绘图，利用SPSS 19.0进行拟合度检验和显著性分析，采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)和多重比较中最小显著性差异法(LSD)比较各土壤入渗速率差异，显著性水平为0.05，应用Matlab 2016软件进行土壤水分入渗的拟合。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤含水率的影响

2.1.1对土壤含水率动态的影响

2016年施加生物炭后，2016—2018年大豆各生育期土壤含水率在土壤剖面的动态变化如图1所示。每个生育期内3年各处理土壤含水率随土层深度变化趋势一致，苗期土壤含水率均呈“下降-上升-再下降”趋势；分枝期变化情况与苗期相反，表现为“上升-下降-再上升”，这是因为降雨后前期水分保留在土壤中，当阳光直射于土壤表层时土壤含水率会减小，表层土壤含水率就会小于20 cm土层土壤含水率；开花-结荚期和鼓粒期土壤含水率在土壤剖面变化也呈“上升-下降-再上升”趋势，但与分枝期不同之处在于20～60 cm土层含水率一直是减小的状态，土层深度达60 cm后土壤含水率又开始再次增加。

3年土壤含水率分布在22%～32%范围内，各年由于降雨蒸发情况不尽相同，各含水率之间存在差异，但在不同年份BC组土壤含水率均高于CK组。同一年中施炭处理与不施炭处理土壤含水率在耕层差异最大，苗期2016年耕层土壤含水率增长率为14.54%，2017、2018年分别为11.48%和7.08%；分枝期2016、2017、2018年土壤含水率增加率分别为8.46%、6.90%和4.97%；开花-结荚期增长率分别为8.32%、5.99%和4.69%；鼓粒期土壤含水率的增长率分别为4.27%、4.05%和1.76%。图1中土壤含水率动态曲线随土层深度增加，同一年的BC组和CK组曲线间距越来越小，表明土壤含水率的差异在逐渐减小，60～80 cm土层3年各处理的土壤含水率差异不显著，主要是由于生物炭仅施加在土壤的耕层，对深层土壤水分影响不明显所致。同时可看出各生育期土壤含水率增加量随着施炭后年限的延长而减小，主要是由于生物炭仅在第1年施加，后续试验年中生物炭有少量已发生降解，对土壤水分已不再产生效果。

2.1.2土壤含水率在土壤垂直剖面的变异程度

分析土壤含水率的变异性可充分了解其变异程度，通常同一年的施炭处理和不施炭处理之间变异程度越大说明生物炭对增加土壤含水率的效果越好，本文采用极值比Ka和变异系数Cv表示土壤含水率的变异程度，Ka和Cv越小说明土壤含水率变异程度越小，变异性分析见表1。

相同处理Ka和Cv随着土层深度增加总体上呈减小趋势，这主要是由于耕层土受外界环境影响比较大，随土壤深度增加土壤受外界影响逐渐减弱，故土层越深土壤含水率变异程度越小。相同年份同一土层深度，施炭处理的Ka和Cv比不施炭处理的明显减小，说明施炭处理的土壤含水率变异程度明显减小，即施炭处理与不施炭处理之间变异程度增大，生物炭对增加土壤含水率有良好的效果。不同年份，施炭处理在2016年10～20 cm土层Ka和Cv减小幅度最大，并且施炭处理土壤含水率Ka和Cv的减小幅度随土层增加、施炭年限延长而减弱，这可能与生物炭2016年施加于土壤耕层且2017、2018年两年未再施加，增强了施炭当年耕层土壤保水持水能力有关。综上，生物炭具有良好的提高土壤持水性的能力，且土壤持水性的提高随施炭年限增加而减弱。

表1 土壤含水率在土壤剖面的变异程度Tab.1 Variation degree of soil water content in soil profile

2.2 生物炭对土壤水分入渗性能的影响

2.2.1对土壤累积入渗量的影响

土壤入渗过程达到稳定入渗后可用稳定入渗率来表征土壤入渗能力，但未达到稳定入渗之前通常用累积入渗量来表征土壤入渗能力[12]，累积入渗量指一定时间段内单位表面积入渗到土壤的水分总和[21]。从图2可看出，在0～5 min范围内各年不同处理土壤累积入渗量变化差异不显著。随时间推移5～60 min土壤入渗过程中土壤累积入渗量增加迅速，施炭处理(BC组)与未施炭处理(CK组)土壤累积入渗量差异逐渐显现，且随施炭年限的增加不论BC组还是CK组累积入渗量均减小。年份相同时，施炭处理的累积入渗量曲线明显在不施炭处理之上，即BC组累积入渗量明显多于CK组；年份不同时，随施炭年限增加施炭处理累积入渗量的增长率逐渐减小，2016、2017、2018年BC组与CK组相比累积入渗量分别增长了143.85%、128.99%和114.03%。土壤入渗大于60 min后，各土壤累积入渗曲线达稳定入渗阶段，累积入渗量随时间均匀增长，同一年中BC组累积入渗量高于CK组，不同年份随施炭年限增加累积入渗量减小，这主要因为生物炭的添加有利于形成较大的孔隙度和比表面积，减小土壤容重，土壤容重又与土壤入渗性能负相关，土壤容重减小，土壤入渗能力增强，说明施用生物炭可以明显增大土壤累积入渗量，增强土壤入渗能力，且入渗能力的增强效果随生物炭施加年限的增加而减弱。

图2 各处理土壤累积入渗量随时间的变化曲线Fig.2 Variation curves of soil cumulative infiltration in each treatment with time

采用幂函数I=ctd对3年土壤累积入渗量进行拟合，I为土壤累积入渗量，c为入渗系数，d为入渗指数，拟合结果见表2，R2均不小于0.991，说明单次施用生物炭后连续3年土壤累积入渗量与时间均具有较好的幂函数关系。各年施炭处理的入渗系数和入渗指数较不施炭处理均有所增加。经检验各年BC组的F值均大于CK组，说明施炭处理与不施炭处理之间土壤累积入渗量的差异明显，表示生物炭可以增加土壤累积入渗量，提高土壤入渗性能。

表2 各处理土壤累积入渗量随时间变化过程的拟合结果Tab.2 Fitting results of each treatment of soil cumulative infiltration with time

2.2.2对土壤入渗速率的影响

土壤入渗速率也是表征土壤入渗能力的重要指标之一。从图3可看出，开始5 min内土壤入渗速率迅速减小，5～60 min随着入渗时间的增加土壤入渗速率逐渐减小且变化趋势趋于平缓，60 min后土壤入渗速率变化不明显，接近稳定状态，即入渗时间在60 min左右时认为达到稳定入渗速率。同一入渗时刻，施加生物炭处理的土壤入渗速率明显高于未施炭处理，且随施炭年限增加同一时刻的土壤入渗速率有所下降，就t=20 min而言，施炭组(BC组)的3年土壤入渗速率在该时刻由大到小为2016年、2017年、2018年，各土壤入渗速率分别为6.87、5.72、4.41 mm/min。未施炭组(CK组)土壤入渗速率3年内相差不大，同时5～60 min内入渗速率随生物炭施加年限的增加而变小，这可能与径流小区3年种植同一种作物(大豆)使土壤板结有关。

图3 各处理土壤入渗速率随时间的变化曲线Fig.3 Changing curves of soil infiltration rate with time

各处理的土壤初始入渗速率(f1)、稳定入渗速率(fc)以及150 min的平均入渗速率变化情况如表3所示。土壤初始入渗速率BC组较CK组显著增加，2016、2017、2018年f1分别增加了70.48%、58.98%和48.41%，说明土壤中施用生物炭可以改变土壤初始入渗速率，使其增加显著，且增加程度随施炭年限的延长而减弱。土壤稳定入渗速率是一个极为重要的判断土壤入渗性能的指标之一，3年fc由大到小依次为2016年BC(1.65 mm/min)、2017年BC(1.22 mm/min)、2018年BC(1.17 mm/min)、2016年CK(0.46 mm/min)、2017年CK(0.43 mm/min)、2018年CK(0.38 mm/min)，可知3年BC组fc均高于CK组，表明生物炭施入土壤后显著提高了土壤的入渗性能，虽然提高效果随施炭年限增加而减弱，但对fc依然是促进作用，说明生物炭对土壤入渗性能的改善作用很强。土壤平均入渗速率在施加生物炭后的变化趋势同f1、fc一致，土壤各入渗速率的主要影响因子是土壤结构性质、土壤初始含水率和土壤的地貌特征。由于生物炭自身具有孔隙度大、比表面积大、吸附性强的特点，施入土壤后，使土壤容重降低、孔隙度增大，更易于形成水稳性团聚体，使土壤水分在入渗过程中入渗速度加快，促进地表水分快速进入土壤，对黑土区夏季暴雨频发导致的耕地侵蚀、水土流失等现象也有所改善。

表3 各处理土壤水分入渗特性Tab.3 Soil moisture infiltration characteristics in each treatment mm/min

注：同列不同小写字母表示同一年各处理差异显著(P<0.05)，下同。

2.2.3对湿润锋运移的影响

土壤水分入渗过程中，可从上到下将土壤水剖面分为饱和层、延伸层、湿润层和湿润锋，湿润区前端与干土层形成的明显交界面称作湿润锋[22]，湿润锋可表征水分在土壤基质吸力和重力作用下的运动特征。施用生物对湿润锋运移有明显影响(图4)，沿土层深度的垂直方向上各处理湿润锋均随入渗时间增加而向下运移。在入渗初期(前5 min)各处理湿润锋之间差异不明显；5～30 min湿润锋运移距离随入渗时间增加而迅速增加，t=20 min时，2016、2017、2018年施炭组湿润锋运移距离分别为14.74、12.94、8.81 cm，较同年未施炭组分别增加了106.44%、96.75%和80.11%，说明生物炭施入土壤后大幅度增强了土壤水垂直下渗能力，促进了湿润锋的运移；随入渗时间继续延长(30～60 min)，各湿润锋变化趋于平缓，60 min后湿润锋运移距离开始稳步增长；当入渗时间达到150 min时，3年6个处理的湿润锋最终运移距离分别为14.33、32.24、13.12、30.27、10.35、26.94 cm，施用生物炭可以很大程度增加土壤水分的入渗、促进湿润锋的运移，并且施炭后在2016、2017、2018年湿润锋运移距离大体上呈现减小状态，说明生物炭可以更易于土壤水垂直向下入渗到更深土层供给作物生长发育，而且单次施用生物炭后连续3年中这种趋势逐渐减弱，但对提高入渗能力的作用依然很显著。

图4 各处理湿润锋运移距离随时间的变化曲线Fig.4 Changing curves of humid peak migration distance of each treatment with time

为进一步探究单次施用生物炭后连续3年内各处理湿润锋运移距离与入渗时间的关系，采用幂函数L=et3+ft2+gt+h(e≠0,f、g、h为常数)对其进行拟合，L为湿润锋运移距离，拟合结果见表4。决定系数R2在0.963～0.998范围内，表明3年6个处理的湿润锋运移距离与时间具有较好的三次函数关系。经检验同一年中F值在施炭小区大于不施炭小区，F值越大说明施炭处理与不施炭处理湿润锋运移距离之间的差异越明显，表明生物炭很明显地增加了土壤累积入渗量、入渗速率，提高了土壤入渗性能，促进了湿润锋的运移；并且F值在生物炭施用当年数值明显高于其他两年，各处理F值随年份延长迅速减小，2017年与2018年相同处理F值较为接近，说明生物炭对湿润锋运移的促进效果在施用当年最为明显而后逐年减弱。

表4 各处理湿润锋运移距离随时间变化的拟合结果Tab.4 Fitting result of each treatment of humid peak migration distance with time

2.2.43种入渗模型的模拟结果分析

为进一步探究各年各处理土壤入渗速率与时间变化的关系以及各入渗模型在黑土区的适用性，将入渗速率随时间变化的数据利用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型3个常用的入渗模型进行拟合，拟合结果如表5所示。决定系数R2的取值范围为[0,1]，R2越接近1，表明方程变量对土壤入渗速率的解释能力越强，这一模型对已有数据的拟合程度也就越好；均方根RMSE越趋近于0，说明所选模型的拟合度越佳。Philip模型的R2在0.929～0.968之间，RMSE在1.202～2.225 mm/min之间，表明Philip模型对土壤入渗速率随时间关系的拟合程度较好，反映土壤水分入渗能力的吸湿率s越大代表土壤水分入渗能力越强，施炭组的s由大到小依次为2016年、2017年、2018年，这与实际土壤水分入渗能力相一致，但Philip模型拟合的稳定入渗速率fc在-1.463～-1.178 mm/min范围内，与实际的fc正负相反，且各CK组fc值与真实值相差较多，说明Philip模型不适用于本试验研究。Kostiakov模型的R2都不小于0.946，RMSE在0.516～1.941 mm/min范围内，表示该模型对于土壤入渗速率随时间变化的拟合度良好。Horton模型的R2在0.842～0.924之间，RMSE各处理均大于2 mm/min，同时模型拟合的fc过高，不符合稳定入渗速率真实物理意义，所以Horton模型不适用于拟合本研究土壤入渗速率。故Kostiakov模型最为适合于分析黑土区单次施用生物炭后连续多年土壤水分入渗的过程。

表5 各处理3种土壤水分入渗模型拟合结果Tab.5 Fitting results of three kinds of soil moisture infiltration models

参数a代表土壤水分入渗开始第1时段的平均入渗速率，第1时段平均入渗速率越大土壤入渗性能越好；参数b表示土壤水分入渗速率随时间变化的快慢程度，参数b越大土壤水分入渗速率随时间增加递减越快[23]。Kostiakov模型拟合得到的参数a和b在各年施用生物炭后均有所增加，3年拟合参数a分别为10.58、20.29、9.93、18.23、9.39、16.80 mm/min，参数a在2016—2018年各自增加了9.71、8.30、7.41 mm/min，增加率分别为91.78%、83.59%和78.91%；BC组拟合参数b与CK组相比2016—2018年分别增大了0.138、0.195和0.155，增长率为22.77%、31.97%和23.52%，说明施炭后参数a代表的第1时段平均入渗速率的增加幅度明显高达90%以上，且随着施炭年限增加平均入渗速率的增加率减小，施炭后参数b表示的入渗速率随时间增加递减加快，但加快幅度仅为第1时段平均入渗速率增加幅度的1/3，且与生物炭施用年限关系并无明显差异。

3 讨论

土壤水是地表水和地下水的纽带，是植物生长的必要水源，土壤水分相对充足对作物生长利大于弊，本研究结果表明在单次施加生物炭后连续3年中，施炭小区各个生育期不同土层土壤含水率明显增加，高于未施炭小区，与CASTELLINI等[24]研究结果一致，本研究3年土壤含水率分布在22%～32%范围内，施炭后土壤含水率的增加率为1.76%～14.54%，土壤含水率在施用生物炭当年增加量最大，土壤含水率增加量随着施炭后年限的增长而减小，各土层土壤含水率增长随土层增加而减少，60～80 cm土层各处理的土壤含水率差异不明显。3年施炭处理土壤含水率的变化幅度Ka和变异系数Cv均减小，且变异性的减弱程度也随生物炭施用年限增加而变小，说明生物炭可明显增加土壤水分，这主要是生物炭施入土壤后，由于自身具有较大比表面积、多孔结构、亲水性、吸附力大等特点，通过改善土壤理化性质将更多水分留在土壤中，与相关研究结果[25-26]一致。土壤含水率增加主要因素为生物炭，次要因素为施炭年限和土层深度；仅一次施用生物炭对土壤含水率的影响程度逐年减弱、随土层深度增加而减小。土壤含水率随土层深度的变化主要是耕层土受外界环境影响较大，随土层深度增加土壤受外界影响逐渐减弱，与勾芒芒等[27]所述一致。

土壤水分入渗过程各处理土壤水分的累积入渗量、入渗速率、湿润锋曲线均呈先陡峭后平缓的趋势，且随施炭年限增加各年BC组曲线呈下降态势。土壤入渗5～30 min曲线变化明显，可能是土壤水分含量少、基质势较大、生物炭中含有较多亲水官能团，使入渗早期土壤吸水速度快，土壤水分变化大，与刘易等[17]结果相同；随着土壤水分继续入渗，土壤水分含量增多、基质势减小，土壤入渗速率减小且减少程度逐渐减弱[16]，在累积入渗量、入渗速率、湿润锋进程曲线图上变化逐渐趋于平缓，同文献[15,28]研究结论一致。在施用生物炭情况下，土壤团聚体含量增加、孔隙度增大，增加有效孔隙和过水横断面积，促进水分流通通道形成，减弱水分流动的复杂程度，使得土壤累积入渗量增多、入渗速率增大、湿润锋进程加快。入渗能力随施用生物炭年限逐年减弱，可能是因为施炭后BC组随年限增加土壤中小颗粒所占比例逐渐增多，大孔隙减少，使土壤进一步紧实，从而降低了土壤水分入渗的性能，与谭帅等[29]研究结果相符。因此施用生物炭增大了土壤的通透性，促进了土壤水分的入渗，且入渗能力的促进作用随施用生物炭年限的增加而减弱。

本研究中Philip模型拟合的fc与实际土壤入渗的fc正负相反，不符合实际施加生物炭后土壤稳定入渗速率的变化趋势，与实际结果有出入，故该模型拟合欠佳。Horton模型R2相对较小、RMSE均大于2 mm/min，同时此模型拟合的fc过高，不符合稳定入渗速率真实物理意义，所以Horton模型对于拟合黑土区施加生物炭后土壤水分入渗过程有一定缺陷，同样不适合于本研究数据的拟合。Kostiakov模型各处理R2最高(0.946～0.991)、RMSE最小(0.516～1.941 mm/min)，并且没有出现拟合参数与实际情况不符的现象，所以在本研究中Kostiakov模型拟合土壤入渗过程最优，这与文献[16,30-31]在土壤水分入渗模型的研究中得出的结果一致。综上Kostiakov模型较好拟合黑土区生物炭添加条件下土壤水分的入渗过程，对该区土壤入渗适用性优。

本研究取径流小区土壤在室内一维垂直土柱中进行的入渗试验，没有考虑大田的自然土壤水蒸散发、日照、湿度、温度、风速等土壤地理环境，也没有考虑土壤水平发生的入渗，故有待增加大田试验考虑多重因素后进一步分析，获得更为精准的生物炭施用后连续多年对土壤入渗性能的调节作用。

4 结论

(1)黑土区施加生物炭可有效提高土壤含水率，且持续效应明显，土壤含水率增长率随生物炭施用年限的增加而减小。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%。生物炭施入土壤后可减小土壤含水率的极值比Ka和变异系数Cv，提高土壤持水保水性，且施炭年限越长，其效果越弱。

(2)生物炭可明显提高土壤入渗能力，增加土壤累积入渗量和入渗速率，且增加效果随施用年限增加而减弱，土壤累积入渗量与时间具有良好的幂函数关系。施炭后各年份累积入渗量由大到小依次为2016年、2017年、2018年，2016—2018年初始入渗速率分别增加了70.48%、58.98%和48.41%，3年土壤fc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)、2018年CK处理(0.38 mm/min)。

(3)生物炭可促进湿润锋的运移，对湿润锋运移的促进效果随施炭年限延长而逐渐减弱，且湿润锋距离与时间呈三次函数关系，R2在0.963～0.998之间。2016—2018年中，2016年BC处理湿润锋运移距离最深，达32.24 mm，2017、2018年BC处理湿润锋运移距离逐渐减小，分别为30.27 mm和26.94 mm。

(4)Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型中，Kostiakov模型可较好地模拟本研究的土壤水分入渗过程，其R2最高(0.946～0.991)、RMSE最小(0.516～1.941 mm/min)，由该模型拟合的各年的参数a值表明，施加生物炭使第1时段平均速率明显增加，与研究结果相符。