生物炭与化肥配施对紫色土坡耕地侵蚀性耕层土壤水分及入渗特性的影响

李鸿， 史东梅， 盘礼东

西南大学 资源环境学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715

三峡库区自然资源丰富, 地势起伏变化较大, 坡耕地成为支撑该区域农业活动和粮食生产的主要方式．受亚热带季风影响, 库区降雨时空分布不均, 暴雨与季节性干旱频繁[1], 加之该区域特色土壤——紫色土具有土层浅薄、母质疏松和易于崩解的特点, 土壤侵蚀现象时有发生[2-3]．人为耕作与土壤侵蚀所形成的双重压力导致库区土壤地表大面积扰动, 植被破坏, 土地疏松裸露, 使坡耕地成为水土流失最为严重的土地类型之一, 其土壤的流失更是致使该区域生态恶化的根本原因之一[4], 严重制约了西南地区农业可持续发展和区域经济社会的高质量发展．

生物炭作为农业生产过程中常用的土壤改良剂, 以其良好的物理结构和生化性质, 在调整土壤结构、提高保水保肥性能等方面起到重要作用[5]．生物炭复杂的孔隙体系和高比表面积的特性, 使其具有较强的吸附性与离子交换能力, 进而表现出不同的环境效应[6-7]．研究表明, 生物炭在掺入土壤后, 可显著降低土壤容质量[8], 增大土壤孔隙度[9], 提升土壤持水能力[8], 抑制土壤胶体剥离[10], 延迟产流产沙时间[11], 在水土流失防治方面具有良好效益[6-7]．尽管大量研究证实了生物炭在土壤改良方面发挥了重大作用, 但仅靠单施生物炭难以充分发挥其潜在效益且施用不当可能会适得其反, 存在一定的不稳定性[6, 12], 与化肥配施可以达到既发挥其自身优势又减小化肥输入对环境带来的负面影响的良好效果[13]．此外, 有学者证实, 在总体效益上生物炭虽然起到降低土壤坡面径流和产沙量的作用, 但在耕作条件下却加剧了土壤侵蚀风险[14]．因此, 对生物炭的应用研究不能仅限于单一环境, 应基于土壤侵蚀与人为耕作的综合环境, 探究其农艺价值与改良作用, 这样才更具实际参考意义．

土壤水是农业生产中水土资源相互作用的关键枢纽, 入渗则是地表水转化为土壤水的复杂过程[15]．土壤入渗性能不仅能够直接反映土壤涵养水源的能力, 也是阐明坡耕地产流产沙机制的前提与基础, 对土壤水文过程的探究具有重要意义[3, 16]．鉴于此, 本研究基于不同土壤侵蚀强度的野外模拟试验小区, 设置3种施肥措施, 对比生物炭与化肥配施下土壤水分与入渗性能的变化规律, 模拟土壤水分入渗过程并筛选最佳适宜入渗模型, 同时分析施肥措施与土壤侵蚀强度的综合效益并明确土壤各指标间的相互作用, 从而全面揭示生物炭对土壤水力学特性与水文过程的影响, 为三峡库区紫色土坡耕地生物炭的保水抗蚀应用提供科学依据．

1 材料与方法

1.1 试验区概况

由图1所示, 试验区位于重庆市万州区熊家镇(30°55′10″N, 108°25′51″E), 属三峡库区腹地, 亚热带季风性湿润气候, 夏季炎热多雨, 冬季寒冷湿润, 平均海拔355.5 m, 年均气温17.7°C, 年均降水量1 243 mm, 多集中于5-9月, 年均日照时数1 484.4 h．研究区土壤以中性紫色土为主, 属中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥页岩母质发育, 土壤结构疏松, 抗蚀性差．该区域坡耕地分布广泛, 具有地块小、坡度大、土层浅的显著特点, 农业种植方式以玉米(ZeamaysL.)、油菜(BrassicanapusL.)为主．

审图号: GS(2023)3333号

1.2 铲土侵蚀模拟试验小区建立

试验小区于2018年建立, 试验小区设置控制组(未侵蚀地块)和处理组(不同侵蚀厚度小区), 通过人为铲土法与施肥措施分别反映土壤侵蚀与人为耕作对坡耕地耕层土壤影响的真实情况．首先, 采用人为铲土法模拟自然条件下不同土壤侵蚀强度, 即人为铲去不同厚度的土层, 具体方法与参照公式见文献[17]．试验共设有5个土壤侵蚀强度: 土层侵蚀深度5 cm(S-5), 土层侵蚀深度10 cm(S-10), 土层侵蚀深度15 cm(S-15), 土层侵蚀深度20 cm(S-20)以及未侵蚀小区作为对照(S-0)．试验小区面积均为12 m2(4 m×3 m), 田面坡度15°, 各小区初始土壤理化性质如表1所示．于铲土侵蚀模拟试验小区布设施肥处理, 共设3种施肥措施: 不施肥(CK), 单施化肥(F)和生物炭与化肥配施(BF), 其中CK为空白对照．加之试验小区原有的5个土壤侵蚀强度, 共计15个处理．每个处理设置3次重复, 共计45个小区．

表1 各试验小区初始的土壤理化性质

化肥施用水平参照当地农业实际生产, 以277.5 kg/hm2复合肥(N∶P2O5∶K2O=25∶12∶18)为每年作物总施用量, 每年追加2次尿素(总氮≥46.4%)．同时, 在BF措施小区施肥后向土壤表面均匀撒施15 t/hm2生物炭(原料为水稻秸秆), 经过人工翻耕将化肥与生物炭混入耕层．

1.3 土壤样品采集与测定

选择2019年8月玉米收获前的晴天进行土样采集, 在每个铲土侵蚀小区分别于上、中、下3个坡位, 用100 cm3环刀和铝盒采集原状土样, 并用塑料膜密封, 同时基于五点法在对应每个坡位垂直采集0～20 cm耕层土样, 用四分法剔去多余土壤, 保留约3 kg混合土样带回实验室, 拣出砾石、草根等杂物后于阴凉处自然风干备用．

采用吸管法测定土壤质地(砂粒、粉粒、黏粒)．采用环刀法测定土壤容质量、孔隙度、毛管孔隙度、田间持水量以及饱和含水量．采用烘干法测定土壤自然含水率．采用单环有压入渗法测定并计算土壤的入渗特征参数, 包括初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、40 min累积入渗量以及90 min累积入渗总量[18]．

1.4 土壤水分入渗模型建立

为模拟不同条件下入渗率随时间的变化过程, 国内外专家学者提出了许多土壤水分入渗模型, 主要分为两类: 一类是为经验模型, 模型中参数不代表明确的物理意义, 例如Kostiakov模型; 另一类是物理模型, 如Horton方程和Philip入渗模型, 其参数具有明确的物理意义[19]．选取以上3种常用的入渗模型, 对不同施肥措施与侵蚀强度下的土壤水分入渗过程进行模拟并评价其适用性与准确性．具体公式与参数如下．

Kostiakov模型:

I(t)=at-n

式中:I(t)为入渗率(mm/min);t为入渗时间(min);a,n为模型参数．

Horton模型:

I(t)=If+(Ii-If)e-ct

式中:If为稳定入渗率(mm/min);Ii为初始入渗率(mm/min);c为模型参数．

Philip模型:

I(t)=A+bt-0.5

式中:A为稳定入渗率(mm/min);b为模型参数．

1.5 数据分析

基于SPSS 20.0, 利用K-S检验对样本进行正态分布检验后, 进行单因素方差分析与统计分析, 采用Excel 2016进行数据整理、作图．同时, 以不同施肥措施与土壤侵蚀强度为环境因素, 土壤结构、水分特征以及入渗参数为研究对象, 采用Canoco 5.0进行冗余分析(Redundancy Analysis, RDA)并绘制相应图表．

2 结果与分析

2.1 施肥措施与侵蚀强度下耕层物理性能变化

整体而言, 在不同施肥措施与侵蚀强度下耕层均以粉粒占比最高．在CK措施下, 耕层土壤粉粒占比最高, 其次为黏粒, 砂粒所占比例相对较低; 而在F措施下, 耕层砂粒占比升高, 黏粒占比下降, 占比从大到小依次为: 粉粒、砂粒、黏粒．值得注意的是, BF措施下耕层粉粒占比在3种措施中最高, 较CK与F分别提高了3.73%, 8.43%, 其次为黏粒, 砂粒占比最低．此外, 随着侵蚀强度的增加, 耕层土壤黏粒占比逐渐上升, 粉粒则逐渐下降(图2)．

图2 施肥措施与侵蚀强度对耕层质地的影响

在不同施肥措施的作用下, 土壤容质量与毛管孔隙度呈现相反的变化规律: 与CK相比, F与BF耕层土壤容质量分别下降1.70%,4.56%, CK与BF间差异有统计学意义(p<0.05); 而毛管孔隙度在BF措施下达到最大值, 相比CK显著提升了13.84%, 不同施肥措施对土壤总孔隙度影响不显著．随着侵蚀强度的加剧, 耕层容质量总体呈现上升趋势, 表现为S-0,S-5

不同字母表示Duncan比较在0.05水平差异有统计学意义, 下同．

2.2 施肥措施与侵蚀强度对耕层水分的影响

由图4可知, 不同施肥措施对耕层田间持水量与饱和含水量的影响不显著, 仅对于自然含水率作用明显(p<0.05): 与CK相比, F与BF措施下耕层土壤自然含水率显著提高了30.47%与45.33%．与之相同的是, 不同侵蚀强度也仅对土壤自然含水率有显著作用, 主要表现为随着土壤侵蚀强度的增加, 含水量逐步降低, 表现为S-0>S-5>S-10>S-15>S-20, 其中与S-0相比, S-20下耕层自然含水率显著降低了33.22%(p<0.05)．

2.3 施肥措施与侵蚀强度下耕层水分入渗规律

相较于侵蚀强度, 不同施肥措施对耕层水分入渗的影响更为显著．由图5可知, 在不同施肥措施下, 耕层稳定入渗率发生变化, 从大到小依次为: CK , F , BF．其中, 与CK相比, BF措施下耕层稳定入渗率显著下降了47.20%(p<0.05)．初始入渗率、平均入渗率、40 min累积入渗量与90 min累积入渗总量也随着不同施肥措施与侵蚀强度总体呈现下降趋势, 但处理间差异无统计学意义(p>0.05)．

2.4 施肥模式与侵蚀强度下耕层入渗过程模拟

3种入渗模型对施肥模式与侵蚀强度下耕层水分入渗过程的拟合效果存在一定差异(表2)．在不同施肥模式下, 3种模型R2拟合度均达0.800以上, 平均拟合度从大到小依次为: Kostiakov模型(0.948)、Horton模型(0.944)、Philip模型(0.884), 其中Horton模型拟合结果显示, 拟合If(稳定入渗率)分别为3.406(CK), 0.665(F), 2.403(BF)mm/min, 与实际测定值2.902(CK), 2.279(F), 1.472(BF)mm/min相差较大, 而Philip模型中A(稳定入渗率)与实际值相差较小, 差幅分别在0.214(CK), 0.220(F), 0.370(BF) mm/min, 说明Philip模型拟合效果更佳．

在不同侵蚀强度下, 基于模型拟合度R2分析, S-0, S-5, S-15强度以Horton模型R2拟合度最高, 而在S-10, S-20强度下3种模型拟合均较好,R2均达0.92以上(表3)．与稳定入渗率实际测定值(1.870～2.585 mm/min)相比, S-0, S-10, S-15在Horton模型下If拟合更为接近, 差幅分别在0.001, 0.764,0.775 mm/min; S-20则在Philip模型下拟合值A预测更为准确, 仅相差0.092 mm/min; 在S-5强度下Horton与Philip模型均能达到较好预测效果, 差值分别为0.655,0.442 mm/min, 但Horton模型拟合度R2(0.918)远高于Philip模型(0.794)．

图4 施肥措施与侵蚀强度对耕层水分的影响

表2 施肥模式下耕层入渗模拟方程

表3 侵蚀强度下耕层入渗模拟方程

图5 施肥措施与侵蚀强度对耕层水分入渗的影响

2.5 施肥措施与侵蚀强度下耕层物理性能与水分入渗特征的冗余分析

以耕层物理性能与水分入渗特征为物种因子, 对不同施肥措施与侵蚀强度作冗余分析, 进一步揭示作用因子的影响以及各指标间的相互作用．结果显示, 轴1(54.92%)与轴2(12.14%)共解释关系总变异的67.06%, 说明排序效果良好．主成分1将侵蚀强度 ≥ 15的样本划分至一、二象限, 而侵蚀强度<15主要划至三、四象限．同时, 通过蒙特卡罗p值检验发现, BF, S-20, F, CK, S-15是引起耕层物理性能与水分入渗特征发生变化的主要因素(p<0.05)．与侵蚀强度相比, 不同施肥措施对各因子的作用更为显著, 3种施肥措施对各因子影响均有统计学意义, 从大到小依次为: BF, B , CK; 而不同侵蚀强度下仅S-20与S-15影响显著, 且影响水平随侵蚀强度的增大而增大．除此之外, 各环境因子对总变异的解释度与贡献度占比也以施肥措施更高, 施肥措施总解释度与贡献度分别为60.3%与80.2%, 而侵蚀强度仅为22.8%与30.3%, 其中BF的解释度(35.9%)与贡献度(47.8%)占比最高(表4)．

表4 施肥措施与侵蚀强度作用因子重要性排序

图6进一步揭示了耕层物理性能与水分入渗特征之间的关系: 总孔隙度、毛管孔隙度以及水分特征(饱和含水量、田间持水量、土壤自然含水率)和土壤砂粒、粉粒均呈高度正相关, 但与黏粒、耕层容质量呈现负相关; 耕层容质量与黏粒之间存在正相关关系, 同时对水分入渗特征也有积极作用, 作用水平从高到低依次为: 黏粒 、40 min累积入渗量/平均入渗率 、稳定入渗率 、90 min累积入渗总量 、初始入渗率．

图6 施肥措施与侵蚀强度下耕层物理性能与水分入渗特征的冗余分析

3 讨论

3.1 生物炭与化肥配施对紫色土坡耕地侵蚀性耕层物理性能的影响

土壤物理性质的变化直观显示土壤质地与结构状态[20]．土壤容质量综合反映土壤紧实度与总孔隙度的水平, 对土壤透气性、持水性以及入渗性能都有较大的影响[21]．土壤容质量较小时, 土壤疏松多孔, 土体结构趋于良好[22]; 相反地, 土壤容质量较大时, 土壤偏于板结, 孔隙度减小, 水分渗透性能减弱[23]．随着侵蚀强度的增强, 耕层土壤粉粒占比下降, 黏粒上升, 说明耕层土壤质地逐步加重, 土壤容质量升高, 孔隙度降低, 导致土壤自然含水率显著下降(图2至图4)．研究表明, 合理施肥与耕作可以有效降低土壤容质量和提升孔隙度[24-25]．本试验结果发现, 生物炭与化肥配施下土壤粉粒占比最高, 土壤容质量显著下降, 毛管孔隙度显著提升(图3), 这是由于生物炭具有发达的孔隙且密度较低, 施入土壤后在生物炭颗粒与土壤团聚体之间形成孔隙, 使黏粒分散度提高, 起到了降低土体密度的同时又增加土壤孔隙比例的改良效果[26]．同时, 我们发现肥料的输入显著改善了土壤自然含水率, 而生物炭的添加进一步加强了这一效应(图4)．一方面, 养分的输入丰富了土壤有机质, 有机质通过改善土壤孔隙尺度和分布, 增强土壤团聚性, 提高了土壤结构稳定性, 使土壤蓄水保水能力提升[24,27-28]; 另一方面, 生物炭比表面积巨大、孔隙繁多的结构特点使其本身对水分具有较高的亲水性与吸附性, 在掺入土壤后提高了土壤颗粒分子间作用力, 使流经土壤的水分子更易被静电力吸引, 进一步使更多水分贮存于土壤[29-30]．

3.2 生物炭与化肥配施对紫色土坡耕地侵蚀性耕层水分入渗的影响

生物炭与化肥配施并未对耕层土壤水分入渗起到进一步的促进作用．结果表明, 与不施肥措施相比, 生物炭与化肥配施显著降低了耕层土壤水分稳定入渗率, 并且初始入渗率、平均入渗率、40 min累积入渗量与90 min累积入渗总量也呈现下降趋势(图5)．依据生物炭的物理特性, 生物炭施入后虽然增加了土壤的小孔隙, 但因其颗粒较细, 一定程度上会堵塞土体中较大孔隙的连接通道, 使可供水分流动和相互连通的孔隙减少, 水流弯曲度增加, 土壤入渗性能减弱[30]; 在化学性质上, 生物炭表面附有丰富的含氧官能团, 其所带的负电荷和复杂孔隙结构会吸附和固定多种无机离子及其他极性或非极性有机化合物, 结合并形成有机—无机复合物和团聚体[8], 在降低土壤大孔隙的同时加强土体吸水性, 土壤水分吸持力越强, 导水能力越弱, 从而抑制耕层水分运移[32]．RDA中土壤水分指标(饱和导水率、田间持水量、自然含水率)与水分入渗特征的负相关关系(图6a)也进一步证明了这一规律, 这与前人研究相近[3,8]．

3.3 施肥及侵蚀强度对紫色土坡耕地耕层的综合作用

RDA结果揭示了不同施肥措施与侵蚀强度对土壤物理指标与水分入渗特征的综合作用．结果表明, 在不同侵蚀强度下, S-20, S-15是引起土壤物理指标与水分入渗特征发生变化的主要因素(p<0.05, 表4), 主要表现为除对土壤容质量与黏粒指标呈现正相关关系外, 对其他指标均为负作用, 这与S-0, S-5, S-10的作用方向截然相反(图6a)．这说明15 cm土层侵蚀深度是本研究区土壤承受阈值, 即随着侵蚀强度的增大, 土壤受干扰程度加剧, 此时并未造成明显的土壤退化, 反而在一定程度上促进了土壤孔隙度、水分含量以及入渗性能的提升, 但当地表土壤剥离厚度达15 cm时, 土壤侵蚀的破坏力显示出来．土壤侵蚀的加剧破坏了原有的土体结构, 使土壤质地加重, 孔隙度降低, 土壤通气性与透水性减弱, 造成土壤持水性与入渗性能的下降, RDA的分区结果也进一步证实了该结论, 即样本以侵蚀强度15 cm为标准被划分至不同象限(图6b)．在不同施肥管理中, 3种措施均达到显著水平, 数据结果从高到低依次为: 生物炭配施化肥、化肥、不施肥, 说明相较于土壤侵蚀, 施肥措施对研究区土壤环境的变化起到更为主导的作用, 且以生物炭与化肥配施措施作用强度最大．

3.4 施肥措施与侵蚀强度下紫色土坡耕地耕层的入渗模型模拟分析

本研究通过3种经典入渗模型模拟不同施肥措施与侵蚀强度下土壤水分的入渗规律, 结果发现, 在不同施肥措施下3种模型拟合度均达到0.800以上(表2), 与Horton模型相比, 虽然Philip模型拟合度相对较低, 但该模型的拟合结果能更好地反映3种施肥措施下稳定入渗率的实际水平, 拟合结果精度相对更高．Kostiakov模型基于3种施肥措施的平均拟合度最高, 但依据公式分析可得, 当时间接近无穷大时, 入渗速率趋近于0, 这并不符合实际垂直入渗下的土壤水动力学规律, 即在垂直入渗条件下, 最终入渗速率不可能为0[18]．因此, Philip模型用于模拟本研究区不同施肥措施下土壤入渗过程效果最佳．然而, 不同侵蚀强度下的最佳拟合模型并不一致．对比Horton模型与Philip模型对不同侵蚀强度下稳定入渗率的拟合值, 并结合拟合度R2值发现, S-0, S-5, S-10, S-15均以Horton模型结果更接近实测值, S-20则以Philip模型拟合结果更佳, 说明在土壤低侵蚀强度下, Horton模型能够较好地反映土壤入渗过程, 但随着土壤侵蚀强度的加剧, 需对模型进行调整才可更好适应, 因此以Philip模型拟合效果更佳．

4 结论

1) 与不施肥措施相比, 生物炭与化肥配施显著降低了耕层容质量, 增大了毛管孔隙度, 提高了土壤自然含水率．随着侵蚀强度的增强, 土壤容质量总体呈现上升趋势, 表现为S-0,S-5S-5>S-10>S-15>S-20．坡耕地耕层土壤稳定入渗率对施肥措施响应显著, 从高到低依次为: CK,F,BF．

2) Kostiakov, Horton和Philip 3种入渗模型对不同施肥措施拟合度均达到0.800以上, 其中以Philip模型拟合结果更精确; 在不同侵蚀强度下, 土壤低侵蚀强度(S-0, S-5, S-10, S-15)以Horton模型能更好地反映入渗过程, 但随着土壤侵蚀强度的加剧(S-20), 以Philip模型拟合效果更佳．

3) 根据RDA作用因子重要性排序结果显示, 在不同施肥与侵蚀强度下, 生物炭与化肥配施、土壤侵蚀厚度20 cm是引起耕层土壤物理性能与水分入渗特征发生变化的最主要因素．与侵蚀强度相比, 施肥措施对各因子的作用更为显著．耕层土壤总孔隙、毛管孔隙、饱和含水量、田间持水量以及自然含水率与砂粒、粉粒呈正相关, 与黏粒、容质量呈负相关; 土壤容质量与黏粒、土壤水分入渗特征呈正相关．此外, 主成分1将侵蚀强度≥15 cm与<15 cm的样本划分至不同象限, 说明15 cm侵蚀厚度是本研究区土壤承受阈值．