生物炭对黄土区土壤水分入渗、蒸发及氮淋溶的影响-农业工程学报.doc

生物炭对黄土区土壤水分入渗、蒸发及硝态氮淋溶的影响 肖茜 收稿日期：2015-06-29 修订日期：2015-08-04 基金项目：国家自然科学基金；中央高校基本科研业务费专项 (YQ2013009)；杨凌示范区科技计划项目 (2014NY-30)。 作者简介：肖茜，女，山西运城人，西北农林科技大学，博士生，主要从事农田土壤-作物生态效应评价研究。Email：HYPERLINK mailto:xiaoqian074@126.comxiaoqian074@126.com ※通信作者：沈玉芳，女，江苏建湖人，西北农林科技大学，博士，副研究员，主要从事土壤-植物系统水分养分动态过程研究。Email：HYPERLINK mailto:shenyufang@shenyufang@ ,2，张洪培1,3，沈玉芳1,3※，李世清1,2,3 （1. 西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学林学院，杨凌 712100； 3. 西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100） 摘 要：为了揭示生物炭对黄土区不同质地土壤水分入渗、蒸发特性及硝态氮淋溶的影响规律及差异，该研究选取黄土区3种典型土壤（风沙土、黄绵土和黑垆土），设置质量分数0、0.5%、1%、2%、3% 和5%共6个比例生物炭梯度，进行室内土柱模拟试验。结果表明: 湿润峰进程与累积入渗量受生物炭添加量及土壤质地的影响。随着生物炭添加量的增大，风沙土和黑垆土的水分入渗速度和累积入渗量逐渐降低（P0.05）；黄绵土水分入渗和累积入渗量呈先增大后减缓的趋势（P0.05）。生物炭未显著影响试验条件下黄绵土和黑垆土的累积蒸发量（30d），但显著改变了风沙土的蒸发特征，抑制前期蒸发。不同生物炭添加量下，3种土壤的湿润峰运移距离与运移时间均符合幂函数关系；Philip入渗模型可描述添加生物炭土壤水分入渗变化过程。生物炭可减少黄土区3种质地土壤的硝态氮淋溶量，表明适量生物炭添加能够增强土壤氮素固持能力，降低硝态氮淋失及环境风险。该研究结果表明，生物炭作为一种土壤改良剂能够提高土壤持水性和降低氮淋失，有利于黄土高原旱地作物的生长；同时该研究可为农田选择合理生物炭施用量提供科学参考。 关键词：生物炭；土壤质地；水分；入渗；蒸发；硝态氮淋溶 0 引言 水资源紧缺和土壤肥力低下是影响黄土高原旱作区农业高产稳产的主要因素[1-2]。田间土壤的水分入渗过程和蒸发特性决定着土壤对降雨和灌溉水的有效利用程度，也决定着地表径流、土壤侵蚀程度[3-4]，从而影响作物根区的水分分布和对水分的有效利用程度，最终影响作物生长状况与产量。如何通过添加改良剂改善土壤结构，增加降雨入渗，调节土壤肥力状况，提高土壤的水氮有效利用程度[5-6]，是旱区备受关注的重要课题。 生物炭是由植物生物质在高温缺氧或无氧的情况下裂解炭化而成一类高度芳香化的难熔性固态物质[7]，具有较大的比表面积、高度发达的孔隙结构及较强的离子吸附交换能力[8]。研究表明，生物炭可作为一种新型土壤改良剂[9-10]，施入土壤能够降低土壤容重[11-12]，增大土壤孔隙度[13]，改变土壤团聚体特性[14-15]，进而影响土壤持水能力与水分入渗特征[16-17]。Dugan等[18]研究发现木屑和秸秆生物炭可提高土壤的持水能力，但不同添加量间差异不显著。田丹等[19]进行的室内水平土柱试验结果却表明，添加0.05和0.1 g/g花生炭降低粉砂壤土的持水，而0.15 g/g增加其持水。齐瑞鹏等[17]采用室内土柱模拟试验，发现生物炭能够明显增加塿土入渗能力，降低风沙土入渗能力。因此，不同的生物炭及其添加量对不同质地土壤水分特性的影响差异显著。 氮素淋溶是目前造成农田土壤氮损失的主要途径之一[20]，影响着氮肥利用率的提高，造成资源浪费，引起大气污染和地下水体富营养化等环境问题[21]。探索减少农田氮淋溶损失的方法对于提高氮肥利用率和保护生态环境具有重要意义。已有研究表明，生物炭影响土壤硝态氮、铵态氮和总氮的淋失[22-25]。Güere?a等[26]通过田间示踪研究表明，向温带农田土壤中添加生物炭可增加对肥料中氮的贮留。Yao 等[27]将花生壳炭和阔叶树炭添加砂质土壤后，发现添加2%生物炭后，土壤硝态氮淋溶量分别降低14.4%和34.7%。杨放等[28]也发现向盐碱土添加生物炭能明显减少硝态氮和总氮淋失，增强土壤的持续供氮能力。因此，生物炭施入土壤后可能会对氮素养分具有一定的持留效应，提高氮肥利用，减少土壤氮素损失。但不同生物炭由于生物质来源、工艺和热解温度等差异，使其具有不同的理化特性，对不同土壤中氮素的行为影响不一。 目前不同生物炭添加量