生物炭对紫色土入渗及剖面水分动态的影响

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紫色土属于我国重要的土壤类型,其矿质养分含量充足,是良好的肥沃旱耕土壤,但近年来遭到严重侵蚀,威胁着我国的粮食安全和农业可持续发展。将农作物秸秆等农业废弃物生产的生物炭施加到土壤中,一方面可以对土壤进行修复改良,另一方面也解决了资源浪费、环境污染等问题,对粮食安全、能源安全、环境保护等方面有重要的应用价值。生物炭可以降低土壤硬度、增加有机质含量、改良土壤结构、提高土壤入渗能力及持水性,也可能直接或间接地影响土壤中水分的运移和保持,因此研究施加生物炭后土壤入渗及剖面水分动态变化有重要的意义。现有的生物炭对土壤水分运动的影响研究多集中在黑土区和黄土区,且大部分研究着重于生物炭施加量的影响方面,对生物炭粒径及施加深度这两个因素的讨论较少。紫色土水分入渗的研究多针对不同土地利用类型下的纯紫色土或土石混合,紫色土水分改良的研究多集中于地膜与秸秆覆盖等方面,对生物炭作用下的紫色土入渗研究还不多见。本文就生物炭在不同施加量、粒径和施加深度的条件下,采用室内一维垂直定水头法开展了土壤入渗试验并测定了土壤剖面水分动态变化情况,旨在揭示紫色土水分入渗特征及剖面水分动态变化规律,对比评价Kostiakov模型和Horton模型的适用性,研究发现:(1)在生物炭粒径0.25-0.5mm的前提下,向紫色土中施加生物炭会一定程度上抑制土壤水分入渗。平均入渗率随生物炭施加量的增加而减小,随生物炭粒径的增大而增大,在施加深度为10-20cm土层时较高;累积入渗量在生物炭施加量3%、粒径为0.25-0.5mm、施加深度为10-20cm土层时最大,分别使累积入渗量增加35.14%、35.14%和13.07%。(2)湿润锋运移深度与入渗时间的平方根(t0.5)呈正比。在生物炭粒径0.25-0.5mm的前提下,向紫色土中施加生物炭会一定程度上抑制湿润锋运移。湿润锋平均运移速率随生物炭施加量的增加而减小,在生物炭粒径为0.5-1mm时较快,达到13.14cm/h。生物炭施加深度为10-20cm时对湿润锋推进的抑制作用最弱,施加深度在20-30cm时最强。(3)向土壤中施加生物炭能明显影响紫色土入渗结束后土壤剖面的水分动态变化,继而影响各时期的水分分布情况。生物炭能明显增加紫色土持水性,试验条件下,24h之内生物炭施加量为5%、粒径为0.5-1mm时土壤持水性最好,72h之内生物炭施加量为3%、粒径为0.25-0.5mm时土壤持水性最好,且在10-20cm土层施加生物炭总体剖面水分含量能长时间处于较高水平。(4)在不同生物炭施加量、粒径和施加深度的条件下,入渗率随时间变化符合幂函数关系;与Horton模型相比,Kostiakov模型更适合于施加生物炭后紫色土入渗过程的预测。
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