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生物炭添加对黄绵土坡面土壤侵蚀的影响及机制研究

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黄土高原强烈的水土流失导致坡地退化严重，亟需修复改良，以保证粮食安全和旱地农业可持续高质量发展，筑固退耕还林草成果。生物炭因其特殊性质和输入土壤后的多种功能，作为土壤改良剂备受关注。但现有研究主要集中在生物炭添加对土壤理化性质、养分、作物产量等方面的影响，而对其添加驱动坡面土壤侵蚀特征变化缺乏统一的认识和系统的理论解释，导致不能确定是否可用生物炭修复和改良退化坡地。鉴于此，本研究以黄土高原黄绵土为对象，基于野外小区长期定位监测试验，在分析生物炭添加对土壤理化性质、水分参数、细沟可蚀性、细沟间可蚀性、坡面土壤可蚀性及坡面产流产沙等影响的基础上，系统揭示生物炭添加对坡面侵蚀过程影响的机制，为合理利用生物炭改良退化坡地和制定生物炭添加条件下坡面土壤侵蚀防治策略提供科学依据。主要研究结论如下： 1.明确了生物炭添加对黄绵土理化性质的影响 生物炭添加增加了＜0.002mm有效粒径含量、颗粒比表面积、全碳及有机碳含量，降低了0.05-2mm有效粒径含量、有效中值粒径和土壤容重，对非毛管孔隙度和pH值影响不显著；土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、＞0.25mm土壤水稳性团聚体含量及团聚体平均重量直径分别平均提高了7%、8%、42%和40%。随生物炭添加量增加，＜0.002mm和0.002-0.05mm有效粒径含量、颗粒比表面积、总孔隙度、毛管孔隙度、团聚体稳定性、总碳及有机碳呈增加趋势，0.05-2mm有效粒径含量、有效中值粒径、非毛管孔隙度、土壤容重呈减小趋势。生物炭添加对土壤理化性质影响具有明显的时间效应，随添加后经历年限增加，0.05-2mm有效粒径含量、有效中值粒径、容重和抗剪强度呈增大趋势，总孔隙、毛管和非毛管孔隙度、团聚体稳定性、全碳、有机碳和pH值呈减少趋势。 2.明确了生物炭添加对黄绵土水分特征参数的影响 生物炭添加前两年降低土壤入渗速率，随添加后经历年限延长，土壤入渗速率逐渐提高且与添加量呈正相关。生物炭添加明显提高了土壤持水能力且与生物炭添加量成正比，各生物炭处理下田间持水量分别平均提高了6%、11%、13%和10%和30%。生物炭添加提高0-100cm土壤含水量，尤其是耕层土壤含水量，提高效果与生物炭添加量呈正比，5~9月份提高较多，雨季尤其明显。 3.阐明了生物炭添加对黄绵土坡面细沟水流分离能力及细沟可蚀性的影响。 生物炭添加降低了细沟水流分离能力和细沟水流分离能力随坡度及流量增加而增加的幅度，这种降低效果随生物炭添加量增加和添加后历时延长均减弱。水流功率是描述生物炭添加下细沟水流分离能力动力学过程的最优水动力学参数。生物炭添加降低了细沟可蚀性，降低程度与生物炭添加量和添加后经历年限呈正比。 4.阐明了生物炭添加对黄绵土坡面侵蚀的影响。 微径流（长×宽1m×0.6m）和常规径流小区（长×宽9m×2m）中添加生物炭均降低径流量和土壤流失量且弱化了径流量和土壤流失量对坡度及最大30min雨强的敏感性，减低和弱化的效果与生物炭添加量成正比。生物炭添加对长历时、低降雨侵蚀力的降雨减流减沙效果优于短历时、高侵蚀力的降雨。生物炭添加降低细沟间可蚀性和坡面土壤可蚀性，降低程度与生物炭添加量成正比。 5.揭示了生物炭添加对黄绵土坡面土壤侵蚀的影响机制。 生物炭添加直接影响土壤理化性质，间接影响细沟可蚀性、细沟间可蚀性、坡面土壤可蚀性及径流动力，最终影响坡面土壤侵蚀过程。生物炭添加通过改变土壤颗粒比表面积、有机碳、含水量、非毛管孔隙度和团聚体平均重量直径等关键因子进而影响细沟可蚀性，通过改变＜0.002mm有效粒径含量、有机碳、抗剪强度、非毛管孔隙度、团聚体平均重量直径和稳定入渗率等关键因子进而影响细沟间可蚀性和坡面土壤可蚀性。结构方程分析结果表明，关键因子对细沟可蚀性影响大小的顺序为土壤团聚体含量（-0.58）＞土壤颗粒比表面积（-0.42）＞土壤持水性（0.41）＞土壤有机质含量（-0.31）＞土壤非毛管孔隙度（-0.28）；对细沟间可蚀性与径流动力的影响大小顺序为＜0.002含量（-0.71）＞抗剪强度（-0.52）＞团聚体含量（-0.48）＞有机碳含量（-0.41）＞稳定入渗速率（-0.29）＞非毛管孔隙度（-0.28），对坡面土壤可蚀性与径流动力的影响大小顺序为有机碳含量（-0.58）＞稳定入渗速率（-0.57）＞抗剪强度（-0.47）＞粘粒级含量（-0.37）=非毛管孔隙度（-0.37）＞团聚体含量（-0.29）。说明不同小区尺度和侵蚀方式下生物炭添加引起坡面侵蚀特征变化的关键因子存在差异。

李元元

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土壤侵蚀 黄土高原 生物炭 细沟可蚀性 细沟间可蚀性

博士

水土保持与荒漠化防治

杨明义、张风宝

2021

西北农林科技大学

中文

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