云南农业大学陈正发课题组:生物炭对红壤坡耕地土壤持水及入渗特性的影响

作者简介：胡燕梅(2000-),女,云南大理人,硕士研究生,研究方向为农业水土资源利用与保护。E-mail:15908729685@126.com

通讯作者：陈正发(1985-),男,云南砚山人,副教授,主要从事农业水土资源利用与保护研究。E-mail:chenzhengfa2013@126.com

生物炭对红壤坡耕地土壤持水及入渗特性的影响

胡燕梅^1,2,陈正发^1,2,颜科宇^1,2,王道祥^1,2,段青松¹,张川¹

1.云南农业大学水利学院,云南 昆明 650201; 

2.云南省高校绿色智慧农田与碳减排工程研究中心,

云南 昆明 650201

为探究添加生物炭对红壤坡耕地土壤持水及入渗特性的影响,按土壤质量的0%(S0)、1%(S1)、3%(S2)、5%(S3)设置4种秸秆生物炭添加量,通过定位测定不同生物炭添加条件下土壤理化性质及电镜扫描微观结构变化,分析其持水性能特征;同时采用室内双环法测定土壤入渗特征参数,并优选出适宜的土壤入渗模型。结果表明:(1)随着生物炭添加量增加,土壤微团聚体(＜0.25mm)含量显著减少,在全生育期S1、S2、S3处理分别较S0处理的微团聚体平均值减少4.44%、5.89%、15.82%,而以0.25～0.5mm、0.5～1.0mm粒径为代表的大团聚体含量显著增加,在全生育期内S1、S2、S3处理与S0处理相比土壤大团聚体含量平均值分别增加了4.21%、5.58%、14.99%,在全生育期S1、S2、S3处理土壤容重平均值分别较S0处理减少2.30%、4.25%、6.48%(P＜0.05),土壤总孔隙度、含水率及有机碳含量显著增加,在全生育期S1、S2、S3处理均值较S0处理的土壤总孔隙度分别增加1.37%、2.21%、3.96%,含水率分别增加10.04%、16.62%、19.30%,有机碳含量分别增加14.01%、38.26%、46.23%(P＜0.05)。(2)电镜扫描结果显示,红壤微观颗粒呈片状结构,随着生物炭添加量增加,土壤颗粒比表面积显著增大,从而有利于土壤颗粒间的孔隙通道形成。(3)添加生物炭有利于提高土壤持水性能,但对土壤入渗过程表现出明显的阻滞效应,且随着生物炭添加量的增加,阻滞效应越明显。(4)Philip、Horton、Kostiakov、Green-Ampt和NRCS模型均可较好地描述生物炭添加条件下红壤坡耕地土壤入渗过程,其中Kostiakov模型拟合效果最优。

关键词:红壤;坡耕地;土壤持水能力;土壤入渗特性;生物炭

云南省作为我国南方典型的山丘区,地势起伏变化大、空间格局复杂、季节性干旱严重,耕地利用以雨养农业为主。云南省现有坡耕地472.55万hm²,约占总耕地面积的70%,是区域发展高原特色农业、保障区域粮食安全的基础性资源^[1]。坡耕地土壤分布以红壤为主,由于红壤可蚀性强、保水性能较差,导致坡耕地利用过程中普遍存在季节性干旱突出和水土流失严重等问题。因此,开展红壤坡耕地土壤持水及入渗性能研究,对解决季节性干旱缺水严重、提升土壤蓄水保墒能力具有重要意义。

土壤入渗是降雨或灌溉水再分配的重要过程,良好的土壤入渗性能一方面有利于减小坡耕地坡面水分流失,同时也有利于土壤水库的水分补给,从而影响作物根区的水分分布及有效利用^[2]。生物炭是一种由动物或植物在高温低氧条件下热解产生的高度芳香化合物^[3],具有高比表面积、高孔隙率及丰富的官能团^[4-5]。近年来,相关学者对添加生物炭土壤入渗性能已开展广泛研究。孔芊芊等^[6]研究表明,添加生物炭可显著改变土壤导水率等入渗参数,从而影响土壤入渗性能。齐瑞鹏等^[7]通过室内土柱模拟试验结果发现,生物炭能够显著提高塿土入渗能力。魏永霞等^[8]发现添加生物炭可改善黑土区土壤水分入渗特性,并降低地表径流和土壤流失。研究还指出,添加生物炭通过促进孔隙形成从而增加土壤的入渗性能^[9-10]。然而,生物炭对土壤入渗性能的影响存在显著差异。肖茜等^[11]研究发现随生物炭用量在风沙土和黑垆土中的增加,土壤入渗量反而降低。李鸿等^[12]研究表明添加生物炭使可供水分流动的孔隙减少,水流弯曲度增加,从而显著降低土壤入渗性能。此外,作为一种土壤改良剂,生物炭的添加可有效改善土壤孔隙结构、降低土壤容重、提高土壤持水性能,在农业可持续发展、适应气候变化等领域得到广泛应用^[13-16]。

目前关于生物炭添加对土壤入渗的研究颇多,然而涉及红壤坡耕地的研究总体较少;此外,生物炭添加对不同类型土壤入渗特性的影响存在显著差异,特别是生物炭添加对红壤坡耕地土壤持水及入渗特性的影响及其作用机制尚不明确。基于此,本研究以红壤坡耕地为研究对象,按土壤质量的0%(S0)、1%(S1)、3%(S2)、5%(S3)设置4种不同秸秆生物炭添加量,检测不同生物炭添加试验小区的土壤理化性质、电镜扫描微观结构及入渗特征参数,分析生物炭添加对红壤坡耕地土壤持水及入渗性的影响,以期为红壤坡耕地干旱季节蓄水保墒能力的提升和改善水分利用状况提供科学依据。

1  材料与方法

1.1 研究区概况 研究区位于云南省昆明市云南农业大学节水灌溉试验中心(102°44'51″E,25°07'56″N,海拔1 930 m),研究区属低纬度高原季风气候,年平均日照约为2327.5h,无霜期308d,年平均温度14.9℃,多年平均降水量1000.5mm,且主要集中在5—10月,年平均相对湿度76%,是典型的雨养农业区。试验点所在的区域属于中国南方红壤区的重要组成部分,土壤类型以红壤为主,坡度＞8°的坡耕地占全省耕地面积(284.45万hm²)的71.06%。供试土壤的基本性质如下:pH值4.71、速效钾30.31mg·kg^-1、有效磷2.46mg·kg^-1、全氮0.87g·kg^-1、有机质12.94g·kg^-1、土壤容重0.94g·cm^-3、田间持水率36.65%,供试土壤颗粒机械组成状况为黏粒(＜0.005mm)、细粉粒(0.001～0.005mm)、中粉粒(0.005～0.01mm)、粗粉粒(0.01～0.05mm)、细砂(0.05～0.25mm)、中砂(＞0.25mm),其含量分别占比42.10%、28.16%、8.53%、13.59%、5.05%、2.58%。生物炭购于河南省郑州市南立泽环保科技有限公司,是在500℃下经高温、限氧裂解制得的玉米秸秆生物炭。

1.2 试验设计与样品采集计 设置4种秸秆生物炭添加量(0%、1%、3%、5%,按土壤质量比计)田间模拟试验小区,采用随机区组试验设计,各处理3次重复。模拟试验小区由不锈钢材质制造而成,尺寸为160cm(长)×80cm(宽)×30cm(深)。参考云南红壤区坡耕地坡度分布特点,试验小区坡度设置为10°^[17],内装填原状土厚度30cm(红壤坡耕地耕层厚度一般为25～35cm,故试验小区填土厚度为30cm)。此外,试验小区在种植作物前需进行灌水处理,使试验小区土壤自然沉降后土壤容重与自然状态下的红壤坡耕地保持一致。

试验小区选择坡耕地普遍种植的作物——玉米,供试品种为当地主栽品种‘Longdan 1604',播种采用种子穴播方式,种植密度约为9万株·hm^-2,横向株距30cm、纵向株距40cm。玉米播种时间为2023年6月21日,收获期为2023年10月28日。将玉米整个生育期划分为生育前期(6月21日—8月5日)、生育中期(8月5日—9月15日)和成熟期(9月15日—10月30日)3个阶段。此外,以农家肥为基肥施入,施入量均为400kg·hm^-2,试验过程中严格参照红壤区坡耕地玉米作物生长管理经验,分别在7月28日与9月6日施加氮肥(均为尿素,含N 46%),每次施肥标准为150kg·hm^-2。

分别在3个作物生育期沿坡面自上而下采用“S”形采样法,选取5个具有代表性的样点,在0～30cm土层采集2kg左右土壤混合样,带回实验室自然风干,用于土壤基本理化性质的测定;同时采集土壤环刀(100cm³)、铝盒样品,用于测定土壤容重、总孔隙度等指标。上述各土壤理化性质指标测定均重复3次。其中土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定,土壤水稳性团聚体采用湿筛法测定^[18-19],湿筛法分别通过孔径5、2、1、0.5、0.25mm等5个筛级,土壤容重、总孔隙度依照《土壤分析技术规范》测定^[20],土壤质量含水率采用烘干称重法测定,土壤微观结构采用环境扫描电子显微镜(德国蔡司Sigma 500)扫描成图。

平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)可用来评价土壤团聚体的稳定性,其值越大表明土壤团聚体的稳定性越好,可分别按式(1)和(2)计算:

式中,x_i为各粒级团聚体平均直径(mm);w_i为各粒级团聚体质量百分数(%)。

1.3 土壤入渗特征参数测定 土壤入渗采用室内简易双环法测定。在3个作物生育期利用环刀采集原状土样,测定土壤入渗特征参数。测定过程中,首先在装有原状土的环刀下端套上带有网孔并覆盖滤纸的底盖,并在上端放置一个相同大小的环刀。使用透明胶带将接口处密封以防止漏水。将处理好的环刀样品放置在漏斗架上,漏斗下方放置盛水的烧杯。从环刀口上端向环内缓缓加水,保持水面与环刀上沿齐平。测量并记录不同时间段内通过环刀土柱渗出的水量,前10min每隔2min记录1次,第20min后每隔5min记录1次,直到单位时间内渗出水量相等为止。各入渗特征参数计算方法如下:

入渗速率:

 f(t)=V/t    (3)

式中,f(t)为入渗速率(mm·min^-1);V为一定时间内累积入渗量(mL);t为入渗时间(min)。

饱和导水率(渗透系数):

  K_t=(10×V_n×L)/(t_n×S×(h+L))=v×L/(h+L)   (4)

式中,K_t代表温度为t(℃)时的饱和导水率(mm·min^-1);V为第n次渗出水量(mL);t_n为每次渗透所间隔的时间(min);S为环刀的横截面积(cm²);h为水层厚度(cm);L为土层厚度(cm);v为渗透速度(mm·min^-1)。

为使不同温度下测得的K_t值便于比较,换算成10℃时的饱和导水率,按下式换算:

K₁₀=(K_t)/(0.7+0.03T)     (5)

式中,K₁₀为温度为10℃时的饱和导水率(mm·min^-1);K_t为温度为t(℃)时的饱和导水率(mm·min^-1);T为开展入渗试验时实际测定的水温(℃)。

为定量模拟不同生物炭添加条件下土壤入渗过程,选取Horton模型^[21]、Phlip模型^[21]、Kostiakov模型^[22]、Green-Ampt模型^[23]、NRCS模型^[24]对土壤水分入渗过程进行拟合,分别如式(6)～(10)所示。

f(t)=f_c+(f₀-f_c)e^-kt   (6)

式中,f_c和f₀分别为稳渗率和初渗率(mm·min^-1);k为经验常数。

f(t)=0.5S^-0.5×t+A   (7)

式中,S为模型参数,表示土壤吸水能力的强弱;A为稳渗率(mm·min^-1)。

 f(t)=at^-b   (8)

式中,a、b为拟合参数。

 f(t)=ct^-0.5+f_c   (9)

式中,c为拟合参数。

 f(t)=abt^b-1   (10)

式中,b为模型参数。

1.4 数据处理与分析 基础数据处理及图形绘制采用Excel 2020软件进行,单因素方差分析应用SPSS 20.0软件进行,采用R语言软件进行结构化方程拟合,所用程序包为Lavaan、Haven、Hmisc,以及semPlot。

2  结果与分析

2.1 不同生物炭添加条件下土壤持水特性 在通过土壤容重、含水率和孔隙度表征土壤持水特征,结果如图1所示。不同生物炭添加处理及不同生育期间土壤容重、土壤含水率、土壤孔隙度(表1)存在显著性差异(P＜0.05)。从不同生物炭添加量来看,随着生物炭量的增加,土壤容重逐渐减小,土壤孔隙度和含水率逐渐增加。随着生育期的推进,土壤容重呈现逐渐减小的趋势,即生育前期＞生育中期＞成熟期,土壤含水率、土壤总孔隙度和毛管孔隙度呈增加趋势,即成熟期＞生育中期＞生育前期,而非毛管孔隙度在生育期间无明显变化规律。具体而言,在全生育期与S0相比,S1、S2、S3处理的土壤容重平均值分别减小了2.30%、4.25%、6.48%(P＜0.05),土壤含水率平均值分别增加10.04%、16.62%、19.30%(P＜0.05);同时从表1看出,在全生育期与S0相比,S1、S2、S3处理总孔隙度和毛管孔隙度平均值分别增加1.37%、2.21%、3.96%和7.17%、10.72%、17.19%(P＜0.05)。表明添加生物炭可有效提高土壤持水性能,在改善土壤水分特性方面具有潜在的应用价值。

2.2 不同生物炭添加条件下土壤结构变化

2.2.1 人参果花后不同时期果实营养品质的变化 如2.2.1 土壤团聚结构变化土壤团聚体是构成土壤结构的基本单元,一般把＞0.25mm的团聚体称为大团聚体,＜0.25mm的团聚体称为微团聚体。水稳性团聚体的组成和数量对土壤结构具有重要影响,图2(见198页)为不同生物炭添加处理的土壤水稳定性团聚体粒径分布图。在＞0.25mm的粒径分布中,0.25～0.5mm和0.5～1mm粒径范围内的团聚体占据优势地位。不同生物炭添加处理和不同生育期间土壤团聚体粒径分布存在一定差异。具体而言,随着生物炭添加量的增加,土壤微团聚体(＜0.25mm)含量显著减少,即S0＞S1＞S2＞S3,在全生育期S1、S2、S3处理分别较S0处理的微团聚体平均值减少4.44%、5.89%、15.82%;同时,2～5mm和5～10mm粒径范围的大团聚体含量明显增加。此外,随着生育期的推进,＜0.25mm和0.25～0.5mm粒径范围内的团聚体总体呈现减小趋势,总体表现为生育前期＞生育中期＞成熟期。

大团聚体和微团聚体的数量和空间排布决定着孔隙的分布和连通性,进而成为评价土壤持水性和入渗特性的重要指标^[25]。图3为不同生物炭添加下作物各生育期土壤大团聚体含量变化。可见不同生物炭添加处理的土壤大团聚体含量差异显著(P＜0.05),在全生育期内S1、S2、S3处理与S0处理相比土壤大团聚体含量平均值分别增加了4.21%、5.58%、14.99%,4种生物炭添加处理的土壤大团聚体含量大小关系为:S3＞S2＞S1＞S0。其次,从不同生育期看,随着生育期的持续推进,＞0.25mm大团聚体的含量显著增加,总体表现为成熟期＞生育中期＞生育前期,生育中期、成熟期与生育前期相比大团聚体含量分别增加了4.91%和10.36%。综上,生物炭的添加可显著影响土壤团聚体的粒径分布,有利于土壤大团聚体的形成,提高土壤抗蚀性能。

图4为不同生物炭添加处理及不同生育期间的MWD和GMD变化特征,可见不同生育期土壤团聚体稳定性均存在一定的差异。具体而言,MWD和GMD随着生育期的推进均表现出增长趋势,与生育前期相比,生育中期和成熟期MWD分别增加了5.31%和23.86,GMD分别增加了1.14%和12.12%,其中与生育初期相比,成熟期土壤的MWD和GMD变幅均较大。不同生物炭添加量情况下的MWD和GMD则没有明显的变化规律。综上,随着生育期的推进土壤结构越来越稳定,且成熟期的土壤结构更加稳定。

2.2.2 土壤微观结构变化 土壤内部结构的变化或土壤颗粒之间的胶结状况都会引起土壤孔隙的重新分布,从而影响土壤内水分的运输速率^[21]。图5为不同生物炭添加量下土壤微观结构电镜扫描形态图。与S0处理相比,S1、S2、S3处理的土壤微观结构存在一定差异,总体表现为随生物炭添加量的增加,电镜扫描视野下土壤颗粒间的孔隙数量增多。具体而言,S0处理的土壤微观颗粒间的孔隙数量较少,且土壤表面较为光滑,土壤微观颗粒结构呈现片状特征(图5a);相比之下,S1、S2、S3处理土壤颗粒间的孔隙通道增多,土壤的比表面积显著增加,土壤结构得到明显改善(图5b～d),这也是随着生物炭添加量增加土壤孔隙度增大的原因。上述结果表明,生物炭添加量增加有助于土壤孔隙的形成,土壤颗粒间孔隙通道的增多使得土壤与生物炭的接触面积扩大。

2.3 不同生物炭添加条件下土壤有机碳变化 图6为不同生物炭添加处理的土壤有机碳含量变化特征。不同生物炭添加处理及不同生育期间的土壤有机碳含量差异显著(P＜0.05)。具体而言,从不同生物炭添加量来看,随着生物炭量的增加,有机碳含量显著增加,即S3＞S2＞S1＞S0,在全生育期S1、S2、S3处理土壤有机碳含量平均值分别较S0处理增加14.01%、38.26%、46.23%(P＜0.05);其次,随着生育期的持续推进,土壤有机碳含量也逐渐增多,总体表现为成熟期＞生育中期＞生育前期。上述结果表明,红壤坡耕地土壤生物炭添加有助于土壤有机碳的固持,进而增加土壤有机碳的含量,且随着生育期的持续推进,固持的土壤有机碳含量进一步增加。

2.4 不同生物炭添加条件下土壤入渗特征

2.4.1 土壤入渗过程变化 图7为不同生物炭添加量下的土壤入渗过程曲线。不同生物炭添加处理的土壤入渗过程均表现为初始入渗率较大,随着时间的推移,入渗速率逐渐降低后趋于稳定。总体可分为3个阶段,即急剧下降阶段、入渗速率减缓阶段和稳定入渗阶段,随着生育期的推进,达到稳定入渗的时间缩短。具体而言,在生育前期、生育中期和成熟期的急剧下降阶段分别出现在0～60、0～30、0～40min,而在60～70、30～60、40～50min间趋于平缓,最终分别在70、60、50min后达到稳定入渗状态。其次,从不同生物炭添加量来看,S0处理的入渗速率变幅最大,达到稳定入渗后的入渗速率在4个处理中也最大,S3处理的入渗速率变幅则最小,稳定后的入渗速率也最小,入渗速率大小关系总体表现为S0＞S1＞S2＞S3。上述结果表明生物炭的添加和作物的生长均会对土壤入渗效果产生显著影响。

2.4.2 土壤入渗特征参数变化 表2为不同生物炭添加条件下红壤坡耕地土壤入渗特征参数变化。不同生物炭添加处理的土壤入渗特征参数存在较大差异。具体而言,S0处理的入渗特征参数最大,初始入渗率、稳定入渗速率、平均入渗率、饱和导水率均随生物炭添加的增加呈现减小趋势,其中S3处理的土壤入渗参数变幅最大;其次,在全生育期,S1、S2、S3处理的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和饱和导水率的平均值分别较S0处理减小25.47%、62.87%、79.70%,25.06%、65.12%、71.80%,25.58%、45.81%、78.38%和24.98%、65.10%、67.62%。从不同生育期来看,生育中期的入渗特征参数最大、成熟期的入渗特征参数最小,随着生育期的推进,土壤入渗特征参数均表现为减小的趋势。综上,添加一定量的生物炭可以抑制水分入渗,且随着生物炭添加量的增加,减缓效果越明显。

2.4.3 土壤累积入渗量变化 累积入渗量作为土壤入渗的重要参数,可反映土壤入渗过程中入渗水量大小和水分蓄持能力。图8为不同生物炭添加处理的土壤累积入渗量变化过程曲线,可以看出不同生物炭添加处理均表现为入渗初期的累积入渗量增量较大,而后随着时间的推移,累积入渗量的增量陆续减少并逐渐趋于稳定。在4种不同生物炭添加处理中,S0处理的累积入渗量最大,S3处理的最小,各处理间土壤水分累积入渗量大小表现为S0＞S1＞S2＞S3。从不同生育期来看,生育中期的累积入渗量最大,随着生育期的推进,累积入渗量先增加后减少。具体而言,生育中期的累积入渗量与生育前期和成熟期相比分别表现为增加26.22%和减少69.49%。上述结果表明,随着生物炭的添加,土壤累积入渗量显著降低,不利于土壤入渗,而作物生育中期由于作物生长发育较快,根系发达,土壤孔隙度较大,相比其余生育期更利于土壤入渗。

2.5 生物炭添加条件下土壤入渗模型优选 为探究不同生物炭添加量对土壤入渗过程的影响,采用Philip、Horton、Kostiakov、Green-Ampt和NRCS共5种常用土壤入渗模型对实测入渗数据进行拟合,拟合结果如表3所示。不同模型对入渗过程的拟合效果可用回归方程的决定系数(R²)评价,其值越大表明拟合效果越好。由表3可以看出,Philip、Horton、Kostiakov、Green-Ampt和NRCS模型的决定系数R²均值均大于0.9,表明5种模型均可较好地对不同生物炭添加条件下的红壤坡耕地土壤入渗过程进行拟合。其中,Kostiakov模型的拟合效果最佳,其次为Horton模型和NRCS模型,Green-Ampt模型和Philip模型模拟效果相对较差。综上,Kostiakov模型在红壤坡耕地不同生物炭添加量条件下的土壤入渗特性模拟准确性和可靠性最佳。

3  讨 论

3.1 生物炭添加对红壤坡耕地土壤持水性的影响 土壤水分是土壤养分运输的有效载体,同时也是作物正常生长发育和作物生产力的基本保证^[23]。一般认为,土壤容重越小,总孔隙度和毛管孔隙度越大,土壤吸持贮水和饱和贮水的能力就越大^[24]。本研究发现添加生物炭处理可有效增加土壤总体孔隙度和毛细孔隙度,减少土壤容重,表现出较高的土壤含水率和土壤有机碳,这与前人研究结果一致^[26-27]。这一方面是由于生物炭自身比表面积大,疏松多孔,添加一定量的生物炭可有效填充土壤粗颗粒间的空隙,改善土壤结构,增加水分的吸附能力^[28],与此同时生物炭作为一种有机物质,还可以增加土壤中有机碳的含量,同时提高土壤有机碳的固持能力^[29]。添加到土壤中的生物炭可以与土壤颗粒和土壤有机质更好地结合,加强对水分的吸持。另一方面是由于生物炭是一种亲水性强的材料,表面含有大量的亲水基团,可吸附超过自身10倍的水分,当生物炭颗粒吸附于土壤颗粒表面时,可以减少水分蒸发,进而增强土壤持水能力^[30]。其次,生物炭添加增强土壤的持水效果还与添加生物炭后导致土壤颜色变化密切相关,添加生物炭后可影响土壤的反射性,从而减小了土壤水分蒸发^[31]。然而,Burrell等^[32]研究表明砂土中添加木质生物炭未显著改变有效水含量,对提高土壤持水效果不显著。这与生物炭制备的原料、制备条件和生物炭颗粒大小有关,因为生物炭制备条件和原料不同,可能会导致在制备过程中生物炭的比表面积、孔隙率和基团有所差别。在本研究中所选取的生物炭颗粒的比表面积和孔隙率较大,亲水基团较多,故添加生物炭后红壤坡耕地具有较好的保水性。

3.2 生物炭添加对红壤坡耕地土壤入渗特性的影响 土壤渗透性是评估农田土壤水分调节能力和蓄水保墒能力的重要指标,同时也是研究土壤水文效应的关键参数。红壤作为特殊自然地理条件下形成的地带性土壤,具有土壤黏粒含量高、pH值较低、土壤结构不良等特点,这对红壤坡耕地土壤入渗过程产生了显著影响。已有研究表明,土壤容重、孔隙度、含水率、大团聚体数量、有机碳含量等土壤理化性质对土壤的入渗性能影响较大^[33]。

从目前国内外研究结果来看,生物炭添加对土壤入渗过程的效应存在差异性,这可能与研究中生物炭添加量、土壤类型、试验条件的差异性有关。从本文研究结果来看,随着生物炭添加量的增多,土壤稳定入渗速率和累积入渗量均减小,整体呈现出生物炭添加对入渗过程的阻滞效应,这与齐瑞鹏等^[7]的研究结论存在较大差异,而与潘全良等^[31]和王道祥等^[34]的研究结果一致。研究结果的差异性为深入理解生物炭对土壤入渗性能的作用机制带来了新的挑战。鉴于生物炭对红壤坡耕地土壤入渗过程的影响机制主要体现在其对土壤理化性质的调节,本文进一步采用结构方程模型来构建生物炭-土壤理化性质-土壤入渗性能间的驱动与耦合关系。通过选取相关变量(土壤容重、土壤总孔隙度、土壤含水率、土壤有机炭含量、土壤团聚体数量、稳定入渗速率、累积入渗量)整合到结构方程模型(图9)。模型拟合优度指数为0.75,卡方自由度比为6,近似误差均方根指数为0.590、标准化均方根残差值为0.401。由图9可知,生物炭添加条件下土壤基本理化性质对土壤入渗过程参数的效应值存在差异,其中土壤容重(通径系数为0.11)、孔隙度(通径系数为0.22)对土壤入渗过程表现为正向效应(孔隙度为显著正向效应)(P＜0.05),而土壤含水率(通径系数为-0.20)、有机碳含量(通径系数为-0.28)、大团聚体含量(通径系数为-0.64)对土壤入渗过程表现为显著的负向效应(P＜0.05)。上述结果显示,生物炭添加条件下土壤基本理化性质对土壤入渗过程的影响存在复杂的耦合机制。从本文研究来看,添加生物炭可显著增加红壤坡耕地土壤孔隙度、含水率、大团聚体含量和有机碳含量,同时减小土壤容重。对应于上述结构化方程模型可知,生物炭添加可通过增加红壤坡耕地土壤含水率、大团聚体含量和有机碳含量进而抑制土壤入渗过程,同时生物炭添加也通过增加土壤总孔隙度、减小土壤容重来促进土壤入渗过程,即添加生物炭对红壤坡耕地土壤入渗过程的影响具有双重效应。进一步分析图9可知,生物炭添加通过改变红壤坡耕地土壤理化性质进而对土壤入渗过程产生的负向效应大于正向效应,由此总体表现出生物炭添加对红壤坡耕地土壤入渗过程的阻滞效应,而这种阻滞效应是通过增加红壤坡耕地土壤含水率、大团聚体含量和土壤有机碳含量、土壤孔隙度,减少土壤容重来实现的。