鄭 健 向 鵬 孫 強 康 健 王 燕

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院， 蘭州 730050；2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點實驗室， 蘭州 730050)

0 引言

間接地下滴灌最早源于砂管灌，不僅可以實現(xiàn)水肥一體化灌溉，而且能夠有效地解決普通滴灌蒸發(fā)損失大的問題，在提高水分利用效率的同時還具有節(jié)約勞力以及方便使用、管理、維修的優(yōu)點，特別適宜于干旱缺水地區(qū)，且在果園和設施栽培中的應用效果良好[1-2]。國內(nèi)外學者通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬研究確定了間接地下滴灌的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和理論模型[3-4]，并在甜瓜[5]和棗樹[6]等作物的試驗研究中，發(fā)現(xiàn)該灌水技術(shù)還具有節(jié)水、抑鹽和增產(chǎn)調(diào)質(zhì)的作用[7]。但在水肥一體化條件下對間接地下滴灌水、養(yǎng)分分布特征的試驗研究還顯欠缺。

沼液是以人畜糞便及農(nóng)作物秸稈等為原材料，通過厭氧發(fā)酵后的產(chǎn)物，是良好的綠色有機肥料[8]。但因其具有高水低肥的特性，在施用過程中水分和養(yǎng)分易產(chǎn)生淋洗流失，從而導致作物根區(qū)土壤可利用營養(yǎng)元素滯留量下降，造成資源浪費，甚至還會對地下水構(gòu)成一定的污染威脅[9-10]。因此，如何有效減少配施沼液中水分和養(yǎng)分的損失，提高其在根區(qū)土壤的滯留量，已成為當前沼液農(nóng)田應用亟待解決的實際問題。生物炭是由農(nóng)林有機廢棄物在限氧和一定溫度(<700℃)條件下熱解制成，具有含碳率高、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、表面可吸附有機官能團多等特點[11-12]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作為土壤改良劑混摻于土壤之中，能夠顯著改良土壤物理及水力特性[13]。王竹等[14]的試驗結(jié)果顯示，施加生物炭在整體上可以提高土壤體積含水率，但在不同的水吸力下土壤的保水能力存在差異。IBRAHIM等[15]施用生物炭對沙壤土水力特性影響的研究也表明，生物炭的應用會降低土壤飽和導水率和入滲速率。同時，TOMASZ等[16]和HANSEN等[17]的研究還發(fā)現(xiàn)生物炭的應用可以增加土壤的有效水含量?，F(xiàn)有研究充分表明了生物炭混摻入土壤后對土壤保水方面具有積極作用，但生物炭在水/沼液一體化灌溉條件下對土壤水力特性的影響，目前還未見相關(guān)研究報道。

基于此，本文將間接地下滴灌技術(shù)應用于沼液灌溉，同時融入生物炭能改良土壤物理及水力特性的作用，采用室內(nèi)土箱試驗，探索沼液間接地下滴灌條件下，不同生物炭混摻量和沼液配比對土壤持水特性、土壤飽和導水率、濕潤鋒運移、濕潤體體積變化以及濕潤體含水率分布規(guī)律的影響，旨在提高沼液灌溉時水分和養(yǎng)分在作物根區(qū)的滯留量，提高水分利用效率，為沼液灌溉中存在的實際問題提供解決方案，也為沼液間接地下滴灌的應用推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2021年3—7月在蘭州理工大學水利水電工程研究所的實驗室進行(36°06′N，103°78′E)。實驗室層高6 m，空間較大，且裝有空調(diào)，在試驗周期內(nèi)能夠保持溫度為(20±2)℃，故可忽略溫度對土壤水分特性的影響。

試驗所用土壤取自甘肅省蘭州市魏嶺鄉(xiāng)狗牙村正常耕作農(nóng)田，采集土壤深度為耕層0～40 cm，采集后自然風干、混合均勻，過2 mm篩備用。同時，采用土壤比重計(TM-85型)進行土壤粒徑分析，砂粒(粒徑0.02～2 mm)、粉粒(粒徑0.002～0.02 mm)、黏粒(粒徑0～0.002 mm)質(zhì)量分數(shù)分別為24.30%、55.77%、19.93%。依據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標準，供試土壤為粉壤土。根據(jù)當?shù)剞r(nóng)田土壤的容重狀況，設置試驗土壤容重為1.35 g/cm3。

試驗所用沼液取自蘭州市花莊鎮(zhèn)甘肅荷斯坦良種奶牛繁育中心正常發(fā)酵、產(chǎn)氣的沼氣工程，該沼氣工程的發(fā)酵原料為牛糞，沼液取出后曝氣并靜置60 d，待其理化性質(zhì)穩(wěn)定后備用。試驗前將靜置已久的沼液搖勻，用32目(4層)紗布過濾掉沼液中較大懸浮顆粒，并按照試驗設置濃度進行配比(沼液、水體積比)，基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗沼液基本理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of biogas slurry

試驗采用的生物炭為小麥秸稈生物炭，其容重為0.19 g/cm3，比表面積為9 m2/g，總孔隙度為67.03%，通氣孔隙度為12.87%，持水孔隙度為61.10%，pH值為10.24，陽離子交換量為60.8 cmol/kg。

1.2 試驗設計

試驗依據(jù)預試驗結(jié)果，設置4個生物炭混摻量(生物炭、土壤質(zhì)量百分比)： 0(B0)、1%(B1)、2%(B2)和5%(B5)，4個沼液配比(沼液、水體積比)：0(Z0)、1∶8(Z1∶8)、1∶6(Z1∶6)和1∶4(Z1∶4)，將不混摻生物炭和清水入滲的處理Z0B0作為對照，共計16個處理，各處理進行3次重復，取均值作為試驗結(jié)果。

1.3 測定內(nèi)容及方法

1.3.1土壤水分特征曲線

土壤水分特征曲線采用高速恒溫冷凍離心機(CR21GⅡ型，日立公司)測定[18]，先將土壤按試驗設計分層裝入環(huán)刀，并在溶液(蒸餾水、不同配比沼液)中進行24 h的飽和處理，水面高度低于環(huán)刀高度1 mm，之后將環(huán)刀滯空放置一段時間，直到不再有重力水排出，此時認為土樣達到飽和，并用高精度電子天平稱量，然后按照土壤水分特征曲線測定規(guī)程進行測定，結(jié)束后置于105℃恒溫干燥箱內(nèi)干燥至質(zhì)量恒定，以計算土壤含水率。各處理均進行4次重復，取其均值作為試驗結(jié)果。土壤水分特征曲線擬合采用Van-Genuchten模型[18]，模型參數(shù)通過軟件RETC擬合確定，模型為

(1)

其中

m=1-1/n

(2)

式中θ(h)——土壤相對飽和度，cm3/cm3

θs——土壤飽和體積含水率，cm3/cm3

θr——土壤殘余體積含水率，cm3/cm3

α——進氣值倒數(shù)，cm-1

h——負壓，m

n——與孔徑分布相關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)

m——經(jīng)驗形狀系數(shù)

1.3.2土壤有效水含量

土壤有效水是土壤中植物能夠有效利用的水分，其含量計算公式為[19]

SAW=θFC-θPWP

(3)

式中SAW——土壤有效水含量，cm3/cm3

θFC——田間持水率，取土壤水吸力為100 cm處的土壤體積含水率，cm3/cm3

θPWP——凋萎含水率，取土壤水吸力為15 000 cm處的土壤體積含水率，cm3/cm3

1.3.3土壤孔隙

土壤中孔隙大小和分布可由土壤水分特征曲線間接反映。若將土壤中孔隙設想為各種孔徑的圓形毛管，則土壤水吸力s和當量孔徑d的關(guān)系可簡單地表示為[20]

s=4σ/d

(4)

其中

d=300/s

(5)

式中σ——水的表面張力系數(shù)，室溫條件下一般為7.5×10-4N/cm

s——土壤水吸力，cm

d——當量孔徑，mm

根據(jù)式(4)計算出當量孔徑，就可反映不同處理土壤中孔隙大小和分布。若土壤含水率θ1對應的當量孔徑為d1，含水率θ2對應的當量孔徑為d2，則土壤中孔徑在d2與d1之間的孔隙所占的體積與孔隙總體積之比為θ1-θ2(θ1>θ2)[20]。因此，可根據(jù)不同處理土壤孔隙大小和分布狀況，分析不同處理土壤持水能力的變化。

1.3.4土壤飽和導水率

土壤飽和導水率采用變水頭滲透試驗法測定[21]，結(jié)果均換算為10℃下的飽和導水率進行分析。試驗裝置采用TST-55型滲透儀(南京土壤儀器廠)，如圖1所示。

圖1 變水頭滲透試驗裝置Fig.1 Diagram of variable head penetration test device1.滲透容器 2、6、7.進水管夾 3.變水頭管 4.供水瓶 5.接水源管 8.排氣水管 9.出水管

1.3.5土壤濕潤體特征

試驗系統(tǒng)由土箱和供水裝置兩部分組成，如圖2所示。土箱采用30°扇形有機玻璃裝置，取入滲所形成濕潤體的1/12作為研究對象。土箱高 50 cm，徑向長度40 cm，材料厚度為1 cm，供水裝置采用蠕動泵，以設定恒定流量供水。圖2中導水裝置高度為20 cm，其中透水邊界高度設為8 cm，不透水邊界高度為12 cm，直徑為7.4 cm，滴頭流量設定為1.8 L/h。試驗土樣按照預定容重(1.35 g/cm3)分層(5 cm)均勻裝入有機玻璃土箱內(nèi)，層間打毛，裝土高度為50 cm。土樣裝入土箱自然沉降24 h后進行試驗。每組試驗重復3次，取均值作為試驗結(jié)果。

圖2 間接地下滴灌試驗裝置Fig.2 Schematic of indirect subsurface drip irrigation1.高度可調(diào)節(jié)支架 2.蠕動泵 3.出水管 4.土壤表面 5.土箱 6.不透水邊界 7.透水邊界 8.導水裝置 9.進水管 10.水桶

試驗開始后，用秒表計時，按照先密后疏的原則觀測土壤濕潤鋒運移，在土箱兩側(cè)描繪二維坐標系記錄不同入滲時刻所對應的濕潤鋒位置。以圖3所示坐標系，分別測量濕潤體水平運移距離R，垂直向上運移距離X，垂直向下運移距離H，各方向的最大濕潤距離分別記為Rmax、Xmax及Hmax,試驗以定額灌水量(1 000 mL)入滲完成為試驗結(jié)束標志，結(jié)束后立刻用直徑1 cm土鉆沿水平方向不同深度進行取土，沿水平間隔距離為5 cm，垂直間隔距離為5 cm，并將土樣放入105℃恒溫干燥箱內(nèi)干燥至質(zhì)量恒定，以計算濕潤體土壤體積含水率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016整理數(shù)據(jù)，水動力參數(shù)擬合采用RETC軟件，顯著性統(tǒng)計分析采用SPSS 24.0軟件進行，繪圖采用Origin 2018軟件，并采用surfer12繪制等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤持水特性的影響

2.1.1土壤水分特征曲線及擬合分析

為了分析不同生物炭混摻量和沼液配比對土壤水分特征曲線的影響，以試驗實測數(shù)據(jù)為基礎，繪制不同處理下的土壤水分特征曲線，如圖 4 所示，圖中l(wèi)gs和θv分別為土壤水吸力對數(shù)、土壤體積含水率。從圖4可以看出，不同處理土壤水分特征曲線形態(tài)類似，當土壤水吸力s從0增至15 000 cm時，各處理的土壤水分特征曲線在數(shù)值上產(chǎn)生一定差異,例如當土壤水吸力為1 000 cm時，處理Z0B1、Z0B2、Z0B5較處理Z0B0的土壤含水率分別增加1.12%、2.68%、3.11%，處理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的土壤含水率較對照處理Z0B0分別增加1.82%、2.96%、3.34%，處理Z1∶4B1、Z1∶4B2、Z1∶4B5的土壤含水率較對照處理Z0B0分別增加4.58%、8.92%、9.13%，即在相同土壤水吸力下，施用生物炭和沼液處理的土壤含水率均高于對照處理，且與沼液配比、生物炭混摻量均呈正比，聯(lián)合施用的效果更加明顯。

為了定量分析生物炭混摻量和沼液配比對土壤持水特性的影響，采用Van-Genuchten模型對各處理的土壤水分特征曲線進行擬合計算，結(jié)果見表2。從表2可以看出，各處理擬合曲線的決定系數(shù)R2均大于0.99，即Van-Genuchten模型的參數(shù)擬合度符合要求，各參數(shù)均可用來解釋土壤持水曲線的變化規(guī)律。混摻生物炭對間接地下滴灌入滲θs、θr、α、n、θFC、θPWP和SAW的影響均具有統(tǒng)計學意義。與對照Z0B0相比，處理Z0B1、Z0B2、Z0B5的θs分別增加1.69%、3.47%和5.29%，θr分別增加2.35%、10.19%和14.31%，θFC分別增加2.3%、3.99%和6.81%，θPWP分別增加3.75%、10.53%和14.1%，

圖4 不同處理土壤水分特征曲線Fig.4 Soil moisture characteristic curves under different treatments

表2 不同處理對土壤水動態(tài)參數(shù)的影響Tab.2 Effects of different treatments on dynamic parameters of soil water

SAW分別增加2.09%、2.63%和5.29%，即生物炭的混摻提高了土壤的持水能力，有效水含量增加。沼液間接地下滴灌各項土壤水動態(tài)參數(shù)的影響也均具有統(tǒng)計學意義，與對照Z0B0相比，處理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的θs、θr、θFC、θPWP和SAW增幅分別為4.41%～5.02%、7.05%～13.73%、2.5%～4.45%、7.14%～12.97%、1.52%～2.67%，說明沼液灌溉也可以提升土壤的持水能力。沼液和生物炭兩因素交互作用對間接地下滴灌入滲θs、θr、α、θFC、θPWP和SAW的影響也均達到統(tǒng)計學水平，處理Z1∶4B1、Z1∶4B2、Z1∶4B5較處理Z0B0，θs分別增加5.7%、7.25%和7.25%，θr分別增加15.1%、17.84%和31.76%，θFC分別增加6.13%、7.85%和8.66%，θPWP分別增加16.54%、18.61%和21.8%，SAW分別增加4%、5.61%、6.92%。這表明，沼液灌溉和生物炭混摻耦合作用對土壤持水性能的增強明顯大于單獨沼液灌溉或生物炭混摻。

2.1.2土壤總孔隙度和毛管孔隙度

取土壤飽和含水率所對應的土壤孔隙度為總孔隙度，土壤水吸力為1.5×102～1.5×103cm所對應的土壤孔隙度為毛管孔隙度[22]，根據(jù)式(4)可計算各處理的土壤總孔隙度和毛管孔隙度，見表3。從表3可以看出，處理Z0B1、Z0B2、Z0B5較處理Z0B0的土壤總孔隙度分別增加1.81%、2.41%、3.10%，毛管孔隙度分別提高1.08%、2.30%、2.87%，表明生物炭輕質(zhì)而疏松多孔的結(jié)構(gòu)特點與土壤混摻后增加了土壤總孔隙度和毛管孔隙度，從而提升試驗土壤的持水能力；處理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的總孔隙度較對照處理Z0B0分別增加1.16%、2.36%、3.87%，而毛管孔隙度分別增加0.73%、1.18%、3.02%，這表明施用沼液亦可通過改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)來提高土壤的持水能力；處理Z1∶4B1、Z1∶4B2、Z1∶4B5的總孔隙度和毛管孔隙度較對照處理Z0B0分別增加1.31%、4.42%、4.87%和3.27%、4.52%、4.89%，這表明聯(lián)合施用生物炭和沼液可改善土壤的土壤孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高土壤持水能力，且比單施效果更加明顯。

表3 不同處理土壤孔隙度Tab.3 Soil porosity for different treatments %

2.2 土壤飽和導水率

由圖5(圖中小寫字母表示相同沼液配比水平下不同生物炭混摻量水平的土壤飽和導水率之間差異顯著(P<0.05)；大寫字母表示相同生物炭混摻量水平下不同沼液配比的土壤飽和導水率之間差異顯著性(P<0.05))可知，混摻生物炭顯著減小土壤的飽和導水率(P<0.05)，處理Z0B1、Z0B2、Z0B5較對照處理Z0B0分別減小57.5%、76.25%、70%，即當生物炭混摻量為1%、2%時，土壤飽和導水率與生物炭混摻量呈負相關(guān)；而當生物炭混摻量為5%時，土壤飽和導水率高于2%的生物炭混摻量處理。施用沼液亦可顯著減小土壤飽和導水率，與對照Z0B0相比，處理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的土壤飽和導水率分別下降35%、52.27%、63.64%，即土壤飽和導水率和沼液配比呈負相關(guān)。沼液和生物炭聯(lián)合施用對土壤飽和導水率的影響達到顯著性水平，相比對照Z0B0，其中處理Z1∶4B1、Z1∶4B2、Z1∶4B5降幅達63.64%～91.36%，說明聯(lián)合施用沼液和生物炭降低了土壤飽和導水率，二者對土壤飽和導水率的影響存在交互作用，且土壤飽和導水率最小的是處理Z1∶4B2，即沼液配比1∶4和生物炭混摻2%處理。

圖5 不同處理土壤飽和導水率Fig.5 Saturated water conductivity of soil under different treatments

2.3 不同處理對濕潤體特征的影響

2.3.1濕潤鋒運移距離

圖6為入滲時間t在10、140、 400 min時不同處理的實測濕潤鋒運移距離。從圖6可以看出，土壤濕潤鋒水平運移距離R、垂直向上運移距離X和垂直向下運移距離H均隨灌水時間t的推移呈增加趨勢。與水平B0相比較，B1、B2和B5的X、R從大到小依次為B0、B1、B2、B5，即混摻生物炭降低了水分在水平方向和垂直向上方向的運移距離，而H先減小后增大，順序為B5、B0、B1、B2。即同一沼液配比水平下，混摻1%或2%的生物炭，能夠有效減小土壤濕潤鋒運移距離，促使水分更好地集中在植物根系附近，便于植株吸收利用。

圖6 不同處理濕潤鋒運移距離Fig.6 Wet front movement distances of different treatments

與水平Z0相比較，Z1∶8、Z1∶6和Z1∶4的濕潤鋒運移距離X、R、H由大到小均依次為Z0、Z1∶8、 Z1∶6、 Z1∶4， 處理Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0的Xmax較處理Z0B0分別減小6.67%、11.11%、16.67%；Rmax分別減小1.28%、2.13%、6.38%；Hmax分別減小3.09%、4.64%、5.67%。即隨著沼液配比的升高，水分在水平方向和垂直向上、向下方向的運移距離均減小。

為進一步揭示不同處理濕潤鋒運移距離與灌水時間的關(guān)系，建立二者之間的冪函數(shù)關(guān)系

(6)

式中A、B——垂直向上方向擴散系數(shù)、擴散指數(shù)

C、D——垂直向下方向擴散系數(shù)、擴散指數(shù)

E、F——水平方向擴散系數(shù)、擴散指數(shù)

具體擬合結(jié)果如表4所示，各處理擬合方程的決定系數(shù)R2均在0.93以上，達極顯著水平，說明冪函數(shù)能夠準確描述生物炭混摻條件下沼液間接地下滴灌濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系。

表4 不同處理下濕潤鋒運移距離與時間的擬合參數(shù)Tab.4 Fitting parameters of movement distance and time of wet front under different treatments

2.3.2濕潤體形狀特征

從圖6可以看出各處理濕潤體形狀近似為橢球體。為了分析不同處理入滲過程中濕潤鋒在垂向和水平方向運移過程及濕潤體形狀變化，本文采用方程β=(a-b)/a計算橢球體扁率[23]，其中a為垂向濕潤距離，b為水平濕潤距離，計算結(jié)果如圖7所示。經(jīng)分析可知，在入滲過程中，各處理濕潤體扁率大于零且隨時間延長逐漸減小，說明入滲初始階段，濕潤鋒在垂向的濕潤距離遠大于在橫向的濕潤距離，隨著時間的延長，二者之間的差距逐漸減小，濕潤體形狀為長軸在垂向的扁平程度逐漸減小的橢球體。同時，在相同沼液配比條件下，生物炭混摻量為1%、2%時，濕潤體扁率小于對照處理，而生物炭混摻量為5%時，濕潤體扁率大于對照處理。

圖7 不同處理濕潤體扁率Fig.7 Different treatments wetting zone flattening rates

2.3.3濕潤體體積

由上述分析可知，間接地下滴灌入滲過程中，土壤濕潤體形狀呈橢球體，試驗各處理濕潤鋒運移距離與時間的關(guān)系也可用冪函數(shù)進行描述(表4)，則濕潤體體積V計算公式為

圖8 不同處理濕潤體體積變化Fig.8 Volume changes of wetted zone under different treatments

(7)

式中r——導水裝置半徑，為3.7 cm

將表4中的參數(shù)代入式(7)計算各處理濕潤體體積，結(jié)果如圖8所示，可以看出，相同沼液配比和入滲時間下，濕潤體體積隨生物炭混摻量的增大而減小，但生物炭混摻量為2%和5%時，濕潤體體積差異較??；相同的生物炭混摻量和入滲時間下，濕潤體體積隨著沼液配比的增大而減小，其中處理Z0B5的濕潤體體積比Z0B0減小了9.54%，處理Z1∶4B0減小了15.82%，處理Z1∶4B5減小了29.02%，這表明：隨著生物炭混摻量和沼液配比的增大，濕潤體體積呈較小趨勢，二者存在交互作用。

2.3.4濕潤體含水率分布

圖9為不同生物炭混摻量和沼液配比下間接地下滴灌濕潤體水分分布情況。由圖9可見，在相同灌水定額下，不同處理的土壤含水率等值線形狀差異不大，均為近似的旋轉(zhuǎn)“橢球體”，線源附近土壤含水率較高，由內(nèi)向外土壤含水率逐漸降低，等值線逐漸密集。處理Z0B0、Z0B1、Z0B2、Z0B5下，土壤高含水率(大于土壤田間持水率，0.306 2 cm3/cm3)分布區(qū)域面積為12.30、64.72、100.41、48.9 cm2，即隨著生物炭混摻量的增大，土壤高含水率分布區(qū)域面積不斷增大，在生物炭混摻量為2%時達到最大值，混摻量為5%出現(xiàn)明顯減?。惶幚鞿0B0、Z1∶8B0、Z1∶6B0、Z1∶4B0下，土壤高含水率分布區(qū)域面積分別為12.30、57.87、68.7、93.27 cm2，表明土壤高含水率區(qū)域面積與沼液配比呈正比，處理Z1∶4B2土壤高含水率分布區(qū)域面積獲得最大值(125.3 cm2)，較對照處理Z0B0增大了10.2倍，即生物炭和沼液配施可增大土壤高含水率區(qū)域面積，二者耦合作用明顯。

3 討論

3.1 土壤持水性能

土壤水分是決定作物生長的關(guān)鍵生態(tài)因子，不僅影響著土壤的理化性質(zhì)及肥力特性，而且直接影響作物的生長和發(fā)育。土壤持水性能制約著土壤對水的吸持和貯存，是土壤水分管理必不可少的研究對象[24]，探究如何提高土壤持水性能，既可改善土壤抗旱性，亦促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收。生物炭具有表面積大、孔隙率高、吸附性強的特點，QIAN等[25]施用生物炭對華南紅壤保水特性影響的試驗，以及BARNA等[26]混摻生物炭對粉壤土物理特性影響的研究結(jié)果均表明，生物炭添加可以改善土壤物理結(jié)構(gòu)并提高土壤持水性能。沼液施用對土壤持水能力的提高也有積極作用，楊樂等[27]、侯冬梅等[28]和YAGUE等[29]的研究結(jié)果表明，施用沼液能夠增大土壤總孔隙度和土壤毛管孔隙度，進而提高土壤的持水能力。ABDO等[30]在聯(lián)合應用生物炭和沼液對土壤水物理性質(zhì)變化的研究中發(fā)現(xiàn)，生物炭和沼液聯(lián)合應用可提高沙土的持水能力，且效果優(yōu)于單施生物炭或沼液。本研究將生物炭和沼液聯(lián)合施用，同樣發(fā)現(xiàn)生物炭混摻和沼液的施用均可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤孔隙度和毛管孔隙度，增加了土壤水分常數(shù)(土壤飽和含水率、殘余含水率、田間持水率和凋萎含水率)，從而提升了土壤的持水能力，進一步論證了生物炭和沼液對土壤持水性能的提高具有耦合效應。其主要原因是生物炭和沼液的微粒填充了土壤的大孔隙(排水孔)，且沼液與土壤顆?？尚纬煞€(wěn)定的土壤團聚體[31]，其顆粒密度低，可通過稀釋效應降低土壤容重，從而改變土壤孔隙的含量和分布，改善土壤的持水性能。

圖9 不同處理濕潤體體積含水率Fig.9 Volumetric water content in wetted zone under different treatments

3.2 土壤飽和導水率

土壤飽和導水率是指土壤全部空隙都充滿水情況下，在單位水勢梯度作用下，通過垂直于水流方向的單位面積土壤的水流通量或滲流速度，是土壤水分和溶質(zhì)運移的重要水力參數(shù)[32]。HERATH等[33]研究表明生物炭的添加提高了粉壤土飽和水力傳導度，而本文的試驗結(jié)果表明，低混摻生物炭量(1%、2%)可降低土壤飽和導水率，而高生物炭混摻量(5%)處理土壤飽和導水率高于低生物炭混摻量處理。存在差異的原因可能是土壤中混摻的生物炭顆粒粒徑不同所致，HERATH等[33]試驗所用生物炭顆粒，粒徑大于1 mm的顆粒占比80%，而本試驗所用生物炭粒徑小于1 mm。這與逄雅萍等[34]研究得出生物炭阻滯土壤水分運移能力，且生物炭顆粒越細越容易導致土壤水分運移能力降低的結(jié)論一致。同時，本研究中土壤飽和導水率與沼液配比呈負相關(guān)，這與鄭健等[35]沼液施用對設施土壤飽和導水率影響的研究結(jié)果相同。主要是由于試驗所用生物炭粒徑較小，當生物炭混摻量較低(1%、2%)時，生物炭的微小顆粒在入滲過程中填充了土體顆粒間的大孔隙，阻擋了土體的滲流通道，從而減少土壤水分入滲；當生物炭混摻量較高(5%)時，生物炭顆?？梢孕纬尚碌?、清晰的排水通道，從而促進了土壤水分的滲透。但隨沼液配比增大，沼液電導率、沼液黏度、沼液干物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)及沼液 pH 值均逐漸增大，而土壤飽和導水率與沼液配比、沼液電導率、沼液黏度、沼液干物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)之間均呈負相關(guān)關(guān)系，與沼液 pH 值呈拋物線關(guān)系[36]，且沼液溶液中微小的懸浮顆粒隨著沼液配比的增加而增多，灌溉過程中沼液中含有的有機懸浮顆粒在施用過程中容易在土壤入滲面形成致密層，影響沼液在土壤中的運移[37]。因此，土壤飽和導水率隨著沼液配比的增大而不斷減小。

3.3 間接地下滴灌濕潤體特征

間接地下滴灌濕潤體形狀為長軸在垂向的扁平程度逐漸減小的橢球體，這與趙偉霞等[23]間接地下滴灌濕潤體形狀表現(xiàn)為扁率不斷減小的橢球體的研究結(jié)論相一致。滴灌中濕潤鋒水平運移距離、垂直向上運移距離和垂直向下運移距離隨時間的變化規(guī)律能夠反映土壤濕潤體的變化規(guī)律[3]。本研究中，相同沼液配比下，隨生物炭混摻量的增大，濕潤鋒垂直向上運移距離X和水平運移距離R逐漸減小，向下運移距離H先減小后增大，這與許健等[38]生物炭添加可以促進微潤灌土壤水分的水平和向下運移，抑制微潤灌土壤水分的向上運移的研究結(jié)果相近。而相同生物炭混摻量下，隨沼液配比的增大，濕潤鋒運移距離X、R、H均減小，這與沼液穴灌入滲中，沼液配比越大，相同時間內(nèi)土壤濕潤鋒運移距離越小的研究結(jié)論相同[39]。說明沼液和低混摻量生物炭(1%、2%)耦合作用可以減小濕潤體體積，增大土壤高含水率(大于0.306 2 cm3/cm3)分布區(qū)域面積，而沼液和高混摻量生物炭(5%)耦合作用使得土壤濕潤體體積與混摻2%生物炭處理相近，并明顯減小土壤高含水率分布區(qū)域面積，即處理Z1∶4B2可以更好地使水分聚集在植物根系附近，滿足作物需水要求，進而提高作物的水分利用效率。

4 結(jié)論

(1)生物炭混摻和沼液灌溉均可以提高土體對水分的吸持能力，且兩者耦合作用效果更加明顯；隨生物炭混摻量的增加和沼液配比的提高，土壤總孔隙度和毛管孔隙度逐漸增加；Van-Genuchten模型能夠準確描述生物炭配施沼液條件下的土壤水分特征曲線。

(2)當沼液配比一定，生物炭混摻量分別為0、1%、2%時，土壤飽和導水率與生物炭混摻量呈負相關(guān)，而當生物炭混摻量為5%時，土壤飽和導水率明顯增大；相同生物炭混摻量下，土壤飽和導水率隨沼液配比的增大而降低。

(3)與沼液配合施用，生物炭混摻量為1%、2%時，可以減小濕潤鋒運移距離，但生物炭混摻量為5%時，濕潤鋒垂直向下運移距離增大，垂直向上和水平方向運移距離減小，存在深層滲漏可能；土壤濕潤體體積與沼液配比和生物炭混摻量成反比；土壤高含水率(大于0.306 2 cm3/cm3)分布區(qū)域面積與沼液配比和生物炭混摻量(1%、2%)成正比，和高生物炭混摻量(5%)成反比；冪函數(shù)能夠準確描述不同處理濕潤鋒運移距離與灌水時間的關(guān)系。

(4)綜合考慮各項指標，處理Z1∶4B2的生物炭混摻量(2%)和沼液配比(1∶4)能夠使間接地下滴灌下的粉壤土獲得較好的土壤水力特性。