苹果枝改性生物炭对土壤侵蚀过程的调控效应分析

Analysis of regulatory effects of modified biochar derived from apple branches on soil erosion processes

摘要

目的 生物炭作为一种土壤改良剂，其水土保持效应受到广泛重视，探索改性生物炭对土壤侵蚀防控的应用潜力，为黄土高原坡耕地水土流失综合治理与生物炭高效利用提供理论依据和技术支撑。 方法 研究分析对比了分别添加苹果枝传统生物炭与改性生物炭的黄绵土土壤物理性质，并结合室内模拟降雨试验，探究其在3种雨强（60，90，120 mm/h）下产流产沙特征。 结果 黄绵土中添加传统生物炭可小幅改善土壤物理性质，而添加改性生物炭则会进一步降低土壤紧实度，提升土壤导水与持水能力，优化孔隙结构；整体上，添加改性生物炭坡面的产流时间比对照组和添加传统生物炭坡面分别延长97.49%和87.24%，径流速率和侵蚀速率在小雨强下均为对照组>传统生物炭>改性生物炭，且改性生物炭在中小雨强下减流减沙效益较佳。结合其对土壤物理性质的改良作用，改性生物炭的水土保持综合效果优于传统生物炭。 结论 改性生物炭在土壤侵蚀防控中的综合效果优于传统生物炭，在改良土壤结构，提升水土流失防控水平方面具有重要的实际应用价值。

Abstract

Objective As a soil amendment， biochar has attracted widespread attention for its effects on soil and water conservation. This study aims to explore the application potential of modified biochar in soil erosion prevention and control， thereby providing a theoretical basis and technical support for the comprehensive control of soil and water loss in slope farmland of the Loess Plateau and for the efficient utilization of biochar. Methods The physical properties of loessal soil amended with conventional and modified biochar derived from apple branches were compared， and laboratory simulated rainfall experiments were conducted to investigate the characteristics of runoff and sediment yield under three rainfall intensities （60， 90， and 120 mm/h）. Results The addition of conventional biochar slightly improved the physical properties of loessal soil， while the addition of modified biochar further reduced soil compactness， enhanced soil water conductivity and water retention capacity， and optimized pore structure. Overall， the runoff yield time of slopes amended with modified biochar was extended by 97.49% and 87.24% compared to the control group and slopes amended with conventional biochar， respectively. Under low rainfall intensity， both runoff and erosion rates followed the order of control group > conventional biochar > modified biochar. Additionally， the modified biochar demonstrated good effectiveness in reducing runoff and sediment yield under moderate and low rainfall intensities. Combined with its improvement effects on soil physical properties， the modified biochar exhibited better soil and water conservation performance than conventional biochar. Conclusion The modified biochar has better comprehensive effectiveness on soil erosion prevention and control than conventional biochar， demonstrating important practical application value in improving soil structure and enhancing the prevention and control of soil and water loss.

Graphical abstract

关键词

改性生物炭 / 土壤物理性质 / 模拟降雨 / 坡面侵蚀

Key words

modified biochar / soil physical properties / simulated rainfall / slope erosion

土壤侵蚀作为全球范围内普遍存在的环境问题，不仅会导致坡耕地生产力下降、生态环境恶化，更会对粮食安全和可持续发展构成严重威胁^［1］。生物炭（Biochar）是一种通过热解将有机生物质转化成多孔的碳质固体^［2］，作为一种新型土壤改良剂，常用于坡耕地土壤性质改良^［3-4］，以达到促渗增蓄、减流减沙、蓄水保土等调控作用，同时增加土壤的碳汇能力^［5］，相当于藏碳于土，被誉为“黑色黄金”^［6-7］。近些年来兴起的遗态多孔改性炭可以通过精细调控和功能性掺杂与复合，进一步在孔隙度、含水性、光响应等方面提升生物炭性能，发挥多孔炭材料的优势，有针对性地提升生物炭改良土壤的效果^［8-10］。然而，目前关于这种改性生物炭的水土保持效应研究甚少，导致其调控机理与作用机制仍未明晰。因此，有必要从土壤侵蚀的专业角度开展系统研究，对比传统与改性生物炭添加对坡面土壤侵蚀变化特征及其对侵蚀环境的效应，这将有助于深入了解添加改性生物炭防治坡耕地土壤流失的作用机理与影响机制，为未来生物炭改良土壤的应用方向提供理论基础。

生物炭施入土壤能显著提高土壤pH、盐基饱和度、阳离子交换量、土壤肥力及土壤水肥利用效率^［11］。壤质砂土中添加生物炭的培养试验发现，随着施用量增加，土壤累积入渗量呈线性降低，有助于减少地表径流，从而降低坡面水土流失风险^［12］。Lee等^［13］通过室内模拟降雨发现添加生物炭虽然增加径流量14.8%，但减少侵蚀量19.9%。另有同类室内模拟降雨试验与非生物炭对照组相比，发现施加生物炭可延长产流时间，对径流量和侵蚀量形成有效控制^［14］。此外，生物炭还通过提高土壤团聚体稳定性和有机碳含量，使细沟间侵蚀潜力降低了21.34%^［15］，其中添加2%的生物炭能明显减少径流，进而减少了侵蚀量^［16］。马凌云等^［17］通过长期的田间定位试验，发现2.5%左右的添加量是生物炭影响土壤水分入渗和蒸发的拐点。这些前人研究说明了生物炭添加在土壤质量改良和侵蚀调控方面具有巨大潜力。

虽然传统生物炭添加可以对土壤性质进行调控和优化，但其处理从制备工艺上缺乏针对材料具体应用场景的增益设计。近年来，新兴改性炭的研发取得了显著进展。如遗态多孔炭，该材料能够以液体为主传输介质，实现有机小分子和无机离子的高效流通和交换^［8-10］，其保留了自然界植物在亿万年进化过程中形成的三维精细分级多孔结构，相较于传统生物炭具有结构更加精细、性能更加优异的特点，在优化理论上直接关联坡面侵蚀过程，例如通过提升土壤孔隙度和持水能力，减少产流总量，从而共同影响坡面的整体侵蚀效应，进一步突破传统生物炭在性能调控上的局限，具有重要的研究意义和应用价值。但目前关于这类改性生物炭的相关研究仍缺乏充分的实证试验资料，以验证并阐明其实际调控效应。

鉴于此，本研究从土壤侵蚀专业角度出发，在研究施加传统与改性生物炭的安塞黄绵土土壤性质差异的基础上，进行室内人工模拟降雨试验，同时设置试验对照组，以分析对比传统与改性生物炭施加下黄绵土产流产沙过程的差异及其对不同雨强（60，90，120 mm/h）的响应特征，辨析传统与改性生物炭影响坡面产流产沙过程的关键性质因子，最终筛选出不同雨强条件下的坡面侵蚀防控效益最佳生物炭种类，为生物炭添加防治坡耕地土壤侵蚀的区域化利用途径提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究采用室内人工模拟降雨试验方法，在坡度15°的钢制土槽中分别装入混合2.5%浓度（质量百分比）以苹果枝为原料的传统与改性生物炭进行3个梯度降雨强度（60，90，120 mm/h）的室内模拟降雨试验，同时以未添加生物炭的处理为对照组，设置一组重复组，共计进行18场人工模拟降雨。

1.2 试验材料

本试验供试土壤取自位于典型黄土区丘陵沟壑区的陕西安塞（108°11′—109°26′ E，36°30′—37°19′ N），试验土壤类型为黄绵土，其颗粒组成如下：黏粒含量为8.00%，粉粒含量为60.57%，砂粒含量为31.43%，土壤pH值为8.00。

供试生物炭为苹果树枝加工的生物炭，其由陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司经450~550 ℃在裂解炉、限氧条件下对苹果树枝条进行裂解加工而成。改性生物炭由传统生物炭进一步加工制备：先将干燥的传统生物炭与过硫酸钠溶液（过硫酸钠与去离子水质量比为1∶200）进行混合，浸泡并搅拌2 h后控水晾干，再加入丙烯酸钾溶液（丙烯酸：碳酸钾：去离子水≈6.6∶6.3∶87.1）混合并搅拌至无气泡（4~6 h），经烘干处理后得到改性生物炭。其中干燥传统生物炭、过硫酸钠溶液和丙烯酸钾溶液混合的质量比例为1∶200∶100。此外，所有生物炭样品均通过2 mm筛处理，确保粒径规格统一。生物炭基本性质（表1）与表面形貌（图1）如下。

1.3 土槽准备

本试验中使用钢制可变坡度移动式土槽，包括边界区与中心试验区，中心试验区的尺寸大小为80 cm×60 cm×25 cm（长×宽×深），为本试验产流产沙的观测区域（图2），试验小区和边界区采用完全相同的处理方式填装，其作用为使中心小区受雨滴打击溅出与溅入土壤物质相等，保证片蚀产沙观测值具有准确性。在土槽底部铺设5 cm厚的沙子，沙子上再铺一层透水纱布，保证土层的透水状况与野外自然坡面相近。供试土壤过5 mm筛，控制土壤前期含水量为14%，填装土层深度为20 cm，每层5 cm，共分四层填装，以确保装土的均匀性。

对照组土壤容重设定为1.25 g/cm³，由于每种生物炭的容重不同，故用14%含水率的黄绵土在20 cm×30 cm×20 cm的铁质盒子中装两层（每5 cm装一层），用5 kg钢板从相同高度做不同次数的自由落体，以压实土壤直至其容重达到1.25 g/cm³。然后将此时的自由落体次数应用在生物炭处理上，采用标准环刀法测得传统生物炭的每方生物炭质量为418.6 kg，改性生物炭的每方生物炭质量为582.1 kg。根据计算得到添加传统生物炭的土壤容重为1.19 g/cm³，添加改性生物炭的土壤容重为1.22 g/cm³，最后根据计算所需量进行称量，搅拌均匀后分层装入钢制土槽中，传统生物炭土槽装入黄绵土127.07 kg，生物炭3.11 kg，改性生物炭钢槽装入黄绵土129.66 kg，生物炭2.92 kg。

1.4 模拟降雨与径流泥沙观测

室内人工模拟降雨试验于水土保持与荒漠化整治全国重点实验室人工模拟降雨大厅内进行。降雨设备为侧喷式人工模拟降雨器，侧喷喷头高14.5 m，上喷雨滴高1.5 m，实际降雨高度为16 m，雨滴降落终速可达到自然雨滴降落速度的98%以上。在开始降雨前设置雨强大小分别为60，90，120 mm/h，实际率定雨强大小误差分别在（60±0.54），（90±0.75），（120±2.87） mm/h。每场降雨持续42 min，用标记好序号的径流桶收集径流泥沙。在开始产流后的前6分钟内分别每间隔1 min，2 min，3 min接取一次径流泥沙样，之后每隔3 min接取一次径流泥沙样，直至降雨结束。同时采用高锰酸钾染色示踪法，在收集径流泥沙样时进行坡面水流流速测定。试验过程中时刻关注径流泥沙量变化过程以及侵蚀表土是否出现侵蚀沟。降雨结束后将收集的径流泥沙样品进行称重，然后小心倒掉上清液，将剩余泥沙样品在105 ℃烘箱内放置24 h，至样品恒重后再称重，进而计算产流量和产沙量。

1.5 物理性质测定

在钢槽装填过程中，当土壤从里到外填至倒数第二层时，选取3个环刀采集土样，在重复组钢槽中同样进行取样，共获取6个环刀土样。其中3个环刀土样用于测定土壤饱和导水率与土壤水分特征曲线，另外3个环刀土样则用于测定土壤穿透阻力。土壤容重、水分特征及孔隙度采用标准环刀法测定。将体积为V质量为G₀的环刀放入水中浸泡数小时（在带有网眼的下底盖放一张滤纸），重复称重直至恒重G₁，放置在铺有干沙的平底盘中2 h后，称重G₂，然后将环刀继续置于铺有干沙的平底盘中3 d后称重G₃，最后将环刀置于105 ℃烘箱中烘干至恒重G₄。通过计算可得出：

土壤容重=（G₄-G₀）/W（1）

\mathrm{田间}\mathrm{持水}\mathrm{量}=\frac{G_{\mathrm{3}}-G_{\mathrm{4}}}{G_{\mathrm{4}}-G_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}%（2）

\mathrm{毛管}\mathrm{持水}\mathrm{量}=\frac{G_{\mathrm{2}}-G_{\mathrm{3}}}{G_{\mathrm{4}}-G_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}%（3）

\mathrm{毛管}\mathrm{孔隙}\mathrm{度}=\mathrm{毛管}\mathrm{持水}\mathrm{量}\times \mathrm{土壤}\mathrm{容重}（4）

\mathrm{非毛}\mathrm{管孔}\mathrm{隙度}=\left(\mathrm{饱和}\mathrm{含水}\mathrm{量-}\mathrm{毛管}\mathrm{孔隙}\mathrm{度}\right)\times \mathrm{土壤}\mathrm{容重}（5）

\mathrm{总孔}\mathrm{隙度}=\mathrm{毛管}\mathrm{孔隙}\mathrm{度}+\mathrm{非毛}\mathrm{管孔}\mathrm{隙度}（6）

\mathrm{饱和}\mathrm{含水}\mathrm{量}=\frac{\mathrm{土壤}\mathrm{饱和}\mathrm{质量}-\mathrm{土壤}\mathrm{烘干}\mathrm{质量}}{\mathrm{土壤}\mathrm{烘干}\mathrm{质量}}\times \mathrm{100}（7）

1.5.1 饱和导水率测定

在土壤饱和状态下，精准测量单位时间内流经土样的水量，始终保持环刀与马氏瓶出口上下界面的水头差恒定，结合达西定律计算得出土壤的饱和导水率。由于土壤水运动与温度关系密切，为了方便比较不同温度下所测得的值，应将其换算成 10 ℃时的饱和导水率K₁₀（mm/min）：

K_{\mathrm{10}}=\frac{\mathrm{10}QL}{\mathrm{A}\mathrm{T}(L+h)(\mathrm{0.7}-\mathrm{0.03}t)}（8）

式中：K₁₀为10 ℃时的饱和导水率（mm/min）；Q为时段内入渗的水量（cm³）；T为入渗时段时长（min）；L为环刀中的土层的厚度（cm）；A为环刀横截面面积（cm²）；h为水头高度（cm）；t为进行试验时马氏瓶中水温（℃）。

1.5.2 土壤水分曲线确定

在恒温为20 ℃条件下设置11组离心机转速模拟各种土壤吸水条件（0.001，0.01，0.02，0.04，0.06，0.08，0.1， 0.2， 0.4， 0.6， 0.8 MPa），测量每组转速下土壤质量以及环刀中土壤高度，得到相应的土壤重量含水量和此时土壤容重，并根据容重将重量含水量转换为体积含水量。

\mathrm{土壤}\mathrm{重量}\mathrm{含水}\mathrm{量}=\frac{M_{\mathrm{2}}-M_{\mathrm{1}}}{M_{\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（9）

式中：M₁为烘干土重；M₂为此转速下失水后土壤的重量。

\mathrm{土壤}\mathrm{体积}\mathrm{含水}\mathrm{量}=\mathrm{土壤}\mathrm{重量}\mathrm{含水}\mathrm{量}\times \mathrm{容重}（10）

1.5.3 穿透阻力测定

将饱和的环刀土样放入45°烘箱，在各个时间下（0，3，6，9，12，18，24，36 h）称重以确定此时土壤体积含水量，并用微型土壤贯入仪测定穿透阻力，在梯度时间中土壤体积含水量最接近处理组田间持水量时获取穿透阻力值。

1.6 数据分析

本文采用Excel软件进行数据分析，Origin软件绘图，SPSS软件进行方差分析。在获得土壤吸水量和体积含水量后，在R程序中使用Van Genuchten方程拟合水分特征曲线得出重要参数（r，a，n）及拟合优度（R²）^［18］。

\theta =r+\frac{S-r}{〔\mathrm{1}+{\left(\alpha ·|\psi {|}^n\right)}^{\mathrm{1}-\mathrm{1}/n}〕}（11）

式中：θ为体积含水量（m³/m³）；S为饱和含水量（m³/m³）；r为残余含水量（m³/m³）；ψ为水势（hPa）；a和n为拟合参数。

2 结果与分析

2.1 传统与改性生物炭添加对土壤物理性质的影响

传统生物炭与改性生物炭对土壤物理性质的影响呈现出一定的差异（表2）。与对照组相比，传统生物炭施加后，穿透阻力降低19.23%，饱和导水率提升33.33%。然而，其对饱和含水量仅提升0.69%，田间持水量提升1.82%，说明传统生物炭虽能改善水分传导，但在水分吸持的基质势层面，对土壤颗粒表面能的调控有限。与传统生物炭相比，改性生物炭穿透阻力降低了9.52%，饱和导水率、饱和含水量和田间持水量分别提升6.25%，3.82%和10.84%，表明改性生物炭表面丰富的极性官能团可吸附更多水分子，形成稳定的水分吸附层。毛管持水量与毛管孔隙度方面存在小幅提升，分别为0.91%和0.46%，非毛管孔隙度则提升4.59%，最终总孔隙度提升3.36%，表明相比于传统生物炭，添加改性生物炭的黄绵土土壤紧实度降低、水分传导与持蓄能力协同增强。

传统与改性生物炭施加下的土壤水分特征曲线参数（r，a，n）及拟合优度（R²）显示，所有处理的R²值均高于0.98（表3），表明Van Genuchten模型对各处理组土壤水分特征的拟合效果优异，参数能可靠反映土壤持水与释水特性。从具体参数差异来看，改性处理对土壤水分特征的影响体现在残余含水量（r）方面，改性生物炭施入土壤后r值升高，说明其表面吸附能力增强，提升了土壤对束缚水的持留潜力。a和n表示Van Genuchten模型的形状参数，改性生物炭添加后a和n值显著升高，表明该处理下土壤进气值降低，在低吸力条件下即可快速释水，供水能力增强，水分释放更集中，可能在特定吸力区间快速完成释水。

2.2 添加传统与改性生物炭坡面产流量的变化

不同生物炭处理对坡面次降雨径流量的调控效应存在明显的变化差异（图3）。对照组次降雨径流量均值为29.07 L/m²，传统生物炭组均值为31.13 L/m²，改性生物炭组均值仅为18.36 L/m²，与对照组相比，改性生物炭处理使径流量降低36.84%，与传统生物炭处理相比降低41.02%。尽管3种处理间差异不显著，但从箱线图的分布特征与均值降幅仍可明确生物炭对径流量的调控效应，改性生物炭组的箱体整体最低，反映其对径流量的集中水平更低且波动更可控，而传统生物炭组的箱体和最大值均为最高，径流量整体水平偏高且波动较大，说明改性生物炭在调控坡面径流方面具有更优的潜力。

传统与改性生物炭施加后的坡面土壤产流过程对雨强的响应存在差异（图4），对照组与添加传统生物炭的坡面产流过程变化趋势较为一致，径流速率在产流开始后的15 min内快速增加，随后呈现缓慢上升趋势。而添加改性生物炭的处理在60 mm/h与90 mm/h下径流速率增长较为缓慢，小雨强下径流速率均呈无添加对照组>传统生物炭>改性生物炭处理组，中雨强下传统生物炭处理组径流速率在前期最大，在降雨中后期与对照组基本重合，径流速率的增速低于对照组，说明在降雨后期仍有一定的调控作用。在120 mm/h下，添加改性生物炭的处理依旧保持降低坡面产流的优势，但传统生物炭处理下的径流速率超越对照组居于首位。随着雨强增大，各处理下的坡面产流时间提前，但整体上添加改性生物炭处理的开始产流时间比对照组和添加传统生物炭坡面延长97.49%和87.24%，分别在15.40 min（60 mm/h），6.42 min（90 mm/h）和2.18 min（120 mm/h）开始产流，体现出改性生物炭在延长产流时间上的普适性优势。

在不同雨强条件下，传统与改性生物炭对产流量的调控效应呈现一定差异（图5）。随雨强梯度提升，各处理下的次降雨径流量总体呈上升趋势。60 mm/h时，对照处理的次降雨径流量为施加传统生物炭和改性生物炭处理的1.20倍和5.31倍，传统与改性生物炭施加下的减流效益为16.17%和81.22%，表明在此雨强下，相比于传统生物炭处理和对照处理，改性生物炭对次降雨径流量的削减效果显著，而传统生物炭虽有一定的调控效果但与对照组间的差异不显著。90 mm/h时，传统生物炭处理下径流量较对照组无显著变化甚至略有增加，改性生物炭仍能大幅且显著地削减径流量，减流效益为42.11%。120 mm/h时传统生物炭处理下径流量仍高于对照组，改性生物炭处理下的径流量虽与其他两组无显著差异，但仍保持较好的减流效益，降低了16.96%径流量。整体而言，在不同雨强下，相比于传统生物炭处理和对照处理，改性生物炭均能有效削减次降雨径流量，体现出其在不同雨强条件下的稳定调控能力。

2.3 添加传统与改性生物炭坡面产沙量的变化

不同生物炭处理对坡面次降雨侵蚀量的调控效应存在明显的趋势差异（图6）。对照组次降雨侵蚀量均值为252.77 g/m²，传统生物炭组均值为295.97 g/m²，改性生物炭组仅为166.23 g/m²，与对照组相比，改性生物炭处理使侵蚀量降低34.24%，与传统生物炭处理相比降低43.83%，传统生物炭随雨强变化波动性强。尽管受限于当前样本量，各组间差异未达到统计学显著水平，但从其分布特征仍可明确改性生物炭在调控坡面侵蚀产沙方面具有更优的效果。

在不同雨强梯度下，两种生物炭处理的土壤侵蚀速率随降雨历时的动态变化呈现出明显的规律特征与类型差异（图7）。60 mm/h下对照组侵蚀速率在开始产流后的3 min内快速攀升，达到峰值8.17 g/（m² · min）后逐渐下降，然后在28 min左右侵蚀速率又呈缓慢上升趋势。添加传统生物炭的处理在开始产流后12 min达到峰值5.17 g/（m² · min），后逐渐下降，侵蚀速率稳定在2.17 g/（m² · min）左右。添加改性生物炭的处理则在开始产流后10 min达到峰值2.11 g/（m² · min），此后一直呈下降趋势。90 mm/h下各处理下的侵蚀速率大小为无添加对照组>传统生物炭>改性生物炭，与60 mm/h下的坡面侵蚀速率一致，反映了未改良土壤抗侵蚀能力弱，易发生较为严重且持续的土壤侵蚀；传统生物炭处理表现出一定的侵蚀防治作用但效果有限，而改性生物炭处理可有效提升土壤的抗侵蚀能力，显著减少坡面侵蚀过程中土壤颗粒的流失。120 mm/h下各处理的侵蚀速率均呈先下降后上升趋势，其中添加传统生物炭处理的侵蚀速率在26 min左右超越了对照组的侵蚀速率，且在38 min左右超越传统生物炭处理。这反映出单一改性生物炭的改良效益存在一定局限性，其在大雨强降雨事件中的减沙效益较弱，且随降雨历时的增加可能会加剧坡面土壤流失风险，这一结果为区域化的水土流失侵蚀防控提供了基础支撑。

不同雨强条件下，传统与改性生物炭对坡面产沙的调控效应呈现明显差异（图8）。在中小雨强下，传统生物炭和改性生物炭均能发挥抗蚀减沙作用。60 mm/h时传统生物炭处理的次降雨侵蚀量为172.68 g/m²，相较对照减沙10.01%；改性生物炭处理的次降雨侵蚀量仅为85.74 g/m²，相较对照减沙50.91%，减沙效果更突出。90 mm/h时传统与改性生物炭处理下的次降雨侵蚀量增大，减沙效益分别减少了33.52%和30.38%。120 mm/h时传统与改性生物炭处理组均可促进坡面产沙，但改性生物炭处理仍较传统生物炭处理的产沙量低35.64%。这反映出在极端降雨条件下，传统生物炭的改良作用有限，甚至会产生负面效果，改性生物炭虽相对较好，但也受到大雨强的较大影响，后续若要在大雨强区域应用生物炭改良土壤，可能需要结合其他水土保持措施，或者对生物炭进行进一步优化，以提升其在高强度降雨下的抗侵蚀性能。

2.4 不同生物炭添加下影响坡面产流产沙的土壤物理性质综合分析

为进一步探索生物炭添加、土壤物理性质与侵蚀响应之间的关联趋势，本研究进行了多变量相关性分析和主成分分析（PCA）。需要明确指出的是，由于本试验设计的样本量有限（n=18），这些分析主要旨在揭示数据集中存在的内在模式和变量间的协同变化趋势，其结果为形成研究假设提供方向性参考，而非进行严格的统计推断。多变量相关性热图和主成分分析双标图系统显示了一些值得关注的趋势（图9）。多变量相关性热图（图9A）显示添加生物炭与容重、穿透阻力等反映土壤紧实度的土壤物理指标呈现出较强的负相关性，这意味着不添加生物炭时，土壤更易处于紧实状态，孔隙空间易被压缩；同时，添加生物炭与饱和导水率、饱和含水量等有利于土壤水分持留与传导的指标呈正相关，表明生物炭添加会提升土壤的水分传导与存储能力。生物炭是否改性与对水分入渗有利的孔隙指标以及产流量、产沙量等反映土壤侵蚀状况的指标存在不同程度的关联，研究显示添加改性生物炭对土壤物理性质有显著的优化效果，抑制产流产沙的发生。同时，产流量与产沙量间的显著正相关关系也验证了产流与产沙的协同效应。

在主成分分析双标图中（图9B），第一主成分（PC₁）解释了59.9%的方差，第二主成分（PC₂）解释了20.5%的方差，二者共同承载了约80.4%的变异信息，能够较好地概括数据集中的主要变异特征，不同处理组呈现出较明显的分类特征。从样本的空间分布特征来看，对照组、添加传统生物炭处理以及添加改性生物炭处理的样本呈现出一定程度的分组聚集效应。具体来看，对照组主要与穿透阻力和容重相关，这两个指标是土壤自身相对稳定的固有特性，添加生物炭后较难产生显著改变。改性生物炭则与土壤导水特性和孔隙性质紧密关联，表明添加改性生物炭后，可能改变土壤的导水性能与孔隙性状，进而调整土壤水分传导和存储的物理结构。传统生物炭处理样本虽有改良，但与雨强、产流量等侵蚀性指标关联更紧密，说明传统生物炭的改良作用主要集中在土壤侵蚀性状方面，对土壤导水和孔隙的改良效果有限。

3 讨 论

本研究聚焦于传统与改性生物炭对土壤物理性质的改良效应，并探讨了不同雨强对不同类型生物炭添加调控坡面土壤产流产沙效应的影响机制。传统生物炭呈大块状，表面致密且平滑，缺乏微孔或高粗糙度特征，改性生物炭比表面积较传统生物炭增加38.21%，且孔隙分布更均匀更丰富，较传统生物炭增加114.69%，同时表面出现大量凹凸不平的褶皱与颗粒状凸起，这可能有助于改善土壤结构，增加土壤孔隙度，提升土壤持水能力与入渗速率，进而为减少地表径流与土壤侵蚀提供良好基础。

生物炭的添加对土壤理化性质影响的试验结果显示，其增加了土壤孔隙结构，为水分运移提供额外通道，从而降低土壤穿透阻力，提升饱和导水率，这与我们上述推测以及众多研究中生物炭改良土壤物理性质的结论一致^［19-20］。然而，传统生物炭对水分吸持相关指标改善有限，可能是因其表面官能团数量不足，对土壤颗粒表面调控作用较弱，且毛管孔隙度上升与非毛管孔隙度降低说明传统生物炭可能在一定程度上填充了大孔隙，影响了水分的快速下渗与气体交换的平衡。改性生物炭延续并增加了原料的多孔结构及多维形态特征，具有良好的多级孔径分布特征^［21］，施入土壤使得土壤毛管孔隙与非毛管孔隙的协同优化，既保障了土壤对水分的吸持与储备，又提升了其导水和通气效率。研究结果显示与传统生物炭处理组相比，改性生物炭处理组进一步优化了土壤孔隙连通性，使穿透阻力降低9.52%、饱和导水率提升6.25%，这种功能的平衡与强化，直接构建了更利于水、气、养分协同传输的土壤物理环境。同时，改性生物炭的施加明显提升饱和含水量与田间持水量，进一步证实其在改善土壤保水性能、增强抗旱潜力方面的突出优势。综合来看，改性生物炭相较于传统生物炭，在改善土壤物理性质，构建更优水分运移与存储环境方面具有显著优势。

雨强是影响产流产沙的关键因素，其对传统与改性生物炭调控效应的影响存在显著差异。在小雨强下，改性生物炭减流减沙效果远优于传统生物炭，这是因为小雨强下降雨量较小，保障了降雨就地充分入渗，使得改性生物炭优化后的孔隙结构能充分发挥水分吸持与入渗促进作用^［22］，延缓产流起始时间，减少径流对土壤颗粒的搬运。中雨强时，传统生物炭减流效益不显著，而改性生物炭仍能削减42.11%径流量，这是由于中雨强下降雨量接近传统生物炭改良土壤的入渗承载上限，其孔隙结构对水分的调控能力受限，而改性生物炭有更强的持水与导水协同能力，仍能发挥调控作用。但在大雨强下，降雨动能大、入渗时间短，生物炭对土壤结构的改良难以抵御高强度降雨的击溅与冲刷，甚至生物炭自身可能因土壤团聚体被破坏而随径流流失，故而会发生传统生物炭促流产沙现象，这与一些研究结果相类似^［23］，改性生物炭虽在减流方面仍有一定效果，但减沙优势大幅减弱，与无添加生物炭的对照组相差无异，体现出单一生物炭改良在极端降雨下的局限性。

综合雨强梯度与土壤物理性质的协同作用，改性生物炭展现出更优的土壤侵蚀调控潜力。从土壤物理性质看，改性生物炭通过优化孔隙网络、增强表面水分吸附，显著改善了土壤持水与导水的协同性^［24］，为减流减沙提供了关键的物理条件，这与主成分分析中其样本与毛管孔隙度、总孔隙度等利于水土保持指标高度契合的结果一致。从雨强响应看，尽管在大雨强下生物炭添加效果有所衰减，但相较于传统生物炭，改性生物炭在中小雨强下能稳定且显著地削减径流量与产沙量，且在大雨强下仍相对优于传统生物炭。结合我国大部分地区降雨以中小雨强为主的气候特征^［25-27］，改性生物炭在这些区域的水土流失防控中具有广阔应用前景。

本研究作为一项探索性工作，对比了以苹果枝为原料的改性生物炭与传统生物炭对黄绵土坡面侵蚀过程的调控差异。由于当前的试验设计在样本量上存在局限性，因此，文中进行的相关性分析与主成分分析应被视作揭示变量间潜在关系和数据内在结构的探索性工具，其主要是为“改性生物炭通过优化土壤物理结构来抑制侵蚀”这一核心假设提供强有力的趋势性证据和机理解释方向，而非用于严格的统计显著性检验。以上分析结果与土壤物理性质测定和侵蚀过程观测的结果相互印证，共同支撑了本研究的主要结论。未来的研究将通过设置多梯度生物炭添加量、增加重复次数至统计学要求，并引入更强大的多元统计方法，以量化各因子的作用路径与贡献率，从而为我们所观察到的现象提供更坚实的统计基础和完善的理论框架。同时，本文主要关注于改性生物炭添加对黄绵土土壤产流产沙的特征，而在田间的实地验证研究中，由于改性生物炭是在传统基础上进行材料加工后获取的，因此在实施成本上较传统生物炭的更高。后续研究应量化改性生物炭在土壤肥力改良与产能增益中的经济收益，在考虑实施成本的基础上系统定量评估其净经济效益，最终据此遴选出兼具耕地生产力提升与水土保持功能协同增效的最优生物炭施用模式，从而为区域化技术推广提供经济可行的决策依据。

4 结 论

（1） 传统与改性生物炭对土壤物理性质的改良效果呈现差异化效应：传统生物炭可降低土壤穿透阻力、提升饱和导水率，但对水分吸持指标改善有限；改性生物炭则在此基础上进一步优化紧实度与导水性，显著增强水分吸持能力，协同提升毛管与非毛管孔隙功能，增加总孔隙度。

（2） 随雨强梯度变化，黄绵土添加传统与改性生物炭后的减流减沙效能呈差异化响应特征：60 mm/h下二者均有效且改性生物炭更优，90 mm/h下传统生物炭效能衰减而改性生物炭仍有效，120 mm/h下二者效能均受抑制但改性生物炭仍保留一定调控潜力。

（3） 结合土壤物理性质测定、侵蚀过程观测以及多变量数据分析所揭示的趋势，本研究认为改性生物炭在土壤侵蚀防控中的综合效果优于传统生物炭。后续需结合成本量化其经济收益并评估净效益，选出最优施用模式，为坡耕地区域推广提供可行的经济最优依据。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42361144707)

国家自然科学基金项目(42177338)

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