苹果枝生物炭长期施用对黄土高原土壤抗剥离能力的增强机制及模型构建

本研究通过三年田间试验，系统探究了苹果枝生物炭不同施用量(24-168 t ha?1)及施用年限对黄土高原土壤剥离能力(Dc)的影响。研究发现生物炭通过提升土壤团聚体平均重量直径(MWD)、黏聚力(COH)和总有机碳(TOC)显著降低Dc，最高可减少93%，并建立了基于剪切应力(τ)和关键土壤参数的预测模型，为退化坡耕地侵蚀防控提供了理论依据。

　　

在黄土高原这片被誉为"中华民族摇篮"的土地上，严重的土壤侵蚀正威胁着农业可持续发展。该地区年均土壤侵蚀模数高达5000-10000 t km^?2，导致耕地退化和生产力下降。虽然"退耕还林"工程取得成效，但未退耕坡地的耕作强度增加反而加速了土壤退化。生物炭作为一种具有改良土壤和固碳潜力的材料，其应用效果却存在争议——部分研究表明高用量生物炭反而会增加土壤流失，这种矛盾现象背后的机制亟待阐明。

中国科学院水土保持研究所安塞站的研究团队开展了为期三年的田间试验，系统研究了苹果枝生物炭不同施用量(0、24、60、96、132、168 t ha^?1)对土壤剥离能力(D_c)的影响。研究采用水槽冲刷实验测定D_c，结合土壤理化性质分析，揭示了生物炭影响土壤抗侵蚀能力的内在机制。

关键技术方法
研究在坡度5.24%-40.40%和流量0.00025-0.00065 m³ s^?1条件下，使用长4m的水槽进行冲刷实验测定D_c。采用湿筛法测定团聚体平均重量直径(MWD)，便携式十字板仪测定黏聚力(COH)，元素分析仪测定总有机碳(TOC)。通过随机森林分析和结构方程模型(SEM)解析各因素对D_c的影响路径。

研究结果

3.1 生物炭对土壤性质的影响
生物炭施用显著改变了土壤性质，使总有机碳(TOC)平均增加295%，团聚体平均重量直径(MWD)提高24%，黏聚力(COH)增强41%，同时降低容重(BD)11%。这些改善效果随施用年限延长而增强，三年后所有生物炭处理的土壤性质均显著优于对照。

3.2 生物炭对土壤剥离能力的影响
生物炭整体使D_c降低24%。施用1-2年后，中低用量(24-96 t ha^?1)使D_c降低6%-80%，而高用量(132-168 t ha^?1)反而使D_c增加45%-59%。到第三年，所有生物炭处理均使D_c降低48%，且高用量的效果最显著。

3.3 影响D_c的关键因素
剪切应力(τ)是最佳水力参数，重要性达16.2%。短期(1-2年)内MWD和COH是影响D_c的主要因素，而长期(3年)TOC的作用凸显。结构方程模型显示，生物炭通过直接降低BD(-0.87)和提升MWD(0.58)、TOC(0.96)间接影响D_c。

3.4 D_c预测模型
建立的幂函数方程能准确预测D_c，前两年采用τ、MWD和COH(R²=0.95)，第三年加入TOC(R²=0.91)。如2020年模型：D_c=e^?6.936MWD^?3.460COH^?0.131τ^4.529TOC^?0.012。

研究结论与意义
本研究首次阐明了生物炭施用年限和用量对D_c的交互影响机制：短期效果取决于物理吸附作用(MWD和COH)，长期效果则依赖于生物炭碳的逐渐转化(TOC)。创新性地提出了分期预测模型，为精准评估生物炭的水土保持效益提供了工具。实践表明，在黄土高原坡耕地，采用≥96 t ha^?1生物炭并保证3年以上的转化时间，可获得最佳抗侵蚀效果。该成果发表于《International Soil and Water Conservation Research》，为退化农田修复和"碳中和"目标下的生物炭合理应用提供了重要科学依据。