生物炭如何影响喀斯特地区覆盖有土壤的山坡上的地表和地下土壤及水分流失？——来自土壤结构的证据

《Journal of Hydrology》：How does biochar affect surface-underground soil and water loss on soil-mantled hillslopes in karst regions? ? Evidence from the soil structure

地表径流和地下裂隙流失的协同调控机制研究：以喀斯特地区生物炭改良为例，通过3年田间试验结合CT扫描技术，揭示了生物炭对土壤孔隙结构（孔隙率提升22.6%，连通性增强0.41）及侵蚀动态（地表流失增14.8%，地下裂隙流失减69.9%）的剂量依赖效应，提出孔隙连通性增加与地下裂隙流失抑制呈正相关（R2=0.82），而孔隙曲折度与地表流失呈正相关（R2=0.76），为喀斯特区生物炭应用提供理论依据。

　　本研究围绕生物炭对土壤结构的调控作用及其对地表与地下土壤和水流失的影响展开，旨在填补目前关于生物炭在喀斯特地区应用效果的研究空白。通过在西南中国的一个喀斯特地区开展为期三年的田间监测实验，研究人员评估了不同生物炭施用量（0%、1.36% 和 2.72%）对径流和土壤流失动态的影响。实验设计中，每种处理方式均设有三个重复组，以确保数据的可靠性。同时，采用高分辨率X射线计算机断层扫描（CT）技术，对土壤孔隙结构的变化进行了量化分析。

研究结果表明，生物炭的添加显著提高了土壤团聚体的数量、孔隙度、孔隙连通性以及孔隙曲折度，同时减少了孔隙通道的长度。这些改善呈现出剂量依赖性，即随着生物炭施用量的增加，其对土壤结构的调节效果更为明显。然而，值得注意的是，生物炭的应用对地表径流和地表土壤流失的影响则不显著，反而在一定程度上有所增加。这可能是因为生物炭改变了土壤的结构，影响了雨水的渗透效率，从而导致地表径流增加。另一方面，生物炭破坏了原有的土壤团聚体结构，降低了其稳定性，使得土壤更容易发生地表侵蚀。

此外，研究还发现，地表土壤和水流失与孔隙连通性和曲折度呈正相关，而与孔隙通道长度和总孔隙表面积呈负相关。相反，地下和裂隙中的土壤和水流失则表现出相反的趋势。这些关系可以通过线性函数进行描述，且相关性较强（R2 = 0.31–0.92，P < 0.05）。这些发现表明，生物炭在喀斯特地区的应用可能对土壤覆盖坡地的地表侵蚀带来一定风险。因此，建议将生物炭与互补的水土保持措施相结合，以实现对地表和地下土壤和水流失的双重控制。

喀斯特生态系统以其复杂的水文地质条件和较高的脆弱性而闻名，占据了全球约12.53%的陆地面积，其中中国西南地区拥有最大的连续分布区域。喀斯特地区的土壤通常较浅，平均厚度小于50厘米，具有较高的水力传导率，并且存在基岩裂隙，这些特征共同促成了其独特的双域水文结构。这种结构不仅影响了水的流动路径，还与土壤的侵蚀过程密切相关，从而加剧了喀斯特地区土壤覆盖坡地的土壤退化和石漠化现象。因此，识别能够同时调节地表和地下土壤和水流失的有效土壤改良技术显得尤为重要。

近年来，生物炭作为一种新型土壤改良剂受到了广泛关注。多项研究表明，生物炭在改善土壤的物理和化学性质、增加碳封存以及减少土壤侵蚀方面具有重要作用。然而，关于生物炭如何影响土壤结构及其与水土流失之间的关系，目前的研究仍存在一定的局限性。一方面，一些研究指出，生物炭的添加可能增加土壤的疏水性，从而阻碍雨水的渗透；另一方面，也有研究认为，生物炭可能会破坏原有的土壤团聚体结构，降低其稳定性，进而增加土壤侵蚀的风险。这些相互矛盾的结果表明，生物炭对土壤的影响并非单一方向，而是受到多种因素的综合影响。

为了深入理解生物炭对土壤结构的调控机制，本研究采用CT扫描技术对土壤的内部孔隙结构进行了系统分析。CT技术能够提供高分辨率的三维图像，使研究人员能够准确测量土壤孔隙的数量、大小、几何形态、连通性、曲折度以及表面积等关键参数。这些参数不仅有助于揭示生物炭对土壤结构的具体影响，还能进一步探讨其与水土流失之间的相互关系。通过对比不同生物炭施用量下的土壤孔隙结构特征，研究人员发现，生物炭的添加显著改善了土壤的物理性质，包括团聚体的形成和孔隙度的提升，从而影响了水的流动路径和土壤的侵蚀特征。

在喀斯特地区，土壤结构的变化对水文过程和侵蚀机制的影响尤为复杂。由于喀斯特地区的土壤通常较浅且具有较高的水力传导率，生物炭的添加可能在一定程度上改变了土壤的渗透特性，从而影响了地表和地下径流的分布。此外，生物炭对土壤团聚体的破坏可能增加了土壤对侵蚀的敏感性，使得地表土壤更容易发生剥离和流失。因此，生物炭在喀斯特地区的应用需要谨慎考虑，特别是在土壤覆盖坡地的环境中，其对地表侵蚀的潜在风险不容忽视。

为了验证这一假设，本研究在自然条件下对喀斯特地区土壤覆盖坡地的土壤进行了系统的分析。通过比较不同生物炭施用量（T1 和 T2）与未施用生物炭（CK）的土壤团聚体分布情况，研究人员发现，生物炭的添加显著增加了土壤团聚体的数量，尤其是在小于0.25毫米的团聚体范围内，其数量增加了141.25%至180.13%。这一结果表明，生物炭在改善土壤结构方面具有显著效果，但同时也需要关注其可能带来的负面影响。

此外，研究还发现，生物炭的添加对土壤的孔隙结构产生了深远的影响。通过CT扫描技术，研究人员能够清晰地观察到不同生物炭施用量下土壤孔隙的分布和变化。结果显示，生物炭的添加不仅增加了土壤的孔隙度，还提高了孔隙的连通性和曲折度，同时减少了孔隙通道的长度。这些变化对土壤的水文过程和侵蚀特征产生了显著影响，表明生物炭在改善土壤结构的同时，也对水的流动路径和土壤的稳定性产生了复杂的影响。

为了进一步探讨生物炭对土壤和水流失的调控机制，本研究还分析了生物炭施用量与土壤侵蚀动态之间的关系。研究发现，生物炭的添加对地表和地下土壤和水流失的影响呈现出不同的趋势。一方面，生物炭的添加显著减少了地下和裂隙中的土壤和水流失；另一方面，地表土壤和水流失则有所增加。这种现象可能与生物炭对土壤结构的改变有关，例如，增加了土壤的孔隙度和连通性，从而影响了水的流动路径和土壤的稳定性。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和先进的CT扫描技术，揭示了生物炭在喀斯特地区土壤覆盖坡地中的应用效果。研究结果表明，生物炭的添加能够显著改善土壤的物理性质，包括团聚体的数量和孔隙度，从而对水的流动路径和土壤的侵蚀特征产生影响。然而，生物炭的应用也可能带来一定的风险，特别是在地表侵蚀方面。因此，建议在实际应用中，将生物炭与其他水土保持措施相结合，以实现对地表和地下土壤和水流失的双重控制。这一研究不仅为生物炭在喀斯特地区的应用提供了科学依据，也为未来的土壤改良和水土保持策略提供了新的思路。