田间老化生物炭对寒冷地区黑土降雨诱发侵蚀及土壤养分空间再分配的影响

《CATENA》：Effects of field-aged biochar on rainfall-induced erosion and soil nutrient spatial redistribution in cold-region black soil

　　

生物炭老化对降雨侵蚀和土壤养分空间分布影响的调查。

在农业土壤中老化7年的生物炭仍能抑制降雨侵蚀。

施用生物炭提高了降雨侵蚀的临界水动力学阈值。

长期生物炭与土壤相互作用降低了土壤养分的随机空间异质性。

引言

降雨侵蚀是全球农业生态系统退化的主要驱动因素，也是影响区域水文过程和粮食安全的关键环境问题（Eekhout and de Vente, 2022; Xiong and Leng, 2024）。随着人口增长和农业生产需求的增加，有限的高质量耕地资源面临越来越大的压力；同时，气候变化下极端降雨事件频率的增加进一步加剧了农业生态系统中土壤结构退化、养分流失、生产力下降和土地退化的风险（Eekhout and de Vente, 2022; Ortiz-Bobea et al., 2021）。从陆地生态和水文的角度来看，降雨侵蚀由雨滴溅落、入渗限制、坡面径流生成、径流剪切和泥沙输移等过程共同驱动，导致表层土壤颗粒、有机质和养分的分离、输移和重新分配，从而破坏农业生态系统稳定性和作物生产潜力（Nearing et al., 2017; Zhao et al., 2024）。因此，开发有效的坡耕地管理实践以修复退化土地和减轻土壤侵蚀对于确保粮食安全和促进农业可持续发展至关重要。

中国东北寒区黑土区（118°53′–135°05′ E, 38°43′–53°33′ N）是世界四大黑土区之一。长期集约化开发和极端降雨事件导致黑土层逐渐变薄、土壤结构退化以及土壤侵蚀风险增加（Borrelli et al., 2020; Sun et al., 2026）。此外，该地区具有显著的季节性冻融循环特征，可改变土壤孔隙结构、团聚体稳定性和入渗能力，从而影响降雨侵蚀过程中的坡面径流生成和泥沙输移（Zhai and Fang, 2023）。作为商品粮生产的主要基地，该地区在保障粮食安全方面也发挥着至关重要的作用。尽管生态恢复措施（如退耕还林还草）可以降低侵蚀风险，但仅依赖这些措施可能与耕地保护和粮食生产要求相冲突。因此，探索集土壤改良、水土保持和肥力维持于一体的管理实践，同时保持坡耕地的农业功能，对于恢复中国东北寒区黑土区退化农田具有重要的实践意义。

生物炭是一种通过生物质热解产生的稳定碳质材料，近年来被广泛用于农业土壤改良和水土保持（Amoah-Antwi et al., 2020; Vahidi et al., 2022; Wani et al., 2023）。由于其高比表面积、分级孔隙结构和丰富的含氧官能团，生物炭可以改善土壤孔隙结构并增强土壤持水和入渗能力，从而调节降雨在土壤入渗和地表径流之间的分配（Ahmadi et al., 2020; Hussain et al., 2020; Kang et al., 2022; Siedt et al., 2021; Sun et al., 2021; Yang and Lu, 2021; Zhang et al., 2021）。增强的入渗能力延迟了坡面径流的起始，减少了径流量，并调节了径流的水动力学特征，从而减弱了地表径流对土壤颗粒的分离和输移能力。同时，生物炭表面的含氧官能团和吸附位点可以促进有机质积累和养分保持（Beusch et al., 2019; Knoblauch et al., 2021）。通过与粘土颗粒、矿物颗粒和有机粘合剂相互作用，生物炭还可以促进土壤团聚体的形成和稳定，从而增强土壤结构稳定性和抗侵蚀能力（Gholamahmadi et al., 2023; Ul Islam et al., 2021; Zhang et al., 2021）。以往在不同尺度开展的研究已奠定了基础。例如，Li等人（2024b）开展的四年连续降雨侵蚀监测研究表明，施用生物炭增强了土壤结构稳定性，并分别将年均径流和土壤流失减少了28%和61%。基于11年长期田间试验，Shi等人（2026）进一步证明，生物炭增加了总孔隙率、广义土壤结构指数（GSSI）和土壤水力传导率，从而显著减少了年均径流和土壤流失，同时提高了作物水分利用效率。然而，生物炭对降雨侵蚀的影响在所有条件下并不一致。例如，Peng等人（2019）观察到，在模拟降雨试验中，施用生物炭的土壤减少了垄间侵蚀潜力，但与未施用生物炭的处理相比，对径流没有影响。在Kumar等人（2019）的研究中，5%和10%的生物炭与土壤混合对压实粉砂土的侵蚀力学没有显著影响。更近的研究中，Yin等人（2023）报告称，生物炭减少了土壤覆盖型喀斯特坡面的潜流和地下径流，但增加了地表径流并加速了表层土壤流失。

这些发现之间的差异可能源于多种因素。一项全球荟萃分析表明，生物炭对降雨侵蚀的影响受生物炭类型、施用率、施用后时间、土壤质地、坡度、降雨强度和环境背景的联合作用。然而，施用后时间往往在以往研究中被忽视（Gholamahmadi et al., 2023）。施入土壤后，生物炭经历逐步老化过程，在此期间发生的显著氧化改变了其表面元素组成，并可能进而影响其与土壤颗粒的结合方式（Huang et al., 2018; Mukherjee et al., 2014）。然而，以往的室内研究持续时间相对较短（通常不超过1年），且缺乏自然环境中发生的温度、湿度等剧烈变化（Wani et al., 2023; Wei et al., 2023）。尽管近年来进行了一些原位田间试验，但考察生物炭老化对降雨侵蚀过程中径流和泥沙产量以及坡面径流水动力学影响的研究仍然稀缺（Peng et al., 2016; Siedt et al., 2021）。生物炭在土壤中的自然老化是一个非常缓慢的过程；因此，相关调查必须依赖长期固定站点实验，而这往往难以实施。因此，此类研究对于推进对生物炭如何缓解降雨侵蚀的理论理解具有重要意义。

此外，在降雨侵蚀过程中，上游径流和泥沙是驱动土壤养分输移和重新分配的主要外力（Li et al., 2018; Wu et al., 2004）。降雨侵蚀对土壤养分输移的影响在很大程度上取决于地形条件（Wu et al., 2022; Zhu et al., 2014）。例如，Gang等人（2008）发现，侵蚀导致的土壤有机质和全氮重新分配与地形指数、泥沙输移指数和坡度显著相关。Luizao等人（2004）发现，侵蚀对土壤养分的影响与小流域的坡面位置密切相关。生物炭与土壤的长期相互作用可以改变微地形条件（如地表粗糙度），从而影响坡面径流和泥沙生成以及土壤养分的输移和重新分配（Kang et al., 2022; Vahidi et al., 2022）。因此，在生物炭老化的背景下，比较降雨侵蚀前后土壤养分空间分布的变化对于理解生物炭如何在侵蚀过程中调节养分输移和重新分配具有重要意义。

基于上述问题，本研究聚焦于寒区黑土区的坡耕地，研究了农业土壤中老化7年的生物炭对降雨侵蚀过程中径流、土壤流失和水动力学参数的影响，并进一步考察了生物炭老化对降雨侵蚀前后土壤养分空间分布的影响。研究结果将为农民和政策制定者提供重要的科学指导，以促进土壤侵蚀控制和农业生产协调发展。

实验区与生物炭

本研究在中国东北松嫩平原的东北农业大学水土保持综合试验站开展（45°44′59″ N, 126°56′34″ E），该区域是世界四大黑土区的一部分。研究区属温带大陆性季风气候，年平均降水量529毫米，其中约65%发生在6月至9月。然而，在全球气候变化的影响下，极端……

土壤流失、径流和土壤侵蚀率的变化特征

如图2所示，与未施用生物炭的处理相比，施用生物炭的处理平均减少了土壤流失、径流和土壤侵蚀率，分别为55.25%、36.91%和42.89%。此外，随着生物炭施用率的增加，对土壤侵蚀的抑制作用增强。具体而言，不同处理下的土壤流失如图2a所示。在坡度为6.3%的坡耕地上，P2和P3处理的土壤流失分别减少了61.87%和87.81%……

农业土壤中生物炭老化对降雨侵蚀的影响

过去几十年开展的大量研究表明，生物炭作为土壤改良剂使用时可以显著改善土壤物理化学性质（Hussain et al., 2021; Li et al., 2023）。然而，现有研究关于生物炭对降雨侵蚀影响的结论存在一定差异。生物炭对降雨侵蚀的影响取决于多种因素，包括生物炭施用率、土壤……

结论

本研究调查了寒区黑土区中老化7年的农业土壤生物炭对降雨侵蚀、水动力学参数和土壤养分空间分布的影响。结果显示，与未施用生物炭的处理相比，施用生物炭的处理分别减少了55.25%、36.91%和42.89%的土壤流失、径流和土壤侵蚀率。此外，随着……生物炭对降雨侵蚀的抑制作用增强……

作者贡献声明

肖兆兴：写作—审阅与编辑、写作—原稿撰写、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。付强：写作—原稿撰写、资金获取、形式分析、概念构思。李天晓：方法论、资金获取、数据整理、概念构思。郑顺利：调查研究、概念构思。刘清泉：验证、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（52579033, 42577373, 52539003, 52422902）、"十四五"国家重点研发计划项目（2025YFD1500105）和黑龙江省杰出青年科学基金（JQ2025E001）的资助。

肖兆兴|付强|李天晓|郑顺利|刘清泉