生物炭和灌溉策略优化对干旱及半干旱地区土壤水分分布及马铃薯产量的影响：基于HYDRUS-2D和AquaCrop的模拟研究

《European Journal of Agronomy》：Effects of biochar and irrigation strategy optimization on soil water distribution and potato yield in arid and semi-arid regions: A simulation study based on HYDRUS-2D and AquaCrop

生物炭不同热解温度（300°C、500°C、700°C）和施用量（10t/ha、20t/ha、30t/ha）对半干旱区土壤水分动态及马铃薯产量的影响研究，采用HYDRUS-2D和AquaCrop耦合模型模拟显示，500°C、20t/ha处理（C2T2）土壤水分保持能力最优，较对照提升30.8%和48%的持水和根区吸水效率，同时灌溉水生产率提高至28.6kg/m3，极端降雨年最优灌溉策略为102mm配500°C生物炭。研究为半干旱区马铃薯种植的可持续水肥管理提供理论支撑。

　　

郭嘉伟|周慧|王永强|范明寿|王梅荣|刘鹏|尚志辉|贾立国

内蒙古农业大学农学院，中国呼和浩特 010019

摘要

生物炭被广泛认为是一种有效的土壤改良剂，具有很强的保水能力。然而，不同热解温度下制备的生物炭对土壤水分运动的影响尚不清楚，而且长期、定量的评估受到时间和成本的限制。为了解决这一知识空白，2023年至2024年在中国阴山山脉北部山脚下进行了一项为期两年的田间实验，以评估生物炭热解温度（T1：300°C，低温；T2：500°C，中温；T3：700°C，高温）和施用量（C1：10吨/公顷，低剂量；C2：20吨/公顷，中等剂量；C3：30吨/公顷，高剂量）对土壤水分分布和马铃薯产量的影响。使用HYDRUS-2D模型模拟了干旱气候条件下不同生物炭热解温度和施用量下的土壤水分动态和水分平衡。随后，应用AquaCrop模型模拟了各种生物炭和灌溉情景下的马铃薯产量。通过多目标优化确定了适合中国北方马铃薯生长季节的最佳生物炭-灌溉组合，目标是实现产量稳定和最大灌溉水利用效率。HYDRUS-2D模拟结果表明，C2T2处理具有最佳的保湿能力。与对照组相比，土壤水分保持能力和根系吸水量分别增加了30.8%和48%，而土壤蒸发量和土壤渗漏量分别减少了40.9%和75.9%。AquaCrop模拟显示，在正常降雨条件下，灌溉量为162毫米时，施用500°C生物炭（20吨/公顷）可以提高灌溉水利用效率（28.6千克/立方米）和马铃薯产量（46.41吨/公顷）。在极端降雨年份，500°C生物炭（20吨/公顷）和102毫米灌溉的组合是实现高马铃薯产量同时节约用水的最佳管理策略。这些发现为阴山山脉山脚下及类似半干旱沙壤土地区的生物炭和滴灌优化管理提供了理论基础，并可能为类似环境中的可持续农业实践提供参考。

引言

内蒙古阴山山脉北部山脚下是中国干旱和半干旱地区重要的粮食生产区，马铃薯在当地农业生产及区域粮食安全中起着关键作用（Wang等人，2023年）。然而，随着社会经济的快速发展和农业集约化的增加，水资源短缺以及土壤物理化学性质的退化已成为限制该地区马铃薯产量和生产力进一步提高的主要因素（Zhang，2018年）。近年来，由于生物炭在改善干旱和贫营养地区农业生产方面的巨大潜力，它受到了广泛关注（Diatta等人，2020年；Mosa等人，2023年）。了解土壤改良过程中的土壤水力性质变化至关重要，因为这些性质不仅决定了土壤质量，还在优化土壤水分分布和提高农业系统灌溉水利用效率中起着核心作用。因此，阐明干旱和半干旱地区生物炭改良过程中土壤水分迁移和转化的机制对于实现可持续农业发展至关重要。

由于其独特的物理化学特性，生物炭有潜力改善土壤性质并优化土壤水分分布。一方面，生物炭的低容重可以降低土壤容重并增加土壤孔隙度，从而增强土壤水分储存能力（Andrenelli等人，2016年）。另一方面，生物炭富含羟基和羧基等官能团，具有强大的离子吸附和交换能力，显著提高了土壤水分和养分的保持能力（Gu等人，2022年）。此外，生物炭的高孔隙度和亲水性含氧官能团可以改变土壤的持水特性，使作物能够保留更多可利用的水分（Razzaghi等人，2020年）。然而，先前的研究也报告了生物炭对土壤水力性质的中性甚至负面影响。例如，Hardie等人（2014年）发现生物炭施用30个月后，土壤含水量和植物可利用水分并未改善。Phillips等人（2020年）报告说，生物炭的添加加速了灌溉后的水分流失，导致土壤含水量减少。这种不一致的效果很大程度上归因于生物炭性质、施用量、气候条件和土壤类型的变化（Toková等人，2020年）。热解温度是决定生物炭元素组成、孔结构、比表面积和灰分含量的主要因素之一（He等人，2018年；Tomczyk等人，2020年）。一般来说，高温热解制备的生物炭往往比低温生物炭具有更高的孔隙度和更好的保水能力（Yang等人，2021年）。然而，当热解温度达到约700°C时（例如小麦秸秆生物炭），微孔结构可能会受损，导致比表面积减小，从而降低持水能力（Chun等人，2004年）。Ghorbani等人（2022年）证明，550°C下制备的生物炭在改善土壤团聚体和保水方面表现最佳，而当热解温度升高到650°C时，这些好处减弱。除了热解温度外，生物炭施用量也是影响土壤结构和土壤保水能力的另一个关键因素（Zhao等人，2020年）。研究表明，随着生物炭施用量的增加，土壤含水量通常会增加，但过量施用可能导致土壤含水量超过某个阈值后下降（Li等人，2018年）。尽管有这些发现，系统研究生物炭热解温度和施用量对土壤水分运动、根系吸水量和土壤水分平衡的综合影响的研究仍然有限。此外，由于时间和劳动力成本的限制，能够全面描述土壤水分迁移过程的空间和时间分析仍然缺乏。

随着土壤水分流动理论的不断发展和数值模拟技术的进步，HYDRUS（2D/3D）模型已被广泛用于模拟各种边界条件和管理情景下的土壤水分运动，包括不同的灌溉策略（?im?nek等人，2024年）。Liu等人（2013年）模拟了塑料膜覆盖滴灌下的土壤水分动态，并报告了高模拟精度，土壤含水量的均方根误差仅为0.04立方厘米/立方厘米。Ahmad等人（2018年）使用HYDRUS-2D模拟了不同耕作深度下的土壤水分分布、根系吸水量和水分平衡，表明每2-3年进行一次深耕可以改善半干旱条件下沙壤土的水分分布和根系吸水量。Wang等人（2024年）通过HYDRUS-2D模拟表明，优化灌溉定额显著减少了深层渗透损失并提高了根系吸水效率，从而节约了灌溉用水并降低了生产成本。

总体而言，HYDRUS模型非常适合模拟滴灌和生物炭改良条件下的土壤水分动态，并基于土壤水分平衡优化灌溉定额。然而，HYDRUS-2D无法模拟作物生长过程或作物对管理措施的响应。

作物生长模型能够明确描述作物生长和对田间管理措施的产量响应，已成为扩展田间实验和支持灌溉调度和管理优化的不可或缺的工具。常用的马铃薯生长模拟模型包括CropSyst、WOFOST、AquaCrop和DSSAT。其中，AquaCrop具有参数数量少、操作简便和模拟性能稳健等优点（Huang等人，2022年）。该模型已成功应用于马铃薯生长模拟和生产管理策略的制定，并在其适用于生物炭改良条件下的有效性得到了验证（Montoya等人，2016年；Huang等人，2022年）。因此，本研究结合了HYDRUS-2D和AquaCrop模型来研究不同灌溉制度对马铃薯产量和灌溉水利用效率的影响。这种耦合建模方法弥补了AquaCrop在模拟详细土壤水分动态和准确表示滴头位置方面的局限性，同时也克服了HYDRUS无法模拟作物生长过程的问题。因此，它使得土壤-作物-水系统的模拟和优化更加全面和精确。

目前，关于生物炭热解温度和施用量相互作用下土壤水分动态的模拟仍然很少，尤其是在整合HYDRUS和AquaCrop模型的背景下。仍需系统研究生物炭对土壤水分平衡和灌溉策略优化的调节机制。因此，本研究的目标是：（1）校准和验证HYDRUS-2D模型中生物炭改良土壤的土壤水力参数；（2）使用HYDRUS-2D模拟生物炭施用下的马铃薯田土壤水分动态、根系吸水量和水分平衡；（3）评估AquaCrop在模拟冠层覆盖、生物量、产量和土壤水分储存方面的性能；（4）优化灌溉策略，以提高灌溉水利用效率，同时保持稳定的马铃薯产量。

实验地点

2023年至2024年，在位于阴山山脉北部山脚下的乌兰察布市Kebuer科技庭院进行了为期两年的田间研究（坐标：41°18′09″，122°33′27.24″，海拔1780米）。该地区具有典型的温带大陆性气候，年平均温度为1.4°C。长期平均蒸发量约为2000毫米，年降水量约为300毫米。具体细节见

土壤水分保持特性

生物炭的施用增加了土壤饱和含水量和田间持水量，同时降低了萎蔫点（图4和图5）。随着生物炭热解温度和施用量的增加，饱和含水量和田间持水量最初增加，随后下降，在C2T2处理下观察到了最大的改善。在0-20厘米的土壤层中，C2T2处理下的饱和含水量和田间持水量分别增加了4.6%–19.3%和7.1%–26.2%

生物炭对土壤水力性质和产量的影响

许多研究表明，生物炭的施用可以有效改善土壤水力性质，从而促进作物生长并增加作物产量（Liu等人，2021年；Wang等人，2022年；Hou等人，2023年）。在本研究中，我们发现生物炭的施用显著改善了土壤水力特性，包括饱和含水量、田间持水量和土壤含水量（图4和图5）。随着生物炭热解温度的升高，这些水力

结论

为了解决干旱和半干旱地区马铃薯田土壤和水资源利用效率低的问题，本研究采用了一种结合生物炭热解温度和施用量的耦合调节策略。在此基础上，使用HYDRUS-2D和AquaCrop模型模拟和优化了不同生物炭物理化学性质和施用量组合下的灌溉制度，从而解决了现有研究中的关键空白。经过校准和

CRediT作者贡献声明

王梅荣：方法论，正式分析。范明寿：可视化，监督，资源。王永强：资源，调查，正式分析。周慧：写作 - 审稿与编辑，可视化，软件，数据管理，概念化。贾立国：写作 - 审稿与编辑，项目管理，方法论，资金获取。尚志辉：调查，正式分析，概念化。刘鹏：资源，方法论，数据管理。郭嘉伟：写作 - 原创

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了内蒙古重点科技项目（2023YFHH0013；2022ZY0202）；国家自然科学基金（32360536）和内蒙古高等学校基本科研业务费（BR 22–13–01）的支持。以及中央政府地方科技发展专项基金（2022ZY0202）的支持。