摘要
优化土壤剖面配置对于通过调节土壤水分分布来确保干旱和半干旱地区的粮食安全至关重要。应用外源材料是构建功能性土壤剖面的有效方法。大多数现有研究集中在使用外源材料改良表土上，而将其同时应用于表土和底土对土壤水分渗透和蒸发的影响仍不甚明了。本研究调查了在四种不同风化煤残渣（WCR）添加率（0%、1%、2%和3%重量百分比）下，0-20厘米和20-40厘米土层中的土壤水分渗透和蒸发情况。结果表明，WCR的添加显著促进了累积渗透。与0%表土+0%底土（P0+0）相比，P1+1条件下的累积渗透增加了25.88%，P2+1和P2+2条件下的累积渗透分别增加了4.65%和26.77%（相对于P2+0），而P3+1、P3+2和P3+3条件下的累积渗透分别增加了70.36%、78.19%和89.20%（相对于P3+0）。关于蒸发，P1+1条件下的平均蒸发损失率比P1+0增加了5.38%。相比之下，P3+1、P3+2和P3+3条件下的平均蒸发损失率分别减少了13.57%、8.17%和7.60%（相对于P3+0）。总体而言，增加表土中外源材料的添加量可以有效提高降雨时的水分渗透，并在干旱期间减少土壤水分蒸发。然而，这种优化必须考虑到表土和底土的不同性质。这些发现为通过基于剖面的外源材料改良来改善干旱和半干旱地区的土壤水分保持提供了科学依据。
通俗语言总结
全球气候变化增加了极端夏季降雨事件的频率，同时加剧了干旱和半干旱地区的春季干旱。优化土壤剖面配置对于通过调节水分分布来确保粮食安全非常重要。添加外源材料是构建功能性土壤剖面的有效方法。在本研究中，通过分别向两个土层（0-20厘米和20-40厘米）添加不同比例的风化煤残渣来构建土壤剖面，并评估其对水分渗透和蒸发的影响。研究发现，在极端降雨条件下增加表土中的材料量是提高水分渗透、在干旱期间通过减少蒸发来保持土壤水分的有效方法。需要考虑表土和底土之间的土壤性质差异。我们的发现为通过构建土壤剖面配置来增强半干旱地区的土壤水分保持提供了见解。
1 引言
土壤水分作为陆地水循环的核心组成部分，不仅调节表土的物质和能量平衡，还是作物生长和生态系统稳定性的关键决定因素（J. Chen等人，2025；Kannenberg等人，2024；J. Liu等人，2025；Vereecken等人，2022）。土壤渗透控制着降水转化为土壤水分储存和地下水补给的过程，而土壤蒸发则主导着土壤水分向大气的流失（Chartier等人，2011；X. Zhang等人，2022；Y. Zhang等人，2025）。作为土壤水循环中两个相互依赖的核心过程，这两个过程共同决定了土壤剖面中水分的路径、分布模式和最终储存量，从而直接调节了植物可利用的水资源（Andrieux等人，2025；Hamma等人，2025）。在降水量稀少且蒸发强烈的干旱和半干旱地区，渗透和蒸发过程的协同调节对于维持作物生产力、保护土壤健康和提高农业用水效率具有战略意义（Z. Wang等人，2023；Z.-L. Chen等人，2025）。全球气候变化是21世纪最突出的生态和社会挑战之一，它加剧了水文气象极端事件的频率和严重性（Dietz等人，2020；Emmerton等人，2025；Linh & Shabbir，2025）。在当前的气候条件下，干旱和半干旱地区的农业生产面临严峻挑战：降雨模式的变化表现为季节性不平衡，极端夏季降雨事件频率增加，同时春季干旱逐渐加剧（Misson等人，2010；Spinoni等人，2017）。这些变化导致宝贵的降水资源在夏季大量流失为径流，而此时作物对水分的需求较低，而在关键的春季生长期却发生严重的水分胁迫（Zeppel等人，2014）。研究表明，极端干旱可使作物产量减少31%-87%，而由于土壤渗透能力不足，强烈的夏季降雨会导致严重的土壤侵蚀和经济损失（Deng等人，2025）。因此，如何提高土壤渗透能力以在雨季有效储存降水，并在春季干旱期间抑制土壤蒸发以实现水资源的最佳时间分配，已成为一个亟需解决的关键问题，以应对气候变化并确保区域粮食安全。因此，土壤剖面配置是土壤水文功能的关键决定因素（X. Huang等人，2016；C. Wu等人，2024）。作为土壤内在物理、化学和生物特性的综合外在表现，土壤剖面作为控制土壤基质中水分、空气、溶质和根系运动的物理框架，从而从根本上调节土壤水分的移动和再分配（Aikins等人，2020；Nachimuthu等人，2025）。不合理的土壤剖面配置，无论是由于自然形成还是不适当的农业管理实践（如机械压实，例如形成压实的犁底层），都会直接破坏土壤孔隙的连续性、大小和分布（新南威尔士州初级产业部，1998）。这种破坏阻碍了优先流动，增加了表土径流，并改变了水分的侧向和垂直运动路径（Talat等人，2025）。随着未来极端事件（如强降雨和干旱）频率的增加，通过人为干预主动构建功能优化的土壤剖面已成为提高农业系统韧性的关键策略。有效的构建策略主要关注两个方面：首先，打破限制层，例如通过深耕或深翻来破坏压实的犁底层并恢复水分渗透的垂直路径（Hou等人，2025）；其次，功能重建，涉及使用外源材料有针对性地改良特定土壤层的性质。例如，施用有机改良剂或在土壤中培养生物结皮可以改善表土孔结构，从而提高渗透能力并减少蒸发（Ju等人，2025；Xiao等人，2024；Y. Zhang等人，2025）。这种基于过程的设计和构建土壤剖面的方法能够精确调节整个土壤水循环——包括水分捕获、储存、保护和利用——对于保障农业用水安全和确保干旱和半干旱地区的稳定作物生产至关重要。将具有特定物理化学性质的外源材料（如生物炭、有机改良剂）应用于目标土壤层，是通过工程方法优化土壤配置和调节剖面尺度水分运动的有效策略。这种方法的核心在于利用这些材料在局部尺度上修改土壤的微观结构和宏观孔隙网络，从而在宏观层面上重塑关键的水文过程（如渗透、再分配、储存和蒸发）（Duan等人，2023；K. Wang等人，2023；Merlin等人，2016）。例如，生物炭因其多孔性而增强渗透并减少蒸发；将有机材料掺入粘土层通过促进土壤团聚来提高水力传导性（Statescu等人，2013）；向沙质底土中添加保水剂显著提高其持水能力（Acharya等人，2024；Dengxiao等人，2024；Jiang等人，2025）。由这些外源材料塑造的功能性土壤剖面为精确管理土壤水循环提供了巨大潜力。然而，这些改进的有效性和持久性高度依赖于外源材料本身的固有性质，如颗粒大小、孔隙度、表土化学特性以及在土壤环境中的稳定性（W. Wu等人，2022）。风化煤是长期风化煤层的产物，富含腐殖酸（HA）。它以前被用作土壤改良剂来改善土壤结构和提高水分保持能力（Guo等人，2020；X. Zhang等人，2021，2023）。然而，随着腐殖酸提取工业的发展，风化煤越来越多地被用作提取腐殖酸的原料，产生了大量的风化煤残渣（WCR）（Ke等人，2025；Y. Yang等人，Ivanets等人，2025）。目前，大部分WCR被作为废物丢弃（F. Yang等人，Popova等人，2025）。成分分析表明，这种残渣仍含有未完全提取的腐殖酸、丰富的碳基成分以及硅和铝等无机成分，同时具有松散和多孔的结构（Nauanova等人，2025）。通过回填将其用作土壤改良剂无疑是一种有效的资源利用方法。尽管如此，大多数现有研究都集中在通过表土层添加外源材料来配置农业土壤剖面上（Burger等人，2023；Panettieri等人，2022；Z. Wang等人，2026），而将外源材料同时应用于表土和底土层对土壤水分渗透和蒸发的影响仍不清楚。具体来说，分层添加WCR调节土壤剖面内综合水文功能的机制仍不甚明了。因此，我们提出假设：将WCR应用于不同土壤层可以显著改变土壤水分渗透和蒸发过程，且这种改善效果受到WCR添加率及其在表土和底土层之间添加率差异的影响。本研究的目标是（1）阐明添加WCR后的重构土壤剖面对土壤渗透能力的影响；（2）确定这种重构剖面对土壤蒸发动态的影响；（3）讨论实际应用中的实施挑战并建立WCR的有效应用方法。
2 材料与方法
2.1 实验土壤和材料
研究区域位于黄土高原东部边缘（北纬38°20′–39°20″，东经112°30′–114°00″），具有典型的温带大陆性季风气候，年降水量不均（450–500毫米），其中60%集中在初秋（7月至9月），而春季（3月至5月）仅占15%（中国气象局，2025）。这种降水量与作物需水量的不匹配导致春季土壤水分短缺和夏季-秋季径流损失。主要土壤类型是肉桂土，广泛分布于忻定盆地及其周边地区，以类似黄土的沉积物为主要母质，具有A-Bt-Ck剖面，壤土质地（粘质底土），pH值略至中等碱性（7.5–8.5），结构较差，犁层浅，有机质含量低（0.8%–1.2%）。这些因素加剧了农业脆弱性，使该地区成为研究土壤水分调节以提高农业用水效率和缓解季节性干旱的典型代表。室内模拟实验中使用的材料包括肉桂土和WCR。肉桂土采集自山西省忻州市忻府区黑索镇神头村（东经112°36′11.39″，北纬38°24′10.62″）。WCR由山西同顺源腐殖酸有限公司提供。所有实验材料在自然条件下彻底风干后通过2毫米筛子筛选以供后续使用。实验材料的基本物理化学性质见表1和表2。
表1. 测试肉桂土的基本物理化学性质。
| 参数 | 值 |
|-----------------|-----------------------------|
| BD (g/cm³) | 53.55 |
| SWC (%) | 15.32 |
| FC (%) | 31.13 |
| SOM (%) | 1.41 |
| AP (mg/kg) | 31.61 |
| AK (mg/kg) | 28.28 |
| pH | 6.21 |
| 固体 (%) | 80.68 |
| 液体 (%) | 8.36 |
表2. 测试风化煤残渣的基本性质。
| 参数 | 值 |
|-----------------|-----------------------------|
| 水分 | 34.09 |
| 灰分 | 18.99 |
| 挥发性物质 | 4.92 |
| 碳 | 44.16 |
| 氢 | 26.89 |
| 氧 | 0.55 |
| 总腐殖酸 | 29.66 |
| 可溶性腐殖酸 | 18.10 |
2.2 不同重构模式对土壤水力性质的影响
实验使用100立方厘米的切割环进行，设置了四个WCR添加梯度（0%、1%、2%和3%重量百分比）和四个体积密度梯度（1.3、1.4、1.5和1.6克/立方厘米）。WCR和土壤的混合方法如下：将风干并筛分的肉桂土按照上述指定的添加比例与WCR均匀混合以制备测试材料。实验前，在穿孔的切割盖内放置滤纸以避免土壤颗粒损失。计算了每1厘米厚土层所需的测试材料质量，并将土壤分层填充到切割器中；在添加下一层之前，对每层的顶部进行修整以确保土壤的连续性。填充后，样品自然沉降7天。确定了不同重构模式下的土壤田间持水量和总孔隙度（见支持信息），并根据土壤水力特性的差异构建了具有增强渗透性和保水性的土壤剖面。基于切割环测试中土壤水力特性的差异，构建了一个由三层组成的土壤剖面配置（示意图见图1），0-60厘米土层的容重设计基于区域土壤特性和每层的功能定位。具体来说，表土（0-20厘米）的容重设计为1.3克/立方厘米，以促进水分渗透，这与研究区域肉桂土浅层耕作层减少土壤压实和增强渗透能力的改进目标一致。底土（20-40厘米）的容重设计为1.5克/立方厘米，以保持水分，这与底土的质地特征（由于粘土淋溶而略带粘性）相匹配，以平衡水分储存和渗透性。底层（40-60厘米）的容重设计为1.65克/立方厘米，作为防止水分向下移动的屏障，旨在最大化作物对储存水分的利用。各层中WCR的添加比例见图1。P0+0表示表土中WCR添加量为0%，底土中WCR添加量为0%。
2.3 土壤水分渗透、保持和蒸发的测量
渗透实验在山西农业大学龙城校区的雨棚设施中进行，使用了一个土壤柱（丙烯酸管，内径150毫米，高度800毫米）和一个供水系统（Mariotte瓶，内径200毫米，高度600毫米），填充配置如图1所示。实验前，在土壤柱内壁涂上凡士林以防止优先流动；在底部穿孔板上放置了5厘米厚的60目石英砂过滤层和滤纸，以避免土壤颗粒流失。测试材料分层填充（每层10厘米），每层的顶部进行修整以确保连续性，并自然沉降7天。实验过程中，以5厘米的恒定水头连续供应去离子水；记录垂直湿润前沿距离和Mariotte瓶的水位下降情况（最初频繁记录，之后减少），当湿润前沿到达柱底时停止。计算每个重构剖面的渗透率和累积渗透量，雨棚内部的遮阳和封闭的通风口最小化了蒸发损失。水分保持和蒸发实验在山西农业大学龙城校区生态环境产业技术研究所的人工气候室中进行，使用容量为30公斤的电子天平和如图1所示填充的聚氯乙烯土壤柱（外径160毫米，高度700毫米）。填充前，在柱内壁涂上凡士林以防止优先流动，并在底部穿孔板上放置了5厘米厚的60目石英砂过滤层和滤纸，以避免土壤颗粒流失。测试材料依次分层填充（每层10厘米），每层进行修整以确保层间连通性，并自然沉降7天。称量柱子，用去离子水饱和，用防水塑料薄膜密封直到重力水排出，然后重新称量以计算水分保持能力。移除薄膜后开始46天的非通风蒸发实验，每天上午9:00称量一次蒸发损失；气候室保持恒定的25°C和30%相对湿度。
2.4 指标的计算
2.4.1 土壤累积渗透量
使用Kostiakov模型计算重构土壤的累积渗透量，公式如下：
(1)
其中I(t)是时间t时的累积渗透量，a和b是经验系数。
2.4.2 土壤渗透率
使用Horton模型计算重构土壤的渗透率，公式如下：
(2)
其中f(t)是时间t时的渗透率，f0是初始渗透率，fc是稳定渗透率，k是衰减系数。
2.4.3 土壤水分保持能力
(3)
其中W是土壤水分保持能力，WT是完全饱和时的土壤重量，W0是自由排水24小时后的土壤重量。
2.4.4 土壤每日蒸发损失率
(4)
其中ED是每日蒸发损失率，Wn是第n天的土壤重量变化，W是土壤水分保持能力。
2.4.5 土壤累积蒸发损失率
(5)
其中ET是累积蒸发损失率，WT是总土壤重量变化，W是土壤水分保持能力。
2.5 统计分析
使用单因素方差分析评估不同重构土壤的渗透率、累积渗透量、水分保持能力、每日蒸发损失率和累积蒸发损失率。差异使用最小显著差异事后检验在p < 0.05的显著性水平下进行评估。数据组织使用Microsoft Excel 2021进行，统计分析使用SPSS 26.0进行，图表使用Origin 2024生成。
3 结果
3.1 不同土壤配置下的渗透特性变化
不同土壤剖面配置之间的土壤累积渗透量存在显著差异（p < 0.05）。当改变表土层的WCR施用量时，与P0+0相比，P1+0和P2+0的累积渗透量分别增加了24.92%和54.81%（图2）；相对于P1+1，P3+1使累积渗透量增加了50.72%；与P2+2相比，P3+2使累积渗透量增加了26.33%。当调整底土层的WCR施用量时，P1+1使累积渗透量比P1+0增加了25.88%；P2+2比P2+0增加了26.77%；P3+1、P3+2和P3+3分别比P3+0增加了70.36%、78.19%和89.20%。图2显示了不同土壤剖面配置下的土壤累积渗透量。不同的小写字母表示通过最小显著差异检验在p < 0.05水平上处理之间的显著差异。所有土壤剖面配置的土壤渗透过程表现出一致的模式：渗透率在最初的110分钟内迅速下降，然后在70到140分钟之间波动，之后在200分钟后缓慢下降直至稳定（图3）。不同配置之间的土壤渗透率存在显著差异（p < 0.05）。当改变表土层的WCR施用量时，与P0+0相比，P1+0、P2+0和P3+0分别使初始/平均/稳定渗透率增加了20.47%/31.67%/25.80%、37.97%/67.09%/50%和35.77%/47.16%/57.48%；相对于P1+1，P3+1使初始/平均/稳定渗透率增加了13.54%/72.92%/50%；与P2+2相比，P3+2使初始/平均/稳定渗透率增加了4.55%/42.00%/5.48%（图3右上角）。当调整底土层的WCR施用量时：P1+1使初始/平均/稳定渗透率分别比P1+0增加了21.88%/24.63%/58.99%；P2+1和P2+2分别使初始/平均/稳定渗透率增加了15.11%/10.76%/39.07%和19.35%/24.21%/109.34%；与P3+0相比，P3+1、P3+2和P3+3分别使初始/平均/稳定渗透率增加了22.79%/92.83%/95.01%、26.80%/100.26%/115.82%和30.81%/107.95%/128.34%。仅改变表土层或底土层的WCR施用量都会增加土壤渗透率。此外，当表土层和底土层之间的WCR施用量差异相同时，较高的总WCR施用量在同一时间点会导致更大的土壤渗透率（图4）。
3.2 不同土壤配置下的土壤渗透率
图4显示了不同土壤剖面配置下的土壤渗透率。图5显示了按底土层中风化煤残渣（WCR）添加比例（A、B和C）分组的土壤渗透率；表土层和底土层之间的添加比例差异（D、E和F）；以及表土层中的添加比例（G、H和I）。为了比较同一时间点的土壤累积渗透量，使用Kostiakov模型模拟土壤渗透过程。不同土壤剖面配置的平均决定系数（R2）为0.984，表明该模型解释了大约98.5%的渗透数据变异性（表3）。当改变表土层的WCR施用量时，与P0+0相比，P1+0和P2+0分别使累积渗透量增加了33.02%和63.69%；相对于P1+1，P2+1和P3+1分别使累积渗透量增加了11.18%和70.93%；与P2+2相比，P3+2使累积渗透量增加了34.20%。当调整底土层的WCR施用量时：P1+1使累积渗透量比P1+0增加了23.06%。P2+1和P2+2分别使累积渗透量增加了11.18%和37.16%。为了更准确地比较不同土壤剖面配置的初始和稳定渗透率，应用Horton模型进行数据拟合。所有重构土壤的平均R2为0.994，表明该模型解释了大约99.5%的数据变异性。当改变表土层的WCR施用量时，与P0+0相比，P1+0、P2+0和P3+0分别使初始/稳定渗透率增加了24.39%/47.06%、17.48%/76.47%和39.57%/64.71%。相对于P1+1，P2+1使初始/稳定渗透率增加了8.97%/12.12%。当调整底土层的WCR施用量时，P1+1使初始/稳定渗透率比P1+0增加了23.67%/32.00%。P2+1和P2+2分别使初始/稳定渗透率增加了42.69%/23.33%和57.18%/60.00%。
3.2 不同土壤配置下的水分保持和蒸发特性变化
不同土壤剖面配置之间的土壤饱和含水量存在显著差异（p < 0.05）。当改变表土层的WCR施用量时，与P0+0相比，P2+0使土壤饱和含水量增加了9.63%；相对于P1+1，P3+1使土壤饱和含水量增加了10.70%（图5）。当调整底土层的WCR施用量时，与P3+0相比，P3+1和P3+2分别使土壤饱和含水量增加了9.77%和9.17%。
3.3 不同土壤配置下的水分保持和蒸发特性变化
不同土壤剖面配置之间的平均蒸发损失率存在显著差异（p < 0.05）。与P3+0和P1+1相比，P3+1在第46天的平均每日蒸发损失率分别减少了18.99%和22.78%（图6）。在第8天和第35天，不同土壤剖面配置之间的累积土壤蒸发损失率存在显著差异（p < 0.05），而在第46天没有检测到显著差异（p > 0.05）（图7）。在第8天，与P0+0相比，P1+0、P3+1和P3+3配置显著抑制了土壤蒸发（p < 0.05），累积水分损失比率分别减少了11.85%、14.27%和14.52%。相比之下，P1+1配置显著促进了土壤蒸发（p < 0.05），累积水分损失比率增加了5.56%。在第35天，P3+1配置仍然显著抑制了蒸发（p < 0.05），相对于P0+0，累积水分损失比率减少了11.86%；而P1+1配置则继续显著促进蒸发（p < 0.05），累积水分损失比率增加了5.53%。图6在图查看器中打开。
不同土壤剖面配置下的土壤日蒸发损失比率。不同的小写字母表示通过最小显著差异检验在p < 0.05水平上处理之间的显著差异。图7在图查看器中打开。
不同土壤剖面配置下的土壤累积蒸发损失率。不同的小写字母表示通过最小显著差异检验在p < 0.05水平上处理之间的显著差异。当改变表土层的WCR施用量（图8A–C）时，与P1+1相比，P3+1配置在第8天、第35天和第46天分别减少了18.83%、16.48%和15.61%的土壤累积水分损失率。当调整底土层的WCR施用量（图8G–I）时，相对于P3+0，P3+1配置在第35天和第46天分别减少了12.94%和13.56%的土壤累积水分损失率。当同时修改表土层和底土层的WCR施用量（图8D–F）时，与P0+0相比，P3+3配置在第8天减少了10.19%的土壤累积水分损失率。图8在图查看器中打开。
根据底土层中风化煤残渣（WCR）添加比例（A、B和C）、表土层和底土层之间的添加比例差异（D、E和F）以及表土层中的添加比例（G、H和I）对土壤累积蒸发损失率的影响。不同的小写字母表示通过最小显著差异检验在p < 0.05水平上处理之间的显著差异。
4 讨论
4.1 将WCR施用于不同土层可以增强土壤水分渗透能力
土壤渗透作为陆地水循环中的关键过程，决定了土壤水分的再分配、表土径流以及作物的水分可用性（Y. Huang等人，2024；Liao等人，2023；Rizk等人，2025）。提高土壤渗透能力对于缓解水资源短缺、减少土壤侵蚀以及改善干旱和半干旱地区的农业用水效率具有重要意义（Y. Liu等人，2019；Zeidali等人，2025）。本研究的结果表明，添加WCR显著提高了土壤渗透能力（图2）。其背后的机制主要涉及两个方面：首先，WCR本身松散多孔的特性在加入土壤基质时引入了大量大孔隙（Krüger & Külls，2025）。这些额外的大孔隙为水分快速流动提供了优先路径，直接增加了土壤的孔隙度并提高了水分传输效率（Jarvis，2020）。其次，WCR中丰富的成分，如羟基羧酸（HA）和残留碳，促进了土壤颗粒（特别是粘土和粉砂颗粒）的聚集，有助于形成更稳定的大团聚体（Bartlová等人，2015）。这一过程不仅稳定了WCR引入的孔隙，还通过改善土壤结构间接增强了原生土壤孔隙的连通性和稳定性，共同建立了一个更高效、更持久的土壤水分传输网络，从而长期提高了土壤渗透能力（Kutílek，2004；Obia等人，2016）。此外，WCR的应用显著提高了土壤的初始渗透率、稳定渗透率和平均渗透率。这一现象可以用孔隙连通性理论来解释（Arthur等人，2013；Rabot等人，2018）。在低WCR添加率下，残渣引入土壤基质的新孔隙可能保持孤立状态，无法形成连续的水分传导路径。然而，随着WCR添加率的增加，这些由残渣衍生的孔隙以及通过改善土壤结构形成的团聚体孔隙的空间密度和连通性显著增强。一旦达到某个临界添加阈值，土壤基质内就会成功建立起一个高度连通且连续的孔隙网络。这个连续的网络大大降低了土壤中水分运动的阻力，使水分能够更自由地向下渗透，宏观上表现为整体土壤渗透能力的显著提高。土壤渗透能力受到土壤剖面内水力性质的空间变异性和分布的影响（Assouline，2013）。当底土层（20–40厘米）的WCR添加率固定时，增加表土层（0–20厘米）的WCR添加量显著提高了累积渗透率和稳定渗透率（图4）。这种现象归因于水分必须首先穿透表土层才能到达更深的土层。表土层中的高WCR添加率形成了一个具有高孔隙度和水力传导性的渗透区（Rodrigue等人，2022）。这个区域迅速吸收并向下传导水分，防止表土积水并形成水分渗透到更深土层的基本条件（Mehta等人，2024）。在这种条件下，即使底土层的水力性质相对恒定，整个渗透过程仍主要由更具传导性的表土层主导和控制，因为从表面进入的水量增加。相反，当表土层（0–20厘米）的WCR添加率固定时，增加底土层（20–40厘米）的WCR添加量也改善了渗透性能。在均匀土壤或仅在表土层改良的土壤中，通过表土层的水分可能会遇到渗透能力较低的底土层的阻碍，导致暂时性水分滞留，从而抑制表土中的连续渗透（Hou等人，2025）。提高底土层的水力传导性确保了整个土壤剖面中的水分无障碍流动。因此，底土层和表土层改良之间的协同作用进一步提高了整个土壤剖面的整体渗透能力。除了土壤物理性质外，土壤渗透能力还受到土壤中生物和微生物活动的影响（Assouline，2013）。先前的研究表明，仅仅改变土壤物理性质并不一定能提高土壤渗透率，生物过程也起着关键的调节作用（Crittenden & de Goede，2016；Pace等人，2025）。本研究中使用的肉桂土是有机质含量较低的原始土壤，这本身导致微生物活动较弱，生物过程较弱。因此，WCR中的羟基羧酸成分可能是另一个重要的因素，有助于提高土壤渗透能力——具体来说，它可以调节和促进这种低有机质土壤中的生物和微生物活动，从而间接提高土壤渗透能力（Tahoun等人，2022；Zhou等人，2022）。总之，均匀高改良配置（P3+3）表现出最佳的渗透性能。这种配置的优越性在于其对整个水分渗透过程的最佳调节：高WCR含量的表土层作为高效的水分吸收区，最大化了初始渗透率、平均渗透率和稳定渗透率以及累积渗透率，而高WCR含量的底土层则作为顺畅的水分输送通道，防止水分向下运动过程中的任何阻碍。这种协调和协同的从上到下的配置确保了从土壤表面到根区的整体水分迁移路径的最优化，形成了最有利于快速水分渗透和储存在土壤中的土壤配置。
4.2 土壤水分蒸发取决于表土层和底土层之间WCR施用量的差异
土壤蒸发是干旱和半干旱地区土壤水分损失的关键途径（Balugani等人，2023）。在这些地区，通过土壤蒸发的水分损失可占总降水量的20%–60%（Merlin等人，2016）。因此，减少土壤蒸发对于提高农业用水效率和满足作物水分需求具有重要意义。本研究的结果表明，WCR的应用改变了土壤蒸发过程（图6）。抑制蒸发的机制主要体现在两个方面：首先，WCR加入后形成的松散结构有效地破坏了土壤孔隙的连通性，从而抑制了水分从深层向蒸发表面的液态上升运动（Y. Wang等人，2023）。其次，残渣-土壤混合物层的导热性较低，减少了太阳辐射能向深层土壤的传递，减弱了土壤温度波动的幅度，从而调节了水的相变过程（Liqun等人，2021）。然而，WCR抑制土壤蒸发的效果取决于其在表土层和底土层之间施用量的差异。当WCR施用于表土层（0–20厘米）时，它直接减少了大气与土壤之间的水蒸气交换通量。相反，当施用于底土层（20–40厘米）时，WCR通过改变土壤水分再分配过程影响了补充蒸发表面的水分上升通量（M. Huang等人，2013）。在底土层WCR施用量恒定的条件下，增加表土层的WCR添加量显著减少了土壤累积蒸发（图7）。值得注意的是，当表土层和底土层的WCR施用量都较高时（例如，P3+3），表土层中形成的大孔隙反而促进了土壤蒸发。当表土层的WCR添加量增加时，形成的松散覆盖层有效地破坏了土壤毛细作用，而其较低的热导率减缓了土壤温度上升的速度，并降低了土壤表面的水蒸气压力梯度（Schwartz等人，2010）。然而，这种抑制蒸发的保护机制也有其局限性。当表土层的WCR添加量固定时，增加底土层的WCR添加量表现出促进蒸发的效果，这可以用土壤孔隙连通性理论来解释（Lozano等人，2013）。具体来说，增加底土层的WCR添加量增强了表土层和底土层之间的孔隙连通性，这对土壤水分保持不利，从而促进了土壤蒸发（图8）。总体而言，表土层施用3% WCR和底土层施用1% WCR（P3+1）表现出最有效的蒸发抑制效果。这种处理的优越性在于其系统的水分调节功能：表土层的高WCR添加量形成了有效的蒸发屏障，直接减少了水分损失；底土层中的低WCR添加量构建了稳定的水分储存能力，确保了长期的水分保持。这种协同改良模型不仅最大限度地抑制了土壤蒸发，还通过优化土壤孔隙结构提高了水分储存效率，这与WCR对土壤蒸发调节的机制一致。
4.3 WCR的应用和管理
基于本研究的结果，WCR在干旱和半干旱地区具有显著的土壤水分调节潜力。其多孔结构和改善土壤物理性质的能力有效解决了核心的局部挑战，即春季干旱引起的水资源短缺和夏季集中降雨的难以保留问题。研究发现证实，增加WCR的施用量显著提高了土壤渗透能力。将其施用于表土层（0–20厘米）可以有效加速夏季强降雨的初始渗透。同时，其在底土层（20–40厘米）的合理施用可以减轻由粘土层引起的水分运动障碍，促进更深层次的土壤水分储存，并构建优化的土壤剖面配置。例如，在本研究中，适当的施用量下，松散的WCR层通过破坏毛细作用有效抑制了土壤水蒸气的损失。然而，过度施用（例如，在底土层施用3%的WCR）会导致表土结构过于松散。由于这种过度松散的表土具有较大的比表面积和更多的通气孔隙，土壤水蒸气向大气的扩散反而加快，最终导致土壤蒸发增加。这一发现强调了在外源土壤改良剂的应用中“更多并不总是更好”的原则，这对于指导干旱和半干旱地区的田间实践和WCR的合理应用具有重要意义。WCR的应用策略需要根据目标地区的土壤和气候特征进行有针对性的调整。对于沙质土壤，其核心问题是保水能力差（Huang & Hartemink, 2020），WCR可以作为犁层下的保水层使用，利用其多孔结构来增强渗透水的保持能力，并减少水分和养分的流失。对于重粘土土壤（例如粘土土壤或红土），其中水分渗透性受限是主要限制因素（Obia et al., 2018），将WCR混合到整个犁层中旨在通过形成大孔隙来从根本上改善土壤的水力传导性和通气性。在干旱和半干旱地区（如本研究中的研究区域），WCR应用的核心是“储存秋季降雨以防止春季干旱”。重点应放在利用其增强渗透的功能上，以最大化夏季和秋季降水的储存量，同时通过优化施用率来抑制生长季节初期的土壤蒸发（即避免过度施用）。总之，WCR作为土壤改良剂的主要优点如下：首先，它具有很高的资源利用价值，可以实现固体废物的回收利用；其次，它具有多功能性，能够同时改善土壤的渗透性和保水能力；第三，它的成本相对较低，特别适合在煤矿地区进行本地化使用。然而，其局限性也不能忽视：首先，WCR的应用效果有一个最佳阈值，必须通过实验测试来精确量化，不加区分的过度使用是不可取的。其次，其长期稳定性和潜在的环境风险（例如重金属含量）需要持续监测和全面评估。最后，经济成本决定了其可行的应用范围，因为长途运输会显著降低其成本优势。因此，未来的研究和实践应专注于根据土壤类型、气候特征和水文年型建立差异化和精确的应用技术规范，从而最大限度地发挥这种工业副产品在提高干旱和半干旱地区农业用水效率和增强气候韧性方面的巨大潜力。
5 结论
本研究的结果表明，将WCR应用于表土和底土显著提高了土壤的渗透能力，且这种增强效果与WCR的施用率呈正相关。然而，WCR对土壤蒸发的影响取决于表土和底土之间施用率的差异。具体来说，当表土层施用1%的WCR时，随着底土层WCR施用率的增加，土壤蒸发量也随之增加。相反，当表土层施用3%的WCR时，随着底土层WCR施用率的增加，土壤蒸发量却减少了。总体而言，增加表土中外源改良剂的施用率是提高降雨渗透的有效方法。然而，在干旱期间通过抑制土壤蒸发来保持土壤水分需要充分考虑表土和底土之间的土壤性质差异。本研究的结果为通过在干旱和半干旱地区合理施用外源材料来构建优化的土壤剖面，从而提高土壤保水能力提供了宝贵的见解。
作者贡献
刘世瑞：数据整理；调查；软件；撰写——初稿。
李浩若：数据整理；调查；软件。
尹杰：数据整理；调查；软件。
冯永秀：数据整理；软件。
田嘉宇：数据整理；正式分析；软件。
苏尚军：调查；软件。
张强：资金获取；监督；撰写——审阅和编辑。
王凯：资金获取；监督；撰写——审阅和编辑。
致谢
本工作得到了山西省科技重大项目（202201140601028）、山西省重点研发计划项目（202302090301010）以及自然资源部黄河中游生态保护与修复工程技术中心（HHZY-2025-005）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
