黑土區坡耕地生物炭施用模式效應與土地生產力評價

魏永霞 石國新 吳 昱 劉 慧

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.農業部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.黑龍江農墾勘測設計研究院， 哈爾濱 150090； 4.東北林業大學林學院， 哈爾濱 150040；5.東北農業大學理學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

東北黑土區作為國家糧食主產區之一，在我國糧食安全體系建設中具有重大作用[1]。該區秸稈資源豐富，但被利用的秸稈資源相對較少，秸稈焚燒等不恰當的秸稈處理方式不但造成資源的浪費，而且對環境也造成不可挽回的影響。秸稈還田已經成為一項受到普遍重視的高效技術，通過該技術可以減少水土流失、提高產量和水分利用效率等，從而提高土地的綜合生產力，這對推動農業健康可持續性發展具有重要意義[2-3]。

生物炭是秸稈炭化還田的新產物，是以作物秸稈、動物糞便為原材料在缺氧或低氧條件下緩慢高溫裂解獲得的一類富含碳的有機質[4]。近年來，隨著生物炭在農業生產中應用的不斷探究，圍繞生物炭影響土地生產能力的研究越來越多。在土壤改良方面，已有的相關研究表明，生物炭施入土壤后能有效地降低土壤容重、增加孔隙度，從而提高土壤的持水能力、改善田間氣候和調節田間持水率[5-7]，也可以改善土壤的結構、使土壤松散、穩固土壤三相比例、提高土壤pH值[8-11]。在水土保持方面，已有的相關研究認為，施加生物炭可以減少產流量、產沙量，防治土壤侵蝕和水土流失[12-13]。在節水增產方面，也有一些國內外學者的相關探究。如ZWIETEN等[14]研究認為添加生物炭提高了作物產量和灌溉水的利用效率。劉鑫[15]在對小麥的試驗研究中也得到類似結論。VAN ZWIETEN等[16]通過室內研究表明施加10 t/hm2生物炭后小麥、蘿卜的產量增幅均已超過50%。張娜等[17]總結出施加1 t/hm2的生物炭增產效果最佳，增產幅度可達8.8%。

生物炭穩定性極強，在土壤中能夠長期存在，雖然目前已有較多生物炭節水增產效應等的研究，但多是以短期施加生物炭為條件研究施加生物炭對土壤理化性質、水土保持效應、節水增產效應等指標的影響，而在探索中長期施加生物炭對各指標的變化規律，以及施炭量與施炭年限的合理配置方面缺乏精確的指導與評價。為此，本研究以大豆坡耕地田間徑流小區為研究對象，連續3年施加生物炭，明晰施加生物炭后土壤理化性質、水土保持效應、節水增產效應等的變化規律。建立改進的TOPSIS評價模型對土地生產力進行綜合評價，通過綜合評價總結出生物炭施用模式，為黑土區最優生物炭施加劑量和年際分配提供合理的建議，同時為黑土區實際生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗基地選擇黑龍江省北安市，位于北緯48°02′～48°17′，東經126°47′～127°15′，屬于寒溫帶大陸性氣候。全年平均降水量555.3 mm，全年降雨集中在7—9月，約占全年的90%左右。積溫2 254.5℃，無霜期110～115 d。耕地多為丘陵漫崗，土質肥沃，地勢由東向西傾斜，崗頂平緩，坡面較長，坡度為3°～5°。土壤為草甸黑土，土壤疏松通透性好，不易入滲。主要農作物為大豆、玉米。

1.2 試驗設計

試驗于2015—2017年在北安市紅星農場內坡度為3°的徑流小區進行。小區規格20 m×5 m，每兩個小區間隔1 m。為了防止側滲各小區邊界用深入地下1 m的鐵板隔開。每個小區埋設TDR管，埋深1.8 m。小區末端設有徑流自動記錄系統和泥沙收集系統，自動記錄后的徑流排入區外排水溝。試驗共設5個處理，即不加生物炭的常規處理C0(對照處理)和生物炭施加量分別為C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)、C100(100 t/hm2)的處理，2次重復，共計10個徑流小區。試驗開始前將生物炭均勻鋪撒于土壤表面并反復攪拌，使其與表層土壤(0～20 cm土層)混合均勻。試驗連續3年種植大豆，并施加重茬肥。2016、2017年分別在上一年試驗基礎之上加入等量的生物炭，并做相同的處理。

供試土壤為草甸黑土，理化性質為pH值6.3，總有機碳質量比34.83 g/kg，全氮質量比1.1 g/kg，全磷質量比0.45 g/kg，全鉀質量比0.35 g/kg。供試大豆品種為黑河三號。供試玉米秸稈生物炭購于遼寧金和福農業開發有限公司，制備方式為無氧條件450℃高溫裂解，基粒徑1.5～2.0 mm，生物炭性質為pH值9.14，含氮1.53%、磷0.78%、鉀1.68%，灰分為31.8%。

1.3 觀測指標與方法

1.3.1土壤理化性質

每個小區選取2個取樣點，于大豆收獲期取表層土壤測定其基礎理化性質，其中田間持水率采用室內環刀法測定，土壤容重采用DIK-1130型土壤三相儀測定，土壤pH值采用PHS-3C型酸度計測定，土壤總有機碳含量采用德國Elementar Vario TOC有機碳分析儀測定，并過2 mm篩測得大于2 mm礫石質量百分比，計算土壤總有機碳密度

S=CDθ(1-δ)/100

(1)

式中S——土壤總有機碳密度，t/hm2

C——土壤有機碳質量比，g/kg

D——土層厚度，cm

θ——土壤容重，g/m3

δ——土樣中大于2 mm礫石質量分數，%

1.3.2年徑流量、年土壤侵蝕量

采用安裝在徑流小區末端的徑流自動記錄系統和泥沙收集系統測定各次降雨的徑流量和產沙量，進而計算年徑流量、年土壤侵蝕量。

1.3.3產量及水分利用效率

于大豆收獲期在相同處理徑流小區的坡上和坡下相應位置選取2個10 m2的地塊進行實收測產，計算大豆總產量。采用水量平衡方程計算各處理耗水量，水量平衡方程為

ET=P+I+ΔS-ΔR±Q

(2)

WUE=Y/ET

(3)

式中ET——作物生育期耗水量，mm

P——作物生育期的降雨量，mm

I——作物生育期灌水量，本研究中全生育期內未灌水，取0 mm

ΔS——收獲期與播種期0～100 cm土壤儲水量之差，mm

ΔR——地表徑流量，mm

Q——地下水交換量(試區地下水埋深 40 m，可忽略不計)，mm

WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——產量，kg/hm2

1.4 改進的TOPSIS模型

TOPSIS(Technique for order preference by similarity an ideal solution)模型是一種比較常用的多目標決策方法，其原理是借助多目標決策問題的“正理想解”和“負理想解”來排序，若某一方案離正理想解最近的同時，又遠離負理想解，則該方案作為理想方案。TOPSIS模型具體步驟詳見文獻[18]。

傳統的TOPSIS模型容易產生逆序問題，在計算權重時帶有主觀性，使評價結果偏離實際[19]，造成評價結果不合理。而且傳統的TOPSIS模型決策矩陣求解復雜，不易求得正負理想解[20]。為解決上述缺點對TOPSIS模型進行改進。

(1)采用熵權法和變異系數法[21]加權平均計算各指標的權重系數。

變異系數法為

(4)

(5)

式中υi——第i項指標的變異系數

?i——第i項指標的標準差

zi——變異系數法計算的權重

ω=(zi+ω1)/2

(6)

式中ω——熵權法和變異系數法加權平均權重

ω1——熵權法計算的權重

(2)為簡化正負理想解的計算，提出了一種改進的歐氏距離算法。此法依據為矩陣Y中所有的yij的取值范圍為0≤yij≤1，顯然，對于偏好最高的目標屬性值為yij=1, 對于偏好最低的目標屬性值為yij=0，故將本研究中絕對正理想解設定為L=(1,1,…，1)T，絕對負理想解設定為I=(0,0,…，0)T。計算與正負理想解之間的距離

(7)

(8)

ωj——各評價指標的熵權系數

則土地生產力指數Ci為

(9)

1.5 數據處理方法

各項指標均采用平均值，應用Microsoft Excel 2010、Origin 8.0對數據進行處理與繪圖。采用SPSS 19.0軟件進行統計分析，LSD法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

圖1 2015—2017年土壤理化性質Fig.1 Physical and chemical properties of soil from 2015 to 2017

2 結果與分析

2.1 施加生物炭對土壤理化性質的影響

土壤理化性質是影響作物生長發育的主要因素之一。不同生物炭施加量及施用年限土壤的理化性質如圖1所示。由圖1a可知，隨著生物炭施加量的增加，土壤容重逐漸降低，2015、2016、2017年C25處理較C0分別降低0.86%、2.6%、4.3%，C50處理分別降低2.5%、5.2%、7.8%，C75處理分別降低3.4%、8.6%、10.4%，C100處理分別降低7.7%、8.6%、11.3%。3年土壤容重與生物炭施加量均呈較好的線性關系(R2均在0.89以上，P<0.01)。在相同的施用年限條件下，生物炭施加量越大，土壤容重越低，且隨著施用年限的增加，土壤容重隨生物炭施用量的增加下降的速率增加。在相同施炭量水平下隨著施用年限的增加，容重降低，但2017年較2016年下降的幅度(0.01～0.03 g/m3)小于2016年較2015年下降的幅度(0.02～0.07 g/m3)。圖1b顯示，2015年田間持水率與生物炭施加量呈線性關系(R2=0.985 4，P<0.01)，其中C100處理田間持水率最高，較C0處理增加了8.14%，差異達顯著性水平(P<0.05)。2016、2017年田間持水率與生物炭施加量呈二次拋物線關系(R2為0.929 8、0.923 1，P為0.027、0.034)。兩年均以C50處理田間持水率最大，與C0相比分別提高了9.95%、8.34%，均達到顯著性差異(P<0.05)。可見，不同年限間生物炭對田間持水率的影響效果存在差異，這不僅與施炭量有關，與施加年限之間也有一定的關系。

土壤有機碳是土壤有機質含量的一種化學度量，對產量具有重要影響。由圖1c可看出，3年土壤有機碳密度各處理對生物炭的敏感度均為C100最大，與同年C0相比分別增加了102.6%、246.3%、257.9%，方差分析結果表明，差異均達顯著水平(P<0.05)。如圖1d所示，3年土壤pH值與生物炭施加量均呈線性關系(R2均在0.88以上，P<0.01)。各年的C100處理pH值較C0處理提高了0.9、1.1、1.4，差異顯著(P<0.05)；此外，不同年限相同處理之間的土壤有機碳密度和pH值均高于前一年(C0處理除外)，可見施用年限越久效果提升越明顯。

2.2 施加生物炭對年徑流量和年土壤侵蝕量的影響

圖2為2015—2017年各處理年徑流量、年土壤侵蝕量。由圖2a可知，施加生物炭可以減小年徑流量和土壤侵蝕量。連續3年年徑流量與生物炭施加量均呈拋物線關系(R2均在0.97以上，P為0.003 9、0.023 2、0.023 9)。2015年C75處理減流效果最優，與同年C0處理相比減少了15.4%，其他處理減流效果從高到低依次為C100、C50、C25，分別減少了14.6%、12.0%、6.9%。2016、2017年均以C50處理徑流控制效果最優，較C0處理分別減少17.2%、15.7%。而施炭量最高的C100處理，2年徑流量僅較C0處理減少3.3%、2.9%；圖2b顯示，年土壤侵蝕量與年徑流量的變化規律大致相同(R2均在0.99以上，P<0.01)。連續3年最優處理(C75、C50、C50)對應的土壤侵蝕量較同年對照處理減少了1.7%、2.7%、2.3%。綜合3年的試驗結果發現，2016、2017年C50處理較2015年減流率增加了5.2%、3.7%，減沙率增加了1.3%、0.8%?？梢姡锾渴┘恿肯嗤?，但施用年限不同，其減流效果和抗土壤侵蝕效果也不同，即使是施用年限相同，也并非生物炭施加量越多效果越好，所以應該注重生物炭施加量和施用年限的合理分配，這在一定程度上可以防治水土流失，改善生態環境。

圖2 2015—2017年年徑流量和年土壤侵蝕量Fig.2 Annual runoff and soil erosion in 2015—2017

圖3 2015—2017年大豆產量和水分利用效率變化Fig.3 Changes in soybean production and WUE in 2015—2017

2.3 施加生物炭對產量和水分利用效率的影響

東北黑土區水資源短缺，已經成為制約該區作物生產的嚴重問題，因此在保證產量的前提下，提高水分利用效率是黑土區農業發展的重要措施。如圖3所示，2015年C75處理的節水增產效果最優，增產率為21.8%，水分利用效率提高率為25.3%，與C0處理差異均顯著(P<0.05)，其次是C100、C50、C25處理；2016年施加生物炭后各處理產量和水分利用效率較C0處理的增幅分別為7.1%～33.3%、9.8%～27.6%，均為C50處理達到最優；2017年C50處理增產率最大，為24.1%，而C100處理產量略高于對照處理，無明顯差異(P>0.05)。對比3年試驗結果可知，以2016年C50處理增產率最高，2016、2017年最優處理的增產率相比2015年提高了11.5%、2.3%，C75、C100處理的產量與2015年相比呈降低趨勢，而C25、C50處理對應的產量呈增加趨勢，說明施炭量過高或使用年限過長均會導致大豆增產幅度降低。

2.4 土地生產力綜合評價

2.4.1評價指標及其權重

土壤理化性質、水土保持效應、節水增產效應均為土地生產力的重要體現，因此選取這些指標為一級指標，各一級指標下又選取若干指標作為二級指標，構建評價指標體系，如表1所示。改進的TOPSIS采用熵權法和變異系數法加權平均確定各指標的權重，權重系數如表2所示。

表1 評價指標體系Tab.1 Evaluation system

表2 各評價指標權重系數Tab.2 Weight coefficient of each evaluation index

2.4.2綜合評價分析

評價模型計算的土地生產力指數如圖4所示。由圖4可知，在不同施炭量和施用年限條件下，2015年以生物炭施加量75 t/hm2最優，與正理想解的距離最近，與負理想解的距離最遠，當施炭量大于75 t/hm2時土地生產力指數開始減小。2016、2017年施加生物炭的各處理在綜合評價中均呈正向貢獻，以生物炭施加量50 t/hm2最優，最接近理想解，之后隨著施炭量的增加，土地生產力指數減小。另一方面，2015年生產力指數的增長速率隨施炭量的增加由慢到快；在施炭量大于75 t/hm2時，土地生產力指數緩慢降低。2016、2017年施炭量高于50 t/hm2時，2017年生產力指數下降速率較2016年快。對比3年分析，以連續施加2年50 t/hm2的生物炭土地生產力指數最大，其次是施加1年75 t/hm2的生物炭。

圖4 2015—2017年土地生產力指數Fig.4 Soil productivity index in 2015—2017

3 討論

生物炭疏松多孔，具有較強的吸附能力，施入土壤后可改善土壤結構和提高土壤持水能力[22]。本試驗結果顯示，逐年施加生物炭，土壤容重隨生物炭施加量的增加呈下降趨勢，而有機碳密度、土壤pH值呈上升趨勢，且施用年限越久作用越強烈，這與李明等[23]、魏永霞等[24]的結論一致，但與聶新星等[25]認為的對pH值無顯著影響這個結論不同，這是因為土壤種類和生物炭施加量的不同；在生物炭提高土壤的持水性能方面，王丹丹等[26]認為土壤的持水性能與生物炭施加量呈正相關；DUGAN等[27]的研究結果發現，生物炭可以提高土壤的持水能力，但最優施加量沒有明確提出；在本研究中，施加1年生物炭田間持水率隨著生物炭的增加呈線性遞增趨勢，而連續施加2年、3年的田間持水率變化趨勢呈先增后減的拋物線變化，最優施炭量處理均為C50。產生這種現象的原因是生物炭質輕多孔，比表面積大，將其施用于土壤中，能夠增加土壤的孔隙度，進而提高土壤的持水能力，但這種能力是有限度的，施炭量過高反而會減弱這種能力。

多數學者認為施加生物炭可以有效地減少徑流量，但在生物炭施加量和施用年限上，說法尚不一致。吳媛媛等[28]通過1年室內模擬降雨發現，1%的生物炭可以減少產量和土壤侵蝕，而7%的生物炭顯著地增加了土壤的可蝕性；劉祥宏[29]經過18個月室內人工模擬降雨，發現低量的生物炭可以減少徑流；在本研究中，通過3年對3°坡耕地施加生物炭，施加生物炭的各處理均可以減小年徑流量和年土壤侵蝕量，其中最優施炭量處理分別為C75、C50、C50，較同年C0處理降低了15.4%、17.2%、15.7%，且在第2年C50處理生物炭對泥沙控制效果和減流效果最優，造成該規律的原因是生物炭本身具有持水性和吸附結構，提高了土壤的持水能力，所以減少了徑流量和土壤侵蝕，但是生物炭施加過多后改變了土壤結構，使土壤容重降低，孔隙度增加，土壤的抗沖刷能力減弱，部分炭土化合物會隨著雨水沖走，促進徑流的形成，造成侵蝕量的增加。另一方面，累積施炭量過高后，土壤結構退化嚴重，造成減流效果減弱、侵蝕程度增加。土壤侵蝕性受空間變化、人類活動和其他不可控制因素等影響，對于生物炭長期對泥沙控制的影響還需要進一步探討。

關于生物炭的節水增產效果及其起效時間的研究仍存在許多說法。勾芒芒等[30]研究結果表明，施加生物炭處理產量明顯高于未施加生物炭處理的產量，且在CK、C10、C20、C40、C60這5組處理中C40處理產量提高最大；房彬等[31]認為冬小麥的產量和水分利用效率與生物炭使用水平呈正相關；JONES等[32]連續2年施加生物炭對產量沒有顯著影響，卻顯著增加了第3年的產量；在本研究中，施加生物炭可以提高產量和水分利用效率，以連續施加2年50 t/hm2的生物炭增產效果最優，與同年C0處理相比增產率高達33.3%，其次是施加1年75 t/hm2的生物炭。這可能是因為適量的生物炭可以提高大豆的保水性能和有機質含量，使作物生長達到最優平衡，而過高的施炭量打破了這種平衡，導致增產效果和節水效果減弱。另一方面，累積施炭量使土壤pH值過高的同時，還會使作物缺鐵失綠，生長不良，甚至死亡，導致產量降低。

在本研究中，利用熵權法和差異系數法加權平均計算權重對傳統的TOPSIS模型進行改進，使評價結果具有完全客觀性的同時，也使計算變得簡單。理論上，生產力指數與生物炭施加量應為Logistic曲線，當施炭量較低時，生產力指數取決于土壤條件，生產力指數緩慢增長；隨著施炭量的增加，改善了土壤結構，生產力指數迅速增長；當施炭量過高時，土壤結構不再適合作物生長，生產力指數緩慢升高。當連續施加2年以上時，隨著施用年限的增加，土壤中累積施炭量增加，生產力指數迅速增加，累積施炭量增加到一定程度后，生產力指數緩慢增加并達到臨界最大值，當土壤累積施炭量過高時，生產力指數迅速下降，且隨著年限的增加下降速率越大。改進的TOPSIS模型能清晰、準確地描述這種變化過程，第1年施加100 t/hm2，生產力指數緩慢下降，這可能是因為生物炭施加量過高，土壤pH值、有機碳密度過大，導致作物生長發育受到影響，產量降低?；诟倪M的TOPSIS模型總結出適用于黑土區的生物炭施用模式，即連續施加2年50 t/hm2的生物炭對土地生產力的提升最大，各項指標均達到相對理想值，其次是施加1年75 t/hm2的生物炭，施加的第2年為施加最優年。為此，本研究建議生物炭的施用年限為1～2年，不建議2年以上施用。另外，對于生物炭對其他指標的響應關系及生物炭對各指標產生的后效應還有待進一步探究。

4 結論

(1)有機碳密度、土壤pH值均隨生物炭施加量的增加而呈上升趨勢，而土壤容重呈下降趨勢，且施加年限越長作用越明顯，施加1年田間持水率隨生物炭施加量的增加而上升，連續施加2年、3年的生物炭，在生物炭施加量50 t/hm2時達到最大，2年分別較C0處理提高9.95%、8.34%。

(2)施加生物炭可以有效地減小3°坡耕地的徑流和土壤侵蝕。施加1年以75 t/hm2的生物炭對減流效果和抗土壤侵蝕效果影響最優，較C0處理減小了15.4%、1.7%。連續施加2年、3年以50 t/hm2的生物炭效果最佳，年徑流量較C0處理減少了17.2%、15.7%，年土壤侵蝕量較C0處理減小了2.7%、2.3%。

(3)施加生物炭可以提高大豆產量和水分利用效率。施加1年以75 t/hm2的生物炭最優，較對照處理增產21.8%、水分利用效率提高25.3%；連續施加2年、3年以50 t/hm2的生物炭最好，增產率為33.3%、24.1%，水分利用效率提高率為27.6%、19.8%。

(4)在不同施炭量和施用年限條件下，改進的TOPSIS模型計算的土地生產力指數符合土地生產力變化規律，并基于該模型總結出建議的生物炭施用模式，可為黑土區施加生物炭提供參考。