黑土區坡耕地連年施加生物炭的最佳模式研究

魏永霞 馮 超 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.東北農業大學農業農村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

東北部黑土區是我國糧食主要生產地，對保障糧食安全具有十分重要的意義[1]，玉米是該區域的重要經濟作物。長期以來，由于對黑土資源的高強度利用、缺少合理的管理模式，以及所處地區雨期集中、水土流失嚴重，導致東北黑土區在玉米連年豐收的背后潛伏著巨大的危機，主要表現在土壤養分庫容偏低、黑土耕層變薄、土壤酸化、土地生產力下降，以及秸稈焚燒造成環境污染等。因此，土壤質量的改善、水土資源的保護，以及秸稈資源的有效利用等是東北黑土區持續發展的關鍵[2-3]。

生物炭是由作物秸稈在無氧條件下，經過高溫熱解產生的一種穩定的、含有大量碳元素的固體[4]。由于生物炭具有疏松多孔、比表面積大、有機碳含量高等特點，因而在解決上述問題時做出了突出貢獻，受到了國內外學者的廣泛關注。多數研究表明，生物炭在土壤改良、水土保持以及節水增產等方面具有顯著效果，如降低土壤容重[5]、增加土壤孔隙度從而提高土壤的保水性[6]、提高土壤有機碳含量以增加土壤碳氮比[7-8]、提高土壤抗酸化能力[9-11]、減少徑流量和土壤侵蝕[12-14]、提高作物的水分利用效率和產量[15]等。也有研究表明，生物炭可能會產生負效應：如葉麗麗等[16]通過試驗發現，向紅壤中添加生物炭，導致土壤中團聚體的穩定性降低，破壞了土壤結構；ASAI等[17]田間試驗也發現，施加4 t/hm2的生物炭，使水稻的產量降低了23.3%。這說明受土壤類型、制備生物炭的材料和作物品種等因素的影響，生物炭對土地及作物產生的影響是一個長期復雜的過程[14]。但目前對生物炭的研究以短期居多，缺乏對生物炭長期效應的探討，同時生物炭對土地及作物的多項指標均有影響，有的會產生負效應，有的會產生正效應，綜合影響評價的研究較少。

為此，本研究以黑土區坡耕地為研究對象，選擇黑土區主要糧食作物玉米為供試作物，通過連續4年施加生物炭，探討長期施加生物炭后土壤理化性質、水土流失以及作物產量等指標的年際變化規律。采用基于優化遺傳算法的投影尋蹤模型，對不同的生物炭施用模式進行綜合評價，探索黑土區坡耕地最佳生物炭施加量和施加年限，為黑土資源的高效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年5月—2018年10月在黑龍江省農墾北安管理局紅星農場試驗基地(48°2′～48°17′N， 126°47′～127°15′E)進行，試驗小區位于小興安嶺西麓向松嫩平原的過渡丘陵漫崗地區，地勢自東向西傾斜，坡面較長，坡度3°～5°。屬中溫帶濕潤大陸性季風氣候，大于等于10℃的有效積溫為2 254.5℃，日照時數為2 364.2 h，無霜期105 d左右。多年平均降雨量為553 mm，且全年近90%的降雨量集中在7— 9月。土壤為草甸黑土，質地松散，但近些年黑土層厚度逐漸變薄，水土流失加劇，土地生產力下降。本區主要作物為大豆、玉米和水稻。

1.2 供試材料

供試土壤為草甸黑土，其基本性質為：總有機碳質量比34.83 g/kg，全氮質量比1.11 g/kg，全鉀質量比0.45 g/kg，全磷質量比0.35 g/kg，pH值6.3，容重1.15 g/cm3。供試玉米品種為德美亞1號，在出苗期選擇長勢基本相近且無病蟲害的植株作為試驗作物。試驗所用生物炭的原材料為玉米秸稈，購自遼寧金和福農業開發有限公司，制備方式是使玉米秸稈在無氧條件下用400～500℃高溫進行裂解，其理化性質為：總有機碳質量比70.21 g/kg，全氮質量比13.97 g/kg，全鉀質量比2.24 g/kg，全磷質量比34.55 g/kg，pH值9.14。

1.3 試驗設計

試驗在位于黑龍江省北安市紅星農場的徑流小區內進行，小區坡度為黑土區坡耕地代表性坡度3°，規格為20 m×5 m，10個徑流小區平行鋪設。各小區末端設徑流自動記錄系統，徑流經記錄及取樣后流入小區底端的排水溝。為防止測滲，各小區邊界用埋入地下1 m深的鐵板隔開，每個小區設置1 m間隔。試驗按照生物炭施加量不同設置5個處理：Y0(對照處理)、Y25(25 t/hm2)、Y50(50 t/hm2)、Y75(75 t/hm2)、Y100(100 t/hm2)，每個處理兩次重復。分別于2015—2018年玉米播種前，將生物炭與0～20 cm耕層土壤充分混合，起壟靜置7 d。試驗開始于2015年5月，結束于2018年10月。小區作物施肥、耕作的管理方案均與當地農戶相同。

1.4 觀測指標及處理方法

1.4.1土壤理化性質

土壤容重采用環刀法進行測定；田間持水率采用室內威爾科克斯環刀法測定；土壤pH值采用電位法測量；總有機碳含量利用德國Elementar Vario TOC分析儀測定；全氮采用半微量凱氏定氮法進行測定；土壤中的總有機碳與全氮含量的比值為土壤碳氮比。

1.4.2徑流量及土壤侵蝕量

徑流量：每次降雨產流后，通過安裝在小區末端的翻斗式流量計自動記錄翻斗往復時間，并通過比例系數和翻斗容積計算各小區的產流量和全生育期的總產流量。

土壤侵蝕量：在每次降雨產流后，每5 min取一次泥沙收集裝置中水樣，將水樣靜置24 h，漂去上層清水，用濾紙濾出泥沙，干燥8 h稱量，由各次產沙量計算年土壤侵蝕量。

1.4.3產量

分別于2015年10月8日、2016年10月7日、2017年10月4日和2018年10月4日對玉米進行收獲。每個徑流小區分別在坡上、坡中和坡下相應位置選取3個10 m2的地塊，并對所選地塊進行實收測產，計算玉米的總產量。

1.5 施用模式的評價方法

投影尋蹤(Projection-pursuit)模型是一種直接由樣本數據驅動的數據分析方法。它通過把高維數據投影到低維子空間，尋找能夠反映原高維數據結構或特征的投影，進而達到研究分析高維數據的目的。詳細過程見文獻[18]，主要過程如下：

(1)指標歸一化

假設評價樣本集為{x(i,j)|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p}，其中x(i,j)為第i個樣本第j個指標值，n、p分別代表樣本數量和指標個數。為了將各指標值無量綱化，歸一化處理公式分別為:

越大越優指標

(1)

越小越優指標

(2)

區間最優指標

(3)

式中xmin(j)、xmax(j)——第j個評價指標中的最小值和最大值

S1、S2——第j個指標的最優區間下限和上限值

(2)構造投影指標函數Q(a)

以a={a(1),a(2),…,a(p)}作為投影方向，將歸一化處理的數據x*(i,j)投影到一維空間形成投影值Z(i)，公式為

(4)

投影指標函數可以表示為

Q(a)=S(z)D(z)

(5)

(6)

式中S(z)——投影值Z(i)的標準差

D(z)——群內密度

其中，R的局部半徑密度的窗口半徑通常取max(r(i,j))/5≤R≤max(r(i,j))/3為標準；r(i,j)表示樣本之間的距離，r(i,j)=|Z(i)-Z(k)|，μ(R-r(i,j))為單位階躍函數，當R>r(i,j)時μ(R-r(i,j))=1，否則μ(R-r(i,j))=0。

1.6 數據處理方法

各項指標均采用平均值，應用Microsoft Excel 2010、Matlab R2016a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)。

2 結果與分析

2.1 連續施加生物炭對土壤理化性質的影響

如圖1a所示，連續施加4年生物炭始終使土壤容重呈現逐年降低的趨勢，且2018年的Y100處理的土壤容重與同年Y0處理相比降低15%，差異顯著(P<0.05)，相同處理的年際變化關系顯示，Y25處理的容重以平均每年下降1.7%的速率逐年降低；Y50處理的容重降低速率呈現先增加后降低的趨勢；Y75和Y100處理的土壤容重在2015—2017年下降迅速，相較當年的對照組最多降低了8.11%和7.34%，在2018年雖然容重也有降低但基本趨于平穩，相較于2017年僅降低了0.99%和0.98%。

圖1 2015—2018年土壤理化性質變化曲線Fig.1 Physical and chemical properties of soil from 2015 to 2018

從圖1b可以看出，在2015年的試驗中，各處理的田間持水率隨著施加生物炭數量的升高而增加，且與對照組相比分別增加了4%、6%、8.42%和12%，差異達到顯著水平(P<0.05)；2016年的持續施加結果顯示，除Y100以外的其他處理的田間持水率均呈現升高趨勢，且相較于2015的各處理分別增加了0.87%、6.27%、1.67%，而在2017—2018年的累積施加后，僅有Y25和Y50處理的田間持水率依然呈現增加的趨勢，且2018年各處理的田間持水率相較于2016年分別增加了12.58%和2.1%，其他處理的田間持水率則呈現下降趨勢，相較于2016年的處理結果分別下降了3.4%和11.96%，且2018年Y100處理的田間持水率相較對照組降低了7%，對該項指標表現出了抑制效果。從累積施炭量的角度來看，2018年Y25處理和2016年Y50處理生物炭的累積施入量均與2015年Y100處理相同，但是對于提高土壤持水能力的效果2018年Y25處理明顯要優于其他兩個處理，分別提高了3.88%和4.6%。

從圖1c可見，隨著生物炭的施加，土壤中的碳氮比整體均呈現上升的趨勢，差異顯著(P<0.05)，其中2018年Y100處理土壤中的碳氮比達到了所有處理中的最高值，且相較對照處理提高了206%。但從4年各處理碳氮比的變化速率來看，Y100和Y75處理下的變化速率呈現先升高后降低的趨勢，而Y50和Y25處理下的變化速率則呈現出緩慢升高的趨勢。

由于所用的秸稈生物炭的pH值略高于供試土壤，故土壤的pH值也隨著生物炭的加入而逐漸升高，差異達到顯著水平(P<0.05)，最高可使pH值提高1.7，從相同處理的年際變化上看，各處理下的土壤pH值始終高于同處理前一年的土壤pH值。從同一年的不同處理角度出發，高生物炭施加量處理下的土壤pH值始終高于低生物炭施加量，并且，4年中土壤pH值始終在Y100處理達到最大值，與當年的對照組分別提升了18%、21%、23%、25%。

2.2 連續施加生物炭對水土流失的影響

根據4年的實測數據可以看出，連續施加生物炭對于各年徑流系數的影響趨勢為短期效果Y100、Y75處理要優于Y50、Y25處理，而從長期效果來看，Y25、Y50處理要優于Y75和Y100處理。從圖2可以看出，2015年加入生物炭的處理使徑流明顯減少，減流效果最好的為Y75處理，減少了15.45%，該年其他處理減流效果由大到小依次為Y100、Y50、Y25，分別減少了14.65%、12.04%、6.96%；2016年Y25和Y50處理相較于上一年相同處理的減流效果均呈現增加趨勢，相較于2015年徑流分別減少了8.84%和5.22%，其中效果最為明顯的Y50處理相較對照組可使徑流減少17.3%，而Y75和Y100處理的減流效果與上一年的相同處理減少了0.22%和1.12%。2017各處理中減流效果最好的是Y50，減少了10.72%，其余各處理相較于對照組的徑流系數分別為Y25減少了9.46%，Y75減少了6.11%，Y100減少了6.48%。2017年各處理的減流效果相較于2016年呈現減低趨勢，減少了6.34%～9.11%。2018年各處理減流能力由大到小依次為Y25、Y50、Y75、Y0、Y100，相較于對照處理最高可使徑流系數降低12.9%，2018年Y50、Y75、Y100處理的減流效果相比于2017年均呈降低趨勢，其中2018年的Y100處理相較于對照處理徑流系數增加了1.01%，對減少徑流有不利的效果。

圖2 2015—2018年徑流系數和土壤侵蝕減少量Fig.2 Runoff coefficient and soil erosion reduction from 2015 to 2018

由于土壤的侵蝕量很大程度上受到當年降雨量的影響，所以很難通過直接比較相同處理不同年的侵蝕量來確定生物炭對減少侵蝕量的影響。故這里用各處理相較于對照組的減少量來進行比較，從而消除每年降雨量不同所造成的影響。即數值越大說明減少侵蝕效果越明顯，反之，則說明減少侵蝕效果不明顯，如果這個數值為負則說明該處理不僅不會減少侵蝕量甚至會增加侵蝕量。由圖2可以看出，隨著生物炭的逐年施加，土壤侵蝕的減少量呈現先升高后降低的趨勢。具體為2015年，施加生物炭的處理可以使土壤侵蝕量減少0.02～1.23 kg，其中減少量最高的為Y25處理。2016年各處理土壤侵蝕量均有明顯降低，且減少量由大到小為Y50、Y25、Y75、Y100，其中效果最好的Y50處理可以使土壤侵蝕量減少8.33 kg。2017年加入生物炭的處理減少的土壤侵蝕量分別為3.67、3.23、1.44、-0.36 kg，相較于2016年的效果有明顯的降低，其中Y100處理土壤侵蝕更加嚴重。2018年施加生物炭后的觀測結果與2017年基本一致，土壤侵蝕量逐漸增加，此外，2018年的Y75處理土壤侵蝕量增加了0.28 kg，同樣出現了土壤侵蝕更加嚴重的情況。

2.3 連續施加生物炭對玉米產量及水分利用效率的影響

表1為連續4年施加生物炭玉米水分利用效率(WUE)、產量和增產率的變化情況。連續4年產量隨施炭量的增加呈先升高后降低的趨勢，最優處理分別為Y50、Y50、Y25、Y25，其中產量最高的處理為2018年的Y25處理，相較同年對照處理增加了1 250 kg/hm2。增產率最高的為2015年的Y50處理，相較當年對照處理提高了14.12%。從相同處理的年際變化角度分析，Y25處理下的產量由2015年的9 400 kg/hm2逐漸增加到2018年的10 350 kg/hm2，增產率為10.1%。Y50處理下的增產率在2015年達到了最高的14.12%，2015—2018年呈現先降低后升高的趨勢，2017年和2018年的增產率基本穩定在了12.5%左右。Y75處理下增產率的變化趨勢與Y50處理基本相同，2015年的增產率為12.94%，為4年中的最高，在2017年降低到4年最低的6.67%，在2018年增長到8.24%。Y100處理的增產率2015—2018年呈現出逐年下降的趨勢，從2015年的8.24%逐年降低到2018年的-1.1%，對玉米的增量產生了抑制的效果。WUE變化規律與產量變化規律基本一致，2015—2018年的處理中，WUE最高的分別為Y50、Y50、Y25、Y25，分別為32.85、25.86、25.75、26.11 kg/(mm·hm2)，相較于對照組分別增加了17.57%、12.83%、15.32%、10.31%，并且在2018年Y100處理下作物的WUE相較于同年的對照組降低了4.1%。

表1 2015—2018年玉米WUE、產量和增產率Tab.1 Changes in corn’s WUE, production and yield increase rate from 2015 to 2018

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.4 生物炭最佳施用模式的綜合評價

為了能夠盡可能完整地反映出生物炭在該地區連續施加4年所產生的效果，進而提出最佳施用模式，需要從土壤改良、水土保持和節水增產等3個方面進行評價指標的篩選，從而使評價指標更加全面、科學、合理。選取8項指標對不同生物炭施用模式的應用效果進行綜合評價，結果見表2。

為避免評價指標間量綱的影響，采用式(1)～(3)對指標進行歸一化處理，求出最佳投影方向，見表3。

表2 評價指標平均值Tab.2 Average values of evaluation index

表3 評價指標最佳投影方向Tab.3 Best projection direction of evaluation index

圖3 2015—2018年各處理投影值擬合Fig.3 Projection value fitting graph of each treatment from 2015 to 2018

使用Matlab對投影值進行擬合，結果如圖3所示。在施炭量、施加年限作為控制條件時，2015、2016年兩年的投影值隨著生物炭施加量的增加呈現上升趨勢。2017、2018年以生物炭施用量25 t/hm2最優，當生物炭施加量高于25 t/hm2時，投影值呈現降低趨勢。并且，連續施加3年25 t/hm2生物炭處理投影值最高；投影值Z關于生物炭施加量x及施加年限y的響應關系為

Z=54.12-0.033 06x-17.75y+0.000 301x2+
0.127 2xy+9.358y2-0.000 590 3x2y-
0.016 04xy2-1.297y3

3 討論

生物炭自身具有多孔、低密度以及大的比表面積等特性，可以使其具有改良土壤結構，提高土壤持水能力的作用[19]。改良土壤結構方面，本研究發現，土壤容重隨著生物炭施用量的增加呈現逐漸降低的趨勢，與前人的結論基本一致[20]。此外本研究發現，Y25、Y50處理下土壤容重的降低幅度逐年上升，而Y75、Y100處理下土壤容重的降低幅度逐年遞減，土壤容重趨于平穩，可能是由于生物炭降低容重的效果達到了最大值[14]。從土壤持水能力方面來看，學者們普遍認為施加生物炭可以提高土壤的持水能力[21-23]，但施加量以及施加年限與持水能力之間的關系尚不明晰。吳維等[24]通過在黃壤中施加不同量的秸稈生物炭發現，土壤的田間持水率與生物炭的添加量呈現顯著正相關。魏彬萌等[25]用煙桿生物炭對沙復土壤進行改良時發現，生物炭施加量增加到50 g/kg時，復配土壤的田間持水率出現下降趨勢。在本研究中，Y25、Y50處理下的田間持水率呈現逐年升高的趨勢，而Y75、Y100處理下的田間持水率則呈現出逐年降低的趨勢；并且2018年Y100處理下的田間持水率低于對照組處理。產生這一現象的原因是由于生物炭累積量的增加導致生物炭顆粒堵塞了土壤顆粒之間的孔隙，破壞了土壤的結構，且不同類型的土壤對這種結構破壞的承受能力不同。生物炭主要由全碳組分和灰組分構成，施用生物炭可以提高土壤的碳氮比和pH值，增強土壤的肥力和抗酸化能力。本研究中，土壤中的碳氮比和pH值均隨著生物炭的施加而逐漸升高，這與前人的結論[11,19]基本一致。

在已有的研究中，生物炭在減少徑流量以及減少土壤侵蝕量方面的應用效果尚不明晰。本研究中，2015年和2016年的徑流系數隨著生物炭的逐年施加而逐漸降低，減少徑流的效果明顯，這與LI等[26]的研究成果一致；但在2017年和2018年中，生物炭的持續施加增加了土壤的徑流系數與徑流量，規律與2015、2016年相反。出現這種現象的原因是在加入生物炭的初期，在生物炭自身多孔性質的作用下，土壤孔隙度增加導致土壤水分的入滲率增加，從而減少了該年的徑流量，但由于生物炭具有斥水性[27]，隨著生物炭的逐年施加，生物炭的累積施加量升高，這種斥水性的影響效果占據了主導地位，導致了該研究的2017、2018年徑流系數逐年升高。而在降低土壤侵蝕量方面，本研究結果顯示，減少的土壤侵蝕量呈現先升高后降低的趨勢，在2016年施加50 kg/hm2生物炭的處理為最優處理，魏永霞等[14]在相同的試驗地區得到了相同的結論，但2017年的Y75處理和2018年的Y75、Y100處理的土壤侵蝕量均出現了不同程度的增加，主要是由于過量的施加生物炭對土壤顆粒中的團聚體產生破壞，使土壤的抗侵蝕能力和水穩性下降，導致這一現象的產生。同時相關研究還表明施用生物炭的顆粒尺寸影響著減少侵蝕量的最優生物炭施加量[26]。

已有研究表明，在土壤中施加生物炭可以使玉米等作物的產量和水分利用效率提高[14]，但對生物炭的施加量、施加年限的合理配置方面卻缺乏見解。本研究中，玉米的產量以及水分利用效率規律基本一致，2015—2017年的試驗中，各處理的產量和水分利用效率均高于對照組，與前人的結論一致[27]。增產率方面，相同年不同處理的增產率隨著生物炭施用量的增加呈現先升高后降低的趨勢，且2015—2018年的最優處理分別為Y50、Y50、Y25、Y25，王湛等[28]通過研究生物炭對有機菜的增產作用發現了類似規律。本研究還發現，2018年的Y100處理導致了玉米的減產，這是由于生物炭自身的高含碳量提高了土壤中的碳氮比，生物炭通過提供充分的代謝能量而使土壤微生物對N元素產生了生物固定，導致N元素根系可利用性降低，從而對玉米的產量產生了抑制效果。

本研究中，使用AGA優化的投影尋蹤模型對生物炭不同的施加量、施加年限的應用效果進行評價，并利用Matlab對施加量、施加年限、投影值進行擬合，相較于傳統的投影尋蹤模型，在使評價結果更加直觀準確的同時，也使計算過程更加簡單。改進的投影尋蹤模型評價結果顯示，開始施加生物炭時，投影值隨著生物炭施加量的增加而緩慢升高，隨著施加年限的增加，土壤中的累積施炭量也逐漸升高，投影值呈現出先升高后降低的趨勢，整體呈現出一個曲面，產生這一現象是因為，生物炭施加量較低時，投影值取決于土壤自身的條件，而隨著生物炭的連續施加，有效改善了土壤結構進而抑制了水土流失并提高了作物產量，因而投影值在這一階段快速上升并且達到最大值，但當施加年限過長，土壤中生物炭的累積施加量過高時，生物炭開始破壞土壤結構，導致水土流失嚴重、作物減產的現象，所以投影值在這一階段開始呈現緩慢降低，生物炭的應用效果欠佳。基于改進的投影尋蹤模型總結出黑土區的生物炭最優使用模式為連續3年施加32.63 t/hm2的生物炭，可使生物炭的應用效果達到最優。

4 結論

(1)連年施加生物炭可以顯著降低土壤的容重，同時增加土壤pH值以及土壤的碳氮比，且生物炭的累積施加量越大，這種作用效果越明顯，田間持水率最高的處理為2018年的Y25處理，相較同年對照處理增加了14.43%，2016—2018年的Y75、Y100處理下的田間持水率逐年降低。

(2)連續兩年施加生物炭可以有效減小黑土區的徑流系數和土壤侵蝕量，但第3、4年施加生物炭時，會增大耕地的徑流系數以及土壤侵蝕量，對水土保持產生不利影響。連續施加兩年50 t/hm2的生物炭，土壤徑流系數達到最低，相較對照組降低了17.3%，同時土壤侵蝕量達到最低，相較對照組降低了8.33 kg。

(3)施加適量的生物炭可以提高玉米產量和WUE，但當生物炭施加過量時，會對玉米產量和WUE產生抑制效果。2015年施加50 t/hm2生物炭增產效果最好，增產率為14.12%，WUE提高了17.57%；連續4年施加100 t/hm2生物炭，玉米產量和WUE受到了抑制，相對于對照組分別降低了1.1%和4.1%。

(4)利用改進的投影尋蹤模型對生物炭不同施用量、施加年限的應用效果進行評價，進而提出黑土區生物炭的最優施用模式為：連續3年施加32.63 t/hm2生物炭。