黑土區坡耕地生物炭應用模式綜合效益研究

劉 慧 蘇 航 溫小艷 龍學毅 焦 巖 范亞東

(1.東北農業大學經濟管理學院， 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.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國是世界上人口最多的國家，糧食安全尤為重要，關系到國防安全及民生穩定，制約著我國經濟的發展，提升國內糧食自給自足能力已迫在眉睫。黑土是最肥沃的土壤和極為珍貴的農業生產資源，是土地生產力的核心以及糧食安全的根本保障[1]。東北黑土區作為全球僅存的三大黑土區之一，土層肥沃、生產力強，是我國最主要的糧食生產基地。近年來，由于自然因素制約和人為活動破壞，東北黑土區水土流失日益嚴重，生態環境日趨惡化。嚴重的水土流失正使我國肥沃的東北黑土地變得又“薄”又“黃”，有的地方甚至已露出黃土母質，基本喪失了生產能力。

東北黑土區秸稈資源豐富，但秸稈資源的利用率較低，每年有大量秸稈資源被焚燒或丟棄，這不僅造成了資源的巨大浪費，同時還帶來了嚴重的煙塵污染。以生物炭技術為核心的秸稈炭化還田是銜接農業循環鏈條首尾兩端、實現廢棄生物質資源化高效利用的重要途徑，是推動黑土區農業健康可持續發展的不竭動力[2]。生物炭是以作物秸稈、動物糞便為原材料在缺氧條件下熱裂解形成的穩定的富碳產物[3]。目前對于生物炭應用效應的研究多是以短期施加生物炭為條件，如使用室內土柱培養試驗和田間原位測定或室內盆栽試驗定量分析的方法對施加生物炭后的土壤理化性質[4-5]、作物生長[6-8]、土壤水分運動[9-10]等進行分析，而從生態效益、經濟效益角度對多年連續施加生物炭后綜合效益評價研究較少，且指標覆蓋不全面。程功等[11]以溫室氣體排放強度(GHGI)為效益指標，對不同梯度生物炭用量進行試驗，認為施用1年、施炭量為15 t/hm2時，綜合效益最高。鑒于此，本研究以4年為研究期限，建立反映不同生物炭應用模式(不同生物炭施用量和施用年限)的生態效益、經濟效益和綜合效益的綜合評價指標體系，運用熵值法對模糊綜合評價方法進行改進，測算不同生物炭應用模式的效益指數，以期得到黑土區最佳施炭模式，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—2018年在黑龍江省北安紅星農場(48°02′～48°17′N，126°47′～127°15′E)進行。試驗區氣候為寒溫帶大陸性氣候，全年平均降水量555.3 mm，降雨集中在7—9月，約占全年70%。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°。耕地土壤以黑土為主，土壤表層松散、底土黏重，透水性差。主要農作物為大豆和玉米。

1.2 試驗設計

試驗在北安紅星農場內坡度為3°的徑流小區進行，小區規格20 m×5 m，每2個小區間隔1 m。設置不加生物炭的常規處理(C0)和生物炭施加量分別為25 t/hm2(C25)、50 t/hm2(C50)、75 t/hm2(C75)、100 t/hm2(C100)共5個處理，2次重復，共計10個徑流小區，每個小區選取2個取樣點(共4次重復)。2015年試驗開始前將生物炭施入表層土壤(0～20 cm)，反復攪拌，混合均勻，2016—2018年分別在上一年的試驗基礎之上加入等量的生物炭，同時施加重茬肥并做相同的處理。供試土壤為黑土，理化性質為pH值6.3，土壤容重1.15 g/cm3，有機質質量比34.83 g/kg，全氮質量比1.10 g/kg，全磷質量比0.45 g/kg，全鉀質量比0.35 g/kg。供試作物為大豆，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，粒徑為1.5～2.0 mm，其基本理化性質為：pH值9.24，全氮、全鉀、全磷、灰質質量分數分別為1.53%、1.66%、0.75%、25.7%。水肥管理同當地大田標準，即不進行灌水，均在雨養條件下種植，化肥采用N、P2O5、K2O質量分數分別為13%、28%和10%的復合肥，用量為450 kg/hm2，全部作為基肥一次性施入，且4年試驗保持一致。

1.3 觀測指標與方法

1.3.1土壤理化性質

于每年大豆成熟后取其耕層土壤測定理化性質，采用DK-1130型土壤三相儀測定土壤容重、孔隙度以及土壤三相比，土壤三相比偏離值R(所測土壤樣品三相比與適宜狀態下土壤三相比在空間距離上的差值)計算式為[12]

(1)

式中XS——固相體積分數，大于25%

XL——液相體積分數，%

XG——氣相體積分數，%

采用環刀法測定土壤飽和含水率、田間持水率，采用生物法和干燥法測定土壤凋萎系數。采用TOC分析儀法測定土壤有機碳含量；采用納氏比色法、Bray法、醋酸銨-火焰光度計法分別測定銨態N、有效P、速效K含量；采用電位法測定土壤pH值，并采用土壤質量退化指數計算土壤營養指數[13]，計算式為

(2)

式中SQDI——土壤營養指數，%

xi0——C0處理土壤第i個屬性值

xi——其他處理土壤第i個屬性值

n——選擇的土壤屬性數量

1.3.2年徑流深和土壤侵蝕量

采用安裝在每個徑流小區的徑流自動記錄系統記錄各次降雨的產流量，進而得到年徑流深；產沙量通過安裝在每個徑流小區末端的泥沙收集系統(BLJW-ZXY型)測定，在每次降雨產流后，每5 min取一次水樣，靜置24 h，漂去上層清水，用濾紙濾出泥沙，干燥8 h稱量，計算得到產沙量，由各次產沙量加和得到年土壤侵蝕量。

1.3.3產量及水分利用效率

于每年大豆收獲期，對各個徑流小區進行產量測定。采用水量平衡方程計算大豆全生育期耗水量，進而計算大豆水分利用效率，由于試驗區地下水埋深40 m且試驗期內未灌水，故不考慮地下水交換量和作物生育期內灌水量，公式為

ET=P+ΔS

(3)

WUE=Y/ET

(4)

式中ET——大豆生育期耗水量，mm

P——大豆生育期降雨量，mm

ΔS——收獲期與播種期0～100 cm土壤儲水量之差，mm

Y——大豆產量，kg/hm2

WUE——水分利用效率，kg/m3

1.3.4生物炭成本、收益以及邊際生產力

試驗總成本、收益以及生物炭利用效率計算公式分別為

C0=QbiocharPbiochar+C1

(5)

Rt=Rt-1+QtPt

(6)

BUE=Qsoybean/Qbiochar

(7)

式中C0——總成本，元/hm2

C1——除生物炭成本外的其他成本，元/hm2

Qbiochar——生物炭累積施加量，t/hm2

Pbiochar——生物炭價格，元/t

Rt——第t年累積收益，元/hm2

Qt——第t年大豆產量，kg/hm2

Pt——第t年大豆價格，元/kg

Qsoybean——大豆累積增產量，kg/hm2

BUE——生物炭利用效率，kg/t

1.4 數據處理方法

各指標均采用平均值，采用Excel 2010進行數據處理和繪圖，利用SPSS 20.0進行多重比較、方差分析以及回歸分析，多重比較采用LSD法，顯著性水平取0.01和0.05。采用熵值法計算各指標權重，采用模糊綜合評價模型評價各處理的生態效益、經濟效益和綜合效益。

1.5 基于熵值法改進的模糊綜合評價模型

模糊綜合評價法是將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，利用多個因素對所評價事物的隸屬情況做出綜合決策的方法。其基本原理是：根據被評價對象的特點選取因素集和評語集，尋找因素集中各元素對評價集的隸屬關系，建立模糊評價矩陣，最終結合各因素的權重計算出綜合評價值[14]。在傳統的模糊綜合評價模型中，指標權重系數一般采用層次分析法、專家分析法等方法確定，具有較大的主觀性，沒有考慮實際綜合評價問題的客觀性。熵值法則是一種客觀賦權方法，可以克服傳統模糊綜合評價法權重確定的主觀性，考慮了實際搜集到的指標數據的實時性、客觀性和動態性，因此本文將兩種方法相結合，對各試驗方案的綜合效益進行評價分析，具體步驟如下[15-17]：

(1)依據指標參數建立效益指標集I，表達式為

(8)

式中xij——第j種方案的第i個評價指標值

m——評價指標個數

n——評價方案數目

(2)效益評價等級A建立

由于指標體系所涉及的指標覆蓋范圍較廣，各指標的優劣標準并不一致，而目前尚不存在一個系統的等級標準，因此本文以所有方案中各指標的最優值作為評價的最優值，通過比較不同方案的綜合效益進行評價。因此，評價等級A只包含1個因子，記為aG，表示“最優”等級。

(3)建立模糊相關矩陣U，表達式為

(9)

式中dij——第j種方案的第i個評價指標對于“最優”等級的隸屬度

正向指標(越大越優型)

(10)

負向指標(越小越優型)

(11)

(4)指標權重確定

由于不同指標的差異性，各類數據量綱與單位不同，對此本文采用線性法進行標準化，由于其正向、負向指標標準化計算式與式(10)和式(11)在形式上完全一樣，因此得出的標準化值與隸屬度在數值上相同，第i個指標的效用值表達式為

(12)

式中yij——第j個評價方案第i個指標標準化值

利用熵值法對指標賦權，權重ωi表達式為

(13)

(5)計算綜合評價得分v，計算式為

v=ωiU

(14)

2 結果與分析

2.1 施加生物炭的生態效益

2.1.1施加生物炭對土壤物理指標的影響

土壤容重和孔隙度是判斷土壤結構狀況的重要指標。各年不同處理土壤容重和孔隙度如圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)所示。隨著施炭年限和施炭量的增加，土壤容重逐漸降低，除2015年C25處理與同年C0處理間差異不顯著(P=0.058)外，其余各年各施炭處理土壤容重與C0差異均達顯著水平(P<0.05)。隨著施炭年限的延長，各處理土壤容重降低速率逐漸減小。隨著施炭年限和施炭量的增加，土壤孔隙度逐漸增大。同一年份隨著施炭量的增加，土壤孔隙度逐漸增大，且各處理與C0差異均達顯著水平(P<0.05)。隨著施炭年限的延長，各處理土壤孔隙度增加速率逐漸減小。以上變化均由生物炭多孔性、容重小且遠低于土壤容重的結構特征引起，施入土壤后可以有效地改善土壤的孔隙結構，提高土壤的透氣性和透水性。雙因素方差分析結果顯示，施炭年限、施炭量對土壤容重、孔隙度均有極顯著影響(P<0.01)，二者的交互作用對土壤容重影響極顯著(P<0.01)，對土壤孔隙度影響顯著(P<0.05)。

圖1 2015—2018年不同處理土壤容重和孔隙度Fig.1 Soil bulk density and porosity of each treatments in 2015—2018

土壤三相比是衡量土壤松緊程度和結構的重要指標，土壤三相比偏離值R是綜合反映土壤結構優良性的指標，其值越小，表明土壤結構越接近理想狀態。各年各處理的R如表1所示。施炭年限、施炭量以及二者的交互作用均對R有極顯著的影響(P<0.01)，其中以2017年的C50處理R最小，此時土壤的三相比與理想三相比最為接近。適量施加生物炭可以有效地調節土壤三相比，顯著降低R(P<0.05)；但當生物炭累積施用量過高時，土壤質地過于松散，結構變差，三相比偏離理想狀態，故而2017、2018年C100處理R高于同年C0處理，但二者差異不顯著(P>0.05)。另外，在累積施炭量相同的條件下，逐年施入對土壤結構的改良效果優于一次性施入，如連續2年施加25 t/hm2生物炭的R(3.624 2)小于一次性施入50 t/hm2的R(4.430 0)。

表1 2015—2018年不同處理R值Tab.1 Three-phase R value of each treatment in 2015—2018

2.1.2施加生物炭對土壤養分含量的影響

土壤養分含量是影響作物生長的重要因素。4年不同處理的土壤養分含量和pH值如圖2所示。相同年份，隨著生物炭施用量的增加，土壤pH值、總有機碳含量、速效K含量逐漸遞增；銨態N含量、有效P含量則呈先增后減的變化規律，2017、2018年C100處理銨態N、有效P含量較同年C0處理分別降低1.67%、13.54%和9.51%、12.73%。隨著連續施炭年限的延長，相同處理的土壤pH值、總有機碳含量、速效K含量逐漸遞增，而銨態N含量呈先增后減的變化規律；低施炭量處理(C25、C50)有效P含量先增后減，而高施炭量處理(C75、C100)有效P含量逐漸遞減。盡管施加生物炭在一定程度上提高了土壤有效養分的含量，但對于銨態N、有效P含量的效應尚不穩定，甚至在高施炭量處理下產生了輕微抑制現象。雙因素方差分析結果顯示，施炭年限、施炭量以及二者的交互作用對銨態N含量、有效P含量、速效K含量、pH值、總有機碳含量均有極顯著影響(P<0.01)。

圖2 2015—2018年不同處理土壤養分含量和pH值Fig.2 Soil nutrient contents and pH value of each treatment in 2015—2018

土壤營養指數可以定量描述土壤營養的高低，營養指數為負值表明土壤肥力有下降的趨勢，正值表明土壤肥力有所改善[18-20]。本研究以各年C0處理作為基準土壤類型，故其土壤營養指數為0，選取總有機碳、pH值、銨態N含量、有效P含量、速效K含量5個指標，采用式(2)計算2015—2018年各處理的土壤營養指數，結果如表2所示。施用生物炭使各處理土壤營養指數較C0處理顯著提高(P<0.05)。除2015年C75處理外，隨著施炭量的增加和施用年限的延長，土壤營養指數逐漸增大。雙因素方差分析結果顯示，施炭年限和施炭量對土壤營養指數有極顯著影響(P<0.01)，二者的交互作用對土壤營養指數影響顯著(P<0.05)。

表2 2015—2018年不同處理土壤營養指數Tab.2 Soil nutrient index of each treatment in 2015—2018 %

2.1.3施加生物炭對土壤持水能力的影響

土壤水分是作物生長發育的重要環境因子，提高土壤持水能力可有效促進農業增產增收。由圖3可知，2015年隨著施炭量的增加田間持水率和凋萎系數均呈逐漸遞增的趨勢，2016—2018年兩項指標則呈先增后減的變化規律；土壤飽和含水率4年均隨著施炭量的增加逐漸增大，分別較同年C0處理增加4.93%～11.99%、13.11%～35.09%、19.18%～41.71%和20.98%～43.63%，差異均達顯著水平(P<0.05)。當施炭量相同而施用年限不同時，隨著施炭年限的延長，土壤飽和含水率逐漸遞增；C25、C50、C75處理田間持水率呈先增后減的變化規律，而C100處理隨著施炭年限的延長逐漸遞減；C25處理凋萎系數隨著施炭年限的延長逐漸遞增，其余各處理與田間持水率呈相同的變化規律。適當施加生物炭可以有效改善土壤結構，進而提高土壤持水能力，但當土壤中生物炭含量過高時會使土壤結構松散、土壤結構變差，使土壤持水能力下降。雙因素方差分析結果顯示，施炭年限、施炭量及其交互作用對田間持水率、飽和含水率以及凋萎系數3項指標均有極顯著的影響(P<0.01)。

圖3 2015—2018年不同處理土壤水分常數Fig.3 Soil moisture contents of each treatment in 2015—2018

2.1.4施加生物炭對土壤水土流失的影響

徑流深和土壤侵蝕量作為2個較為重要的水土保持指標，可以直接反映土壤水土流失的程度。由于不同年份間降雨量差異較大，不宜直接比較年際間徑流深和土壤侵蝕量，故本研究采用徑流系數和單位降雨量土壤侵蝕量描述生物炭對土壤水土流失的影響。圖4為2015—2018年不同處理徑流系數及單位降雨量土壤侵蝕量的變化情況。由圖4a可知，相同年份，徑流系數隨著施炭量的增加先減后增，4年分別以C75、C50、C50和C25處理減流效果最佳，與同年C0處理差異顯著(P<0.05)；2018年C100處理徑流系數較C0增加了1.04個百分點，未達顯著差異(P>0.05)。隨著施炭年限的延長，不同施炭量處理均在2016年減流效果最佳，可能是隨著時間的延長累積施炭量過多，改變了土壤的結構，使土壤的抗沖刷能力減弱，促進徑流的形成。由圖4b可知，適量施加生物炭可有效減少徑流對土壤的沖刷，單位降雨量土壤侵蝕量隨著施炭量的增加先減后增，但過高的累積施炭量使2018年C75、C100處理單位降雨量土壤侵蝕量較C0增加了0.26%、1.60%。隨著施炭年限的延長，不同施炭量處理單位降雨量土壤侵蝕量均在2016年達到最小，表明隨著生物炭在土壤中的累積效應，表層土壤更為稀松，導致土壤結構變差，雨水形成的徑流將更易攜帶表層土壤，從而造成土壤的流失。雙因素方差分析結果顯示，施炭年限和施炭量對2項指標均有極顯著的影響(P<0.01)，兩者的交互作用對徑流系數有顯著影響(P<0.05)，對單位降雨量土壤侵蝕量影響不顯著(P>0.05)。

圖4 2015—2018年不同處理徑流系數及單位降雨量土壤侵蝕量Fig.4 Runoff coefficient and soil erosion per unit rainfall of each treatment in 2015—2018

2.2 施加生物炭的經濟效益

2.2.1施加生物炭的節水增產效應

作物產量是農業生產的直接成果，提高水分利用效率是節水農業研究的重要目標，實現作物產量和水分利用效率的同步提高是當今可持續農業所追求的一個主要目標。圖5為4年不同處理的大豆產量及水分利用效率。由圖5a可知，當施炭年限相同而施炭量不同時，隨著施炭量的增加大豆產量呈先增后減的變化規律，4年分別以C75、C50、C50和C25處理產量最大，較同年C0處理增產顯著(P<0.05)。隨著施炭年限的延長，C25處理大豆產量逐漸遞增，C50處理大豆產量先增后減，且在2017年達到最大值，而C75、C100處理大豆產量則逐漸遞減，且C100處理在2018年較C0減產11.45%，表明當累積施炭量過高時對土壤的理化性質、持水能力等的影響減弱進而使作物產量降低。由圖5b可知，當施炭年限相同而施炭量不同時，大豆水分利用效率隨著施炭量的增加呈先增后減的變化趨勢，4年分別在C75、C50、C50、C25處理達到最大，較同年C0處理分別提高25.03%、27.39%、15.36%和9.22%，差異均達顯著水平(P<0.05)；當施炭量相同而施炭年限不同時，隨著施炭年限的延長，各處理水分利用效率逐漸遞減。雙因素方差分析結果顯示，施炭年限對大豆產量有極顯著影響(P<0.01)，對水分利用效率有顯著影響(P<0.05)，施炭量對兩項指標均有極顯著影響(P<0.01)，施炭年限和施炭量的交互作用對產量有極顯著影響(P<0.01)，而對水分利用效率影響不顯著(P>0.05)。

圖5 2015—2018年不同處理大豆產量和水分利用效率Fig.5 Soybean yield and water use efficiency of each treatment in 2015—2018

2.2.2施加生物炭的投入產出

采用式(5)～(7)計算不同的生物炭施用模式的成本、收益及生物炭利用效率，結果見表3。由表3可知，隨著施用年限和施炭量的增加，各施炭模式的成本逐漸遞增，收益呈先增后減的變化規律，施用1年和2年生物炭時，施炭量為75 t/hm2收益最高；連續施用3年和4年生物炭時，施炭量為50 t/hm2收益最高。不同施用年限的生物炭利用效率隨著施炭量的增加均呈先增后減的變化趨勢，連續施用2年生物炭，每年施用量為25 t/hm2時生物炭利用效率最大，此時每增加1 t大豆產量施炭量增加11.20 kg。施用年限過長或累積施炭量過高時，累積施炭量增加速率遠大于產量的增加速率，導致生物炭的利用效率逐漸降低。

表3 2015—2018年不同處理生物炭成本、收益以及利用效率Tab.3 Biochar costs, benefits and utilization efficiency for each treatment in 2015—2018

2.3 基于熵值法的生物炭應用效益評價

2.3.1評級指標確定及權重賦值

構建能夠綜合反映生物炭生態效益和經濟效益的評價指標體系，如表4所示，其中生態效益指標包括土壤理化性質、土壤持水能力、水土保持效應3類二級指標；經濟效益指標包括節水增產效應、投入產出2類二級指標，各二級指標下包含若干三級指標。采用式(10)～(13)計算三級指標的權重，根據熵的可加性[21]，對三級指標的效用值進行求和，分別求出二級指標和一級指標的權重，結果見表4。

表4 評價指標體系Tab.4 Evaluation system

2.3.2黑土區坡耕地生物炭應用效益指數

分別測算2015—2018年不同處理的效益指數，結果如圖6所示。生態效益方面，第1年隨著施炭量的增加生態效益指數逐漸遞增，而連續施用2、3、4年生物炭生態效益指數則呈先增后減的變化規律，且均在施炭量為50 t/hm2時達到最大。當低施炭量時，土地質量取決于土壤自身結構，因此隨著生物炭施加量的增加，生態效益指數逐漸增大；當施炭量達到一定程度時，過高的生物炭施加量使土壤結構遭到破壞，生態效益指數降低。經濟效益方面，4年隨著生物炭施加量的增加經濟效益指數均呈先增后減的變化規律，4年分別在生物炭施加量為75、25、25、25 t/hm2時達到最大。綜合效益指數與生態效益指數呈相同的變化規律，但在連續施用4年生物炭時，施炭量25 t/hm2時可使綜合效益最大化。

圖6 2015—2018年不同處理效益指數Fig.6 Benefit index of each treatment in 2015—2018

分別建立生態效益指數Y1、經濟效益指數Y2、綜合效益指數Y3關于生物炭施用年限t和施炭量x的回歸方程

Y1=-0.000 062 81x2-0.054t2-0.000 300 4xt+
0.010x+0.332t-0.321 (R2=0.920，P<0.000 1)

(15)

Y2=-0.000 042 87x2+0.003t2-0.001xt+0.006x+
0.019t+0.138 (R2=0.801，P<0.000 1)

(16)

Y3=-0.000 105 7x2-0.051t2-0.001xt+0.016x+
0.351t-0.258 (R2=0.887，P<0.000 1)

(17)

3個方程R2均大于0.80，P均小于0.000 1，達極顯著水平，表明方程均較好地反映各效益指數隨施炭年限和施炭量的變化規律。根據多元函數極值理論，連續施炭2年、施用量為72.74 t/hm2時生態效益指數最大，為0.519 4；連續施炭3年、施用量為36.32 t/hm2時經濟效益指數最大，為0.274 4；連續施炭3年、施用量為62.30 t/hm2時，可使綜合效益指數達到最大，為0.735 6。

3 討論

生物炭孔隙結構豐富，比表面積大，理化性質穩定，可以改善土壤結構。本試驗結果顯示，施加生物炭可以顯著提高土壤孔隙度，降低土壤容重(P<0.05)，且影響程度與施炭量和施炭年限呈正相關。理想狀態下，最適合作物生長的土壤三相比為50∶25∶25[22]。本試驗結果顯示，土壤三相比偏離值R2015年逐漸減小，2016—2018年則呈先減后增的變化規律。這可能是隨著生物炭的施加，土壤容重發生變化，固相體積分數隨之減小，液相和氣相體積分數隨之增大，從而土壤的通氣性增加，土壤結構趨于合理，R降低，而當施炭量過高時，土壤質地過于松散，土壤結構變差。對比4年R值，2017年C50處理處取得最小值，為1.445 2，此時土壤三相比與理想三相比最為接近，而2017、2018年C100處理處R高于對照組，說明當施炭量過高時土壤中氣體較多，水分蒸發較快，導致土壤結構變差，這與李曉龍等[22]、魏永霞等[23]研究結果一致。另外，本研究還發現，在累積施炭量相同的條件下，逐年施入對土壤結構的改良效果優于一次性施入，這對于探尋黑土區坡耕地生物炭施用模式具有指導意義。通過對各項指標進行雙因素方差分析得到，施炭量和施炭年限對土壤物理指標均有極顯著影響，二者的交互作用對土壤孔隙度、固相體積分數有顯著影響，對其他指標均有極顯著影響。

生物炭含碳量高以及自身呈堿性，施入土壤后可以改善土壤養分，增強土壤肥力。本試驗結果顯示，施加生物炭可以顯著提高pH值、總有機碳含量和速效K含量(P<0.05)，且隨著施炭量和施炭年限的增加效果逐漸增強，這與魏永霞等[23]研究結果一致，但與聶新星等[24]對pH值無顯著影響存在一定的差異，這可能是由于土壤質地或生物炭種類不同所造成的，并且有研究表明[25]，施用生物炭降低土壤的pH值，可能是由于所用生物炭是經硫酸亞鐵酸化后的生物炭，略小于當地土壤的pH值，所以一定程度上降低了土壤的pH值。土壤銨態N、有效P含量隨著施炭量的增加呈先增后減的變化規律，銨態N含量前兩年均在C50處理達到最大，后兩年均在C25處理取得最大值；有效P含量則4年分別在C75、C50、C25、C25處理達到最大，說明施入適量生物炭對土壤銨態N含量和有效P含量起正效應。但同時也應注意到2017、2018年C100處理銨態N、有效P含量卻低于對照組，這可能是由于過高的生物炭施用量使銨態N、有效P含量的生物固定，使其含量降低[26]。說明適當的生物炭可以有效地提高土壤養分含量，但當施炭量過高時，會起到抑制作用。隨著施炭量的增加，各年各處理的土壤營養指數較C0處理顯著提高，表明生物炭施入土壤后可以有效地提高土壤養分，從而提高土壤綜合肥力。施炭年限和施炭量對土壤養分指標的雙因素方差分析結果表明，施炭年限、施炭量對土壤養分各項指標均有極顯著影響，二者的交互作用對土壤營養指數有顯著影響，對其他指標均有極顯著影響。

在土壤持水能力方面，生物炭由于具有多孔結構和強大的吸附能力被許多學者認為可以有效地提高土壤持水能力[21-22,27-28]，但不同施炭量以及施炭年限對土壤持水能力的影響程度尚未有明確結論。DUGAN等[29]研究表明，施加生物炭可以提高土壤的持水能力；LAIRD等[30]和PICCOLO等[31]基于室內試驗結果表明生物炭可以使土壤保持更多的水分，但并沒有明確提出最佳施炭量和施炭年限。本試驗結果顯示，隨著施炭量的增加，飽和含水率逐漸增大，田間持水率和凋萎系數施炭第1年隨著施炭量的增加逐漸增大，且顯著高于C0處理(P<0.05)，而第2、3、4年則隨著施炭量的增加呈先增后減的變化規律，這與王艷陽等[9]結論一致。土壤持水能力的變化與土壤三相比變化息息相關，表現在施加生物炭后土壤容重降低，土壤固相體積分數隨之降低，液相、氣相體積分數隨之升高，從而土壤的含水率和透氣性提高，土壤結構較優，R減小。雙因素方差分析結果顯示，施炭年限、施炭量及其交互作用對3項指標均有極顯著的影響。

在水土保持方面，由于施用生物炭能夠改善土壤結構，提高土壤孔隙度，增強土壤的透水透氣性，提高降水的入滲量，因而可以有效改善水土流失現象[7,9,10,32-34]。本試驗結果顯示，隨著施炭量的增加，徑流系數和單位降雨量土壤侵蝕量均呈先減后增的變化規律，但達到最佳保水保土效果的施炭模式有所不同，2015—2018年的最佳減流處理分別為C75、C50、C50、C25，而單位降雨量土壤侵蝕量2015—2016年在C50處最小，2017—2018年在C25處最小。另外，2018年C100處理兩項指標均高于C0處理，這與SADEGHI等[35]研究結果一致，造成該規律的原因可能是當施炭量過高或累積施炭量過高時，生物炭對土壤物理結構指標的影響過大，使土壤質地松散，抗沖刷能力減弱，減流效果變弱，土壤侵蝕量變大。雙因素方差分析結果顯示，施炭年限和施炭量對兩項指標均有極顯著影響，二者的交互作用對徑流系數有顯著影響，對單位降雨量土壤侵蝕量影響不顯著。

在節水增產方面，現有研究頗多，但大多集中在短期試驗研究，對于中長期不同施炭量以及施炭年限對作物產量以及水分利用效率的研究較為缺乏。勾芒芒等[7]通過1年的試驗研究發現，施加生物炭可以顯著提高番茄產量。房彬等[5]的研究表明，施加1年生物炭后冬小麥產量和水分利用效率均顯著提高。但也有學者認為生物炭對作物產量沒有顯著影響，崔立強[36]對水稻和小麥的田間試驗研究發現，施加生物炭的水稻和小麥產量沒有明顯變化，張晗芝等[37]的研究也發現生物炭對玉米產量沒有顯著影響。本試驗結果顯示，大豆產量隨著施炭量的增加呈先增后減的變化規律，4年分別在C75、C50、C50、C25處理取得最大值；水分利用效率的變化規律與大豆產量相同。雙因素方差分析顯示，施炭年限對大豆產量有極顯著影響，對水分利用效率有顯著影響，施炭量對兩項指標均有極顯著影響，二者的交互作用對產量有極顯著影響而對水分利用效率影響不顯著。綜合來看，當施加適量的生物炭時，可以有效改善土壤結構、提高土壤肥力，增強土壤持水能力、減少水土流失，使作物處于最佳的生長環境，因而可以達到增產、穩產的目的，但當施炭量或累積施炭量過高時，作物生長的最優平衡被打破，產量呈下降趨勢，因此合理的施炭量以及施炭年限變得至關重要。

在投入產出方面，隨著施炭量的增加，生物炭成本逐漸增加，收益呈先增后減的變化規律，施用1年和連續施用2年均在施炭量為75 t/hm2時取得最大值，連續施用3年和4年均在施炭量為50 t/hm2時取得最大值。邊際生產力與收益的變化規律相同，施用第1年在施炭量為75 t/hm2時取得最大值，連續施用2、3、4年均在施炭量為25 t/hm2時取得最大值。由于生物炭前期成本較高，短期內很難實現盈利，這可能是生物炭技術推廣的主要障礙，但也應該看到生物炭技術的優勢，它不僅可以改良土壤，提高土地的生產力，還可以將秸稈變廢為寶，實現資源的循環利用，減少秸稈焚燒帶來的環境污染，有助于構建低碳、高效、循環經濟發展模式，對實現耕地可持續性發展和保障國家糧食、環境安全都具有重要的戰略意義。經濟利益是農戶最為關心的問題，應在保證生態利益的同時提高經濟效益，既要滿足改善土壤質量的目的，又要滿足農戶增產的目的，實現土壤改良與節水增產的雙贏。鑒于此，國家應加大對生物炭技術的扶持力度，給予秸稈炭化綜合利用補貼，降低應用成本，促進生物炭技術的推廣應用。

本研究建立了基于熵值法改進的模糊綜合評價模型測算了不同施炭模式的生態效益、經濟效益和綜合效益。連續施用2年生物炭，施炭量為72.74 t/hm2時生態效益最大。當低施炭量時，土地質量取決于土壤自身結構，因此隨著施炭量的增加，生態效益指數逐漸增大，當施炭量達到一定程度時，過高的施炭量使土壤結構遭到破壞，反而不利于作物生長，生態效益指數逐漸降低。經濟效益指數在施用3年、施炭量為36.32 t/hm2時達到最大。當低施炭量時，生物炭的成本較低，經濟效益隨著施炭量的增加逐漸增大，當施炭量逐漸升高時，生物炭成本的增加速率大于作物產出的速率，故經濟效益逐漸減小。綜合效益受生態效益和經濟效益的影響，4年均隨著施炭量的增加呈先增后減的變化規律，連續施用3年、施炭量為62.30 t/hm2時取得最大值，為黑土區最佳生物炭施用模式。

本研究通過4年的試驗研究得出黑土區最佳生物炭施用模式為連續施加3年62.30 t/hm2生物炭。

4 結論

(1)生物炭能夠有效改善土壤結構、增強土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力。連續施用2年、施炭量為50 t/hm2時，土壤蓄水保土效果最佳；連續施用3年、施炭量為50 t/hm2時，土壤結構最為理想；連續施用4年、施炭量為100 t/hm2時，土壤肥力最好。

(2)生物炭能夠有效提高作物節水增產性能及其經濟產值。連續施用3年、施炭量為50 t/hm2時，大豆增產效果最佳；施用1年、施炭量為75 t/hm2時，大豆水分利用效率最大；連續施用4年，施炭量為50 t/hm2時，收益最大。

(3)根據基于熵值法改進的模糊綜合評價模型測算的不同施炭模式的生態效益、經濟效益和綜合效益指數，連續施用2年、施炭量為72.74 t/hm2時生態效益最大；連續施用3年、施炭量為36.32 t/hm2時經濟效益最大；黑土區最佳生物炭施用模式為連續施用3年，施炭量為62.30 t/hm2。