生物炭对黑土区坡耕地水土保持及大豆增产效应研究

魏永霞，冯鼎锐, 刘志凯，孙继鹏，张雨凤

(1.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；2.农业部农业水资源高效利用重点实验室，哈尔滨 150030)

寒地黑土是一种肥力高、性状好的土壤，属于世界顶级瑰宝[1]。我国黑土主要分布在黑龙江和吉林2省，其中黑龙江省占72%，拥有接近1 208 万hm2黑土农田，成为我国最大的产粮大省[2]。然而黑龙江省的耕地中有近60%为坡耕地，多年过度垦发和掠夺式经营导致黑龙江省黑土区坡耕地水土流失日益加剧。截止2012年，黑龙江省水土流失面积已达1 340 万hm2，水分已成为东北黑土区农业生产的主要限制因素，开展水土流失的治理已刻不容缓[2-5]。

自20世纪末提出“生物炭”概念以来，短短十几年时间，相关的研究受到了广泛关注和认可[6]。在全球提倡低碳、循环、可持续发展的基础上，生物炭作为一种固碳还田，减少温室气体排放的措施得到更多的发展研究[7,8]。其中生物炭对土壤的改良和作物的增产成为主要研究方向。研究发现，生物炭施入土壤后可有效降低土壤密度，增加孔隙率[9]，从而提高土壤持水能力，提高土壤含水量和雨水下渗量[10]，保证了供作物生长利用的有效水分[11]。经过多年的研究，生物炭对于大豆、水稻和玉米等主要经济作物的增产效果也得到广泛的认可。Lehmann[12]等将生物炭以68和135 t/hm2的标准加入土壤提升了水稻和豇豆的生物量。Uzoma[13]等则发现生物炭施用量为15 t/hm2时，玉米产量就提高了150%。刘世杰[14]等的研究则发现生物炭能够促进玉米苗期的生长。Iswaran[15]等添加生物炭的试验发现每盆大豆可以增产10.4 g。Lehmann[12]等总结了全球范围内的研究结果发现，当生物炭施用量在50 t/hm2以下时，对作物产量的影响基本都是正向的。

目前的研究多集中于生物炭对土壤理化性质、水肥利用效率、作物生长影响等单一方面，针对黑土区坡耕地需要治理水土流失、提高农业用水效率、增加作物产量的综合要求，根据生物炭蓄水保土[16]及节水增产效果，以黑龙江省北安市红星农场坡耕地径流小区为研究对象，比较不同生物炭用量对坡耕地水土保持、大豆产量和水分利用效率的影响，寻求生物炭的最优用量。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区选择黑龙江省北安市红星农场，其位于北纬48°02′-48°17′，东经126°47′-127°15′，属寒温带大陆性季风气候区，年平均降水量556 mm，耕地面积0.16 万hm2。耕地多为丘陵漫岗，土壤以黑土为主，质地黏重，入渗困难。降雨集中在7-9月份，占全年降雨量的90%，降雨集中且历时短，整个地区坡耕地水土流失严重，旱涝灾害频发[4]。大豆为该地主要种植经济作物之一。

1.2 试验设计

试验于2015年在径流小区内进行，以3°坡耕地为研究对象，为更好地模拟该地区坡耕地实际情况，保证小区足够坡长，设计径流小区规格为20 m×5 m，共计10个小区。小区末端设有径流自动记录和泥沙收集系统，自动记录后的径流排入区外排水沟。为了防止侧渗的影响，各小区边界用深入地下1m的铁板隔开。每个小区提前埋设TDR管，埋深1.8 m。试验共设置5个处理，即不加生物炭的常规处理T1，和生物炭施加量分别为25(T2)、50(T3)、75(T4)、100(T5) t/hm2的处理，每个处理设2次重复。种植前将生物炭均匀铺洒在小区表面并进行充分搅拌，使生物炭与小区0～20 cm土层土壤均匀混合。

试验供试土壤为草甸黑土。土壤的基本性质：土壤密度1.15 g/cm3，孔隙度49.71%，田间质量持水率为35.19%，pH值6.5。供试玉米秸秆生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司，制备方式为在无氧条件下450 ℃高温裂解，基粒径1.5～2.0 mm，全碳量70.38%，全氮量1.53%，硫含量0.78%，氢含量1.68%，灰量31.8%，pH值9.14。供试大豆品种为黑河三号。

1.3 观测内容与方法

(1)土壤物理性质。土壤物理性质选择作物收获时期测定，在每个小区10～20 cm处用环刀取原状土壤，采用DIK-1130土壤三相仪测定各处理土壤孔隙度，用环刀法测定土壤密度及田间持水量。

(2)地表径流量和土壤侵蚀量。在雨季5-10月份对各小区地表径流量和土壤侵蚀量进行观测。地表径流量由自记流量系统自动记录，土壤侵蚀量从泥沙收集系统获得，最终根据比例推出地表径流总量和土壤侵蚀总量。

(3)土壤水分。利用TDR分别在大豆播种期、出苗期、开花结荚期、鼓粒期和成熟期测定各径流小区的土壤含水率，测定层次如下：0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm。

(4)大豆产量及其构成要素。收获时在每个小区分别划取9个1 m2大小的小区，考查每块小区大豆植株的单株荚数，单株粒数和百粒重，并在收获后统计每个径流小区的总产量。

(5)耗水量与水分利用效率。

ET=P+I+ΔS-ΔR±Q

(1)

式中：ET为作物生育期耗水量，mm；P为作物生育期的降雨量，mm；I为作物生育期间的灌水量，mm；ΔS为收获期与播种期0～100 cm土壤储水量之差，mm；ΔR为地表径流量，mm；Q为地下水交换量(试区地下水埋深40 m，可忽略不计)，mm。

WUE=Y/ET

(2)

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为作物产量，kg/hm2。

(6)数据处理与分析。应用EXCEL对数据进行初步整理与图表绘制，采用Spss 19.0统计软件进行数据处理和显著性分析，显著性水平为0.05和0.01。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭施加量的水土保持作用

2.1.1 不同生物炭施加量对土壤理化性质的影响

不同处理的土壤理化性质如表1所示，对供试土壤施加生物炭可有效降低土壤密度，增大土壤孔隙度，提高田间持水量，且随着生物炭用量越多，密度越低，孔隙度和田间持水量越高。而土壤的渗吸能力是影响径流形成的主要因素之一，其主要取决于土壤自身的理化性质，土壤密度越小，孔隙度越大，土壤入渗性能越好[17,18]。

表1 不同生物炭施用量的土壤理化性质

注：a，b，c代表0.05水平差异显著，下同。

由表1可以看出，随着生物炭添加量的增加，各处理土壤的密度随之减小，T2、T3、T4和T5较对照分别减小了2.19%、4.20%、4.90%、5.83%；各处理的孔隙度和田间持水量则随着生物炭添加量的增加而增大，T2到T5各处理的土壤孔隙度和田间持水量分别较对照增加了4.03%、6.45%、7.66%、11.43%和3.49%、3.17%、5.71%、9.48%。说明生物炭施加量在100 t/hm2的范围内，生物炭的添加可以有效增大土壤孔隙度，降低土壤密度，从而提高土壤的持水能力，且生物炭添加量越大，土壤的密度越小，孔隙度和田间持水量越高。

2.1.2不同生物炭施加量对年径流和年土壤侵蚀量的影响

本区坡耕地水土流失主要是雨期集中而导致水蚀，本节主要分析不同的生物炭施用量条件下的蓄水减流和保土减沙效应，并用减流率和减沙率这2个特性指标来衡量[19]。由表2可以看出：不同生物炭施加量处理的年径流和年土壤侵蚀量排序均为：T5

表2 不同生物炭用量的年径流量和年土壤侵蚀量

图1 不同生物炭用量的年径流量和年土壤侵蚀量

2.1.3不同生物炭施加量对土壤质量含水量和储水量的影响

土壤含水量是评价土壤环境的重要参数之一，本研究中不同处理土壤含水量的变化亦可衡量生物炭的蓄水保水效应，通过测定各处理不同生育期的0～100 cm土壤含水量，得出各生育期土壤含水量变化情况。由图2可知，各处理在不同生育期土壤含水量随土层深度变化趋势基本相同。在0～20 cm土层中，由于含有大部分生物炭且受降水侵蚀、蒸发、土壤耕作等因素及作物根系的影响，土壤含水量变动较大；20～60 cm土层土壤水分含量受上层土壤水分含量影响而其他因素影响较小，土壤含水量相对稳定；60～100 cm土层土壤水分则与表层土壤相距较远，基本不受表层土壤水分影响，施加的生物炭对其影响较小，没有明显变化规律。

在播种期，由于生物炭施加时间较短，各小区0～100 cm土壤含水量存在一定的波动，各层土壤含水量也略有不同，但变化趋势基本一致。在出苗期降水量偏少，导致各小区土壤含水率都明显降低。比较各小区土壤含水量发现，在0～60 cm土层T1处理土壤含水量均低于其他施加生物炭的处理，且基本符合生物炭施加量越多，土壤含水量越高的规律。主要是因为生物炭的添加促进土壤水分入渗，增加土壤水分吸附能力，减小了表层土壤水分的蒸散，从而减少了土壤水分的流失，起到蓄水保水的作用。在分枝期降雨增加，各处理土壤含水量明显增加，在0～60 cm土层施加生物炭的处理土壤含水量明显高于未施加生物炭的处理，且各处理土壤含水量基本保持T5>T4>T3>T2>T1。在开花结荚期，降雨量仍然很丰富，土壤含水量整体变化趋势与分枝期基本相同，主要因为这2个生育期降雨量较大，施加生物炭可有效增加土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，同时提高雨水入渗率，减少地表径流形成，使得土壤含水量显著提高。在鼓粒期，降雨量减小且作物耗水量和地表水分蒸散加大，各处理土壤含水量降低，但施加生物炭的处理土壤含水量仍高于对照处理，生物炭的保水性表现明显。乳熟期土壤含水量变化基本和鼓粒期相同，主要因为这个时期降雨较少，且随着作物成熟，作物耗水量减少，对土壤水分影响较小，各处理土壤含水量差距变化较小。

图2 不同生物炭用量的土壤含水量垂直变化

由图3可知，不同生物炭施加量0～100 cm土壤储水量整体呈现趋势相同。在出苗期—分枝期—开花结荚期，由于降雨量大于作物此阶段的耗水量使各处理土壤储水量均有所上升；播种期—分枝期和开花结荚期—鼓粒期，降雨量小于作物耗水量，土壤储水量下降；而鼓粒期—乳熟期，作物耗水量减少，耗水量基本和降雨量持平，土壤储水量变化不大。分枝期以后，各小区土壤储水量对比明显，各处理储水量由小到大依次为T1

图3 不同生物炭用量的0～100 cm土壤储水量和降雨量

2.2 不同生物炭施加量的大豆增产效应

大豆的产量由单株粒数、荚数、百粒质量决定，由表3可见不同生物炭施加量的小区大豆的产量均比T1有所增加，T2、T3、T4、T5小区大豆产量分别增加了8.33%、27.27%、29.55%、22.73%。其中T4小区大豆增产效果最佳。说明施加适量生物炭可有效提高大豆产量，随着生物炭施加量的增加增产效果会有所降低。分析原因：生物炭可以降低土壤密度，增加土壤孔隙度，自身携带并吸附大豆生长所需要的大量元素并通过蓄水减流效应减少水土流失，保护土壤环境，为大豆生长提供更多的水分和养分。然而生物炭呈碱性，施入土壤会增加土壤pH值，当土壤pH值过高时会抑制大豆生长，反而会引起大豆减产。

表3 不同生物炭用量的大豆产量及构成要素

2.3 不同生物炭施加量的水分利用效率

不同生物炭施加量的水分利用效率受产量和耗水量的共同影响，如表4所示。不同生物炭施加量小区水分利用效率的排列顺序为T4>T3>T5>T2>T1，各施加生物炭小区的水分利用效率都高于T1，且生物炭施加量为75 t/hm2的处理水分利用效率最高，证明了施加适量生物炭可有效提高大豆水分利用效率，而施用量过多时作用效果会明显降低。

表4 不同生物炭用量的水分利用效率

3 结 论

(1)施加生物炭能够改良土壤理化性质，减少水土流失，具有一定的蓄水保土作用。且在0～100 t/hm2的生物炭施用量范围内，生物炭用量越多，蓄水保土效果越好。通过施加生物炭可以降低土壤密度，增加土壤孔隙度和田间持水量，提高土壤吸渗和蓄水能力，减小了径流与土壤侵蚀，有效控制了水土流失。同时，对比试验中4种生物炭施加量的蓄水保土效应可以发现，生物炭施用量越多，对应小区径流量和产沙量越少，生物炭施用量为100 t/hm2的处理径流量和泥沙量达到最低，分别比常规耕作减少了2.24%和2.20%。

(2)施加生物炭对大豆具有节水增产效应，施加生物炭量为75 t/hm2时生物炭节水增产的效果最好。不同生物炭施加量的处理土壤储水量都大于未施加生物炭的常规耕作，且生物炭施加量越高土壤储水量越高。大豆的产量与水分利用效率则略有不同，与未施加生物炭的处理相比，生物炭施用量为25、50、75、100 t/hm2的处理大豆分别增产8.33%、27.27%、29.55%、22.73%，水分利用效率分别提高13.29%、33.49%、36.11%、29.91%。生物炭施加量为75 t/hm2的处理大豆增产和水分利用效率最高，而生物炭施加量最高的100 t/hm2处理节水增产效果明显降低。

由于试验期间降雨条件较好，高强度集中降雨较少，综合比较得出75 t/hm2生物炭施加量的处理蓄水保土和节水增产效果最明显。但若遇高强度集中降雨时，生物炭质轻、降低土壤密实度的特点，会增加生物炭和土颗粒流失的可能。因此还需进一步研究多年平均水平下的生物炭最优用量。

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