黑土坡耕地连续施加生物炭的土壤改良和节水增产效应

魏永霞 张翼鹏 张雨凤 王睿垠 马瑛瑛 张 奕

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 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)

0 引言

东北黑土区为全球宝贵的三大黑土区之一，作为我国主要粮食生产基地，为保障国家粮食安全做出了巨大贡献。该区土壤以黑土、黑钙土及草甸黑土为主[1]。“典型黑土”是一种结构好、肥力高、性状佳的高产土壤，特别适宜玉米、大豆等粮食作物生长。由于当地耕地地形多为丘陵漫岗，历时短、强度高且集中的降雨特点，不科学的耕作方式，导致黑土区坡耕地水土流失严重，黑土层厚度逐渐变薄[2]，土地生产力下降。该地区每年产生大量的秸秆资源。预计到2020年，黑龙江省主要秸秆理论资源量将达到6 500万t。然而，目前秸秆资源利用率较低，每年约有21%的秸秆资源被焚烧或废弃[3]，对大气环境构成威胁。因此，实行科学有效的坡耕地水土资源保护，低碳环保的同时提高作物水分利用效率，达到增产保收，对促进黑土区农业可持续发展具有重要意义。

生物炭是以作物秸秆、动物粪便为原材料的生物残质，在缺氧或完全断氧的情况下，经过高温(小于700℃)热解制成的一类稳定难溶、高度芳香化结构的碳质材料[4-5]。作为一种新型环保的土壤改良剂，生物炭孔隙度高、比表面积大、表面具有大量负电荷[6-7]，施入土壤中可明显改善土壤结构，提高土壤pH值[4,8-10]，强化土壤的持水性能，促进雨水下渗[11-13]，吸附土壤养分并提高养分的有效性[14-18]，可为作物提供良好的生长环境，提高水肥利用效率，进而提高产量[19-20]。

由此可见，生物炭在农业上应用前景良好，如今已成为国内外学者研究的热点。施加生物炭在保水保土方面作用显著，SADEGHI等[21]通过模拟试验得出，利用酒糟生物炭可明显减少地表径流量和土壤潜在侵蚀，亦有众多国外研究者得出相似结论[10,22]。目前国内此方面研究较少，且大多数以室内径流模拟或短期观测的形式为主。生物炭性质稳定，其对土壤的影响会长期存在，将其施入黑土区田间的实际效果，以及生物炭最优施加剂量与年际间连续施用的最优模式尚需明晰[23]。笔者通过两年田间试验，旨在探索黑土区坡耕地连续施加生物炭的土壤改良与节水增产效应，为黑土区农业水土资源可持续高效利用提供理论与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015、2016年在位于东北典型黑土带的黑龙江省农垦北安管理局红星农场试验基地进行(北纬48°02′～48°17′，东经126°47′～127°15′)，该区域为小兴安岭西麓向松嫩平原的过渡丘陵漫岗地区，地势由东向西倾斜，岗顶平缓，坡面较长，坡度为3°～5°。耕层土壤主要为草甸黑土，表层松散，底土粘重，透水性差。该区属中温带湿润大陆性季风气候，大于等于10℃的有效积温为2 254.5℃，日照时数为2 364.2 h，无霜期105 d左右；多年平均降雨量为553 mm，且多集中在7—9月，期间多年平均降雨量为401.7 mm，约占全年降雨量的70%～80%。

1.2 试验材料

供试土壤为草甸黑土。供试生物炭为玉米秸秆生物炭，购自辽宁金和福农业开发有限公司，制备方式为玉米秸秆在无氧条件下450℃高温裂解，粒径1.5～2 mm。供试土壤与生物炭基本理化性质见表1。供试作物为大豆，品种为黑河三号。

表1 供试土壤与生物炭基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of tested soil and biochar

1.3 试验设计

图1 径流小区实拍图Fig.1 Real shot drawing of runoff plots

试验在径流小区内进行，小区坡度选择黑土区坡耕地有代表性的3°坡，规格20 m×5 m，共计10个径流小区同向平行铺设(图1)。各小区末端设径流自动记录系统，径流经记录及取样后流入小区底端的排水沟。为防止测渗，各小区边界用埋入地下1 m深的铁板隔开，每个小区间设置1 m间隔。试验按照生物炭施加量设置5个处理：C0(对照处理)、C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)、C100(100 t/hm2)。2016年试验在上一年的基础上各处理连续施加等量生物炭，每个处理2次重复。生物炭在作物种植前经人工翻耕充分混匀至0～20 cm耕层土壤中。

1.4 观测内容及处理方法

1.4.1土壤理化性质

各年份全生育期末利用环刀收集耕层原状土，各处理4次重复(相同处理2座小区各取2次重复)，土样实际含水率见表2。根据室内测定威尔科克斯法测其田间持水量并借助DIK-1130型土壤三相仪测取其容重、孔隙度以及三相比，计算出广义土壤结构指数(GSSI)，为

GSSI=[(Xg-25)XyXq]0.476 9

(1)

式中Xg——固相体积百分比，大于25%

Xy——液相体积百分比

Xq——气相体积百分比

表2 各处理土样实际含水率Tab.2 Actual soil moisture content of soil sample obtained by each treatment %

注：同行不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

在土壤耕层取土(取样时间与重复次数同上)，利用德国Elementar Vario TOC有机碳分析仪测定总有机碳(TOC)含量，并过2 mm筛测得大于2 mm砾石的质量分数，进而计算土壤有机碳密度

SOC=0.1cρd(1-θ)

(2)

式中SOC——土壤有机碳密度，t/hm2

c——实测耕层有机碳含量，g/kg

ρ——耕层土壤容重，g/cm3

d——土壤耕层厚度，取20 cm

θ——土样中大于2 mm砾石所占的质量百分比，%

1.4.2降雨、地表径流量

分别采用自记雨量计对作物全生育期各次降雨的降雨量、降雨强度和降雨历时进行观测，用设在各小区的径流自动记录系统对各次降雨的产流量进行测取。

1.4.3单次降雨雨水蓄积量

选取2015年8月19日和2016年8月18日2次典型次降雨(降雨后5 d未出现降雨)，利用时域反射仪(TDR)对土壤0～100 cm深度土壤含水率分层进行测取。土壤深度分层为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm，土壤含水率测量时间包括降雨前和降雨后8、16、24、36、48、72、96、120 h。雨水蓄积量计算公式为

ΔWt=Wt-W0

(3)

式中 ΔWt——雨水蓄积量，mm

Wt——t时刻土壤储水量，mm

W0——雨前土壤储水量，mm

1.4.4大豆产量及其构成要素

试验分别于2015年10月8日和2016年10月7日对大豆进行收获。在相同处理的2个径流小区的坡上和坡下相应位置选取2个10 m2的地块，每个地块随机选5株豆秆测量单株荚数、单株粒数与百粒质量等，并对所选地块进行实收测产，计算大豆产量。

1.4.5生育期耗水量ET与水分利用效率WUE

运用实测数据分别得出生育期耗用量和水分利用效率，为

ET=P+I+ΔS-ΔR±Q

(4)

WUE=Y/ET

(5)

式中ET——作物生育期耗水量，mm

P——作物生育期内降水量，mm

I——作物生育期内灌水量，本试验作物生育期内未灌水，取0 mm

ΔS——收获期与播种期0～100 cm土壤储水量之差，mm

ΔR——地表径流量，mm

Q——地下水交换量(试验区地下水埋深40 m，可忽略不计)，mm

WUE——水分利用效率，kg/(mm·hm2)

Y——作物产量，kg/hm2

1.5 数据处理方法

利用Microsoft Excel 2010对数据进行整理和图表的绘制，采用SPSS 22.0对数据进行描述性统计和单因素方差分析(One-way ANOVA)，并进行多重比较，显著性水平为0.05。对各年份大豆产量与生物炭施加量运用Spearman等级相关分析方法进行相关分析，显著性水平为0.05。

2 观测结果与分析

2.1 施加生物炭对土壤理化性质的影响

如表3所示，2015年施加生物炭有效降低了土壤容重，较对照处理降低0.86%～6.03%。土壤孔隙度呈上升趋势，较C0处理增加4.03%～12.90%；2016年施加生物炭后土壤容重与孔隙度变化趋势与上一年相同，容重最高降低8.70%，孔隙度最高增加23.40%，且影响差异均达到显著水平(P<0.05)。以上变化均取决于生物炭多孔性、容重小且远远低于土壤容重的结构特征，施入土壤必然改变原土样的孔隙状况，即降低土壤容重和增加孔隙度。施入量越多，影响则越强烈。

表3 各处理土壤的理化性质Tab.3 Physicochemical properties of treated soils

2015年各处理实测田间持水量随施加炭量的增加而逐渐提高，较C0提高1.89%～8.14%；2016年连续施加后，提高土壤田间持水量至C50处理表现最优，较C0提高10.91%，之后出现下降趋势。此外，2016年试验C50处理累积加炭量为100 t/hm2，较2015年相同生物炭施加量的C100处理土壤持水能力的提升表现更佳。生物炭特有的物理特性可极大地降低土壤容重，再加上其表面巨大的比表面积以及亲水基团，进一步提高了土壤持水能力。然而有研究[24]认为，生物炭中有机物多含疏水性基团，施加量过高会增加斥水性，这可能是高炭量处理持水效果减弱的原因之一。

土壤有机碳是较活跃的土壤组分，决定土壤肥力和作物产量[25]，维持着农田生态系统的可持续发展[26]。有机碳密度是指一定土层厚度中所含有机碳的质量。通过两年的试验(表3)，施用生物炭后各年份产生的规律一致，即土壤有机碳含量与生物炭施加量之间呈显著正相关(P<0.05)，2015与2016年施用生物炭后土壤有机碳密度较当年C0处理提高幅度分别31.4%～102.6%、62.2%～246.3%。

2.2 施加生物炭对土壤三相比的影响

2015、2016年各处理土壤三相比见图2，表4显示的是各处理的广义土壤结构指数GSSI，GSSI值越接近100，土壤结构越接近理想状态。资料显示[27]，最适合作物生长的理想土壤三相比为50∶25∶25。

图2 2015、2016年试验各处理土壤三相比Fig.2 Soil three-phase ratio tested in 2015 and 2016

年份C0C25C50C75C100201594.12a94.97ab97.25bc96.84bc96.40bc201693.85a96.69b98.31cd93.58a93.30a

由图2a可看出，2015年施加生物炭对土壤含水率与土壤容重产生影响，土壤三相比发生变化。固相率呈下降趋势，液相与气相率分别上升了6.34%～40.91%、8.01%～25.88%。与其他处理相比，GSSI最高的是C50处理(表4)，最接近理想状态。此外，C75和C100处理的土壤结构改善效果也均达到显著水平(P<0.05)。

由图2b中可看出，2016年各处理土壤固相率仍保持降低的趋势，累积施炭量较高的C75和C100处理固相率下降程度过大，远离土壤固相率最佳状态50%，同时液相率也出现降低，两处理GSSI与C0未表现出显著差异，甚至低于C0处理。该年份土壤三相比最为合理的同样是C50处理，GSSI较C0处理提高了4.75%，差异显著(P<0.05)。由此可见，适量生物炭可提高土壤含水率与通透性，过量反而会导致土壤结构松散变差。

综合两年试验结果可以发现，施加秸秆生物炭50 t/hm2，施加年限为2a时，对草甸黑土结构改善程度相对较好，该处理GSSI值为98.31，高于其他处理。

2.3 施加生物炭对年径流量的影响

2015年和2016年各处理年径流深R以及径流系数α见表5。

表5 各年份以及各处理的年径流深R和径流系数αTab.5 Annual runoff R and runoff coefficient α in each year

施加秸秆生物炭有效地减少了3°坡耕地的年径流量，2015年减流效果最优的为C75处理，年径流量相比C0减少15.44%，α由高到低为C0、C25、C50、C100、C75；2016年α由高到低为C0、C100、C75、C25、C50，这一年中生物炭施加量为50 t/hm2径流控制效果最为显著，较对照处理年径流量降低17.27%。对比两年试验结果来看，2016年C50处理抑制径流效果同样优于2015年同炭量的C100处理，减流率增加2.6个百分点。即便是生物炭的多年累积施加量相同，但施加量在年度上的分配不同，其径流控制效果也不相同。为达到坡耕地节水保土最优效果，应注重生物炭施用量在年际间的合理分配。

2.4 施加生物炭对单次降雨后雨水蓄积量的影响

选取2015年8月19日和2016年8月18日两次典型降雨，两次降雨后5 d内(未降雨)对各处理土层深度0～100 cm的土壤雨水蓄积量以及随时间的变化情况进行观测。观测从雨后8 h开始，时间间隔为8、12、24 h。

由于水分的蒸腾与植物的耗水持续进行，降雨后各处理土壤的雨水蓄积量均随时间的推移逐渐减少，甚至达到负值。2015年8月19日降雨历时145 min，降雨量35.5 mm，平均降雨强度12.92 mm/h。如图3a所示，降雨后24～72 h各处理雨水蓄积量下降幅度均有所增加，C0和C25处理下降幅度较大。72 h之后，施加生物炭量50 t/hm2以上的处理下降速率有所减缓，进入缓慢下降期。从雨水蓄积量高低来看，各处理均在雨后即达到最大值，施加生物炭明显增加了0～100 cm土层深度的雨水蓄积量，较对照处理提高16.86%～55.21%。

2016年8月18日降雨历时107 min，降雨量48.4 mm，平均雨强为23.80 mm/h。如图3b所示，雨水蓄积量整体变化趋势与上一年相似。C25与C50处理的雨水蓄积量较高，且对雨水蓄积量下降速率的减缓效果表现较好。原因可能是生物炭可增加土壤孔隙度与非饱和导水率，促进雨水下渗至土层中，使得土壤含水率大幅度增加，此外，生物炭对水分的吸持作用降低了雨水蓄积量下降的速率。

图3 降雨后0～100 cm土层雨水蓄积量变化Fig.3 Change of rainwater accumulation in 0～100 cm soil after rainfall

2.5 施加生物炭对大豆产量以及水分利用效率的影响

2.5.1对大豆产量及其构成因素的影响

不同处理的大豆产量及其构成要素见表6。2015年试验表明，施加生物炭对大豆产量以及各构成因素均有积极影响，大豆产量随生物炭施加量的增加呈先增后降的趋势，两者之间的Spearman相关系数为0.906(相关性在P=0.05水平显著)。增产效果最好的为C75处理，相比C0处理对单株荚数与单株粒数2个要素的提高达到极显著水平(P<0.01)，对百粒质量的提高达到显著水平(P<0.05)，大豆增产率为27.16%；2016年连续施加生物炭对大豆各产量构成要素的影响依然显著(P<0.05)。各处理产量仍呈先增后降的趋势，但与2015年不同，增产率至C50处理最高，为28.17%(P<0.05)。C75与C100处理增产效果下降，增产率为15.33%和11.90%(相比C0处理效果不显著)。该年份大豆产量与生物炭施加量间的Spearman相关系数为0.600(相关性在P=0.05水平不显著)，说明施加生物炭量过高使得大豆的增产效果降低，两者相关性减弱。生物炭施入过量导致土壤结构变差、持水能力减弱，对作物生长产生一定影响。

表6 各处理大豆产量与构成要素Tab.6 Soybean yield and components of each treatment

注：表中各数据采用均值±标准差形式。

2.5.2对大豆水分利用效率的影响

表7为2015、2016年试验各处理的大豆生育期耗水量(ET)与水分利用效率(WUE)。2015年各处理大豆WUE由高到低排序为C75、C100、C50、C25、C0，施加生物炭处理的WUE值均高于对照处理，提高幅度为6.16%～25.03%；2016年连续施加生物炭后对大豆WUE同样产生不同程度提升效果，呈先升后降的趋势，C50处理表现最优，较C0处理提高27.67%，其后依次是C75、C100、C25处理，WUE分别提高11.91%、10.40%、9.68%。

表7 2015和2016年各处理大豆生育期耗水量与水分利用效率Tab.7 Water consumption and water use efficiency in soybean growth periods in 2015 and 2016

综合两年试验分析，连续施加2年生物炭50 t/hm2对大豆WUE的提高效果要比一次性施加100 t/hm2理想，WUE增长率高于后者4.32个百分点。大豆的产量与生育期耗水量共同影响着其水分利用效率，施加生物炭强化了土壤对雨水的吸持与储存，减少地表流失，使得土壤水分更充分地补给作物根部。第一年生物炭最优施加量为75 t/hm2，连续施加两年50 t/hm2的生物炭对提高大豆WUE会达到更优的效果。

3 讨论

近年来，相关学者对坡耕地水土流失治理措施方面已进行大量研究[28-29]，大多有效措施存在工程量大、投入成本较高的问题。生物炭通过施入土壤即可改善土壤结构，达到节水保土的目的。该措施弥补了上述问题的同时，也具有较高的经济与生态效益。

本研究得出，秸秆生物炭可降低草甸黑土容重并提高孔隙度和土壤有机碳密度，且影响效果与生物炭施加量与施加年限呈正相关，这与魏永霞等[13]、尚杰等[18]研究成果结论一致。施加生物炭第1年各处理土壤田间持水量呈上升趋势，不同的是连续第2年施加各处理呈先升后降的趋势，生物炭量过高的处理对增强土壤持水性能的效果下降，这与PENG等[24]、DUGAN等[30]结论一致。上述影响均在土壤三相比的变化上有所体现，第一年施加生物炭土壤容重发生改变，土壤固相体积比例降低，液相和气相体积比例随之增高，从而土壤的含水率和通气性增加，土壤结构较为合理，GSSI得以提高。连续两年施加50 t/hm2生物炭时土壤结构得以最大程度地改善，施加量过高导致土壤性状松散，GSSI也出现降低。

对于年降雨径流量的观测表明，施用生物炭可有效减少3°坡耕地的年径流量，2015和2016年减流量最大的处理分别为C75和C50，较当年对照处理减少15.44%、17.27%，SADEGHI等[21]通过模拟试验得出相似规律。施加适量生物炭还增加了单次降雨0～100 cm土层深度雨水蓄积量并减缓其随时间下降的速率和幅度。

试验各年份施加生物炭大幅提高了大豆的产量，该结果与房彬等[8]、OBIA等[12]一致。第1年施加生物炭75 t/hm2时，在几种试验处理中增产效果最优；而连续两年(第2年)施加生物炭50 t/hm2时，大豆产量的增幅则最大。这是由于适量的生物炭改善了土壤结构，增加了土壤中水分与有机质的含量，土壤碳氮比随之升高，土壤中氮素和其他养分的含量增加，土壤对大豆生长所需的水分和养分供应能力得以提升。此外，李晓龙等[27]通过研究发现，生物炭通过改善土壤物理结构，可促进耕层土壤中作物下层的细根生长。过量施用生物炭时，土壤的结构不再适宜作物生长，其持水能力也会减弱，另有可能过高的C/N会导致土壤氮固定[31]，土壤肥力下降。

综合两年试验的结果，连续施加两年生物炭50 t/hm2时改善土壤结构与提高大豆水分利用效率的程度均达到最大，其效果优于2015年一次性施加生物炭100 t/hm2的处理。因此，即便是在施加量相同的前提下，应注重其施加年际间的合理分配，以达到更加突出的效果。

面临着东北黑土区大面积垦殖的过程中造成的大片坡耕地水土流失等环境问题，为防治黑土退化，促进黑土区农业水土资源可持续利用，保障国家粮食安全，开展黑土区坡耕地水土保持与节水增产理论与技术研究十分必要。在全球对固碳减排高度关注以及农业环境日益恶化的背景下，对生物质资源利用的必要性日渐突出[3]，生物炭作为土壤改良剂可促进当地丰富的秸秆资源循环高效利用，研究前景广阔。本试验在田间径流小区中进行，受自然等试验因素影响较大，本文仅分析了连续2年施加生物炭的情况，对于连续多年施加生物炭及其之后的效应问题，有待加长试验年限，进一步试验研究。

4 结论

(1)施加秸秆生物炭可降低草甸黑土的容重，增加孔隙度，2年试验中影响程度均与生物炭施加量呈显著正相关。2015年各处理田间持水量随生物炭施加量的增加而升高，2016年C50处理田间持水量增加效果达到最优，C75和C100处理土壤持水性能下降。土壤有机碳密度各年份增加幅度分别为31.4%～102.6%、62.2%～246.3%，均达到显著水平。

(2)施加适量生物炭可改善土壤结构，提高土壤液相率与气相率，土壤含水率与通气性明显提高。连续两年施加生物炭50 t/hm2，GSSI值高于其他处理，土壤结构得到较大程度改善。

(3)施加生物炭可以减少3°坡耕地年径流量。2015年C75处理减流效果最佳，径流系数降低15.44%；2016年表现最佳为C50处理，减流率为17.27%。施入适量生物炭还增加了单次降雨后0～100 cm土层深度的雨水蓄积量，并使其随时间变化呈缓慢下降的趋势。

(4)施用生物炭对大豆的产量及其构成因素均有积极影响，同时对大豆WUE的影响程度也较大。2015年表现最佳的处理为C75，增产率为27.16%，WUE较C0提高25.03%；2016年连续施加的最佳施炭量为50 t/hm2，增产率为28.17%，其WUE较C0提高27.67%，对坡耕地节水增产的积极效应更加突出。

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