黑土区坡耕地生物炭施用模式效应与土地生产力评价

魏永霞 石国新 吴 昱 刘 慧

(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；3.黑龙江农垦勘测设计研究院， 哈尔滨 150090； 4.东北林业大学林学院， 哈尔滨 150040；5.东北农业大学理学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

东北黑土区作为国家粮食主产区之一，在我国粮食安全体系建设中具有重大作用[1]。该区秸秆资源丰富，但被利用的秸秆资源相对较少，秸秆焚烧等不恰当的秸秆处理方式不但造成资源的浪费，而且对环境也造成不可挽回的影响。秸秆还田已经成为一项受到普遍重视的高效技术，通过该技术可以减少水土流失、提高产量和水分利用效率等，从而提高土地的综合生产力，这对推动农业健康可持续性发展具有重要意义[2-3]。

生物炭是秸秆炭化还田的新产物，是以作物秸秆、动物粪便为原材料在缺氧或低氧条件下缓慢高温裂解获得的一类富含碳的有机质[4]。近年来，随着生物炭在农业生产中应用的不断探究，围绕生物炭影响土地生产能力的研究越来越多。在土壤改良方面，已有的相关研究表明，生物炭施入土壤后能有效地降低土壤容重、增加孔隙度，从而提高土壤的持水能力、改善田间气候和调节田间持水率[5-7]，也可以改善土壤的结构、使土壤松散、稳固土壤三相比例、提高土壤pH值[8-11]。在水土保持方面，已有的相关研究认为，施加生物炭可以减少产流量、产沙量，防治土壤侵蚀和水土流失[12-13]。在节水增产方面，也有一些国内外学者的相关探究。如ZWIETEN等[14]研究认为添加生物炭提高了作物产量和灌溉水的利用效率。刘鑫[15]在对小麦的试验研究中也得到类似结论。VAN ZWIETEN等[16]通过室内研究表明施加10 t/hm2生物炭后小麦、萝卜的产量增幅均已超过50%。张娜等[17]总结出施加1 t/hm2的生物炭增产效果最佳，增产幅度可达8.8%。

生物炭稳定性极强，在土壤中能够长期存在，虽然目前已有较多生物炭节水增产效应等的研究，但多是以短期施加生物炭为条件研究施加生物炭对土壤理化性质、水土保持效应、节水增产效应等指标的影响，而在探索中长期施加生物炭对各指标的变化规律，以及施炭量与施炭年限的合理配置方面缺乏精确的指导与评价。为此，本研究以大豆坡耕地田间径流小区为研究对象，连续3年施加生物炭，明晰施加生物炭后土壤理化性质、水土保持效应、节水增产效应等的变化规律。建立改进的TOPSIS评价模型对土地生产力进行综合评价，通过综合评价总结出生物炭施用模式，为黑土区最优生物炭施加剂量和年际分配提供合理的建议，同时为黑土区实际生产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验基地选择黑龙江省北安市，位于北纬48°02′～48°17′，东经126°47′～127°15′，属于寒温带大陆性气候。全年平均降水量555.3 mm，全年降雨集中在7—9月，约占全年的90%左右。积温2 254.5℃，无霜期110～115 d。耕地多为丘陵漫岗，土质肥沃，地势由东向西倾斜，岗顶平缓，坡面较长，坡度为3°～5°。土壤为草甸黑土，土壤疏松通透性好，不易入渗。主要农作物为大豆、玉米。

1.2 试验设计

试验于2015—2017年在北安市红星农场内坡度为3°的径流小区进行。小区规格20 m×5 m，每两个小区间隔1 m。为了防止侧渗各小区边界用深入地下1 m的铁板隔开。每个小区埋设TDR管，埋深1.8 m。小区末端设有径流自动记录系统和泥沙收集系统，自动记录后的径流排入区外排水沟。试验共设5个处理，即不加生物炭的常规处理C0(对照处理)和生物炭施加量分别为C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)、C100(100 t/hm2)的处理，2次重复，共计10个径流小区。试验开始前将生物炭均匀铺撒于土壤表面并反复搅拌，使其与表层土壤(0～20 cm土层)混合均匀。试验连续3年种植大豆，并施加重茬肥。2016、2017年分别在上一年试验基础之上加入等量的生物炭，并做相同的处理。

供试土壤为草甸黑土，理化性质为pH值6.3，总有机碳质量比34.83 g/kg，全氮质量比1.1 g/kg，全磷质量比0.45 g/kg，全钾质量比0.35 g/kg。供试大豆品种为黑河三号。供试玉米秸秆生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司，制备方式为无氧条件450℃高温裂解，基粒径1.5～2.0 mm，生物炭性质为pH值9.14，含氮1.53%、磷0.78%、钾1.68%，灰分为31.8%。

1.3 观测指标与方法

1.3.1土壤理化性质

每个小区选取2个取样点，于大豆收获期取表层土壤测定其基础理化性质，其中田间持水率采用室内环刀法测定，土壤容重采用DIK-1130型土壤三相仪测定，土壤pH值采用PHS-3C型酸度计测定，土壤总有机碳含量采用德国Elementar Vario TOC有机碳分析仪测定，并过2 mm筛测得大于2 mm砾石质量百分比，计算土壤总有机碳密度

S=CDθ(1-δ)/100

(1)

式中S——土壤总有机碳密度，t/hm2

C——土壤有机碳质量比，g/kg

D——土层厚度，cm

θ——土壤容重，g/m3

δ——土样中大于2 mm砾石质量分数，%

1.3.2年径流量、年土壤侵蚀量

采用安装在径流小区末端的径流自动记录系统和泥沙收集系统测定各次降雨的径流量和产沙量，进而计算年径流量、年土壤侵蚀量。

1.3.3产量及水分利用效率

于大豆收获期在相同处理径流小区的坡上和坡下相应位置选取2个10 m2的地块进行实收测产，计算大豆总产量。采用水量平衡方程计算各处理耗水量，水量平衡方程为

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(试区地下水埋深 40 m，可忽略不计)，mm

WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——产量，kg/hm2

1.4 改进的TOPSIS模型

TOPSIS(Technique for order preference by similarity an ideal solution)模型是一种比较常用的多目标决策方法，其原理是借助多目标决策问题的“正理想解”和“负理想解”来排序，若某一方案离正理想解最近的同时，又远离负理想解，则该方案作为理想方案。TOPSIS模型具体步骤详见文献[18]。

传统的TOPSIS模型容易产生逆序问题，在计算权重时带有主观性，使评价结果偏离实际[19]，造成评价结果不合理。而且传统的TOPSIS模型决策矩阵求解复杂，不易求得正负理想解[20]。为解决上述缺点对TOPSIS模型进行改进。

(1)采用熵权法和变异系数法[21]加权平均计算各指标的权重系数。

变异系数法为

(4)

(5)

式中υi——第i项指标的变异系数

∂i——第i项指标的标准差

zi——变异系数法计算的权重

ω=(zi+ω1)/2

(6)

式中ω——熵权法和变异系数法加权平均权重

ω1——熵权法计算的权重

(2)为简化正负理想解的计算，提出了一种改进的欧氏距离算法。此法依据为矩阵Y中所有的yij的取值范围为0≤yij≤1，显然，对于偏好最高的目标属性值为yij=1, 对于偏好最低的目标属性值为yij=0，故将本研究中绝对正理想解设定为L=(1,1,…，1)T，绝对负理想解设定为I=(0,0,…，0)T。计算与正负理想解之间的距离

(7)

(8)

ωj——各评价指标的熵权系数

则土地生产力指数Ci为

(9)

1.5 数据处理方法

各项指标均采用平均值，应用Microsoft Excel 2010、Origin 8.0对数据进行处理与绘图。采用SPSS 19.0软件进行统计分析，LSD法进行显著性检验(P<0.05)。

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

2 结果与分析

2.1 施加生物炭对土壤理化性质的影响

土壤理化性质是影响作物生长发育的主要因素之一。不同生物炭施加量及施用年限土壤的理化性质如图1所示。由图1a可知，随着生物炭施加量的增加，土壤容重逐渐降低，2015、2016、2017年C25处理较C0分别降低0.86%、2.6%、4.3%，C50处理分别降低2.5%、5.2%、7.8%，C75处理分别降低3.4%、8.6%、10.4%，C100处理分别降低7.7%、8.6%、11.3%。3年土壤容重与生物炭施加量均呈较好的线性关系(R2均在0.89以上，P<0.01)。在相同的施用年限条件下，生物炭施加量越大，土壤容重越低，且随着施用年限的增加，土壤容重随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随着施用年限的增加，容重降低，但2017年较2016年下降的幅度(0.01～0.03 g/m3)小于2016年较2015年下降的幅度(0.02～0.07 g/m3)。图1b显示，2015年田间持水率与生物炭施加量呈线性关系(R2=0.985 4，P<0.01)，其中C100处理田间持水率最高，较C0处理增加了8.14%，差异达显著性水平(P<0.05)。2016、2017年田间持水率与生物炭施加量呈二次抛物线关系(R2为0.929 8、0.923 1，P为0.027、0.034)。两年均以C50处理田间持水率最大，与C0相比分别提高了9.95%、8.34%，均达到显著性差异(P<0.05)。可见，不同年限间生物炭对田间持水率的影响效果存在差异，这不仅与施炭量有关，与施加年限之间也有一定的关系。

土壤有机碳是土壤有机质含量的一种化学度量，对产量具有重要影响。由图1c可看出，3年土壤有机碳密度各处理对生物炭的敏感度均为C100最大，与同年C0相比分别增加了102.6%、246.3%、257.9%，方差分析结果表明，差异均达显著水平(P<0.05)。如图1d所示，3年土壤pH值与生物炭施加量均呈线性关系(R2均在0.88以上，P<0.01)。各年的C100处理pH值较C0处理提高了0.9、1.1、1.4，差异显著(P<0.05)；此外，不同年限相同处理之间的土壤有机碳密度和pH值均高于前一年(C0处理除外)，可见施用年限越久效果提升越明显。

2.2 施加生物炭对年径流量和年土壤侵蚀量的影响

图2为2015—2017年各处理年径流量、年土壤侵蚀量。由图2a可知，施加生物炭可以减小年径流量和土壤侵蚀量。连续3年年径流量与生物炭施加量均呈抛物线关系(R2均在0.97以上，P为0.003 9、0.023 2、0.023 9)。2015年C75处理减流效果最优，与同年C0处理相比减少了15.4%，其他处理减流效果从高到低依次为C100、C50、C25，分别减少了14.6%、12.0%、6.9%。2016、2017年均以C50处理径流控制效果最优，较C0处理分别减少17.2%、15.7%。而施炭量最高的C100处理，2年径流量仅较C0处理减少3.3%、2.9%；图2b显示，年土壤侵蚀量与年径流量的变化规律大致相同(R2均在0.99以上，P<0.01)。连续3年最优处理(C75、C50、C50)对应的土壤侵蚀量较同年对照处理减少了1.7%、2.7%、2.3%。综合3年的试验结果发现，2016、2017年C50处理较2015年减流率增加了5.2%、3.7%，减沙率增加了1.3%、0.8%。可见，生物炭施加量相同，但施用年限不同，其减流效果和抗土壤侵蚀效果也不同，即使是施用年限相同，也并非生物炭施加量越多效果越好，所以应该注重生物炭施加量和施用年限的合理分配，这在一定程度上可以防治水土流失，改善生态环境。

图2 2015—2017年年径流量和年土壤侵蚀量Fig.2 Annual runoff and soil erosion in 2015—2017

图3 2015—2017年大豆产量和水分利用效率变化Fig.3 Changes in soybean production and WUE in 2015—2017

2.3 施加生物炭对产量和水分利用效率的影响

东北黑土区水资源短缺，已经成为制约该区作物生产的严重问题，因此在保证产量的前提下，提高水分利用效率是黑土区农业发展的重要措施。如图3所示，2015年C75处理的节水增产效果最优，增产率为21.8%，水分利用效率提高率为25.3%，与C0处理差异均显著(P<0.05)，其次是C100、C50、C25处理；2016年施加生物炭后各处理产量和水分利用效率较C0处理的增幅分别为7.1%～33.3%、9.8%～27.6%，均为C50处理达到最优；2017年C50处理增产率最大，为24.1%，而C100处理产量略高于对照处理，无明显差异(P>0.05)。对比3年试验结果可知，以2016年C50处理增产率最高，2016、2017年最优处理的增产率相比2015年提高了11.5%、2.3%，C75、C100处理的产量与2015年相比呈降低趋势，而C25、C50处理对应的产量呈增加趋势，说明施炭量过高或使用年限过长均会导致大豆增产幅度降低。

2.4 土地生产力综合评价

2.4.1评价指标及其权重

土壤理化性质、水土保持效应、节水增产效应均为土地生产力的重要体现，因此选取这些指标为一级指标，各一级指标下又选取若干指标作为二级指标，构建评价指标体系，如表1所示。改进的TOPSIS采用熵权法和变异系数法加权平均确定各指标的权重，权重系数如表2所示。

表1 评价指标体系Tab.1 Evaluation system

表2 各评价指标权重系数Tab.2 Weight coefficient of each evaluation index

2.4.2综合评价分析

评价模型计算的土地生产力指数如图4所示。由图4可知，在不同施炭量和施用年限条件下，2015年以生物炭施加量75 t/hm2最优，与正理想解的距离最近，与负理想解的距离最远，当施炭量大于75 t/hm2时土地生产力指数开始减小。2016、2017年施加生物炭的各处理在综合评价中均呈正向贡献，以生物炭施加量50 t/hm2最优，最接近理想解，之后随着施炭量的增加，土地生产力指数减小。另一方面，2015年生产力指数的增长速率随施炭量的增加由慢到快；在施炭量大于75 t/hm2时，土地生产力指数缓慢降低。2016、2017年施炭量高于50 t/hm2时，2017年生产力指数下降速率较2016年快。对比3年分析，以连续施加2年50 t/hm2的生物炭土地生产力指数最大，其次是施加1年75 t/hm2的生物炭。

图4 2015—2017年土地生产力指数Fig.4 Soil productivity index in 2015—2017

3 讨论

生物炭疏松多孔，具有较强的吸附能力，施入土壤后可改善土壤结构和提高土壤持水能力[22]。本试验结果显示，逐年施加生物炭，土壤容重随生物炭施加量的增加呈下降趋势，而有机碳密度、土壤pH值呈上升趋势，且施用年限越久作用越强烈，这与李明等[23]、魏永霞等[24]的结论一致，但与聂新星等[25]认为的对pH值无显著影响这个结论不同，这是因为土壤种类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]认为土壤的持水性能与生物炭施加量呈正相关；DUGAN等[27]的研究结果发现，生物炭可以提高土壤的持水能力，但最优施加量没有明确提出；在本研究中，施加1年生物炭田间持水率随着生物炭的增加呈线性递增趋势，而连续施加2年、3年的田间持水率变化趋势呈先增后减的抛物线变化，最优施炭量处理均为C50。产生这种现象的原因是生物炭质轻多孔，比表面积大，将其施用于土壤中，能够增加土壤的孔隙度，进而提高土壤的持水能力，但这种能力是有限度的，施炭量过高反而会减弱这种能力。

多数学者认为施加生物炭可以有效地减少径流量，但在生物炭施加量和施用年限上，说法尚不一致。吴媛媛等[28]通过1年室内模拟降雨发现，1%的生物炭可以减少产量和土壤侵蚀，而7%的生物炭显著地增加了土壤的可蚀性；刘祥宏[29]经过18个月室内人工模拟降雨，发现低量的生物炭可以减少径流；在本研究中，通过3年对3°坡耕地施加生物炭，施加生物炭的各处理均可以减小年径流量和年土壤侵蚀量，其中最优施炭量处理分别为C75、C50、C50，较同年C0处理降低了15.4%、17.2%、15.7%，且在第2年C50处理生物炭对泥沙控制效果和减流效果最优，造成该规律的原因是生物炭本身具有持水性和吸附结构，提高了土壤的持水能力，所以减少了径流量和土壤侵蚀，但是生物炭施加过多后改变了土壤结构，使土壤容重降低，孔隙度增加，土壤的抗冲刷能力减弱，部分炭土化合物会随着雨水冲走，促进径流的形成，造成侵蚀量的增加。另一方面，累积施炭量过高后，土壤结构退化严重，造成减流效果减弱、侵蚀程度增加。土壤侵蚀性受空间变化、人类活动和其他不可控制因素等影响，对于生物炭长期对泥沙控制的影响还需要进一步探讨。

关于生物炭的节水增产效果及其起效时间的研究仍存在许多说法。勾芒芒等[30]研究结果表明，施加生物炭处理产量明显高于未施加生物炭处理的产量，且在CK、C10、C20、C40、C60这5组处理中C40处理产量提高最大；房彬等[31]认为冬小麦的产量和水分利用效率与生物炭使用水平呈正相关；JONES等[32]连续2年施加生物炭对产量没有显著影响，却显著增加了第3年的产量；在本研究中，施加生物炭可以提高产量和水分利用效率，以连续施加2年50 t/hm2的生物炭增产效果最优，与同年C0处理相比增产率高达33.3%，其次是施加1年75 t/hm2的生物炭。这可能是因为适量的生物炭可以提高大豆的保水性能和有机质含量，使作物生长达到最优平衡，而过高的施炭量打破了这种平衡，导致增产效果和节水效果减弱。另一方面，累积施炭量使土壤pH值过高的同时，还会使作物缺铁失绿，生长不良，甚至死亡，导致产量降低。

在本研究中，利用熵权法和差异系数法加权平均计算权重对传统的TOPSIS模型进行改进，使评价结果具有完全客观性的同时，也使计算变得简单。理论上，生产力指数与生物炭施加量应为Logistic曲线，当施炭量较低时，生产力指数取决于土壤条件，生产力指数缓慢增长；随着施炭量的增加，改善了土壤结构，生产力指数迅速增长；当施炭量过高时，土壤结构不再适合作物生长，生产力指数缓慢升高。当连续施加2年以上时，随着施用年限的增加，土壤中累积施炭量增加，生产力指数迅速增加，累积施炭量增加到一定程度后，生产力指数缓慢增加并达到临界最大值，当土壤累积施炭量过高时，生产力指数迅速下降，且随着年限的增加下降速率越大。改进的TOPSIS模型能清晰、准确地描述这种变化过程，第1年施加100 t/hm2，生产力指数缓慢下降，这可能是因为生物炭施加量过高，土壤pH值、有机碳密度过大，导致作物生长发育受到影响，产量降低。基于改进的TOPSIS模型总结出适用于黑土区的生物炭施用模式，即连续施加2年50 t/hm2的生物炭对土地生产力的提升最大，各项指标均达到相对理想值，其次是施加1年75 t/hm2的生物炭，施加的第2年为施加最优年。为此，本研究建议生物炭的施用年限为1～2年，不建议2年以上施用。另外，对于生物炭对其他指标的响应关系及生物炭对各指标产生的后效应还有待进一步探究。

4 结论

(1)有机碳密度、土壤pH值均随生物炭施加量的增加而呈上升趋势，而土壤容重呈下降趋势，且施加年限越长作用越明显，施加1年田间持水率随生物炭施加量的增加而上升，连续施加2年、3年的生物炭，在生物炭施加量50 t/hm2时达到最大，2年分别较C0处理提高9.95%、8.34%。

(2)施加生物炭可以有效地减小3°坡耕地的径流和土壤侵蚀。施加1年以75 t/hm2的生物炭对减流效果和抗土壤侵蚀效果影响最优，较C0处理减小了15.4%、1.7%。连续施加2年、3年以50 t/hm2的生物炭效果最佳，年径流量较C0处理减少了17.2%、15.7%，年土壤侵蚀量较C0处理减小了2.7%、2.3%。

(3)施加生物炭可以提高大豆产量和水分利用效率。施加1年以75 t/hm2的生物炭最优，较对照处理增产21.8%、水分利用效率提高25.3%；连续施加2年、3年以50 t/hm2的生物炭最好，增产率为33.3%、24.1%，水分利用效率提高率为27.6%、19.8%。

(4)在不同施炭量和施用年限条件下，改进的TOPSIS模型计算的土地生产力指数符合土地生产力变化规律，并基于该模型总结出建议的生物炭施用模式，可为黑土区施加生物炭提供参考。