生物炭对黑土区坡耕地土地生产力的可持续效应研究

刘 慧 温小艳 魏永霞 范亚东

(1.东北农业大学理学院， 哈尔滨 150030；2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030；3.东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030； 4.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030；5.东北农业大学经济管理学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

随着农业保护措施和农业技术的发展，近年来粮食产量呈现逐年递增的势态。但高产的背后是对土地掠夺式的开发和化肥的大量施用，导致土壤板结退化、中低产田数量增加、水体污染日益严重等一系列生态环境问题层出不穷[1]。东北黑土区作为我国大宗农产品主产区，在国家粮食安全体系中具有举足轻重的地位[2]。每生成1 cm黑土需要上百年的时间，现在却在不断流失[3]，土壤中流失的氮、磷、钾养分相当于数百万吨化肥，土壤中有机物质含量比开垦前下降近2/3，土壤板结和盐碱化现象严重，土地生产力逐年下降。东北地区作为农业优化发展区，其生产条件好、潜力大，应坚持生产优先、兼顾生态、种养结合，在确保粮食等主要农产品综合生产能力稳步提高的前提下，实现生产稳定发展、资源永续利用、生态环境友好[4]。

东北地区作物秸秆资源丰富，但大部分未被循环利用，通常被露天焚烧，这不仅浪费了秸秆资源，而且还对环境造成严重污染。生物炭作为秸秆还田的新兴产物，对于农业可持续发展具有重要的意义。生物炭是在缺氧或低氧的环境中，将农作物秸秆、动物粪便等进行缓慢高温裂解得到的一类富含碳的有机质[3]。目前对于生物炭应用效应的研究主要集中在生物炭施用当年对土壤理化性质[5-6]、作物生长[7-9]、土壤水分运动参数[10-11]等方面的影响，对于从土地生产力角度进行综合研究的较少，而生物炭对于土地生产力的持续效应更是鲜见报道。鉴于此，本文以3年为研究期限，探索黑土区坡耕地一次性施用生物炭后土地生产力的持续效应，采用基于灰色关联的TOPSIS模型测算土地生产力指数，并采用GM(1，1)模型预测2019—2021年土地生产力指数，定量论证施用生物炭效应的可持续性，为推进东北黑土区可持续发展提供有益的参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016—2018年在黑龙江省水利科学研究院综合试验基地万家试验站(126°36′E、45°43′N，海拔137 m)进行。试验区属温带大陆性气候，冬季严寒，夏季炎热，全年平均气温为3.1℃，全年无霜期为130～140 d，年降雨量为390～550 mm，全年降雨主要集中在6—9月，约占全年的60%。耕地土壤以壤土为主，土壤质地黏重，不易入渗。主要作物为大豆和玉米。

1.2 试验设计

试验在万家试验站的3°径流小区内进行，小区规格2 m×5 m。试验共设置施炭(BC)和不施炭(CK)2个处理，3次重复，共计6个小区。所有施炭处理，其生物炭施用量取前期试验中获得最高产量的施用量75 t/hm2[12]，并于2016年试验开始前一次性施入耕层(0～20 cm)土壤中，2017、2018年均不再施用生物炭，以研究施加一次生物炭对黑土区坡耕地土地生产力的可持续效应。供试土壤为壤土，其基本理化性质为：pH值6.3，有机质质量比为37.8 g/kg，铵态N、有效P、速效K质量比分别为183.9、11.2、159.5 mg/kg。供试大豆品种为黑河三号，供试生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司，粒径为1.5～2.0 mm，其基本理化性质为：pH值9.24，全氮、全钾、全磷、灰分质量分数分别为1.53%、1.66%、0.75%、25.7%。各处理采用相同的水肥管理措施，即除人工降雨试验外，均在雨养条件下种植；同时按照当地大田标准进行施肥，施用尿素277 kg/hm2，二胺145 kg/hm2，全部作为基肥一次性施入，且3年试验保持一致。

1.3 观测指标及方法

1.3.1土壤基础理化性质

于每年大豆成熟后取其耕层土壤测定其理化性质，采用DK-1130型土壤三相仪测定土壤容重、孔隙度。采用环刀法测定土壤饱和含水率、田间持水率，采用生物法和干燥法测定土壤凋萎系数；采用TOC分析仪测定土壤有机碳含量；采用半微量克式法、碳酸氢钠法、醋酸铵-火焰光度计法分别测定铵态N、有效P、速效K含量；采用电位法测定土壤pH值。

1.3.2年径流深及土壤侵蚀量

采用安装在各个径流小区的径流自动记录系统记录各次降雨径流量，通过泥沙收集系统测定各次降雨的产沙量，进而得到年径流深和土壤侵蚀量。

1.3.3大豆产量及水分利用效率

每年于大豆收获时，对每个径流小区进行实收测产。采用水量平衡方程计算大豆生长过程的全生育期耗水量，进而计算大豆水分利用效率，公式为

ET=P+I+ΔS

(1)

WUE=Y/ET

(2)

式中ET——大豆生育期耗水量，mm

P——大豆生育期降雨量，mm

I——大豆生育期灌水量，mm

ΔS——收获期与播种期0～100 cm土壤储水量之差，mm

WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——大豆产量，kg/hm2

1.4 数据处理方法

各指标均采用平均值，采用Excel 2010进行数据处理和绘图，利用SPSS 20.0进行均值比较和回归分析，采用熵权法计算各指标权重，采用基于灰色关联的TOPSIS模型测算土地生产力指数，并采用GM(1，1)模型对生产力可持续性进行预测。显著性水平取0.05。

1.5 基于灰色关联的TOPSIS模型

TOPSIS(Technique for order preference by similarity to an ideal solution)分析法是依靠评价对象到最优解、最劣解的综合距离来进行排序，如果评价对象离最优解最近，同时离最劣解又比较远，则为最好；否则为最差[13]。TOPSIS模型具体步骤参见文献[14]。对于相似的方案TOPSIS法无法体现，对于无典型分布规律的有限样本数据进行分析时TOPSIS法也难以保证有效决策，而灰色关联分析法可以克服这些缺点，它可以使用有限样本所提供的全部信息，将各评价指标平等对待，因此本文将两种多目标决策分析方法相结合，对各试验方案的土地生产力指数进行分析。

1.5.1数据标准化

由于不同指标的差异性，各类数据量纲不同，对此本文依据各指标对黑土区坡耕地生产力的影响分为正向、负向两类进行标准化处理，构建标准化后的矩阵

Y=[yij]m×n

(3)

其中

(4)

(5)

式中yij——第i个方案第j个指标标准化值

xij——第i个方案第j个指标原始数据

1.5.2标准化矩阵的加权和理想解的确定

对标准化的矩阵加权处理

zij=ωjyij

(6)

式中zij——第i个方案第j个指标加权后的标准化值

ωj——第j个指标的权重

得到矩阵Z=[zij]m×n，在矩阵Z中选取每个指标的最理想值所对应的zij为参考数列z0的实体，有参考数列z0={zi0|i=1,2,…,n}，即z0={z10,z20,…,zn0}作为理想解。

1.5.3灰色关联系数矩阵的确定

计算第i个方案与理想解关于第j个指标的灰色关联系数ξij，得到灰色关联矩阵

ξ=[ξij]m×n

(7)

(8)

Δij=|zi0-zij|

(9)

式中Δij——zi0与zij在第j项指标处的绝对差

ρ——分辨系数，取0.5

1.5.4基于灰色关联矩阵的TOPSIS模型

(10)

到负理想解的距离为

(11)

计算各方案的相对贴近度

(12)

将计算的相对贴近度作为各处理土地生产力指数，其值越大表示方案越优。

2 结果与分析

2.1 施加生物炭对土壤物理指标的可持续效应

土壤容重和孔隙状况会影响土壤肥力和耕性，进而影响土地的生产能力。各年不同处理土壤容重和孔隙度如图1(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同)所示。由图1a可知，2016年施加生物炭后土壤的容重显著下降(P=0.031)，较不施加生物炭降低了3.87%，尽管2017、2018年未施用生物炭，但由于前期施用生物炭的持续效应，使BC处理土壤容重仍显著低于CK(P2017=0.036，P2018=0.038)，但降低幅度相比2016年有所减弱，分别为2.76%、2.07%。由图1b可知，土壤的毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度均呈增加趋势，2016年BC处理较CK处理毛管孔隙度增加3.18%，非毛管孔隙度增加10.68%，总孔隙度增加5.18%，2017年各项指标分别增加2.03%、8.86%、3.87%，2018年相比于2017年较为稳定，BC处理比CK处理的毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度分别增加1.77%、8.81%、3.66%。对3年两个处理的各项孔隙度指标进行均值比较与检验，施加一次生物炭后3年内BC处理毛管孔隙度(P2016=0.037，P2017=0.040，P2018=0.044)、非毛管孔隙度(P2016=0.029，P2017=0.031，P2018=0.032)、总孔隙度(P2016=0.033，P2017=0.038，P2018=0.045)均显著高于CK处理，表明施加生物炭3年内可以有效地改善土壤的孔隙结构，提高土壤的透气性和透水性。

图1 生物炭对土壤结构的可持续效应

为进一步解析生物炭对土壤结构指标的持续效应，分别建立BC组土壤容重Y1、毛管孔隙度Y2、非毛管孔隙度Y3、总孔隙度Y4关于生物炭施用年限t的回归方程，分别为

Y1=0.008t+1.121 0 (R2=0.998,P=0.027)

(13)

Y2=-0.250t+35.233 (R2=0.997,P=0.032)

(14)

Y3=-0.050t+13.733 (R2=0.993,P=0.049)

(15)

Y4=-0.300t+49.670 (R2=0.994,P=0.047)

(16)

4个方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，达显著水平，表明4个方程能较好地反映土壤结构指标随生物炭施用年限的变化规律。土壤容重随生物炭施用年限的延长呈线性递增，生物炭施用年限每延长一年，土壤容重增加0.008 g/cm3；土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度均随生物炭施用年限的延长呈线性递减，生物炭施用年限每延长一年，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度分别减少0.25、0.05、0.30个百分点。随着生物炭施用年限的延长，其对土壤结构的影响逐渐减弱，这可能是生物炭自身的变化引起的，生物炭自身所含元素会随时间发生降解，其中可以改善土壤结构的有效成分也会随之减少。

2.2 施加生物炭对土壤养分含量的可持续效应

土壤的营养成分是关系农作物产量和质量的重要因素，其含量与土壤质量和土地生产力密切相关。由图2a可知，2016—2018年施炭处理的土壤pH值比未施炭处理的土壤pH值分别增加了0.9、0.6、0.1，土壤pH值的增加为大豆提供了更好的生长环境，有利于其生长，其中2016、2017年两个处理间差异显著(P2016=0.034、P2017=0.038)，2018年则未达显著差异(P2018=0.067)，表明在生物炭施用当年和第2年，生物炭能够有效改良土壤酸碱度，提高土壤pH值，但这种作用在生物炭施用第3年已不显著。2016年施加生物炭后土壤的总有机碳含量显著增加(P2016=0.021)，较不施加生物炭增加71.74%，之后两年不再施加生物炭，土壤的总有机碳含量较CK仍显著增加(P2017=0.033，P2018=0.037)，分别增加37.00%、23.17%。生物炭对土壤pH值的影响和持续效应弱于总有机碳含量，这可能是由于生物炭是一种富含碳素的多孔固体颗粒物质，使得土壤碳库潜力增大，在施加第3年仍可显著提高总有机碳含量。由图2b可知，施加生物炭可以有效提高土壤中铵态N、有效P、速效K含量。2016年BC处理比CK处理铵态N质量比平均增加了20.0 mg/kg，增加率为10.59%，有效P质量比平均增加了3.1 mg/kg，增加率为28.19%，速效K质量比平均增加了26.5 mg/kg，增加率为16.72%。2017、2018年各指标变化趋势与2016年一致，只是增长的趋势减慢，2017年BC处理较CK处理土壤中铵态N、有效P、速效K含量分别增加了7.78%、11.61%、12.40%；2018年则分别增加了4.48%、5.36%、6.37%。对2016—2018年各处理的铵态N、有效P、速效K含量进行均值比较与检验，仅施加一次生物炭BC处理铵态N(P2016=0.040，P2017=0.043，P2018=0.048)、有效P(P2016=0.021，P2017=0.033，P2018=0.046)、速效K(P2016=0.039，P2017=0.042，P2018=0.044)含量均显著高于CK，表明生物炭有改善土壤肥力的作用，且作用效果会随时间的延长逐渐减弱。

图2 生物炭对土壤养分含量的可持续效应

采用幂函数拟合BC处理pH值Y5和总有机碳含量Y6随时间的变化规律，回归方程为

Y5=7.238t-0.090(R2=0.995，P=0.044)

(17)

Y6=5.513t-0.288(R2=0.998，P=0.02)

(18)

2个方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，回归方程拟合效果理想。随着施炭年限的增加土壤pH值和总有机碳含量均呈递减趋势，且降低的速率先快后慢，直至与未施炭处理间无显著差异。造成这一现象的原因可能是生物炭所含元素随时间发生降解，其可改善土壤pH值和总有机碳含量的有效成分随之减少。

BC组铵态N含量Y7、有效P含量Y8、速效K含量Y9均随施炭年限t的延长呈线性递减，回归方程为

Y7=-6.450t+213.900 (R2=0.994，P=0.045)

(19)

Y8=-1.150t+15.100 (R2=0.997，P=0.032)

(20)

Y9=-6.250t+191.500 (R2=0.995，P=0.044)

(21)

3个方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，达显著水平。施炭年限每延长一年，铵态N、有效P、速效K质量比分别减少6.450、1.150、6.250 mg/kg，直至与CK处理间无显著差异。随着时间的增加生物炭对土壤各项养分含量的影响逐渐减弱，这可能是因为组成生物炭的有效成分随着时间的增加逐渐减少。

2.3 施加生物炭对土壤持水能力的可持续效应

土壤的持水能力与土壤的质量、水分的流失以及作物的产量密切相关，是反映土地生产力水平的重要因素。生物炭自身疏松多孔，比表面积大，有利于改善土壤的通气性和透水性，从而提高土壤的持水性能[15]。由图3可知，施加生物炭可以使土壤饱和含水率、田间持水率、凋萎系数显著提高。2016年BC处理土壤饱和含水率、田间持水率、凋萎系数分别较CK处理增加5.58%、4.78%、7.29%。由于后两年未再次添加生物炭，导致2017、2018年这3项指标的提高程度逐年降低，2017年分别提高了3.84%、2.72%、6.13%，2018年分别提高了1.86%、2.07%、5.27%。均值比较及检验显示，3年BC处理土壤饱和含水率(P2016=0.023、P2017=0.039、P2018=0.041)、田间持水率(P2016=0.033、P2017=0.043、P2017=0.048)、凋萎系数(P2016=0.011、P2017=0.018、P2018=0.023)均显著高于CK处理，表明3年内生物炭对土壤持水能力的提高仍然有效。

图3 生物炭对土壤持水能力的可持续效应

BC组饱和含水率Y10、田间持水率Y11、凋萎系数Y12关于施炭年限t的变化规律均可以采用线性方程进行拟合，回归方程为

Y10=-0.375t+44.830 (R2=0.999，P=0.015)

(22)

Y11=-0.380t+34.083 (R2=0.996，P=0.036)

(23)

Y12=-0.155t+11.043 (R2=0.999，P=0.012)

(24)

3个方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，达显著水平，表明3个方程能较好地反映土壤水分常数随施炭年限的变化规律。土壤水分常数均随施炭年限的延长呈线性递减，施炭年限每延长一年，饱和含水率、田间持水率、凋萎系数分别降低0.375、0.380、0.155个百分点。随着施炭年限的延长，其对土壤持水能力的改善作用逐渐减弱，这可能是由于生物炭对土壤结构的改善作用逐渐减弱，从而使土壤持水能力也随之发生相应的变化。

2.4 施加生物炭对水土流失的可持续效应

表1为各年不同处理年径流深及土壤侵蚀量变化情况。由表1可知，在相同年份，BC处理较CK处理的年径流深、土壤侵蚀量均有所下降。2016年施加生物炭的土壤年径流深减少4.92 mm，径流系数降低2.17个百分点，土壤侵蚀量降低5.71%；2017年BC处理较CK处理年径流深降低了3.8 mm，径流系数下降了0.56个百分点，土壤侵蚀量下降了1.89%；2018年年径流深与2016、2017年的变化趋势相同，只是变化的程度减弱，年径流深仅下降了1.57 mm，径流系数下降了0.48个百分点，土壤侵蚀量下降了1.32%。对3年不同处理的年径流深和土壤侵蚀量进行均值比较和检验，在施加一次生物炭后3年内年径流深(P2016=0.028，P2017=0.030，P2018=0.037)和土壤侵蚀量(P2016=0.033，P2017=0.043，P2018=0.047)均显著低于CK，表明施加一次生物炭3年内可以有效减少水土流失。

表1 不同年份不同处理下年径流深及土壤侵蚀量

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

采用线性函数拟合年径流深Y13和土壤侵蚀量Y14随时间的变化规律，回归方程为

Y13=0.89t+81.980 (R2=0.999，P=0.021)

(25)

Y14=0.69t+26.707 (R2=0.995，P=0.038)

(26)

2个方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，回归方程拟合效果理想。随着生物炭施用年限的延长，年径流深及土壤侵蚀量均呈线性递增，直至与CK处理间无显著差异，这可能是因为随着时间的增加，生物炭对土壤容重、孔隙度的影响减弱，从而减少降雨的入渗量，同时土壤的抗冲刷能力减弱，使减流效果减弱，侵蚀程度增加。

2.5 施加生物炭对节水增产的可持续效应

图4 生物炭对节水增产的可持续效应

作物产量是农业生产的直接成果，也是反映土地生产力的直接因素。水分利用效率是衡量农业资源高效利用状况的一项重要指标。提高作物水分利用效率对农业可持续发展具有重要意义。我国东北地区水资源短缺，因此在保证农作物产量的前提下提高作物田间水分利用效率至关重要。3年两个处理大豆产量及水分利用效率如图4所示。由图4a可知，2016年BC处理大豆产量显著增加(P=0.025)，较CK处理增产29.01%，2017、2018年BC处理增加幅度相比2016年有所减弱，但仍显著高于CK(P2017=0.031，P2018=0.039)，分别增加23.48%、18.43%。由图4b可知，2016—2018年BC比CK的水分利用效率分别提高16.92%、14.63%、11.75%，均达显著水平(P2016=0.032，P2017=0.035，P2018=0.043)，表明3年内生物炭在节水增产方面的正效应依然存在。

BC处理大豆产量Y15随时间的变化规律可用幂函数进行拟合，方程为

Y15=2 938.465t-0.134(R2=0.999，P=0.024)

(27)

方程R2=0.999，P=0.024，回归方程达显著水平。随着生物炭施用年限的延长，BC处理大豆产量呈幂函数降低，且降低的速率先快后慢，直至与未施炭处理间无显著差异。造成这一现象的原因可能是生物炭对土壤养分的持续效应逐年减弱的缘故。

BC处理大豆水分利用效率Y16关于生物炭施用年限的变化规律可以用线性方程进行拟合，方程为

Y16=-0.095t+8.927 (R2=0.994，P=0.049)

(28)

方程R2=0.994，P<0.05，方程拟合效果好，随着生物炭施用年限的延长，大豆水分利用效率较上一年平均降低0.095 kg/m3。大豆产量和水分利用效率关于生物炭施用年限的变化规律有所不同，这可能是由于施用生物炭在提高了各年大豆产量的同时，也增加了大豆可消耗的水分。

2.6 基于灰色关联的TOPSIS模型的土地生产力指数

2.6.1土地生产力指标体系

选取土壤理化性质、土壤持水能力、水土保持效应、节水增产效应等能够反映土地生产能力的指标作为衡量土地生产力的一级指标，每个一级指标下又选取若干个二级指标，如表2所示。为使计算结果更为科学客观，采用熵权法计算各指标的权重，结果见表2。

表2 土地生产力的构成指标

注：表中+、-表示正向、负向。

2.6.2黑土区坡耕地土地生产力指数分析

采用式(3)～(12)测算2016—2018年两个处理的土地生产力指数，结果如表3所示。由表3可知，BC处理3年土地生产力指数均高于CK，表明施用生物炭能有效改善作物生长的水土环境，提高土地生产能力。但两个处理间的土地生产力指数的差异逐年缩小，这可能是由于生物炭对各项指标的持续效应逐年减弱，导致BC处理的土地生产力指数也逐年减小。

表3 2016—2018年各处理土地生产力指数

2.6.3基于GM(1，1)模型预测的土地生产力指数分析

为了进一步给出一次性施用75 t/hm2生物炭其效应的持续时间，采用GM(1,1)模型[16]预测2019—2021年土地生产力指数的变化趋势。本试验中GM(1，1)模型精度检验合格，CK处理和BC处理的小概率误差均大于0.95，后验比均小于0.35，因此可以使用GM(1，1)模型对本试验中的土地生产力指数进行预测，预测结果如表4所示。随着生物炭施用年限的延长，BC处理土地生产力指数逐渐下降，且与CK处理间的差异逐渐缩小，在2021年BC处理土地生产力指数降至0.743 0，已经与未施加生物炭的CK处理土地生产力指数十分接近。根据预测结果，在试验区一次性施入75 t/hm2生物炭，其对土地生产能力的改善作用可持续5～6年。

表4 GM(1，1)模型预测未来3年的土地生产力指数

3 讨论

土地生产力作为土地最本质的属性，是土地在一定条件下可能达到的生产水平，既反映土壤质量，又表明土地的生产能力[17]。土地生产力研究关系到一个区域的社会经济发展方向，是区域土地利用和生态环境建设的重要基础条件，它的变化是全球变化的重要指标，也一直是国际上备受关注的农业问题和人类发展问题的核心[18-19]。

生物炭疏松多孔，具有强大的吸附能力，可以改善土壤结构，增强土壤肥力。本试验结果显示，在一次性施用生物炭后3年内，土壤容重显著降低(P<0.05)，土壤孔隙度、总有机碳含量、铵态N含量、有效P含量、速效K含量显著增加(P<0.05)，pH值则是施炭后前两年显著提高(P2016=0.034、P2017=0.038)，第3年与未施炭处理无显著差异(P2018=0.067)。生物炭对土壤理化性质的改善效果随着生物炭施用年限的延长逐渐减弱，土壤容重、铵态N含量、有效P含量、速效K含量呈线性递增，孔隙度呈线性递减，pH值和总有机碳含量呈先快后慢的幂函数递减趋势。这一结论与文献[18-19]的研究基本一致，但与聂新星等[20]认为的生物炭对于土壤pH值没有显著影响存在一定的差异，这可能是由于施加生物炭的种类和供试土壤的理化性质不同造成的。

多数学者认为生物炭可以提高土壤的持水能力[21-23]，但对于生物炭施加后对土壤持水性能的影响时间尚未有明确结论。DUGAN等[15]的研究结果显示，生物炭可以提高土壤的持水能力，勾芒芒等[8]通过试验研究表明生物炭可以提高土壤的含水率和田间持水率，但都没有提出这种效应的维持年限。本研究中，土壤饱和含水率、田间持水率、凋萎系数在施加一次生物炭后3年内都显著提高(P<0.05)。但随着施炭年限的延长，生物炭对土壤持水能力的改善效果逐渐减弱，且各项指标均呈线性递减趋势，这表明一次性施入生物炭后其对土壤持水能力的影响可持续3年以上。

在水土保持方面，多数学者认为，由于施用生物炭能够提高土壤孔隙度，增强土壤的透水透气性，促进雨水入渗，因而可以有效减少年径流深和土壤侵蚀量，其减流减沙效果随生物炭施用量和连续施用年限的不同而有所差异[8,10-12,24]，但对于施加一年生物炭后水土保持效应可以维持的年限并没有明确的结论。本研究中，一次性施入75 t/hm2生物炭后3年内BC处理年径流深和土壤侵蚀量均显著低于CK处理(P<0.05)。BC处理年径流深和土壤侵蚀量随时间变化均呈线性递增趋势，施炭时间每延长一年年径流深增加0.89 mm，而土壤侵蚀量增加0.69 t/hm2。3年内两个处理年径流深和土壤侵蚀量间的差距逐年缩小，这可能是由于随着时间的延长，生物炭在土壤中的有效成分逐渐减少，使土壤容重和孔隙度的改善程度逐渐减弱，土壤的抗冲刷能力减弱，减流效果减弱，造成土壤侵蚀量的增加。

在节水增产方面，现有研究多集中于施炭当年的效应上。勾芒芒等[8]通过一年的试验研究发现，施加生物炭的番茄产量明显高于未施加生物炭的番茄产量。HOSSAIN等[9]和ZWIETEN等[25]的试验结果也表明小麦和番茄等作物的产量在施加生物炭后都会有显著的提高。本研究中，施加一次生物炭后3年内BC处理大豆的产量和水分利用效率相较于CK处理均显著提高(P<0.05)，与已有结果一致[7,24]，可见，生物炭可以改善作物的生长环境，促进作物生长，提高作物产量和水分利用效率。但随着施炭年限的增加，生物炭对两个指标的影响逐渐减小，大豆产量随施炭时间的延长呈先快后慢的幂函数递减趋势而水分利用效率则呈均匀变化的线性递减趋势，这可能是由于大豆产量增加的同时其所消耗的水分也随之增加。

土地生产力是一个综合指标，是土壤质量和生产能力的综合体现。由于本研究试验周期较短，获取的时序资料有限，故结合灰色关联分析对传统的TOPSIS模型进行改进，用以测算两个处理3年的土地生产力指数，得到2016—2018年BC处理土地生产力指数分别为0.759 0、0.752 0、0.749 8，均高于同年CK，表明施用生物炭能够显著提高土地生产能力。但也应看到，BC处理土地生产力指数逐年下降，表明生物炭对土地生产力的提升作用逐年降低。为进一步探究一次性施用生物炭后其对土地生产力的持续效应，利用GM(1，1)模型预测了2019—2021年土地生产力指数，结果表明，2021年BC处理的土地生产力指数与CK的土地生产力指数已十分接近，因此可以估计施加一次生物炭后其效应可持续5～6年。由于试验年限较短，该预测结果的可靠性有待进一步验证。

4 结论

(1)一次性施入生物炭3年内，土壤容重显著降低，土壤孔隙度和总有机碳、铵态N、有效P、速效K含量显著增加，pH值则是施炭后前两年显著提高，第3年与未施炭处理无显著差异。生物炭对各指标的影响逐年减弱，随着生物炭施用年限的延长，BC处理土壤容重线性递增，pH值和总有机碳含量呈幂函数递减，孔隙度和铵态N、有效P、速效K含量线性递减。

(2)一次性施用生物炭显著提高了土壤持水性能，进而起到保水保土的作用。3年内BC处理土壤饱和含水率、田间持水率、凋萎系数均显著高于CK处理，而年径流深和土壤侵蚀量则显著低于CK处理。随着生物炭施用年限的延长，其保水保土效果逐渐减弱，土壤饱和含水率、田间持水率、凋萎系数线性递减，而年径流深和土壤侵蚀量则线性递增。

(3)一次性施入生物炭3年内，可以有效提高大豆节水增产性能，BC处理大豆产量和水分利用效率均显著高于CK处理。随着生物炭施用年限的延长，其节水增产性能逐渐减弱，BC处理大豆产量呈幂函数递减，水分利用效率则呈线性递减。

(4)采用基于灰色关联的TOPSIS模型测算2016—2018年土地生产力指数，3年BC处理的土地生产力指数分别为0.759 0、0.752 0、0.749 8，均高于同年CK处理，表明施用生物炭能够显著提高土地生产能力；但BC处理土地生产力指数逐年下降，表明生物炭对土地生产力的提升作用逐年降低。采用GM(1，1)模型预测未来3年土地生产力指数的变化趋势，预计到2021年BC处理土地生产力指数为0.743 0，与CK处理已十分接近，说明一次性施入生物炭其效应可持续5～6年。