發布時間：2022-02-08所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 東北黑土區土壤肥沃、性狀優良、適宜作物生長，然而大面積坡耕地的水土流失問題嚴重威脅著區域生態環境和國家糧食安全。為探明施加生物炭對該區域坡耕地的節水增產效應，以及最優施加量與施加年限，基于田間徑流小區進行為期兩年的觀測試驗。2015 年，試驗根據生
摘要: 東北黑土區土壤肥沃、性狀優良、適宜作物生長，然而大面積坡耕地的水土流失問題嚴重威脅著區域生態環境和國家糧食安全。為探明施加生物炭對該區域坡耕地的節水增產效應，以及最優施加量與施加年限，基于田間徑流小區進行為期兩年的觀測試驗。2015 年，試驗根據生物炭施加量設置為 C0( 0 t / hm2 ) 、C25( 25 t / hm2 ) 、C50 ( 50 t / hm2 ) 、C75( 75 t / hm2 ) 和 C100( 100 t / hm2 ) 5 個處理; 2016 年，各處理分別連續施加等量生物炭。試驗結果表明: 施加兩年生物炭均降低了土壤容重、提高了孔隙度和有機碳密度，且隨施加量的增加效果越顯著; 2015 年實測田間持水量隨生物炭施加量呈上升的趨勢，2016 年則呈先升后降的趨勢，上升至 C50 處理達到最佳; 2016 年 C50 處理土壤三相比較合理，廣義土壤結構指數( GSSI) 高于其他處理; 連續兩年施加生物炭均減少了 3°坡耕地的年徑流量，各年份年徑流系數降低最多的分別為 C75( 15. 44% ) 和 C50( 17. 27% ) 處理。適量生物炭也可增加單次降雨后雨水蓄積量和其隨時間下降的速率和幅度; 2015 年和 2016 年大豆產量最高的處理分別是 C75 和 C50，增產率分別為 27. 16% 和 28. 17% 。比較 2015 年和 2016 年試驗結果，連續兩年施加 50 t / hm2 生物炭時，大豆水分利用效率較對照處理增幅最高，為 27. 67% ，節水增產效果最佳。
關鍵詞: 生物炭; 土壤三相比; 徑流系數; 雨水蓄積量; 大豆水分利用效率
0 引言
東北黑土區為全球寶貴的三大黑土區之一，作為我國主要糧食生產基地，為保障國家糧食安全做出了巨大貢獻。該區土壤以黑土、黑鈣土及草甸黑土為主[1]。“典型黑土”是一種結構好、肥力高、性狀佳的高產土壤，特別適宜玉米、大豆等糧食作物生長。由于當地耕地地形多為丘陵漫崗，歷時短、強度高且集中的降雨特點，不科學的耕作方式，導致黑土區坡耕地水土流失嚴重，黑土層厚度逐漸變薄[2]，土地生產力下降。該地區每年產生大量的秸稈資源。預計到 2020 年，黑龍江省主要秸稈理論資源量將達到 6 500 萬 t。然而，目前秸稈資源利用率較低，每年約有 21% 的秸稈資源被焚燒或廢棄[3]，對大氣環境構成威脅。因此，實行科學有效的坡耕地水土資源保護，低碳環保的同時提高作物水分利用效率，達到增產保收，對促進黑土區農業可持續發展具有重要意義。
生物炭是以作物秸稈、動物糞便為原材料的生物殘質，在缺氧或完全斷氧的情況下，經過高溫( 小于 700℃ ) 熱解制成的一類穩定難溶、高度芳香化結構的碳質材料[4 - 5]。作為一種新型環保的土壤改良劑，生物炭孔隙度高、比表面積大、表面具有大量負電荷[6 - 7]，施入土壤中可明顯改善土壤結構，提高土壤 pH 值[4，8 - 10]，強化土壤的持水性能，促進雨水下滲[11 - 13]，吸附土壤養分并提高養分的有效性[14 - 18]，可為作物提供良好的生長環境，提高水肥利用效率，進而提高產量[19 - 20]。
由此可見，生物炭在農業上應用前景良好，如今已成為國內外學者研究的熱點。施加生物炭在保水保土方面作用顯著，SADEGHI 等[21]通過模擬試驗得出，利用酒糟生物炭可明顯減少地表徑流量和土壤潛 在 侵 蝕，亦有眾多國外研究者得出相似結論[10，22]。目前國內此方面研究較少，且大多數以室內徑流模擬或短期觀測的形式為主。生物炭性質穩定，其對土壤的影響會長期存在，將其施入黑土區田間的實際效果，以及生物炭最優施加劑量與年際間連續施用的最優模式尚需明晰[23]。筆者通過兩年田間試驗，旨在探索黑土區坡耕地連續施加生物炭的土壤改良與節水增產效應，為黑土區農業水土資源可持續高效利用提供理論與技術支持。
1 材料與方法
1. 1 試驗區概況
試驗于 2015、2016 年在位于東北典型黑土帶的黑龍江省農墾北安管理局紅星農場試驗基地進行 ( 北緯 48°02' ～ 48°17'，東經 126°47' ～ 127°15') ，該區域為小興安嶺西麓向松嫩平原的過渡丘陵漫崗地區，地勢由東向西傾斜，崗頂平緩，坡面較長，坡度為 3° ～ 5°。耕層土壤主要為草甸黑土，表層松散，底土粘重，透水性差。該區屬中溫帶濕潤大陸性季風氣候，大于等于 10℃ 的有效積溫為 2 254. 5℃，日照時數為 2 364. 2 h，無霜期 105 d 左右; 多年平均降雨量為 553 mm，且多集中在 7—9 月，期間多年平均降雨量為 401. 7 mm，約占全年降雨量的 70% ～ 80% 。
1. 2 試驗材料
供試土壤為草甸黑土。供試生物炭為玉米秸稈生物炭，購自遼寧金和福農業開發有限公司，制備方式為玉米秸稈在無氧條件下 450℃ 高溫裂解，粒徑 1. 5 ～ 2 mm。供試土壤與生物炭基本理化性質見表 1。供試作物為大豆，品種為黑河三號。
1. 3 試驗設計
試驗在徑流小區內進行，小區坡度選擇黑土區坡耕地有代表性的3°坡，規格20 m × 5 m，共計10 個徑流小區同向平行鋪設( 圖 1) 。各小區末端設徑流自動記錄系統，徑流經記錄及取樣后流入小區底端的排水溝。為防止測滲，各小區邊界用埋入地下 1 m 深的鐵板隔開，每個小區間設置 1 m 間隔。試驗按照生物炭施加量設置 5 個處理: C0( 對照處理) 、C25 ( 25 t / hm2 ) 、C50 ( 50 t / hm2 ) 、C75 ( 75 t / hm2 ) 、C100 ( 100 t / hm2 ) 。2016 年試驗在上一年的基礎上各處理連續施加等量生物炭，每個處理 2 次重復。生物炭在作物種植前經人工翻耕充分混勻至 0 ～ 20 cm 耕層土壤中。
1. 4 觀測內容及處理方法
1. 4. 1 土壤理化性質
各年份全生育期末利用環刀收集耕層原狀土，各處理 4 次重復( 相同處理 2 座小區各取 2 次重復) ，土樣實際含水率見表 2。根據室內測定威爾科克斯法測其田間持水量并借助 DIK-1130 型土壤三相儀測取其容重、孔隙度以及三相比，計算出廣義土壤結構指數( GSSI)
1. 4. 2 降雨、地表徑流量
分別采用自記雨量計對作物全生育期各次降雨的降雨量、降雨強度和降雨歷時進行觀測，用設在各小區的徑流自動記錄系統對各次降雨的產流量進行測取。 1. 4. 3 單次降雨雨水蓄積量選取 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 未出現降雨) ，利用時域反射儀( TDR) 對土壤 0 ～ 100 cm 深度土壤含水率分層進行測取。土壤深度分層為0 ～ 10 cm、10 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm、40 ～ 60 cm、60 ～ 80 cm 和 80 ～ 100 cm，土壤含水率測量時間包括降雨前和降雨后 8、16、24、36、 48、72、96、120 h。
1. 4. 4 大豆產量及其構成要素
試驗分別于 2015 年 10 月 8 日和 2016 年 10 月 7 日對大豆進行收獲。在相同處理的 2 個徑流小區的坡上和坡下相應位置選取 2 個 10 m2 的地塊，每個地塊隨機選 5 株豆稈測量單株莢數、單株粒數與百粒質量等，并對所選地塊進行實收測產，計算大豆產量。
1. 5 數據處理方法
利用 Microsoft Excel 2010 對數據進行整理和圖表的繪制，采用 SPSS 22. 0 對數據進行描述性統計和單因素方差分析( One-way ANOVA) ，并進行多重比較，顯著性水平為 0. 05。對各年份大豆產量與生物炭施加量運用 Spearman 等級相關分析方法進行相關分析，顯著性水平為 0. 05。
2 觀測結果與分析
2. 1 施加生物炭對土壤理化性質的影響
如表 3 所示，2015 年施加生物炭有效降低了土壤容重，較對照處理降低 0. 86% ～ 6. 03% 。土壤孔隙 度 呈 上 升 趨 勢，較 C0 處 理 增 加 4. 03% ～ 12. 90% ; 2016 年施加生物炭后土壤容重與孔隙度變化趨勢與上一年相同，容重最高降低 8. 70% ，孔隙度最高增加 23. 40% ，且影響差異均達到顯著水平( P < 0. 05) 。以上變化均取決于生物炭多孔性、容重小且遠遠低于土壤容重的結構特征，施入土壤必然改變原土樣的孔隙狀況，即降低土壤容重和增加孔隙度。施入量越多，影響則越強烈。
2015 年各處理實測田間持水量隨施加炭量的增加而逐漸提高，較 C0 提高 1. 89% ～ 8. 14% ; 2016 年連續施加后，提高土壤田間持水量至 C50 處理表現最優，較 C0 提高 10. 91%，之后出現下降趨勢。此外，2016 年試驗 C50 處理累積加炭量為 100 t / hm2 ，較 2015 年相同生物炭施加量的 C100 處理土壤持水能力的提升表現更佳。生物炭特有的物理特性可極大地降低土壤容重，再加上其表面巨大的比表面積以及親水基團，進一步提高了土壤持水能力。然而有研究[24]認為，生物炭中有機物多含疏水性基團，施加量過高會增加斥水性，這可能是高炭量處理持水效果減弱的原因之一。
土壤有機碳是較活躍的土壤組分，決定土壤肥力和作物產量[25]，維持著農田生態系統的可持續發展[26]。有機碳密度是指一定土層厚度中所含有機碳的質量。通過兩年的試驗( 表 3) ，施用生物炭后各年份產生的規律一致，即土壤有機碳含量與生物炭施加量之間呈顯著正相關( P < 0. 05) ，2015 與 2016 年施用生物炭后土壤有機碳密度較當年 C0 處理 提 高 幅 度 分 別 31. 4% ～ 102. 6% 、62. 2% ～ 246. 3% 。
2. 2 施加生物炭對土壤三相比的影響
2015、2016 年各處理土壤三相比見圖 2，表 4 顯示的是各處理的廣義土壤結構指數 GSSI，GSSI 值越接近 100，土壤結構越接近理想狀態。資料顯示[27]，最適合作物生長的理想土壤三相比為 50∶ 25∶ 25。
由圖 2a 可看出，2015 年施加生物炭對土壤含水率與土壤容重產生影響，土壤三相比發生變化。固相率呈下降趨勢，液相與氣相率分別上升了 6. 34% ～ 40. 91% 、8. 01% ～ 25. 88% 。與其他處理相比，GSSI 最高的是 C50 處理( 表 4) ，最接近理想狀態。此外， C75 和 C100 處理的土壤結構改善效果也均達到顯著水平( P < 0. 05) 。
由圖 2b 中可看出，2016 年各處理土壤固相率仍保持降低的趨勢，累積施炭量較高的 C75 和 C100 處理固相率下降程度過大，遠離土壤固相率最佳狀態 50% ，同時液相率也出現降低，兩處理 GSSI 與 C0 未表現出顯著差異，甚至低于 C0 處理。該年份土壤三相比最為合理的同樣是 C50 處理，GSSI 較 C0處理提高了 4. 75% ，差異顯著( P < 0. 05) 。由此可見，適量生物炭可提高土壤含水率與通透性，過量反而會導致土壤結構松散變差。
綜合兩年試驗結果可以發現，施加秸稈生物炭 50 t / hm2 ，施加年限為 2a 時，對草甸黑土結構改善程度相 對 較 好，該 處 理 GSSI 值 為 98. 31，高 于 其 他處理。
2. 3 施加生物炭對年徑流量的影響
2015 年和 2016 年各處理年徑流深 R 以及徑流系數 α 見表 5。
施加秸稈生物炭有效地減少了 3°坡耕地的年徑流量，2015 年減流效果最優的為 C75 處理，年徑流量相比 C0 減少 15. 44% ，α 由高到低為 C0、C25、 C50、C100、C75; 2016 年 α 由 高 到 低 為 C0、C100、 C75、C25、C50，這一年中生物炭施加量為 50 t / hm2 徑流控制效果最為顯著，較對照處理年徑流量降低 17. 27% 。對比兩年試驗結果來看，2016 年 C50 處理抑制徑流效果同樣優于 2015 年同炭量的 C100 處理，減流率增加 2. 6 個百分點。即便是生物炭的多年累積施加量相同，但施加量在年度上的分配不同，其徑流控制效果也不相同。為達到坡耕地節水保土最優效果，應注重生物炭施用量在年際間的合理分配。
2. 4 施加生物炭對單次降雨后雨水蓄積量的影響
選取 2015 年 8 月 19 日和 2016 年 8 月 18 日兩次典型降雨，兩次降雨后 5 d 內( 未降雨) 對各處理土層深度 0 ～ 100 cm 的土壤雨水蓄積量以及隨時間的變化情況進行觀測。觀測從雨后 8 h 開始，時間間隔為 8、12、24 h。
由于水分的蒸騰與植物的耗水持續進行，降雨后各處理土壤的雨水蓄積量均隨時間的推移逐漸減少，甚至達到負值。2015 年8 月19 日降雨歷時145 min，降雨量 35. 5 mm，平均降雨強度 12. 92 mm / h。如圖 3a 所示，降雨后 24 ～ 72 h 各處理雨水蓄積量下降幅度均有所增加，C0 和 C25 處理下降幅度較大。72 h 之后，施加生物炭量 50 t / hm2 以上的處理下降速率有所減緩，進入緩慢下降期。從雨水蓄積量高低來看，各處理均在雨后即達到最大值，施加生物炭明顯增加了 0 ～ 100 cm 土層深度的雨水蓄積量，較對照處理提高 16. 86% ～ 55. 21% 。
2016 年 8 月 18 日降雨歷時 107 min，降雨量 48. 4 mm，平均雨強為 23. 80 mm / h。如圖 3b 所示，雨水蓄積量整體變化趨勢與上一年相似。C25 與 C50 處理的雨水蓄積量較高，且對雨水蓄積量下降速率的減緩效果表現較好。原因可能是生物炭可增加土壤孔隙度與非飽和導水率，促進雨水下滲至土層中，使得土壤含水率大幅度增加，此外，生物炭對水分的吸持作用降低了雨水蓄積量下降的速率。
2. 5 施加生物炭對大豆產量以及水分利用效率的影響
2. 5. 1 對大豆產量及其構成因素的影響
不同處理的大豆產量及其構成要素見表 6。 2015 年試驗表明，施加生物炭對大豆產量以及各構成因素均有積極影響，大豆產量隨生物炭施加量的增加呈先增后降的趨勢，兩者之間的 Spearman 相關系數為 0. 906( 相關性在 P = 0. 05 水平顯著) 。增產效果最好的為 C75 處理，相比 C0 處理對單株莢數與單株粒數 2 個要素的提高達到極顯著水平( P < 0. 01) ，對百粒質量的提高達到 顯著水平 ( P < 0. 05) ，大豆增產率為 27. 16% ; 2016 年連續施加生物炭對大豆各產量構成要素的影響依然顯著( P < 0. 05) 。各處理產量仍呈先增后降的趨勢，但 與 2015 年不同，增產率至 C50 處理最高，為 28. 17% ( P < 0. 05) 。C75 與 C100 處理增產效果下降，增產率為 15. 33% 和 11. 90% ( 相比 C0 處理效果不顯著) 。該年份大豆產量與生物炭施加量間的 Spearman 相關系數為0. 600( 相關性在 P = 0. 05 水平不顯著) ，說明施加生物炭量過高使得大豆的增產效果降低，兩者相關性減弱。生物炭施入過量導致土壤結構變差、持水能力減弱，對作物生長產生一定影響。
2. 5. 2 對大豆水分利用效率的影響
表 7 為 2015、2016 年試驗各處理的大豆生育期耗水量( ET) 與水分利用效率( WUE) 。2015 年各處理大豆 WUE 由高到低排序為 C75、C100、C50、C25、 C0，施加生物炭處理的 WUE 值均高于對照處理，提高幅度為 6. 16% ～ 25. 03% ; 2016 年連續施加生物炭后對大豆 WUE 同樣產生不同程度提升效果，呈先升后降的趨勢，C50 處理表現最優，較 C0 處理提高 27. 67% ，其后依次是 C75、C100、C25 處理，WUE 分別提高 11. 91% 、10. 40% 、9. 68% 。
綜合兩年試驗分析，連續施加2 年生物炭50 t/ hm2 對大豆 WUE 的提高效果要比一次性施加 100 t / hm2 理想，WUE 增長率高于后者 4. 32 個百分點。大豆的產量與生育期耗水量共同影響著其水分利用效率，施加生物炭強化了土壤對雨水的吸持與儲存，減少地表流失，使得土壤水分更充分地補給作物根部。第一年生物炭最優施加量為 75 t / hm2 ，連續施加兩年 50 t / hm2 的生物炭對提高大豆 WUE 會達到更優的效果。
3 討論
近年來，相關學者對坡耕地水土流失治理措施方面已進行大量研究[28 - 29]，大多有效措施存在工程量大、投入成本較高的問題。生物炭通過施入土壤即可改善土壤結構，達到節水保土的目的。該措施彌補了上述問題的同時，也具有較高的經濟與生態效益。
本研究得出，秸稈生物炭可降低草甸黑土容重并提高孔隙度和土壤有機碳密度，且影響效果與生物炭施加量與施加年限呈正相關，這 與 魏 永 霞等[13]、尚杰等[18]研究成果結論一致。施加生物炭第 1 年各處理土壤田間持水量呈上升趨勢，不同的是連續第 2 年施加各處理呈先升后降的趨勢，生物炭量過高的處理對增強土壤持水性能的效果下降，這與 PENG 等[24]、DUGAN 等[30]結論一致。上述影響均在土壤三相比的變化上有所體現，第一年施加生物炭土壤容重發生改變，土壤固相體積比例降低，液相和氣相體積比例隨之增高，從而土壤的含水率和通氣性增加，土壤結構較為合理，GSSI 得以提高。連續兩年施加 50 t / hm2 生物炭時土壤結構得以最大程度地改善，施加量過高導致土壤性狀松散，GSSI 也出現降低。
對于年降雨徑流量的觀測表明，施用生物炭可有效減少 3°坡耕地的年徑流量，2015 和 2016 年減流量最大的處理分別為 C75 和 C50，較當年對照處理減少 15. 44% 、17. 27% ，SADEGHI 等[21]通過模擬試驗得出相似規律。施加適量生物炭還增加了單次降雨 0 ～ 100 cm 土層深度雨水蓄積量并減緩其隨時間下降的速率和幅度。
試驗各年份施加生物炭大幅提高了大豆的產量，該結果與房彬等[8]、OBIA 等[12]一致。第 1 年施加生物炭 75 t / hm2 時，在幾種試驗處理中增產效果最優; 而連續兩年( 第 2 年) 施加生物炭 50 t / hm2 時，大豆產量的增幅則最大。這是由于適量的生物炭改善了土壤結構，增加了土壤中水分與有機質的含量，土壤碳氮比隨之升高，土壤中氮素和其他養分的含量增加，土壤對大豆生長所需的水分和養分供應能力得以提升。此外，李曉龍等[27]通過研究發現，生物炭通過改善土壤物理結構，可促進耕層土壤中作物下層的細根生長。過量施用生物炭時，土壤的結構不再適宜作物生長，其持水能力也會減弱，另有可能過 高 的 C /N 會 導 致 土 壤 氮 固 定[31]，土壤 肥 力下降。
綜合兩年試驗的結果，連續施加兩年生物炭 50 t / hm2 時改善土壤結構與提高大豆水分利用效率的程度均達到最大，其效果優于 2015 年一次性施加生物炭 100 t / hm2 的處理。因此，即便是在施加量相同的前提下，應注重其施加年際間的合理分配，以達到更加突出的效果。
面臨著東北黑土區大面積墾殖的過程中造成的大片坡耕地水土流失等環境問題，為防治黑土退化，促進黑土區農業水土資源可持續利用，保障國家糧食安全，開展黑土區坡耕地水土保持與節水增產理論與技術研究十分必要。在全球對固碳減排高度關注以及農業環境日益惡化的背景下，對生物質資源利用的必要性日漸突出[3]，生物炭作為土壤改良劑可促進當地豐富的秸稈資源循環高效利用，研究前景廣闊。本試驗在田間徑流小區中進行，受自然等試驗因素影響較大，本文僅分析了連續 2 年施加生物炭的情況，對于連續多年施加生物炭及其之后的效應問題，有待加長試驗年限，進一步試驗研究。
4 結論
( 1) 施加秸稈生物炭可降低草甸黑土的容重，增加孔隙度，2 年試驗中影響程度均與生物炭施加量呈顯著正相關。2015 年各處理田間持水量隨生物炭施加量的增加而升高，2016 年 C50 處理田間持水量增加效果達到最優，C75 和 C100 處理土壤持水性能下降。土壤有機碳密度各年份增加幅度分別為 31. 4% ～ 102. 6%、62. 2% ～ 246. 3%，均達到顯著水平。
( 2) 施加適量生物炭可改善土壤結構，提高土壤液相率與氣相率，土壤含水率與通氣性明顯提高。連續兩年施加生物炭 50 t / hm2 ，GSSI 值高于其他處理，土壤結構得到較大程度改善。
( 3) 施加生物炭可以減少 3°坡耕地年徑流量。 2015 年 C75 處 理 減 流 效 果 最 佳，徑 流 系 數 降 低 15. 44% ; 2016 年表現最佳為 C50 處理，減流率為 17. 27% 。施入適量生物炭還增加了單次降雨后 0 ～ 100 cm 土層深度的雨水蓄積量，并使其隨時間變化呈緩慢下降的趨勢。
( 4) 施用生物炭對大豆的產量及其構成因素均有積極影響，同時對大豆 WUE 的影響程度也較大。 2015 年表現最佳的處理為 C75，增產率為 27. 16% ， WUE 較 C0 提高 25. 03% ; 2016 年連續施加的最佳施炭量為 50 t / hm2 ，增產率為 28. 17% ，其 WUE 較 C0 提高 27. 67% ，對坡耕地節水增產的積極效應更加突出。——論文作者：魏永霞1，2 張翼鵬1 張雨鳳1 王睿垠1 馬瑛瑛1 張 奕1
參 考 文 獻
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SCISSCIAHCI
