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    生物炭對(duì)坡耕地土壤肥力和大豆產(chǎn)量的影響與預(yù)測(cè)

    2019-08-14 01:04:56魏永霞
    關(guān)鍵詞:年限坡度大豆

    魏永霞 王 鶴 劉 慧 吳 昱

    (1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院, 哈爾濱 150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150030;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院, 哈爾濱 150030; 4.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 哈爾濱 150090;5.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,哈爾濱 150040)

    0 引言

    東北黑土區(qū)是世界四大黑土區(qū)之一,是我國(guó)重要的商品糧基地。東北黑土區(qū)土壤肥沃、有機(jī)質(zhì)含量較高、結(jié)構(gòu)性好,有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)[1]。由于水土流失嚴(yán)重,主要耕作區(qū)黑土層厚度僅為20~40 cm,遠(yuǎn)低于土地開(kāi)墾初期(80~100 cm),土壤有機(jī)質(zhì)含量下降,土壤持水性及穩(wěn)定性降低,導(dǎo)致作物生長(zhǎng)環(huán)境惡化[2],作物產(chǎn)量下降,直接威脅著國(guó)家的糧食安全。

    生物炭是指在限氧或無(wú)氧環(huán)境條件下,通過(guò)高溫(一般小于700℃)裂解將農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)經(jīng)炭化而形成的一種穩(wěn)定難溶、高度芳香化、碳含量極其豐富(高達(dá)60%)的固態(tài)產(chǎn)物[3]。秸稈炭化利用可有效減輕東北地區(qū)焚燒秸稈所造成的環(huán)境污染。早有研究表明,生物炭施入土壤,可降低土壤容重,提高總孔隙率,改善土壤持水性能[4],提高土壤含水率和降水入滲量[5],特別是增加土壤中的有效水含量[6];生物炭還可以提高土壤肥力,創(chuàng)造作物生長(zhǎng)的有利條件,進(jìn)而達(dá)到作物增產(chǎn)的目的[7]。李興等[8]探究生物炭對(duì)沙壤土水分特征的影響,發(fā)現(xiàn)在沙壤土區(qū)施用生物炭可以增加土壤持水能力,且干土加60 g/kg的生物炭處理效果最好;李昌見(jiàn)等[9]研究發(fā)現(xiàn),生物炭能改變土壤物理性質(zhì)、提高水肥利用率、減少肥料淋失,改良砂壤土的最適生物炭用量為40 t/hm2;胡敏等[10]研究得出,生物炭顯著提高有機(jī)質(zhì)、速效磷、有效鉀以及堿解氮等養(yǎng)分含量,通過(guò)生物炭對(duì)水肥熱的改善使得玉米產(chǎn)量增加;文獻(xiàn)[11-13]發(fā)現(xiàn),添加生物炭后可提高煙草、甘蔗和番茄的產(chǎn)量,施用生物炭后番茄可增產(chǎn)64%左右;房彬等[14]通過(guò)大田試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),生物炭處理后玉米產(chǎn)量平均提高13.9%;黃超等[15]通過(guò)在紅壤土中施加不同含量生物炭得出,200 g/kg處理對(duì)黑麥草增產(chǎn)效果最為顯著,增產(chǎn)率高達(dá)53%。

    目前,關(guān)于施加生物炭后效果持續(xù)性的研究很少。因此,在僅施用一次生物炭后2年內(nèi)不再施加生物炭的試驗(yàn)條件下,本文探究3年黑土區(qū)大豆增產(chǎn)及土壤肥力改善等后效應(yīng),并應(yīng)用改進(jìn)的灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)2019—2021年各處理大豆產(chǎn)量,探索黑土區(qū)坡耕地施加生物炭的持續(xù)效應(yīng),旨在為東北黑土區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源高效可持續(xù)利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

    1 材料與方法

    1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

    試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地(北緯45°43′09″,東經(jīng)126°36′35″),總面積55 hm2,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫3.1℃,全年無(wú)霜期130~140 d,多年平均水面蒸發(fā)量796 mm,耕地土壤多以壤土為主,入滲能力弱,典型坡耕地坡度為2°~5°。年降水量400~650 mm,降水集中且歷時(shí)較短,僅7—9月的降水量就占全年降水總量70%以上。該區(qū)主要糧食作物為大豆和玉米。

    1.2 試驗(yàn)材料

    供試生物炭購(gòu)于遼寧金和福開(kāi)發(fā)有限公司,采用玉米秸稈在450℃無(wú)氧條件下燒制而成,其基本理化性質(zhì)如表1所示。供試大豆品種為黑河3號(hào)。供試土壤主要以壤土為主,有效磷(P2O5)質(zhì)量比為16.9 mg/kg,銨態(tài)氮(N)質(zhì)量比為100.9 mg/kg,速效鉀(K2O)質(zhì)量比為280.1 mg/kg,pH值6.27,黑土土壤容重為1.22 g/cm3,0~80 cm土層平均田間持水率為29.4%。

    表1 生物炭的基本性質(zhì)Tab.1 Biochar basic feature

    1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    本試驗(yàn)在黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行,小區(qū)規(guī)格為2 m×5 m,坡度選擇1.5°、3°、5° 共3種在東北黑土區(qū)比較有代表性的坡度。每種坡度分別設(shè)置施加生物炭和不施加生物炭處理,小區(qū)編號(hào)分別為T(mén)1.5、T3、T5和CK1.5、CK3、CK5,共計(jì)6個(gè)小區(qū)。根據(jù)前期研究成果[16],生物炭施用量選擇施用后增產(chǎn)效果較好的75 t/hm2,生物炭?jī)H在2016年施用,2017、2018年不再施加。各徑流小區(qū)采用相同的施肥方案,化肥施用量與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施加水平一致并以底肥形式一次性施入,生物炭施用方法為2016年播種前將生物炭粉均勻鋪灑于土壤表面,人工攪拌至與0~20 cm表層土壤充分均勻混合后靜止待用。

    1.4 測(cè)定內(nèi)容與方法

    1.4.1土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各項(xiàng)指標(biāo)

    每年大豆成熟后取各小區(qū)耕層土壤為試驗(yàn)樣品,根據(jù)干篩各級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比配比配取土樣50 g,放入篩組中進(jìn)行濕篩,濕篩組由孔徑為0.1、0.25、0.5、1、2、5 mm篩子組成,每次振蕩20 min,頻率為40次/min。濕篩儀器為ZY200-Ⅱ型土壤團(tuán)粒分析儀,測(cè)得各篩余量,根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性的各項(xiàng)指標(biāo):大于0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(R0.25)、土壤不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(ELT)、平均質(zhì)量直徑(Mean weight diameter, MWD)以及幾何平均直徑(Geometric mean diameter, GMD),計(jì)算公式分別為[17-19]

    (1)

    ELT=1-R0.25

    (2)

    (3)

    (4)

    式中Wd>0.25——粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量,g

    WT——供試土樣的總質(zhì)量,取50 g

    Wi——i級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量,g

    PMWD——平均質(zhì)量直徑,mm

    PGMD——幾何平均直徑,mm

    1.4.2土壤化學(xué)指標(biāo)

    采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量;堿解擴(kuò)散法測(cè)定銨態(tài)氮含量;使用Olsen法,采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷含量;1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定速效鉀含量;PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)量pH值。

    1.4.3大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

    于各年大豆收獲時(shí),統(tǒng)計(jì)每個(gè)徑流小區(qū)內(nèi)大豆總株數(shù),然后于每個(gè)小區(qū)分別隨機(jī)取3株大豆植株,測(cè)定每株大豆植株的單株莢數(shù)、單株粒數(shù),并在收獲結(jié)束后測(cè)量每個(gè)徑流小區(qū)大豆的總產(chǎn)量和百粒質(zhì)量。

    1.5 產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法

    本文大豆產(chǎn)量采用改進(jìn)的多變量灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

    1.5.1多變量灰色預(yù)測(cè)模型的改進(jìn)

    1982年鄧聚龍教授提出的灰色理論是將原數(shù)據(jù)累加成具有規(guī)律性的數(shù)據(jù)列,然后根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)列建立白色化形式的微分方程,白色化形式微分方程的解即為灰色預(yù)測(cè)模型[20]?;疑P褪腔谝浑A常微分方程建立的,稱(chēng)一階一元灰色模型,記GM(1,1)[21],本試驗(yàn)考慮多變量故將GM(1,1)擴(kuò)展為GM(1,N),GM(1,N)表示為一階N元的微分方程的解,可用來(lái)表示N個(gè)變量的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)變化[22]。經(jīng)典GM(1,N)模型為

    (5)

    a——發(fā)展系數(shù)

    bi——驅(qū)動(dòng)項(xiàng)系數(shù)

    改進(jìn)后模型變?yōu)?/p>

    (6)

    經(jīng)系列運(yùn)算可得到復(fù)合梯形預(yù)測(cè)函數(shù)為

    (7)

    式中f(t)——平滑延時(shí)協(xié)調(diào)函數(shù)

    u(t-2)——單位階躍函數(shù)

    1.5.2灰色預(yù)測(cè)模型檢驗(yàn)

    預(yù)測(cè)結(jié)束后利用所得的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行事后檢驗(yàn),誤差在一定范圍內(nèi)才可應(yīng)用于預(yù)測(cè)問(wèn)題分析。

    (1)事前檢測(cè)

    圖1 各處理各級(jí)土壤團(tuán)聚體含量的變化Fig.1 Changes in content of soil agglomerates at all levels

    (2)殘差檢驗(yàn)

    絕對(duì)誤差

    ε(0)(t)=x(0)(t)-(0)(t) (t=1,2,…,n)

    相對(duì)誤差

    Δ(t)越小越好,一般要求Δ(t)<20%。

    (3)關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)

    關(guān)聯(lián)系數(shù)

    式中ρ——分辨系數(shù),通常取0.5

    關(guān)聯(lián)度

    當(dāng)R>0.6時(shí),說(shuō)明模型基本可以達(dá)到較為滿(mǎn)意的預(yù)測(cè)效果。

    (4)后驗(yàn)差檢驗(yàn)

    灰色模型精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[23]。

    1.6 數(shù)據(jù)處理方法

    采用Excel 2010、Origin 9.0進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理和繪圖,利用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析和回歸分析,顯著性水平為0.05、0.01,使用最小顯著極差法(LSD法)進(jìn)行多重比較,采用改進(jìn)的多變量灰色理論模型預(yù)測(cè)未來(lái)3年大豆產(chǎn)量。各年相關(guān)參數(shù)測(cè)定按坡上、坡中、坡下3點(diǎn)取樣,3次重復(fù),取其平均值。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 生物炭對(duì)坡耕地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

    2.1.1生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體數(shù)量的影響

    土壤團(tuán)聚體指土壤中大小、形狀不一、且具有不同孔隙度、機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)單位,一般把粒徑大于0.25 mm的結(jié)構(gòu)單位稱(chēng)為土壤大團(tuán)聚體。圖1為各處理各級(jí)土壤團(tuán)聚體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的變化,由圖1可知,無(wú)論施炭與否土壤團(tuán)聚體中直徑d<0.25 mm的團(tuán)聚體含量均為最高,施炭組最高范圍在27.34%~43.62%之間,未施炭組最高范圍在49.98%~57.40%,土壤團(tuán)聚體中d>5 mm的團(tuán)聚體含量最少,為2%~4.78%。

    2016年在相同坡度時(shí),施炭處理d<0.25 mm的團(tuán)聚體含量較未施炭處理明顯下降,其余直徑的團(tuán)聚體含量施炭組均比未施炭組有所增加;當(dāng)d<0.25 mm時(shí),各坡度團(tuán)聚體含量由大到小依次為T(mén)5、T3、T1.5,當(dāng)d>0.25 mm時(shí),各級(jí)團(tuán)聚體含量均隨坡度增大而減少。2016年施加生物炭后2017、2018年雖未施炭,但各級(jí)團(tuán)聚體含量的比例變化關(guān)系同2016年一致,唯一不同之處是施炭處理的變化幅度有所弱化。當(dāng)d<0.25 mm時(shí),2016年CK1.5、CK3、CK5團(tuán)聚體含量分別為49.98%、52.28%、54.58%,T1.5、T3、T5含量分別為27.34%、33.18%、35.32%,1.5°、3°、5°各坡度減小率為60.63%、57.56%、54.53%,2017年T1.5、T3、T5比CK1.5、CK3、CK5團(tuán)聚體含量分別減小了59.07%、43.59%、38.61%,T1.5、T3、T5比CK1.5、CK3、CK5團(tuán)聚體含量減小率在2018年分別為56.12%、39.15%、31.59%,d<0.25 mm的團(tuán)聚體含量隨年份增加減小程度逐漸減弱。當(dāng)d>0.25 mm(土壤大團(tuán)聚體)時(shí),施炭處理比未施炭處理的大團(tuán)聚體含量增加,相同處理不同年份間大團(tuán)聚體含量隨年份增加而減少,1.5°坡度在2016、2017、2018年施炭組大團(tuán)聚體的含量較未施炭組增加率達(dá)46.31%、44.31%、38.97%,3°坡度各年增加率為42.40%、34.74%、33.35%,5°坡度時(shí)各增加率分別為40.03%、34.66%、32.35%,各坡度的增加幅度也隨年限增加而減弱,這主要可能與施加生物炭后的時(shí)間有關(guān),生物炭自身所含元素隨時(shí)間發(fā)生降解,對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的有效成分也隨年限增加而減少。

    2.1.2生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

    常用的反映水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性狀況基本指標(biāo)有R0.25、MWD、GMD和ELT等,R0.25、MWD、GMD越大說(shuō)明土壤團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高,穩(wěn)定性越強(qiáng)[24],ELT隨土壤退化程度增強(qiáng)而增大,ELT越小說(shuō)明土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定[25],不同處理對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響見(jiàn)表2。

    相同年份,R0.25由大到小依次為T(mén)1.5、T3、T5、CK1.5、CK3、CK5;不同年份,R0.25均以1.5°坡度的施炭處理最大,分別為72.66%、70.02%、66.88%。2016、2017、2018年MWD在T1.5處理時(shí)最大,分別高達(dá)1.119 2、0.967 8、0.914 1 mm,同一年中,3個(gè)坡度施炭處理的MWD顯著增加,MWD由大到小依次為1.5°、3°、5°。3年GMD在施加生物炭的處理較未施炭處理均顯著增加,年份相同時(shí),坡度越小GMD越大;年份不同時(shí),同一坡度年份越小GMD越大。ELT3年中均以1.5°小區(qū)施加生物炭處理最小,2016、2017、2018年ELT最小分別為27.34%、29.98%、33.12%;同一年1.5°、3°、5°坡度施炭后ELT逐漸增加。說(shuō)明2016、2017、2018年施炭處理的R0.25、MWD和GMD較未施用處理均顯著增加(P<0.05),ELT顯著減小(P<0.05),且各穩(wěn)定性指標(biāo)隨著坡度、施炭年限的增加各變化幅度減弱。表明施用生物炭可以增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,且穩(wěn)定性隨施炭后年限延長(zhǎng)而減弱,也就是說(shuō)僅施用一次生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的促進(jìn)效果逐年削弱。

    表2 不同處理的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Tab.2 Stability index of soil agglomerates treated differently

    注:同一年不同小寫(xiě)字母表示同一年各處理差異顯著,下同。

    2.2 生物炭對(duì)坡耕地土壤pH值及養(yǎng)分的影響

    2.2.1生物炭對(duì)土壤pH值的影響

    2016、2017、2018年不同處理土壤pH值變化如圖2所示,年份相同時(shí),施用生物炭處理比未施用生物炭處理的土壤pH值增大,且施炭處理的土壤pH值增長(zhǎng)幅度隨地形坡度增大而減小,2016、2017、2018年均以1.5°坡度的土壤pH值增加率最大,分別為17.88%、17.68%、14.63%;對(duì)2016、2017、2018年各處理進(jìn)行顯著性分析可知,P2016=0.007、P2017=0.025、P2018=0.040,說(shuō)明2016年施炭處理與對(duì)照處理間差異極顯著(P<0.01),2017、2018年差異顯著(P<0.05)。表明僅施加一次生物炭后,在施用當(dāng)年對(duì)土壤pH值作用極顯著,施用次年和第3年對(duì)土壤pH值作用顯著,但不及施用當(dāng)年,可能是由于生物炭施到土壤中逐漸降解,雖自身呈堿性,但第1年施入土壤改善pH值后并沒(méi)有持續(xù)施炭,僅有施用當(dāng)年剩余生物炭,導(dǎo)致對(duì)土壤pH值的影響也逐漸減弱。

    圖2 不同處理的土壤pH值變化Fig.2 Soil pH value of different treatments

    2.2.2生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

    2017年施炭處理比未施炭處理的土壤銨態(tài)氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量各自平均增加25.99%、18.11%、16.69%;2018年施炭處理銨態(tài)氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)較未施炭處理平均分別增加了25.45%、17.71%、13.45%,2017、2018年各指標(biāo)變化趨勢(shì)與2016年一致,3個(gè)指標(biāo)影響顯著性從大到小順序依舊為銨態(tài)氮、有效鉀、有機(jī)質(zhì),有效磷含量施炭組與對(duì)照組差異不顯著。不同之處是3年施炭組銨態(tài)氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量增加幅度隨年限增長(zhǎng)遞減,施炭年限增加致使生物炭對(duì)土壤改良效果減弱,因?yàn)橥寥来髨F(tuán)聚體含量增長(zhǎng)率減少,使得含養(yǎng)土團(tuán)減少,導(dǎo)致各養(yǎng)分指標(biāo)含量減??;2018年施炭后銨態(tài)氮養(yǎng)分等級(jí)由原來(lái)的3級(jí)上升為2級(jí),有機(jī)質(zhì)、有效磷都保持在3級(jí)標(biāo)準(zhǔn),速效鉀等級(jí)仍保持1級(jí)標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明僅施加一次生物炭后隨年限增加對(duì)土壤肥力的改善能力減弱,表明生物炭的作用隨時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸衰減,目前本試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示3年生物炭對(duì)養(yǎng)分的影響仍然有效。

    表3 3年不同處理的土壤養(yǎng)分質(zhì)量比Tab.3 Soil nutrient content treated differently within three years g/kg

    表4 土壤養(yǎng)分等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Grading standard of soil nutrient grade g/kg

    2.3 生物炭對(duì)坡耕地大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

    2.3.1生物炭對(duì)大豆產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

    表5為3年各處理大豆產(chǎn)量的構(gòu)成要素。對(duì)于單株莢數(shù),2016年T1.5、T3、T5比相同坡度對(duì)照組分別增加35.14%、27.78%、25.71%,2017年分別增加26.32%、25%、22.86%,2018年分別增加23.68%、21.62%、14.29%。2016年施炭后單株粒數(shù)增長(zhǎng)率在21.79%~30.12%之間,2017、2018年分別為21.05%~28.05%、19.74%~27.16%,3年內(nèi)均以T1.5處理的單株粒數(shù)增加最大。施用生物炭在1.5°坡度時(shí)3年對(duì)大豆百粒質(zhì)量的增加率分別為20.40%、18.58%、18.40%,3°坡度各年百粒質(zhì)量的增加率分別為17.78%、17.23%、17%,5°坡度各年增長(zhǎng)了15.04%、14.93%、13.54%。說(shuō)明單次施用生物炭對(duì)大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量均有增加效果,且同坡度呈負(fù)相關(guān),2016、2017、2018年單株莢數(shù)與坡度相關(guān)系數(shù)分別為-0.285、-0.334、-0.481,3年單株粒數(shù)與坡度相關(guān)系數(shù)為-0.329、-0.36、-0.343,3年百粒質(zhì)量與坡度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.301、-0.303、-0.342;同時(shí)從大豆各產(chǎn)量構(gòu)成要素增加率可以得出,施炭后年限越長(zhǎng)各構(gòu)成要素指標(biāo)增加幅度越小,這是因?yàn)槭┨亢竽晗拊介L(zhǎng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)效果越弱,土壤養(yǎng)分含量改善效果越弱,致使土壤肥力逐年相對(duì)減弱,進(jìn)而使得大豆各構(gòu)成要素增幅減弱。

    表5 3年各處理大豆產(chǎn)量構(gòu)成要素Tab.5 Constituent factors of soybean yield for each treatment in three years

    2.3.2生物炭對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

    施用生物炭最根本目的是通過(guò)生物炭來(lái)調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)、持水性能、養(yǎng)分含量等,進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)的作用。由圖3可知,相同年份各坡度施炭處理較未施炭處理產(chǎn)量均增加顯著(P<0.05),并且隨坡度增加增產(chǎn)率逐漸減??;不同年間相同坡度大豆增產(chǎn)率隨年限增加而減小(圖4),2016、2017、2018年大豆產(chǎn)量的最大增產(chǎn)率分別為26.29%、25.90%、25.24%。施炭與否、坡度、施炭后年限3個(gè)因素對(duì)大豆產(chǎn)量均有影響,為進(jìn)一步探究3者對(duì)增產(chǎn)的顯著程度,建立產(chǎn)量(y)關(guān)于施炭與否、坡度和施炭后年限的回歸方程,其中施炭與否(x1)為定性變量,x1取0表示不施用生物炭,取1表示施用生物炭,坡度因子(x2)和施炭后年限因子(x3)為定量變量,得回歸方程

    y=479.778x1-61.829x2-59.5x3+2 242.13
    (R2=0.964,F(xiàn)=151.193,P<0.001)

    (8)

    圖3 3年各處理的大豆產(chǎn)量Fig.3 Soybean production treated in three years

    圖4 3年各處理大豆增產(chǎn)率的變化曲線(xiàn)Fig.4 Changes in yield increase of soybeans treated in each of three years

    回歸方程的R2大于0.9,表明回歸方程擬合效果較好;F=151.193,P<0.001,表明由自變量施炭與否、坡度、施炭后年限和因變量大豆產(chǎn)量建立的線(xiàn)性回歸模型具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;t檢驗(yàn)的回歸系數(shù)顯著性值P1=P2<0.001,P3=0.001,進(jìn)一步說(shuō)明有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。從回歸系數(shù)顯著性值無(wú)法比較出3個(gè)自變量對(duì)產(chǎn)量的顯著程度,施炭與否、坡度、施炭后年限3個(gè)自變量的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)分別為0.908、-0.335、-0.184,絕對(duì)值越大代表在此回歸方程中自變量對(duì)大豆產(chǎn)量的解釋力度越強(qiáng),因此3個(gè)自變量對(duì)大豆產(chǎn)量影響由大到小依次為施炭與否、坡度、施炭后年限。

    2.4 基于灰色理論模型的大豆產(chǎn)量預(yù)測(cè)

    本試驗(yàn)中對(duì)模型精度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。經(jīng)模型精度檢驗(yàn)后,各檢驗(yàn)結(jié)果均在符合標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),可以用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)本試驗(yàn)中產(chǎn)量加以預(yù)測(cè),結(jié)果如表7所示。生物炭的增產(chǎn)潛力隨施用年限的延長(zhǎng)逐漸減弱,2021年5°小區(qū)的產(chǎn)量為2 223 kg/hm2,已經(jīng)與未施炭區(qū)大豆產(chǎn)量十分接近。根據(jù)預(yù)測(cè)產(chǎn)量加上已有3年試驗(yàn),大體上可以確定施加一次生物炭其對(duì)作物的有效時(shí)間為5~6年。

    表6 灰色預(yù)測(cè)模型精度檢驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Accuracy test results of grey predictiom model

    表7 灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)2019—2021年大豆產(chǎn)量Tab.7 Grey prediction model predicted soybean yield from 2019 to 2021 kg/hm2

    3 討論

    東北黑土區(qū)作為國(guó)家大糧倉(cāng),增加其作物產(chǎn)量對(duì)東北區(qū)乃至全國(guó)都至關(guān)重要。生物炭施入土壤后通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)狀況、土壤養(yǎng)分環(huán)境、土壤肥力,進(jìn)而達(dá)到大豆增產(chǎn)目的。

    適合作物生長(zhǎng)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑在0.25~5 mm之間,這個(gè)范圍中團(tuán)聚體有利于土壤水分固持、植物根系部分呼吸以及土壤養(yǎng)分的吸收與釋放。生物炭施入土壤后改變土壤物理結(jié)構(gòu),增加土壤微生物活性,進(jìn)而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成并增加其穩(wěn)定性[26]。本試驗(yàn)生物炭施加使d<0.25 mm的土壤微團(tuán)聚體含量明顯減少,d>0.25 mm的土壤大團(tuán)聚體含量顯著增加,且變化幅度隨坡度、施炭后年限增加逐漸減弱,同王恩武等[27]研究結(jié)果相同。土壤團(tuán)聚體良好狀態(tài)以水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性加以衡量,土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定指標(biāo)也是反映土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)[17],本試驗(yàn)施炭處理R0.25、MWD、GMD增大,ELT減小,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng),與文獻(xiàn)[18-19]研究結(jié)果一致,3年中施炭處理各穩(wěn)定性指標(biāo)變化幅度隨年份增加均呈減小狀態(tài),說(shuō)明生物炭3年內(nèi)均能提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性,有效期大于3年,具體有效期有待進(jìn)一步增長(zhǎng)試驗(yàn)?zāi)晗藜右则?yàn)證。

    土壤pH值是影響土壤肥力的重要因素之一,直接影響著土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉(zhuǎn)化性和有效性。土壤pH值決定各地區(qū)適宜播種的作物種類(lèi),東北黑土區(qū)作為中國(guó)最大糧倉(cāng),主要以大豆等經(jīng)濟(jì)作物為主,大豆最適宜pH值在6.5~7.5之間,東北黑土區(qū)土壤pH值在5.7~6.4之間,故提高東北黑土區(qū)土壤pH值對(duì)其大豆生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。本研究施用生物炭顯著增大土壤pH值(P<0.05),且增大幅度隨坡度增大而減小;施用當(dāng)年生物炭對(duì)土壤pH值作用極顯著(P2016=0.007<0.01),施用次年(P2017=0.025<0.05)和第3年(P2018=0.040<0.05)對(duì)土壤pH值也達(dá)顯著水平,但不及施用當(dāng)年,可能是由于生物炭施到土壤中逐漸降解。生物炭增大土壤pH值,主要是由于生物炭的灰分中有K、Ca、Na、Mg、氧化物、氫氧化物、碳酸鹽等不同濃度堿性物質(zhì),施進(jìn)土壤后能提高土壤鹽基飽和度,降低可交換鋁的數(shù)量,進(jìn)而提高土壤pH值[28-30]。

    土壤有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體所形成的最為重要的膠結(jié)物質(zhì),是土壤肥力的重要指標(biāo)之一,對(duì)于改良土壤結(jié)構(gòu),提升土壤的通氣性、透水性,有利于微生物的活動(dòng)以及增強(qiáng)土壤養(yǎng)分含量等都有巨大作用。SCHMIDT等[31]認(rèn)為,生物炭可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,BRUUN等[32]、GLASER等[33]研究發(fā)現(xiàn),生物炭的用量及穩(wěn)定性可以提高有機(jī)質(zhì)含量的增加程度,主要是生物炭可通過(guò)促進(jìn)土壤有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體的形成來(lái)提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,進(jìn)而減少土壤有機(jī)質(zhì)淋失。本試驗(yàn)施用生物炭增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量,其增加幅度隨著年限增加而減少,這可能是由于年限增加,被包裹或吸附在生物炭空隙和有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體中的微生物生長(zhǎng)繁殖速率及活性減弱所造成的,LIANG等[34]的研究也得到類(lèi)似結(jié)論。坡度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響不顯著。

    單次施用生物炭對(duì)大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量均有增加效果,這與魏永霞等[16,38]研究結(jié)果一致,且各指標(biāo)同坡度呈負(fù)相關(guān);施炭后年限越長(zhǎng)各構(gòu)成要素指標(biāo)增加幅度越小,這與生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況的改善情況相一致。施炭處理較未施炭處理大豆產(chǎn)量均增加顯著(P<0.05),與已有研究結(jié)果[14,16]一致,且隨坡度、年限增加增產(chǎn)率逐漸減少。由自變量施炭與否、坡度、施炭后年限和因變量大豆產(chǎn)量建立了線(xiàn)性回歸模型,結(jié)果表明回歸方程擬合效果較好且具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;各自變量對(duì)大豆產(chǎn)量影響程度由大到小依次為施炭與否、坡度、施炭后年限。采用灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)未來(lái)3年產(chǎn)量,模型的平均相對(duì)誤差為38.00%,關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.712 4,后驗(yàn)差比值為0.378 9,小概率誤差為77.31%,各精度檢驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)范圍,證明灰色預(yù)測(cè)模型可以對(duì)本試驗(yàn)中產(chǎn)量進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。2019—2021年產(chǎn)量預(yù)測(cè)結(jié)果呈遞減趨勢(shì),2021年5°坡度施炭組與未施炭組產(chǎn)量已十分接近。

    4 結(jié)論

    (1)施用生物炭使d<0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量明顯減少、d>0.25 mm的土壤大團(tuán)聚體含量顯著增加,且變化幅度隨坡度、施炭后年限增加逐漸減弱;施加生物炭使R0.25、MWD、GMD增加,使ELT減小,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng),該穩(wěn)定性增強(qiáng)幅度隨坡度增大、施炭后時(shí)間延長(zhǎng)而減小,生物炭施用當(dāng)年效果最為顯著,R0.25、MWD、GMD各指標(biāo)最大為72.66%、1.119 2 mm、0.367 1 mm,ELT最小為27.34%。

    (2)施用生物炭可顯著提高土壤pH值以及銨態(tài)氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量,各指標(biāo)增長(zhǎng)率分別高達(dá)17.88%、27.23%、20.31%、17.51%,但生物炭對(duì)有效磷含量影響不顯著。施炭后改良了土壤各養(yǎng)分指標(biāo),使土壤養(yǎng)分等級(jí)有所上升,土壤肥力增強(qiáng),增強(qiáng)效果與施炭后年限呈負(fù)相關(guān)。

    (3)生物炭對(duì)大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量均有明顯的正效應(yīng),增產(chǎn)率高達(dá)26.29%,同時(shí)影響因素還有坡度和施炭后年限,對(duì)大豆產(chǎn)量影響程度由大到小依次為施炭與否、坡度、施炭后年限,坡度越大、施炭年限越長(zhǎng),各指標(biāo)增加幅度越弱。

    (4)改進(jìn)的多變量灰色預(yù)測(cè)模型精度較高,可用于本試驗(yàn)大豆產(chǎn)量的預(yù)測(cè),經(jīng)預(yù)測(cè),2021年施炭組產(chǎn)量最低為2 223 kg/hm2,與未施炭組產(chǎn)量十分接近,增產(chǎn)有效時(shí)間可維持在5~6年。

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