黑土區(qū)坡耕地施加生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與大豆產(chǎn)量的影響

魏永霞 石國(guó)新 馮 超 吳 昱 劉 慧

(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.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 哈爾濱 150090； 4.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 哈爾濱 150040； 5.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

東北黑土區(qū)是世界上僅有的三大黑土帶之一，土質(zhì)肥沃，是我國(guó)重要的商品糧基地。長(zhǎng)期以來(lái)由于不合理的人類(lèi)活動(dòng)及自然條件的影響，水土流失嚴(yán)重，黑土層逐年減薄，嚴(yán)重影響著黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源的可持續(xù)利用，對(duì)國(guó)家糧食安全構(gòu)成了極大威脅。該區(qū)秸稈資源豐富，但被利用的秸稈資源相對(duì)較少。大量秸稈資源在田間就地焚燒或棄用，不僅造成秸稈資源的浪費(fèi)，而且對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染[1]。秸稈還田作為一種新型高效技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)秸稈的重新利用，還可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量，在實(shí)施低碳環(huán)保的同時(shí)增加農(nóng)作物產(chǎn)量，達(dá)到環(huán)保增產(chǎn)的雙重收益，這對(duì)推動(dòng)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)性發(fā)展有著重大意義。但秸稈還田過(guò)程中秸稈腐爛所產(chǎn)生的溫室氣體加劇了碳排放，勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響[2]。

生物炭(Biochar)是以作物秸稈、動(dòng)物糞便為原材料，在缺氧或低氧條件下緩慢高溫裂解獲得的一類(lèi)富含碳的有機(jī)質(zhì)[3]。生物炭作為土壤改良劑，具有容重小、比表面積大、吸附性強(qiáng)等特性，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域[4]。近年來(lái)，有關(guān)生物炭應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上的研究越來(lái)越多。在改善土壤結(jié)構(gòu)方面，前人研究表明，施加生物炭可以改善土壤理化性質(zhì)、降低土壤容重、提高孔隙度[5-9]、改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[10-12]、穩(wěn)固土壤三相比例[13]；在土壤肥力方面，相關(guān)研究認(rèn)為，施加生物炭可以提高土壤有效磷、速效鉀含量[14-16]；在增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為施加生物炭可以大幅度提高農(nóng)作物產(chǎn)量[17-19]，并且維持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性[20]。

生物炭具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，施入土壤后對(duì)土壤的作用具有長(zhǎng)久性。目前，相關(guān)研究多是以短期施加生物炭為條件，研究生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，而在研究多年連續(xù)施加生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量的影響方面卻鮮有報(bào)道。另外，不同生物炭施加量對(duì)土壤改良和增產(chǎn)效果存在較大的差異，且隨著連續(xù)施用年限的增加，生物炭施加劑量和年際間的合理分配尚不明晰。為了探索黑土資源的高效利用與保護(hù)，以及大量秸稈資源的合理利用途徑，本研究以大豆為供試作物，以黑土區(qū)坡耕地田間徑流小區(qū)為研究對(duì)象，連續(xù)4年施加生物炭，旨在探索不同施炭量和施用年限條件下，黑土區(qū)土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力和大豆產(chǎn)量的變化規(guī)律，以及產(chǎn)量可持續(xù)性能，為黑土區(qū)生物炭施加量的確定和施用年限的合理分配提供依據(jù)，同時(shí)為農(nóng)作物秸稈資源化利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)基地位于黑龍江省北安市(48°02′～48°17′N(xiāo)，126°47′～127°15′E)，屬寒溫帶大陸性氣候。全年平均降水量555.3 mm，降雨集中在7—9月，約占全年90%左右。積溫2 254.5℃，無(wú)霜期110～115 d。耕地多為丘陵漫崗，土質(zhì)肥沃，地勢(shì)由東向西傾斜，崗頂平緩，坡面較長(zhǎng)，坡度為 3°～5°。土壤為草甸黑土，疏松通透性好，但水土流失嚴(yán)重，侵蝕溝惡性擴(kuò)張，表層黑土急劇流失，黑土層厚度變薄，土壤結(jié)構(gòu)惡化。主要農(nóng)作物為大豆、玉米、水稻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015—2018年在北安市紅星農(nóng)場(chǎng)內(nèi)坡度為3°的徑流小區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)條件是天然降雨。小區(qū)規(guī)格20 m×5 m，每?jī)蓚€(gè)小區(qū)間隔1 m。為了防止側(cè)滲各小區(qū)邊界用深入地下1 m的鐵板隔開(kāi)。每個(gè)小區(qū)埋設(shè)TDR管，埋深1.8 m。小區(qū)末端，設(shè)徑流自動(dòng)記錄系統(tǒng)和泥沙收集系統(tǒng)，自動(dòng)記錄后的徑流排入?yún)^(qū)外排水溝。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，即不加生物炭的常規(guī)處理 C0(對(duì)照處理)和生物炭施加量分別為C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)、C100(100 t/hm2)的處理，2次重復(fù)，共計(jì)10個(gè)徑流小區(qū)。試驗(yàn)開(kāi)始前將生物炭均勻鋪撒于土壤表面并反復(fù)攪拌，使其與表層土壤(0～20 cm土層)混合均勻。試驗(yàn)連續(xù)4年種植大豆，并施加重茬肥。2016、2017、2018年分別在上一年的試驗(yàn)基礎(chǔ)之上加入等量的生物炭，并做相同的處理。

供試土壤為草甸黑土，理化性質(zhì)為pH值6.3，土壤容重1.15 g/cm3，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比34.83 g/kg，全氮質(zhì)量比1.1 g/kg，全磷質(zhì)量比0.45 g/kg，全鉀質(zhì)量比0.35 g/kg，土壤質(zhì)地黏重，透水性差。供試大豆品種為黑河三號(hào)。供試玉米秸稈生物炭購(gòu)于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，制備方式為無(wú)氧條件450℃高溫裂解，基粒徑1.5～2.0 mm，生物炭性質(zhì)為pH值9.14，全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)70.21%，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.53%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.78%，鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.68%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)31.8%。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)與方法

1.3.1土壤容重、孔隙度、三相比

各年份全生育期末利用環(huán)刀收集耕層原狀土，各處理4次重復(fù)(相同處理小區(qū)各取2次重復(fù))，采用DIK-1130型土壤三相儀測(cè)定土壤容重、孔隙度和土壤三相比，并計(jì)算廣義土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)(GSSI)和土壤三相結(jié)構(gòu)距離指數(shù)(STPSD)[21]，計(jì)算公式為

PGSSI=[(XS-25)XLXG]0.476 9

(1)

PSTPSD=(XS-50)2+(XS-50)(XL-25)+(XL-25)2

(2)

式中PGSSI——廣義土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)

PSTPSD——土壤三相結(jié)構(gòu)距離指數(shù)

XS——固相體積分?jǐn)?shù)，大于25%

XL——液相體積分?jǐn)?shù)

XG——?dú)庀囿w積分?jǐn)?shù)

1.3.2土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量

各年份在大豆全生育期末取各小區(qū)耕層土壤樣品，采集后在室內(nèi)風(fēng)干，過(guò)8 mm篩，除去其中較大雜質(zhì)。采用TTF-100型土壤團(tuán)聚體分析儀測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，即根據(jù)干篩各級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比土壤樣品50 g，置于孔徑自上而下為5、2、1、0.5、0.25 mm的各級(jí)套篩之上，40 r/min振蕩20 min。將各篩上的團(tuán)聚體分別沖洗至鋁盒中，在105℃下干燥，稱(chēng)質(zhì)量。分別計(jì)算大于0.25 mm團(tuán)聚體含量(R0.25)[22]、平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)[18]，公式為

R0.25=(Mr>0.25/MT)×100%

(3)

(4)

(5)

式中Mr>0.25——粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量和

MT——所有粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量和

PMWD——團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑，mm

Xi——各粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑，mm

Wi——對(duì)應(yīng)于Xi的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

PGWD——幾何平均直徑，mm

1.3.3土壤養(yǎng)分含量

于大豆收獲期末取耕層土壤測(cè)定土壤養(yǎng)分含量。每個(gè)處理隨機(jī)取樣3次。堿解氮含量使用堿解擴(kuò)散法；有效磷含量采用Olsen法；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定。

1.3.4產(chǎn)量及其可持續(xù)性指標(biāo)

于大豆收獲期在相同處理的徑流小區(qū)的坡上和坡下相應(yīng)位置分別選取2個(gè)10 m2的地塊，每個(gè)地塊隨機(jī)選取5株豆稈測(cè)量單株莢數(shù)、單株粒數(shù)等，并對(duì)所選地塊進(jìn)行實(shí)收測(cè)產(chǎn)，計(jì)算大豆總產(chǎn)量。大豆產(chǎn)量可持續(xù)性指標(biāo)用產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(Sustainable yield index,SYI)[23]表示，公式為

(6)

式中PSYI——產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)

σ——標(biāo)準(zhǔn)差，t/hm2

Ymax——試驗(yàn)點(diǎn)最高產(chǎn)量，t/hm2

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)用Microsoft Excel 2010、Origin 8.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪圖。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析，LSD法進(jìn)行多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1對(duì)土壤容重、孔隙度的影響

土壤容重、孔隙度可以衡量土壤的松緊狀態(tài)和結(jié)構(gòu)狀況。各年份的容重、總孔隙度如表1所示。由表1可知，在施用年限相同而施炭量不同時(shí)，連續(xù)4年隨施炭量的增加，土壤容重逐漸降低、總孔隙度逐漸升高，但隨著施用年限的增加土壤容重、總孔隙度降低、升高的速率卻逐漸變緩。2015—2018年各處理的土壤容重較C0處理分別降低1.7%～6%、2.6%～8.7%、2.6%～9.7%、2.7%～9.8%，土壤總孔隙度較C0分別升高4%～12.7%、10%～23.4%、14%～25.7%、11.7%～27.9%，各處理與C0差異均達(dá)顯著性水平(P<0.05)。在施炭量相同而施用年限不同時(shí)，隨著施用年限的增加，土壤容重逐漸降低，總孔隙度逐漸升高，且隨著施炭量的增加，土壤容重、總孔隙度降低和升高速率也逐漸變緩。2016—2018年較2015年C25處理土壤容重降低了1.7%～5.2%，總孔隙度升高了3%～5%；2018年的C50、C75、C100較2015年容重降低了7.1%、8.9%、6.4%，總孔隙度升高了10.2%、12.5%、11.1%。綜合4年試驗(yàn)結(jié)果分析，在相同的施用年限條件下，生物炭施用量越大，土壤容重越低、總孔隙度越高，且隨著施用年限的增加，土壤容重下降的速率變緩，總孔隙度升高的速率也變緩。在相同施炭量水平下，隨著施用年限的增加，土壤容重降低、總孔隙度增加。

表1 2015—2018年各處理土壤容重和總孔隙度Tab.1 Soil bulk density and total porosity of each treatment in 2015—2018

注：數(shù)據(jù)均是各處理重復(fù)的均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.1.2對(duì)土壤三相比的影響

理想狀態(tài)下，最適合作物生長(zhǎng)的土壤三相比為50∶25∶25(固相∶液相∶氣相)[13]。本研究各年份的土壤三相比如圖1所示。由圖1可知，連續(xù)4年分別為C75、C50、C50、C25處理與理想點(diǎn)最接近，三相比分別為47.6∶29.23∶23.17、50.88∶25.63∶23.49、48.22∶26.63∶25.15和51.83∶24.92∶23.25。由圖1a可知，2015年隨施炭量的增加土壤固相體積分?jǐn)?shù)逐漸下降，液相、氣相逐漸升高，施加生物炭各處理的土壤固相體積分?jǐn)?shù)較C0降低幅度為1.46%～15.47%，土壤液相體積分?jǐn)?shù)升高幅度為0.2%～16.11%，土壤氣相體積分?jǐn)?shù)提高最大處理較C0提高了22.3%；圖1b～1d表明，2016—2018年土壤固相、氣相體積分?jǐn)?shù)與2015年變化趨勢(shì)相同，而液相體積分?jǐn)?shù)呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。GSSI、STPSD常被用來(lái)評(píng)價(jià)土壤三相比例分配，通常情況下，GSSI越大、STPSD越小，土壤三相比例分配越接近理想狀態(tài)[24]。GSSI和STPSD如表2所示。由表2可知，在施用年限相同施炭量不同時(shí)，連續(xù)4年隨施炭量的增加，GSSI先增大后減小，均在C50處理達(dá)到最大，較C0處理分別增加了3.33%、4.75%、3.92%和3.99%，達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；隨著施炭量的增加STPSD先減少后增加，各年均在C50處理達(dá)到最小，較C0處理分別降低了66.28%、79%、71.44%和51.39%，差異顯著(P<0.05)。在施炭量相同而施用年限不同時(shí)，C25、C50處理土壤GSSI隨著施用年限的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，STPSD呈先減后增的趨勢(shì)；C75、C100處理GSSI隨著施用年限的增加逐漸減小，C100處理的土壤STPSD隨施用年限的增加呈逐漸增大的變化趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，適量的生物炭可以調(diào)節(jié)土壤中的水、氣含量，施炭量過(guò)高會(huì)使土壤松散，土壤結(jié)構(gòu)變差。另外，C25、C50處理連續(xù)施加2年對(duì)土壤三相比調(diào)節(jié)相對(duì)較好，而C75、C100處理逐年施加對(duì)土壤三相比的調(diào)節(jié)逐漸變差。對(duì)比4年試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，以2016年C50處理GSSI最大、SYPSD最小，連續(xù)施加2年50 t/hm2的生物炭對(duì)黑土區(qū)土壤三相比改善相對(duì)較好。

2.1.3對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響

各年份不同粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量如表3所示。由表3可知施加生物炭提高了大于0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量。2015年0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均在C75處理達(dá)到最大，與C0相比均達(dá)到顯著性水平(P<0.05)；2016—2018年大于0.25 mm的各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量變化規(guī)律與2015年大體相同，各年最優(yōu)處理分別為C50、C50、C25，與同年C0相比均達(dá)顯著性差異(P<0.05)，但2017年C100處理和2018年C75、C100處理的1～2 mm、2～5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量卻低于對(duì)照處理，可見(jiàn)累積施炭量過(guò)高會(huì)使1～5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量降低。R0.25被用來(lái)表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)性越好，穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤抗蝕能力越強(qiáng)[22]；MWD和GMD是反映土壤團(tuán)聚體大小分布的重要指標(biāo)，其值越大，說(shuō)明土壤平均團(tuán)聚度越好，穩(wěn)定性越好[25]。表4為土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)。由表4可知，在施用年限相同施炭量不同時(shí)，R0.25、MWD、GMD隨施炭量的增加均呈先增后減的變化趨勢(shì)，連續(xù)4年最優(yōu)處理分別為C75、C50、C50和C25，施加生物炭的各處理與同年C0相比均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。在施炭量相同而施用年限不同時(shí)，C25、C50處理隨施用年限的增加均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，而C75、C100處理隨施用年限的增加呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。由此可知，適量的生物炭可以調(diào)節(jié)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，C25、C50處理連續(xù)施加2年對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的改善相對(duì)較好，而C75、C100處理逐年施加對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的改善逐漸變差。對(duì)比4年試驗(yàn)結(jié)果分析，2016年C50處理的生物炭對(duì)R0.25、MWD、GMD提升最大，與同年對(duì)照處理相比分別提高了70.2%、26.1%和23.2%，即連續(xù)2年施加50 t/hm2的生物炭對(duì)土壤穩(wěn)定性的提升效果最優(yōu)。

圖1 2015—2018年各處理土壤三相比Fig.1 Soil three-phase ratio tested in each treatment in 2015—2018

處理2015年2016年2017年2018年GSSISTPSDGSSISTPSDGSSISTPSDGSSISTPSDC094.12c22.63a93.85c23.19b94.14c23.25b94.02c15.49bC2594.97b15.86b96.69b14.66c96.30b11.06c96.24a14.94bC5097.25a7.63d98.31a4.87d97.83a6.64d97.18b7.53cC7596.84ab11.15c93.58c12.16c91.55d11.04c91.21c10.80bcC10096.40ab15.28cd93.30c33.09a91.77d35.92a91.03d46.38a

表3 2015—2018年各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布Tab.3 Distribution of water stable agglomerate in 2015—2018 g

表4 2015—2018年水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)Tab.4 MWD and GMD in 2015—2018

2.2 施加生物炭對(duì)土壤肥力的影響

土壤養(yǎng)分是土壤的本質(zhì)屬性，其含量的高低直接影響作物產(chǎn)量。圖2為不同處理的土壤養(yǎng)分含量。由圖2a、2b可知，在施用年限相同施炭量不同時(shí)，土壤堿解氮和有效磷含量隨施炭量的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，2015、2016年均在C50處理增加到最大值，其中2015年較C0處理分別升高46.1%、76.6%，差異達(dá)到顯著性水平(P<0.05)，2016年較C0處理分別提高了46.4%、85.4%，差異顯著(P<0.05)；2017、2018年在C25處理提高效果最優(yōu)，分別較同年C0處理提高33%、100.7%、23.9%、103.2%，達(dá)到顯著性差異(P<0.05)，但這兩年的C100處理土壤堿解氮含量?jī)H低于對(duì)照處理5.1%、10.8%，有效磷含量低于對(duì)照處理7.2%、9.5%，均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。由圖2c、2d可知，施加生物炭可以提高土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量，連續(xù)4年土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量隨施炭量的增加呈逐漸升高的趨勢(shì)，且升高的速率逐漸減緩，各年施加生物炭處理較C0差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。在施炭量相同而施用年限不同時(shí)，施加生物炭處理的堿解氮和有效磷含量均隨著施用年限的增加呈先增加后減小的變化趨勢(shì)。C25處理的土壤堿解氮和有效磷含量在2017年達(dá)到最大，C50、C75、C100均在2016年達(dá)到最大；施加生物炭處理的速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量隨施用年限的增加而逐漸增大，且施用年限越久，增加的速率越緩慢。綜合4年試驗(yàn)結(jié)果分析，適量的生物炭可有效提高土壤肥力，但施炭量過(guò)高會(huì)使堿解氮、有效磷含量降低，當(dāng)累積施炭量過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致堿解氮、有效磷含量過(guò)低，不利于大豆生長(zhǎng)；另一方面，逐年施加25 t/hm2的生物炭在第3年對(duì)土壤堿解氮、有效磷含量提高最大，對(duì)于C50、C75、C100處理連續(xù)2年施加效果最好；土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量隨施炭量的升高逐漸升高，且隨著年限的增加，升高的速率變緩。

圖2 2015—2018年各處理土壤養(yǎng)分含量Fig.2 Soil nutrient content in 2015—2018

2.3 施加生物炭對(duì)大豆產(chǎn)量及其可持續(xù)性的影響

2.3.1對(duì)大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

各年份大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素如表5所示。由表5可知，連續(xù)4年施加生物炭對(duì)大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素有顯著的影響。在施用年限相同施炭量不同時(shí)，大豆產(chǎn)量隨施炭量的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，2015年產(chǎn)量由大到小依次為C75、C100、C50、C25，其中C75處理較C0提高了21.8%，達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；2016、2017年在C50處理增產(chǎn)率達(dá)到最大，為33.3%、24.1%；2018年C25處理增產(chǎn)率最高，增產(chǎn)率為17.9%，而C100處理產(chǎn)量卻低于對(duì)照處理6.3%，與C0相比差異不顯著(P>0.05)。連續(xù)4年大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒質(zhì)量的變化規(guī)律與大豆產(chǎn)量大致相同，最優(yōu)處理也分別為C75、C50、C50、C25，與同年C0相比差異均顯著(P<0.05)；而2018年C100處理大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒質(zhì)量低于對(duì)照處理2.7%、1.5%、3.6%，差異不顯著(P>0.05)。在施炭量相同而施用年限不同時(shí)，C25處理產(chǎn)量隨著施用年限的增加呈逐漸升高趨勢(shì)，2018年較2015年增加了13.3%；C50處理產(chǎn)量隨著施用年限的增加呈先升高后降低趨勢(shì)，在2016年產(chǎn)量達(dá)到最大，較2015年增加了15.2%，而2018年較2015年產(chǎn)量?jī)H提高了0.8%；C75、C100處理隨著施用年限的增加呈逐漸降低趨勢(shì)，2018年較2015年分別降低了12.6%、18.5%。隨著施用年限的增加各處理大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒質(zhì)量與產(chǎn)量的變化規(guī)律大體相同，但C50處理的產(chǎn)量構(gòu)成要素在2017年達(dá)到最大值。綜上分析可知，施加適量的生物炭可提高大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素，但施炭量或累積施炭量過(guò)高均會(huì)使增產(chǎn)效果減弱甚至減產(chǎn)。另外，逐年施加25 t/hm2的生物炭會(huì)使產(chǎn)量提高，逐年施加50 t/hm2在第2年產(chǎn)量達(dá)到最大，而C75、C100處理逐年施加會(huì)使產(chǎn)量逐漸降低。

2.3.2對(duì)產(chǎn)量可持續(xù)性的影響

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)是評(píng)價(jià)作物產(chǎn)量可持續(xù)性的一個(gè)重要指標(biāo)，通常情況下，SYI越大，產(chǎn)量的可持續(xù)性越高[26]。圖3a、3b為不同施炭量水平下大豆平均年產(chǎn)量和SYI。由圖可知，施加生物炭對(duì)大豆平均年產(chǎn)量有較大的影響，平均年產(chǎn)量與施炭量呈拋物線關(guān)系(R2為0.986 4，P為0.003 9)，在C50處理平均年產(chǎn)量達(dá)到最大，為2 615.6 t/hm2，其他處理年產(chǎn)量從高到低依次為C75(2 545.75 t/hm2)、C25(2 525.25 t/hm2)、C100(2 398 t/hm2)、C0(2 243.75 t/hm2)。SYI與平均年產(chǎn)量的變化規(guī)律大致相同(R2為0.984 5，P<0.01)，同時(shí)也在C50處理SYI最高，為0.871，表明在大豆生產(chǎn)過(guò)程中，施加50 t/hm2的生物炭大豆產(chǎn)量可持續(xù)性最高，C0處理SYI最小，產(chǎn)量可持續(xù)性最弱。圖3c為大豆SYI與平均年產(chǎn)量之間的關(guān)系。由圖3c可知，大豆SYI與平均年產(chǎn)量呈極顯著的正相關(guān)(R2為0.942 8，P為0.052 52)，表明大豆SYI值越大，平均年產(chǎn)量越高，由擬合公式可知，SYI每增加0.1個(gè)單位，平均年產(chǎn)量增加317.77 t/hm2。由此可見(jiàn)，生產(chǎn)實(shí)踐中可通過(guò)施加土壤改良劑來(lái)提高年產(chǎn)量，進(jìn)而提高產(chǎn)量可持續(xù)性，同時(shí)也說(shuō)明了黑土區(qū)施加生物炭可以維持大豆產(chǎn)量可持續(xù)性。綜上分析可知，逐年施加50 t/hm2的生物炭大豆產(chǎn)量可持續(xù)性較高。

表5 2015—2018年大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素Tab.5 Soybean production and components in 2015—2018

圖3 大豆SYI與生物炭施加量及大豆平均年產(chǎn)量的關(guān)系Fig.3 Relationship between soybean SYI and average annual yield

3 討論

土壤結(jié)構(gòu)是調(diào)節(jié)土壤中水、肥、氣、熱的關(guān)鍵因素，而且在土壤理化性質(zhì)、水分運(yùn)移中發(fā)揮重要的作用，是作物生長(zhǎng)的重要影響因素。研究表明，土壤結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，土壤抗侵蝕能力就越強(qiáng)，土壤肥力和產(chǎn)量就越高[27]。生物炭由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，施入土壤后可改善土壤結(jié)構(gòu)[5]。在本研究中，逐年施加生物炭土壤容重逐漸降低，孔隙度逐漸升高，這與李昌見(jiàn)等[28]的研究結(jié)果一致。最適合大豆生長(zhǎng)的土壤容重在1.00～1.30 g/cm3之間，孔隙度在53%～55%之間[29]，并不是容重越低，對(duì)大豆生長(zhǎng)就越好，因?yàn)槿葜剡^(guò)低，孔隙度過(guò)高，土壤中水分蒸發(fā)較快，大豆水分供應(yīng)不足，反而不利于生長(zhǎng)。而適量的生物炭可以使容重降低，孔隙度升高，有利于大豆生長(zhǎng)。

土壤三相比是評(píng)價(jià)土壤水、肥、氣、熱相互關(guān)系的重要參數(shù)，是決定土壤的肥沃性與作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，施加生物炭可降低土壤固相體積分?jǐn)?shù)，提高氣相體積分?jǐn)?shù)；GSSI隨施炭量的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，STPSD呈先減小后增大趨勢(shì)，在連續(xù)施加2年C50處理GSSI取得最大值，STPSD取得最小值，土壤三相比與理想三相比最接近，而C75、C100處理逐年施加土壤結(jié)構(gòu)逐漸變差。這與魏永霞等[13]、李曉龍等[24]的研究結(jié)果一致。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是生物炭施加量過(guò)高，土壤中水分蒸發(fā)較快，土壤中氣體增多，使土壤三相比偏離理想三相比；C75、C100逐年施加導(dǎo)致累積施炭量過(guò)高，導(dǎo)致土壤液相體積分?jǐn)?shù)過(guò)低，氣相體積分?jǐn)?shù)過(guò)高，使土壤過(guò)于松散，土壤結(jié)構(gòu)變差。

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是決定產(chǎn)量的內(nèi)在因素。尚杰[30]研究結(jié)果得出，施加生物炭可顯著提高R0.25、MWD和GMD，且在B0、B20、B40、B60、B80這5組處理中B60處理提高幅度最大。徐國(guó)鑫等[31]認(rèn)為單施生物炭可提高R0.25、MWD和GMD。在本研究中，連續(xù)4年施加生物炭也可以得到類(lèi)似結(jié)論，且在第2年C50處理提高最大。這與侯曉娜等[32]認(rèn)為的單施生物炭對(duì)MWD、GMD和R0.25無(wú)顯著影響不同，這可能是因?yàn)樯锾渴┘恿坎煌屯寥李?lèi)型不同。

生物炭由于自身的理化性質(zhì)，施入土壤后對(duì)土壤養(yǎng)分含量也有一定的影響。但施加生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的說(shuō)法尚不一致。呂波等[33]認(rèn)為施加生物炭可增加土壤有效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)含量；李明等[34]通過(guò)1年試驗(yàn)研究可知，施加生物炭后土壤速效磷含量逐漸升高，堿解氮、速效鉀含量呈先升高后降低趨勢(shì)，在C25處理取得最大值；吳昱等[5]通過(guò)1年試驗(yàn)研究得出土壤有效磷、速效鉀含量隨生物炭施加量的增加呈線性遞增趨勢(shì)，堿解氮呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。在本研究中，連續(xù)4年土壤堿解氮、速效磷含量隨施炭量的增加呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量呈逐漸升高的趨勢(shì)，且升高的速率逐漸變緩；C25處理連續(xù)施加3年土壤肥力提高效果最好，而2017、2018年C75、C100處理土壤堿解氮、有效磷含量低于對(duì)照處理。這是因?yàn)樯锾勘旧砗械V質(zhì)養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)特性，施入土壤后可以在一定程度上補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，但值得注意的是，當(dāng)施炭量過(guò)高或累積施炭量過(guò)高導(dǎo)致碳氮比增多，引起氮和磷生物固定[13]，導(dǎo)致含量降低。

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為施加生物炭可以提高作物產(chǎn)量，但在施加量和施用年限的合理分配上卻存在許多說(shuō)法。謝迎新等[35]通過(guò)6季水稻研究得出，低施炭量?jī)H提高1季小麥產(chǎn)量，對(duì)其他5季無(wú)明顯效果，中施炭量則提高3季小麥產(chǎn)量，而高施炭量提高2季小麥產(chǎn)量；JONES等[36]通過(guò)研究可知，連續(xù)2年施加生物炭對(duì)產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響，卻顯著增加了第3年的產(chǎn)量；張娜等[37]通過(guò)1年試驗(yàn)認(rèn)為施加生物炭可提高玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素；在本試驗(yàn)中，通過(guò)連續(xù)4年施加生物炭的結(jié)果看出，在第2年C50處理對(duì)產(chǎn)量及其組成因素提高效果最好，C25、C50處理逐年施加可以提高大豆產(chǎn)量，C75、C100處理逐年施加產(chǎn)量降低，而2018年C100處理大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量均低于對(duì)照處理。這是因?yàn)樯锾啃?yīng)是有閾值的，當(dāng)施炭量較低時(shí)，生物炭由于自身含碳量較高，給作物提供一定的養(yǎng)分，供作物生長(zhǎng)發(fā)育，當(dāng)施炭量較高時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，反而不利于作物生長(zhǎng)。另一方面，累積施炭量過(guò)高，破壞作物原有的養(yǎng)分平衡和生長(zhǎng)條件，致使產(chǎn)量及其構(gòu)成要素含量降低。

在產(chǎn)量可持續(xù)性能上，也有學(xué)者研究表示施加生物炭可以提高作物產(chǎn)量的可持續(xù)性[20]。在本研究中，連續(xù)4年施加生物炭各處理SYI都高于C0處理，其中C50處理SYI最大，表明在大豆生產(chǎn)過(guò)程中，施加生物炭對(duì)大豆可持續(xù)性有一定的影響。因此本研究建議在確定最優(yōu)施肥模式時(shí)，可以加入適量的生物炭，用以提高土壤肥力和產(chǎn)量，并且可以維持產(chǎn)量可持續(xù)性。然而，產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)多用于評(píng)價(jià)水稻或玉米，對(duì)于大豆的研究還需要進(jìn)一步探討和改善。綜上所述，連續(xù)3年以上施加生物炭，土壤R0.25、GMD、MWD、土壤養(yǎng)分含量和大豆產(chǎn)量均表現(xiàn)降低的趨勢(shì)，因此，本研究建議連續(xù)2年施加50 t/hm2的生物炭。另外，本研究?jī)H用4年的時(shí)間研究生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響，對(duì)于更多年限的研究和生物炭的后效應(yīng)還需進(jìn)一步論證。

4 結(jié)論

(1)土壤容重隨施炭量的增加逐漸降低，孔隙度逐漸升高，且作用時(shí)間越長(zhǎng)，效果越明顯。連續(xù)4年隨著生物炭施用量的增加，土壤固相體積分?jǐn)?shù)逐漸降低、氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，GSSI呈先增后減趨勢(shì)，STPSD呈先減后增趨勢(shì)，在第2年C50處理時(shí)GSSI最大、STPSD最小、三相比達(dá)到最優(yōu)，即50.88∶25.63∶23.49。另外，C25、C50處理連續(xù)施加2年對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改善相對(duì)較好，而C75、C100處理逐年施加土壤結(jié)構(gòu)逐漸變差。

(2)連續(xù)4年施加生物炭可以提高R0.25含量，各年最優(yōu)處理較同年C0處理相比提高了78.13%、63.15%、70.65%、61.01%。連續(xù)4年平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)隨施炭量的增加呈先增大后減小變化趨勢(shì)，其中2016年C50處理MWD和GMD提高最大，為0.777、0.263 mm。連續(xù)2年施加50 t/hm2的生物炭對(duì)土壤穩(wěn)定性的提升效果最優(yōu)。

(3)施加生物炭可以提高土壤養(yǎng)分含量。連續(xù)4年土壤速效鉀含量隨施炭量的增加呈逐漸升高趨勢(shì)。土壤堿解氮和有效磷含量隨施炭量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，施加1、2年在C50處理升高到最大值，較C0處理分別升高46.1%、76.6%和46.4%、85.4%，連續(xù)施加3、4年在C25處理提高到最大，分別較同年C0處理提高了33%、100.7%和23.9%、103.2%。C25、C50處理連續(xù)施加3年對(duì)土壤堿解氮、有效磷含量提高最大，對(duì)于C75、C100處理連續(xù)施加2年效果最好；土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量隨施炭量的升高逐漸升高，且隨著年限的增加，升高的速率變緩。

(4)連續(xù)施加2年50 t/hm2的生物炭對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素提高最大，同時(shí)可以維持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性，增產(chǎn)率為33.3%，SYI為0.871。逐年施加25 t/hm2的生物炭會(huì)使產(chǎn)量提高，逐年施加50 t/hm2的生物炭在第2年產(chǎn)量達(dá)到最大，而C75、C100處理逐年施加生物炭會(huì)使產(chǎn)量降低。