生物炭對黑土區(qū)坡耕地土地生產(chǎn)力的可持續(xù)效應(yīng)研究

劉 慧 溫小艷 魏永霞 范亞東

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(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實驗室， 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 4.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；5.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)保護(hù)措施和農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，近年來糧食產(chǎn)量呈現(xiàn)逐年遞增的勢態(tài)。但高產(chǎn)的背后是對土地掠奪式的開發(fā)和化肥的大量施用，導(dǎo)致土壤板結(jié)退化、中低產(chǎn)田數(shù)量增加、水體污染日益嚴(yán)重等一系列生態(tài)環(huán)境問題層出不窮[1]。東北黑土區(qū)作為我國大宗農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，在國家糧食安全體系中具有舉足輕重的地位[2]。每生成1 cm黑土需要上百年的時間，現(xiàn)在卻在不斷流失[3]，土壤中流失的氮、磷、鉀養(yǎng)分相當(dāng)于數(shù)百萬噸化肥，土壤中有機(jī)物質(zhì)含量比開墾前下降近2/3，土壤板結(jié)和鹽堿化現(xiàn)象嚴(yán)重，土地生產(chǎn)力逐年下降。東北地區(qū)作為農(nóng)業(yè)優(yōu)化發(fā)展區(qū)，其生產(chǎn)條件好、潛力大，應(yīng)堅持生產(chǎn)優(yōu)先、兼顧生態(tài)、種養(yǎng)結(jié)合，在確保糧食等主要農(nóng)產(chǎn)品綜合生產(chǎn)能力穩(wěn)步提高的前提下，實現(xiàn)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展、資源永續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境友好[4]。

東北地區(qū)作物秸稈資源豐富，但大部分未被循環(huán)利用，通常被露天焚燒，這不僅浪費了秸稈資源，而且還對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。生物炭作為秸稈還田的新興產(chǎn)物，對于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。生物炭是在缺氧或低氧的環(huán)境中，將農(nóng)作物秸稈、動物糞便等進(jìn)行緩慢高溫裂解得到的一類富含碳的有機(jī)質(zhì)[3]。目前對于生物炭應(yīng)用效應(yīng)的研究主要集中在生物炭施用當(dāng)年對土壤理化性質(zhì)[5-6]、作物生長[7-9]、土壤水分運動參數(shù)[10-11]等方面的影響，對于從土地生產(chǎn)力角度進(jìn)行綜合研究的較少，而生物炭對于土地生產(chǎn)力的持續(xù)效應(yīng)更是鮮見報道。鑒于此，本文以3年為研究期限，探索黑土區(qū)坡耕地一次性施用生物炭后土地生產(chǎn)力的持續(xù)效應(yīng)，采用基于灰色關(guān)聯(lián)的TOPSIS模型測算土地生產(chǎn)力指數(shù)，并采用GM(1，1)模型預(yù)測2019—2021年土地生產(chǎn)力指數(shù)，定量論證施用生物炭效應(yīng)的可持續(xù)性，為推進(jìn)東北黑土區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016—2018年在黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗基地萬家試驗站(126°36′E、45°43′N，海拔137 m)進(jìn)行。試驗區(qū)屬溫帶大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，全年平均氣溫為3.1℃，全年無霜期為130～140 d，年降雨量為390～550 mm，全年降雨主要集中在6—9月，約占全年的60%。耕地土壤以壤土為主，土壤質(zhì)地黏重，不易入滲。主要作物為大豆和玉米。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在萬家試驗站的3°徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，小區(qū)規(guī)格2 m×5 m。試驗共設(shè)置施炭(BC)和不施炭(CK)2個處理，3次重復(fù)，共計6個小區(qū)。所有施炭處理，其生物炭施用量取前期試驗中獲得最高產(chǎn)量的施用量75 t/hm2[12]，并于2016年試驗開始前一次性施入耕層(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對黑土區(qū)坡耕地土地生產(chǎn)力的可持續(xù)效應(yīng)。供試土壤為壤土，其基本理化性質(zhì)為：pH值6.3，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為37.8 g/kg，銨態(tài)N、有效P、速效K質(zhì)量比分別為183.9、11.2、159.5 mg/kg。供試大豆品種為黑河三號，供試生物炭購于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，粒徑為1.5～2.0 mm，其基本理化性質(zhì)為：pH值9.24，全氮、全鉀、全磷、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.53%、1.66%、0.75%、25.7%。各處理采用相同的水肥管理措施，即除人工降雨試驗外，均在雨養(yǎng)條件下種植；同時按照當(dāng)?shù)卮筇飿?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施肥，施用尿素277 kg/hm2，二胺145 kg/hm2，全部作為基肥一次性施入，且3年試驗保持一致。

1.3 觀測指標(biāo)及方法

1.3.1土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

于每年大豆成熟后取其耕層土壤測定其理化性質(zhì)，采用DK-1130型土壤三相儀測定土壤容重、孔隙度。采用環(huán)刀法測定土壤飽和含水率、田間持水率，采用生物法和干燥法測定土壤凋萎系數(shù)；采用TOC分析儀測定土壤有機(jī)碳含量；采用半微量克式法、碳酸氫鈉法、醋酸銨-火焰光度計法分別測定銨態(tài)N、有效P、速效K含量；采用電位法測定土壤pH值。

1.3.2年徑流深及土壤侵蝕量

采用安裝在各個徑流小區(qū)的徑流自動記錄系統(tǒng)記錄各次降雨徑流量，通過泥沙收集系統(tǒng)測定各次降雨的產(chǎn)沙量，進(jìn)而得到年徑流深和土壤侵蝕量。

1.3.3大豆產(chǎn)量及水分利用效率

每年于大豆收獲時，對每個徑流小區(qū)進(jìn)行實收測產(chǎn)。采用水量平衡方程計算大豆生長過程的全生育期耗水量，進(jìn)而計算大豆水分利用效率，公式為

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——收獲期與播種期0～100 cm土壤儲水量之差，mm

WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——大豆產(chǎn)量，kg/hm2

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

各指標(biāo)均采用平均值，采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，利用SPSS 20.0進(jìn)行均值比較和回歸分析，采用熵權(quán)法計算各指標(biāo)權(quán)重，采用基于灰色關(guān)聯(lián)的TOPSIS模型測算土地生產(chǎn)力指數(shù)，并采用GM(1，1)模型對生產(chǎn)力可持續(xù)性進(jìn)行預(yù)測。顯著性水平取0.05。

1.5 基于灰色關(guān)聯(lián)的TOPSIS模型

TOPSIS(Technique for order preference by similarity to an ideal solution)分析法是依靠評價對象到最優(yōu)解、最劣解的綜合距離來進(jìn)行排序，如果評價對象離最優(yōu)解最近，同時離最劣解又比較遠(yuǎn)，則為最好；否則為最差[13]。TOPSIS模型具體步驟參見文獻(xiàn)[14]。對于相似的方案TOPSIS法無法體現(xiàn)，對于無典型分布規(guī)律的有限樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時TOPSIS法也難以保證有效決策，而灰色關(guān)聯(lián)分析法可以克服這些缺點，它可以使用有限樣本所提供的全部信息，將各評價指標(biāo)平等對待，因此本文將兩種多目標(biāo)決策分析方法相結(jié)合，對各試驗方案的土地生產(chǎn)力指數(shù)進(jìn)行分析。

1.5.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于不同指標(biāo)的差異性，各類數(shù)據(jù)量綱不同，對此本文依據(jù)各指標(biāo)對黑土區(qū)坡耕地生產(chǎn)力的影響分為正向、負(fù)向兩類進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣

Y=[yij]m×n

(3)

其中

(4)

(5)

式中yij——第i個方案第j個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

xij——第i個方案第j個指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

1.5.2標(biāo)準(zhǔn)化矩陣的加權(quán)和理想解的確定

對標(biāo)準(zhǔn)化的矩陣加權(quán)處理

zij=ωjyij

(6)

式中zij——第i個方案第j個指標(biāo)加權(quán)后的標(biāo)準(zhǔn)化值

ωj——第j個指標(biāo)的權(quán)重

得到矩陣Z=[zij]m×n，在矩陣Z中選取每個指標(biāo)的最理想值所對應(yīng)的zij為參考數(shù)列z0的實體，有參考數(shù)列z0={zi0|i=1,2,…,n}，即z0={z10,z20,…,zn0}作為理想解。

1.5.3灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣的確定

計算第i個方案與理想解關(guān)于第j個指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξij，得到灰色關(guān)聯(lián)矩陣

ξ=[ξij]m×n

(7)

(8)

Δij=|zi0-zij|

(9)

式中Δij——zi0與zij在第j項指標(biāo)處的絕對差

ρ——分辨系數(shù)，取0.5

1.5.4基于灰色關(guān)聯(lián)矩陣的TOPSIS模型

(10)

到負(fù)理想解的距離為

(11)

計算各方案的相對貼近度

(12)

將計算的相對貼近度作為各處理土地生產(chǎn)力指數(shù)，其值越大表示方案越優(yōu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加生物炭對土壤物理指標(biāo)的可持續(xù)效應(yīng)

土壤容重和孔隙狀況會影響土壤肥力和耕性，進(jìn)而影響土地的生產(chǎn)能力。各年不同處理土壤容重和孔隙度如圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同)所示。由圖1a可知，2016年施加生物炭后土壤的容重顯著下降(P=0.031)，較不施加生物炭降低了3.87%，盡管2017、2018年未施用生物炭，但由于前期施用生物炭的持續(xù)效應(yīng)，使BC處理土壤容重仍顯著低于CK(P2017=0.036，P2018=0.038)，但降低幅度相比2016年有所減弱，分別為2.76%、2.07%。由圖1b可知，土壤的毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均呈增加趨勢，2016年BC處理較CK處理毛管孔隙度增加3.18%，非毛管孔隙度增加10.68%，總孔隙度增加5.18%，2017年各項指標(biāo)分別增加2.03%、8.86%、3.87%，2018年相比于2017年較為穩(wěn)定，BC處理比CK處理的毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度分別增加1.77%、8.81%、3.66%。對3年兩個處理的各項孔隙度指標(biāo)進(jìn)行均值比較與檢驗，施加一次生物炭后3年內(nèi)BC處理毛管孔隙度(P2016=0.037，P2017=0.040，P2018=0.044)、非毛管孔隙度(P2016=0.029，P2017=0.031，P2018=0.032)、總孔隙度(P2016=0.033，P2017=0.038，P2018=0.045)均顯著高于CK處理，表明施加生物炭3年內(nèi)可以有效地改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤的透氣性和透水性。

圖1 生物炭對土壤結(jié)構(gòu)的可持續(xù)效應(yīng)

為進(jìn)一步解析生物炭對土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)的持續(xù)效應(yīng)，分別建立BC組土壤容重Y1、毛管孔隙度Y2、非毛管孔隙度Y3、總孔隙度Y4關(guān)于生物炭施用年限t的回歸方程，分別為

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個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，達(dá)顯著水平，表明4個方程能較好地反映土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)隨生物炭施用年限的變化規(guī)律。土壤容重隨生物炭施用年限的延長呈線性遞增，生物炭施用年限每延長一年，土壤容重增加0.008 g/cm3；土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均隨生物炭施用年限的延長呈線性遞減，生物炭施用年限每延長一年，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度分別減少0.25、0.05、0.30個百分點。隨著生物炭施用年限的延長，其對土壤結(jié)構(gòu)的影響逐漸減弱，這可能是生物炭自身的變化引起的，生物炭自身所含元素會隨時間發(fā)生降解，其中可以改善土壤結(jié)構(gòu)的有效成分也會隨之減少。

2.2 施加生物炭對土壤養(yǎng)分含量的可持續(xù)效應(yīng)

土壤的營養(yǎng)成分是關(guān)系農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素，其含量與土壤質(zhì)量和土地生產(chǎn)力密切相關(guān)。由圖2a可知，2016—2018年施炭處理的土壤pH值比未施炭處理的土壤pH值分別增加了0.9、0.6、0.1，土壤pH值的增加為大豆提供了更好的生長環(huán)境，有利于其生長，其中2016、2017年兩個處理間差異顯著(P2016=0.034、P2017=0.038)，2018年則未達(dá)顯著差異(P2018=0.067)，表明在生物炭施用當(dāng)年和第2年，生物炭能夠有效改良土壤酸堿度，提高土壤pH值，但這種作用在生物炭施用第3年已不顯著。2016年施加生物炭后土壤的總有機(jī)碳含量顯著增加(P2016=0.021)，較不施加生物炭增加71.74%，之后兩年不再施加生物炭，土壤的總有機(jī)碳含量較CK仍顯著增加(P2017=0.033，P2018=0.037)，分別增加37.00%、23.17%。生物炭對土壤pH值的影響和持續(xù)效應(yīng)弱于總有機(jī)碳含量，這可能是由于生物炭是一種富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)，使得土壤碳庫潛力增大，在施加第3年仍可顯著提高總有機(jī)碳含量。由圖2b可知，施加生物炭可以有效提高土壤中銨態(tài)N、有效P、速效K含量。2016年BC處理比CK處理銨態(tài)N質(zhì)量比平均增加了20.0 mg/kg，增加率為10.59%，有效P質(zhì)量比平均增加了3.1 mg/kg，增加率為28.19%，速效K質(zhì)量比平均增加了26.5 mg/kg，增加率為16.72%。2017、2018年各指標(biāo)變化趨勢與2016年一致，只是增長的趨勢減慢，2017年BC處理較CK處理土壤中銨態(tài)N、有效P、速效K含量分別增加了7.78%、11.61%、12.40%；2018年則分別增加了4.48%、5.36%、6.37%。對2016—2018年各處理的銨態(tài)N、有效P、速效K含量進(jìn)行均值比較與檢驗，僅施加一次生物炭BC處理銨態(tài)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)含量均顯著高于CK，表明生物炭有改善土壤肥力的作用，且作用效果會隨時間的延長逐漸減弱。

圖2 生物炭對土壤養(yǎng)分含量的可持續(xù)效應(yīng)

采用冪函數(shù)擬合BC處理pH值Y5和總有機(jī)碳含量Y6隨時間的變化規(guī)律，回歸方程為

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個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，回歸方程擬合效果理想。隨著施炭年限的增加土壤pH值和總有機(jī)碳含量均呈遞減趨勢，且降低的速率先快后慢，直至與未施炭處理間無顯著差異。造成這一現(xiàn)象的原因可能是生物炭所含元素隨時間發(fā)生降解，其可改善土壤pH值和總有機(jī)碳含量的有效成分隨之減少。

BC組銨態(tài)N含量Y7、有效P含量Y8、速效K含量Y9均隨施炭年限t的延長呈線性遞減，回歸方程為

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個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，達(dá)顯著水平。施炭年限每延長一年，銨態(tài)N、有效P、速效K質(zhì)量比分別減少6.450、1.150、6.250 mg/kg，直至與CK處理間無顯著差異。隨著時間的增加生物炭對土壤各項養(yǎng)分含量的影響逐漸減弱，這可能是因為組成生物炭的有效成分隨著時間的增加逐漸減少。

2.3 施加生物炭對土壤持水能力的可持續(xù)效應(yīng)

土壤的持水能力與土壤的質(zhì)量、水分的流失以及作物的產(chǎn)量密切相關(guān)，是反映土地生產(chǎn)力水平的重要因素。生物炭自身疏松多孔，比表面積大，有利于改善土壤的通氣性和透水性，從而提高土壤的持水性能[15]。由圖3可知，施加生物炭可以使土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數(shù)顯著提高。2016年BC處理土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數(shù)分別較CK處理增加5.58%、4.78%、7.29%。由于后兩年未再次添加生物炭，導(dǎo)致2017、2018年這3項指標(biāo)的提高程度逐年降低，2017年分別提高了3.84%、2.72%、6.13%，2018年分別提高了1.86%、2.07%、5.27%。均值比較及檢驗顯示，3年BC處理土壤飽和含水率(P2016=0.023、P2017=0.039、P2018=0.041)、田間持水率(P2016=0.033、P2017=0.043、P2017=0.048)、凋萎系數(shù)(P2016=0.011、P2017=0.018、P2018=0.023)均顯著高于CK處理，表明3年內(nèi)生物炭對土壤持水能力的提高仍然有效。

圖3 生物炭對土壤持水能力的可持續(xù)效應(yīng)

BC組飽和含水率Y10、田間持水率Y11、凋萎系數(shù)Y12關(guān)于施炭年限t的變化規(guī)律均可以采用線性方程進(jìn)行擬合，回歸方程為

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個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，達(dá)顯著水平，表明3個方程能較好地反映土壤水分常數(shù)隨施炭年限的變化規(guī)律。土壤水分常數(shù)均隨施炭年限的延長呈線性遞減，施炭年限每延長一年，飽和含水率、田間持水率、凋萎系數(shù)分別降低0.375、0.380、0.155個百分點。隨著施炭年限的延長，其對土壤持水能力的改善作用逐漸減弱，這可能是由于生物炭對土壤結(jié)構(gòu)的改善作用逐漸減弱，從而使土壤持水能力也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。

2.4 施加生物炭對水土流失的可持續(xù)效應(yīng)

表1為各年不同處理年徑流深及土壤侵蝕量變化情況。由表1可知，在相同年份，BC處理較CK處理的年徑流深、土壤侵蝕量均有所下降。2016年施加生物炭的土壤年徑流深減少4.92 mm，徑流系數(shù)降低2.17個百分點，土壤侵蝕量降低5.71%；2017年BC處理較CK處理年徑流深降低了3.8 mm，徑流系數(shù)下降了0.56個百分點，土壤侵蝕量下降了1.89%；2018年年徑流深與2016、2017年的變化趨勢相同，只是變化的程度減弱，年徑流深僅下降了1.57 mm，徑流系數(shù)下降了0.48個百分點，土壤侵蝕量下降了1.32%。對3年不同處理的年徑流深和土壤侵蝕量進(jìn)行均值比較和檢驗，在施加一次生物炭后3年內(nèi)年徑流深(P2016=0.028，P2017=0.030，P2018=0.037)和土壤侵蝕量(P2016=0.033，P2017=0.043，P2018=0.047)均顯著低于CK，表明施加一次生物炭3年內(nèi)可以有效減少水土流失。

表1 不同年份不同處理下年徑流深及土壤侵蝕量

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

采用線性函數(shù)擬合年徑流深Y13和土壤侵蝕量Y14隨時間的變化規(guī)律，回歸方程為

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個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，回歸方程擬合效果理想。隨著生物炭施用年限的延長，年徑流深及土壤侵蝕量均呈線性遞增，直至與CK處理間無顯著差異，這可能是因為隨著時間的增加，生物炭對土壤容重、孔隙度的影響減弱，從而減少降雨的入滲量，同時土壤的抗沖刷能力減弱，使減流效果減弱，侵蝕程度增加。

2.5 施加生物炭對節(jié)水增產(chǎn)的可持續(xù)效應(yīng)

圖4 生物炭對節(jié)水增產(chǎn)的可持續(xù)效應(yīng)

作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的直接成果，也是反映土地生產(chǎn)力的直接因素。水分利用效率是衡量農(nóng)業(yè)資源高效利用狀況的一項重要指標(biāo)。提高作物水分利用效率對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。我國東北地區(qū)水資源短缺，因此在保證農(nóng)作物產(chǎn)量的前提下提高作物田間水分利用效率至關(guān)重要。3年兩個處理大豆產(chǎn)量及水分利用效率如圖4所示。由圖4a可知，2016年BC處理大豆產(chǎn)量顯著增加(P=0.025)，較CK處理增產(chǎn)29.01%，2017、2018年BC處理增加幅度相比2016年有所減弱，但仍顯著高于CK(P2017=0.031，P2018=0.039)，分別增加23.48%、18.43%。由圖4b可知，2016—2018年BC比CK的水分利用效率分別提高16.92%、14.63%、11.75%，均達(dá)顯著水平(P2016=0.032，P2017=0.035，P2018=0.043)，表明3年內(nèi)生物炭在節(jié)水增產(chǎn)方面的正效應(yīng)依然存在。

BC處理大豆產(chǎn)量Y15隨時間的變化規(guī)律可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，方程為

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

(27)

方程R2=0.999，P=0.024，回歸方程達(dá)顯著水平。隨著生物炭施用年限的延長，BC處理大豆產(chǎn)量呈冪函數(shù)降低，且降低的速率先快后慢，直至與未施炭處理間無顯著差異。造成這一現(xiàn)象的原因可能是生物炭對土壤養(yǎng)分的持續(xù)效應(yīng)逐年減弱的緣故。

BC處理大豆水分利用效率Y16關(guān)于生物炭施用年限的變化規(guī)律可以用線性方程進(jìn)行擬合，方程為

Y16=-0.095t+8.927 (R2=0.994，P=0.049)

(28)

方程R2=0.994，P<0.05，方程擬合效果好，隨著生物炭施用年限的延長，大豆水分利用效率較上一年平均降低0.095 kg/m3。大豆產(chǎn)量和水分利用效率關(guān)于生物炭施用年限的變化規(guī)律有所不同，這可能是由于施用生物炭在提高了各年大豆產(chǎn)量的同時，也增加了大豆可消耗的水分。

2.6 基于灰色關(guān)聯(lián)的TOPSIS模型的土地生產(chǎn)力指數(shù)

2.6.1土地生產(chǎn)力指標(biāo)體系

選取土壤理化性質(zhì)、土壤持水能力、水土保持效應(yīng)、節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)等能夠反映土地生產(chǎn)能力的指標(biāo)作為衡量土地生產(chǎn)力的一級指標(biāo)，每個一級指標(biāo)下又選取若干個二級指標(biāo)，如表2所示。為使計算結(jié)果更為科學(xué)客觀，采用熵權(quán)法計算各指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表2。

表2 土地生產(chǎn)力的構(gòu)成指標(biāo)

注：表中+、-表示正向、負(fù)向。

2.6.2黑土區(qū)坡耕地土地生產(chǎn)力指數(shù)分析

采用式(3)～(12)測算2016—2018年兩個處理的土地生產(chǎn)力指數(shù)，結(jié)果如表3所示。由表3可知，BC處理3年土地生產(chǎn)力指數(shù)均高于CK，表明施用生物炭能有效改善作物生長的水土環(huán)境，提高土地生產(chǎn)能力。但兩個處理間的土地生產(chǎn)力指數(shù)的差異逐年縮小，這可能是由于生物炭對各項指標(biāo)的持續(xù)效應(yīng)逐年減弱，導(dǎo)致BC處理的土地生產(chǎn)力指數(shù)也逐年減小。

表3 2016—2018年各處理土地生產(chǎn)力指數(shù)

2.6.3基于GM(1，1)模型預(yù)測的土地生產(chǎn)力指數(shù)分析

為了進(jìn)一步給出一次性施用75 t/hm2生物炭其效應(yīng)的持續(xù)時間，采用GM(1,1)模型[16]預(yù)測2019—2021年土地生產(chǎn)力指數(shù)的變化趨勢。本試驗中GM(1，1)模型精度檢驗合格，CK處理和BC處理的小概率誤差均大于0.95，后驗比均小于0.35，因此可以使用GM(1，1)模型對本試驗中的土地生產(chǎn)力指數(shù)進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表4所示。隨著生物炭施用年限的延長，BC處理土地生產(chǎn)力指數(shù)逐漸下降，且與CK處理間的差異逐漸縮小，在2021年BC處理土地生產(chǎn)力指數(shù)降至0.743 0，已經(jīng)與未施加生物炭的CK處理土地生產(chǎn)力指數(shù)十分接近。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，在試驗區(qū)一次性施入75 t/hm2生物炭，其對土地生產(chǎn)能力的改善作用可持續(xù)5～6年。

表4 GM(1，1)模型預(yù)測未來3年的土地生產(chǎn)力指數(shù)

3 討論

土地生產(chǎn)力作為土地最本質(zhì)的屬性，是土地在一定條件下可能達(dá)到的生產(chǎn)水平，既反映土壤質(zhì)量，又表明土地的生產(chǎn)能力[17]。土地生產(chǎn)力研究關(guān)系到一個區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向，是區(qū)域土地利用和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要基礎(chǔ)條件，它的變化是全球變化的重要指標(biāo)，也一直是國際上備受關(guān)注的農(nóng)業(yè)問題和人類發(fā)展問題的核心[18-19]。

生物炭疏松多孔，具有強(qiáng)大的吸附能力，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤肥力。本試驗結(jié)果顯示，在一次性施用生物炭后3年內(nèi)，土壤容重顯著降低(P<0.05)，土壤孔隙度、總有機(jī)碳含量、銨態(tài)N含量、有效P含量、速效K含量顯著增加(P<0.05)，pH值則是施炭后前兩年顯著提高(P2016=0.034、P2017=0.038)，第3年與未施炭處理無顯著差異(P2018=0.067)。生物炭對土壤理化性質(zhì)的改善效果隨著生物炭施用年限的延長逐漸減弱，土壤容重、銨態(tài)N含量、有效P含量、速效K含量呈線性遞增，孔隙度呈線性遞減，pH值和總有機(jī)碳含量呈先快后慢的冪函數(shù)遞減趨勢。這一結(jié)論與文獻(xiàn)[18-19]的研究基本一致，但與聶新星等[20]認(rèn)為的生物炭對于土壤pH值沒有顯著影響存在一定的差異，這可能是由于施加生物炭的種類和供試土壤的理化性質(zhì)不同造成的。

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為生物炭可以提高土壤的持水能力[21-23]，但對于生物炭施加后對土壤持水性能的影響時間尚未有明確結(jié)論。DUGAN等[15]的研究結(jié)果顯示，生物炭可以提高土壤的持水能力，勾芒芒等[8]通過試驗研究表明生物炭可以提高土壤的含水率和田間持水率，但都沒有提出這種效應(yīng)的維持年限。本研究中，土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數(shù)在施加一次生物炭后3年內(nèi)都顯著提高(P<0.05)。但隨著施炭年限的延長，生物炭對土壤持水能力的改善效果逐漸減弱，且各項指標(biāo)均呈線性遞減趨勢，這表明一次性施入生物炭后其對土壤持水能力的影響可持續(xù)3年以上。

在水土保持方面，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，由于施用生物炭能夠提高土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤的透水透氣性，促進(jìn)雨水入滲，因而可以有效減少年徑流深和土壤侵蝕量，其減流減沙效果隨生物炭施用量和連續(xù)施用年限的不同而有所差異[8,10-12,24]，但對于施加一年生物炭后水土保持效應(yīng)可以維持的年限并沒有明確的結(jié)論。本研究中，一次性施入75 t/hm2生物炭后3年內(nèi)BC處理年徑流深和土壤侵蝕量均顯著低于CK處理(P<0.05)。BC處理年徑流深和土壤侵蝕量隨時間變化均呈線性遞增趨勢，施炭時間每延長一年年徑流深增加0.89 mm，而土壤侵蝕量增加0.69 t/hm2。3年內(nèi)兩個處理年徑流深和土壤侵蝕量間的差距逐年縮小，這可能是由于隨著時間的延長，生物炭在土壤中的有效成分逐漸減少，使土壤容重和孔隙度的改善程度逐漸減弱，土壤的抗沖刷能力減弱，減流效果減弱，造成土壤侵蝕量的增加。

在節(jié)水增產(chǎn)方面，現(xiàn)有研究多集中于施炭當(dāng)年的效應(yīng)上。勾芒芒等[8]通過一年的試驗研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭的番茄產(chǎn)量明顯高于未施加生物炭的番茄產(chǎn)量。HOSSAIN等[9]和ZWIETEN等[25]的試驗結(jié)果也表明小麥和番茄等作物的產(chǎn)量在施加生物炭后都會有顯著的提高。本研究中，施加一次生物炭后3年內(nèi)BC處理大豆的產(chǎn)量和水分利用效率相較于CK處理均顯著提高(P<0.05)，與已有結(jié)果一致[7,24]，可見，生物炭可以改善作物的生長環(huán)境，促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率。但隨著施炭年限的增加，生物炭對兩個指標(biāo)的影響逐漸減小，大豆產(chǎn)量隨施炭時間的延長呈先快后慢的冪函數(shù)遞減趨勢而水分利用效率則呈均勻變化的線性遞減趨勢，這可能是由于大豆產(chǎn)量增加的同時其所消耗的水分也隨之增加。

土地生產(chǎn)力是一個綜合指標(biāo)，是土壤質(zhì)量和生產(chǎn)能力的綜合體現(xiàn)。由于本研究試驗周期較短，獲取的時序資料有限，故結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析對傳統(tǒng)的TOPSIS模型進(jìn)行改進(jìn)，用以測算兩個處理3年的土地生產(chǎn)力指數(shù)，得到2016—2018年BC處理土地生產(chǎn)力指數(shù)分別為0.759 0、0.752 0、0.749 8，均高于同年CK，表明施用生物炭能夠顯著提高土地生產(chǎn)能力。但也應(yīng)看到，BC處理土地生產(chǎn)力指數(shù)逐年下降，表明生物炭對土地生產(chǎn)力的提升作用逐年降低。為進(jìn)一步探究一次性施用生物炭后其對土地生產(chǎn)力的持續(xù)效應(yīng)，利用GM(1，1)模型預(yù)測了2019—2021年土地生產(chǎn)力指數(shù)，結(jié)果表明，2021年BC處理的土地生產(chǎn)力指數(shù)與CK的土地生產(chǎn)力指數(shù)已十分接近，因此可以估計施加一次生物炭后其效應(yīng)可持續(xù)5～6年。由于試驗?zāi)晗掭^短，該預(yù)測結(jié)果的可靠性有待進(jìn)一步驗證。

4 結(jié)論

(1)一次性施入生物炭3年內(nèi)，土壤容重顯著降低，土壤孔隙度和總有機(jī)碳、銨態(tài)N、有效P、速效K含量顯著增加，pH值則是施炭后前兩年顯著提高，第3年與未施炭處理無顯著差異。生物炭對各指標(biāo)的影響逐年減弱，隨著生物炭施用年限的延長，BC處理土壤容重線性遞增，pH值和總有機(jī)碳含量呈冪函數(shù)遞減，孔隙度和銨態(tài)N、有效P、速效K含量線性遞減。

(2)一次性施用生物炭顯著提高了土壤持水性能，進(jìn)而起到保水保土的作用。3年內(nèi)BC處理土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數(shù)均顯著高于CK處理，而年徑流深和土壤侵蝕量則顯著低于CK處理。隨著生物炭施用年限的延長，其保水保土效果逐漸減弱，土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數(shù)線性遞減，而年徑流深和土壤侵蝕量則線性遞增。

(3)一次性施入生物炭3年內(nèi)，可以有效提高大豆節(jié)水增產(chǎn)性能，BC處理大豆產(chǎn)量和水分利用效率均顯著高于CK處理。隨著生物炭施用年限的延長，其節(jié)水增產(chǎn)性能逐漸減弱，BC處理大豆產(chǎn)量呈冪函數(shù)遞減，水分利用效率則呈線性遞減。

(4)采用基于灰色關(guān)聯(lián)的TOPSIS模型測算2016—2018年土地生產(chǎn)力指數(shù)，3年BC處理的土地生產(chǎn)力指數(shù)分別為0.759 0、0.752 0、0.749 8，均高于同年CK處理，表明施用生物炭能夠顯著提高土地生產(chǎn)能力；但BC處理土地生產(chǎn)力指數(shù)逐年下降，表明生物炭對土地生產(chǎn)力的提升作用逐年降低。采用GM(1，1)模型預(yù)測未來3年土地生產(chǎn)力指數(shù)的變化趨勢，預(yù)計到2021年BC處理土地生產(chǎn)力指數(shù)為0.743 0，與CK處理已十分接近，說明一次性施入生物炭其效應(yīng)可持續(xù)5～6年。