黑土區(qū)坡耕地生物炭應(yīng)用模式綜合效益研究

劉 慧 蘇 航 溫小艷 龍學(xué)毅 焦 巖 范亞東

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，糧食安全尤為重要，關(guān)系到國(guó)防安全及民生穩(wěn)定，制約著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提升國(guó)內(nèi)糧食自給自足能力已迫在眉睫。黑土是最肥沃的土壤和極為珍貴的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源，是土地生產(chǎn)力的核心以及糧食安全的根本保障[1]。東北黑土區(qū)作為全球僅存的三大黑土區(qū)之一，土層肥沃、生產(chǎn)力強(qiáng)，是我國(guó)最主要的糧食生產(chǎn)基地。近年來(lái)，由于自然因素制約和人為活動(dòng)破壞，東北黑土區(qū)水土流失日益嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境日趨惡化。嚴(yán)重的水土流失正使我國(guó)肥沃的東北黑土地變得又“薄”又“黃”，有的地方甚至已露出黃土母質(zhì)，基本喪失了生產(chǎn)能力。

東北黑土區(qū)秸稈資源豐富，但秸稈資源的利用率較低，每年有大量秸稈資源被焚燒或丟棄，這不僅造成了資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)還帶來(lái)了嚴(yán)重的煙塵污染。以生物炭技術(shù)為核心的秸稈炭化還田是銜接農(nóng)業(yè)循環(huán)鏈條首尾兩端、實(shí)現(xiàn)廢棄生物質(zhì)資源化高效利用的重要途徑，是推動(dòng)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的不竭動(dòng)力[2]。生物炭是以作物秸稈、動(dòng)物糞便為原材料在缺氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物[3]。目前對(duì)于生物炭應(yīng)用效應(yīng)的研究多是以短期施加生物炭為條件，如使用室內(nèi)土柱培養(yǎng)試驗(yàn)和田間原位測(cè)定或室內(nèi)盆栽試驗(yàn)定量分析的方法對(duì)施加生物炭后的土壤理化性質(zhì)[4-5]、作物生長(zhǎng)[6-8]、土壤水分運(yùn)動(dòng)[9-10]等進(jìn)行分析，而從生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益角度對(duì)多年連續(xù)施加生物炭后綜合效益評(píng)價(jià)研究較少，且指標(biāo)覆蓋不全面。程功等[11]以溫室氣體排放強(qiáng)度(GHGI)為效益指標(biāo)，對(duì)不同梯度生物炭用量進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為施用1年、施炭量為15 t/hm2時(shí)，綜合效益最高。鑒于此，本研究以4年為研究期限，建立反映不同生物炭應(yīng)用模式(不同生物炭施用量和施用年限)的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和綜合效益的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用熵值法對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)，測(cè)算不同生物炭應(yīng)用模式的效益指數(shù)，以期得到黑土區(qū)最佳施炭模式，為黑土資源的高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015—2018年在黑龍江省北安紅星農(nóng)場(chǎng)(48°02′～48°17′N，126°47′～127°15′E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)氣候?yàn)楹疁貛Т箨懶詺夂?，全年平均降水?55.3 mm，降雨集中在7—9月，約占全年70%。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°。耕地土壤以黑土為主，土壤表層松散、底土黏重，透水性差。主要農(nóng)作物為大豆和玉米。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在北安紅星農(nóng)場(chǎng)內(nèi)坡度為3°的徑流小區(qū)進(jìn)行，小區(qū)規(guī)格20 m×5 m，每2個(gè)小區(qū)間隔1 m。設(shè)置不加生物炭的常規(guī)處理(C0)和生物炭施加量分別為25 t/hm2(C25)、50 t/hm2(C50)、75 t/hm2(C75)、100 t/hm2(C100)共5個(gè)處理，2次重復(fù)，共計(jì)10個(gè)徑流小區(qū)，每個(gè)小區(qū)選取2個(gè)取樣點(diǎn)(共4次重復(fù))。2015年試驗(yàn)開始前將生物炭施入表層土壤(0～20 cm)，反復(fù)攪拌，混合均勻，2016—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，同時(shí)施加重茬肥并做相同的處理。供試土壤為黑土，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1.10 g/kg，全磷質(zhì)量比0.45 g/kg，全鉀質(zhì)量比0.35 g/kg。供試作物為大豆，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、灰質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.53%、1.66%、0.75%、25.7%。水肥管理同當(dāng)?shù)卮筇飿?biāo)準(zhǔn)，即不進(jìn)行灌水，均在雨養(yǎng)條件下種植，化肥采用N、P2O5、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13%、28%和10%的復(fù)合肥，用量為450 kg/hm2，全部作為基肥一次性施入，且4年試驗(yàn)保持一致。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)與方法

1.3.1土壤理化性質(zhì)

于每年大豆成熟后取其耕層土壤測(cè)定理化性質(zhì)，采用DK-1130型土壤三相儀測(cè)定土壤容重、孔隙度以及土壤三相比，土壤三相比偏離值R(所測(cè)土壤樣品三相比與適宜狀態(tài)下土壤三相比在空間距離上的差值)計(jì)算式為[12]

(1)

式中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)，%

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤飽和含水率、田間持水率，采用生物法和干燥法測(cè)定土壤凋萎系數(shù)。采用TOC分析儀法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量；采用納氏比色法、Bray法、醋酸銨-火焰光度計(jì)法分別測(cè)定銨態(tài)N、有效P、速效K含量；采用電位法測(cè)定土壤pH值，并采用土壤質(zhì)量退化指數(shù)計(jì)算土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)[13]，計(jì)算式為

(2)

式中SQDI——土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)，%

xi0——C0處理土壤第i個(gè)屬性值

xi——其他處理土壤第i個(gè)屬性值

n——選擇的土壤屬性數(shù)量

1.3.2年徑流深和土壤侵蝕量

采用安裝在每個(gè)徑流小區(qū)的徑流自動(dòng)記錄系統(tǒng)記錄各次降雨的產(chǎn)流量，進(jìn)而得到年徑流深；產(chǎn)沙量通過安裝在每個(gè)徑流小區(qū)末端的泥沙收集系統(tǒng)(BLJW-ZXY型)測(cè)定，在每次降雨產(chǎn)流后，每5 min取一次水樣，靜置24 h，漂去上層清水，用濾紙濾出泥沙，干燥8 h稱量，計(jì)算得到產(chǎn)沙量，由各次產(chǎn)沙量加和得到年土壤侵蝕量。

1.3.3產(chǎn)量及水分利用效率

于每年大豆收獲期，對(duì)各個(gè)徑流小區(qū)進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定。采用水量平衡方程計(jì)算大豆全生育期耗水量，進(jìn)而計(jì)算大豆水分利用效率，由于試驗(yàn)區(qū)地下水埋深40 m且試驗(yàn)期內(nèi)未灌水，故不考慮地下水交換量和作物生育期內(nèi)灌水量，公式為

ET=P+ΔS

(3)

WUE=Y/ET

(4)

式中ET——大豆生育期耗水量，mm

P——大豆生育期降雨量，mm

ΔS——收獲期與播種期0～100 cm土壤儲(chǔ)水量之差，mm

Y——大豆產(chǎn)量，kg/hm2

WUE——水分利用效率，kg/m3

1.3.4生物炭成本、收益以及邊際生產(chǎn)力

試驗(yàn)總成本、收益以及生物炭利用效率計(jì)算公式分別為

C0=QbiocharPbiochar+C1

(5)

Rt=Rt-1+QtPt

(6)

BUE=Qsoybean/Qbiochar

(7)

式中C0——總成本，元/hm2

C1——除生物炭成本外的其他成本，元/hm2

Qbiochar——生物炭累積施加量，t/hm2

Pbiochar——生物炭?jī)r(jià)格，元/t

Rt——第t年累積收益，元/hm2

Qt——第t年大豆產(chǎn)量，kg/hm2

Pt——第t年大豆價(jià)格，元/kg

Qsoybean——大豆累積增產(chǎn)量，kg/hm2

BUE——生物炭利用效率，kg/t

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)行多重比較、方差分析以及回歸分析，多重比較采用LSD法，顯著性水平取0.01和0.05。采用熵值法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)各處理的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和綜合效益。

1.5 基于熵值法改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)法是將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，利用多個(gè)因素對(duì)所評(píng)價(jià)事物的隸屬情況做出綜合決策的方法。其基本原理是：根據(jù)被評(píng)價(jià)對(duì)象的特點(diǎn)選取因素集和評(píng)語(yǔ)集，尋找因素集中各元素對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬關(guān)系，建立模糊評(píng)價(jià)矩陣，最終結(jié)合各因素的權(quán)重計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)值[14]。在傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型中，指標(biāo)權(quán)重系數(shù)一般采用層次分析法、專家分析法等方法確定，具有較大的主觀性，沒有考慮實(shí)際綜合評(píng)價(jià)問題的客觀性。熵值法則是一種客觀賦權(quán)方法，可以克服傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法權(quán)重確定的主觀性，考慮了實(shí)際搜集到的指標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、客觀性和動(dòng)態(tài)性，因此本文將兩種方法相結(jié)合，對(duì)各試驗(yàn)方案的綜合效益進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，具體步驟如下[15-17]：

(1)依據(jù)指標(biāo)參數(shù)建立效益指標(biāo)集I，表達(dá)式為

(8)

式中xij——第j種方案的第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值

m——評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)

n——評(píng)價(jià)方案數(shù)目

(2)效益評(píng)價(jià)等級(jí)A建立

由于指標(biāo)體系所涉及的指標(biāo)覆蓋范圍較廣，各指標(biāo)的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)并不一致，而目前尚不存在一個(gè)系統(tǒng)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此本文以所有方案中各指標(biāo)的最優(yōu)值作為評(píng)價(jià)的最優(yōu)值，通過比較不同方案的綜合效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，評(píng)價(jià)等級(jí)A只包含1個(gè)因子，記為aG，表示“最優(yōu)”等級(jí)。

(3)建立模糊相關(guān)矩陣U，表達(dá)式為

(9)

式中dij——第j種方案的第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于“最優(yōu)”等級(jí)的隸屬度

正向指標(biāo)(越大越優(yōu)型)

(10)

負(fù)向指標(biāo)(越小越優(yōu)型)

(11)

(4)指標(biāo)權(quán)重確定

由于不同指標(biāo)的差異性，各類數(shù)據(jù)量綱與單位不同，對(duì)此本文采用線性法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，由于其正向、負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算式與式(10)和式(11)在形式上完全一樣，因此得出的標(biāo)準(zhǔn)化值與隸屬度在數(shù)值上相同，第i個(gè)指標(biāo)的效用值表達(dá)式為

(12)

式中yij——第j個(gè)評(píng)價(jià)方案第i個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

利用熵值法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)，權(quán)重ωi表達(dá)式為

(13)

(5)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)得分v，計(jì)算式為

v=ωiU

(14)

2 結(jié)果與分析

2.1 施加生物炭的生態(tài)效益

2.1.1施加生物炭對(duì)土壤物理指標(biāo)的影響

土壤容重和孔隙度是判斷土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標(biāo)。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。隨著施炭年限和施炭量的增加，土壤容重逐漸降低，除2015年C25處理與同年C0處理間差異不顯著(P=0.058)外，其余各年各施炭處理土壤容重與C0差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。隨著施炭年限的延長(zhǎng)，各處理土壤容重降低速率逐漸減小。隨著施炭年限和施炭量的增加，土壤孔隙度逐漸增大。同一年份隨著施炭量的增加，土壤孔隙度逐漸增大，且各處理與C0差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。隨著施炭年限的延長(zhǎng)，各處理土壤孔隙度增加速率逐漸減小。以上變化均由生物炭多孔性、容重小且遠(yuǎn)低于土壤容重的結(jié)構(gòu)特征引起，施入土壤后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。雙因素方差分析結(jié)果顯示，施炭年限、施炭量對(duì)土壤容重、孔隙度均有極顯著影響(P<0.01)，二者的交互作用對(duì)土壤容重影響極顯著(P<0.01)，對(duì)土壤孔隙度影響顯著(P<0.05)。

圖1 2015—2018年不同處理土壤容重和孔隙度Fig.1 Soil bulk density and porosity of each treatments in 2015—2018

土壤三相比是衡量土壤松緊程度和結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，土壤三相比偏離值R是綜合反映土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)良性的指標(biāo)，其值越小，表明土壤結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)。各年各處理的R如表1所示。施炭年限、施炭量以及二者的交互作用均對(duì)R有極顯著的影響(P<0.01)，其中以2017年的C50處理R最小，此時(shí)土壤的三相比與理想三相比最為接近。適量施加生物炭可以有效地調(diào)節(jié)土壤三相比，顯著降低R(P<0.05)；但當(dāng)生物炭累積施用量過高時(shí)，土壤質(zhì)地過于松散，結(jié)構(gòu)變差，三相比偏離理想狀態(tài)，故而2017、2018年C100處理R高于同年C0處理，但二者差異不顯著(P>0.05)。另外，在累積施炭量相同的條件下，逐年施入對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良效果優(yōu)于一次性施入，如連續(xù)2年施加25 t/hm2生物炭的R(3.624 2)小于一次性施入50 t/hm2的R(4.430 0)。

表1 2015—2018年不同處理R值Tab.1 Three-phase R value of each treatment in 2015—2018

2.1.2施加生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤養(yǎng)分含量是影響作物生長(zhǎng)的重要因素。4年不同處理的土壤養(yǎng)分含量和pH值如圖2所示。相同年份，隨著生物炭施用量的增加，土壤pH值、總有機(jī)碳含量、速效K含量逐漸遞增；銨態(tài)N含量、有效P含量則呈先增后減的變化規(guī)律，2017、2018年C100處理銨態(tài)N、有效P含量較同年C0處理分別降低1.67%、13.54%和9.51%、12.73%。隨著連續(xù)施炭年限的延長(zhǎng)，相同處理的土壤pH值、總有機(jī)碳含量、速效K含量逐漸遞增，而銨態(tài)N含量呈先增后減的變化規(guī)律；低施炭量處理(C25、C50)有效P含量先增后減，而高施炭量處理(C75、C100)有效P含量逐漸遞減。盡管施加生物炭在一定程度上提高了土壤有效養(yǎng)分的含量，但對(duì)于銨態(tài)N、有效P含量的效應(yīng)尚不穩(wěn)定，甚至在高施炭量處理下產(chǎn)生了輕微抑制現(xiàn)象。雙因素方差分析結(jié)果顯示，施炭年限、施炭量以及二者的交互作用對(duì)銨態(tài)N含量、有效P含量、速效K含量、pH值、總有機(jī)碳含量均有極顯著影響(P<0.01)。

圖2 2015—2018年不同處理土壤養(yǎng)分含量和pH值Fig.2 Soil nutrient contents and pH value of each treatment in 2015—2018

土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)可以定量描述土壤營(yíng)養(yǎng)的高低，營(yíng)養(yǎng)指數(shù)為負(fù)值表明土壤肥力有下降的趨勢(shì)，正值表明土壤肥力有所改善[18-20]。本研究以各年C0處理作為基準(zhǔn)土壤類型，故其土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)為0，選取總有機(jī)碳、pH值、銨態(tài)N含量、有效P含量、速效K含量5個(gè)指標(biāo)，采用式(2)計(jì)算2015—2018年各處理的土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)，結(jié)果如表2所示。施用生物炭使各處理土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)較C0處理顯著提高(P<0.05)。除2015年C75處理外，隨著施炭量的增加和施用年限的延長(zhǎng)，土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)逐漸增大。雙因素方差分析結(jié)果顯示，施炭年限和施炭量對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)有極顯著影響(P<0.01)，二者的交互作用對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)影響顯著(P<0.05)。

表2 2015—2018年不同處理土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)Tab.2 Soil nutrient index of each treatment in 2015—2018 %

2.1.3施加生物炭對(duì)土壤持水能力的影響

土壤水分是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子，提高土壤持水能力可有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收。由圖3可知，2015年隨著施炭量的增加田間持水率和凋萎系數(shù)均呈逐漸遞增的趨勢(shì)，2016—2018年兩項(xiàng)指標(biāo)則呈先增后減的變化規(guī)律；土壤飽和含水率4年均隨著施炭量的增加逐漸增大，分別較同年C0處理增加4.93%～11.99%、13.11%～35.09%、19.18%～41.71%和20.98%～43.63%，差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。當(dāng)施炭量相同而施用年限不同時(shí)，隨著施炭年限的延長(zhǎng)，土壤飽和含水率逐漸遞增；C25、C50、C75處理田間持水率呈先增后減的變化規(guī)律，而C100處理隨著施炭年限的延長(zhǎng)逐漸遞減；C25處理凋萎系數(shù)隨著施炭年限的延長(zhǎng)逐漸遞增，其余各處理與田間持水率呈相同的變化規(guī)律。適當(dāng)施加生物炭可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高土壤持水能力，但當(dāng)土壤中生物炭含量過高時(shí)會(huì)使土壤結(jié)構(gòu)松散、土壤結(jié)構(gòu)變差，使土壤持水能力下降。雙因素方差分析結(jié)果顯示，施炭年限、施炭量及其交互作用對(duì)田間持水率、飽和含水率以及凋萎系數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)均有極顯著的影響(P<0.01)。

圖3 2015—2018年不同處理土壤水分常數(shù)Fig.3 Soil moisture contents of each treatment in 2015—2018

2.1.4施加生物炭對(duì)土壤水土流失的影響

徑流深和土壤侵蝕量作為2個(gè)較為重要的水土保持指標(biāo)，可以直接反映土壤水土流失的程度。由于不同年份間降雨量差異較大，不宜直接比較年際間徑流深和土壤侵蝕量，故本研究采用徑流系數(shù)和單位降雨量土壤侵蝕量描述生物炭對(duì)土壤水土流失的影響。圖4為2015—2018年不同處理徑流系數(shù)及單位降雨量土壤侵蝕量的變化情況。由圖4a可知，相同年份，徑流系數(shù)隨著施炭量的增加先減后增，4年分別以C75、C50、C50和C25處理減流效果最佳，與同年C0處理差異顯著(P<0.05)；2018年C100處理徑流系數(shù)較C0增加了1.04個(gè)百分點(diǎn)，未達(dá)顯著差異(P>0.05)。隨著施炭年限的延長(zhǎng)，不同施炭量處理均在2016年減流效果最佳，可能是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)累積施炭量過多，改變了土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤的抗沖刷能力減弱，促進(jìn)徑流的形成。由圖4b可知，適量施加生物炭可有效減少?gòu)搅鲗?duì)土壤的沖刷，單位降雨量土壤侵蝕量隨著施炭量的增加先減后增，但過高的累積施炭量使2018年C75、C100處理單位降雨量土壤侵蝕量較C0增加了0.26%、1.60%。隨著施炭年限的延長(zhǎng)，不同施炭量處理單位降雨量土壤侵蝕量均在2016年達(dá)到最小，表明隨著生物炭在土壤中的累積效應(yīng)，表層土壤更為稀松，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，雨水形成的徑流將更易攜帶表層土壤，從而造成土壤的流失。雙因素方差分析結(jié)果顯示，施炭年限和施炭量對(duì)2項(xiàng)指標(biāo)均有極顯著的影響(P<0.01)，兩者的交互作用對(duì)徑流系數(shù)有顯著影響(P<0.05)，對(duì)單位降雨量土壤侵蝕量影響不顯著(P>0.05)。

圖4 2015—2018年不同處理徑流系數(shù)及單位降雨量土壤侵蝕量Fig.4 Runoff coefficient and soil erosion per unit rainfall of each treatment in 2015—2018

2.2 施加生物炭的經(jīng)濟(jì)效益

2.2.1施加生物炭的節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)

作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的直接成果，提高水分利用效率是節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的重要目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量和水分利用效率的同步提高是當(dāng)今可持續(xù)農(nóng)業(yè)所追求的一個(gè)主要目標(biāo)。圖5為4年不同處理的大豆產(chǎn)量及水分利用效率。由圖5a可知，當(dāng)施炭年限相同而施炭量不同時(shí)，隨著施炭量的增加大豆產(chǎn)量呈先增后減的變化規(guī)律，4年分別以C75、C50、C50和C25處理產(chǎn)量最大，較同年C0處理增產(chǎn)顯著(P<0.05)。隨著施炭年限的延長(zhǎng)，C25處理大豆產(chǎn)量逐漸遞增，C50處理大豆產(chǎn)量先增后減，且在2017年達(dá)到最大值，而C75、C100處理大豆產(chǎn)量則逐漸遞減，且C100處理在2018年較C0減產(chǎn)11.45%，表明當(dāng)累積施炭量過高時(shí)對(duì)土壤的理化性質(zhì)、持水能力等的影響減弱進(jìn)而使作物產(chǎn)量降低。由圖5b可知，當(dāng)施炭年限相同而施炭量不同時(shí)，大豆水分利用效率隨著施炭量的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，4年分別在C75、C50、C50、C25處理達(dá)到最大，較同年C0處理分別提高25.03%、27.39%、15.36%和9.22%，差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)；當(dāng)施炭量相同而施炭年限不同時(shí)，隨著施炭年限的延長(zhǎng)，各處理水分利用效率逐漸遞減。雙因素方差分析結(jié)果顯示，施炭年限對(duì)大豆產(chǎn)量有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)水分利用效率有顯著影響(P<0.05)，施炭量對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)均有極顯著影響(P<0.01)，施炭年限和施炭量的交互作用對(duì)產(chǎn)量有極顯著影響(P<0.01)，而對(duì)水分利用效率影響不顯著(P>0.05)。

圖5 2015—2018年不同處理大豆產(chǎn)量和水分利用效率Fig.5 Soybean yield and water use efficiency of each treatment in 2015—2018

2.2.2施加生物炭的投入產(chǎn)出

采用式(5)～(7)計(jì)算不同的生物炭施用模式的成本、收益及生物炭利用效率，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著施用年限和施炭量的增加，各施炭模式的成本逐漸遞增，收益呈先增后減的變化規(guī)律，施用1年和2年生物炭時(shí)，施炭量為75 t/hm2收益最高；連續(xù)施用3年和4年生物炭時(shí)，施炭量為50 t/hm2收益最高。不同施用年限的生物炭利用效率隨著施炭量的增加均呈先增后減的變化趨勢(shì)，連續(xù)施用2年生物炭，每年施用量為25 t/hm2時(shí)生物炭利用效率最大，此時(shí)每增加1 t大豆產(chǎn)量施炭量增加11.20 kg。施用年限過長(zhǎng)或累積施炭量過高時(shí)，累積施炭量增加速率遠(yuǎn)大于產(chǎn)量的增加速率，導(dǎo)致生物炭的利用效率逐漸降低。

表3 2015—2018年不同處理生物炭成本、收益以及利用效率Tab.3 Biochar costs, benefits and utilization efficiency for each treatment in 2015—2018

2.3 基于熵值法的生物炭應(yīng)用效益評(píng)價(jià)

2.3.1評(píng)級(jí)指標(biāo)確定及權(quán)重賦值

構(gòu)建能夠綜合反映生物炭生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表4所示，其中生態(tài)效益指標(biāo)包括土壤理化性質(zhì)、土壤持水能力、水土保持效應(yīng)3類二級(jí)指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)包括節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)、投入產(chǎn)出2類二級(jí)指標(biāo)，各二級(jí)指標(biāo)下包含若干三級(jí)指標(biāo)。采用式(10)～(13)計(jì)算三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)熵的可加性[21]，對(duì)三級(jí)指標(biāo)的效用值進(jìn)行求和，分別求出二級(jí)指標(biāo)和一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.4 Evaluation system

2.3.2黑土區(qū)坡耕地生物炭應(yīng)用效益指數(shù)

分別測(cè)算2015—2018年不同處理的效益指數(shù)，結(jié)果如圖6所示。生態(tài)效益方面，第1年隨著施炭量的增加生態(tài)效益指數(shù)逐漸遞增，而連續(xù)施用2、3、4年生物炭生態(tài)效益指數(shù)則呈先增后減的變化規(guī)律，且均在施炭量為50 t/hm2時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)?shù)褪┨苛繒r(shí)，土地質(zhì)量取決于土壤自身結(jié)構(gòu)，因此隨著生物炭施加量的增加，生態(tài)效益指數(shù)逐漸增大；當(dāng)施炭量達(dá)到一定程度時(shí)，過高的生物炭施加量使土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，生態(tài)效益指數(shù)降低。經(jīng)濟(jì)效益方面，4年隨著生物炭施加量的增加經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)均呈先增后減的變化規(guī)律，4年分別在生物炭施加量為75、25、25、25 t/hm2時(shí)達(dá)到最大。綜合效益指數(shù)與生態(tài)效益指數(shù)呈相同的變化規(guī)律，但在連續(xù)施用4年生物炭時(shí)，施炭量25 t/hm2時(shí)可使綜合效益最大化。

圖6 2015—2018年不同處理效益指數(shù)Fig.6 Benefit index of each treatment in 2015—2018

分別建立生態(tài)效益指數(shù)Y1、經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)Y2、綜合效益指數(shù)Y3關(guān)于生物炭施用年限t和施炭量x的回歸方程

Y1=-0.000 062 81x2-0.054t2-0.000 300 4xt+
0.010x+0.332t-0.321 (R2=0.920，P<0.000 1)

(15)

Y2=-0.000 042 87x2+0.003t2-0.001xt+0.006x+
0.019t+0.138 (R2=0.801，P<0.000 1)

(16)

Y3=-0.000 105 7x2-0.051t2-0.001xt+0.016x+
0.351t-0.258 (R2=0.887，P<0.000 1)

(17)

3個(gè)方程R2均大于0.80，P均小于0.000 1，達(dá)極顯著水平，表明方程均較好地反映各效益指數(shù)隨施炭年限和施炭量的變化規(guī)律。根據(jù)多元函數(shù)極值理論，連續(xù)施炭2年、施用量為72.74 t/hm2時(shí)生態(tài)效益指數(shù)最大，為0.519 4；連續(xù)施炭3年、施用量為36.32 t/hm2時(shí)經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)最大，為0.274 4；連續(xù)施炭3年、施用量為62.30 t/hm2時(shí)，可使綜合效益指數(shù)達(dá)到最大，為0.735 6。

3 討論

生物炭孔隙結(jié)構(gòu)豐富，比表面積大，理化性質(zhì)穩(wěn)定，可以改善土壤結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，施加生物炭可以顯著提高土壤孔隙度，降低土壤容重(P<0.05)，且影響程度與施炭量和施炭年限呈正相關(guān)。理想狀態(tài)下，最適合作物生長(zhǎng)的土壤三相比為50∶25∶25[22]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，土壤三相比偏離值R2015年逐漸減小，2016—2018年則呈先減后增的變化規(guī)律。這可能是隨著生物炭的施加，土壤容重發(fā)生變化，固相體積分?jǐn)?shù)隨之減小，液相和氣相體積分?jǐn)?shù)隨之增大，從而土壤的通氣性增加，土壤結(jié)構(gòu)趨于合理，R降低，而當(dāng)施炭量過高時(shí)，土壤質(zhì)地過于松散，土壤結(jié)構(gòu)變差。對(duì)比4年R值，2017年C50處理處取得最小值，為1.445 2，此時(shí)土壤三相比與理想三相比最為接近，而2017、2018年C100處理處R高于對(duì)照組，說(shuō)明當(dāng)施炭量過高時(shí)土壤中氣體較多，水分蒸發(fā)較快，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，這與李曉龍等[22]、魏永霞等[23]研究結(jié)果一致。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在累積施炭量相同的條件下，逐年施入對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良效果優(yōu)于一次性施入，這對(duì)于探尋黑土區(qū)坡耕地生物炭施用模式具有指導(dǎo)意義。通過對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析得到，施炭量和施炭年限對(duì)土壤物理指標(biāo)均有極顯著影響，二者的交互作用對(duì)土壤孔隙度、固相體積分?jǐn)?shù)有顯著影響，對(duì)其他指標(biāo)均有極顯著影響。

生物炭含碳量高以及自身呈堿性，施入土壤后可以改善土壤養(yǎng)分，增強(qiáng)土壤肥力。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，施加生物炭可以顯著提高pH值、總有機(jī)碳含量和速效K含量(P<0.05)，且隨著施炭量和施炭年限的增加效果逐漸增強(qiáng)，這與魏永霞等[23]研究結(jié)果一致，但與聶新星等[24]對(duì)pH值無(wú)顯著影響存在一定的差異，這可能是由于土壤質(zhì)地或生物炭種類不同所造成的，并且有研究表明[25]，施用生物炭降低土壤的pH值，可能是由于所用生物炭是經(jīng)硫酸亞鐵酸化后的生物炭，略小于當(dāng)?shù)赝寥赖膒H值，所以一定程度上降低了土壤的pH值。土壤銨態(tài)N、有效P含量隨著施炭量的增加呈先增后減的變化規(guī)律，銨態(tài)N含量前兩年均在C50處理達(dá)到最大，后兩年均在C25處理取得最大值；有效P含量則4年分別在C75、C50、C25、C25處理達(dá)到最大，說(shuō)明施入適量生物炭對(duì)土壤銨態(tài)N含量和有效P含量起正效應(yīng)。但同時(shí)也應(yīng)注意到2017、2018年C100處理銨態(tài)N、有效P含量卻低于對(duì)照組，這可能是由于過高的生物炭施用量使銨態(tài)N、有效P含量的生物固定，使其含量降低[26]。說(shuō)明適當(dāng)?shù)纳锾靠梢杂行У靥岣咄寥鲤B(yǎng)分含量，但當(dāng)施炭量過高時(shí)，會(huì)起到抑制作用。隨著施炭量的增加，各年各處理的土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)較C0處理顯著提高，表明生物炭施入土壤后可以有效地提高土壤養(yǎng)分，從而提高土壤綜合肥力。施炭年限和施炭量對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的雙因素方差分析結(jié)果表明，施炭年限、施炭量對(duì)土壤養(yǎng)分各項(xiàng)指標(biāo)均有極顯著影響，二者的交互作用對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)指數(shù)有顯著影響，對(duì)其他指標(biāo)均有極顯著影響。

在土壤持水能力方面，生物炭由于具有多孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的吸附能力被許多學(xué)者認(rèn)為可以有效地提高土壤持水能力[21-22,27-28]，但不同施炭量以及施炭年限對(duì)土壤持水能力的影響程度尚未有明確結(jié)論。DUGAN等[29]研究表明，施加生物炭可以提高土壤的持水能力；LAIRD等[30]和PICCOLO等[31]基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明生物炭可以使土壤保持更多的水分，但并沒有明確提出最佳施炭量和施炭年限。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著施炭量的增加，飽和含水率逐漸增大，田間持水率和凋萎系數(shù)施炭第1年隨著施炭量的增加逐漸增大，且顯著高于C0處理(P<0.05)，而第2、3、4年則隨著施炭量的增加呈先增后減的變化規(guī)律，這與王艷陽(yáng)等[9]結(jié)論一致。土壤持水能力的變化與土壤三相比變化息息相關(guān)，表現(xiàn)在施加生物炭后土壤容重降低，土壤固相體積分?jǐn)?shù)隨之降低，液相、氣相體積分?jǐn)?shù)隨之升高，從而土壤的含水率和透氣性提高，土壤結(jié)構(gòu)較優(yōu)，R減小。雙因素方差分析結(jié)果顯示，施炭年限、施炭量及其交互作用對(duì)3項(xiàng)指標(biāo)均有極顯著的影響。

在水土保持方面，由于施用生物炭能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤的透水透氣性，提高降水的入滲量，因而可以有效改善水土流失現(xiàn)象[7,9,10,32-34]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著施炭量的增加，徑流系數(shù)和單位降雨量土壤侵蝕量均呈先減后增的變化規(guī)律，但達(dá)到最佳保水保土效果的施炭模式有所不同，2015—2018年的最佳減流處理分別為C75、C50、C50、C25，而單位降雨量土壤侵蝕量2015—2016年在C50處最小，2017—2018年在C25處最小。另外，2018年C100處理兩項(xiàng)指標(biāo)均高于C0處理，這與SADEGHI等[35]研究結(jié)果一致，造成該規(guī)律的原因可能是當(dāng)施炭量過高或累積施炭量過高時(shí)，生物炭對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)指標(biāo)的影響過大，使土壤質(zhì)地松散，抗沖刷能力減弱，減流效果變?nèi)?，土壤侵蝕量變大。雙因素方差分析結(jié)果顯示，施炭年限和施炭量對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)均有極顯著影響，二者的交互作用對(duì)徑流系數(shù)有顯著影響，對(duì)單位降雨量土壤侵蝕量影響不顯著。

在節(jié)水增產(chǎn)方面，現(xiàn)有研究頗多，但大多集中在短期試驗(yàn)研究，對(duì)于中長(zhǎng)期不同施炭量以及施炭年限對(duì)作物產(chǎn)量以及水分利用效率的研究較為缺乏。勾芒芒等[7]通過1年的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭可以顯著提高番茄產(chǎn)量。房彬等[5]的研究表明，施加1年生物炭后冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率均顯著提高。但也有學(xué)者認(rèn)為生物炭對(duì)作物產(chǎn)量沒有顯著影響，崔立強(qiáng)[36]對(duì)水稻和小麥的田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭的水稻和小麥產(chǎn)量沒有明顯變化，張晗芝等[37]的研究也發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量沒有顯著影響。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，大豆產(chǎn)量隨著施炭量的增加呈先增后減的變化規(guī)律，4年分別在C75、C50、C50、C25處理取得最大值；水分利用效率的變化規(guī)律與大豆產(chǎn)量相同。雙因素方差分析顯示，施炭年限對(duì)大豆產(chǎn)量有極顯著影響，對(duì)水分利用效率有顯著影響，施炭量對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)均有極顯著影響，二者的交互作用對(duì)產(chǎn)量有極顯著影響而對(duì)水分利用效率影響不顯著。綜合來(lái)看，當(dāng)施加適量的生物炭時(shí)，可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，增強(qiáng)土壤持水能力、減少水土流失，使作物處于最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，因而可以達(dá)到增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的，但當(dāng)施炭量或累積施炭量過高時(shí)，作物生長(zhǎng)的最優(yōu)平衡被打破，產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，因此合理的施炭量以及施炭年限變得至關(guān)重要。

在投入產(chǎn)出方面，隨著施炭量的增加，生物炭成本逐漸增加，收益呈先增后減的變化規(guī)律，施用1年和連續(xù)施用2年均在施炭量為75 t/hm2時(shí)取得最大值，連續(xù)施用3年和4年均在施炭量為50 t/hm2時(shí)取得最大值。邊際生產(chǎn)力與收益的變化規(guī)律相同，施用第1年在施炭量為75 t/hm2時(shí)取得最大值，連續(xù)施用2、3、4年均在施炭量為25 t/hm2時(shí)取得最大值。由于生物炭前期成本較高，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)盈利，這可能是生物炭技術(shù)推廣的主要障礙，但也應(yīng)該看到生物炭技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，它不僅可以改良土壤，提高土地的生產(chǎn)力，還可以將秸稈變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，減少秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境污染，有助于構(gòu)建低碳、高效、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，對(duì)實(shí)現(xiàn)耕地可持續(xù)性發(fā)展和保障國(guó)家糧食、環(huán)境安全都具有重要的戰(zhàn)略意義。經(jīng)濟(jì)利益是農(nóng)戶最為關(guān)心的問題，應(yīng)在保證生態(tài)利益的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益，既要滿足改善土壤質(zhì)量的目的，又要滿足農(nóng)戶增產(chǎn)的目的，實(shí)現(xiàn)土壤改良與節(jié)水增產(chǎn)的雙贏。鑒于此，國(guó)家應(yīng)加大對(duì)生物炭技術(shù)的扶持力度，給予秸稈炭化綜合利用補(bǔ)貼，降低應(yīng)用成本，促進(jìn)生物炭技術(shù)的推廣應(yīng)用。

本研究建立了基于熵值法改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型測(cè)算了不同施炭模式的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和綜合效益。連續(xù)施用2年生物炭，施炭量為72.74 t/hm2時(shí)生態(tài)效益最大。當(dāng)?shù)褪┨苛繒r(shí)，土地質(zhì)量取決于土壤自身結(jié)構(gòu)，因此隨著施炭量的增加，生態(tài)效益指數(shù)逐漸增大，當(dāng)施炭量達(dá)到一定程度時(shí)，過高的施炭量使土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，反而不利于作物生長(zhǎng)，生態(tài)效益指數(shù)逐漸降低。經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)在施用3年、施炭量為36.32 t/hm2時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)?shù)褪┨苛繒r(shí)，生物炭的成本較低，經(jīng)濟(jì)效益隨著施炭量的增加逐漸增大，當(dāng)施炭量逐漸升高時(shí)，生物炭成本的增加速率大于作物產(chǎn)出的速率，故經(jīng)濟(jì)效益逐漸減小。綜合效益受生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的影響，4年均隨著施炭量的增加呈先增后減的變化規(guī)律，連續(xù)施用3年、施炭量為62.30 t/hm2時(shí)取得最大值，為黑土區(qū)最佳生物炭施用模式。

本研究通過4年的試驗(yàn)研究得出黑土區(qū)最佳生物炭施用模式為連續(xù)施加3年62.30 t/hm2生物炭。

4 結(jié)論

(1)生物炭能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力。連續(xù)施用2年、施炭量為50 t/hm2時(shí)，土壤蓄水保土效果最佳；連續(xù)施用3年、施炭量為50 t/hm2時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)最為理想；連續(xù)施用4年、施炭量為100 t/hm2時(shí)，土壤肥力最好。

(2)生物炭能夠有效提高作物節(jié)水增產(chǎn)性能及其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。連續(xù)施用3年、施炭量為50 t/hm2時(shí)，大豆增產(chǎn)效果最佳；施用1年、施炭量為75 t/hm2時(shí)，大豆水分利用效率最大；連續(xù)施用4年，施炭量為50 t/hm2時(shí)，收益最大。

(3)根據(jù)基于熵值法改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型測(cè)算的不同施炭模式的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和綜合效益指數(shù)，連續(xù)施用2年、施炭量為72.74 t/hm2時(shí)生態(tài)效益最大；連續(xù)施用3年、施炭量為36.32 t/hm2時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最大；黑土區(qū)最佳生物炭施用模式為連續(xù)施用3年，施炭量為62.30 t/hm2。