生物炭對(duì)黑土區(qū)坡耕地水土保持及大豆增產(chǎn)效應(yīng)研究

魏永霞，馮鼎銳, 劉志凱，孫繼鵬，張雨鳳

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030)

寒地黑土是一種肥力高、性狀好的土壤，屬于世界頂級(jí)瑰寶[1]。我國(guó)黑土主要分布在黑龍江和吉林2省，其中黑龍江省占72%，擁有接近1 208 萬(wàn)hm2黑土農(nóng)田，成為我國(guó)最大的產(chǎn)糧大省[2]。然而黑龍江省的耕地中有近60%為坡耕地，多年過(guò)度墾發(fā)和掠奪式經(jīng)營(yíng)導(dǎo)致黑龍江省黑土區(qū)坡耕地水土流失日益加劇。截止2012年，黑龍江省水土流失面積已達(dá)1 340 萬(wàn)hm2，水分已成為東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素，開(kāi)展水土流失的治理已刻不容緩[2-5]。

自20世紀(jì)末提出“生物炭”概念以來(lái)，短短十幾年時(shí)間，相關(guān)的研究受到了廣泛關(guān)注和認(rèn)可[6]。在全球提倡低碳、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，生物炭作為一種固碳還田，減少溫室氣體排放的措施得到更多的發(fā)展研究[7,8]。其中生物炭對(duì)土壤的改良和作物的增產(chǎn)成為主要研究方向。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施入土壤后可有效降低土壤密度，增加孔隙率[9]，從而提高土壤持水能力，提高土壤含水量和雨水下滲量[10]，保證了供作物生長(zhǎng)利用的有效水分[11]。經(jīng)過(guò)多年的研究，生物炭對(duì)于大豆、水稻和玉米等主要經(jīng)濟(jì)作物的增產(chǎn)效果也得到廣泛的認(rèn)可。Lehmann[12]等將生物炭以68和135 t/hm2的標(biāo)準(zhǔn)加入土壤提升了水稻和豇豆的生物量。Uzoma[13]等則發(fā)現(xiàn)生物炭施用量為15 t/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量就提高了150%。劉世杰[14]等的研究則發(fā)現(xiàn)生物炭能夠促進(jìn)玉米苗期的生長(zhǎng)。Iswaran[15]等添加生物炭的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每盆大豆可以增產(chǎn)10.4 g。Lehmann[12]等總結(jié)了全球范圍內(nèi)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭施用量在50 t/hm2以下時(shí)，對(duì)作物產(chǎn)量的影響基本都是正向的。

目前的研究多集中于生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)、水肥利用效率、作物生長(zhǎng)影響等單一方面，針對(duì)黑土區(qū)坡耕地需要治理水土流失、提高農(nóng)業(yè)用水效率、增加作物產(chǎn)量的綜合要求，根據(jù)生物炭蓄水保土[16]及節(jié)水增產(chǎn)效果，以黑龍江省北安市紅星農(nóng)場(chǎng)坡耕地徑流小區(qū)為研究對(duì)象，比較不同生物炭用量對(duì)坡耕地水土保持、大豆產(chǎn)量和水分利用效率的影響，尋求生物炭的最優(yōu)用量。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選擇黑龍江省北安市紅星農(nóng)場(chǎng)，其位于北緯48°02′-48°17′，東經(jīng)126°47′-127°15′，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量556 mm，耕地面積0.16 萬(wàn)hm2。耕地多為丘陵漫崗，土壤以黑土為主，質(zhì)地黏重，入滲困難。降雨集中在7-9月份，占全年降雨量的90%，降雨集中且歷時(shí)短，整個(gè)地區(qū)坡耕地水土流失嚴(yán)重，旱澇災(zāi)害頻發(fā)[4]。大豆為該地主要種植經(jīng)濟(jì)作物之一。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年在徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，以3°坡耕地為研究對(duì)象，為更好地模擬該地區(qū)坡耕地實(shí)際情況，保證小區(qū)足夠坡長(zhǎng)，設(shè)計(jì)徑流小區(qū)規(guī)格為20 m×5 m，共計(jì)10個(gè)小區(qū)。小區(qū)末端設(shè)有徑流自動(dòng)記錄和泥沙收集系統(tǒng)，自動(dòng)記錄后的徑流排入?yún)^(qū)外排水溝。為了防止側(cè)滲的影響，各小區(qū)邊界用深入地下1m的鐵板隔開(kāi)。每個(gè)小區(qū)提前埋設(shè)TDR管，埋深1.8 m。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，即不加生物炭的常規(guī)處理T1，和生物炭施加量分別為25(T2)、50(T3)、75(T4)、100(T5) t/hm2的處理，每個(gè)處理設(shè)2次重復(fù)。種植前將生物炭均勻鋪灑在小區(qū)表面并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使生物炭與小區(qū)0～20 cm土層土壤均勻混合。

試驗(yàn)供試土壤為草甸黑土。土壤的基本性質(zhì)：土壤密度1.15 g/cm3，孔隙度49.71%，田間質(zhì)量持水率為35.19%，pH值6.5。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，制備方式為在無(wú)氧條件下450 ℃高溫裂解，基粒徑1.5～2.0 mm，全碳量70.38%，全氮量1.53%，硫含量0.78%，氫含量1.68%，灰量31.8%，pH值9.14。供試大豆品種為黑河三號(hào)。

1.3 觀測(cè)內(nèi)容與方法

(1)土壤物理性質(zhì)。土壤物理性質(zhì)選擇作物收獲時(shí)期測(cè)定，在每個(gè)小區(qū)10～20 cm處用環(huán)刀取原狀土壤，采用DIK-1130土壤三相儀測(cè)定各處理土壤孔隙度，用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度及田間持水量。

(2)地表徑流量和土壤侵蝕量。在雨季5-10月份對(duì)各小區(qū)地表徑流量和土壤侵蝕量進(jìn)行觀測(cè)。地表徑流量由自記流量系統(tǒng)自動(dòng)記錄，土壤侵蝕量從泥沙收集系統(tǒng)獲得，最終根據(jù)比例推出地表徑流總量和土壤侵蝕總量。

(3)土壤水分。利用TDR分別在大豆播種期、出苗期、開(kāi)花結(jié)莢期、鼓粒期和成熟期測(cè)定各徑流小區(qū)的土壤含水率，測(cè)定層次如下：0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm。

(4)大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素。收獲時(shí)在每個(gè)小區(qū)分別劃取9個(gè)1 m2大小的小區(qū)，考查每塊小區(qū)大豆植株的單株莢數(shù)，單株粒數(shù)和百粒重，并在收獲后統(tǒng)計(jì)每個(gè)徑流小區(qū)的總產(chǎn)量。

(5)耗水量與水分利用效率。

ET=P+I+ΔS-ΔR±Q

(1)

式中：ET為作物生育期耗水量，mm；P為作物生育期的降雨量，mm；I為作物生育期間的灌水量，mm；ΔS為收獲期與播種期0～100 cm土壤儲(chǔ)水量之差，mm；ΔR為地表徑流量，mm；Q為地下水交換量(試區(qū)地下水埋深40 m，可忽略不計(jì))，mm。

WUE=Y/ET

(2)

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為作物產(chǎn)量，kg/hm2。

(6)數(shù)據(jù)處理與分析。應(yīng)用EXCEL對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理與圖表繪制，采用Spss 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯著性分析，顯著性水平為0.05和0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭施加量的水土保持作用

2.1.1 不同生物炭施加量對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

不同處理的土壤理化性質(zhì)如表1所示，對(duì)供試土壤施加生物炭可有效降低土壤密度，增大土壤孔隙度，提高田間持水量，且隨著生物炭用量越多，密度越低，孔隙度和田間持水量越高。而土壤的滲吸能力是影響徑流形成的主要因素之一，其主要取決于土壤自身的理化性質(zhì)，土壤密度越小，孔隙度越大，土壤入滲性能越好[17,18]。

表1 不同生物炭施用量的土壤理化性質(zhì)

注：a，b，c代表0.05水平差異顯著，下同。

由表1可以看出，隨著生物炭添加量的增加，各處理土壤的密度隨之減小，T2、T3、T4和T5較對(duì)照分別減小了2.19%、4.20%、4.90%、5.83%；各處理的孔隙度和田間持水量則隨著生物炭添加量的增加而增大，T2到T5各處理的土壤孔隙度和田間持水量分別較對(duì)照增加了4.03%、6.45%、7.66%、11.43%和3.49%、3.17%、5.71%、9.48%。說(shuō)明生物炭施加量在100 t/hm2的范圍內(nèi)，生物炭的添加可以有效增大土壤孔隙度，降低土壤密度，從而提高土壤的持水能力，且生物炭添加量越大，土壤的密度越小，孔隙度和田間持水量越高。

2.1.2不同生物炭施加量對(duì)年徑流和年土壤侵蝕量的影響

本區(qū)坡耕地水土流失主要是雨期集中而導(dǎo)致水蝕，本節(jié)主要分析不同的生物炭施用量條件下的蓄水減流和保土減沙效應(yīng)，并用減流率和減沙率這2個(gè)特性指標(biāo)來(lái)衡量[19]。由表2可以看出：不同生物炭施加量處理的年徑流和年土壤侵蝕量排序均為：T5

表2 不同生物炭用量的年徑流量和年土壤侵蝕量

圖1 不同生物炭用量的年徑流量和年土壤侵蝕量

2.1.3不同生物炭施加量對(duì)土壤質(zhì)量含水量和儲(chǔ)水量的影響

土壤含水量是評(píng)價(jià)土壤環(huán)境的重要參數(shù)之一，本研究中不同處理土壤含水量的變化亦可衡量生物炭的蓄水保水效應(yīng)，通過(guò)測(cè)定各處理不同生育期的0～100 cm土壤含水量，得出各生育期土壤含水量變化情況。由圖2可知，各處理在不同生育期土壤含水量隨土層深度變化趨勢(shì)基本相同。在0～20 cm土層中，由于含有大部分生物炭且受降水侵蝕、蒸發(fā)、土壤耕作等因素及作物根系的影響，土壤含水量變動(dòng)較大；20～60 cm土層土壤水分含量受上層土壤水分含量影響而其他因素影響較小，土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定；60～100 cm土層土壤水分則與表層土壤相距較遠(yuǎn)，基本不受表層土壤水分影響，施加的生物炭對(duì)其影響較小，沒(méi)有明顯變化規(guī)律。

在播種期，由于生物炭施加時(shí)間較短，各小區(qū)0～100 cm土壤含水量存在一定的波動(dòng)，各層土壤含水量也略有不同，但變化趨勢(shì)基本一致。在出苗期降水量偏少，導(dǎo)致各小區(qū)土壤含水率都明顯降低。比較各小區(qū)土壤含水量發(fā)現(xiàn)，在0～60 cm土層T1處理土壤含水量均低于其他施加生物炭的處理，且基本符合生物炭施加量越多，土壤含水量越高的規(guī)律。主要是因?yàn)樯锾康奶砑哟龠M(jìn)土壤水分入滲，增加土壤水分吸附能力，減小了表層土壤水分的蒸散，從而減少了土壤水分的流失，起到蓄水保水的作用。在分枝期降雨增加，各處理土壤含水量明顯增加，在0～60 cm土層施加生物炭的處理土壤含水量明顯高于未施加生物炭的處理，且各處理土壤含水量基本保持T5>T4>T3>T2>T1。在開(kāi)花結(jié)莢期，降雨量仍然很豐富，土壤含水量整體變化趨勢(shì)與分枝期基本相同，主要因?yàn)檫@2個(gè)生育期降雨量較大，施加生物炭可有效增加土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，同時(shí)提高雨水入滲率，減少地表徑流形成，使得土壤含水量顯著提高。在鼓粒期，降雨量減小且作物耗水量和地表水分蒸散加大，各處理土壤含水量降低，但施加生物炭的處理土壤含水量仍高于對(duì)照處理，生物炭的保水性表現(xiàn)明顯。乳熟期土壤含水量變化基本和鼓粒期相同，主要因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期降雨較少，且隨著作物成熟，作物耗水量減少，對(duì)土壤水分影響較小，各處理土壤含水量差距變化較小。

圖2 不同生物炭用量的土壤含水量垂直變化

由圖3可知，不同生物炭施加量0～100 cm土壤儲(chǔ)水量整體呈現(xiàn)趨勢(shì)相同。在出苗期—分枝期—開(kāi)花結(jié)莢期，由于降雨量大于作物此階段的耗水量使各處理土壤儲(chǔ)水量均有所上升；播種期—分枝期和開(kāi)花結(jié)莢期—鼓粒期，降雨量小于作物耗水量，土壤儲(chǔ)水量下降；而鼓粒期—乳熟期，作物耗水量減少，耗水量基本和降雨量持平，土壤儲(chǔ)水量變化不大。分枝期以后，各小區(qū)土壤儲(chǔ)水量對(duì)比明顯，各處理儲(chǔ)水量由小到大依次為T(mén)1

圖3 不同生物炭用量的0～100 cm土壤儲(chǔ)水量和降雨量

2.2 不同生物炭施加量的大豆增產(chǎn)效應(yīng)

大豆的產(chǎn)量由單株粒數(shù)、莢數(shù)、百粒質(zhì)量決定，由表3可見(jiàn)不同生物炭施加量的小區(qū)大豆的產(chǎn)量均比T1有所增加，T2、T3、T4、T5小區(qū)大豆產(chǎn)量分別增加了8.33%、27.27%、29.55%、22.73%。其中T4小區(qū)大豆增產(chǎn)效果最佳。說(shuō)明施加適量生物炭可有效提高大豆產(chǎn)量，隨著生物炭施加量的增加增產(chǎn)效果會(huì)有所降低。分析原因：生物炭可以降低土壤密度，增加土壤孔隙度，自身攜帶并吸附大豆生長(zhǎng)所需要的大量元素并通過(guò)蓄水減流效應(yīng)減少水土流失，保護(hù)土壤環(huán)境，為大豆生長(zhǎng)提供更多的水分和養(yǎng)分。然而生物炭呈堿性，施入土壤會(huì)增加土壤pH值，當(dāng)土壤pH值過(guò)高時(shí)會(huì)抑制大豆生長(zhǎng)，反而會(huì)引起大豆減產(chǎn)。

表3 不同生物炭用量的大豆產(chǎn)量及構(gòu)成要素

2.3 不同生物炭施加量的水分利用效率

不同生物炭施加量的水分利用效率受產(chǎn)量和耗水量的共同影響，如表4所示。不同生物炭施加量小區(qū)水分利用效率的排列順序?yàn)門(mén)4>T3>T5>T2>T1，各施加生物炭小區(qū)的水分利用效率都高于T1，且生物炭施加量為75 t/hm2的處理水分利用效率最高，證明了施加適量生物炭可有效提高大豆水分利用效率，而施用量過(guò)多時(shí)作用效果會(huì)明顯降低。

表4 不同生物炭用量的水分利用效率

3 結(jié) 論

(1)施加生物炭能夠改良土壤理化性質(zhì)，減少水土流失，具有一定的蓄水保土作用。且在0～100 t/hm2的生物炭施用量范圍內(nèi)，生物炭用量越多，蓄水保土效果越好。通過(guò)施加生物炭可以降低土壤密度，增加土壤孔隙度和田間持水量，提高土壤吸滲和蓄水能力，減小了徑流與土壤侵蝕，有效控制了水土流失。同時(shí)，對(duì)比試驗(yàn)中4種生物炭施加量的蓄水保土效應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，生物炭施用量越多，對(duì)應(yīng)小區(qū)徑流量和產(chǎn)沙量越少，生物炭施用量為100 t/hm2的處理徑流量和泥沙量達(dá)到最低，分別比常規(guī)耕作減少了2.24%和2.20%。

(2)施加生物炭對(duì)大豆具有節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)，施加生物炭量為75 t/hm2時(shí)生物炭節(jié)水增產(chǎn)的效果最好。不同生物炭施加量的處理土壤儲(chǔ)水量都大于未施加生物炭的常規(guī)耕作，且生物炭施加量越高土壤儲(chǔ)水量越高。大豆的產(chǎn)量與水分利用效率則略有不同，與未施加生物炭的處理相比，生物炭施用量為25、50、75、100 t/hm2的處理大豆分別增產(chǎn)8.33%、27.27%、29.55%、22.73%，水分利用效率分別提高13.29%、33.49%、36.11%、29.91%。生物炭施加量為75 t/hm2的處理大豆增產(chǎn)和水分利用效率最高，而生物炭施加量最高的100 t/hm2處理節(jié)水增產(chǎn)效果明顯降低。

由于試驗(yàn)期間降雨條件較好，高強(qiáng)度集中降雨較少，綜合比較得出75 t/hm2生物炭施加量的處理蓄水保土和節(jié)水增產(chǎn)效果最明顯。但若遇高強(qiáng)度集中降雨時(shí)，生物炭質(zhì)輕、降低土壤密實(shí)度的特點(diǎn)，會(huì)增加生物炭和土顆粒流失的可能。因此還需進(jìn)一步研究多年平均水平下的生物炭最優(yōu)用量。

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