黑土坡耕地連續(xù)施加生物炭的土壤改良和節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)

魏永霞 張翼鵬 張雨鳳 王睿垠 馬瑛瑛 張 奕

(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.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)

0 引言

東北黑土區(qū)為全球?qū)氋F的三大黑土區(qū)之一，作為我國(guó)主要糧食生產(chǎn)基地，為保障國(guó)家糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)。該區(qū)土壤以黑土、黑鈣土及草甸黑土為主[1]。“典型黑土”是一種結(jié)構(gòu)好、肥力高、性狀佳的高產(chǎn)土壤，特別適宜玉米、大豆等糧食作物生長(zhǎng)。由于當(dāng)?shù)馗氐匦味酁榍鹆曷?，歷時(shí)短、強(qiáng)度高且集中的降雨特點(diǎn)，不科學(xué)的耕作方式，導(dǎo)致黑土區(qū)坡耕地水土流失嚴(yán)重，黑土層厚度逐漸變薄[2]，土地生產(chǎn)力下降。該地區(qū)每年產(chǎn)生大量的秸稈資源。預(yù)計(jì)到2020年，黑龍江省主要秸稈理論資源量將達(dá)到6 500萬(wàn)t。然而，目前秸稈資源利用率較低，每年約有21%的秸稈資源被焚燒或廢棄[3]，對(duì)大氣環(huán)境構(gòu)成威脅。因此，實(shí)行科學(xué)有效的坡耕地水土資源保護(hù)，低碳環(huán)保的同時(shí)提高作物水分利用效率，達(dá)到增產(chǎn)保收，對(duì)促進(jìn)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

生物炭是以作物秸稈、動(dòng)物糞便為原材料的生物殘質(zhì)，在缺氧或完全斷氧的情況下，經(jīng)過高溫(小于700℃)熱解制成的一類穩(wěn)定難溶、高度芳香化結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料[4-5]。作為一種新型環(huán)保的土壤改良劑，生物炭孔隙度高、比表面積大、表面具有大量負(fù)電荷[6-7]，施入土壤中可明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤pH值[4,8-10]，強(qiáng)化土壤的持水性能，促進(jìn)雨水下滲[11-13]，吸附土壤養(yǎng)分并提高養(yǎng)分的有效性[14-18]，可為作物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，提高水肥利用效率，進(jìn)而提高產(chǎn)量[19-20]。

由此可見，生物炭在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用前景良好，如今已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。施加生物炭在保水保土方面作用顯著，SADEGHI等[21]通過模擬試驗(yàn)得出，利用酒糟生物炭可明顯減少地表徑流量和土壤潛在侵蝕，亦有眾多國(guó)外研究者得出相似結(jié)論[10,22]。目前國(guó)內(nèi)此方面研究較少，且大多數(shù)以室內(nèi)徑流模擬或短期觀測(cè)的形式為主。生物炭性質(zhì)穩(wěn)定，其對(duì)土壤的影響會(huì)長(zhǎng)期存在，將其施入黑土區(qū)田間的實(shí)際效果，以及生物炭最優(yōu)施加劑量與年際間連續(xù)施用的最優(yōu)模式尚需明晰[23]。筆者通過兩年田間試驗(yàn)，旨在探索黑土區(qū)坡耕地連續(xù)施加生物炭的土壤改良與節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)，為黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源可持續(xù)高效利用提供理論與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015、2016年在位于東北典型黑土帶的黑龍江省農(nóng)墾北安管理局紅星農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地進(jìn)行(北緯48°02′～48°17′，東經(jīng)126°47′～127°15′)，該區(qū)域?yàn)樾∨d安嶺西麓向松嫩平原的過渡丘陵漫崗地區(qū)，地勢(shì)由東向西傾斜，崗頂平緩，坡面較長(zhǎng)，坡度為3°～5°。耕層土壤主要為草甸黑土，表層松散，底土粘重，透水性差。該區(qū)屬中溫帶濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，大于等于10℃的有效積溫為2 254.5℃，日照時(shí)數(shù)為2 364.2 h，無霜期105 d左右；多年平均降雨量為553 mm，且多集中在7—9月，期間多年平均降雨量為401.7 mm，約占全年降雨量的70%～80%。

1.2 試驗(yàn)材料

供試土壤為草甸黑土。供試生物炭為玉米秸稈生物炭，購(gòu)自遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，制備方式為玉米秸稈在無氧條件下450℃高溫裂解，粒徑1.5～2 mm。供試土壤與生物炭基本理化性質(zhì)見表1。供試作物為大豆，品種為黑河三號(hào)。

表1 供試土壤與生物炭基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of tested soil and biochar

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 徑流小區(qū)實(shí)拍圖Fig.1 Real shot drawing of runoff plots

試驗(yàn)在徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，小區(qū)坡度選擇黑土區(qū)坡耕地有代表性的3°坡，規(guī)格20 m×5 m，共計(jì)10個(gè)徑流小區(qū)同向平行鋪設(shè)(圖1)。各小區(qū)末端設(shè)徑流自動(dòng)記錄系統(tǒng)，徑流經(jīng)記錄及取樣后流入小區(qū)底端的排水溝。為防止測(cè)滲，各小區(qū)邊界用埋入地下1 m深的鐵板隔開，每個(gè)小區(qū)間設(shè)置1 m間隔。試驗(yàn)按照生物炭施加量設(shè)置5個(gè)處理：C0(對(duì)照處理)、C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)、C100(100 t/hm2)。2016年試驗(yàn)在上一年的基礎(chǔ)上各處理連續(xù)施加等量生物炭，每個(gè)處理2次重復(fù)。生物炭在作物種植前經(jīng)人工翻耕充分混勻至0～20 cm耕層土壤中。

1.4 觀測(cè)內(nèi)容及處理方法

1.4.1土壤理化性質(zhì)

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2座小區(qū)各取2次重復(fù))，土樣實(shí)際含水率見表2。根據(jù)室內(nèi)測(cè)定威爾科克斯法測(cè)其田間持水量并借助DIK-1130型土壤三相儀測(cè)取其容重、孔隙度以及三相比，計(jì)算出廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)，為

GSSI=[(Xg-25)XyXq]0.476 9

(1)

式中Xg——固相體積百分比，大于25%

Xy——液相體積百分比

Xq——?dú)庀囿w積百分比

表2 各處理土樣實(shí)際含水率Tab.2 Actual soil moisture content of soil sample obtained by each treatment %

注：同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

在土壤耕層取土(取樣時(shí)間與重復(fù)次數(shù)同上)，利用德國(guó)Elementar Vario TOC有機(jī)碳分析儀測(cè)定總有機(jī)碳(TOC)含量，并過2 mm篩測(cè)得大于2 mm礫石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而計(jì)算土壤有機(jī)碳密度

SOC=0.1cρd(1-θ)

(2)

式中SOC——土壤有機(jī)碳密度，t/hm2

c——實(shí)測(cè)耕層有機(jī)碳含量，g/kg

ρ——耕層土壤容重，g/cm3

d——土壤耕層厚度，取20 cm

θ——土樣中大于2 mm礫石所占的質(zhì)量百分比，%

1.4.2降雨、地表徑流量

分別采用自記雨量計(jì)對(duì)作物全生育期各次降雨的降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，用設(shè)在各小區(qū)的徑流自動(dòng)記錄系統(tǒng)對(duì)各次降雨的產(chǎn)流量進(jìn)行測(cè)取。

1.4.3單次降雨雨水蓄積量

選取2015年8月19日和2016年8月18日2次典型次降雨(降雨后5 d未出現(xiàn)降雨)，利用時(shí)域反射儀(TDR)對(duì)土壤0～100 cm深度土壤含水率分層進(jìn)行測(cè)取。土壤深度分層為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm，土壤含水率測(cè)量時(shí)間包括降雨前和降雨后8、16、24、36、48、72、96、120 h。雨水蓄積量計(jì)算公式為

ΔWt=Wt-W0

(3)

式中 ΔWt——雨水蓄積量，mm

Wt——t時(shí)刻土壤儲(chǔ)水量，mm

W0——雨前土壤儲(chǔ)水量，mm

1.4.4大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

試驗(yàn)分別于2015年10月8日和2016年10月7日對(duì)大豆進(jìn)行收獲。在相同處理的2個(gè)徑流小區(qū)的坡上和坡下相應(yīng)位置選取2個(gè)10 m2的地塊，每個(gè)地塊隨機(jī)選5株豆稈測(cè)量單株莢數(shù)、單株粒數(shù)與百粒質(zhì)量等，并對(duì)所選地塊進(jìn)行實(shí)收測(cè)產(chǎn)，計(jì)算大豆產(chǎn)量。

1.4.5生育期耗水量ET與水分利用效率WUE

運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別得出生育期耗用量和水分利用效率，為

ET=P+I+ΔS-ΔR±Q

(4)

WUE=Y/ET

(5)

式中ET——作物生育期耗水量，mm

P——作物生育期內(nèi)降水量，mm

I——作物生育期內(nèi)灌水量，本試驗(yàn)作物生育期內(nèi)未灌水，取0 mm

ΔS——收獲期與播種期0～100 cm土壤儲(chǔ)水量之差，mm

ΔR——地表徑流量，mm

Q——地下水交換量(試驗(yàn)區(qū)地下水埋深40 m，可忽略不計(jì))，mm

WUE——水分利用效率，kg/(mm·hm2)

Y——作物產(chǎn)量，kg/hm2

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

利用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和圖表的繪制，采用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和單因素方差分析(One-way ANOVA)，并進(jìn)行多重比較，顯著性水平為0.05。對(duì)各年份大豆產(chǎn)量與生物炭施加量運(yùn)用Spearman等級(jí)相關(guān)分析方法進(jìn)行相關(guān)分析，顯著性水平為0.05。

2 觀測(cè)結(jié)果與分析

2.1 施加生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

如表3所示，2015年施加生物炭有效降低了土壤容重，較對(duì)照處理降低0.86%～6.03%。土壤孔隙度呈上升趨勢(shì)，較C0處理增加4.03%～12.90%；2016年施加生物炭后土壤容重與孔隙度變化趨勢(shì)與上一年相同，容重最高降低8.70%，孔隙度最高增加23.40%，且影響差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。以上變化均取決于生物炭多孔性、容重小且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于土壤容重的結(jié)構(gòu)特征，施入土壤必然改變?cè)翗拥目紫稜顩r，即降低土壤容重和增加孔隙度。施入量越多，影響則越強(qiáng)烈。

表3 各處理土壤的理化性質(zhì)Tab.3 Physicochemical properties of treated soils

2015年各處理實(shí)測(cè)田間持水量隨施加炭量的增加而逐漸提高，較C0提高1.89%～8.14%；2016年連續(xù)施加后，提高土壤田間持水量至C50處理表現(xiàn)最優(yōu)，較C0提高10.91%，之后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。此外，2016年試驗(yàn)C50處理累積加炭量為100 t/hm2，較2015年相同生物炭施加量的C100處理土壤持水能力的提升表現(xiàn)更佳。生物炭特有的物理特性可極大地降低土壤容重，再加上其表面巨大的比表面積以及親水基團(tuán)，進(jìn)一步提高了土壤持水能力。然而有研究[24]認(rèn)為，生物炭中有機(jī)物多含疏水性基團(tuán)，施加量過高會(huì)增加斥水性，這可能是高炭量處理持水效果減弱的原因之一。

土壤有機(jī)碳是較活躍的土壤組分，決定土壤肥力和作物產(chǎn)量[25]，維持著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[26]。有機(jī)碳密度是指一定土層厚度中所含有機(jī)碳的質(zhì)量。通過兩年的試驗(yàn)(表3)，施用生物炭后各年份產(chǎn)生的規(guī)律一致，即土壤有機(jī)碳含量與生物炭施加量之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，2015與2016年施用生物炭后土壤有機(jī)碳密度較當(dāng)年C0處理提高幅度分別31.4%～102.6%、62.2%～246.3%。

2.2 施加生物炭對(duì)土壤三相比的影響

2015、2016年各處理土壤三相比見圖2，表4顯示的是各處理的廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)GSSI，GSSI值越接近100，土壤結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)。資料顯示[27]，最適合作物生長(zhǎng)的理想土壤三相比為50∶25∶25。

圖2 2015、2016年試驗(yàn)各處理土壤三相比Fig.2 Soil three-phase ratio tested in 2015 and 2016

年份C0C25C50C75C100201594.12a94.97ab97.25bc96.84bc96.40bc201693.85a96.69b98.31cd93.58a93.30a

由圖2a可看出，2015年施加生物炭對(duì)土壤含水率與土壤容重產(chǎn)生影響，土壤三相比發(fā)生變化。固相率呈下降趨勢(shì)，液相與氣相率分別上升了6.34%～40.91%、8.01%～25.88%。與其他處理相比，GSSI最高的是C50處理(表4)，最接近理想狀態(tài)。此外，C75和C100處理的土壤結(jié)構(gòu)改善效果也均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

由圖2b中可看出，2016年各處理土壤固相率仍保持降低的趨勢(shì)，累積施炭量較高的C75和C100處理固相率下降程度過大，遠(yuǎn)離土壤固相率最佳狀態(tài)50%，同時(shí)液相率也出現(xiàn)降低，兩處理GSSI與C0未表現(xiàn)出顯著差異，甚至低于C0處理。該年份土壤三相比最為合理的同樣是C50處理，GSSI較C0處理提高了4.75%，差異顯著(P<0.05)。由此可見，適量生物炭可提高土壤含水率與通透性，過量反而會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)松散變差。

綜合兩年試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，施加秸稈生物炭50 t/hm2，施加年限為2a時(shí)，對(duì)草甸黑土結(jié)構(gòu)改善程度相對(duì)較好，該處理GSSI值為98.31，高于其他處理。

2.3 施加生物炭對(duì)年徑流量的影響

2015年和2016年各處理年徑流深R以及徑流系數(shù)α見表5。

表5 各年份以及各處理的年徑流深R和徑流系數(shù)αTab.5 Annual runoff R and runoff coefficient α in each year

施加秸稈生物炭有效地減少了3°坡耕地的年徑流量，2015年減流效果最優(yōu)的為C75處理，年徑流量相比C0減少15.44%，α由高到低為C0、C25、C50、C100、C75；2016年α由高到低為C0、C100、C75、C25、C50，這一年中生物炭施加量為50 t/hm2徑流控制效果最為顯著，較對(duì)照處理年徑流量降低17.27%。對(duì)比兩年試驗(yàn)結(jié)果來看，2016年C50處理抑制徑流效果同樣優(yōu)于2015年同炭量的C100處理，減流率增加2.6個(gè)百分點(diǎn)。即便是生物炭的多年累積施加量相同，但施加量在年度上的分配不同，其徑流控制效果也不相同。為達(dá)到坡耕地節(jié)水保土最優(yōu)效果，應(yīng)注重生物炭施用量在年際間的合理分配。

2.4 施加生物炭對(duì)單次降雨后雨水蓄積量的影響

選取2015年8月19日和2016年8月18日兩次典型降雨，兩次降雨后5 d內(nèi)(未降雨)對(duì)各處理土層深度0～100 cm的土壤雨水蓄積量以及隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)從雨后8 h開始，時(shí)間間隔為8、12、24 h。

由于水分的蒸騰與植物的耗水持續(xù)進(jìn)行，降雨后各處理土壤的雨水蓄積量均隨時(shí)間的推移逐漸減少，甚至達(dá)到負(fù)值。2015年8月19日降雨歷時(shí)145 min，降雨量35.5 mm，平均降雨強(qiáng)度12.92 mm/h。如圖3a所示，降雨后24～72 h各處理雨水蓄積量下降幅度均有所增加，C0和C25處理下降幅度較大。72 h之后，施加生物炭量50 t/hm2以上的處理下降速率有所減緩，進(jìn)入緩慢下降期。從雨水蓄積量高低來看，各處理均在雨后即達(dá)到最大值，施加生物炭明顯增加了0～100 cm土層深度的雨水蓄積量，較對(duì)照處理提高16.86%～55.21%。

2016年8月18日降雨歷時(shí)107 min，降雨量48.4 mm，平均雨強(qiáng)為23.80 mm/h。如圖3b所示，雨水蓄積量整體變化趨勢(shì)與上一年相似。C25與C50處理的雨水蓄積量較高，且對(duì)雨水蓄積量下降速率的減緩效果表現(xiàn)較好。原因可能是生物炭可增加土壤孔隙度與非飽和導(dǎo)水率，促進(jìn)雨水下滲至土層中，使得土壤含水率大幅度增加，此外，生物炭對(duì)水分的吸持作用降低了雨水蓄積量下降的速率。

圖3 降雨后0～100 cm土層雨水蓄積量變化Fig.3 Change of rainwater accumulation in 0～100 cm soil after rainfall

2.5 施加生物炭對(duì)大豆產(chǎn)量以及水分利用效率的影響

2.5.1對(duì)大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同處理的大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素見表6。2015年試驗(yàn)表明，施加生物炭對(duì)大豆產(chǎn)量以及各構(gòu)成因素均有積極影響，大豆產(chǎn)量隨生物炭施加量的增加呈先增后降的趨勢(shì)，兩者之間的Spearman相關(guān)系數(shù)為0.906(相關(guān)性在P=0.05水平顯著)。增產(chǎn)效果最好的為C75處理，相比C0處理對(duì)單株莢數(shù)與單株粒數(shù)2個(gè)要素的提高達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)百粒質(zhì)量的提高達(dá)到顯著水平(P<0.05)，大豆增產(chǎn)率為27.16%；2016年連續(xù)施加生物炭對(duì)大豆各產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響依然顯著(P<0.05)。各處理產(chǎn)量仍呈先增后降的趨勢(shì)，但與2015年不同，增產(chǎn)率至C50處理最高，為28.17%(P<0.05)。C75與C100處理增產(chǎn)效果下降，增產(chǎn)率為15.33%和11.90%(相比C0處理效果不顯著)。該年份大豆產(chǎn)量與生物炭施加量間的Spearman相關(guān)系數(shù)為0.600(相關(guān)性在P=0.05水平不顯著)，說明施加生物炭量過高使得大豆的增產(chǎn)效果降低，兩者相關(guān)性減弱。生物炭施入過量導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差、持水能力減弱，對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響。

表6 各處理大豆產(chǎn)量與構(gòu)成要素Tab.6 Soybean yield and components of each treatment

注：表中各數(shù)據(jù)采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式。

2.5.2對(duì)大豆水分利用效率的影響

表7為2015、2016年試驗(yàn)各處理的大豆生育期耗水量(ET)與水分利用效率(WUE)。2015年各處理大豆WUE由高到低排序?yàn)镃75、C100、C50、C25、C0，施加生物炭處理的WUE值均高于對(duì)照處理，提高幅度為6.16%～25.03%；2016年連續(xù)施加生物炭后對(duì)大豆WUE同樣產(chǎn)生不同程度提升效果，呈先升后降的趨勢(shì)，C50處理表現(xiàn)最優(yōu)，較C0處理提高27.67%，其后依次是C75、C100、C25處理，WUE分別提高11.91%、10.40%、9.68%。

表7 2015和2016年各處理大豆生育期耗水量與水分利用效率Tab.7 Water consumption and water use efficiency in soybean growth periods in 2015 and 2016

綜合兩年試驗(yàn)分析，連續(xù)施加2年生物炭50 t/hm2對(duì)大豆WUE的提高效果要比一次性施加100 t/hm2理想，WUE增長(zhǎng)率高于后者4.32個(gè)百分點(diǎn)。大豆的產(chǎn)量與生育期耗水量共同影響著其水分利用效率，施加生物炭強(qiáng)化了土壤對(duì)雨水的吸持與儲(chǔ)存，減少地表流失，使得土壤水分更充分地補(bǔ)給作物根部。第一年生物炭最優(yōu)施加量為75 t/hm2，連續(xù)施加兩年50 t/hm2的生物炭對(duì)提高大豆WUE會(huì)達(dá)到更優(yōu)的效果。

3 討論

近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)坡耕地水土流失治理措施方面已進(jìn)行大量研究[28-29]，大多有效措施存在工程量大、投入成本較高的問題。生物炭通過施入土壤即可改善土壤結(jié)構(gòu)，達(dá)到節(jié)水保土的目的。該措施彌補(bǔ)了上述問題的同時(shí)，也具有較高的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益。

本研究得出，秸稈生物炭可降低草甸黑土容重并提高孔隙度和土壤有機(jī)碳密度，且影響效果與生物炭施加量與施加年限呈正相關(guān)，這與魏永霞等[13]、尚杰等[18]研究成果結(jié)論一致。施加生物炭第1年各處理土壤田間持水量呈上升趨勢(shì)，不同的是連續(xù)第2年施加各處理呈先升后降的趨勢(shì)，生物炭量過高的處理對(duì)增強(qiáng)土壤持水性能的效果下降，這與PENG等[24]、DUGAN等[30]結(jié)論一致。上述影響均在土壤三相比的變化上有所體現(xiàn)，第一年施加生物炭土壤容重發(fā)生改變，土壤固相體積比例降低，液相和氣相體積比例隨之增高，從而土壤的含水率和通氣性增加，土壤結(jié)構(gòu)較為合理，GSSI得以提高。連續(xù)兩年施加50 t/hm2生物炭時(shí)土壤結(jié)構(gòu)得以最大程度地改善，施加量過高導(dǎo)致土壤性狀松散，GSSI也出現(xiàn)降低。

對(duì)于年降雨徑流量的觀測(cè)表明，施用生物炭可有效減少3°坡耕地的年徑流量，2015和2016年減流量最大的處理分別為C75和C50，較當(dāng)年對(duì)照處理減少15.44%、17.27%，SADEGHI等[21]通過模擬試驗(yàn)得出相似規(guī)律。施加適量生物炭還增加了單次降雨0～100 cm土層深度雨水蓄積量并減緩其隨時(shí)間下降的速率和幅度。

試驗(yàn)各年份施加生物炭大幅提高了大豆的產(chǎn)量，該結(jié)果與房彬等[8]、OBIA等[12]一致。第1年施加生物炭75 t/hm2時(shí)，在幾種試驗(yàn)處理中增產(chǎn)效果最優(yōu)；而連續(xù)兩年(第2年)施加生物炭50 t/hm2時(shí)，大豆產(chǎn)量的增幅則最大。這是由于適量的生物炭改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤中水分與有機(jī)質(zhì)的含量，土壤碳氮比隨之升高，土壤中氮素和其他養(yǎng)分的含量增加，土壤對(duì)大豆生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分供應(yīng)能力得以提升。此外，李曉龍等[27]通過研究發(fā)現(xiàn)，生物炭通過改善土壤物理結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)耕層土壤中作物下層的細(xì)根生長(zhǎng)。過量施用生物炭時(shí)，土壤的結(jié)構(gòu)不再適宜作物生長(zhǎng)，其持水能力也會(huì)減弱，另有可能過高的C/N會(huì)導(dǎo)致土壤氮固定[31]，土壤肥力下降。

綜合兩年試驗(yàn)的結(jié)果，連續(xù)施加兩年生物炭50 t/hm2時(shí)改善土壤結(jié)構(gòu)與提高大豆水分利用效率的程度均達(dá)到最大，其效果優(yōu)于2015年一次性施加生物炭100 t/hm2的處理。因此，即便是在施加量相同的前提下，應(yīng)注重其施加年際間的合理分配，以達(dá)到更加突出的效果。

面臨著東北黑土區(qū)大面積墾殖的過程中造成的大片坡耕地水土流失等環(huán)境問題，為防治黑土退化，促進(jìn)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源可持續(xù)利用，保障國(guó)家糧食安全，開展黑土區(qū)坡耕地水土保持與節(jié)水增產(chǎn)理論與技術(shù)研究十分必要。在全球?qū)烫紲p排高度關(guān)注以及農(nóng)業(yè)環(huán)境日益惡化的背景下，對(duì)生物質(zhì)資源利用的必要性日漸突出[3]，生物炭作為土壤改良劑可促進(jìn)當(dāng)?shù)刎S富的秸稈資源循環(huán)高效利用，研究前景廣闊。本試驗(yàn)在田間徑流小區(qū)中進(jìn)行，受自然等試驗(yàn)因素影響較大，本文僅分析了連續(xù)2年施加生物炭的情況，對(duì)于連續(xù)多年施加生物炭及其之后的效應(yīng)問題，有待加長(zhǎng)試驗(yàn)?zāi)晗?，進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

(1)施加秸稈生物炭可降低草甸黑土的容重，增加孔隙度，2年試驗(yàn)中影響程度均與生物炭施加量呈顯著正相關(guān)。2015年各處理田間持水量隨生物炭施加量的增加而升高，2016年C50處理田間持水量增加效果達(dá)到最優(yōu)，C75和C100處理土壤持水性能下降。土壤有機(jī)碳密度各年份增加幅度分別為31.4%～102.6%、62.2%～246.3%，均達(dá)到顯著水平。

(2)施加適量生物炭可改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤液相率與氣相率，土壤含水率與通氣性明顯提高。連續(xù)兩年施加生物炭50 t/hm2，GSSI值高于其他處理，土壤結(jié)構(gòu)得到較大程度改善。

(3)施加生物炭可以減少3°坡耕地年徑流量。2015年C75處理減流效果最佳，徑流系數(shù)降低15.44%；2016年表現(xiàn)最佳為C50處理，減流率為17.27%。施入適量生物炭還增加了單次降雨后0～100 cm土層深度的雨水蓄積量，并使其隨時(shí)間變化呈緩慢下降的趨勢(shì)。

(4)施用生物炭對(duì)大豆的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均有積極影響，同時(shí)對(duì)大豆WUE的影響程度也較大。2015年表現(xiàn)最佳的處理為C75，增產(chǎn)率為27.16%，WUE較C0提高25.03%；2016年連續(xù)施加的最佳施炭量為50 t/hm2，增產(chǎn)率為28.17%，其WUE較C0提高27.67%，對(duì)坡耕地節(jié)水增產(chǎn)的積極效應(yīng)更加突出。

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