生物炭對(duì)坡耕地土壤肥力和大豆產(chǎn)量的影響與預(yù)測(cè)

魏永霞 王 鶴 劉 慧 吳 昱

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

0 引言

東北黑土區(qū)是世界四大黑土區(qū)之一，是我國(guó)重要的商品糧基地。東北黑土區(qū)土壤肥沃、有機(jī)質(zhì)含量較高、結(jié)構(gòu)性好，有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)[1]。由于水土流失嚴(yán)重，主要耕作區(qū)黑土層厚度僅為20～40 cm，遠(yuǎn)低于土地開(kāi)墾初期(80～100 cm)，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，土壤持水性及穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)環(huán)境惡化[2]，作物產(chǎn)量下降，直接威脅著國(guó)家的糧食安全。

生物炭是指在限氧或無(wú)氧環(huán)境條件下，通過(guò)高溫(一般小于700℃)裂解將農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)經(jīng)炭化而形成的一種穩(wěn)定難溶、高度芳香化、碳含量極其豐富(高達(dá)60%)的固態(tài)產(chǎn)物[3]。秸稈炭化利用可有效減輕東北地區(qū)焚燒秸稈所造成的環(huán)境污染。早有研究表明，生物炭施入土壤，可降低土壤容重，提高總孔隙率，改善土壤持水性能[4]，提高土壤含水率和降水入滲量[5]，特別是增加土壤中的有效水含量[6]；生物炭還可以提高土壤肥力，創(chuàng)造作物生長(zhǎng)的有利條件，進(jìn)而達(dá)到作物增產(chǎn)的目的[7]。李興等[8]探究生物炭對(duì)沙壤土水分特征的影響，發(fā)現(xiàn)在沙壤土區(qū)施用生物炭可以增加土壤持水能力，且干土加60 g/kg的生物炭處理效果最好；李昌見(jiàn)等[9]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能改變土壤物理性質(zhì)、提高水肥利用率、減少肥料淋失，改良砂壤土的最適生物炭用量為40 t/hm2；胡敏等[10]研究得出，生物炭顯著提高有機(jī)質(zhì)、速效磷、有效鉀以及堿解氮等養(yǎng)分含量，通過(guò)生物炭對(duì)水肥熱的改善使得玉米產(chǎn)量增加；文獻(xiàn)[11-13]發(fā)現(xiàn)，添加生物炭后可提高煙草、甘蔗和番茄的產(chǎn)量，施用生物炭后番茄可增產(chǎn)64%左右；房彬等[14]通過(guò)大田試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，生物炭處理后玉米產(chǎn)量平均提高13.9%；黃超等[15]通過(guò)在紅壤土中施加不同含量生物炭得出，200 g/kg處理對(duì)黑麥草增產(chǎn)效果最為顯著，增產(chǎn)率高達(dá)53%。

目前，關(guān)于施加生物炭后效果持續(xù)性的研究很少。因此，在僅施用一次生物炭后2年內(nèi)不再施加生物炭的試驗(yàn)條件下，本文探究3年黑土區(qū)大豆增產(chǎn)及土壤肥力改善等后效應(yīng)，并應(yīng)用改進(jìn)的灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)2019—2021年各處理大豆產(chǎn)量，探索黑土區(qū)坡耕地施加生物炭的持續(xù)效應(yīng)，旨在為東北黑土區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源高效可持續(xù)利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地(北緯45°43′09″，東經(jīng)126°36′35″)，總面積55 hm2，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫3.1℃，全年無(wú)霜期130～140 d，多年平均水面蒸發(fā)量796 mm，耕地土壤多以壤土為主，入滲能力弱，典型坡耕地坡度為2°～5°。年降水量400～650 mm，降水集中且歷時(shí)較短，僅7—9月的降水量就占全年降水總量70%以上。該區(qū)主要糧食作物為大豆和玉米。

1.2 試驗(yàn)材料

供試生物炭購(gòu)于遼寧金和福開(kāi)發(fā)有限公司，采用玉米秸稈在450℃無(wú)氧條件下燒制而成，其基本理化性質(zhì)如表1所示。供試大豆品種為黑河3號(hào)。供試土壤主要以壤土為主，有效磷(P2O5)質(zhì)量比為16.9 mg/kg，銨態(tài)氮(N)質(zhì)量比為100.9 mg/kg，速效鉀(K2O)質(zhì)量比為280.1 mg/kg，pH值6.27，黑土土壤容重為1.22 g/cm3，0～80 cm土層平均田間持水率為29.4%。

表1 生物炭的基本性質(zhì)Tab.1 Biochar basic feature

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，小區(qū)規(guī)格為2 m×5 m，坡度選擇1.5°、3°、5° 共3種在東北黑土區(qū)比較有代表性的坡度。每種坡度分別設(shè)置施加生物炭和不施加生物炭處理，小區(qū)編號(hào)分別為T(mén)1.5、T3、T5和CK1.5、CK3、CK5，共計(jì)6個(gè)小區(qū)。根據(jù)前期研究成果[16]，生物炭施用量選擇施用后增產(chǎn)效果較好的75 t/hm2，生物炭?jī)H在2016年施用，2017、2018年不再施加。各徑流小區(qū)采用相同的施肥方案，化肥施用量與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施加水平一致并以底肥形式一次性施入，生物炭施用方法為2016年播種前將生物炭粉均勻鋪灑于土壤表面，人工攪拌至與0～20 cm表層土壤充分均勻混合后靜止待用。

1.4 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.4.1土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各項(xiàng)指標(biāo)

每年大豆成熟后取各小區(qū)耕層土壤為試驗(yàn)樣品，根據(jù)干篩各級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比配比配取土樣50 g，放入篩組中進(jìn)行濕篩，濕篩組由孔徑為0.1、0.25、0.5、1、2、5 mm篩子組成，每次振蕩20 min，頻率為40次/min。濕篩儀器為ZY200-Ⅱ型土壤團(tuán)粒分析儀，測(cè)得各篩余量，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性的各項(xiàng)指標(biāo)：大于0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(R0.25)、土壤不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(ELT)、平均質(zhì)量直徑(Mean weight diameter, MWD)以及幾何平均直徑(Geometric mean diameter, GMD)，計(jì)算公式分別為[17-19]

(1)

ELT=1-R0.25

(2)

(3)

(4)

式中Wd>0.25——粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量，g

WT——供試土樣的總質(zhì)量，取50 g

Wi——i級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量，g

PMWD——平均質(zhì)量直徑，mm

PGMD——幾何平均直徑，mm

1.4.2土壤化學(xué)指標(biāo)

采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量；堿解擴(kuò)散法測(cè)定銨態(tài)氮含量；使用Olsen法，采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷含量；1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定速效鉀含量；PHS-3C型酸度計(jì)測(cè)量pH值。

1.4.3大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

于各年大豆收獲時(shí)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)徑流小區(qū)內(nèi)大豆總株數(shù)，然后于每個(gè)小區(qū)分別隨機(jī)取3株大豆植株，測(cè)定每株大豆植株的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)，并在收獲結(jié)束后測(cè)量每個(gè)徑流小區(qū)大豆的總產(chǎn)量和百粒質(zhì)量。

1.5 產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法

本文大豆產(chǎn)量采用改進(jìn)的多變量灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.5.1多變量灰色預(yù)測(cè)模型的改進(jìn)

1982年鄧聚龍教授提出的灰色理論是將原數(shù)據(jù)累加成具有規(guī)律性的數(shù)據(jù)列，然后根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)列建立白色化形式的微分方程，白色化形式微分方程的解即為灰色預(yù)測(cè)模型[20]?；疑Ｐ褪腔谝浑A常微分方程建立的，稱(chēng)一階一元灰色模型，記GM(1,1)[21]，本試驗(yàn)考慮多變量故將GM(1,1)擴(kuò)展為GM(1,N)，GM(1,N)表示為一階N元的微分方程的解，可用來(lái)表示N個(gè)變量的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)變化[22]。經(jīng)典GM(1,N)模型為

(5)

a——發(fā)展系數(shù)

bi——驅(qū)動(dòng)項(xiàng)系數(shù)

改進(jìn)后模型變?yōu)?/p>

(6)

經(jīng)系列運(yùn)算可得到復(fù)合梯形預(yù)測(cè)函數(shù)為

(7)

式中f(t)——平滑延時(shí)協(xié)調(diào)函數(shù)

u(t-2)——單位階躍函數(shù)

1.5.2灰色預(yù)測(cè)模型檢驗(yàn)

預(yù)測(cè)結(jié)束后利用所得的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行事后檢驗(yàn)，誤差在一定范圍內(nèi)才可應(yīng)用于預(yù)測(cè)問(wèn)題分析。

(1)事前檢測(cè)

圖1 各處理各級(jí)土壤團(tuán)聚體含量的變化Fig.1 Changes in content of soil agglomerates at all levels

(2)殘差檢驗(yàn)

絕對(duì)誤差

ε(0)(t)=x(0)(t)-(0)(t) (t=1,2,…,n)

相對(duì)誤差

Δ(t)越小越好，一般要求Δ(t)<20%。

(3)關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)

關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中ρ——分辨系數(shù)，通常取0.5

關(guān)聯(lián)度

當(dāng)R>0.6時(shí)，說(shuō)明模型基本可以達(dá)到較為滿(mǎn)意的預(yù)測(cè)效果。

(4)后驗(yàn)差檢驗(yàn)

灰色模型精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[23]。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2010、Origin 9.0進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理和繪圖，利用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析和回歸分析，顯著性水平為0.05、0.01，使用最小顯著極差法(LSD法)進(jìn)行多重比較，采用改進(jìn)的多變量灰色理論模型預(yù)測(cè)未來(lái)3年大豆產(chǎn)量。各年相關(guān)參數(shù)測(cè)定按坡上、坡中、坡下3點(diǎn)取樣，3次重復(fù)，取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)坡耕地土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

2.1.1生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體數(shù)量的影響

土壤團(tuán)聚體指土壤中大小、形狀不一、且具有不同孔隙度、機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)單位，一般把粒徑大于0.25 mm的結(jié)構(gòu)單位稱(chēng)為土壤大團(tuán)聚體。圖1為各處理各級(jí)土壤團(tuán)聚體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的變化，由圖1可知，無(wú)論施炭與否土壤團(tuán)聚體中直徑d<0.25 mm的團(tuán)聚體含量均為最高，施炭組最高范圍在27.34%～43.62%之間，未施炭組最高范圍在49.98%～57.40%，土壤團(tuán)聚體中d>5 mm的團(tuán)聚體含量最少，為2%～4.78%。

2016年在相同坡度時(shí)，施炭處理d<0.25 mm的團(tuán)聚體含量較未施炭處理明顯下降，其余直徑的團(tuán)聚體含量施炭組均比未施炭組有所增加；當(dāng)d<0.25 mm時(shí)，各坡度團(tuán)聚體含量由大到小依次為T(mén)5、T3、T1.5，當(dāng)d>0.25 mm時(shí)，各級(jí)團(tuán)聚體含量均隨坡度增大而減少。2016年施加生物炭后2017、2018年雖未施炭，但各級(jí)團(tuán)聚體含量的比例變化關(guān)系同2016年一致，唯一不同之處是施炭處理的變化幅度有所弱化。當(dāng)d<0.25 mm時(shí)，2016年CK1.5、CK3、CK5團(tuán)聚體含量分別為49.98%、52.28%、54.58%，T1.5、T3、T5含量分別為27.34%、33.18%、35.32%，1.5°、3°、5°各坡度減小率為60.63%、57.56%、54.53%，2017年T1.5、T3、T5比CK1.5、CK3、CK5團(tuán)聚體含量分別減小了59.07%、43.59%、38.61%，T1.5、T3、T5比CK1.5、CK3、CK5團(tuán)聚體含量減小率在2018年分別為56.12%、39.15%、31.59%，d<0.25 mm的團(tuán)聚體含量隨年份增加減小程度逐漸減弱。當(dāng)d>0.25 mm(土壤大團(tuán)聚體)時(shí)，施炭處理比未施炭處理的大團(tuán)聚體含量增加，相同處理不同年份間大團(tuán)聚體含量隨年份增加而減少，1.5°坡度在2016、2017、2018年施炭組大團(tuán)聚體的含量較未施炭組增加率達(dá)46.31%、44.31%、38.97%，3°坡度各年增加率為42.40%、34.74%、33.35%，5°坡度時(shí)各增加率分別為40.03%、34.66%、32.35%，各坡度的增加幅度也隨年限增加而減弱，這主要可能與施加生物炭后的時(shí)間有關(guān)，生物炭自身所含元素隨時(shí)間發(fā)生降解，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的有效成分也隨年限增加而減少。

2.1.2生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

常用的反映水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性狀況基本指標(biāo)有R0.25、MWD、GMD和ELT等，R0.25、MWD、GMD越大說(shuō)明土壤團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[24]，ELT隨土壤退化程度增強(qiáng)而增大，ELT越小說(shuō)明土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定[25]，不同處理對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響見(jiàn)表2。

相同年份，R0.25由大到小依次為T(mén)1.5、T3、T5、CK1.5、CK3、CK5；不同年份，R0.25均以1.5°坡度的施炭處理最大，分別為72.66%、70.02%、66.88%。2016、2017、2018年MWD在T1.5處理時(shí)最大，分別高達(dá)1.119 2、0.967 8、0.914 1 mm，同一年中，3個(gè)坡度施炭處理的MWD顯著增加，MWD由大到小依次為1.5°、3°、5°。3年GMD在施加生物炭的處理較未施炭處理均顯著增加，年份相同時(shí)，坡度越小GMD越大；年份不同時(shí)，同一坡度年份越小GMD越大。ELT3年中均以1.5°小區(qū)施加生物炭處理最小，2016、2017、2018年ELT最小分別為27.34%、29.98%、33.12%；同一年1.5°、3°、5°坡度施炭后ELT逐漸增加。說(shuō)明2016、2017、2018年施炭處理的R0.25、MWD和GMD較未施用處理均顯著增加(P<0.05)，ELT顯著減小(P<0.05)，且各穩(wěn)定性指標(biāo)隨著坡度、施炭年限的增加各變化幅度減弱。表明施用生物炭可以增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且穩(wěn)定性隨施炭后年限延長(zhǎng)而減弱，也就是說(shuō)僅施用一次生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的促進(jìn)效果逐年削弱。

表2 不同處理的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Tab.2 Stability index of soil agglomerates treated differently

注：同一年不同小寫(xiě)字母表示同一年各處理差異顯著，下同。

2.2 生物炭對(duì)坡耕地土壤pH值及養(yǎng)分的影響

2.2.1生物炭對(duì)土壤pH值的影響

2016、2017、2018年不同處理土壤pH值變化如圖2所示，年份相同時(shí)，施用生物炭處理比未施用生物炭處理的土壤pH值增大，且施炭處理的土壤pH值增長(zhǎng)幅度隨地形坡度增大而減小，2016、2017、2018年均以1.5°坡度的土壤pH值增加率最大，分別為17.88%、17.68%、14.63%；對(duì)2016、2017、2018年各處理進(jìn)行顯著性分析可知，P2016=0.007、P2017=0.025、P2018=0.040，說(shuō)明2016年施炭處理與對(duì)照處理間差異極顯著(P<0.01)，2017、2018年差異顯著(P<0.05)。表明僅施加一次生物炭后，在施用當(dāng)年對(duì)土壤pH值作用極顯著，施用次年和第3年對(duì)土壤pH值作用顯著，但不及施用當(dāng)年，可能是由于生物炭施到土壤中逐漸降解，雖自身呈堿性，但第1年施入土壤改善pH值后并沒(méi)有持續(xù)施炭，僅有施用當(dāng)年剩余生物炭，導(dǎo)致對(duì)土壤pH值的影響也逐漸減弱。

圖2 不同處理的土壤pH值變化Fig.2 Soil pH value of different treatments

2.2.2生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2017年施炭處理比未施炭處理的土壤銨態(tài)氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量各自平均增加25.99%、18.11%、16.69%；2018年施炭處理銨態(tài)氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)較未施炭處理平均分別增加了25.45%、17.71%、13.45%，2017、2018年各指標(biāo)變化趨勢(shì)與2016年一致，3個(gè)指標(biāo)影響顯著性從大到小順序依舊為銨態(tài)氮、有效鉀、有機(jī)質(zhì)，有效磷含量施炭組與對(duì)照組差異不顯著。不同之處是3年施炭組銨態(tài)氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量增加幅度隨年限增長(zhǎng)遞減，施炭年限增加致使生物炭對(duì)土壤改良效果減弱，因?yàn)橥寥来髨F(tuán)聚體含量增長(zhǎng)率減少，使得含養(yǎng)土團(tuán)減少，導(dǎo)致各養(yǎng)分指標(biāo)含量減??；2018年施炭后銨態(tài)氮養(yǎng)分等級(jí)由原來(lái)的3級(jí)上升為2級(jí)，有機(jī)質(zhì)、有效磷都保持在3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，速效鉀等級(jí)仍保持1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明僅施加一次生物炭后隨年限增加對(duì)土壤肥力的改善能力減弱，表明生物炭的作用隨時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸衰減，目前本試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示3年生物炭對(duì)養(yǎng)分的影響仍然有效。

表3 3年不同處理的土壤養(yǎng)分質(zhì)量比Tab.3 Soil nutrient content treated differently within three years g/kg

表4 土壤養(yǎng)分等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Grading standard of soil nutrient grade g/kg

2.3 生物炭對(duì)坡耕地大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

2.3.1生物炭對(duì)大豆產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

表5為3年各處理大豆產(chǎn)量的構(gòu)成要素。對(duì)于單株莢數(shù)，2016年T1.5、T3、T5比相同坡度對(duì)照組分別增加35.14%、27.78%、25.71%，2017年分別增加26.32%、25%、22.86%，2018年分別增加23.68%、21.62%、14.29%。2016年施炭后單株粒數(shù)增長(zhǎng)率在21.79%～30.12%之間，2017、2018年分別為21.05%～28.05%、19.74%～27.16%，3年內(nèi)均以T1.5處理的單株粒數(shù)增加最大。施用生物炭在1.5°坡度時(shí)3年對(duì)大豆百粒質(zhì)量的增加率分別為20.40%、18.58%、18.40%，3°坡度各年百粒質(zhì)量的增加率分別為17.78%、17.23%、17%，5°坡度各年增長(zhǎng)了15.04%、14.93%、13.54%。說(shuō)明單次施用生物炭對(duì)大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量均有增加效果，且同坡度呈負(fù)相關(guān)，2016、2017、2018年單株莢數(shù)與坡度相關(guān)系數(shù)分別為-0.285、-0.334、-0.481，3年單株粒數(shù)與坡度相關(guān)系數(shù)為-0.329、-0.36、-0.343，3年百粒質(zhì)量與坡度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.301、-0.303、-0.342；同時(shí)從大豆各產(chǎn)量構(gòu)成要素增加率可以得出，施炭后年限越長(zhǎng)各構(gòu)成要素指標(biāo)增加幅度越小，這是因?yàn)槭┨亢竽晗拊介L(zhǎng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)效果越弱，土壤養(yǎng)分含量改善效果越弱，致使土壤肥力逐年相對(duì)減弱，進(jìn)而使得大豆各構(gòu)成要素增幅減弱。

表5 3年各處理大豆產(chǎn)量構(gòu)成要素Tab.5 Constituent factors of soybean yield for each treatment in three years

2.3.2生物炭對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

施用生物炭最根本目的是通過(guò)生物炭來(lái)調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)、持水性能、養(yǎng)分含量等，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)的作用。由圖3可知，相同年份各坡度施炭處理較未施炭處理產(chǎn)量均增加顯著(P<0.05)，并且隨坡度增加增產(chǎn)率逐漸減??；不同年間相同坡度大豆增產(chǎn)率隨年限增加而減小(圖4)，2016、2017、2018年大豆產(chǎn)量的最大增產(chǎn)率分別為26.29%、25.90%、25.24%。施炭與否、坡度、施炭后年限3個(gè)因素對(duì)大豆產(chǎn)量均有影響，為進(jìn)一步探究3者對(duì)增產(chǎn)的顯著程度，建立產(chǎn)量(y)關(guān)于施炭與否、坡度和施炭后年限的回歸方程，其中施炭與否(x1)為定性變量，x1取0表示不施用生物炭，取1表示施用生物炭，坡度因子(x2)和施炭后年限因子(x3)為定量變量，得回歸方程

y=479.778x1-61.829x2-59.5x3+2 242.13
(R2=0.964，F(xiàn)=151.193，P<0.001)

(8)

圖3 3年各處理的大豆產(chǎn)量Fig.3 Soybean production treated in three years

圖4 3年各處理大豆增產(chǎn)率的變化曲線(xiàn)Fig.4 Changes in yield increase of soybeans treated in each of three years

回歸方程的R2大于0.9，表明回歸方程擬合效果較好；F=151.193，P<0.001，表明由自變量施炭與否、坡度、施炭后年限和因變量大豆產(chǎn)量建立的線(xiàn)性回歸模型具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；t檢驗(yàn)的回歸系數(shù)顯著性值P1=P2<0.001，P3=0.001，進(jìn)一步說(shuō)明有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。從回歸系數(shù)顯著性值無(wú)法比較出3個(gè)自變量對(duì)產(chǎn)量的顯著程度，施炭與否、坡度、施炭后年限3個(gè)自變量的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)分別為0.908、-0.335、-0.184，絕對(duì)值越大代表在此回歸方程中自變量對(duì)大豆產(chǎn)量的解釋力度越強(qiáng)，因此3個(gè)自變量對(duì)大豆產(chǎn)量影響由大到小依次為施炭與否、坡度、施炭后年限。

2.4 基于灰色理論模型的大豆產(chǎn)量預(yù)測(cè)

本試驗(yàn)中對(duì)模型精度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。經(jīng)模型精度檢驗(yàn)后，各檢驗(yàn)結(jié)果均在符合標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可以用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)本試驗(yàn)中產(chǎn)量加以預(yù)測(cè)，結(jié)果如表7所示。生物炭的增產(chǎn)潛力隨施用年限的延長(zhǎng)逐漸減弱，2021年5°小區(qū)的產(chǎn)量為2 223 kg/hm2，已經(jīng)與未施炭區(qū)大豆產(chǎn)量十分接近。根據(jù)預(yù)測(cè)產(chǎn)量加上已有3年試驗(yàn)，大體上可以確定施加一次生物炭其對(duì)作物的有效時(shí)間為5～6年。

表6 灰色預(yù)測(cè)模型精度檢驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Accuracy test results of grey predictiom model

表7 灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)2019—2021年大豆產(chǎn)量Tab.7 Grey prediction model predicted soybean yield from 2019 to 2021 kg/hm2

3 討論

東北黑土區(qū)作為國(guó)家大糧倉(cāng)，增加其作物產(chǎn)量對(duì)東北區(qū)乃至全國(guó)都至關(guān)重要。生物炭施入土壤后通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)狀況、土壤養(yǎng)分環(huán)境、土壤肥力，進(jìn)而達(dá)到大豆增產(chǎn)目的。

適合作物生長(zhǎng)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑在0.25～5 mm之間，這個(gè)范圍中團(tuán)聚體有利于土壤水分固持、植物根系部分呼吸以及土壤養(yǎng)分的吸收與釋放。生物炭施入土壤后改變土壤物理結(jié)構(gòu)，增加土壤微生物活性，進(jìn)而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成并增加其穩(wěn)定性[26]。本試驗(yàn)生物炭施加使d<0.25 mm的土壤微團(tuán)聚體含量明顯減少，d>0.25 mm的土壤大團(tuán)聚體含量顯著增加，且變化幅度隨坡度、施炭后年限增加逐漸減弱，同王恩武等[27]研究結(jié)果相同。土壤團(tuán)聚體良好狀態(tài)以水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性加以衡量，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定指標(biāo)也是反映土壤抗侵蝕能力的重要指標(biāo)[17]，本試驗(yàn)施炭處理R0.25、MWD、GMD增大，ELT減小，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)，與文獻(xiàn)[18-19]研究結(jié)果一致，3年中施炭處理各穩(wěn)定性指標(biāo)變化幅度隨年份增加均呈減小狀態(tài)，說(shuō)明生物炭3年內(nèi)均能提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，有效期大于3年，具體有效期有待進(jìn)一步增長(zhǎng)試驗(yàn)?zāi)晗藜右则?yàn)證。

土壤pH值是影響土壤肥力的重要因素之一，直接影響著土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉(zhuǎn)化性和有效性。土壤pH值決定各地區(qū)適宜播種的作物種類(lèi)，東北黑土區(qū)作為中國(guó)最大糧倉(cāng)，主要以大豆等經(jīng)濟(jì)作物為主，大豆最適宜pH值在6.5～7.5之間，東北黑土區(qū)土壤pH值在5.7～6.4之間，故提高東北黑土區(qū)土壤pH值對(duì)其大豆生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。本研究施用生物炭顯著增大土壤pH值(P<0.05)，且增大幅度隨坡度增大而減小；施用當(dāng)年生物炭對(duì)土壤pH值作用極顯著(P2016=0.007<0.01)，施用次年(P2017=0.025<0.05)和第3年(P2018=0.040<0.05)對(duì)土壤pH值也達(dá)顯著水平，但不及施用當(dāng)年，可能是由于生物炭施到土壤中逐漸降解。生物炭增大土壤pH值，主要是由于生物炭的灰分中有K、Ca、Na、Mg、氧化物、氫氧化物、碳酸鹽等不同濃度堿性物質(zhì)，施進(jìn)土壤后能提高土壤鹽基飽和度，降低可交換鋁的數(shù)量，進(jìn)而提高土壤pH值[28-30]。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體所形成的最為重要的膠結(jié)物質(zhì)，是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，對(duì)于改良土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤的通氣性、透水性，有利于微生物的活動(dòng)以及增強(qiáng)土壤養(yǎng)分含量等都有巨大作用。SCHMIDT等[31]認(rèn)為，生物炭可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，BRUUN等[32]、GLASER等[33]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的用量及穩(wěn)定性可以提高有機(jī)質(zhì)含量的增加程度，主要是生物炭可通過(guò)促進(jìn)土壤有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體的形成來(lái)提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，進(jìn)而減少土壤有機(jī)質(zhì)淋失。本試驗(yàn)施用生物炭增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量，其增加幅度隨著年限增加而減少，這可能是由于年限增加，被包裹或吸附在生物炭空隙和有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體中的微生物生長(zhǎng)繁殖速率及活性減弱所造成的，LIANG等[34]的研究也得到類(lèi)似結(jié)論。坡度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響不顯著。

單次施用生物炭對(duì)大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量均有增加效果，這與魏永霞等[16,38]研究結(jié)果一致，且各指標(biāo)同坡度呈負(fù)相關(guān)；施炭后年限越長(zhǎng)各構(gòu)成要素指標(biāo)增加幅度越小，這與生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況的改善情況相一致。施炭處理較未施炭處理大豆產(chǎn)量均增加顯著(P<0.05)，與已有研究結(jié)果[14,16]一致，且隨坡度、年限增加增產(chǎn)率逐漸減少。由自變量施炭與否、坡度、施炭后年限和因變量大豆產(chǎn)量建立了線(xiàn)性回歸模型，結(jié)果表明回歸方程擬合效果較好且具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；各自變量對(duì)大豆產(chǎn)量影響程度由大到小依次為施炭與否、坡度、施炭后年限。采用灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)未來(lái)3年產(chǎn)量，模型的平均相對(duì)誤差為38.00%，關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.712 4，后驗(yàn)差比值為0.378 9，小概率誤差為77.31%，各精度檢驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)范圍，證明灰色預(yù)測(cè)模型可以對(duì)本試驗(yàn)中產(chǎn)量進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。2019—2021年產(chǎn)量預(yù)測(cè)結(jié)果呈遞減趨勢(shì)，2021年5°坡度施炭組與未施炭組產(chǎn)量已十分接近。

4 結(jié)論

(1)施用生物炭使d<0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量明顯減少、d>0.25 mm的土壤大團(tuán)聚體含量顯著增加，且變化幅度隨坡度、施炭后年限增加逐漸減弱；施加生物炭使R0.25、MWD、GMD增加，使ELT減小，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)，該穩(wěn)定性增強(qiáng)幅度隨坡度增大、施炭后時(shí)間延長(zhǎng)而減小，生物炭施用當(dāng)年效果最為顯著，R0.25、MWD、GMD各指標(biāo)最大為72.66%、1.119 2 mm、0.367 1 mm，ELT最小為27.34%。

(2)施用生物炭可顯著提高土壤pH值以及銨態(tài)氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量，各指標(biāo)增長(zhǎng)率分別高達(dá)17.88%、27.23%、20.31%、17.51%，但生物炭對(duì)有效磷含量影響不顯著。施炭后改良了土壤各養(yǎng)分指標(biāo)，使土壤養(yǎng)分等級(jí)有所上升，土壤肥力增強(qiáng)，增強(qiáng)效果與施炭后年限呈負(fù)相關(guān)。

(3)生物炭對(duì)大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量均有明顯的正效應(yīng)，增產(chǎn)率高達(dá)26.29%，同時(shí)影響因素還有坡度和施炭后年限，對(duì)大豆產(chǎn)量影響程度由大到小依次為施炭與否、坡度、施炭后年限，坡度越大、施炭年限越長(zhǎng)，各指標(biāo)增加幅度越弱。

(4)改進(jìn)的多變量灰色預(yù)測(cè)模型精度較高，可用于本試驗(yàn)大豆產(chǎn)量的預(yù)測(cè)，經(jīng)預(yù)測(cè)，2021年施炭組產(chǎn)量最低為2 223 kg/hm2，與未施炭組產(chǎn)量十分接近，增產(chǎn)有效時(shí)間可維持在5～6年。