黑土區(qū)坡耕地連年施加生物炭的最佳模式研究

魏永霞 馮 超 石國(guó)新 吳 昱 劉 慧

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

0 引言

東北部黑土區(qū)是我國(guó)糧食主要生產(chǎn)地，對(duì)保障糧食安全具有十分重要的意義[1]，玉米是該區(qū)域的重要經(jīng)濟(jì)作物。長(zhǎng)期以來(lái)，由于對(duì)黑土資源的高強(qiáng)度利用、缺少合理的管理模式，以及所處地區(qū)雨期集中、水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致東北黑土區(qū)在玉米連年豐收的背后潛伏著巨大的危機(jī)，主要表現(xiàn)在土壤養(yǎng)分庫(kù)容偏低、黑土耕層變薄、土壤酸化、土地生產(chǎn)力下降，以及秸稈焚燒造成環(huán)境污染等。因此，土壤質(zhì)量的改善、水土資源的保護(hù)，以及秸稈資源的有效利用等是東北黑土區(qū)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[2-3]。

生物炭是由作物秸稈在無(wú)氧條件下，經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一種穩(wěn)定的、含有大量碳元素的固體[4]。由于生物炭具有疏松多孔、比表面積大、有機(jī)碳含量高等特點(diǎn)，因而在解決上述問(wèn)題時(shí)做出了突出貢獻(xiàn)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。多數(shù)研究表明，生物炭在土壤改良、水土保持以及節(jié)水增產(chǎn)等方面具有顯著效果，如降低土壤容重[5]、增加土壤孔隙度從而提高土壤的保水性[6]、提高土壤有機(jī)碳含量以增加土壤碳氮比[7-8]、提高土壤抗酸化能力[9-11]、減少?gòu)搅髁亢屯寥狼治g[12-14]、提高作物的水分利用效率和產(chǎn)量[15]等。也有研究表明，生物炭可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)：如葉麗麗等[16]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，向紅壤中添加生物炭，導(dǎo)致土壤中團(tuán)聚體的穩(wěn)定性降低，破壞了土壤結(jié)構(gòu)；ASAI等[17]田間試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，施加4 t/hm2的生物炭，使水稻的產(chǎn)量降低了23.3%。這說(shuō)明受土壤類(lèi)型、制備生物炭的材料和作物品種等因素的影響，生物炭對(duì)土地及作物產(chǎn)生的影響是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過(guò)程[14]。但目前對(duì)生物炭的研究以短期居多，缺乏對(duì)生物炭長(zhǎng)期效應(yīng)的探討，同時(shí)生物炭對(duì)土地及作物的多項(xiàng)指標(biāo)均有影響，有的會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，有的會(huì)產(chǎn)生正效應(yīng)，綜合影響評(píng)價(jià)的研究較少。

為此，本研究以黑土區(qū)坡耕地為研究對(duì)象，選擇黑土區(qū)主要糧食作物玉米為供試作物，通過(guò)連續(xù)4年施加生物炭，探討長(zhǎng)期施加生物炭后土壤理化性質(zhì)、水土流失以及作物產(chǎn)量等指標(biāo)的年際變化規(guī)律。采用基于優(yōu)化遺傳算法的投影尋蹤模型，對(duì)不同的生物炭施用模式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，探索黑土區(qū)坡耕地最佳生物炭施加量和施加年限，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年5月—2018年10月在黑龍江省農(nóng)墾北安管理局紅星農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地(48°2′～48°17′N(xiāo)， 126°47′～127°15′E)進(jìn)行，試驗(yàn)小區(qū)位于小興安嶺西麓向松嫩平原的過(guò)渡丘陵漫崗地區(qū)，地勢(shì)自東向西傾斜，坡面較長(zhǎng)，坡度3°～5°。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(wú)霜期105 d左右。多年平均降雨量為553 mm，且全年近90%的降雨量集中在7— 9月。土壤為草甸黑土，質(zhì)地松散，但近些年黑土層厚度逐漸變薄，水土流失加劇，土地生產(chǎn)力下降。本區(qū)主要作物為大豆、玉米和水稻。

1.2 供試材料

供試土壤為草甸黑土，其基本性質(zhì)為：總有機(jī)碳質(zhì)量比34.83 g/kg，全氮質(zhì)量比1.11 g/kg，全鉀質(zhì)量比0.45 g/kg，全磷質(zhì)量比0.35 g/kg，pH值6.3，容重1.15 g/cm3。供試玉米品種為德美亞1號(hào)，在出苗期選擇長(zhǎng)勢(shì)基本相近且無(wú)病蟲(chóng)害的植株作為試驗(yàn)作物。試驗(yàn)所用生物炭的原材料為玉米秸稈，購(gòu)自遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，制備方式是使玉米秸稈在無(wú)氧條件下用400～500℃高溫進(jìn)行裂解，其理化性質(zhì)為：總有機(jī)碳質(zhì)量比70.21 g/kg，全氮質(zhì)量比13.97 g/kg，全鉀質(zhì)量比2.24 g/kg，全磷質(zhì)量比34.55 g/kg，pH值9.14。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在位于黑龍江省北安市紅星農(nóng)場(chǎng)的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，小區(qū)坡度為黑土區(qū)坡耕地代表性坡度3°，規(guī)格為20 m×5 m，10個(gè)徑流小區(qū)平行鋪設(shè)。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(kāi)，每個(gè)小區(qū)設(shè)置1 m間隔。試驗(yàn)按照生物炭施加量不同設(shè)置5個(gè)處理：Y0(對(duì)照處理)、Y25(25 t/hm2)、Y50(50 t/hm2)、Y75(75 t/hm2)、Y100(100 t/hm2)，每個(gè)處理兩次重復(fù)。分別于2015—2018年玉米播種前，將生物炭與0～20 cm耕層土壤充分混合，起壟靜置7 d。試驗(yàn)開(kāi)始于2015年5月，結(jié)束于2018年10月。小區(qū)作物施肥、耕作的管理方案均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶相同。

1.4 觀測(cè)指標(biāo)及處理方法

1.4.1土壤理化性質(zhì)

土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定；田間持水率采用室內(nèi)威爾科克斯環(huán)刀法測(cè)定；土壤pH值采用電位法測(cè)量；總有機(jī)碳含量利用德國(guó)Elementar Vario TOC分析儀測(cè)定；全氮采用半微量凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定；土壤中的總有機(jī)碳與全氮含量的比值為土壤碳氮比。

1.4.2徑流量及土壤侵蝕量

徑流量：每次降雨產(chǎn)流后，通過(guò)安裝在小區(qū)末端的翻斗式流量計(jì)自動(dòng)記錄翻斗往復(fù)時(shí)間，并通過(guò)比例系數(shù)和翻斗容積計(jì)算各小區(qū)的產(chǎn)流量和全生育期的總產(chǎn)流量。

土壤侵蝕量：在每次降雨產(chǎn)流后，每5 min取一次泥沙收集裝置中水樣，將水樣靜置24 h，漂去上層清水，用濾紙濾出泥沙，干燥8 h稱(chēng)量，由各次產(chǎn)沙量計(jì)算年土壤侵蝕量。

1.4.3產(chǎn)量

分別于2015年10月8日、2016年10月7日、2017年10月4日和2018年10月4日對(duì)玉米進(jìn)行收獲。每個(gè)徑流小區(qū)分別在坡上、坡中和坡下相應(yīng)位置選取3個(gè)10 m2的地塊，并對(duì)所選地塊進(jìn)行實(shí)收測(cè)產(chǎn)，計(jì)算玉米的總產(chǎn)量。

1.5 施用模式的評(píng)價(jià)方法

投影尋蹤(Projection-pursuit)模型是一種直接由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)分析方法。它通過(guò)把高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間，尋找能夠反映原高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影，進(jìn)而達(dá)到研究分析高維數(shù)據(jù)的目的。詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[18]，主要過(guò)程如下：

(1)指標(biāo)歸一化

假設(shè)評(píng)價(jià)樣本集為{x(i,j)|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p}，其中x(i,j)為第i個(gè)樣本第j個(gè)指標(biāo)值，n、p分別代表樣本數(shù)量和指標(biāo)個(gè)數(shù)。為了將各指標(biāo)值無(wú)量綱化，歸一化處理公式分別為:

越大越優(yōu)指標(biāo)

(1)

越小越優(yōu)指標(biāo)

(2)

區(qū)間最優(yōu)指標(biāo)

(3)

式中xmin(j)、xmax(j)——第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最小值和最大值

S1、S2——第j個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)區(qū)間下限和上限值

(2)構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)

以a={a(1),a(2),…,a(p)}作為投影方向，將歸一化處理的數(shù)據(jù)x*(i,j)投影到一維空間形成投影值Z(i)，公式為

(4)

投影指標(biāo)函數(shù)可以表示為

Q(a)=S(z)D(z)

(5)

(6)

式中S(z)——投影值Z(i)的標(biāo)準(zhǔn)差

D(z)——群內(nèi)密度

其中，R的局部半徑密度的窗口半徑通常取max(r(i,j))/5≤R≤max(r(i,j))/3為標(biāo)準(zhǔn)；r(i,j)表示樣本之間的距離，r(i,j)=|Z(i)-Z(k)|，μ(R-r(i,j))為單位階躍函數(shù)，當(dāng)R>r(i,j)時(shí)μ(R-r(i,j))=1，否則μ(R-r(i,j))=0。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

各項(xiàng)指標(biāo)均采用平均值，應(yīng)用Microsoft Excel 2010、Matlab R2016a對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪圖。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)施加生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

如圖1a所示，連續(xù)施加4年生物炭始終使土壤容重呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)，且2018年的Y100處理的土壤容重與同年Y0處理相比降低15%，差異顯著(P<0.05)，相同處理的年際變化關(guān)系顯示，Y25處理的容重以平均每年下降1.7%的速率逐年降低；Y50處理的容重降低速率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；Y75和Y100處理的土壤容重在2015—2017年下降迅速，相較當(dāng)年的對(duì)照組最多降低了8.11%和7.34%，在2018年雖然容重也有降低但基本趨于平穩(wěn)，相較于2017年僅降低了0.99%和0.98%。

圖1 2015—2018年土壤理化性質(zhì)變化曲線Fig.1 Physical and chemical properties of soil from 2015 to 2018

從圖1b可以看出，在2015年的試驗(yàn)中，各處理的田間持水率隨著施加生物炭數(shù)量的升高而增加，且與對(duì)照組相比分別增加了4%、6%、8.42%和12%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；2016年的持續(xù)施加結(jié)果顯示，除Y100以外的其他處理的田間持水率均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，且相較于2015的各處理分別增加了0.87%、6.27%、1.67%，而在2017—2018年的累積施加后，僅有Y25和Y50處理的田間持水率依然呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且2018年各處理的田間持水率相較于2016年分別增加了12.58%和2.1%，其他處理的田間持水率則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，相較于2016年的處理結(jié)果分別下降了3.4%和11.96%，且2018年Y100處理的田間持水率相較對(duì)照組降低了7%，對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)出了抑制效果。從累積施炭量的角度來(lái)看，2018年Y25處理和2016年Y50處理生物炭的累積施入量均與2015年Y100處理相同，但是對(duì)于提高土壤持水能力的效果2018年Y25處理明顯要優(yōu)于其他兩個(gè)處理，分別提高了3.88%和4.6%。

從圖1c可見(jiàn)，隨著生物炭的施加，土壤中的碳氮比整體均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，差異顯著(P<0.05)，其中2018年Y100處理土壤中的碳氮比達(dá)到了所有處理中的最高值，且相較對(duì)照處理提高了206%。但從4年各處理碳氮比的變化速率來(lái)看，Y100和Y75處理下的變化速率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而Y50和Y25處理下的變化速率則呈現(xiàn)出緩慢升高的趨勢(shì)。

由于所用的秸稈生物炭的pH值略高于供試土壤，故土壤的pH值也隨著生物炭的加入而逐漸升高，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，最高可使pH值提高1.7，從相同處理的年際變化上看，各處理下的土壤pH值始終高于同處理前一年的土壤pH值。從同一年的不同處理角度出發(fā)，高生物炭施加量處理下的土壤pH值始終高于低生物炭施加量，并且，4年中土壤pH值始終在Y100處理達(dá)到最大值，與當(dāng)年的對(duì)照組分別提升了18%、21%、23%、25%。

2.2 連續(xù)施加生物炭對(duì)水土流失的影響

根據(jù)4年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，連續(xù)施加生物炭對(duì)于各年徑流系數(shù)的影響趨勢(shì)為短期效果Y100、Y75處理要優(yōu)于Y50、Y25處理，而從長(zhǎng)期效果來(lái)看，Y25、Y50處理要優(yōu)于Y75和Y100處理。從圖2可以看出，2015年加入生物炭的處理使徑流明顯減少，減流效果最好的為Y75處理，減少了15.45%，該年其他處理減流效果由大到小依次為Y100、Y50、Y25，分別減少了14.65%、12.04%、6.96%；2016年Y25和Y50處理相較于上一年相同處理的減流效果均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，相較于2015年徑流分別減少了8.84%和5.22%，其中效果最為明顯的Y50處理相較對(duì)照組可使徑流減少17.3%，而Y75和Y100處理的減流效果與上一年的相同處理減少了0.22%和1.12%。2017各處理中減流效果最好的是Y50，減少了10.72%，其余各處理相較于對(duì)照組的徑流系數(shù)分別為Y25減少了9.46%，Y75減少了6.11%，Y100減少了6.48%。2017年各處理的減流效果相較于2016年呈現(xiàn)減低趨勢(shì)，減少了6.34%～9.11%。2018年各處理減流能力由大到小依次為Y25、Y50、Y75、Y0、Y100，相較于對(duì)照處理最高可使徑流系數(shù)降低12.9%，2018年Y50、Y75、Y100處理的減流效果相比于2017年均呈降低趨勢(shì)，其中2018年的Y100處理相較于對(duì)照處理徑流系數(shù)增加了1.01%，對(duì)減少?gòu)搅饔胁焕男Ч?/p>

圖2 2015—2018年徑流系數(shù)和土壤侵蝕減少量Fig.2 Runoff coefficient and soil erosion reduction from 2015 to 2018

由于土壤的侵蝕量很大程度上受到當(dāng)年降雨量的影響，所以很難通過(guò)直接比較相同處理不同年的侵蝕量來(lái)確定生物炭對(duì)減少侵蝕量的影響。故這里用各處理相較于對(duì)照組的減少量來(lái)進(jìn)行比較，從而消除每年降雨量不同所造成的影響。即數(shù)值越大說(shuō)明減少侵蝕效果越明顯，反之，則說(shuō)明減少侵蝕效果不明顯，如果這個(gè)數(shù)值為負(fù)則說(shuō)明該處理不僅不會(huì)減少侵蝕量甚至?xí)黾忧治g量。由圖2可以看出，隨著生物炭的逐年施加，土壤侵蝕的減少量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。具體為2015年，施加生物炭的處理可以使土壤侵蝕量減少0.02～1.23 kg，其中減少量最高的為Y25處理。2016年各處理土壤侵蝕量均有明顯降低，且減少量由大到小為Y50、Y25、Y75、Y100，其中效果最好的Y50處理可以使土壤侵蝕量減少8.33 kg。2017年加入生物炭的處理減少的土壤侵蝕量分別為3.67、3.23、1.44、-0.36 kg，相較于2016年的效果有明顯的降低，其中Y100處理土壤侵蝕更加嚴(yán)重。2018年施加生物炭后的觀測(cè)結(jié)果與2017年基本一致，土壤侵蝕量逐漸增加，此外，2018年的Y75處理土壤侵蝕量增加了0.28 kg，同樣出現(xiàn)了土壤侵蝕更加嚴(yán)重的情況。

2.3 連續(xù)施加生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

表1為連續(xù)4年施加生物炭玉米水分利用效率(WUE)、產(chǎn)量和增產(chǎn)率的變化情況。連續(xù)4年產(chǎn)量隨施炭量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，最優(yōu)處理分別為Y50、Y50、Y25、Y25，其中產(chǎn)量最高的處理為2018年的Y25處理，相較同年對(duì)照處理增加了1 250 kg/hm2。增產(chǎn)率最高的為2015年的Y50處理，相較當(dāng)年對(duì)照處理提高了14.12%。從相同處理的年際變化角度分析，Y25處理下的產(chǎn)量由2015年的9 400 kg/hm2逐漸增加到2018年的10 350 kg/hm2，增產(chǎn)率為10.1%。Y50處理下的增產(chǎn)率在2015年達(dá)到了最高的14.12%，2015—2018年呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，2017年和2018年的增產(chǎn)率基本穩(wěn)定在了12.5%左右。Y75處理下增產(chǎn)率的變化趨勢(shì)與Y50處理基本相同，2015年的增產(chǎn)率為12.94%，為4年中的最高，在2017年降低到4年最低的6.67%，在2018年增長(zhǎng)到8.24%。Y100處理的增產(chǎn)率2015—2018年呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢(shì)，從2015年的8.24%逐年降低到2018年的-1.1%，對(duì)玉米的增量產(chǎn)生了抑制的效果。WUE變化規(guī)律與產(chǎn)量變化規(guī)律基本一致，2015—2018年的處理中，WUE最高的分別為Y50、Y50、Y25、Y25，分別為32.85、25.86、25.75、26.11 kg/(mm·hm2)，相較于對(duì)照組分別增加了17.57%、12.83%、15.32%、10.31%，并且在2018年Y100處理下作物的WUE相較于同年的對(duì)照組降低了4.1%。

表1 2015—2018年玉米WUE、產(chǎn)量和增產(chǎn)率Tab.1 Changes in corn’s WUE, production and yield increase rate from 2015 to 2018

注：同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.4 生物炭最佳施用模式的綜合評(píng)價(jià)

為了能夠盡可能完整地反映出生物炭在該地區(qū)連續(xù)施加4年所產(chǎn)生的效果，進(jìn)而提出最佳施用模式，需要從土壤改良、水土保持和節(jié)水增產(chǎn)等3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選，從而使評(píng)價(jià)指標(biāo)更加全面、科學(xué)、合理。選取8項(xiàng)指標(biāo)對(duì)不同生物炭施用模式的應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表2。

為避免評(píng)價(jià)指標(biāo)間量綱的影響，采用式(1)～(3)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，求出最佳投影方向，見(jiàn)表3。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)平均值Tab.2 Average values of evaluation index

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)最佳投影方向Tab.3 Best projection direction of evaluation index

圖3 2015—2018年各處理投影值擬合Fig.3 Projection value fitting graph of each treatment from 2015 to 2018

使用Matlab對(duì)投影值進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。在施炭量、施加年限作為控制條件時(shí)，2015、2016年兩年的投影值隨著生物炭施加量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。2017、2018年以生物炭施用量25 t/hm2最優(yōu)，當(dāng)生物炭施加量高于25 t/hm2時(shí)，投影值呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。并且，連續(xù)施加3年25 t/hm2生物炭處理投影值最高；投影值Z關(guān)于生物炭施加量x及施加年限y的響應(yīng)關(guān)系為

Z=54.12-0.033 06x-17.75y+0.000 301x2+
0.127 2xy+9.358y2-0.000 590 3x2y-
0.016 04xy2-1.297y3

3 討論

生物炭自身具有多孔、低密度以及大的比表面積等特性，可以使其具有改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤持水能力的作用[19]。改良土壤結(jié)構(gòu)方面，本研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，與前人的結(jié)論基本一致[20]。此外本研究發(fā)現(xiàn)，Y25、Y50處理下土壤容重的降低幅度逐年上升，而Y75、Y100處理下土壤容重的降低幅度逐年遞減，土壤容重趨于平穩(wěn)，可能是由于生物炭降低容重的效果達(dá)到了最大值[14]。從土壤持水能力方面來(lái)看，學(xué)者們普遍認(rèn)為施加生物炭可以提高土壤的持水能力[21-23]，但施加量以及施加年限與持水能力之間的關(guān)系尚不明晰。吳維等[24]通過(guò)在黃壤中施加不同量的秸稈生物炭發(fā)現(xiàn)，土壤的田間持水率與生物炭的添加量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。魏彬萌等[25]用煙桿生物炭對(duì)沙復(fù)土壤進(jìn)行改良時(shí)發(fā)現(xiàn)，生物炭施加量增加到50 g/kg時(shí)，復(fù)配土壤的田間持水率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。在本研究中，Y25、Y50處理下的田間持水率呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)，而Y75、Y100處理下的田間持水率則呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢(shì)；并且2018年Y100處理下的田間持水率低于對(duì)照組處理。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于生物炭累積量的增加導(dǎo)致生物炭顆粒堵塞了土壤顆粒之間的孔隙，破壞了土壤的結(jié)構(gòu)，且不同類(lèi)型的土壤對(duì)這種結(jié)構(gòu)破壞的承受能力不同。生物炭主要由全碳組分和灰組分構(gòu)成，施用生物炭可以提高土壤的碳氮比和pH值，增強(qiáng)土壤的肥力和抗酸化能力。本研究中，土壤中的碳氮比和pH值均隨著生物炭的施加而逐漸升高，這與前人的結(jié)論[11,19]基本一致。

在已有的研究中，生物炭在減少?gòu)搅髁恳约皽p少土壤侵蝕量方面的應(yīng)用效果尚不明晰。本研究中，2015年和2016年的徑流系數(shù)隨著生物炭的逐年施加而逐漸降低，減少?gòu)搅鞯男Ч黠@，這與LI等[26]的研究成果一致；但在2017年和2018年中，生物炭的持續(xù)施加增加了土壤的徑流系數(shù)與徑流量，規(guī)律與2015、2016年相反。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在加入生物炭的初期，在生物炭自身多孔性質(zhì)的作用下，土壤孔隙度增加導(dǎo)致土壤水分的入滲率增加，從而減少了該年的徑流量，但由于生物炭具有斥水性[27]，隨著生物炭的逐年施加，生物炭的累積施加量升高，這種斥水性的影響效果占據(jù)了主導(dǎo)地位，導(dǎo)致了該研究的2017、2018年徑流系數(shù)逐年升高。而在降低土壤侵蝕量方面，本研究結(jié)果顯示，減少的土壤侵蝕量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在2016年施加50 kg/hm2生物炭的處理為最優(yōu)處理，魏永霞等[14]在相同的試驗(yàn)地區(qū)得到了相同的結(jié)論，但2017年的Y75處理和2018年的Y75、Y100處理的土壤侵蝕量均出現(xiàn)了不同程度的增加，主要是由于過(guò)量的施加生物炭對(duì)土壤顆粒中的團(tuán)聚體產(chǎn)生破壞，使土壤的抗侵蝕能力和水穩(wěn)性下降，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時(shí)相關(guān)研究還表明施用生物炭的顆粒尺寸影響著減少侵蝕量的最優(yōu)生物炭施加量[26]。

已有研究表明，在土壤中施加生物炭可以使玉米等作物的產(chǎn)量和水分利用效率提高[14]，但對(duì)生物炭的施加量、施加年限的合理配置方面卻缺乏見(jiàn)解。本研究中，玉米的產(chǎn)量以及水分利用效率規(guī)律基本一致，2015—2017年的試驗(yàn)中，各處理的產(chǎn)量和水分利用效率均高于對(duì)照組，與前人的結(jié)論一致[27]。增產(chǎn)率方面，相同年不同處理的增產(chǎn)率隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且2015—2018年的最優(yōu)處理分別為Y50、Y50、Y25、Y25，王湛等[28]通過(guò)研究生物炭對(duì)有機(jī)菜的增產(chǎn)作用發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似規(guī)律。本研究還發(fā)現(xiàn)，2018年的Y100處理導(dǎo)致了玉米的減產(chǎn)，這是由于生物炭自身的高含碳量提高了土壤中的碳氮比，生物炭通過(guò)提供充分的代謝能量而使土壤微生物對(duì)N元素產(chǎn)生了生物固定，導(dǎo)致N元素根系可利用性降低，從而對(duì)玉米的產(chǎn)量產(chǎn)生了抑制效果。

本研究中，使用AGA優(yōu)化的投影尋蹤模型對(duì)生物炭不同的施加量、施加年限的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并利用Matlab對(duì)施加量、施加年限、投影值進(jìn)行擬合，相較于傳統(tǒng)的投影尋蹤模型，在使評(píng)價(jià)結(jié)果更加直觀準(zhǔn)確的同時(shí)，也使計(jì)算過(guò)程更加簡(jiǎn)單。改進(jìn)的投影尋蹤模型評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，開(kāi)始施加生物炭時(shí)，投影值隨著生物炭施加量的增加而緩慢升高，隨著施加年限的增加，土壤中的累積施炭量也逐漸升高，投影值呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，整體呈現(xiàn)出一個(gè)曲面，產(chǎn)生這一現(xiàn)象是因?yàn)?，生物炭施加量較低時(shí)，投影值取決于土壤自身的條件，而隨著生物炭的連續(xù)施加，有效改善了土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)而抑制了水土流失并提高了作物產(chǎn)量，因而投影值在這一階段快速上升并且達(dá)到最大值，但當(dāng)施加年限過(guò)長(zhǎng)，土壤中生物炭的累積施加量過(guò)高時(shí)，生物炭開(kāi)始破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重、作物減產(chǎn)的現(xiàn)象，所以投影值在這一階段開(kāi)始呈現(xiàn)緩慢降低，生物炭的應(yīng)用效果欠佳?；诟倪M(jìn)的投影尋蹤模型總結(jié)出黑土區(qū)的生物炭最優(yōu)使用模式為連續(xù)3年施加32.63 t/hm2的生物炭，可使生物炭的應(yīng)用效果達(dá)到最優(yōu)。

4 結(jié)論

(1)連年施加生物炭可以顯著降低土壤的容重，同時(shí)增加土壤pH值以及土壤的碳氮比，且生物炭的累積施加量越大，這種作用效果越明顯，田間持水率最高的處理為2018年的Y25處理，相較同年對(duì)照處理增加了14.43%，2016—2018年的Y75、Y100處理下的田間持水率逐年降低。

(2)連續(xù)兩年施加生物炭可以有效減小黑土區(qū)的徑流系數(shù)和土壤侵蝕量，但第3、4年施加生物炭時(shí)，會(huì)增大耕地的徑流系數(shù)以及土壤侵蝕量，對(duì)水土保持產(chǎn)生不利影響。連續(xù)施加兩年50 t/hm2的生物炭，土壤徑流系數(shù)達(dá)到最低，相較對(duì)照組降低了17.3%，同時(shí)土壤侵蝕量達(dá)到最低，相較對(duì)照組降低了8.33 kg。

(3)施加適量的生物炭可以提高玉米產(chǎn)量和WUE，但當(dāng)生物炭施加過(guò)量時(shí)，會(huì)對(duì)玉米產(chǎn)量和WUE產(chǎn)生抑制效果。2015年施加50 t/hm2生物炭增產(chǎn)效果最好，增產(chǎn)率為14.12%，WUE提高了17.57%；連續(xù)4年施加100 t/hm2生物炭，玉米產(chǎn)量和WUE受到了抑制，相對(duì)于對(duì)照組分別降低了1.1%和4.1%。

(4)利用改進(jìn)的投影尋蹤模型對(duì)生物炭不同施用量、施加年限的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而提出黑土區(qū)生物炭的最優(yōu)施用模式為：連續(xù)3年施加32.63 t/hm2生物炭。