生物炭施用模式生態(tài)效益與經(jīng)濟效益耦合協(xié)調度研究

劉 慧 溫小艷 李禹韜 張鑫鑫 范亞東

(1.東北農(nóng)業(yè)大學經(jīng)濟管理學院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 4.東北農(nóng)業(yè)大學生命科學學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

黑土是肥力最高、最適宜耕作和最具生產(chǎn)潛力的土壤，是我國寶貴的自然資源和不可再生的環(huán)境資源，為我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了得天獨厚的自然優(yōu)勢和重要保障[1]。東北黑土區(qū)作為全球四大黑土區(qū)之一，是我國重要的糧食生產(chǎn)功能區(qū)，糧食產(chǎn)量占全國1/4，調出量占全國1/3，因此，保護利用好黑土地對保障國家糧食安全和促進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展意義重大[2]。但多年來，盲目追求糧食產(chǎn)量、不合理施用化肥、掠奪式農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式和大機械的使用，導致我國黑土區(qū)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境不斷惡化，黑土耕層變淺，土壤結構破壞，土地有機質和保水能力下降，水土流失面積擴大，侵蝕強度增加，黑土質量退化日益嚴重，致使土地生產(chǎn)能力降低，農(nóng)產(chǎn)品品質降低，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益低下，嚴重威脅了黑土區(qū)的糧食生產(chǎn)能力。

我國東北地區(qū)秸稈資源豐富，但大多以“焚燒、丟棄”等粗放方式處理，不僅造成了嚴重的資源浪費，而且也對環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染。生物炭是作物秸稈、動物糞便等原材料在缺氧的條件下，高溫(<700℃)裂解而成的一種高度芳香化、富含碳素的固態(tài)產(chǎn)物[3]。黑土區(qū)數(shù)量龐大的秸稈是生物炭的理想來源，以生物炭為核心的秸稈炭化還田技術不但為秸稈等農(nóng)林業(yè)廢棄物提供了一條變廢為寶的出路，更為提高耕地生產(chǎn)能力提供了有效手段[4]，契合高效率利用秸稈資源、減少面源污染的需要。因而生物炭受到了許多學者的關注，房彬等[5]通過1年試驗得到施加生物炭可以降低土壤容重，提高土壤pH值；勾芒芒等[6]通過1年盆栽試驗得到施加生物炭促進了番茄根系發(fā)育和產(chǎn)量提高；杜兵杰等[7]通過主成分分析法探究了不同施炭水平對番茄品質的影響，龐紅偉[8]通過投影尋蹤模型，評價了生物炭對節(jié)水灌溉水稻生長的影響。目前對于生物炭的研究多是短期試驗，中長期試驗較少，而且對于施加生物炭的效果研究主要集中在土壤理化性質[5,9-11]、土壤水分運動[6,12-14]、作物生長[7,15-16]等生態(tài)效益方面，對施加生物炭經(jīng)濟效益的研究較少，而對于生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的耦合協(xié)調度更是鮮有研究。因此，本文在4年田間試驗研究基礎上，測算不同生物炭施用模式生態(tài)效益與經(jīng)濟效益以及二者之間的耦合協(xié)調度，以期得到黑土區(qū)最優(yōu)施炭模式，為黑土區(qū)作物持續(xù)增產(chǎn)和土壤培肥提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015—2018年在黑龍江省北安紅星農(nóng)場(48°2′～48°17′N， 126°47′～127°15′E)進行。該區(qū)屬寒溫帶大陸性氣候，全年平均降水量555.3 mm，其中90%左右集中在7—9月，大于等于10℃有效積溫為2 254.5℃，年日照時數(shù)為2 364.2 h，無霜期105 d左右。該區(qū)地處小興安嶺南麓，地勢東高西低，坡面較長，坡度為3°～5°，屬丘陵漫崗地帶。該區(qū)土壤以黑土為主，農(nóng)作物以水稻、大豆以及玉米為主。

1.2 試驗設計

于2015—2018年在北安紅星農(nóng)場的徑流小區(qū)內開展為期4年的試驗研究。各徑流小區(qū)坡度為3°，面積為100 m2(20 m×5 m)，每2個小區(qū)間隔1 m且各小區(qū)邊界用深入地下1 m的鐵板隔開，防止側滲。試驗共設置5個生物炭水平：0 t/hm2(C0)、25 t/hm2(C25)、50 t/hm2(C50)、75 t/hm2(C75)、100 t/hm2(C100)，2次重復，共計10個徑流小區(qū)。2015—2018年每年試驗開始前將生物炭與表層土壤(0～20 cm土層)充分混合均勻。除生物炭施加量不同外,其他水肥管理措施均按當?shù)爻Ｒ?guī)方法，即在天然降雨條件下種植，不進行灌水，化肥采用N、P2O5、K2O質量分數(shù)分別為13%、28%和10%的復合肥，用量為450 kg/hm2，均以基肥形式一次性施入，且4年試驗保持一致。試驗地土壤為草甸黑土，其基礎肥力為pH值6.3，有機質質量比34.83 g/kg，全氮質量比1.1 g/kg，全磷質量比0.45 g/kg，全鉀質量比0.35 g/kg。供試大豆品種為黑河三號。試驗用玉米秸稈生物炭購于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，其制備方式為將玉米秸稈在450℃無氧條件下高溫裂解燒制而成，基粒徑1.5～2.0 mm，pH值為9.14，全碳質量比為70.21 mg/kg，全氮質量比為1.53 mg/kg，硫質量比為0.78 mg/kg，鉀質量比為1.68 mg/kg，灰分質量分數(shù)為31.8%。

1.3 觀測指標與方法

1.3.1土壤理化性質

土壤容重、孔隙度采用DK-1130型土壤三相儀測定。土壤飽和含水率、田間持水率采用環(huán)刀法測定[17]，土壤凋萎系數(shù)采用生物法和干燥法測定[17]。土壤有機碳含量采用TOC分析儀測定；銨態(tài)N、有效P、速效K含量分別采用納氏比色法、Bray法、醋酸銨-火焰光度計法測定[18]；土壤pH值采用電位法測定。

1.3.2年徑流深和土壤侵蝕量

各次降雨的產(chǎn)流量通過安裝在每個徑流小區(qū)末端的徑流自動記錄系統(tǒng)記錄，進而得到年徑流深和徑流系數(shù)；產(chǎn)沙量通過安裝在每個徑流小區(qū)末端的泥沙收集系統(tǒng)(BLJW-ZXY)測定，在每次降雨產(chǎn)流后，每5 min取1次泥沙收集系統(tǒng)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稱量，經(jīng)計算得到產(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)量和水分利用效率

于每年大豆收獲期，對各個徑流小區(qū)進行產(chǎn)量測定。采用水量平衡方程計算大豆全生育期耗水量，由于試驗區(qū)地下水埋深40 m且試驗期內未灌水，故不考慮地下水交換量和作物生育期內灌水量，故生育期耗水量和水分利用效率計算公式為

ET=P+ΔS-ΔR

(1)

WUE=Y/ET

(2)

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土壤儲水量差值，mm

ΔR——地表徑流量，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、收益以及利用效率

經(jīng)濟效益考慮試驗總成本、收益以及生物炭利用效率，計算公式分別為

C0=QbiocharPbiochar+C1

(3)

Rt=Rt-1+QtPt

(4)

BUE=ΔQsoybean/Qbiochar

(5)

式中C0——總成本，元/hm2

C1——除生物炭成本以外的其他成本，元/hm2

Qbiochar——生物炭累積施加量，t/hm2

Pbiochar——生物炭價格，元/t

Rt、Rt-1——第t、t-1年累積收益，元/hm2

Qt——第t年大豆產(chǎn)量，kg/hm2

Pt——第t年大豆價格，元/kg

ΔQsoybean——大豆累積增產(chǎn)量，kg/hm2

BUE——生物炭利用效率，kg/t

1.4 基于熵值法的耦合協(xié)調度模型

1.4.1數(shù)據(jù)標準化

由于指標的差異性，各類數(shù)據(jù)量綱不同，故依據(jù)各指標對生物炭施用效益的影響分為正向、負向兩類進行標準化處理

(6)

式中xij——第j種方案的第i個指標值

minxij、maxxij——所有方案中第i個指標的最小值和最大值

1.4.2生態(tài)效益與經(jīng)濟效益

以生態(tài)效益為例介紹效益的計算方法。設共有m個生態(tài)效益指標，采用熵值法確定各指標的權重。第i個指標的信息熵hi表達式為

(7)

第i個指標的信息熵冗余度di表達式為

di=1-hi

(8)

利用熵值法對指標賦權，權重ωi表達式為

(9)

生態(tài)效益vj計算式為

(10)

1.4.3耦合協(xié)調度模型

生物炭施用后的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益是兩個動態(tài)、交錯、非均衡的過程，因此生物炭施用效益的重點不僅在于測算出各效益綜合值，還在于對效益間耦合協(xié)調關系進行分析。耦合協(xié)調度是衡量系統(tǒng)內部各要素在發(fā)展過程中彼此協(xié)調與否的量值，反映系統(tǒng)由無序向有序變化的趨勢[19]。本文將生物炭施用效益系統(tǒng)耦合協(xié)調度視為生態(tài)、經(jīng)濟兩子系統(tǒng)相互之間作用程度的體現(xiàn)，分析兩者耦合與協(xié)調發(fā)展程度，設第j個方案的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益分別為vj和uj，則

(11)

Tj=αvj+βuj

(12)

(13)

式中Cj——耦合度，取值范圍為[0，1]，Cj越大，說明兩系統(tǒng)相互作用越強

k——調節(jié)系數(shù)，因涉及生態(tài)效益與經(jīng)濟效益兩個子系統(tǒng)，故k取2

Tj——經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的綜合協(xié)調指數(shù)

α、β——待定系數(shù)，本文認為施加生物炭后的生態(tài)效益與經(jīng)濟效益同等重要，因此取α=β=0.5

Dj——生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的協(xié)調度，取值范圍為[0，1]，Dj越大，說明兩系統(tǒng)協(xié)調程度越好

耦合度和協(xié)調度等級劃分如表1所示[20]。通過計算各方案的耦合度和協(xié)調度分析施加生物炭的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的耦合協(xié)調度。

表1 耦合度和協(xié)調度分級Tab.1 Coupling degree and coordination degree classification

1.5 數(shù)據(jù)處理

各指標均采用平均值，采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理和繪圖，利用SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析，采用Tukey法進行多重比較，顯著性水平取0.05。采用熵值法計算生態(tài)效益和經(jīng)濟效益各指標的權重，采用耦合協(xié)調度模型分析各處理生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的耦合度和協(xié)調度。

2 結果與分析

2.1 施加生物炭的生態(tài)效益

2.1.1施加生物炭對土壤結構指標的影響

圖1為2015—2018年各處理土壤容重和孔隙度的變化規(guī)律。由圖1a可知，連續(xù)4年施加生物炭可以降低土壤容重，且隨著施炭量的增加容重逐漸減小。施炭當年，各處理容重分別為對照組的94.37%～99.13%；連續(xù)施炭2年，各處理容重分別為對照組的91.30%～97.83%；連續(xù)施炭3、4年，各處理容重分別為對照組的88.26%～96.09%、88.60～95.61%。同一施炭水平下，土壤容重隨試驗年限的延長呈逐漸遞減的趨勢。由圖1b可知，各施炭處理土壤孔隙度均大于對照組，施炭當年各處理孔隙度分別為對照組的1.03～1.11倍；連續(xù)施炭2年，各處理孔隙度分別為對照組的1.08～1.21倍；連續(xù)施炭3年，各處理孔隙度分別為對照組的1.12～1.23倍，連續(xù)施炭4年，各處理孔隙度分別為對照組的1.11～1.25倍。同一施炭水平下，土壤孔隙度隨試驗年限的延長呈逐漸遞增的趨勢。以上變化均取決于生物炭多孔性、容重小且遠低于土壤容重的結構特征，將其施入土壤后可以有效地改善土壤的孔隙結構，提高土壤的透氣性和透水性。

2.1.2施加生物炭對土壤養(yǎng)分含量的影響

圖2為2015—2018年各處理土壤養(yǎng)分含量的變化規(guī)律。由圖2可知，隨著施炭量的增加，銨態(tài)氮含量2015、2016年均在C50取得最大值，分別為對照組的1.43、1.51倍；2017、2018年均在C25處取得最大值，分別為對照組的1.28、1.18倍，而2年C100處理卻僅為對照組的98%、90%。有效磷含量2015年在C75取得最大值，為對照組的2.08倍；2016年在C50取得最大值，為對照組的2.02倍；2017、2018年均在C25取得最大值，分別為對照組的2.00、2.04倍，而2年C100處理僅為對照組的86%、87%。速效鉀含量、總有機碳含量、pH值4年隨著施炭量的增加逐漸增大。施加生物炭雖然在一定程度上提高了土壤有效養(yǎng)分的含量，但提高銨態(tài)氮、有效磷含量的效應尚不穩(wěn)定，甚至在高水平施炭處理下產(chǎn)生了輕微抑制現(xiàn)象。

2.1.3施加生物炭對土壤持水能力的影響

圖3為2015—2018年各處理土壤水分常數(shù)的變化規(guī)律。由圖3可知，隨著施炭量的增加，各處理飽和含水率逐漸增大。田間持水率和凋萎系數(shù)變化規(guī)律相同，2015年隨著施炭量的增加，2項指標逐漸增大；2016年和2017年2指標各處理間由大到小均表現(xiàn)為：C50、C75、C25、C100、C0；2018年兩項指標均在C25取得最大值，分別是對照組的1.08、1.09倍，而兩項指標在C100處均低于對照組，這可能是由于適量的生物炭施入土壤后土壤容重隨之降低，孔隙度隨之升高，從而土壤的含水率和透氣性提高，而當累積施炭量過高時會使土壤結構松散、土壤結構變差，從而使土壤持水能力下降。

2.1.4施加生物炭對土壤水土流失的影響

由于徑流深和土壤侵蝕量受到降雨量的影響，而各年的降雨量存在很大的差異，因此本文采用徑流系數(shù)和單位降雨量的土壤侵蝕量來消除年際間降雨量差異帶來的影響。表2為2015—2018年各處理徑流系數(shù)以及單位降雨量的土壤侵蝕量的變化規(guī)律。由表2可知，施加生物炭在一定程度上可以降低徑流系數(shù)和單位降雨量的土壤侵蝕量，但并非施炭量或累積施炭量越高減流效果和抗土壤侵蝕效果越佳。徑流系數(shù)2015年C100高于C75，2016年和2017年C100僅次于對照組，而2018年C100則高于對照組；單位降雨量的土壤侵蝕量2018年C75、C100高于對照組，這可能是隨著時間的延長累積施炭量過多，改變了土壤的結構，使土壤過于松散，抗沖刷能力減弱，使減流效果變弱，侵蝕程度增加。

表2 2015—2018年不同處理徑流系數(shù)和單位降雨量的土壤侵蝕量Tab.2 Runoff coefficient and soil erosion per unit rainfall of different treatments in 2015—2018

2.2 施加生物炭的經(jīng)濟效益

2.2.1施加生物炭的節(jié)水增產(chǎn)效應

圖4(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))為2015—2018年各處理作物產(chǎn)量以及水分利用效率變化規(guī)律。由圖4可知，施加生物炭2年內能夠顯著提高大豆產(chǎn)量，但連續(xù)3年施加100 t/hm2時大豆產(chǎn)量并不會顯著提高，連續(xù)4年施加時僅C25產(chǎn)量顯著高于對照組，C100產(chǎn)量甚至顯著低于對照組。施加生物炭3年內能夠顯著提高水分利用效率，但連續(xù)4年施加100 t/hm2時水分利用效率顯著低于對照處理。這可能是因為適量的生物炭可以改善土壤結構、提高土壤肥力，有利于提高大豆的保水性能和有機質含量，使其處于最佳生長狀態(tài)，而隨著施炭量或累積施炭量的增加，最佳生長狀態(tài)被破壞，導致作物增產(chǎn)效果和節(jié)水效果減弱。

2.2.2施加生物炭的投入產(chǎn)出

2015—2018年大豆生產(chǎn)總成本如表3所示。分別計算各處理的成本、收益以及生物炭利用效率，結果見表4。施炭1年和連續(xù)施炭2年收益均在C75處取得最大值，分別為16 923.46、32 274.46元/hm2；連續(xù)施炭3年和4年收益均在C50取得最大值，為48 661.3、63 336.8元/hm2，但從生物炭產(chǎn)生的成本和收益來看，目前施用生物炭不經(jīng)濟。連續(xù)施炭2年，施用量為25 t/hm2時生物炭利用效率最大，施用年限過長或施用量過大都會導致其利用效率降低，其原因為當施炭量過高或累積施炭量過高時，累積施炭量增加速率遠大于產(chǎn)量的增加速率。

表3 大豆生產(chǎn)總成本Tab.3 Total production cost of soybean 元/hm2

表4 2015—2018年不同處理生物炭成本、收益以及利用效率Tab.4 Biochar costs, earnings and utilization efficiency of different treatments in 2015—2018

2.3 生態(tài)與經(jīng)濟效益耦合協(xié)調度

2.3.1效益指標及權重

分別選取能夠反映生物炭生態(tài)效益的12個指標和經(jīng)濟效益的5個指標，采用熵值法計算各指標的權重，結果見表5。

表5 效益指標及權重Tab.5 Benefit indexes and weights

2.3.2生態(tài)與經(jīng)濟效益及其耦合協(xié)調度分析

表6為各處理生態(tài)效益指數(shù)與經(jīng)濟效益指數(shù)及其耦合協(xié)調度測算結果。生態(tài)效益測算結果顯示，施炭當年隨著施炭量的增加生態(tài)效益指數(shù)逐漸遞增，連續(xù)施用2～4年生態(tài)效益指數(shù)呈先增后減的變化規(guī)律，且均當施炭量為50 t/hm2時取得最大值。經(jīng)濟效益測算結果顯示，4年隨著施炭量的增加經(jīng)濟效益均呈先增后減的變化規(guī)律，4年分別在施炭量為75、50、50、25 t/hm2時取得最大值，且連續(xù)3、4年施用100 t/hm2生物炭時經(jīng)濟效應低于不施炭處理。說明適量的生物炭可以有效提高生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，但隨著施炭量的增加或累積施炭量的增加此種效果逐漸減弱甚至出現(xiàn)輕微的抑制作用，因此合理的施炭量以及施炭年限至關重要。

表6 2015—2018年各處理生態(tài)效益與經(jīng)濟效益耦合協(xié)調度Tab.6 Coupling coordination degree of ecological and economic benefits of different treatments in 2015—2018

耦合度測算結果顯示，除2015年C0處理耦合度為0.290 3，屬低水平耦合階段外，其余各處理均處于拮抗階段，表明兩系統(tǒng)處于一種過程阻抑另一種過程的狀態(tài)，但從耦合度數(shù)值上看施用生物炭能夠改善阻抑的程度，4年各施炭處理耦合度均高于C0，4年施炭量分別為100、50、25、25 t/hm2時耦合度最高。協(xié)調度測算結果顯示，第1年隨著施炭量的增加，兩種效益的協(xié)調度由重度失調逐漸轉變?yōu)槊銖妳f(xié)調；后3年隨著施炭量的增加，兩種效益的協(xié)調度均由輕度失調逐漸轉變?yōu)槊銖妳f(xié)調。施炭當年隨著施炭量的增加，當施炭量為75 t/hm2時協(xié)調度最高，連續(xù)施炭2、3年均當施炭量為50 t/hm2時協(xié)調度最高，連續(xù)施炭4年當施炭量為25 t/hm2時協(xié)調度最高。連續(xù)3年施加50 t/hm2生物炭可使生物炭的生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的協(xié)調度最佳，且此時生態(tài)效益指數(shù)、經(jīng)濟效益指數(shù)及其耦合度均較高。

3 討論

生物炭由許多緊密堆積且高度扭曲的芳香環(huán)片層組成，具有多孔性、比表面積大等特點，施入土壤可以改良土壤結構[21-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著施炭量和施炭年限的延長，土壤容重逐漸降低，孔隙度逐漸增加，這與LAIRD等[24]研究結果一致。同時，生物炭含有的羥基、羧基、苯環(huán)等官能團賦予了其特有的強大吸附能力和較大的離子交換量，這為改良土壤、提高水肥利用效率提供了可能。本研究還發(fā)現(xiàn)，施加生物炭可以有效提高土壤肥力和土壤持水能力。隨著施炭量增加和施炭年限延長，土壤總有機碳含量、pH值和飽和含水率逐漸增大。銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量、田間持水率和凋萎系數(shù)當施炭量較低、施炭年限較短時，隨著施炭量增加和施炭年限延長改善效果逐漸增強，但當施炭量或累積施炭量較高時，改善效果逐漸減弱，甚至出現(xiàn)了輕微的抑制作用。這與魏永霞等[25]研究結果一致，但與聶新星等[26]認為生物炭對pH值無顯著影響存在一定的差異，這可能是由于土壤或生物炭種類不同所造成的。由于生物炭能夠改善土壤結構，提高土壤的持水能力和滲水性能，因而可以促進降雨入滲，減少徑流沖刷和養(yǎng)分流失。當施炭量較低、施炭年限較短時，隨著施炭量的增加和施炭年限的延長保水保土效果較好，但當施炭量或累積施炭量較高時，保水保土效果逐漸減弱，甚至水土流失程度超過未施炭處理。這可能是隨著生物炭在土壤中的累積效應，表層土壤更為稀松，導致土壤結構變差，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。

由于生物炭本身有機質含量較高，施入后可增加土壤肥力[27]；同時，生物炭具有比表面積大、多孔及吸附能力強等特點[28]，具有很好的持水、保水性能且對化肥起到了吸附和緩釋的作用，能夠有效地改善作物的水土環(huán)境，有利于作物生長，從而提高作物產(chǎn)量。勾芒芒等[6]通過1年的試驗研究發(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)量顯著提高。本研究發(fā)現(xiàn)，適量的生物炭可以有效地提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，但當施炭量較高，或累積施炭量較高時，作物產(chǎn)量和水分利用效率反而降低，甚至低于未施炭處理，說明當累積施炭量過高時對土壤的理化性質、持水能力等的影響減弱進而使作物產(chǎn)量降低。由于生物炭技術剛興起，成本較高，因此隨著施炭量的增加成本逐漸升高，這可能也是生物炭技術沒有在農(nóng)田廣泛應用的原因。而收益和利用效率呈先增后減的變化規(guī)律，這可能是由于累積施炭量較低時，土壤結構逐漸變好、肥力逐漸增強，使作物處于較好的生長環(huán)境，單位生物炭帶來的增產(chǎn)效果比較大，收益隨之增大；而累積施炭量過高時，土壤結構退化嚴重，不再適合作物生長，單位生物炭帶來的增產(chǎn)效果較小，收益隨之減小。農(nóng)民追求低成本、高收益，因此生物炭技術廣泛應用的首要任務就是降低成本。

健康發(fā)展的土地的生態(tài)效益與經(jīng)濟效益不應“此消彼長，你強我弱”，而是密切聯(lián)系，相互交織的耦合協(xié)調。但退化的土壤與較高的生物炭成本兩者之間必然會有沖突，而引入耦合協(xié)調度模型旨在尋找兩者之間發(fā)展的最優(yōu)組合，使兩種效益實現(xiàn)共同提升，最終使生態(tài)效益與經(jīng)濟效益協(xié)調發(fā)展。本研究通過熵值法測算各施炭處理的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，得出當連續(xù)施炭2年，施炭量為50 t/hm2時生態(tài)效益最優(yōu)；當施炭2年，施炭量為75 t/hm2時經(jīng)濟效益最優(yōu)。進一步通過耦合協(xié)調度模型測算了各施炭模式的耦合度和協(xié)調度，得出施加生物炭可以有效地緩解生態(tài)效益和經(jīng)濟效益之間的矛盾，但由于生物炭的成本較高，此種緩解效果隨著累積施炭量的增加又逐漸減弱，因此適當?shù)氖┨苛恳约笆┨磕晗拗陵P重要。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著施炭量增加，各處理的耦合度和協(xié)調度呈先增后減的變化規(guī)律。4年當施炭量分別為100、50、25、25 t/hm2時耦合度最佳，而當施炭量分別為75、50、50、25 t/hm2時協(xié)調度最佳。連續(xù)3年施加50 t/hm2生物炭可使生物炭的生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的協(xié)調度最佳，且生態(tài)效益、經(jīng)濟效益及其耦合度均較高。生物炭的效益是一個由經(jīng)濟、生態(tài)效益組成的完整系統(tǒng)，只有處理好經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的關系，堅持兩者協(xié)調發(fā)展，才能提高綜合效益，實現(xiàn)最優(yōu)效益，促進黑土資源可持續(xù)發(fā)展。

本文研究了連續(xù)4年在黑土區(qū)坡耕地施加生物炭的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益及其耦合協(xié)調度，而生物炭施加的效果是一個復雜的過程，影響的指標也不僅局限于本文所研究的指標，同時施加生物炭也會產(chǎn)生一定的社會效益。因此在今后的研究中可以將社會效益及更豐富的效益指標納入研究體系，研究生態(tài)-經(jīng)濟-社會三者的耦合協(xié)調度，更加全面地反映生物炭的效益。

4 結論

(1)生物炭能夠有效改善土壤結構、增強土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力。施炭第1年生態(tài)效益逐漸增加，連續(xù)施加2～4年生態(tài)效益先增后減。連續(xù)施用2年、施炭量為50 t/hm2時，生物炭的生態(tài)效益最佳。

(2)適量施用生物炭能夠有效提升作物節(jié)水增產(chǎn)性能，提高生物炭的收益和利用效率，進而提高其經(jīng)濟效益。4年內生物炭的經(jīng)濟效益均先增后減。施炭1年、施炭量為75 t/hm2時，生物炭的經(jīng)濟效益最佳。

(3)生物炭能有效改善生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的耦合協(xié)調度。施炭第1年耦合度逐漸增加，協(xié)調度先增后減；連續(xù)施加2～4年耦合度和協(xié)調度均先增后減。連續(xù)施用3年、施炭量為50 t/hm2時生物炭的生態(tài)效益與經(jīng)濟效益的協(xié)調度最佳。黑土區(qū)最優(yōu)生物炭施用模式為連續(xù)施加3年50 t/hm2生物炭。