黑土区施加生物炭对土壤综合肥力与大豆生长的影响

魏永霞 石国新 冯 超 吴 昱 刘 慧

(1.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨150030;2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室，哈尔滨150030;3.黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨150090;4.东北林业大学林学院，哈尔滨150040;5.东北农业大学理学院，哈尔滨150030)

0 引言

东北黑土区作为粮食生产的重要基地，其粮食年产量约占全国的1/5［1］。近年来，由于水土流失及秸秆资源不合理利用，导致土壤肥力降低、水分利用效率低下、农作物产量降低［2］。因此，对黑土资源进行综合高效治理、提高水分利用效率已迫在眉睫。黑土区秸秆资源丰富，每年大量的秸秆焚烧导致黑龙江省雾霾天气较为严重，研究秸秆资源的高效利用对探索黑土资源的高效利用与保护具有重要意义。

生物炭是以作物秸秆、动物粪便为原材料，在缺氧或低氧条件下缓慢高温裂解获得的一类富含碳的有机质［3］。生物炭在农业上的应用比较广泛。在土壤理化性质方面，土壤中施加生物炭可以减小土壤容重［4］、提高土壤孔隙度［5］，改善土壤结构，改善田间小气候［6-8］;在节水增产方面，施加生物炭可以增加水分利用效率［9］，提高产量，增大叶面积指数［10-12］;在持水性能方面，施加生物炭可以提高土壤水分含量［13］和土壤储水量［14］，提高田间持水率和饱和含水率［15-16］;在土壤肥力方面，施加生物炭可以提高土壤养分、增加土壤有机质含量，进而促进作物生长发育，提高产量［11，17-19］。

生物炭表面带有亲水基团，具有持水性，大多研究认为，生物炭具有的持水性能是因为自身结构。然而生物炭的持水作用不仅与其本身有关，亦与施加量和施用年限有一定相关性［9-10］。当施加量过高时，生物炭的持水性能减弱，使用年限过长持水性能也会下降。目前，绝大多数研究都是以短期施加生物炭为背景研究生物炭对持水性能的影响，而对于中长期的生物炭效应尚不明晰。本研究以连续4 年施加生物炭为背景，研究施加生物炭后土壤水分常数、土壤养分和大豆各生育期的株高及叶面积指数等效应指标的变化规律，通过建立改进的内梅罗指数模型计算土壤综合肥力指数，以确定对提高土壤综合肥力水平效果最优的生物炭施用模式，并用产量进行验证，以期为黑土区施加生物炭提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黑龙江省北安市(48°2' ～48°17'N，126°47' ～127°15'E)，属于寒温带大陆性气候。全年平均降水量555.3 mm，降雨集中在7—9 月，约占全年90%。积温2 254.5℃，无霜期110 ～115 d。耕地多为丘陵漫岗，土质肥沃，地势由东向西倾斜，岗顶平缓，坡面较长，坡度为3° ～5°。土壤为草甸黑土，土壤疏松、通透性好，但水土流失严重，黑土层厚度薄，土壤结构恶化。主要农作物为大豆、玉米、水稻。

1.2 试验设计

试验于2015—2018 年在北安市红星农场坡度为3°的径流小区进行。小区规格20 m ×5 m，每两个小区间隔1 m。为了防止侧渗，各小区边界用深入地下1 m 的铁板隔开。每个小区埋设TDR 管，埋深1.8 m。小区末端设有径流自动记录系统和泥沙收集系统(BLJW-ZXY 型)，自动记录后的径流排入区外排水沟。试验共设5 个处理，即不加生物炭的常规处理C0(对照处理)，和生物炭施加量分别为C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)、C100(100 t/hm2)的处理，2 次重复，共计10 个径流小区。试验开始前将生物炭均匀铺撒于土壤表面并反复搅拌，使其与表层土壤(0 ～20 cm 土层)混合均匀。试验连续4 年种植大豆。2016—2018 年分别在上一年试验的基础上加入等量的生物炭，并做相同的处理。

供试土壤为草甸黑土，理化性质为pH 值6.3，有机质质量比34.83 g/kg，全氮质量比1.1 g/kg，全磷质量比0.45 g/kg，全钾质量比0.35 g/kg。供试大豆品种为黑河三号。供试玉米秸秆生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司，制备方式为无氧条件450℃高温裂解，基粒径1.5 ～2.0 mm，生物炭性质为pH 值为9.14，全碳质量比为0.70 mg/kg，全氮质量比为1.53 mg/kg，硫质量比为0.78 mg/kg，钾质量比为1.68 mg/kg，灰分质量分数为31.8%。

1.3 观测指标与方法

1.3.1 土壤储水量

连续4 年在大豆的各生育阶段采用TDR 测量土壤深度0 ～10 cm、10 ～20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm、60 ～80 cm、80 ～100 cm 的土壤含水率，每个土层重复测量3 次，计算土壤储水量［20］，公式为

式中 W——土壤储水量，mm

θm——土壤体积含水率，%

ρb——土壤容重，g/cm3

h——土层厚度，mm

ρw——水密度，g/cm3

0 ～100 cm 土层储水量为每层土壤储水量之和。

1.3.2 土壤水分常数

于大豆收获期每个小区选取2 个取样点(共4次重复)，田间持水率和饱和含水率采用室内环刀法测定;凋萎系数采用生物法测定。

1.3.3 大豆株高、叶面积指数和冠层覆盖度

分别在大豆各生育阶段每小区选择长势相同5 株大豆挂牌定株，采用卷尺测量每片叶子的宽和长(叶片最宽、最长处)，计算单株叶面积、叶面积指数［21］和冠层覆盖度，公式分别为

其中

式中 LA——单株叶面积，cm2

LK——第K 片叶子的长度，cm

WK——第K 片叶子的宽度，cm

a——叶面积回归系数，取0.75

LAI——叶面积指数

ρ——种植密度，株/cm2

CC——冠层覆盖度

1.3.4 土壤肥力

于大豆收获期末取耕层(0 ～20 cm)土壤测定土壤养分含量。每个处理随机取样3 次。土壤pH值采用PHS-3C 型酸度计测定;碱解氮含量使用碱解扩散法测定;有效磷含量采用Olsen 法测定;速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾-外加热法测定。

1.3.5 土壤综合肥力

内梅罗指数是一种兼顾极值或突出最大值的多因子环境质量指数，是国内外进行综合污染指数计算的常用方法之一，常用于计算空气、水质及土壤重金属等综合污染指数［22］。内梅罗指数是由单因子指数演化而来，传统的内梅罗指数公式为

其中

式中 Ptotal——土壤综合肥力指数

Pimax——第i 个肥力指标标准值的最大值

P——各项肥力指标标准值的平均值

ci——第i 个肥力指标的实测值

yij——第i 个肥力指标在j 种标准下的标准值，具体分级标准见文献［23］

传统的内梅罗指数计算土壤综合肥力指数时，在计算Pimax和P 时，采用第i 个肥力指标标准值的最大值和标准值的平均值，但由于不同土壤肥力指标之间存在一定的影响以及土壤肥力各指标对土壤的影响不同，会对计算结果造成一定的影响。为解决上述问题，对内梅罗指数进行一定的改进。

(1)采用熵权法和相关系数法［24-25］加权平均计算的平均值代替各肥力指标标准值的平均值，设熵权法和相关系数法确定各肥力指标的权重为w和v，则二者平均权重及加权计算平均值为

w′i——熵权法和相关系数法加权平均权重

pi——单项值平均值

(2)采用权重w′最大的肥力指标的标准值和传统法确定的各肥力指标标准值最大值的平均值计算式为

式中 pw——采用权重w′最大的肥力指标的标准值

则土壤综合肥力指数为

1.4 数据处理方法

采用Microsoft Excel 2010 和Origin 8.5 对数据进行处理与绘图，并对产量和土壤综合肥力指数进行回归分析。采用SPSS 19.0 软件进行方差分析，LSD 法进行多重比较(P ＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 施加生物炭对土壤储水量的影响

表1 为连续4 年施加生物炭后0 ～100 cm 土层土壤储水能力。由表1 可知，连续4 年各生育阶段0 ～60 cm 土壤储水量均随施炭量的增加呈先升高后降低的趋势，2015 年各生育阶段各处理均在C75处理最大，施加生物炭各处理与C0 相比均达到显著性差异(P ＜0.05)，2016、2017 年各生育阶段均在C50 处理土壤储水量提高最多，差异均显著(P ＜0.05)，2018 年C25 处理为各生育阶段土壤储水量提高量最大的处理，而C100 处理各生育阶段土壤储水量均低于C0 处理，降低率为3%、8.5%、5.2%、6.7%，未达到显著水平(P ＞0.05)。连续4 年各生育阶段60 ～100 cm 土壤储水量没有明显的变化规律。综合4 年试验分析，施用生物炭主要影响了0 ～60 cm 土层的土壤储水量，且在第2 年施加50 t/hm2的生物炭对0 ～60 cm 土层土壤储水量提高效果最优，苗期、分枝期、开花结荚期、鼓粒期较C0处理分别提高71%、61.9%、60.2%和66.8%，而过高的施炭量蓄水保水效果减弱。

表1 2015—2018 年0 ～100 cm 土层土壤储水量Tab.1 Soil water storage in 0 ～100 cm of soil layer from 2015 to 2018 mm

2.2 施加生物炭对土壤水分常数的影响

表2(表中土壤水分常数均为质量含水率)为连续施加4 年生物炭后，土壤持水性指标的变化规律。连续4 年饱和含水率均随施炭量的增加呈逐渐增加的趋势，与同年C0 处理相比差异均显著(P ＜0.05)，最高提高了43.63%。4 年田间持水率与凋萎系数呈相同的变化趋势，其中2015 年田间持水率随施炭量的增加呈逐渐增加的趋势，施加生物炭各处理与C0 相比均达到显著性差异(P ＜0.05)，2016—2018 年呈先增大后减小的趋势，相对较优处理分别为C50、C50 和C25，较同年C0 处理分别提高了11.34%、8.67%和7.91%，差异均达显著性水平(P ＜0.05)。另一方面，2018 年C100 处理田间持水率和凋萎系数均低于对照处理，降低了3.7%和4.1%，与C0 相比差异不显著(P ＞0.05)。由此可见，不同的施炭量和施用年限对土壤持水性能的影响不同，过高的施炭量会使土壤持水性能减弱，甚至当累积施炭量过高时会产生负效应。

表2 2015—2018 年土壤水分常数指标Tab.2 Soil water constant index from 2015 to 2018 %

2.3 施加生物炭对大豆生长动态的影响

2.3.1 施加生物炭对大豆株高和叶面积的影响

图1(图中不同小写字母表示同一处理不同生育期差异显著(P ＜0.05))为2015—2018 年大豆各生育阶段株高和叶面积指数(LAI)。由图1 可知，施加生物炭对大豆株高和叶面积指数有一定的影响。2015 年苗期在C75 处理株高最高，较C0 处理高8%，其他处理株高由高到低依次为C50、C25、C100，较C0 处理分别提高了4.8%、3.2%和1.6%，均未达到显著差异水平(P ＞0.05)。分枝期、开花结荚期、鼓粒期也均在C75 处理株高达到最高，与C0 相比分别提高了46.1%、36.2%和26.4%，差异显著(P ＜0.05)，其他施加生物炭各处理与C0 处理相比均达显著性差异(开花结荚期除外)，但开花结荚期和鼓粒期C100 处理较C0 处理降低了10%(P ＞0.05)和12.2%(P ＜0.05)。2016—2017 年与2015 年的变化规律大体相同，但在C50 处理大豆各生育阶段的株高最高。2018 年在C25 处理达到最高，各生育阶段的C25 处理较C0 处理提高了5.7%、38.5%、20.1%和16.8%，同时在分枝期开始，C100 处理低于C0 处理。由图1 可知，大豆叶面积指数与株高随施炭量的变化规律相同，连续4 年叶面积指数随施炭量的增加呈倒“L”形，2015 年C75 处理曲线处于最高，2016、2017 年C50 处理曲线处于最高，而2018 年C25 处理曲线处于最高。综上分析可知，适量的生物炭会提高大豆株高和叶面积指数，而施炭量过高或累积施炭量过高均会使株高降低，叶面积指数变小。

图1 2015—2018 年大豆株高和叶面积指数Fig.1 Plant height and LAI of soybean from 2015 to 2018

2.3.2 施加生物炭对冠层覆盖度的影响

图2 为不同施炭量和施用年限下大豆的冠层覆盖度。由图2 可知，连续4 年施加生物炭对大豆冠层覆盖度有一定的影响。2015 年各生育阶段大豆的冠层覆盖度均随施炭量的增加呈先增加后减小抛物线变化(R2均在0.93 以上，P 均小于0.01)，其中各生育阶段均以C75 处理最大，苗期、分枝期、开花结荚期和鼓粒期分别较C0 处理增长了33.3%、36.3%、21.8%和21.5%。2016、2017 年大豆冠层覆盖度随施炭量的变化也呈先增后减的抛物线(R2均在0.91 以上，P ＜0.01)变化，各生育阶段均在C50 处理冠层覆盖度最大;各生育阶段中大豆冠层覆盖度均在开花结荚期变化幅度最大。2018 年大豆冠层覆盖度变化规律与前3 年相同(R2均在0.89以上，P ＜0.01)，各生育阶段均在C25 处理冠层覆盖度最大，与C0 相比分别提高了43.8%、30.6%、30.9%和38.1%，但各生育阶段的C100 处理均低于C0 处理，降低率为3.2%、2.7%、5.3%和9.5%。对比4 年试验数据分析，连续施加2 年50 t/hm2的生物炭对各个生育阶段大豆冠层覆盖度的影响最大，与C0 相比提高了81.4%、36.7%、31.5%、39.6%，由此可知，施加适量的生物炭可有效地提高大豆冠层覆盖度，而过高的施炭量或累积施炭量过高均会使冠层覆盖度减小。

图2 2015—2018 年大豆冠层覆盖度Fig.2 Canopy coverage of soybean from 2015 to 2018

2.4 施加生物炭对土壤肥力的影响

2.4.1 施加生物炭对土壤养分的影响

表3 为连续4 年施加生物炭的土壤养分指标及方差分析。由表可知，连续4 年土壤pH 值和有机质、速效钾含量随施炭量的增加呈逐渐升高的趋势，且随着年限的增加增长的速率加快。土壤碱解氮、有效磷含量随施炭量的增加均呈先升高后降低趋势，2015、2016 年在C50 处理土壤碱解氮和有效磷提高最多，2017、2018 年在C25 处理提高效果最好，但2017、2018 年的C100 处理土壤碱解氮、有效磷含量均低于对照处理4.5%、7.3%和10.8%、9.5%，差异不显著(P ＞0.05)。综上分析，施加生物炭会提高土壤pH 值，土壤有机质和速效钾含量，施加适量的生物炭会提高碱解氮和有效磷含量，而施炭量过高或累积施炭量过高均会导致碱解氮和有效磷含量降低。由表亦可知，施炭量和施用年限对土壤pH值和有机质、碱解氮、速效钾含量均有极显著的影响(P ＜0.01)，施炭量对有效磷含量也有极显著的影响(P ＜0.01)，但施用年限对有效磷含量影响不显著(P ＞0.05)。另外，施炭量和施用年限的交互作用对土壤养分各指标均有极显著的影响(P ＜0.01)。

2.4.2 土壤综合肥力分析

选取连续4 年5 个施炭量水平下土壤有机质质量比(X1，g/kg)、碱解氮质量比(X2，mg/kg)、有效磷质量比(X3，mg/kg)、速效钾质量比(X4，mg/kg)、pH值(X5)为肥力指标，采用改进的内梅罗指数法对土壤综合肥力指数进行计算，其中熵权法、相关系数法以及二者加权平均计算肥力指标的权重如表4 所示，计算的综合指数如图3 所示。由图3 可知，连续4 年土壤综合肥力指数均呈先升高后降低的趋势，2015、2016 年在C50 处理最大，2017、2018 年在C25处理最大，而2018 年C75、C100 处理的土壤综合肥力指数最小，低于同年的对照处理，对比4 年结果可知，连续施加2 年50 t/hm2的生物炭土壤综合肥力水平最好，此时土壤中养分均处于适中状态，最有利于大豆生长。

表3 2015—2018 年土壤肥力指标及方差分析Tab.3 Soil fertility index and rariance analysis from 2015 to 2018

表4 肥力指标权重Tab.4 Weight coefficient of evaluation index

2.4.3 土壤肥力指数计算验证

图3 土壤综合肥力指数变化曲线Fig.3 Changing curves of soil fertility index

表5 为土壤养分各指标与产量的相关系数。由表可知，土壤pH 值和有机质、速效钾含量与大豆产量有显著的相关性，土壤碱解氮、有效磷含量与大豆产量有极显著的相关性。因而，不同施炭量对土壤肥力的影响可能是大豆产量变化的原因。已有大量研究表明，土壤肥力是影响产量的关键因素［26］。为验证计算的土壤综合肥力指数，将产量与土壤综合肥力指数进行回归分析(图4)，经过回归分析可知，产量与肥力综合指数呈良好的线性关系。由此可知，连续施加2 年50 t/hm2的生物炭土壤中土壤养分处于平衡状态，此时产量最大。

表5 2015—2018 年土壤肥力各指标与产量的相关系数Tab.5 Correlation coefficient between soil fertility index and yield from 2015 to 2018

图4 产量与土壤综合肥力指数回归分析Fig.4 Regression analysis of yield and soil fertility index

3 讨论

生物炭由于自身疏松多孔，有较强的吸附能力和保水性，施入土壤后可改善土壤结构，增加土壤水分［27］。本试验结果显示，连续4 年施加生物炭后，可以增加0 ～60 cm 土层的土壤储水量，但施炭量过高或累积施炭量过高会导致储水量下降，在结荚开花期土壤储水量变化最明显，这与魏永霞等［14］的研究结果一致，产生这种现象的原因是生物炭可以吸附降雨，提高土壤储水量，但这种蓄水保水能力是有限度的，当施炭量过高时，会超过生物炭的最大蓄水能力，导致储水量降低［28］。另外，在结荚开花期雨水较少，所以在降雨时生物炭可以快速吸附雨水，增加储水量，当天气较为干旱时，生物炭将吸附的雨水传递给土壤，储水量减小的速率较缓，而60 ～100 cm 土层与表层距离较远，受生物炭的影响不大。但王湛等［28］认为，施加生物炭可以增加0 ～40 cm 土层土壤储水量，而50 ～70 cm 土层土壤储水量出现降低趋势，这可能是因为生物炭的施加量不同和土壤种类不同。在土壤持水性能方面，潘全良等［29］通过6 年试验研究得出，施加生物炭可以提高田间持水率，但最优施炭量和施用年限却没有明确给出;颜永毫等［30］认为田间持水率与施炭量呈正相关;在本试验中饱和含水率和凋萎系数随施炭量的增加呈逐渐升高的趋势，田间持水率在施加第1 年呈逐渐升高趋势，在施加2 ～4 年呈先升高后降低的趋势，以连续施加2 年的50 t/hm2田间持水率最大，这是因为生物炭自身结构特性，具有一定的持水能力，增加土壤中有效水量，延长作物的凋萎时间，但施炭量过高会使土壤的持水能力减弱［9，14］，导致田间持水率下降。

施加生物炭可以提高大豆株高和叶面积指数［31-32］，但在施炭量和使用年限上说法尚不一致;在本研究中，在大豆生长的各生育阶段中，连续4 年施加生物炭大豆株高、叶面积指数和冠层覆盖度均呈先升高后降低的趋势，均以连续施加2 年50 t/hm2提高量最大。这与阚正荣等［33］的研究结果一致。这是因为生物炭具有保水性，在大豆生长发育初期，大豆水分充足，生长发育良好，枝叶茂盛，当施炭量过高时，土壤储水量减小，大豆水分供应不足，会导致土壤结构变差，碳氮比失调，导致产量降低［34］。

生物炭由于自身含碳量高及呈碱性的特性，施加生物炭对土壤养分具有一定的影响。李司童等［35］通过1 年试验表明施加生物炭可增加土壤速效养分及有机质含量;李明等［36］通过1 年试验研究可知，在C25 处理碱解氮、速效钾含量最大，土壤速效磷含量呈逐渐升高的趋势;而在本文中，土壤pH值和有机质、速效钾含量随施炭量的增加呈逐渐升高的趋势，碱解氮和有效磷含量呈先升高后降低的趋势，但2017、2018 年C100 处理低于对照处理。这是因为生物炭自身矿物质多的特性，施加到土壤中可增加土壤养分，但施炭量过高导致氮和磷的固定［9］，导致含量降低，由此可见施炭量和施用年限均对土壤养分有影响，为此本研究将施炭量、施用年限以及二者交互作用对土壤养分含量进行方差分析，结果表明，除了施用年限对有效磷含量没有显著影响外，其余均有极显著影响。上述结果亦可证明施加生物炭可提高土壤养分，但施炭量过高导致pH值过高，土壤中有机质、速效钾含量过高，氮、磷含量过低，反而不利于大豆的生长，为此寻求土壤养分处于综合性最好的状态是必要且可行的。由于施加生物炭对土壤肥力有一定的影响，亦对产量有一定的提高，为寻求土壤综合肥力水平最优的生物炭施用模式，本试验采用改进的内梅罗指数法对土壤综合肥力指数进行计算，使计算结果具有完全客观性的同时，解决了土壤肥力各指标对土壤环境影响的困扰，并用产量进行计算结果验证。结果表明，连续4 年施加生物炭，在2016 年C50 处理对土壤肥力综合性能提高最好，其次是2017 年C25 处理;产量与土壤综合肥力指数呈正相关，决定系数为0.861 5，均方根误差为0.75，计算结果较为合理。即土壤综合肥力水平最优的生物炭施用模式为连续2 年施加50 t/hm2的生物炭。另外，生物炭对其他指标的响应关系及生物炭对各指标产生的后效还有待进一步研究。

4 结论

(1)施加生物炭可提高0 ～60 cm 土层土壤储水量，连续4 年，大豆各生育期的土壤储水量随施炭量的增加呈先升高、后降低的的趋势，相对较优处理分别为C75、C50、C50、C25，以2016 年C50 处理提高最大，为71%(苗期)、61.9%(分枝期)、60.2%(开花结荚期)和66.8%(鼓粒期);施加生物炭对60 ～100 cm 土层土壤储水量影响不显著;连续4 年，田间持水率随施炭量的增加呈先升高、后降低的趋势，相对较优处理分别为C100、C50、C50、C25，在2016年C50 处理提高最多，为11.34%;连续4 年，凋萎系数与田间持水率的变化规律相同，4 年的相对较优处理也相同，分别为C100、C50、C50、C25;连续4 年，饱和含水率均随施炭量的增加呈逐渐增大的趋势，最高提高了43.63%。

(2)连续4 年，施加生物炭可以提高大豆各生育阶段的株高和叶面积指数，各生育阶段大豆株高随施炭量的变化呈先升高、后降低趋势，叶面积指数随施炭量的增加呈倒“L”形，相对较优处理分别为C75、C50、C50、C25;各生育阶段的大豆冠层覆盖度与施炭量呈抛物线变化，R2均在0.89 以上，P ＜0.01，相对较优处理也为C75、C50、C50、C25。

(3)连续4 年，土壤pH 值和有机质、速效钾含量随施炭量的增加呈逐渐升高的趋势，碱解氮和有效磷含量呈先升高、后降低的趋势，相对较优处理为C50、C50、C25、C25。方差分析表明，除施用年限对有效磷含量无显著影响外，其余均有极显著影响。采用改进的内梅罗指数法对土壤综合肥力指数进行计算，同时用产量进行验证，R2为0.861 5，P 为0.001 2，RMSE 为0.75，土壤综合肥力水平最优的生物炭施用模式为连续2 年施加50 t/hm2的生物炭。