生物炭施用模式生态效益与经济效益耦合协调度研究

刘 慧 温小艳 李禹韬 张鑫鑫 范亚东

(1.东北农业大学经济管理学院， 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.东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030； 4.东北农业大学生命科学学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

黑土是肥力最高、最适宜耕作和最具生产潜力的土壤，是我国宝贵的自然资源和不可再生的环境资源，为我国农业的可持续发展提供了得天独厚的自然优势和重要保障[1]。东北黑土区作为全球四大黑土区之一，是我国重要的粮食生产功能区，粮食产量占全国1/4，调出量占全国1/3，因此，保护利用好黑土地对保障国家粮食安全和促进农业绿色发展意义重大[2]。但多年来，盲目追求粮食产量、不合理施用化肥、掠夺式农业经营方式和大机械的使用，导致我国黑土区农田生态环境不断恶化，黑土耕层变浅，土壤结构破坏，土地有机质和保水能力下降，水土流失面积扩大，侵蚀强度增加，黑土质量退化日益严重，致使土地生产能力降低，农产品品质降低，农业经济效益低下，严重威胁了黑土区的粮食生产能力。

我国东北地区秸秆资源丰富，但大多以“焚烧、丢弃”等粗放方式处理，不仅造成了严重的资源浪费，而且也对环境产生严重污染。生物炭是作物秸秆、动物粪便等原材料在缺氧的条件下，高温(<700℃)裂解而成的一种高度芳香化、富含碳素的固态产物[3]。黑土区数量庞大的秸秆是生物炭的理想来源，以生物炭为核心的秸秆炭化还田技术不但为秸秆等农林业废弃物提供了一条变废为宝的出路，更为提高耕地生产能力提供了有效手段[4]，契合高效率利用秸秆资源、减少面源污染的需要。因而生物炭受到了许多学者的关注，房彬等[5]通过1年试验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]通过1年盆栽试验得到施加生物炭促进了番茄根系发育和产量提高；杜兵杰等[7]通过主成分分析法探究了不同施炭水平对番茄品质的影响，庞红伟[8]通过投影寻踪模型，评价了生物炭对节水灌溉水稻生长的影响。目前对于生物炭的研究多是短期试验，中长期试验较少，而且对于施加生物炭的效果研究主要集中在土壤理化性质[5,9-11]、土壤水分运动[6,12-14]、作物生长[7,15-16]等生态效益方面，对施加生物炭经济效益的研究较少，而对于生态效益与经济效益的耦合协调度更是鲜有研究。因此，本文在4年田间试验研究基础上，测算不同生物炭施用模式生态效益与经济效益以及二者之间的耦合协调度，以期得到黑土区最优施炭模式，为黑土区作物持续增产和土壤培肥提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015—2018年在黑龙江省北安红星农场(48°2′～48°17′N， 126°47′～127°15′E)进行。该区属寒温带大陆性气候，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℃有效积温为2 254.5℃，年日照时数为2 364.2 h，无霜期105 d左右。该区地处小兴安岭南麓，地势东高西低，坡面较长，坡度为3°～5°，属丘陵漫岗地带。该区土壤以黑土为主，农作物以水稻、大豆以及玉米为主。

1.2 试验设计

于2015—2018年在北安红星农场的径流小区内开展为期4年的试验研究。各径流小区坡度为3°，面积为100 m2(20 m×5 m)，每2个小区间隔1 m且各小区边界用深入地下1 m的铁板隔开，防止侧渗。试验共设置5个生物炭水平：0 t/hm2(C0)、25 t/hm2(C25)、50 t/hm2(C50)、75 t/hm2(C75)、100 t/hm2(C100)，2次重复，共计10个径流小区。2015—2018年每年试验开始前将生物炭与表层土壤(0～20 cm土层)充分混合均匀。除生物炭施加量不同外,其他水肥管理措施均按当地常规方法，即在天然降雨条件下种植，不进行灌水，化肥采用N、P2O5、K2O质量分数分别为13%、28%和10%的复合肥，用量为450 kg/hm2，均以基肥形式一次性施入，且4年试验保持一致。试验地土壤为草甸黑土，其基础肥力为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。试验用玉米秸秆生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司，其制备方式为将玉米秸秆在450℃无氧条件下高温裂解烧制而成，基粒径1.5～2.0 mm，pH值为9.14，全碳质量比为70.21 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土壤理化性质

土壤容重、孔隙度采用DK-1130型土壤三相仪测定。土壤饱和含水率、田间持水率采用环刀法测定[17]，土壤凋萎系数采用生物法和干燥法测定[17]。土壤有机碳含量采用TOC分析仪测定；铵态N、有效P、速效K含量分别采用纳氏比色法、Bray法、醋酸铵-火焰光度计法测定[18]；土壤pH值采用电位法测定。

1.3.2年径流深和土壤侵蚀量

各次降雨的产流量通过安装在每个径流小区末端的径流自动记录系统记录，进而得到年径流深和径流系数；产沙量通过安装在每个径流小区末端的泥沙收集系统(BLJW-ZXY)测定，在每次降雨产流后，每5 min取1次泥沙收集系统中水样，将水样静置24 h，漂去上层清水，用滤纸滤出泥沙，干燥8 h称量，经计算得到产沙量，由各次产沙量加和得到年土壤侵蚀量。

1.3.3产量和水分利用效率

于每年大豆收获期，对各个径流小区进行产量测定。采用水量平衡方程计算大豆全生育期耗水量，由于试验区地下水埋深40 m且试验期内未灌水，故不考虑地下水交换量和作物生育期内灌水量，故生育期耗水量和水分利用效率计算公式为

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——收获期与播种期0～100 cm土壤储水量差值，mm

ΔR——地表径流量，mm

Y——大豆产量，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

经济效益考虑试验总成本、收益以及生物炭利用效率，计算公式分别为

C0=QbiocharPbiochar+C1

(3)

Rt=Rt-1+QtPt

(4)

BUE=ΔQsoybean/Qbiochar

(5)

式中C0——总成本，元/hm2

C1——除生物炭成本以外的其他成本，元/hm2

Qbiochar——生物炭累积施加量，t/hm2

Pbiochar——生物炭价格，元/t

Rt、Rt-1——第t、t-1年累积收益，元/hm2

Qt——第t年大豆产量，kg/hm2

Pt——第t年大豆价格，元/kg

ΔQsoybean——大豆累积增产量，kg/hm2

BUE——生物炭利用效率，kg/t

1.4 基于熵值法的耦合协调度模型

1.4.1数据标准化

由于指标的差异性，各类数据量纲不同，故依据各指标对生物炭施用效益的影响分为正向、负向两类进行标准化处理

(6)

式中xij——第j种方案的第i个指标值

minxij、maxxij——所有方案中第i个指标的最小值和最大值

1.4.2生态效益与经济效益

以生态效益为例介绍效益的计算方法。设共有m个生态效益指标，采用熵值法确定各指标的权重。第i个指标的信息熵hi表达式为

(7)

第i个指标的信息熵冗余度di表达式为

di=1-hi

(8)

利用熵值法对指标赋权，权重ωi表达式为

(9)

生态效益vj计算式为

(10)

1.4.3耦合协调度模型

生物炭施用后的生态效益和经济效益是两个动态、交错、非均衡的过程，因此生物炭施用效益的重点不仅在于测算出各效益综合值，还在于对效益间耦合协调关系进行分析。耦合协调度是衡量系统内部各要素在发展过程中彼此协调与否的量值，反映系统由无序向有序变化的趋势[19]。本文将生物炭施用效益系统耦合协调度视为生态、经济两子系统相互之间作用程度的体现，分析两者耦合与协调发展程度，设第j个方案的生态效益和经济效益分别为vj和uj，则

(11)

Tj=αvj+βuj

(12)

(13)

式中Cj——耦合度，取值范围为[0，1]，Cj越大，说明两系统相互作用越强

k——调节系数，因涉及生态效益与经济效益两个子系统，故k取2

Tj——经济效益和生态效益的综合协调指数

α、β——待定系数，本文认为施加生物炭后的生态效益与经济效益同等重要，因此取α=β=0.5

Dj——生态效益与经济效益的协调度，取值范围为[0，1]，Dj越大，说明两系统协调程度越好

耦合度和协调度等级划分如表1所示[20]。通过计算各方案的耦合度和协调度分析施加生物炭的生态效益和经济效益的耦合协调度。

表1 耦合度和协调度分级Tab.1 Coupling degree and coordination degree classification

1.5 数据处理

各指标均采用平均值，采用Excel 2010进行数据处理和绘图，利用SPSS 20.0进行统计分析，采用Tukey法进行多重比较，显著性水平取0.05。采用熵值法计算生态效益和经济效益各指标的权重，采用耦合协调度模型分析各处理生态效益与经济效益的耦合度和协调度。

2 结果与分析

2.1 施加生物炭的生态效益

2.1.1施加生物炭对土壤结构指标的影响

图1为2015—2018年各处理土壤容重和孔隙度的变化规律。由图1a可知，连续4年施加生物炭可以降低土壤容重，且随着施炭量的增加容重逐渐减小。施炭当年，各处理容重分别为对照组的94.37%～99.13%；连续施炭2年，各处理容重分别为对照组的91.30%～97.83%；连续施炭3、4年，各处理容重分别为对照组的88.26%～96.09%、88.60～95.61%。同一施炭水平下，土壤容重随试验年限的延长呈逐渐递减的趋势。由图1b可知，各施炭处理土壤孔隙度均大于对照组，施炭当年各处理孔隙度分别为对照组的1.03～1.11倍；连续施炭2年，各处理孔隙度分别为对照组的1.08～1.21倍；连续施炭3年，各处理孔隙度分别为对照组的1.12～1.23倍，连续施炭4年，各处理孔隙度分别为对照组的1.11～1.25倍。同一施炭水平下，土壤孔隙度随试验年限的延长呈逐渐递增的趋势。以上变化均取决于生物炭多孔性、容重小且远低于土壤容重的结构特征，将其施入土壤后可以有效地改善土壤的孔隙结构，提高土壤的透气性和透水性。

2.1.2施加生物炭对土壤养分含量的影响

图2为2015—2018年各处理土壤养分含量的变化规律。由图2可知，随着施炭量的增加，铵态氮含量2015、2016年均在C50取得最大值，分别为对照组的1.43、1.51倍；2017、2018年均在C25处取得最大值，分别为对照组的1.28、1.18倍，而2年C100处理却仅为对照组的98%、90%。有效磷含量2015年在C75取得最大值，为对照组的2.08倍；2016年在C50取得最大值，为对照组的2.02倍；2017、2018年均在C25取得最大值，分别为对照组的2.00、2.04倍，而2年C100处理仅为对照组的86%、87%。速效钾含量、总有机碳含量、pH值4年随着施炭量的增加逐渐增大。施加生物炭虽然在一定程度上提高了土壤有效养分的含量，但提高铵态氮、有效磷含量的效应尚不稳定，甚至在高水平施炭处理下产生了轻微抑制现象。

2.1.3施加生物炭对土壤持水能力的影响

图3为2015—2018年各处理土壤水分常数的变化规律。由图3可知，随着施炭量的增加，各处理饱和含水率逐渐增大。田间持水率和凋萎系数变化规律相同，2015年随着施炭量的增加，2项指标逐渐增大；2016年和2017年2指标各处理间由大到小均表现为：C50、C75、C25、C100、C0；2018年两项指标均在C25取得最大值，分别是对照组的1.08、1.09倍，而两项指标在C100处均低于对照组，这可能是由于适量的生物炭施入土壤后土壤容重随之降低，孔隙度随之升高，从而土壤的含水率和透气性提高，而当累积施炭量过高时会使土壤结构松散、土壤结构变差，从而使土壤持水能力下降。

2.1.4施加生物炭对土壤水土流失的影响

由于径流深和土壤侵蚀量受到降雨量的影响，而各年的降雨量存在很大的差异，因此本文采用径流系数和单位降雨量的土壤侵蚀量来消除年际间降雨量差异带来的影响。表2为2015—2018年各处理径流系数以及单位降雨量的土壤侵蚀量的变化规律。由表2可知，施加生物炭在一定程度上可以降低径流系数和单位降雨量的土壤侵蚀量，但并非施炭量或累积施炭量越高减流效果和抗土壤侵蚀效果越佳。径流系数2015年C100高于C75，2016年和2017年C100仅次于对照组，而2018年C100则高于对照组；单位降雨量的土壤侵蚀量2018年C75、C100高于对照组，这可能是随着时间的延长累积施炭量过多，改变了土壤的结构，使土壤过于松散，抗冲刷能力减弱，使减流效果变弱，侵蚀程度增加。

表2 2015—2018年不同处理径流系数和单位降雨量的土壤侵蚀量Tab.2 Runoff coefficient and soil erosion per unit rainfall of different treatments in 2015—2018

2.2 施加生物炭的经济效益

2.2.1施加生物炭的节水增产效应

图4(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05))为2015—2018年各处理作物产量以及水分利用效率变化规律。由图4可知，施加生物炭2年内能够显著提高大豆产量，但连续3年施加100 t/hm2时大豆产量并不会显著提高，连续4年施加时仅C25产量显著高于对照组，C100产量甚至显著低于对照组。施加生物炭3年内能够显著提高水分利用效率，但连续4年施加100 t/hm2时水分利用效率显著低于对照处理。这可能是因为适量的生物炭可以改善土壤结构、提高土壤肥力，有利于提高大豆的保水性能和有机质含量，使其处于最佳生长状态，而随着施炭量或累积施炭量的增加，最佳生长状态被破坏，导致作物增产效果和节水效果减弱。

2.2.2施加生物炭的投入产出

2015—2018年大豆生产总成本如表3所示。分别计算各处理的成本、收益以及生物炭利用效率，结果见表4。施炭1年和连续施炭2年收益均在C75处取得最大值，分别为16 923.46、32 274.46元/hm2；连续施炭3年和4年收益均在C50取得最大值，为48 661.3、63 336.8元/hm2，但从生物炭产生的成本和收益来看，目前施用生物炭不经济。连续施炭2年，施用量为25 t/hm2时生物炭利用效率最大，施用年限过长或施用量过大都会导致其利用效率降低，其原因为当施炭量过高或累积施炭量过高时，累积施炭量增加速率远大于产量的增加速率。

表3 大豆生产总成本Tab.3 Total production cost of soybean 元/hm2

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

2.3 生态与经济效益耦合协调度

2.3.1效益指标及权重

分别选取能够反映生物炭生态效益的12个指标和经济效益的5个指标，采用熵值法计算各指标的权重，结果见表5。

表5 效益指标及权重Tab.5 Benefit indexes and weights

2.3.2生态与经济效益及其耦合协调度分析

表6为各处理生态效益指数与经济效益指数及其耦合协调度测算结果。生态效益测算结果显示，施炭当年随着施炭量的增加生态效益指数逐渐递增，连续施用2～4年生态效益指数呈先增后减的变化规律，且均当施炭量为50 t/hm2时取得最大值。经济效益测算结果显示，4年随着施炭量的增加经济效益均呈先增后减的变化规律，4年分别在施炭量为75、50、50、25 t/hm2时取得最大值，且连续3、4年施用100 t/hm2生物炭时经济效应低于不施炭处理。说明适量的生物炭可以有效提高生态效益和经济效益，但随着施炭量的增加或累积施炭量的增加此种效果逐渐减弱甚至出现轻微的抑制作用，因此合理的施炭量以及施炭年限至关重要。

表6 2015—2018年各处理生态效益与经济效益耦合协调度Tab.6 Coupling coordination degree of ecological and economic benefits of different treatments in 2015—2018

耦合度测算结果显示，除2015年C0处理耦合度为0.290 3，属低水平耦合阶段外，其余各处理均处于拮抗阶段，表明两系统处于一种过程阻抑另一种过程的状态，但从耦合度数值上看施用生物炭能够改善阻抑的程度，4年各施炭处理耦合度均高于C0，4年施炭量分别为100、50、25、25 t/hm2时耦合度最高。协调度测算结果显示，第1年随着施炭量的增加，两种效益的协调度由重度失调逐渐转变为勉强协调；后3年随着施炭量的增加，两种效益的协调度均由轻度失调逐渐转变为勉强协调。施炭当年随着施炭量的增加，当施炭量为75 t/hm2时协调度最高，连续施炭2、3年均当施炭量为50 t/hm2时协调度最高，连续施炭4年当施炭量为25 t/hm2时协调度最高。连续3年施加50 t/hm2生物炭可使生物炭的生态效益与经济效益的协调度最佳，且此时生态效益指数、经济效益指数及其耦合度均较高。

3 讨论

生物炭由许多紧密堆积且高度扭曲的芳香环片层组成，具有多孔性、比表面积大等特点，施入土壤可以改良土壤结构[21-23]。本研究发现，随着施炭量和施炭年限的延长，土壤容重逐渐降低，孔隙度逐渐增加，这与LAIRD等[24]研究结果一致。同时，生物炭含有的羟基、羧基、苯环等官能团赋予了其特有的强大吸附能力和较大的离子交换量，这为改良土壤、提高水肥利用效率提供了可能。本研究还发现，施加生物炭可以有效提高土壤肥力和土壤持水能力。随着施炭量增加和施炭年限延长，土壤总有机碳含量、pH值和饱和含水率逐渐增大。铵态氮、有效磷、速效钾含量、田间持水率和凋萎系数当施炭量较低、施炭年限较短时，随着施炭量增加和施炭年限延长改善效果逐渐增强，但当施炭量或累积施炭量较高时，改善效果逐渐减弱，甚至出现了轻微的抑制作用。这与魏永霞等[25]研究结果一致，但与聂新星等[26]认为生物炭对pH值无显著影响存在一定的差异，这可能是由于土壤或生物炭种类不同所造成的。由于生物炭能够改善土壤结构，提高土壤的持水能力和渗水性能，因而可以促进降雨入渗，减少径流冲刷和养分流失。当施炭量较低、施炭年限较短时，随着施炭量的增加和施炭年限的延长保水保土效果较好，但当施炭量或累积施炭量较高时，保水保土效果逐渐减弱，甚至水土流失程度超过未施炭处理。这可能是随着生物炭在土壤中的累积效应，表层土壤更为稀松，导致土壤结构变差，雨水形成的径流将更易携带表层土壤，从而造成土壤的流失。

由于生物炭本身有机质含量较高，施入后可增加土壤肥力[27]；同时，生物炭具有比表面积大、多孔及吸附能力强等特点[28]，具有很好的持水、保水性能且对化肥起到了吸附和缓释的作用，能够有效地改善作物的水土环境，有利于作物生长，从而提高作物产量。勾芒芒等[6]通过1年的试验研究发现，施加生物炭可以显著提高番茄产量。房彬等[5]的研究表明，施加1年生物炭后冬小麦产量显著提高。本研究发现，适量的生物炭可以有效地提高作物产量和水分利用效率，但当施炭量较高，或累积施炭量较高时，作物产量和水分利用效率反而降低，甚至低于未施炭处理，说明当累积施炭量过高时对土壤的理化性质、持水能力等的影响减弱进而使作物产量降低。由于生物炭技术刚兴起，成本较高，因此随着施炭量的增加成本逐渐升高，这可能也是生物炭技术没有在农田广泛应用的原因。而收益和利用效率呈先增后减的变化规律，这可能是由于累积施炭量较低时，土壤结构逐渐变好、肥力逐渐增强，使作物处于较好的生长环境，单位生物炭带来的增产效果比较大，收益随之增大；而累积施炭量过高时，土壤结构退化严重，不再适合作物生长，单位生物炭带来的增产效果较小，收益随之减小。农民追求低成本、高收益，因此生物炭技术广泛应用的首要任务就是降低成本。

健康发展的土地的生态效益与经济效益不应“此消彼长，你强我弱”，而是密切联系，相互交织的耦合协调。但退化的土壤与较高的生物炭成本两者之间必然会有冲突，而引入耦合协调度模型旨在寻找两者之间发展的最优组合，使两种效益实现共同提升，最终使生态效益与经济效益协调发展。本研究通过熵值法测算各施炭处理的生态效益和经济效益，得出当连续施炭2年，施炭量为50 t/hm2时生态效益最优；当施炭2年，施炭量为75 t/hm2时经济效益最优。进一步通过耦合协调度模型测算了各施炭模式的耦合度和协调度，得出施加生物炭可以有效地缓解生态效益和经济效益之间的矛盾，但由于生物炭的成本较高，此种缓解效果随着累积施炭量的增加又逐渐减弱，因此适当的施炭量以及施炭年限至关重要。本研究发现，随着施炭量增加，各处理的耦合度和协调度呈先增后减的变化规律。4年当施炭量分别为100、50、25、25 t/hm2时耦合度最佳，而当施炭量分别为75、50、50、25 t/hm2时协调度最佳。连续3年施加50 t/hm2生物炭可使生物炭的生态效益与经济效益的协调度最佳，且生态效益、经济效益及其耦合度均较高。生物炭的效益是一个由经济、生态效益组成的完整系统，只有处理好经济发展与生态环境保护之间的关系，坚持两者协调发展，才能提高综合效益，实现最优效益，促进黑土资源可持续发展。

本文研究了连续4年在黑土区坡耕地施加生物炭的生态效益和经济效益及其耦合协调度，而生物炭施加的效果是一个复杂的过程，影响的指标也不仅局限于本文所研究的指标，同时施加生物炭也会产生一定的社会效益。因此在今后的研究中可以将社会效益及更丰富的效益指标纳入研究体系，研究生态-经济-社会三者的耦合协调度，更加全面地反映生物炭的效益。

4 结论

(1)生物炭能够有效改善土壤结构、增强土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力。施炭第1年生态效益逐渐增加，连续施加2～4年生态效益先增后减。连续施用2年、施炭量为50 t/hm2时，生物炭的生态效益最佳。

(2)适量施用生物炭能够有效提升作物节水增产性能，提高生物炭的收益和利用效率，进而提高其经济效益。4年内生物炭的经济效益均先增后减。施炭1年、施炭量为75 t/hm2时，生物炭的经济效益最佳。

(3)生物炭能有效改善生态效益与经济效益的耦合协调度。施炭第1年耦合度逐渐增加，协调度先增后减；连续施加2～4年耦合度和协调度均先增后减。连续施用3年、施炭量为50 t/hm2时生物炭的生态效益与经济效益的协调度最佳。黑土区最优生物炭施用模式为连续施加3年50 t/hm2生物炭。