生物炭對黑土區坡耕地水土保持及大豆增產效應研究

魏永霞，馮鼎銳, 劉志凱，孫繼鵬，張雨鳳

(1.東北農業大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030；2.農業部農業水資源高效利用重點實驗室，哈爾濱 150030)

寒地黑土是一種肥力高、性狀好的土壤，屬于世界頂級瑰寶[1]。我國黑土主要分布在黑龍江和吉林2省，其中黑龍江省占72%，擁有接近1 208 萬hm2黑土農田，成為我國最大的產糧大省[2]。然而黑龍江省的耕地中有近60%為坡耕地，多年過度墾發和掠奪式經營導致黑龍江省黑土區坡耕地水土流失日益加劇。截止2012年，黑龍江省水土流失面積已達1 340 萬hm2，水分已成為東北黑土區農業生產的主要限制因素，開展水土流失的治理已刻不容緩[2-5]。

自20世紀末提出“生物炭”概念以來，短短十幾年時間，相關的研究受到了廣泛關注和認可[6]。在全球提倡低碳、循環、可持續發展的基礎上，生物炭作為一種固碳還田，減少溫室氣體排放的措施得到更多的發展研究[7,8]。其中生物炭對土壤的改良和作物的增產成為主要研究方向。研究發現，生物炭施入土壤后可有效降低土壤密度，增加孔隙率[9]，從而提高土壤持水能力，提高土壤含水量和雨水下滲量[10]，保證了供作物生長利用的有效水分[11]。經過多年的研究，生物炭對于大豆、水稻和玉米等主要經濟作物的增產效果也得到廣泛的認可。Lehmann[12]等將生物炭以68和135 t/hm2的標準加入土壤提升了水稻和豇豆的生物量。Uzoma[13]等則發現生物炭施用量為15 t/hm2時，玉米產量就提高了150%。劉世杰[14]等的研究則發現生物炭能夠促進玉米苗期的生長。Iswaran[15]等添加生物炭的試驗發現每盆大豆可以增產10.4 g。Lehmann[12]等總結了全球范圍內的研究結果發現，當生物炭施用量在50 t/hm2以下時，對作物產量的影響基本都是正向的。

目前的研究多集中于生物炭對土壤理化性質、水肥利用效率、作物生長影響等單一方面，針對黑土區坡耕地需要治理水土流失、提高農業用水效率、增加作物產量的綜合要求，根據生物炭蓄水保土[16]及節水增產效果，以黑龍江省北安市紅星農場坡耕地徑流小區為研究對象，比較不同生物炭用量對坡耕地水土保持、大豆產量和水分利用效率的影響，尋求生物炭的最優用量。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區選擇黑龍江省北安市紅星農場，其位于北緯48°02′-48°17′，東經126°47′-127°15′，屬寒溫帶大陸性季風氣候區，年平均降水量556 mm，耕地面積0.16 萬hm2。耕地多為丘陵漫崗，土壤以黑土為主，質地黏重，入滲困難。降雨集中在7-9月份，占全年降雨量的90%，降雨集中且歷時短，整個地區坡耕地水土流失嚴重，旱澇災害頻發[4]。大豆為該地主要種植經濟作物之一。

1.2 試驗設計

試驗于2015年在徑流小區內進行，以3°坡耕地為研究對象，為更好地模擬該地區坡耕地實際情況，保證小區足夠坡長，設計徑流小區規格為20 m×5 m，共計10個小區。小區末端設有徑流自動記錄和泥沙收集系統，自動記錄后的徑流排入區外排水溝。為了防止側滲的影響，各小區邊界用深入地下1m的鐵板隔開。每個小區提前埋設TDR管，埋深1.8 m。試驗共設置5個處理，即不加生物炭的常規處理T1，和生物炭施加量分別為25(T2)、50(T3)、75(T4)、100(T5) t/hm2的處理，每個處理設2次重復。種植前將生物炭均勻鋪灑在小區表面并進行充分攪拌，使生物炭與小區0～20 cm土層土壤均勻混合。

試驗供試土壤為草甸黑土。土壤的基本性質：土壤密度1.15 g/cm3，孔隙度49.71%，田間質量持水率為35.19%，pH值6.5。供試玉米秸稈生物炭購于遼寧金和福農業開發有限公司，制備方式為在無氧條件下450 ℃高溫裂解，基粒徑1.5～2.0 mm，全碳量70.38%，全氮量1.53%，硫含量0.78%，氫含量1.68%，灰量31.8%，pH值9.14。供試大豆品種為黑河三號。

1.3 觀測內容與方法

(1)土壤物理性質。土壤物理性質選擇作物收獲時期測定，在每個小區10～20 cm處用環刀取原狀土壤，采用DIK-1130土壤三相儀測定各處理土壤孔隙度，用環刀法測定土壤密度及田間持水量。

(2)地表徑流量和土壤侵蝕量。在雨季5-10月份對各小區地表徑流量和土壤侵蝕量進行觀測。地表徑流量由自記流量系統自動記錄，土壤侵蝕量從泥沙收集系統獲得，最終根據比例推出地表徑流總量和土壤侵蝕總量。

(3)土壤水分。利用TDR分別在大豆播種期、出苗期、開花結莢期、鼓粒期和成熟期測定各徑流小區的土壤含水率，測定層次如下：0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm。

(4)大豆產量及其構成要素。收獲時在每個小區分別劃取9個1 m2大小的小區，考查每塊小區大豆植株的單株莢數，單株粒數和百粒重，并在收獲后統計每個徑流小區的總產量。

(5)耗水量與水分利用效率。

ET=P+I+ΔS-ΔR±Q

(1)

式中：ET為作物生育期耗水量，mm；P為作物生育期的降雨量，mm；I為作物生育期間的灌水量，mm；ΔS為收獲期與播種期0～100 cm土壤儲水量之差，mm；ΔR為地表徑流量，mm；Q為地下水交換量(試區地下水埋深40 m，可忽略不計)，mm。

WUE=Y/ET

(2)

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y為作物產量，kg/hm2。

(6)數據處理與分析。應用EXCEL對數據進行初步整理與圖表繪制，采用Spss 19.0統計軟件進行數據處理和顯著性分析，顯著性水平為0.05和0.01。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭施加量的水土保持作用

2.1.1 不同生物炭施加量對土壤理化性質的影響

不同處理的土壤理化性質如表1所示，對供試土壤施加生物炭可有效降低土壤密度，增大土壤孔隙度，提高田間持水量，且隨著生物炭用量越多，密度越低，孔隙度和田間持水量越高。而土壤的滲吸能力是影響徑流形成的主要因素之一，其主要取決于土壤自身的理化性質，土壤密度越小，孔隙度越大，土壤入滲性能越好[17,18]。

表1 不同生物炭施用量的土壤理化性質

注：a，b，c代表0.05水平差異顯著，下同。

由表1可以看出，隨著生物炭添加量的增加，各處理土壤的密度隨之減小，T2、T3、T4和T5較對照分別減小了2.19%、4.20%、4.90%、5.83%；各處理的孔隙度和田間持水量則隨著生物炭添加量的增加而增大，T2到T5各處理的土壤孔隙度和田間持水量分別較對照增加了4.03%、6.45%、7.66%、11.43%和3.49%、3.17%、5.71%、9.48%。說明生物炭施加量在100 t/hm2的范圍內，生物炭的添加可以有效增大土壤孔隙度，降低土壤密度，從而提高土壤的持水能力，且生物炭添加量越大，土壤的密度越小，孔隙度和田間持水量越高。

2.1.2不同生物炭施加量對年徑流和年土壤侵蝕量的影響

本區坡耕地水土流失主要是雨期集中而導致水蝕，本節主要分析不同的生物炭施用量條件下的蓄水減流和保土減沙效應，并用減流率和減沙率這2個特性指標來衡量[19]。由表2可以看出：不同生物炭施加量處理的年徑流和年土壤侵蝕量排序均為：T5

表2 不同生物炭用量的年徑流量和年土壤侵蝕量

圖1 不同生物炭用量的年徑流量和年土壤侵蝕量

2.1.3不同生物炭施加量對土壤質量含水量和儲水量的影響

土壤含水量是評價土壤環境的重要參數之一，本研究中不同處理土壤含水量的變化亦可衡量生物炭的蓄水保水效應，通過測定各處理不同生育期的0～100 cm土壤含水量，得出各生育期土壤含水量變化情況。由圖2可知，各處理在不同生育期土壤含水量隨土層深度變化趨勢基本相同。在0～20 cm土層中，由于含有大部分生物炭且受降水侵蝕、蒸發、土壤耕作等因素及作物根系的影響，土壤含水量變動較大；20～60 cm土層土壤水分含量受上層土壤水分含量影響而其他因素影響較小，土壤含水量相對穩定；60～100 cm土層土壤水分則與表層土壤相距較遠，基本不受表層土壤水分影響，施加的生物炭對其影響較小，沒有明顯變化規律。

在播種期，由于生物炭施加時間較短，各小區0～100 cm土壤含水量存在一定的波動，各層土壤含水量也略有不同，但變化趨勢基本一致。在出苗期降水量偏少，導致各小區土壤含水率都明顯降低。比較各小區土壤含水量發現，在0～60 cm土層T1處理土壤含水量均低于其他施加生物炭的處理，且基本符合生物炭施加量越多，土壤含水量越高的規律。主要是因為生物炭的添加促進土壤水分入滲，增加土壤水分吸附能力，減小了表層土壤水分的蒸散，從而減少了土壤水分的流失，起到蓄水保水的作用。在分枝期降雨增加，各處理土壤含水量明顯增加，在0～60 cm土層施加生物炭的處理土壤含水量明顯高于未施加生物炭的處理，且各處理土壤含水量基本保持T5>T4>T3>T2>T1。在開花結莢期，降雨量仍然很豐富，土壤含水量整體變化趨勢與分枝期基本相同，主要因為這2個生育期降雨量較大，施加生物炭可有效增加土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，同時提高雨水入滲率，減少地表徑流形成，使得土壤含水量顯著提高。在鼓粒期，降雨量減小且作物耗水量和地表水分蒸散加大，各處理土壤含水量降低，但施加生物炭的處理土壤含水量仍高于對照處理，生物炭的保水性表現明顯。乳熟期土壤含水量變化基本和鼓粒期相同，主要因為這個時期降雨較少，且隨著作物成熟，作物耗水量減少，對土壤水分影響較小，各處理土壤含水量差距變化較小。

圖2 不同生物炭用量的土壤含水量垂直變化

由圖3可知，不同生物炭施加量0～100 cm土壤儲水量整體呈現趨勢相同。在出苗期—分枝期—開花結莢期，由于降雨量大于作物此階段的耗水量使各處理土壤儲水量均有所上升；播種期—分枝期和開花結莢期—鼓粒期，降雨量小于作物耗水量，土壤儲水量下降；而鼓粒期—乳熟期，作物耗水量減少，耗水量基本和降雨量持平，土壤儲水量變化不大。分枝期以后，各小區土壤儲水量對比明顯，各處理儲水量由小到大依次為T1

圖3 不同生物炭用量的0～100 cm土壤儲水量和降雨量

2.2 不同生物炭施加量的大豆增產效應

大豆的產量由單株粒數、莢數、百粒質量決定，由表3可見不同生物炭施加量的小區大豆的產量均比T1有所增加，T2、T3、T4、T5小區大豆產量分別增加了8.33%、27.27%、29.55%、22.73%。其中T4小區大豆增產效果最佳。說明施加適量生物炭可有效提高大豆產量，隨著生物炭施加量的增加增產效果會有所降低。分析原因：生物炭可以降低土壤密度，增加土壤孔隙度，自身攜帶并吸附大豆生長所需要的大量元素并通過蓄水減流效應減少水土流失，保護土壤環境，為大豆生長提供更多的水分和養分。然而生物炭呈堿性，施入土壤會增加土壤pH值，當土壤pH值過高時會抑制大豆生長，反而會引起大豆減產。

表3 不同生物炭用量的大豆產量及構成要素

2.3 不同生物炭施加量的水分利用效率

不同生物炭施加量的水分利用效率受產量和耗水量的共同影響，如表4所示。不同生物炭施加量小區水分利用效率的排列順序為T4>T3>T5>T2>T1，各施加生物炭小區的水分利用效率都高于T1，且生物炭施加量為75 t/hm2的處理水分利用效率最高，證明了施加適量生物炭可有效提高大豆水分利用效率，而施用量過多時作用效果會明顯降低。

表4 不同生物炭用量的水分利用效率

3 結 論

(1)施加生物炭能夠改良土壤理化性質，減少水土流失，具有一定的蓄水保土作用。且在0～100 t/hm2的生物炭施用量范圍內，生物炭用量越多，蓄水保土效果越好。通過施加生物炭可以降低土壤密度，增加土壤孔隙度和田間持水量，提高土壤吸滲和蓄水能力，減小了徑流與土壤侵蝕，有效控制了水土流失。同時，對比試驗中4種生物炭施加量的蓄水保土效應可以發現，生物炭施用量越多，對應小區徑流量和產沙量越少，生物炭施用量為100 t/hm2的處理徑流量和泥沙量達到最低，分別比常規耕作減少了2.24%和2.20%。

(2)施加生物炭對大豆具有節水增產效應，施加生物炭量為75 t/hm2時生物炭節水增產的效果最好。不同生物炭施加量的處理土壤儲水量都大于未施加生物炭的常規耕作，且生物炭施加量越高土壤儲水量越高。大豆的產量與水分利用效率則略有不同，與未施加生物炭的處理相比，生物炭施用量為25、50、75、100 t/hm2的處理大豆分別增產8.33%、27.27%、29.55%、22.73%，水分利用效率分別提高13.29%、33.49%、36.11%、29.91%。生物炭施加量為75 t/hm2的處理大豆增產和水分利用效率最高，而生物炭施加量最高的100 t/hm2處理節水增產效果明顯降低。

由于試驗期間降雨條件較好，高強度集中降雨較少，綜合比較得出75 t/hm2生物炭施加量的處理蓄水保土和節水增產效果最明顯。但若遇高強度集中降雨時，生物炭質輕、降低土壤密實度的特點，會增加生物炭和土顆粒流失的可能。因此還需進一步研究多年平均水平下的生物炭最優用量。

[1] 劉曉昱. 黑土流失與整治[J]. 水土保持研究, 2005,12(5):128-129.

[2] 孟凡光, 李彥君. 黑龍江省黑土地水土流失及治理[J]. 東北水利水電, 2004,22(4):53-54.

[3] 劉 慧, 魏永霞. 黑土區土壤侵蝕厚度對土地生產力的影響及其評價[J]. 農業工程學報, 2014,(20):288-296.

[4] 楊愛崢, 魏永霞, 張忠學,等. 坡耕地綜合治理技術模式的蓄水保土及增產效應[J]. 農業工程學報, 2011,27(11):222-226.

[5] 鄒文秀，韓曉增，江 恒，等.東北黑土區降水特征及其對土壤水分的影響[J].農業工程學報，2011，27(9)：196-202.

[6] 陳溫福, 張偉明, 孟 軍. 農用生物炭研究進展與前景[J]. 中國農業科學, 2013,46(16):3 324-3 333.

[7] Gómez-Rey M X, Gonzlez-Prieto S J. Biology and fertility of soils[M]. Springer International, 1985.

[8] 秦曉波，李玉娥，Wang Hong，等.生物炭添加對華南雙季稻田碳排放強度的影響[J].農業工程學報，2015，31(5)：226-233.

[9] Oguntunde P G, Abiodun B J, Ajayi A E, et al. Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana[J]. Journal of Plant Nutrition & Soil Science, 2008,171(4):591-596.

[10] Asai H, Samson B K, Stephan H M, et al. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos : 1. Soil physical properties, leaf SPAD and grain yield[J]. Field Crops Research, 2009,111(Z1-2):81-84.

[11] Piccolo A, Mbagwu J S C. Effects of different organic waste amendments on soil microaggregates stability and molecular sizes of humic substances[J]. Annals of Laboratory Medicine, 2014,34(6):426-432.

[12] Lehmann J, Weigl D, Peter I, et al. Nutrient interactions of alley cropped Sorghum bicolor and Acacia saligna in a runoff irrigation system in Northern Kenya[J]. Plant & Soil, 1999,210(2):249-262.

[13] Uzoma K C, Inoue M, Andry H, et al. Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition[J]. Soil Use & Management, 2011,27(2):205-212.

[14] 劉世杰, 竇 森. 黑碳對玉米生長和土壤養分吸收與淋失的影響[J]. 水土保持學報, 2009,23(1):79-82.

[15] Iswaran V, Jauhri K S, Sen A. Effect of charcoal, coal and peat on the yield of moong, soybean and pea[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1980,12(2):191-192.

[16] 王紅蘭, 唐翔宇, 張 維,等. 施用生物炭對紫色土坡耕地耕層土壤水力學性質的影響[J]. 農業工程學報, 2015,(4):107-112.

[17] 吳發啟, 趙曉光, 劉秉正. 緩坡耕地降雨、入滲對產流的影響分析[J]. 水土保持研究, 2000,7(1):12-17.

[18] 馬志林. 三峽庫區坡耕地水土流失特征及防治效應研究[D]. 北京：北京林業大學, 2009.

[19] 謝頌華, 曾建玲, 楊 潔,等. 南方紅壤坡地不同耕作措施的水土保持效應[J]. 農業工程學報, 2010,26(9):81-86.

[20] 方 圓, 馮 浩, 操信春,等. 活性炭對土壤入滲、蒸發特性及養分淋溶損失的影響[J]. 水土保持學報, 2011,25(6):23-26.

[21] 吳媛媛, 楊明義, 張風寶,等. 添加生物炭對黃綿土耕層土壤可蝕性的影響[J]. 土壤學報, 2016,53(1):81-92.

[23] 車艷朋，魏永霞. 生物炭對黑土區大豆節水增產及土壤肥力影響研究[J]. 中國農村水利水電，2016,(1):55-58.

[24] 孫愛華，華 信，葉曉思，等. 生物炭與尿素混合施肥模式對節水灌溉水稻生長及產量的影響研究[J]. 中國農村水利水電，2016,(8):88-92.