炭土配比對節水灌溉的經濟可行性分析

張道煒　陳聯勝　董曉燕　李雨　朱亞琴

摘要 通過試驗計算田間土地使用生物炭之后的節水效果，對土地面積為13.33 hm2的水稻種植專業合作社，運用動態經濟評價指標分析在生物炭施加量0%、2%、4%、10%情況下的收益情況。使用凈現值法對4種獨立方案進行評價，在只考慮生物炭對水的影響的條件下，得出以下結論：生物炭施加量在4%的時候，整體投資收益率最高，為92.61元/hm2。雖收益不是很高，但對秸稈處理、灌區節水有重大意義。

關鍵詞 炭土配比；節水灌溉；凈現值法

中圖分類號 S272 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）17-0198-02

Abstract The watersaving effect of biochar in the field was calculated through experiments. For the rice planting professional cooperatives with a land area of 13.33 hm2， the dynamic economic evaluation index was applied to analyze the profit of 0%， 2%， 4%， 10% of the ratio of biochar to soil. The net present value method was applied to evaluate four kinds of independent schemes， in only to consider the effects of biochar on the water， the following conclusion was reached： when the biochar applied at 4%， the overall investment yield is 92.61 yuan/hm2. Although the income is not very high， it is of great significance to straw treatment and irrigation area water saving.

Key words The ratio of biochar to soil；Watersaving irrigation；NPV（net present value）method

水稻是我國最重要的糧食作物之一，在國民經濟發展中占有重要地位[1]。由于灌溉技術落后，灌溉水的利用率只有4%左右[2]。因此，水資源的日益緊缺已成為制約水稻種植生產可持續發展的主要因素[3]。

已有研究表明，施加生物炭可改變土壤密度、持水性、滲透性、團聚性等物理性質，進而改變土壤水分運動參數，影響其遷移能力[4]；同時，生物炭的添加能增強表層黏壤土的飽和水傳導度[5]。為研究生物炭在節水灌溉方面的應用效果，筆者對農村試驗推廣生物炭節水技術的可行性進行分析。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤采自于三峽大學試驗基地，將土取出經過太陽暴曬風干后，研磨成細土，通過2 mm篩。供試生物炭采用商用生物炭，其生物炭粒徑分布均勻。土樣經過風干、碾壓、過2 mm的篩備用。測得土壤顆粒組成如下：黏粒（<0.002 mm）占12.60%，粉砂（0.02～0.002 mm）占40.80%，砂粒（2～0.02 mm）占46.60%，容重1.3 g/cm3。

1.2 試驗區概況

宜昌市東風渠灌溉試驗站（111°68′E，30°70′N），試驗區靠近國家大型水庫（泉河水庫），全境為丘陵地帶，地勢較為平坦，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為16.4 ℃，多年平均降雨量為1 215 mm，無霜期長 268 d（年均），多年平均日照時數為1 850 h，日照百分率為41.8%。水稻灌溉定額約為7 500 t/hm2。

1.3 試驗方法及過程

吳漩等[6]的試驗表明，在對設施原狀土和擾動土水分特征的測定之后得出，擾狀土水分特征曲線總體變化趨勢較為一致，但土壤水吸力相同時，原狀土各土層含水量均低于擾狀土，低吸力階段擾狀土與原狀土差異隨容重增加而逐漸增大。原狀土水分特征差異較明顯，擾狀土水分特征差異較小，因此在進行土壤水分運動的模擬研究中以原狀土的反應效果最優。

設置4個處理，每組處理采用市場上普通的7號塑料花盆，3.5 L，高15.0 cm，直徑21.8 cm。將土壤和生物炭按表1進行配比，然后拌合均勻，將其裝盆。

向每組處理的花盆里澆水，使其在無水層條件下達到飽和，待土壤稍微干涸（大約間隔3 d），再次澆水使土壤達到飽和。如此循環，以模擬在自然環境下，擾狀土變原狀土的過程。期間，對每組處理花盆土壤厚度進行測量以驗證土壤是否達到原狀土，35 d后，4組處理土壤厚度趨于穩定，在相對含水率達到80%時，用100 mL的環刀取土測容重，記錄每組處理的容重數據（表2）。

2 結果與分析

2.1 水價分析

在農業生產中，灌溉水量的加入量不能恰好和土地飽和含水量相等，農民為了達到田地被完全浸泡的效果，往往會沒過土層許多，而這些水分并不能穩定地存在和利用，由于水的蒸發、流失、滲透，會導致水分不能實際有效地被利用。在土壤中加入生物炭之后，改變了土壤的容重，增加了體積，使土壤的有效耕層深度增加。而且，生物炭具有較強的吸附力，會使土壤飽和體積含水率上升。該試驗灌區的耕層約為20 cm。

根據華信[7]的試驗研究表明：

y2=-8.638x2+1.451 6x+0.485 1，R2=0.998 9

y3=-2.6952x2+0.479 7x+0.397 2，R2=0.996 2

式中，x為炭土質量比；y2為土壤的飽和含水量；y3為田間持水量。

田間持水量是土壤中懸著的毛管水達到最大時的土壤持水量，包括全部吸濕水、膜狀水和毛管懸著水，它是土壤在不受地下水影響所能保持水分的最大數量指標，也是土壤中作物有效水分的上限指標，常作為計算灌水定額的依據[8]。

根據上述結論可知，加入生物炭以后能提高田間持水量。由此可推論，加入生物炭以后，加入更少的水可獲得更高的田間持水量，可減少灌注量以提高經濟效益。統計宜昌地區種植水稻數據可知，平均每月1 hm2定額灌溉量約為7 500 t。根據在不加入生物炭時可以計算出使水稻正常生長所需的最低灌溉量，并由此計算在加入炭以后的不同情況下，要達到最低灌溉量的定額灌溉量。具體數據見表3。

根據宜昌現行農業用水水價為0.085元/t，所得具體數據見表4。

2.2 生物炭價格分析

生物炭價格偏高，生物炭的節水效益對于小單位的生產效益并不顯著，宜昌市有許多水稻種植專業合作社，他們的生產規模大，能將生物炭成本壓低。該試驗選取一般規模的13.33 hm2為試驗對象。

市面上生物炭生產廠家太少，大多為高品質的活性炭，普遍價格太高，不適合農業生產的大規模、廉價使用，而且生物炭的原材料為常見的草本或者木質材料，對于農村來說幾乎免費。特別是水稻生產地區，水稻秸稈往往被扔在田間直接焚燒成草木灰，其資源沒有被很好地利用。通過購買炭化爐設備對其高溫炭化，既可以制備生物炭，也可以做成碳棒在日常生活中當煤炭使用。該研究只對其制備生物炭的價值進行分析，對于其額外價值暫不考慮。

目前，國內外研究者對生物炭在土壤中使用年限的問題研究較少，但是，生物炭性質穩定，大多數認為生物炭對土壤的影響將會長期存在20年以上，由此，該試驗保守取穩定作用10年。市場上炭化爐價格各異，該研究采用中間價位的一款設備進行分析（表5）。

設備采用自燃式直接加熱制炭的方法，在炭化爐底設置一層稻殼或其他材料作為固定層，用引燃材料將固定層點燃；采用爐上連續加料，爐下引風法，裝置上安裝煙氣回收裝置，回收煙氣可作液化氣使用。炭化率為40%～60%，設備價格為9 000元/臺，設備壽命為10年，在其壽命期結束時通過賣廢鐵可得500元凈利潤。

由于農村地區生物秸稈容易得到，該試驗僅計算炭化過程中電費部分和土地整理中的翻耕費用。1 hm2地10 000 m2，耕層厚度20 cm，土壤密度約為1.367 g/cm3，1 hm2地的耕層土重量約為10 000×0.2×1.367=2 734.00 t。宜昌地區農民工資平均為100元/d，電價：第1檔電量為基礎電量從0～2 160 kW·h，電價按0.57元/（kW·h）計價；第2檔電量為2 161～4 800 kW·h，電價按0.62元/（kW·h）計價；第3檔電量為4 801 kW·h及以上電量，按0.87元/（kW·h）計價。

2.3 投資回報分析

動態經濟評價指標不僅計入了資金的時間價值，而且考察了項目在整個壽命期內收入與支出的全部經濟數據，因此，它們是比靜態指標更全面、更科學的評價指標。

凈現值指標是對投資項目進行動態評價的最重要指標之一。該指標要求考察項目壽命期內每年發生的現金流量，按一定的折現率將各年凈現金流量折現但同一時點（一般是期初）的現值累加值就是凈現值。凈現值的表達式如下：

由于農民一般會將現金存到銀行，并不會將其投資。而且在農民生產生活過程中，手中要有一定的現金流，根據個人情況會將存款的儲存年限設置不一，在該試驗中去現金收益率為5年期存款利率2.75%。

以含炭率為0時，NPV=0為基準，分別計算出各含炭率下的NPV，通過模擬計算得到以下結果：

3 結論

通過試驗計算田間土地使用生物炭之后的節水效果，對于土地面積為13.33 hm2的水稻種植專業合作社，運用動態經濟評價指標分析在生物炭添加量0%、2%、4%、10%情況下的收益情況。使用凈現值法對4種獨立方案進行評價，在只考慮生物炭對水的影響的條件下得出以下結論：生物炭施加量在4%的時候，整體投資收益率最高，為92.61元/hm2。雖然收益并不是很高，但對秸稈處理、灌區節水有重大意義。

參考文獻

[1] 周廣春，孟維韌，全東興，等.吉林省水稻生產及增產潛力研究[J].沈陽農業大學學報，2012，43（6）：688-692.

[2] 隋鵬舉，侯立剛，趙國臣，等.吉林省水稻節水栽培技術的研究[J].吉林農業科學.2005，30（6）：11-12，33.

[3] 張明生，王豐，張國平.中國農業用水存在的問題及節水對策[J].農業工程學報，2005，21（S1）：1-6.

[4] GLASER B，LEHMANN J，ZECH W.Ameliorating physical and chemical properties of highly weatherd soils in the tropics with charcoal：A review[J].Biology and fertility of soils，2002，35（4）：219-230.

[5] ASAI H，SAMSON B K，STEPHAN H M，et al.Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos I.Soil physical properties，leaf SPAD and grain yield[J].Field crops research，2009，111（1/2）：81-84.

[6] 吳漩，鄭子成，李廷軒，等.設施栽培下原狀土與擾動土水分特性的試驗研究[J]水土保持通報，2013，33（6）：99-102.

[7] 華信.生物炭對稻田土壤持水保肥及水稻生長的影響研究[D].宜昌：三峽大學，2017：13-15.

[8] 韓勇鴻，樊貴盛，孔令超.土壤結構與田間持水率間的定量關系研究[J].太原理工大學學報，2012，43（5）：615-619.