生物炭對黑土區坡耕地土地生產力的可持續效應研究

劉 慧 溫小艷 魏永霞 范亞東

(1.東北農業大學理學院， 哈爾濱 150030；2.東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030； 4.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030；5.東北農業大學經濟管理學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

隨著農業保護措施和農業技術的發展，近年來糧食產量呈現逐年遞增的勢態。但高產的背后是對土地掠奪式的開發和化肥的大量施用，導致土壤板結退化、中低產田數量增加、水體污染日益嚴重等一系列生態環境問題層出不窮[1]。東北黑土區作為我國大宗農產品主產區，在國家糧食安全體系中具有舉足輕重的地位[2]。每生成1 cm黑土需要上百年的時間，現在卻在不斷流失[3]，土壤中流失的氮、磷、鉀養分相當于數百萬噸化肥，土壤中有機物質含量比開墾前下降近2/3，土壤板結和鹽堿化現象嚴重，土地生產力逐年下降。東北地區作為農業優化發展區，其生產條件好、潛力大，應堅持生產優先、兼顧生態、種養結合，在確保糧食等主要農產品綜合生產能力穩步提高的前提下，實現生產穩定發展、資源永續利用、生態環境友好[4]。

東北地區作物秸稈資源豐富，但大部分未被循環利用，通常被露天焚燒，這不僅浪費了秸稈資源，而且還對環境造成嚴重污染。生物炭作為秸稈還田的新興產物，對于農業可持續發展具有重要的意義。生物炭是在缺氧或低氧的環境中，將農作物秸稈、動物糞便等進行緩慢高溫裂解得到的一類富含碳的有機質[3]。目前對于生物炭應用效應的研究主要集中在生物炭施用當年對土壤理化性質[5-6]、作物生長[7-9]、土壤水分運動參數[10-11]等方面的影響，對于從土地生產力角度進行綜合研究的較少，而生物炭對于土地生產力的持續效應更是鮮見報道。鑒于此，本文以3年為研究期限，探索黑土區坡耕地一次性施用生物炭后土地生產力的持續效應，采用基于灰色關聯的TOPSIS模型測算土地生產力指數，并采用GM(1，1)模型預測2019—2021年土地生產力指數，定量論證施用生物炭效應的可持續性，為推進東北黑土區可持續發展提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016—2018年在黑龍江省水利科學研究院綜合試驗基地萬家試驗站(126°36′E、45°43′N，海拔137 m)進行。試驗區屬溫帶大陸性氣候，冬季嚴寒，夏季炎熱，全年平均氣溫為3.1℃，全年無霜期為130～140 d，年降雨量為390～550 mm，全年降雨主要集中在6—9月，約占全年的60%。耕地土壤以壤土為主，土壤質地黏重，不易入滲。主要作物為大豆和玉米。

1.2 試驗設計

試驗在萬家試驗站的3°徑流小區內進行，小區規格2 m×5 m。試驗共設置施炭(BC)和不施炭(CK)2個處理，3次重復，共計6個小區。所有施炭處理，其生物炭施用量取前期試驗中獲得最高產量的施用量75 t/hm2[12]，并于2016年試驗開始前一次性施入耕層(0～20 cm)土壤中，2017、2018年均不再施用生物炭，以研究施加一次生物炭對黑土區坡耕地土地生產力的可持續效應。供試土壤為壤土，其基本理化性質為：pH值6.3，有機質質量比為37.8 g/kg，銨態N、有效P、速效K質量比分別為183.9、11.2、159.5 mg/kg。供試大豆品種為黑河三號，供試生物炭購于遼寧金和福農業開發有限公司，粒徑為1.5～2.0 mm，其基本理化性質為：pH值9.24，全氮、全鉀、全磷、灰分質量分數分別為1.53%、1.66%、0.75%、25.7%。各處理采用相同的水肥管理措施，即除人工降雨試驗外，均在雨養條件下種植；同時按照當地大田標準進行施肥，施用尿素277 kg/hm2，二胺145 kg/hm2，全部作為基肥一次性施入，且3年試驗保持一致。

1.3 觀測指標及方法

1.3.1土壤基礎理化性質

于每年大豆成熟后取其耕層土壤測定其理化性質，采用DK-1130型土壤三相儀測定土壤容重、孔隙度。采用環刀法測定土壤飽和含水率、田間持水率，采用生物法和干燥法測定土壤凋萎系數；采用TOC分析儀測定土壤有機碳含量；采用半微量克式法、碳酸氫鈉法、醋酸銨-火焰光度計法分別測定銨態N、有效P、速效K含量；采用電位法測定土壤pH值。

1.3.2年徑流深及土壤侵蝕量

采用安裝在各個徑流小區的徑流自動記錄系統記錄各次降雨徑流量，通過泥沙收集系統測定各次降雨的產沙量，進而得到年徑流深和土壤侵蝕量。

1.3.3大豆產量及水分利用效率

每年于大豆收獲時，對每個徑流小區進行實收測產。采用水量平衡方程計算大豆生長過程的全生育期耗水量，進而計算大豆水分利用效率，公式為

ET=P+I+ΔS

(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

I——大豆生育期灌水量，mm

ΔS——收獲期與播種期0～100 cm土壤儲水量之差，mm

WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——大豆產量，kg/hm2

1.4 數據處理方法

各指標均采用平均值，采用Excel 2010進行數據處理和繪圖，利用SPSS 20.0進行均值比較和回歸分析，采用熵權法計算各指標權重，采用基于灰色關聯的TOPSIS模型測算土地生產力指數，并采用GM(1，1)模型對生產力可持續性進行預測。顯著性水平取0.05。

1.5 基于灰色關聯的TOPSIS模型

TOPSIS(Technique for order preference by similarity to an ideal solution)分析法是依靠評價對象到最優解、最劣解的綜合距離來進行排序，如果評價對象離最優解最近，同時離最劣解又比較遠，則為最好；否則為最差[13]。TOPSIS模型具體步驟參見文獻[14]。對于相似的方案TOPSIS法無法體現，對于無典型分布規律的有限樣本數據進行分析時TOPSIS法也難以保證有效決策，而灰色關聯分析法可以克服這些缺點，它可以使用有限樣本所提供的全部信息，將各評價指標平等對待，因此本文將兩種多目標決策分析方法相結合，對各試驗方案的土地生產力指數進行分析。

1.5.1數據標準化

由于不同指標的差異性，各類數據量綱不同，對此本文依據各指標對黑土區坡耕地生產力的影響分為正向、負向兩類進行標準化處理，構建標準化后的矩陣

Y=[yij]m×n

(3)

其中

(4)

(5)

式中yij——第i個方案第j個指標標準化值

xij——第i個方案第j個指標原始數據

1.5.2標準化矩陣的加權和理想解的確定

對標準化的矩陣加權處理

zij=ωjyij

(6)

式中zij——第i個方案第j個指標加權后的標準化值

ωj——第j個指標的權重

得到矩陣Z=[zij]m×n，在矩陣Z中選取每個指標的最理想值所對應的zij為參考數列z0的實體，有參考數列z0={zi0|i=1,2,…,n}，即z0={z10,z20,…,zn0}作為理想解。

1.5.3灰色關聯系數矩陣的確定

計算第i個方案與理想解關于第j個指標的灰色關聯系數ξij，得到灰色關聯矩陣

ξ=[ξij]m×n

(7)

(8)

Δij=|zi0-zij|

(9)

式中Δij——zi0與zij在第j項指標處的絕對差

ρ——分辨系數，取0.5

1.5.4基于灰色關聯矩陣的TOPSIS模型

(10)

到負理想解的距離為

(11)

計算各方案的相對貼近度

(12)

將計算的相對貼近度作為各處理土地生產力指數，其值越大表示方案越優。

2 結果與分析

2.1 施加生物炭對土壤物理指標的可持續效應

土壤容重和孔隙狀況會影響土壤肥力和耕性，進而影響土地的生產能力。各年不同處理土壤容重和孔隙度如圖1(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同)所示。由圖1a可知，2016年施加生物炭后土壤的容重顯著下降(P=0.031)，較不施加生物炭降低了3.87%，盡管2017、2018年未施用生物炭，但由于前期施用生物炭的持續效應，使BC處理土壤容重仍顯著低于CK(P2017=0.036，P2018=0.038)，但降低幅度相比2016年有所減弱，分別為2.76%、2.07%。由圖1b可知，土壤的毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均呈增加趨勢，2016年BC處理較CK處理毛管孔隙度增加3.18%，非毛管孔隙度增加10.68%，總孔隙度增加5.18%，2017年各項指標分別增加2.03%、8.86%、3.87%，2018年相比于2017年較為穩定，BC處理比CK處理的毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度分別增加1.77%、8.81%、3.66%。對3年兩個處理的各項孔隙度指標進行均值比較與檢驗，施加一次生物炭后3年內BC處理毛管孔隙度(P2016=0.037，P2017=0.040，P2018=0.044)、非毛管孔隙度(P2016=0.029，P2017=0.031，P2018=0.032)、總孔隙度(P2016=0.033，P2017=0.038，P2018=0.045)均顯著高于CK處理，表明施加生物炭3年內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。

圖1 生物炭對土壤結構的可持續效應

為進一步解析生物炭對土壤結構指標的持續效應，分別建立BC組土壤容重Y1、毛管孔隙度Y2、非毛管孔隙度Y3、總孔隙度Y4關于生物炭施用年限t的回歸方程，分別為

Y1=0.008t+1.121 0 (R2=0.998,P=0.027)

(13)

Y2=-0.250t+35.233 (R2=0.997,P=0.032)

(14)

Y3=-0.050t+13.733 (R2=0.993,P=0.049)

(15)

Y4=-0.300t+49.670 (R2=0.994,P=0.047)

(16)

4個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，達顯著水平，表明4個方程能較好地反映土壤結構指標隨生物炭施用年限的變化規律。土壤容重隨生物炭施用年限的延長呈線性遞增，生物炭施用年限每延長一年，土壤容重增加0.008 g/cm3；土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度均隨生物炭施用年限的延長呈線性遞減，生物炭施用年限每延長一年，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度分別減少0.25、0.05、0.30個百分點。隨著生物炭施用年限的延長，其對土壤結構的影響逐漸減弱，這可能是生物炭自身的變化引起的，生物炭自身所含元素會隨時間發生降解，其中可以改善土壤結構的有效成分也會隨之減少。

2.2 施加生物炭對土壤養分含量的可持續效應

土壤的營養成分是關系農作物產量和質量的重要因素，其含量與土壤質量和土地生產力密切相關。由圖2a可知，2016—2018年施炭處理的土壤pH值比未施炭處理的土壤pH值分別增加了0.9、0.6、0.1，土壤pH值的增加為大豆提供了更好的生長環境，有利于其生長，其中2016、2017年兩個處理間差異顯著(P2016=0.034、P2017=0.038)，2018年則未達顯著差異(P2018=0.067)，表明在生物炭施用當年和第2年，生物炭能夠有效改良土壤酸堿度，提高土壤pH值，但這種作用在生物炭施用第3年已不顯著。2016年施加生物炭后土壤的總有機碳含量顯著增加(P2016=0.021)，較不施加生物炭增加71.74%，之后兩年不再施加生物炭，土壤的總有機碳含量較CK仍顯著增加(P2017=0.033，P2018=0.037)，分別增加37.00%、23.17%。生物炭對土壤pH值的影響和持續效應弱于總有機碳含量，這可能是由于生物炭是一種富含碳素的多孔固體顆粒物質，使得土壤碳庫潛力增大，在施加第3年仍可顯著提高總有機碳含量。由圖2b可知，施加生物炭可以有效提高土壤中銨態N、有效P、速效K含量。2016年BC處理比CK處理銨態N質量比平均增加了20.0 mg/kg，增加率為10.59%，有效P質量比平均增加了3.1 mg/kg，增加率為28.19%，速效K質量比平均增加了26.5 mg/kg，增加率為16.72%。2017、2018年各指標變化趨勢與2016年一致，只是增長的趨勢減慢，2017年BC處理較CK處理土壤中銨態N、有效P、速效K含量分別增加了7.78%、11.61%、12.40%；2018年則分別增加了4.48%、5.36%、6.37%。對2016—2018年各處理的銨態N、有效P、速效K含量進行均值比較與檢驗，僅施加一次生物炭BC處理銨態N(P2016=0.040，P2017=0.043，P2018=0.048)、有效P(P2016=0.021，P2017=0.033，P2018=0.046)、速效K(P2016=0.039，P2017=0.042，P2018=0.044)含量均顯著高于CK，表明生物炭有改善土壤肥力的作用，且作用效果會隨時間的延長逐漸減弱。

圖2 生物炭對土壤養分含量的可持續效應

采用冪函數擬合BC處理pH值Y5和總有機碳含量Y6隨時間的變化規律，回歸方程為

Y5=7.238t-0.090(R2=0.995，P=0.044)

(17)

Y6=5.513t-0.288(R2=0.998，P=0.02)

(18)

2個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，回歸方程擬合效果理想。隨著施炭年限的增加土壤pH值和總有機碳含量均呈遞減趨勢，且降低的速率先快后慢，直至與未施炭處理間無顯著差異。造成這一現象的原因可能是生物炭所含元素隨時間發生降解，其可改善土壤pH值和總有機碳含量的有效成分隨之減少。

BC組銨態N含量Y7、有效P含量Y8、速效K含量Y9均隨施炭年限t的延長呈線性遞減，回歸方程為

Y7=-6.450t+213.900 (R2=0.994，P=0.045)

(19)

Y8=-1.150t+15.100 (R2=0.997，P=0.032)

(20)

Y9=-6.250t+191.500 (R2=0.995，P=0.044)

(21)

3個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，達顯著水平。施炭年限每延長一年，銨態N、有效P、速效K質量比分別減少6.450、1.150、6.250 mg/kg，直至與CK處理間無顯著差異。隨著時間的增加生物炭對土壤各項養分含量的影響逐漸減弱，這可能是因為組成生物炭的有效成分隨著時間的增加逐漸減少。

2.3 施加生物炭對土壤持水能力的可持續效應

土壤的持水能力與土壤的質量、水分的流失以及作物的產量密切相關，是反映土地生產力水平的重要因素。生物炭自身疏松多孔，比表面積大，有利于改善土壤的通氣性和透水性，從而提高土壤的持水性能[15]。由圖3可知，施加生物炭可以使土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數顯著提高。2016年BC處理土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數分別較CK處理增加5.58%、4.78%、7.29%。由于后兩年未再次添加生物炭，導致2017、2018年這3項指標的提高程度逐年降低，2017年分別提高了3.84%、2.72%、6.13%，2018年分別提高了1.86%、2.07%、5.27%。均值比較及檢驗顯示，3年BC處理土壤飽和含水率(P2016=0.023、P2017=0.039、P2018=0.041)、田間持水率(P2016=0.033、P2017=0.043、P2017=0.048)、凋萎系數(P2016=0.011、P2017=0.018、P2018=0.023)均顯著高于CK處理，表明3年內生物炭對土壤持水能力的提高仍然有效。

圖3 生物炭對土壤持水能力的可持續效應

BC組飽和含水率Y10、田間持水率Y11、凋萎系數Y12關于施炭年限t的變化規律均可以采用線性方程進行擬合，回歸方程為

Y10=-0.375t+44.830 (R2=0.999，P=0.015)

(22)

Y11=-0.380t+34.083 (R2=0.996，P=0.036)

(23)

Y12=-0.155t+11.043 (R2=0.999，P=0.012)

(24)

3個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，達顯著水平，表明3個方程能較好地反映土壤水分常數隨施炭年限的變化規律。土壤水分常數均隨施炭年限的延長呈線性遞減，施炭年限每延長一年，飽和含水率、田間持水率、凋萎系數分別降低0.375、0.380、0.155個百分點。隨著施炭年限的延長，其對土壤持水能力的改善作用逐漸減弱，這可能是由于生物炭對土壤結構的改善作用逐漸減弱，從而使土壤持水能力也隨之發生相應的變化。

2.4 施加生物炭對水土流失的可持續效應

表1為各年不同處理年徑流深及土壤侵蝕量變化情況。由表1可知，在相同年份，BC處理較CK處理的年徑流深、土壤侵蝕量均有所下降。2016年施加生物炭的土壤年徑流深減少4.92 mm，徑流系數降低2.17個百分點，土壤侵蝕量降低5.71%；2017年BC處理較CK處理年徑流深降低了3.8 mm，徑流系數下降了0.56個百分點，土壤侵蝕量下降了1.89%；2018年年徑流深與2016、2017年的變化趨勢相同，只是變化的程度減弱，年徑流深僅下降了1.57 mm，徑流系數下降了0.48個百分點，土壤侵蝕量下降了1.32%。對3年不同處理的年徑流深和土壤侵蝕量進行均值比較和檢驗，在施加一次生物炭后3年內年徑流深(P2016=0.028，P2017=0.030，P2018=0.037)和土壤侵蝕量(P2016=0.033，P2017=0.043，P2018=0.047)均顯著低于CK，表明施加一次生物炭3年內可以有效減少水土流失。

表1 不同年份不同處理下年徑流深及土壤侵蝕量

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

采用線性函數擬合年徑流深Y13和土壤侵蝕量Y14隨時間的變化規律，回歸方程為

Y13=0.89t+81.980 (R2=0.999，P=0.021)

(25)

Y14=0.69t+26.707 (R2=0.995，P=0.038)

(26)

2個方程R2均大于0.99，P值均小于0.05，回歸方程擬合效果理想。隨著生物炭施用年限的延長，年徑流深及土壤侵蝕量均呈線性遞增，直至與CK處理間無顯著差異，這可能是因為隨著時間的增加，生物炭對土壤容重、孔隙度的影響減弱，從而減少降雨的入滲量，同時土壤的抗沖刷能力減弱，使減流效果減弱，侵蝕程度增加。

2.5 施加生物炭對節水增產的可持續效應

圖4 生物炭對節水增產的可持續效應

作物產量是農業生產的直接成果，也是反映土地生產力的直接因素。水分利用效率是衡量農業資源高效利用狀況的一項重要指標。提高作物水分利用效率對農業可持續發展具有重要意義。我國東北地區水資源短缺，因此在保證農作物產量的前提下提高作物田間水分利用效率至關重要。3年兩個處理大豆產量及水分利用效率如圖4所示。由圖4a可知，2016年BC處理大豆產量顯著增加(P=0.025)，較CK處理增產29.01%，2017、2018年BC處理增加幅度相比2016年有所減弱，但仍顯著高于CK(P2017=0.031，P2018=0.039)，分別增加23.48%、18.43%。由圖4b可知，2016—2018年BC比CK的水分利用效率分別提高16.92%、14.63%、11.75%，均達顯著水平(P2016=0.032，P2017=0.035，P2018=0.043)，表明3年內生物炭在節水增產方面的正效應依然存在。

BC處理大豆產量Y15隨時間的變化規律可用冪函數進行擬合，方程為

Y15=2 938.465t-0.134(R2=0.999，P=0.024)

(27)

方程R2=0.999，P=0.024，回歸方程達顯著水平。隨著生物炭施用年限的延長，BC處理大豆產量呈冪函數降低，且降低的速率先快后慢，直至與未施炭處理間無顯著差異。造成這一現象的原因可能是生物炭對土壤養分的持續效應逐年減弱的緣故。

BC處理大豆水分利用效率Y16關于生物炭施用年限的變化規律可以用線性方程進行擬合，方程為

Y16=-0.095t+8.927 (R2=0.994，P=0.049)

(28)

方程R2=0.994，P<0.05，方程擬合效果好，隨著生物炭施用年限的延長，大豆水分利用效率較上一年平均降低0.095 kg/m3。大豆產量和水分利用效率關于生物炭施用年限的變化規律有所不同，這可能是由于施用生物炭在提高了各年大豆產量的同時，也增加了大豆可消耗的水分。

2.6 基于灰色關聯的TOPSIS模型的土地生產力指數

2.6.1土地生產力指標體系

選取土壤理化性質、土壤持水能力、水土保持效應、節水增產效應等能夠反映土地生產能力的指標作為衡量土地生產力的一級指標，每個一級指標下又選取若干個二級指標，如表2所示。為使計算結果更為科學客觀，采用熵權法計算各指標的權重，結果見表2。

表2 土地生產力的構成指標

注：表中+、-表示正向、負向。

2.6.2黑土區坡耕地土地生產力指數分析

采用式(3)～(12)測算2016—2018年兩個處理的土地生產力指數，結果如表3所示。由表3可知，BC處理3年土地生產力指數均高于CK，表明施用生物炭能有效改善作物生長的水土環境，提高土地生產能力。但兩個處理間的土地生產力指數的差異逐年縮小，這可能是由于生物炭對各項指標的持續效應逐年減弱，導致BC處理的土地生產力指數也逐年減小。

表3 2016—2018年各處理土地生產力指數

2.6.3基于GM(1，1)模型預測的土地生產力指數分析

為了進一步給出一次性施用75 t/hm2生物炭其效應的持續時間，采用GM(1,1)模型[16]預測2019—2021年土地生產力指數的變化趨勢。本試驗中GM(1，1)模型精度檢驗合格，CK處理和BC處理的小概率誤差均大于0.95，后驗比均小于0.35，因此可以使用GM(1，1)模型對本試驗中的土地生產力指數進行預測，預測結果如表4所示。隨著生物炭施用年限的延長，BC處理土地生產力指數逐漸下降，且與CK處理間的差異逐漸縮小，在2021年BC處理土地生產力指數降至0.743 0，已經與未施加生物炭的CK處理土地生產力指數十分接近。根據預測結果，在試驗區一次性施入75 t/hm2生物炭，其對土地生產能力的改善作用可持續5～6年。

表4 GM(1，1)模型預測未來3年的土地生產力指數

3 討論

土地生產力作為土地最本質的屬性，是土地在一定條件下可能達到的生產水平，既反映土壤質量，又表明土地的生產能力[17]。土地生產力研究關系到一個區域的社會經濟發展方向，是區域土地利用和生態環境建設的重要基礎條件，它的變化是全球變化的重要指標，也一直是國際上備受關注的農業問題和人類發展問題的核心[18-19]。

生物炭疏松多孔，具有強大的吸附能力，可以改善土壤結構，增強土壤肥力。本試驗結果顯示，在一次性施用生物炭后3年內，土壤容重顯著降低(P<0.05)，土壤孔隙度、總有機碳含量、銨態N含量、有效P含量、速效K含量顯著增加(P<0.05)，pH值則是施炭后前兩年顯著提高(P2016=0.034、P2017=0.038)，第3年與未施炭處理無顯著差異(P2018=0.067)。生物炭對土壤理化性質的改善效果隨著生物炭施用年限的延長逐漸減弱，土壤容重、銨態N含量、有效P含量、速效K含量呈線性遞增，孔隙度呈線性遞減，pH值和總有機碳含量呈先快后慢的冪函數遞減趨勢。這一結論與文獻[18-19]的研究基本一致，但與聶新星等[20]認為的生物炭對于土壤pH值沒有顯著影響存在一定的差異，這可能是由于施加生物炭的種類和供試土壤的理化性質不同造成的。

多數學者認為生物炭可以提高土壤的持水能力[21-23]，但對于生物炭施加后對土壤持水性能的影響時間尚未有明確結論。DUGAN等[15]的研究結果顯示，生物炭可以提高土壤的持水能力，勾芒芒等[8]通過試驗研究表明生物炭可以提高土壤的含水率和田間持水率，但都沒有提出這種效應的維持年限。本研究中，土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數在施加一次生物炭后3年內都顯著提高(P<0.05)。但隨著施炭年限的延長，生物炭對土壤持水能力的改善效果逐漸減弱，且各項指標均呈線性遞減趨勢，這表明一次性施入生物炭后其對土壤持水能力的影響可持續3年以上。

在水土保持方面，多數學者認為，由于施用生物炭能夠提高土壤孔隙度，增強土壤的透水透氣性，促進雨水入滲，因而可以有效減少年徑流深和土壤侵蝕量，其減流減沙效果隨生物炭施用量和連續施用年限的不同而有所差異[8,10-12,24]，但對于施加一年生物炭后水土保持效應可以維持的年限并沒有明確的結論。本研究中，一次性施入75 t/hm2生物炭后3年內BC處理年徑流深和土壤侵蝕量均顯著低于CK處理(P<0.05)。BC處理年徑流深和土壤侵蝕量隨時間變化均呈線性遞增趨勢，施炭時間每延長一年年徑流深增加0.89 mm，而土壤侵蝕量增加0.69 t/hm2。3年內兩個處理年徑流深和土壤侵蝕量間的差距逐年縮小，這可能是由于隨著時間的延長，生物炭在土壤中的有效成分逐漸減少，使土壤容重和孔隙度的改善程度逐漸減弱，土壤的抗沖刷能力減弱，減流效果減弱，造成土壤侵蝕量的增加。

在節水增產方面，現有研究多集中于施炭當年的效應上。勾芒芒等[8]通過一年的試驗研究發現，施加生物炭的番茄產量明顯高于未施加生物炭的番茄產量。HOSSAIN等[9]和ZWIETEN等[25]的試驗結果也表明小麥和番茄等作物的產量在施加生物炭后都會有顯著的提高。本研究中，施加一次生物炭后3年內BC處理大豆的產量和水分利用效率相較于CK處理均顯著提高(P<0.05)，與已有結果一致[7,24]，可見，生物炭可以改善作物的生長環境，促進作物生長，提高作物產量和水分利用效率。但隨著施炭年限的增加，生物炭對兩個指標的影響逐漸減小，大豆產量隨施炭時間的延長呈先快后慢的冪函數遞減趨勢而水分利用效率則呈均勻變化的線性遞減趨勢，這可能是由于大豆產量增加的同時其所消耗的水分也隨之增加。

土地生產力是一個綜合指標，是土壤質量和生產能力的綜合體現。由于本研究試驗周期較短，獲取的時序資料有限，故結合灰色關聯分析對傳統的TOPSIS模型進行改進，用以測算兩個處理3年的土地生產力指數，得到2016—2018年BC處理土地生產力指數分別為0.759 0、0.752 0、0.749 8，均高于同年CK，表明施用生物炭能夠顯著提高土地生產能力。但也應看到，BC處理土地生產力指數逐年下降，表明生物炭對土地生產力的提升作用逐年降低。為進一步探究一次性施用生物炭后其對土地生產力的持續效應，利用GM(1，1)模型預測了2019—2021年土地生產力指數，結果表明，2021年BC處理的土地生產力指數與CK的土地生產力指數已十分接近，因此可以估計施加一次生物炭后其效應可持續5～6年。由于試驗年限較短，該預測結果的可靠性有待進一步驗證。

4 結論

(1)一次性施入生物炭3年內，土壤容重顯著降低，土壤孔隙度和總有機碳、銨態N、有效P、速效K含量顯著增加，pH值則是施炭后前兩年顯著提高，第3年與未施炭處理無顯著差異。生物炭對各指標的影響逐年減弱，隨著生物炭施用年限的延長，BC處理土壤容重線性遞增，pH值和總有機碳含量呈冪函數遞減，孔隙度和銨態N、有效P、速效K含量線性遞減。

(2)一次性施用生物炭顯著提高了土壤持水性能，進而起到保水保土的作用。3年內BC處理土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數均顯著高于CK處理，而年徑流深和土壤侵蝕量則顯著低于CK處理。隨著生物炭施用年限的延長，其保水保土效果逐漸減弱，土壤飽和含水率、田間持水率、凋萎系數線性遞減，而年徑流深和土壤侵蝕量則線性遞增。

(3)一次性施入生物炭3年內，可以有效提高大豆節水增產性能，BC處理大豆產量和水分利用效率均顯著高于CK處理。隨著生物炭施用年限的延長，其節水增產性能逐漸減弱，BC處理大豆產量呈冪函數遞減，水分利用效率則呈線性遞減。

(4)采用基于灰色關聯的TOPSIS模型測算2016—2018年土地生產力指數，3年BC處理的土地生產力指數分別為0.759 0、0.752 0、0.749 8，均高于同年CK處理，表明施用生物炭能夠顯著提高土地生產能力；但BC處理土地生產力指數逐年下降，表明生物炭對土地生產力的提升作用逐年降低。采用GM(1，1)模型預測未來3年土地生產力指數的變化趨勢，預計到2021年BC處理土地生產力指數為0.743 0，與CK處理已十分接近，說明一次性施入生物炭其效應可持續5～6年。