魏永霞 肖敬萍 王 鶴 石 蘊(yùn) 劉 慧

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

東北黑土區(qū)是我國主要糧食生產(chǎn)基地[1]。該區(qū)土壤以黑土、黑鈣土及草甸黑土為主，黑土結(jié)構(gòu)好、肥力高、性狀佳，是重要的土壤資源，特別適合玉米、大豆等糧食作物的生長。長期以來，由于耕作過度、濫用土地資源等人為因素致使土壤各項(xiàng)指標(biāo)弱化，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量下降、容重增大，從而導(dǎo)致土壤持水保肥能力降低、耕地質(zhì)量下降，制約了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究黑土區(qū)土壤的科學(xué)保護(hù)與改良對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

東北地區(qū)每年產(chǎn)生大量的秸稈資源，約占全國秸稈總量的19.2%[2]。2017年黑龍江省秸稈產(chǎn)量約占全國秸稈總量的8.7%[3]，近年來仍呈增長趨勢。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、生活條件和燃料結(jié)構(gòu)的改變，秸稈常作為農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行焚燒處理，這不但造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且易發(fā)生火災(zāi)和污染環(huán)境[3]。因此，將秸稈制成生物炭施加于土壤中是東北地區(qū)秸稈資源合理利用的有效途徑。

生物炭(Biochar)是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)(如作物秸稈、動(dòng)物糞便等)在缺氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物[4]，一般含碳量大于50%，主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，除富含大量的碳化組分外，也包含了大量的非碳化組分(N、P、K、Ca、Mg等)[5]。含碳率高、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、理化性質(zhì)穩(wěn)定是生物炭固有的特點(diǎn)，這是生物炭能夠還田改土、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)碳封存的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。生物炭作為土壤改良劑，能夠培肥地力，對實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、資源高效利用和環(huán)境保護(hù)具有重要作用。近年來，研究人員逐漸將生物炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，且應(yīng)用越來越廣泛，生物炭在改善土壤結(jié)構(gòu)、水分特性、養(yǎng)分以及節(jié)水增效等方面較其他有機(jī)添加物更具安全性和持久性。大量研究表明，施加生物炭可使土壤容重降低和孔隙度增加[5-7]、田間持水率和飽和含水率升高[5-6]、土壤肥力提高[8-9]、作物產(chǎn)量和水分利用效率提高[10-12]。

生物炭是惰性碳源，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，施入土壤后作用持續(xù)、長久。目前的研究多是在短期施加生物炭條件下研究生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響，對一次施加的持續(xù)性影響研究較少。曾愛等[13]研究了不同生物炭施用量對小麥各生育期塿土的土壤含水量及速效養(yǎng)分含量等的影響。李明等[10]通過短期室內(nèi)培育試驗(yàn),研究了不同性質(zhì)生物炭對紅壤性水稻土養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。戰(zhàn)秀梅等[14]進(jìn)行了連續(xù)4年定位試驗(yàn)，探索生物炭及炭基肥改良棕壤理化性質(zhì)和提高花生產(chǎn)量的作用，但試驗(yàn)以連續(xù)施用為前提。本研究以東北黑土區(qū)典型的1.5°、3°、5°坡耕地為研究對象，以大豆為供試作物，于2016年一次性施加生物炭，后續(xù)年份不再施加，研究生物炭施加后不同坡度和年限對土壤改良和肥力提升的影響，以探索施加生物炭對不同坡度改土培肥的持續(xù)效應(yīng)，為預(yù)測生物炭的合理使用年限提供依據(jù)，同時(shí)為合理節(jié)省肥料和秸稈資源提供技術(shù)支持，收到改土增產(chǎn)和環(huán)保雙重效益，促進(jìn)農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地(45°43′9″N，126°36′35″E)，總面積55 hm2，多年平均氣溫3.1℃，無霜期130～140 d，多年平均水面蒸發(fā)量796 mm。耕地土壤多以黑土為主，入滲能力弱。年降水量介于400～650 mm，多集中在7—9月，且歷時(shí)較短，7—9月的降水量占全年降水總量的70%以上。供試土壤為壤土，速效氮(N)質(zhì)量比為100.9 mg/kg，速效磷(P2O5)質(zhì)量比為16.9 mg/kg，速效鉀(K2O)質(zhì)量比為280.1 mg/kg，pH值7.27。0～80 cm土層平均田間持水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為29.4%，土壤干容重為1.22 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)材料

供試生物炭購于遼寧金和福開發(fā)有限公司，采用玉米秸稈在450℃無氧條件下燒制而成，粒徑為1.5～2.0 mm，全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)70.38%，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.53%，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.73%，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.66%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.7%，pH值為9.36。供試大豆品種為黑河3號。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在黑龍江省水利科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)基地的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，小區(qū)規(guī)格為2 m×5 m，坡度選擇1.5°、3°、5°共3種在東北黑土區(qū)耕地中比較有代表性的坡度。每種坡度的徑流小區(qū)分別設(shè)置施加生物炭和不施加生物炭處理，小區(qū)編號分別為T1.5、T3、T5 和CK1.5、CK3、CK5，共計(jì)6個(gè)小區(qū)，各參數(shù)測定時(shí)按照坡上、坡中、坡下3次重復(fù)取其均值。各徑流小區(qū)采用相同的施肥方案，化肥施用量為尿素57 kg/hm2、磷酸二銨146.5 kg/hm2、氯化鉀63 kg/hm2，均以底肥形式于播種時(shí)一次性施入，試驗(yàn)在雨養(yǎng)條件下進(jìn)行。根據(jù)前期研究成果[15]，生物炭施用量選擇施用后增產(chǎn)效果較好的75 t/hm2，生物炭僅在2016年施用，2017—2019年均不再施加。生物炭施用方法為2016年播種前將生物炭粉均勻鋪撒于土壤表面，人工攪拌至與0～20 cm表層土壤充分均勻混合后靜置待用。

1.4 觀測指標(biāo)與測量方法

1.4.1土壤容重、孔隙度及三相比

在大豆全生育期末于各小區(qū)0～20 cm土層取土壤樣品，采用室內(nèi)環(huán)刀法測定土壤容重，利用DIK-1130型土壤三相儀進(jìn)行孔隙度及土壤三相比的測定。

測定土壤三相比與適宜狀態(tài)下土壤三相比在空間距離上的差值[16-17]計(jì)算式為

(1)

式中X——土壤固相比例

Y——土壤液相比例

Z——土壤氣相比例

1.4.2土壤養(yǎng)分指標(biāo)

土壤有機(jī)質(zhì)含量按照NY/T 1121.6—2006標(biāo)準(zhǔn)，采用重鉻酸鉀外加熱法測定各小區(qū)土樣有機(jī)質(zhì)含量；銨態(tài)氮按LY/T 1228—2015標(biāo)準(zhǔn)，采用靛酚藍(lán)比色法測定各小區(qū)土樣N含量；有效磷含量使用Olsen法，采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定各小區(qū)土樣P2O5含量；速效鉀按照NY/T 889—2004標(biāo)準(zhǔn)，采用浸提火焰光度法測定各小區(qū)土樣K2O含量；土壤pH值采用PHS-3C型酸度計(jì)測量各小區(qū)土樣pH值。

1.5 隨機(jī)森林回歸模型

隨機(jī)森林回歸 (Random forest regression，RFR)模型是由BREIMAN[18]于2001年提出的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論。RFR模型數(shù)據(jù)挖掘能力強(qiáng)、預(yù)測準(zhǔn)確率高，善于處理多特征數(shù)據(jù)[19-20]。在生成隨機(jī)森林的過程中，袋外(Out-of-bag，OOB)數(shù)據(jù)具有無偏性，可代替測試樣本評估模型的精確度。模型利用OOB數(shù)據(jù)的均方殘差評價(jià)自變量對因變量的影響程度，即特征重要性的評估[21-22]。本試驗(yàn)中采用隨機(jī)森林回歸模型對土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評估，便于直觀了解施加生物炭對土壤養(yǎng)分的改良情況，并估測生物炭對土壤養(yǎng)分改良的有效年份。應(yīng)用隨機(jī)森林算法進(jìn)行土壤肥力評估的流程參照文獻(xiàn)[23-24]。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)用Microsoft Excel 2010、Origin 8.5、Matlab R2014a對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪圖。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析和回歸分析，顯著性水平為0.05、0.01，使用最小顯著極差法(LSD法)進(jìn)行多重比較。采用隨機(jī)森林模型進(jìn)行建模訓(xùn)練和土壤肥力評估，預(yù)測未來3年土壤綜合肥力。各處理上述指標(biāo)最終均按坡上、坡中、坡下3次重復(fù)取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加生物炭對土壤結(jié)構(gòu)性指標(biāo)的持續(xù)影響

2.1.1施加生物炭對土壤容重的持續(xù)影響

土壤容重的變化如圖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，各年份施加生物炭的各處理容重均低于相同坡度的對照組。施加生物炭當(dāng)年，1.5°、3°、5° 3種坡度施炭處理較對照組分別降低了3.62%、3.31%、3.27%，至施加生物炭后的第4年仍降低了2.43%、2.07%、1.89%，其中2016年T1.5處理容重最低(1.196 g/cm3)，2019年CK5處理容重最高(1.252 g/cm3)，可見，隨著坡度增大，施炭處理較對照組容重的降低幅度呈現(xiàn)減小的趨勢；隨著時(shí)間的延長，容重逐年上升，施炭處理較對照組容重的降低幅度逐年減小，但至試驗(yàn)第4年容重仍極顯著降低(P2019=0.009)。對施炭處理進(jìn)行顯著性分析，其容重年際間變化均不顯著，2016—2017年、2017—2018年、2018—2019年P(guān)分別為0.331、0.596、0.510，表明施加生物炭的持續(xù)效果較好；坡度變化對容重影響不顯著(P=0.058)。試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭對容重有顯著的負(fù)效應(yīng)，容重隨施用年限延長降低效果減弱，坡度影響不顯著。

2.1.2施加生物炭對土壤孔隙度的持續(xù)影響

各處理土壤孔隙度的變化如圖2所示，2016年T1.5處理孔隙度達(dá)到最大值(49.4%)，2019年CK5處理孔隙度達(dá)到最小值(45.9%)，同一坡度施炭處理較對照處理孔隙度提高2.83%～5.56%。施炭當(dāng)年，施炭處理孔隙度顯著高于對照組，1.5°、3°、5°各坡度施炭處理較對照處理分別提高5.56%、5.17%、4.56%，各年施炭處理(T)與對照處理(CK)各處理變化趨勢一致，施炭處理孔隙度隨坡度的增加而減小，未施炭的各處理孔隙度略有改變但并不明顯，同時(shí)，T與CK各處理孔隙度隨時(shí)間延長而減小，至試驗(yàn)第4年，各坡度的T與CK處理差異仍達(dá)到顯著水平(P=0.018)。試驗(yàn)表明，施加生物炭作用于土壤孔隙的影響為正效應(yīng)，有利于提高土壤通氣性，且對土壤孔隙度有持續(xù)影響，但效果逐年減弱。

2.1.3坡度和年限對容重和孔隙度的交互作用

采用Matlab建立施加生物炭小區(qū)的容重關(guān)于坡度x和生物炭施加年限t的二元二次多項(xiàng)式回歸方程，得到容重ρb、孔隙度n關(guān)于生物炭施用后持續(xù)年限以及施加坡度的響應(yīng)關(guān)系為

ρb=1.182+0.004 639x+0.008 242t-0.000 206x2-
0.000 758 3t2+0.000 368 4xt

(2)

n=50.977-0.744 98x-0.612 9t+0.057 14x2+
0.041 67t2+0.015 135xt

(3)

2.1.4施加生物炭對土壤三相結(jié)構(gòu)的持續(xù)影響

如圖5可知，施加生物炭后，土壤固相比例下降，液相、氣相比例有所上升，各處理生物炭對三相影響一致。土壤固相也稱土壤基質(zhì)，對土壤各物理力學(xué)性質(zhì)起著重要的、決定性的影響。施加當(dāng)年，1.5°、3°、5°坡度各T處理的固相較CK處理分別降低4.89%、4.48%和3.90%，下降程度隨時(shí)間呈減弱的趨勢，至2019年，3個(gè)坡度T處理固相比例下降3.18%、2.57%和2.40%。液相即土壤溶液，直接參與土壤的形成、變化及作物吸水吸肥等過程。試驗(yàn)中，施炭處理液相比例均較對照組有所提高，施加當(dāng)年，3個(gè)坡度液相分別提高7.09%、6.76%和5.16%，至2019年，施加生物炭對土壤液相仍有提高的效果，分別提高2.68%、2.46%和2.36%。土壤氣相來源于大氣交換以及生物化學(xué)過程產(chǎn)生的氣體，在4年試驗(yàn)中，各施炭處理氣相均有提高，且隨坡度升高增加率減小，但年際間無明顯規(guī)律。

通過計(jì)算R[16-17]，由表1可知，施加生物炭可以降低R，即土壤更接近理想狀態(tài)。一般來說，理想狀態(tài)下最適合作物生長的土壤三相比為50∶25∶25(固相∶液相∶氣相)[25]。施加當(dāng)年，1.5°、3°、5°坡度各T處理的R較CK處理分別降低了60.88%、59.92%和54.47%，雖然各處理R整體呈隨時(shí)間不斷增加的趨勢，但施炭處理始終較對照組有改良效果，至2019年，各T處理R仍較CK處理降低49.17%、35.80%和30.62%。固相比例接近50%，液相比例和氣相比例在25%左右，土壤水氣比例協(xié)調(diào)，有利于土壤通氣性和持水性，使土壤環(huán)境利于作物生長發(fā)育。

表1 不同處理的土壤RTab.1 R of different treatments

2.2 施加生物炭對土壤養(yǎng)分和pH值的影響

2.2.1施加生物炭對土壤養(yǎng)分的持續(xù)影響

土壤養(yǎng)分是大豆生存生長過程中不可或缺的重要成分，氮是蛋白質(zhì)的主要組成元素；磷形成核蛋白和其他磷化物并參與能量傳遞和利用過程(大豆吸磷動(dòng)態(tài)與干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)基本相符)；鉀活躍在生長的芽、幼葉及根尖中；有機(jī)質(zhì)可以改善土壤的結(jié)構(gòu)狀況，一般都是帶電膠體，還可以提高土壤對酸堿變化的緩沖性，是植物所需養(yǎng)分的主要來源，是土壤肥力重要標(biāo)志之一。

在2016—2019年試驗(yàn)中，土壤銨態(tài)氮含量如圖6所示，CK處理在94.6～101.9 mg/kg之間，T處理在114.8～129.5 mg/kg之間，施炭處理較對照處理銨態(tài)氮含量提高21.35%～28.02%。全部處理中2019年CK5處理含量最低，2016年T1.5處理含量最高。施炭當(dāng)年，1.5°、3°、5°坡度T處理銨態(tài)氮含量較CK處理分別提高了27.09%、28.02%、26.58%，與CK處理差異極顯著(P<0.001)。同一年份，銨態(tài)氮含量隨坡度升高而減小；坡度相同時(shí)，隨年份延長而減小，至2019年3個(gè)坡度施炭處理銨態(tài)氮含量分別提高23.12%、22.04%、21.35%，施炭與否差異仍極顯著(P<0.001)。根據(jù)土壤養(yǎng)分等級分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)可知[26]，4年內(nèi)，銨態(tài)氮養(yǎng)分等級有所變化，CK各處理4年的銨態(tài)氮等級均為3級，T各處理直至2018年均保持在2級不變，于2019年T3、T5降至3級。土壤中速效鉀含量如圖7所示，CK處理變化范圍為282～267 mg/kg，T處理于2016年T1.5達(dá)到最高值(346 mg/kg)、于2019年T5最低(299 mg/kg)，變化趨勢與銨態(tài)氮一致，施炭處理較對照處理速效鉀含量提高11.99%～22.71%。其等級始終保持在1級標(biāo)準(zhǔn)，但各年是否施加生物炭對土壤中速效鉀含量影響極顯著(P<0.01)?？梢娛┘由锾繉ν寥冷@態(tài)氮、速效鉀含量有明顯的提高，對土壤養(yǎng)分的改良有明顯效果，且效果較為穩(wěn)定。土壤中有效磷含量變化如圖8所示，各年是否施用生物炭對有效磷的變化均不顯著(P>0.05)，有效磷始終保持在3級標(biāo)準(zhǔn)。CK處理中2018年CK1.5含量最高(19.1 mg/kg)，2019年CK5最低(17.8 mg/kg)；T處理中2016年T3最高(19.4 mg/kg)，2019年T5處理最低(18.05 mg/kg)。土壤中有機(jī)質(zhì)含量變化如圖9所示，施炭處理較對照處理有機(jī)質(zhì)含量提高9.54%～18.21%。施炭當(dāng)年，隨坡度升高，施炭小區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量較對照組分別提高了18.21%、17.15%和14.89%，有機(jī)質(zhì)含量增幅隨時(shí)間減小，至2019年，增加率降至9.54%～11.88%，說明施加的生物炭至第4年仍對土壤有機(jī)質(zhì)有增益效果，這與陳紅霞等[27]試驗(yàn)結(jié)果趨勢一致,施炭處理于施加后第3年有機(jī)碳較對照組顯著增加，土壤有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)的一種化學(xué)量度；黃連喜等[28]也在一次性施加花生殼生物炭的多茬蔬菜輪作田間試驗(yàn)中得出，在連續(xù)多茬后土壤有機(jī)碳仍提高8.5%。依照養(yǎng)分等級劃分，對照組各小區(qū)4年有機(jī)質(zhì)等級均為3級，2016年，各T處理均達(dá)到2級，于第2年僅T5降至3級，第3年，僅有T1.5仍保持在2級，直至2019年，所有小區(qū)均降至3級。施炭處理有機(jī)質(zhì)含量年際變化不顯著，2016—2017年、2017—2018年、2018—2019年P(guān)分別為0.224、0.243、0.387；坡度變化對其影響不顯著(P=0.135)；T處理與CK處理有機(jī)質(zhì)含量差異顯著(P2016=0.011、P2017=0.024、P2018=0.034)，至第4年差異不顯著(P2019=0.056)。試驗(yàn)結(jié)果表明，施入生物炭后土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，其增加率逐年減小，效果隨時(shí)間在逐漸削弱，并且相同年份內(nèi)坡度越大有機(jī)質(zhì)增加率越小。

表2 土壤養(yǎng)分等級分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification criterion of soil nutrients

2.2.2施加生物炭對土壤pH值的持續(xù)影響

圖10為施加生物炭后pH值的變化情況，4年內(nèi)T處理的pH值均高于相同坡度CK處理，是否施加生物炭對土壤pH值的影響極顯著(P<0.01)，1.5°、3°、5°施炭處理的pH值增幅均于2016年增幅最大，分別為17.88%、17.68%和14.63%。T處理pH值于年際間變化不顯著，2016—2017年、2017—2018年、2018—2019年P(guān)分別為0.328、0.56、0.22，坡度間變化亦不顯著(P=0.093)。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，單次施用生物炭可以使土壤pH值增大，且土壤pH值的增幅隨時(shí)間減小、隨坡度升高而減小。朱凱[29]在分析施炭土有機(jī)碳含量低于生物炭添加量與土壤有機(jī)碳含量的理想疊加值時(shí)，認(rèn)為可能的原因是部分生物炭在干濕交替中處于土壤表面，伴隨自然(風(fēng)、降雨)過程產(chǎn)生了生物炭的流失，并認(rèn)為生物炭作為土壤改良劑在野外環(huán)境中物理性流失普遍存在。因此，這一變化可能與生物炭流失有關(guān)，坡度較大時(shí)，生物炭本身流失量相對較大，土壤中保持的生物炭含量就會(huì)減少，pH值的增幅也就隨之減小。

2.2.3土壤綜合肥力分析

選取連續(xù)4年土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比(X1，g/kg)、銨態(tài)氮質(zhì)量比(X2，mg/kg)、有效磷質(zhì)量比(X3，mg/kg)、速效鉀質(zhì)量比(X4，mg/kg)為肥力指標(biāo)，采用隨機(jī)森林回歸模型得出土壤肥力等級指數(shù)，用于了解土壤的真實(shí)肥力狀況。土壤主要養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)共6級，且6級為最低，1級為最高，即數(shù)值越低綜合肥力越高，所得綜合土壤肥力等級指數(shù)如表3所示。同一年份，坡度越平緩肥力越高；同一坡度，施用生物炭能夠使土壤肥力等級指數(shù)降低，提高土壤綜合肥力；4年內(nèi)土壤肥力等級指數(shù)均呈增大趨勢，即肥力下降，生物炭的增肥潛力隨使用年限的延長逐漸減弱。各坡度施炭與否土壤肥力等級指數(shù)的變化率隨年份減小，原因可能是前期施加生物炭速效養(yǎng)分顯著提高，作物生長情況優(yōu)于對照組，消耗養(yǎng)分速度較快。

表3 2016—2019年土壤肥力等級指數(shù)Tab.3 Soil fertility grading indexes from 2016 to 2019

對CK1.5、T1.5、CK3、T3、CK5、T5分別建立土壤肥力分級指數(shù)(Soil fertility grading indexes, SFGI)與施用年限間的回歸方程為

(4)

各回歸方程的R2大于0.9，表明回歸方程擬合效果較好；P<0.05表明由自變量施炭年限與因變量土壤肥力等級指數(shù)(SFGI)所建立的線性回歸模型具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；預(yù)測結(jié)果如表4所示，2021年土壤肥力等級指數(shù)差距已十分接近，土壤肥力的消耗情況應(yīng)十分接近，而2022年T3、T5的土壤肥力等級指數(shù)超過CK3、CK5，達(dá)到了生物炭對土壤肥力影響的有效年限，說明施加生物炭對土壤肥力的提高影響年限為6～7年。

表4 回歸方程預(yù)測的2020—2022年土壤肥力分級指數(shù)Tab.4 SFGI prediction by regression equation for 2020—2022

3 討論

土壤結(jié)構(gòu)是調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱的關(guān)鍵因素，且對土壤理化性質(zhì)發(fā)揮重要作用。適于大豆生長的容重一般在1.00～1.30 g/cm3之間，孔隙度在53%～55%之間[30]，本試驗(yàn)施入生物炭的土壤于施炭當(dāng)年，容重降低了3.27%～3.62%，并隨年限延長而回彈；孔隙度提高了4.56%～5.56%，R降低表明施炭后土壤結(jié)構(gòu)更接近理想狀態(tài)，改良效果均逐年減弱。華北平原10年的生物炭田間定位試驗(yàn)表明，施加生物炭對土壤容重、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量具有明顯改善[5]。土壤容重降低的原因：①生物炭密度小，遠(yuǎn)小于土壤密度[6]。②生物炭促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成，從而增大了土壤孔隙度，造成土壤容重降低，進(jìn)一步改善了土壤結(jié)構(gòu)[5]。陳溫福等[7]研究表明，生物炭施入土壤后，可使土壤容重降低9%，總孔隙度由45.7%提高到50.6%，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，與本試驗(yàn)結(jié)論一致。土壤是由固、液、氣三相構(gòu)成的，三相之間相互聯(lián)系、轉(zhuǎn)化、制約，是一個(gè)不可分割的有機(jī)整體，在功能上構(gòu)成了土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)合理土壤三相比為作物生長提供良好的水、熱、氣、肥條件是土壤結(jié)構(gòu)改良的最終目的。一般來說，理想狀態(tài)下最適合作物生長的土壤三相比為50∶25∶25(固相∶液相∶氣相)[25]。本試驗(yàn)中，R明顯減小，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[24]施加秸稈生物炭可提高土壤液相率與氣相率、使得土壤含水量與通氣性明顯提高的結(jié)論一致，同時(shí)得出施加生物炭對土壤結(jié)構(gòu)的改良效果隨時(shí)間減弱。

施用生物炭會(huì)對土壤肥力產(chǎn)生影響，李際會(huì)等[9]發(fā)現(xiàn)生物炭施入沙壤土中可以增加土壤有機(jī)碳、鉀、磷等含量，張祥等[31]研究發(fā)現(xiàn)生物炭的施加顯著提高了紅壤和黃棕壤的氮、磷、鉀等元素的速效態(tài)含量，這與本試驗(yàn)部分結(jié)果一致，本試驗(yàn)中施加生物炭的土壤顯著提高了銨態(tài)氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量，且后續(xù)不再施加生物炭仍有持續(xù)影響，各坡度養(yǎng)分提高效果均在首年效果最佳，并逐年減弱，且坡度平緩效果較好。對有效磷含量的影響不顯著，規(guī)律不明顯。而史思偉等[5]試驗(yàn)中生物炭處理的有效磷含量降低，并且達(dá)到了顯著性差異水平；CHAN等[32]進(jìn)行的室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，生物炭提高了有效磷含量，與本試驗(yàn)不一致，原因可能是前者多年使用的生物炭在土壤中大量累積可能會(huì)增強(qiáng)對土壤中磷酸根的表面吸附，從而降低土壤有效磷含量，同時(shí)也與生物炭和土壤種類的不同及其他環(huán)境因素有關(guān)[33]。土壤養(yǎng)分是土壤的本質(zhì)屬性，其含量直接影響作物產(chǎn)量。一般來說，有機(jī)質(zhì)含量高的低容重土壤帶來的農(nóng)業(yè)效益更好[33]。生物炭自身的養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)特性會(huì)對土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生影響。土壤有機(jī)質(zhì)是微量元素的重要來源，是土壤團(tuán)聚體的主要粘結(jié)劑，可以提高耕作質(zhì)量，其中的膠體具有很強(qiáng)吸附能力，留肥儲水，提高酸堿緩沖性能及碳氮比，提高土壤對氮素及其他養(yǎng)分元素的吸持容量[6]。有機(jī)質(zhì)含量的提高對土壤肥力的影響巨大，張祥等[31]試驗(yàn)表明對我國南方紅壤和黃棕壤施用生物炭有機(jī)質(zhì)含量提高?？等辗宓萚34]研究也表明土壤有機(jī)質(zhì)含量與生物炭添加量呈顯著正相關(guān)。本試驗(yàn)中施加生物炭土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，至第4年仍有顯著效果。pH值是影響土壤肥力的重要因素之一，直接影響著土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉(zhuǎn)化性和有效性。東北黑土區(qū)土壤pH值在5.7～6.4之間，而大豆最適宜的pH值在6.5～7.5之間，本試驗(yàn)中未施炭前pH值在6.12～6.32之間，施炭后pH值顯著提高，達(dá)到6.99～7.45，更適宜大豆生長，且第4年仍達(dá)到顯著水平，效果持續(xù)性長。與文獻(xiàn)[35-36]研究結(jié)果一致，生物炭可以將酸性土壤改良為中性、弱堿性土壤，還可以顯著提高鹽堿土養(yǎng)分含量。史思偉等[5]依托連續(xù)10年的生物炭田間定位試驗(yàn)，對生物炭進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)長期使用生物炭對土壤pH值沒有顯著影響，與本研究結(jié)果并不一致，原因可能是：①供試土壤的初始pH值不同，文獻(xiàn)[5]pH值為8.1，供試土壤本身為堿性，所以影響不明顯。②試驗(yàn)中生物炭的施加量不同，文獻(xiàn)[5]各處理均低于10 t/hm2，本試驗(yàn)遠(yuǎn)超于其施加量。

本研究采用隨機(jī)森林回歸模型對土壤綜合肥力等級進(jìn)行計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果具有客觀性和無偏性，可用于本試驗(yàn)土壤綜合肥力的評估，使土壤的潛在生產(chǎn)力能夠得到準(zhǔn)確而有效的評估。T處理土壤肥力等級指標(biāo)減小、肥力提高。無論施炭與否各處理后續(xù)年份等級指標(biāo)逐年增大、肥力下降，施炭小區(qū)下降速度更快，這可能是由于速效養(yǎng)分含量高，作物生長較好，消耗更多的養(yǎng)分。由回歸方程預(yù)測所得有效年限為6～7年。生物炭對東北黑土的改良效果在逐年削弱，說明施加生物炭不是永續(xù)的改善措施，但其對土壤的影響較為全面且持續(xù)穩(wěn)定，對土壤改良培肥、水土保持以及節(jié)水增產(chǎn)都有積極影響。現(xiàn)今生物炭的生產(chǎn)技術(shù)不成熟，使用成本較高，須結(jié)合經(jīng)濟(jì)情況和生產(chǎn)效益進(jìn)行調(diào)節(jié)，對其有效年限及效果的探索十分必要。同時(shí)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)生物炭本身會(huì)隨著徑流流失，對生物炭流失的情況有待今后進(jìn)一步研究。目前，關(guān)于生物炭對農(nóng)田土壤肥力的長期效應(yīng)的認(rèn)知仍然缺乏，需要更多的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

(1)施加生物炭可顯著提高土壤孔隙度、降低土壤容重、優(yōu)化土壤三相結(jié)構(gòu)。T處理孔隙度的增加率、容重的減小率均隨時(shí)間延長而減小，與CK處理差距逐年減小，2016年T1.5處理容重最低(1.196 g/cm3)，較CK1.5處理降低了3.62%，T1.5處理孔隙度達(dá)到最大值(49.4%)，較CK1.5處理提高了5.56%。容重減小的幅度、孔隙度提高的幅度均隨坡度增大而降低。T處理可降低土壤三相比R，至2019年T處理R仍小于CK處理，R降低30.62%。

(2)2016—2019年，土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效鉀含量變化趨勢大體相同，均隨坡度升高、時(shí)間延長而降低，同一年份，坡度較高時(shí)增幅較小，對有效磷含量沒有明顯影響。4年內(nèi)T1.5處理土壤綜合肥力等級指數(shù)均最小，土壤肥力最高、培肥效果最優(yōu)。初步預(yù)測生物炭培肥效應(yīng)的有效年限為6～7年。