黑土区坡耕地施加生物炭对水土流失的影响

吴 昱 刘 慧 杨爱峥 赵雨森

(1.东北林业大学林学院， 哈尔滨 150040； 2.黑龙江农垦勘测设计研究院， 哈尔滨 150090；3.东北农业大学理学院， 哈尔滨 150030； 4.哥本哈根大学科学学院， 哥本哈根 DK- 2630)

0 引言

东北黑土区作为世界上仅有的三大黑土带之一，具有得天独厚的农业水土资源条件，为我国主要的粮食生产基地，对保障国家粮食安全发挥了巨大作用。区内坡耕地占耕地总面积的60%，坡度多在2°～3°，坡长500～2 000 m，是产生水土流失的主要源地[1]；该区属寒温带大陆性季风气候，降雨的年内分配不均，全年降水量的70%～80%集中在7—9月；雨期集中，降雨强度大，导致该区坡耕地水土流失严重。同时，在不利的自然条件和人类不合理的垦殖与经营的双重影响下，黑土退化严重，黑土层已经由开垦初期的60～70 cm减少到20～30 cm，土壤养分逐渐降低，土壤结构破坏明显，容重增加，孔隙度降低，渗透性下降，导致土壤持水保肥能力下降[2]，严重制约着黑土区农业水土资源的可持续高效利用，使国家粮食安全面临着严重威胁。因此，开展黑土区水土保持理论与技术研究具有重要的现实意义和深远的历史意义。目前，有关黑土区水土保持研究主要集中在工程措施和耕作技术方面[2-4]，而从改善土壤结构方面的研究还很少，特别是将秸秆生物炭作为土壤改良剂应用于坡耕地综合治理及其对坡耕地养分空间变异性和水土流失的影响则鲜见报道。

生物炭作为土壤改良剂已经得到了国内外学者的广泛关注。多位学者的研究表明，生物炭的施入可使土壤容重显著降低，而总孔隙率显著增加[5-8]，其原因为生物炭具有微孔多、比表面积大、密度小等特性，且含有丰富的有机大分子，因此生物炭施入土壤后可以降低土壤容重，增大土壤孔隙度，增强土壤持水能力，促进土壤团聚体的形成，从而改善土壤的物理性状，使得土壤能够保持更多的水分、养分和空气，进一步提高土壤的保水、保肥、保气性[9-10]；不仅如此，由于生物炭容重低、粘性差，还可以降低粘质土壤容重和硬度[11]。陈温福等[12]对白浆土的改良试验表明，当生物炭施用量为10 t/hm2时，经过大豆一个生育期即可将白浆层调整到理想状态，但当施用量超过30 t/hm2时白浆层反而过于松散；魏永霞等[13]对黑土区的试验表明，生物炭具有较好的土壤改良效果，当生物炭施用量为75 t/hm2时，大豆产量达到了最佳状态。因此生物炭还田改土的适宜施用量需根据土壤类型等决定。

本文拟利用黑土区秸秆资源条件，将其炭化施加于自身土壤，开展不同生物炭施用量对土壤结构、持水性能、径流泥沙控制等影响的试验研究，达到土壤改良，增加土壤持水保肥能力，减少水土流失的目的，在探索行之有效的黑土修复与保护技术的同时，也为黑土区秸秆资源的绿色循环高效利用探索一条新的途径。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015年5—10月在位于东北典型黑土带上的黑龙江省红星农场坡耕地上的径流小区内进行，小区规格为5 m×20 m，地面坡度为3°。设置5个生物炭用量水平(0、25、50、75、100 t/hm2)，2次重复。其中以0 t/hm2用量为对照，各处理编号依次为CK、T1、T2、T3、T4。

供试土壤为草甸黑土，土壤容重为1.14 g/cm3，砂粒(大于0.02 mm)、粉粒((0.002～0.02 mm)、粘粒(小于0.002 mm)的质量分数分别为21.91%、44.28%和33.81%；生物炭原材料选用黑土区较为丰富的玉米秸秆，生物炭由辽宁金和福农业开发有限公司生产，其基本物理化学指标为：粒径1.5～2.0 mm， pH值为9.14，碳、全氮、硫、氢和灰的质量分数分别为70.38%、1.53%、0.78%、1.68%和31.8%。供试作物为黑河3号大豆。

试验开始前，将生物炭均匀撒在土壤表面，经人工搅拌使混合壤各处颜色均一，即其与耕层土壤(20 cm)混合均匀，起垄静置7 d左右后播种。大豆种植与管理采用当地常规方法。

1.2 观测内容与方法

(1)土壤水分动态：采用干燥法，按照大豆生育期测定，4次重复(相同处理的2个径流小区各取2次重复)，测定层位为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm。

(2)土壤物理性质：大豆生育期末用环刀取耕层原状土，重复同上，采用DIK- 1130型土壤三相仪测定土壤孔隙度和容重。

(3)土壤水分常数：大豆生育期末，环刀法测定不同处理土壤饱和含水率和田间持水量，重复同上。

(4)土壤养分指标：大豆生育期末测定土壤有机质、铵态氮、有效磷和速效钾含量，重复同上。采用化学方法测定，其中土壤有机质质量分数(%)采用重铬酸钾- 硫酸法[14]；铵态氮质量比(mg/kg)采用2 mol/L KCl浸提- 靛酚蓝比色法[14]；有效磷质量比(mg/kg)采用碳酸氢钠浸提- 钼锑抗比色法[14]；速效钾质量比(mg/kg)采用醋酸铵浸提- 火焰光度法[14]。

(5)降雨量及其过程：自记雨量计自动记录。

(6)降雨径流过程：采用安装在小区出口的翻斗式径流自计系统自动记录。

(7)降雨产沙过程：与径流过程同步，在开始产流后，每5 min取一翻斗水样，将水样静置24 h，漂去上层清水，余下的用滤纸滤出泥沙，干燥6 h称量，经计算获取产沙量及其过程。

1.3 数据分析处理方法

采用Excel 2013、SPSS 12和GS+9.0统计软件进行相关的数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 施加生物炭对土壤结构指标的影响

不同处理的耕层土壤容重和孔隙度及其显著性分析见表1，各处理0～20 cm土层的土壤容重由大到小依次为：CK、T1、T2、T3、T4，即土壤容重随生物炭施加量的增加而降低，从生物炭施加量最高的T4处理到最低的T1处理，土壤容重分别降低5.24%、4.79%、4.31%和2.23%；各处理0～20 cm土层的土壤孔隙度由大到小依次为：T4、T3、T2、T1、CK，即土壤孔隙度随生物炭施加量的增加而增大，从T4到T1处理，土壤孔隙度分别增大12.90%、7.66%、6.45%和4.03%。

表1 不同处理耕层土壤的容重与孔隙度Tab.1 Bulk density and porosity of soil fordifferent treatments

注：同一行不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

生物炭对土壤容重和孔隙度的影响可能与生物炭本身所具有的多微孔、比表面积大、密度小，且具有丰富的有机大分子等有关，添加生物炭后，可使土壤结构得到有效改善。这与陈红霞等[6]随着施炭量的增加，土壤容重逐渐降低，土壤孔隙度逐渐变大结果一致，说明施加生物炭可以有效改善土壤结构，并同样适用于黑土区。本区域亦存在着各种人为因素，诸如不合理的耕作、长期的过量化肥使用等而导致的土壤板结，供水供肥能力降低等问题，施加生物炭可以作为解决这一问题的有效途径。

2.2 施加生物炭对土壤持水性能的影响

2.2.1对土壤水分常数的影响

土壤的田间持水量和饱和含水率作为两个较为重要的土壤水分常数，可以反映土壤持水性能的高低，直接影响作物的生长发育。生物炭本身具有疏松多孔、比表面积大的特点，有巨大的孔隙度和表面能，施加生物炭的土壤，可增加孔隙度，改善土壤的持水性能[15]。由图1可以看出，各处理土壤饱和含水率、田间持水量均随着施炭量的增加而增大。各处理饱和含水率较对照组分别提高了11.16%、21.30%、22.31%和29.01%；田间持水量较对照处理分别提高了 0.32%、3.17%、5.71% 和 10.48%。经显著性分析，饱和含水率除T2、T3之间无显著性差异以外，其他各项之间差异均达到了显著性水平(P<0.05)；田间持水量除CK和T1之间、T2和T3之间无显著性差异外，其余各项之间亦达到了显著水平。可见，施加生物炭的土壤，在降雨过程中能够充分吸持水分、截留雨水[16]，使田间持水量和饱和含水率均有所提高。这与很多研究所表明的土壤持水能力随着生物炭添加量的增加而增加的结论具有很好的一致性[17]，说明生物炭的施用，在黑土区同样具有提高土壤持水能力的作用。

图1 不同处理耕层土壤水分常数Fig.1 Soil moisture constant of arable layer for different treatments

2.2.2对土壤储水量的影响

不同的生物炭施加量处理条件下，0～100 cm土层的土壤储水量如图2所示。可以看出，从5月17日播种到10月4日收获，不同处理的0～100 cm土壤储水量与降雨量的动态变化具有较好的相关性，并且不同生物炭施用量处理的土壤储水量虽然变化趋势一致，但水量上具有明显的差异。总体上来看，基本表现为生物炭用量大的土壤储水量变化过程线位置较高。时段初(播种期)各处理的土壤储水量没有明显的不同，甚至对照处理的土壤储水量处于较高水平，随着生物炭施加时间的延长，生物炭的持水作用逐渐显现。大豆播种到苗期，土壤水分因降雨补充较少而处于消耗状态，土壤储水量呈下降趋势，但到苗期(5月30日)已能够看出不同生物炭用量处理土壤储水量的明显差异；到5月30日之后，由于降雨的补充，土壤储水量呈缓慢上升态势，到7月28日，土壤储水量达到最大值。之后由于降雨量的明显减小，大豆生长旺盛，耗水量较大，土壤储水量显著降低；8月15日到10月4日，随着大豆耗水减少以及降雨量的增加，土壤储水量呈上升趋势。可以看出，在土壤储水量的消长过程中，生物炭对土壤储水量具有明显的正向效应，并且表现出土壤储水量随着生物炭施加量的增加而增加，2015年T4处理0～100 cm土层的土壤储水量较对照最多提高了8.2%。可见，生物炭的施加有效地提高了土壤储水量，这主要是生物炭改善了土壤结构，提高了土壤的持水性能，有利于坡耕地土壤水分的保持和降雨利用率的提高。

图2 不同处理的0～100 cm土层土壤储水量Fig.2 Soil water storage in 0～100 cm soil layer for different treatments

2.3 施加生物炭对次降雨径流的影响

选取2015年7月24日降雨过程进行分析，本次降雨历时55 min，最大降雨强度115.2 mm/h，总降雨量22 mm，降雨径流强度及累积径流强度过程如图3所示。

图3 2015年7月24日不同处理降雨地表径流过程Fig.3 Process of runoff for rainfall on 24th, July of 2015

由图3可以看出，施加生物炭的小区径流与对照小区径流强度和累积径流强度过程线趋势都基本相同，但施加生物炭的小区降雨产流量均小于对照小区，但超过一定限度后，径流则增加。说明在一定的生物炭施加量范围内具有一定的径流控制作用，主要原因就是生物炭施加到土壤后改善了土壤结构，有效降低了土壤容重，进而增加土壤孔隙度，此时土壤巨大的表面积和亲水基团也进一步提高了土壤的持水能力；同时，适量地施加生物炭，可以减少土壤养分淋失[18]，为农作物创造了良好的水肥环境，有利于作物生长发育，为坡耕地降雨径流控制提供良好的植被条件。可以看出，随着生物炭添加量的增加，呈现出径流强度过程线向下移动的趋势，即次降雨径流量随着生物炭添加量的增加而减少。本次降雨处理T1、T2、T3、T4径流量较CK处理分别减少了4.71%、6.55%、10.15%、7.97%，从降雨径流控制效果来看，生物炭施加量为75 t/hm2时为最佳。本次降雨发生在大豆的分枝期，相对于其他处理来说，该处理的大豆长势迅猛，冠层发育，对降雨的阻碍作用明显[3]，冠层截留降低了降雨产流量，使得T3处理的产流量最小。但随着生物炭的过量施入，可能会导致土壤的碳氮比提高，造成作物养分吸收困难[19-20]，抑制大豆的生长发育[19]，故产流量呈增加趋势。

2.4 施加生物炭对次降雨产沙的影响

图4 2015年7月24日不同处理的降雨产沙过程Fig.4 Process of sediment for rainfall on 24th, July of 2015

2015年7月24日降雨过程与产沙量的关系如图4所示。可以看出，产沙过程与地表径流过程的变化趋势基本一致，在本试验处理范围内，施加生物炭均有一定的减沙效果，但效果并不明显。各处理产沙量按从大到小的顺序为CK、T4、T1、T2、T3，T1到T4处理减沙率分别为1.91%、1.93%、2.44%和1.82%，生物炭施加量为75 t/hm2的T3处理的减沙率最大。相对于减沙效果来说，最佳生物炭用量为75 t/hm2，这与对地表径流的影响结果基本一致。主要因为施加生物炭减小了径流形成，使跟随径流流失的泥沙也相对减少，将适量的生物炭施入农田土壤，具有一定的水土保持作用。但是，随着生物炭施用量的增加，使表层土壤更为稀松，过大的灰分导致土壤结构性降低，表层土壤则易于被降雨形成径流所携带而产生土壤的流失。

2.5 施加生物炭对土壤养分流失的影响

各处理耕层土壤有机质、有效磷、速效钾和铵态氮含量对作物生长影响测定结果见表2。由表2可以看出，土壤中的铵态氮、有机磷、速效钾和有机质含量均随着生物炭用量的加大而加大。其中，T3处理的有机质和铵态氮含量较对照处理分别提高125.0%和184.3%，T4处理分别提高158.3%和415.6%，均达到了显著水平。可见，生物炭可以提高土壤养分，这与已有研究结论一致[20-21]，在验证以往研究的同时，也说明了生物炭的保肥性能同样适用于黑土区。这主要得益于生物炭的吸附性能，减少了土壤中养分的流失，达到了持水保肥的效果。但各处理间并未全部达到显著差异。

表2 不同处理耕层土壤养分含量平均值Tab.2 Average contents of soil nutrients in arablelayer for different treatments

为进一步探讨生物炭对土壤中养分含量的影响，应用地统计学原理对各处理下的土壤养分含量进行了统计分析，其养分含量分布如图5、6所示(图中从左到右为小区坡度方向)。因试验小区位于坡耕地上，降雨径流对土壤养分的携带作用，通常会表现出不同坡位土壤养分含量分布的不均匀性。但加入生物炭后，这种状况得到了很大的改善。对比图5、6可以看出，施加生物炭的T4处理，不仅表现出较高的土壤养分(铵态氮、有效磷、速效钾和有机质)含量，而且从坡上到坡下其空间分布的均匀性也有所提高，即生物炭降低了土壤养分的空间变异性。这说明生物炭可以在减少坡耕地养分的流失的同时，改善坡面上养分含量的分布状况。这主要是由于生物炭具有较好的养分吸附作用的结果。生产实践中，由于田间小气候状况、下垫面条件等自然条件的不同，即便是平地也会存在着作物生长基质、水肥条件等的不均匀性，导致作物生长发育水平的明显变异。由于生物炭具有吸附性和持水性，使得作物生长的水肥状况趋于均匀，特别是使得坡耕地坡上和坡下的水肥条件趋于均匀，从而为作物生长发育及其产量的提高提供了保障。

由表2和图5、6可以看出，CK和T4处理间土壤养分含量均表现出显著差异，养分含量随着生物炭用量的增加而增加；从空间分布图还可看出，铵态氮和有效磷含量与有机质含量变化存在着明显的正向同步性，有机质含量高的区域，铵态氮和有效磷含量也呈较高的态势，特别是铵态氮表现得最为明显；而速效钾则表现为土壤铵态氮和有效磷含量高的地方，其含量反而相对较低的现象。这是由于氮和磷在黑土中的存在形式以有机态为主，为土壤有机质的主要组成部分。与此不同的是，钾则是以无机态形式赋存于矿物质和黄土母质中。同时，由于黑土的长期耕作过程中，通常表现为氮肥和磷肥的投入大于钾肥，也导致了土壤中钾肥的消耗过大。

图6 CK处理的土壤养分含量空间分布Fig.6 Spacial distributions of soil nutrients contents for treatment of CK

3 讨论

生物炭本身孔隙结构发达、质轻、颗粒细小、比表面积大，具有巨大的表面能，土壤水分吸持能力强，另外，它含有烃基、羧基、苯环等官能团，使得其具有强大的吸附能力[22]。随着土壤中生物炭施加量的增加，土壤孔隙率和容重分别呈增加和降低趋势；土壤中铵态氮、有效磷、速效钾和有机质含量亦随着生物炭施用量的增加而增加，这与其他地区的已有研究基本一致[21,23]，说明生物炭对黑土区存在着正向的农业水土效应；本研究发现，生物炭不仅能够减少养分流失，还可以降低土壤养分的空间变异性，减小了地形坡度对土壤养分分布的影响，这应该是生物炭能够提高坡耕地产能的主要原因之一，这一点在以往的研究中鲜见报道。

关于生物炭对土壤持水性能的影响，相当一部分学者认为生物炭可以提高土壤的持水性能[15,24-25]，但其施用量对土壤持水能力的影响程度上尚存在差异，这应该是与供试土壤本身的性质有关。王丹丹等[23]认为土壤持水能力与生物炭添加量呈正相关，而DUGAN等[25]的研究发现秸秆生物炭可提高土壤的持水能力，但施用量的影响不显著。在本研究中，无论是反映土壤持水性能的土壤水分常数，还是土壤储水量均随生物炭施用量的增加而增加。

关于生物炭的起效时间，JONES等[26]的研究显示，生物炭没有对作物前2年的生长产生显著影响，却显著增加了第3年的产量。王丹丹等[23]在黄土高原地区的研究表明，在施加生物炭6个月就有效地改善了表层土壤容重、田间持水量和土壤的导水性能，土壤的持水性能与生物炭施加量呈正相关。勾芒芒等[27]研究了沙壤土添加生物炭的节水保肥和增产效应，通过1 a的试验表明，土壤水分、养分均随着生物炭施用量的增加而增加，施用生物炭的番茄的生物性状指标明显好于对照处理。王艳阳等[28]在黑土区的研究表明，施用生物炭后，供试土层形成了炭- 土双层结构，不仅增加了上层土壤的蓄水能力，而且对下层土壤的持水性能亦有显著提高。本研究亦经过了1 a的试验，在土壤理化性质、土壤的持水保肥能力方面均取得了与上述相关研究[23,27-28]类似的结果，生物炭在黑土区坡耕地降雨径流与土壤流失控制方面具有一定的正效应。这亦是生物炭本身的特点及其土壤改良作用的反映。添加生物炭后，改善了作物的水肥生长环境，进而促进了作物生长，使作物冠层发育，提高了植物截留率，减小了雨水对表层土壤的击溅；同时土壤持水能力的增强势必会减少坡耕地降雨径流的形成。这些都是减少土壤及其养分流失的主要原因。本研究也说明了生物炭适用于黑土区坡耕地的水土流失防治。至于生物炭是否能够提高土壤本身的抗蚀性，从而进一步提高坡耕地径流泥沙控制效果，则需要进一步持续地试验研究，因为土壤本身团粒结构的形成需要一定的时间。同时，生物炭施用以后的多年后效应，本研究亦未涉及，有待进一步研究。

4 结论

(1)生物炭可有效降低黑土区土壤容重，提高土壤孔隙度。在试验处理范围内，随着生物炭添加量的增加，土壤容重和土壤孔隙度分别呈现降低和增加趋势。25、50、75、100 t/hm2生物炭用量处理的土壤容重减小幅度为2.23%～5.24%，孔隙度增加幅度为4.03%～12.90%。

(2)生物炭可以很好地改善黑土区土壤持水性能。在25、50、75、100 t/hm2生物炭用量处理范围内，土壤饱和含水率和田间持水量均随生物炭施用量的增加而增加，二者的增加幅度分别为11.16%～29.01%和0.32%～10.48%；生物炭施用量对大豆不同生育阶段0～100 cm土壤储水量亦具有明显的正效应。

(3)适当地施加生物炭对黑土区坡耕地降雨径流具有较好的控制作用。25、50、75、100 t/hm2生物炭用量处理的次降雨径流降低幅度为4.71%～10.15%，其中以75 t/hm2的生物炭用量处理为最优。

(4)施加生物炭对黑土区坡耕地降雨产沙具有一定的控制作用。25、50、75、100 t/hm2生物炭用量处理的次降雨产沙率降低幅度为1.82%～2.44%，其中以75 t/hm2的生物炭用量处理为最优。

(5)施加生物炭不仅可以不同程度地减少黑土区坡耕地土壤养分流失，而且可以改善养分的空间分布。铵态氮、有效磷、速效钾和有机质含量提高幅度分别为34.4%～415.6%、7.3%～45.1%、18.0%～60.9%和58.3%～158.3%；4种生物炭用量处理的养分含量不仅在数量上高于对照处理，而且在均匀程度上有较大的改善，减缓了坡度对土壤养分造成的坡上与坡下的差异。

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