黑土區(qū)施加生物炭對(duì)土壤綜合肥力與大豆生長(zhǎng)的影響

魏永霞 石國(guó)新 馮 超 吳 昱 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.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150090;4.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱150040;5.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱150030)

0 引言

東北黑土區(qū)作為糧食生產(chǎn)的重要基地，其糧食年產(chǎn)量約占全國(guó)的1/5［1］。近年來(lái)，由于水土流失及秸稈資源不合理利用，導(dǎo)致土壤肥力降低、水分利用效率低下、農(nóng)作物產(chǎn)量降低［2］。因此，對(duì)黑土資源進(jìn)行綜合高效治理、提高水分利用效率已迫在眉睫。黑土區(qū)秸稈資源豐富，每年大量的秸稈焚燒導(dǎo)致黑龍江省霧霾天氣較為嚴(yán)重，研究秸稈資源的高效利用對(duì)探索黑土資源的高效利用與保護(hù)具有重要意義。

生物炭是以作物秸稈、動(dòng)物糞便為原材料，在缺氧或低氧條件下緩慢高溫裂解獲得的一類(lèi)富含碳的有機(jī)質(zhì)［3］。生物炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用比較廣泛。在土壤理化性質(zhì)方面，土壤中施加生物炭可以減小土壤容重［4］、提高土壤孔隙度［5］，改善土壤結(jié)構(gòu)，改善田間小氣候［6-8］;在節(jié)水增產(chǎn)方面，施加生物炭可以增加水分利用效率［9］，提高產(chǎn)量，增大葉面積指數(shù)［10-12］;在持水性能方面，施加生物炭可以提高土壤水分含量［13］和土壤儲(chǔ)水量［14］，提高田間持水率和飽和含水率［15-16］;在土壤肥力方面，施加生物炭可以提高土壤養(yǎng)分、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)量［11，17-19］。

生物炭表面帶有親水基團(tuán)，具有持水性，大多研究認(rèn)為，生物炭具有的持水性能是因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)。然而生物炭的持水作用不僅與其本身有關(guān)，亦與施加量和施用年限有一定相關(guān)性［9-10］。當(dāng)施加量過(guò)高時(shí)，生物炭的持水性能減弱，使用年限過(guò)長(zhǎng)持水性能也會(huì)下降。目前，絕大多數(shù)研究都是以短期施加生物炭為背景研究生物炭對(duì)持水性能的影響，而對(duì)于中長(zhǎng)期的生物炭效應(yīng)尚不明晰。本研究以連續(xù)4 年施加生物炭為背景，研究施加生物炭后土壤水分常數(shù)、土壤養(yǎng)分和大豆各生育期的株高及葉面積指數(shù)等效應(yīng)指標(biāo)的變化規(guī)律，通過(guò)建立改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)模型計(jì)算土壤綜合肥力指數(shù)，以確定對(duì)提高土壤綜合肥力水平效果最優(yōu)的生物炭施用模式，并用產(chǎn)量進(jìn)行驗(yàn)證，以期為黑土區(qū)施加生物炭提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省北安市(48°2' ～48°17'N，126°47' ～127°15'E)，屬于寒溫帶大陸性氣候。全年平均降水量555.3 mm，降雨集中在7—9 月，約占全年90%。積溫2 254.5℃，無(wú)霜期110 ～115 d。耕地多為丘陵漫崗，土質(zhì)肥沃，地勢(shì)由東向西傾斜，崗頂平緩，坡面較長(zhǎng)，坡度為3° ～5°。土壤為草甸黑土，土壤疏松、通透性好，但水土流失嚴(yán)重，黑土層厚度薄，土壤結(jié)構(gòu)惡化。主要農(nóng)作物為大豆、玉米、水稻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015—2018 年在北安市紅星農(nóng)場(chǎng)坡度為3°的徑流小區(qū)進(jìn)行。小區(qū)規(guī)格20 m ×5 m，每?jī)蓚€(gè)小區(qū)間隔1 m。為了防止側(cè)滲，各小區(qū)邊界用深入地下1 m 的鐵板隔開(kāi)。每個(gè)小區(qū)埋設(shè)TDR 管，埋深1.8 m。小區(qū)末端設(shè)有徑流自動(dòng)記錄系統(tǒng)和泥沙收集系統(tǒng)(BLJW-ZXY 型)，自動(dòng)記錄后的徑流排入?yún)^(qū)外排水溝。試驗(yàn)共設(shè)5 個(gè)處理，即不加生物炭的常規(guī)處理C0(對(duì)照處理)，和生物炭施加量分別為C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)、C100(100 t/hm2)的處理，2 次重復(fù)，共計(jì)10 個(gè)徑流小區(qū)。試驗(yàn)開(kāi)始前將生物炭均勻鋪撒于土壤表面并反復(fù)攪拌，使其與表層土壤(0 ～20 cm 土層)混合均勻。試驗(yàn)連續(xù)4 年種植大豆。2016—2018 年分別在上一年試驗(yàn)的基礎(chǔ)上加入等量的生物炭，并做相同的處理。

供試土壤為草甸黑土，理化性質(zhì)為pH 值6.3，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比34.83 g/kg，全氮質(zhì)量比1.1 g/kg，全磷質(zhì)量比0.45 g/kg，全鉀質(zhì)量比0.35 g/kg。供試大豆品種為黑河三號(hào)。供試玉米秸稈生物炭購(gòu)于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，制備方式為無(wú)氧條件450℃高溫裂解，基粒徑1.5 ～2.0 mm，生物炭性質(zhì)為pH 值為9.14，全碳質(zhì)量比為0.70 mg/kg，全氮質(zhì)量比為1.53 mg/kg，硫質(zhì)量比為0.78 mg/kg，鉀質(zhì)量比為1.68 mg/kg，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.8%。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤儲(chǔ)水量

連續(xù)4 年在大豆的各生育階段采用TDR 測(cè)量土壤深度0 ～10 cm、10 ～20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm、60 ～80 cm、80 ～100 cm 的土壤含水率，每個(gè)土層重復(fù)測(cè)量3 次，計(jì)算土壤儲(chǔ)水量［20］，公式為

式中 W——土壤儲(chǔ)水量，mm

θm——土壤體積含水率，%

ρb——土壤容重，g/cm3

h——土層厚度，mm

ρw——水密度，g/cm3

0 ～100 cm 土層儲(chǔ)水量為每層土壤儲(chǔ)水量之和。

1.3.2 土壤水分常數(shù)

于大豆收獲期每個(gè)小區(qū)選取2 個(gè)取樣點(diǎn)(共4次重復(fù))，田間持水率和飽和含水率采用室內(nèi)環(huán)刀法測(cè)定;凋萎系數(shù)采用生物法測(cè)定。

1.3.3 大豆株高、葉面積指數(shù)和冠層覆蓋度

分別在大豆各生育階段每小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)相同5 株大豆掛牌定株，采用卷尺測(cè)量每片葉子的寬和長(zhǎng)(葉片最寬、最長(zhǎng)處)，計(jì)算單株葉面積、葉面積指數(shù)［21］和冠層覆蓋度，公式分別為

其中

式中 LA——單株葉面積，cm2

LK——第K 片葉子的長(zhǎng)度，cm

WK——第K 片葉子的寬度，cm

a——葉面積回歸系數(shù)，取0.75

LAI——葉面積指數(shù)

ρ——種植密度，株/cm2

CC——冠層覆蓋度

1.3.4 土壤肥力

于大豆收獲期末取耕層(0 ～20 cm)土壤測(cè)定土壤養(yǎng)分含量。每個(gè)處理隨機(jī)取樣3 次。土壤pH值采用PHS-3C 型酸度計(jì)測(cè)定;堿解氮含量使用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;有效磷含量采用Olsen 法測(cè)定;速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定。

1.3.5 土壤綜合肥力

內(nèi)梅羅指數(shù)是一種兼顧極值或突出最大值的多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，是國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算的常用方法之一，常用于計(jì)算空氣、水質(zhì)及土壤重金屬等綜合污染指數(shù)［22］。內(nèi)梅羅指數(shù)是由單因子指數(shù)演化而來(lái)，傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)公式為

其中

式中 Ptotal——土壤綜合肥力指數(shù)

Pimax——第i 個(gè)肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的最大值

P——各項(xiàng)肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的平均值

ci——第i 個(gè)肥力指標(biāo)的實(shí)測(cè)值

yij——第i 個(gè)肥力指標(biāo)在j 種標(biāo)準(zhǔn)下的標(biāo)準(zhǔn)值，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)文獻(xiàn)［23］

傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算土壤綜合肥力指數(shù)時(shí)，在計(jì)算Pimax和P 時(shí)，采用第i 個(gè)肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的最大值和標(biāo)準(zhǔn)值的平均值，但由于不同土壤肥力指標(biāo)之間存在一定的影響以及土壤肥力各指標(biāo)對(duì)土壤的影響不同，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成一定的影響。為解決上述問(wèn)題，對(duì)內(nèi)梅羅指數(shù)進(jìn)行一定的改進(jìn)。

(1)采用熵權(quán)法和相關(guān)系數(shù)法［24-25］加權(quán)平均計(jì)算的平均值代替各肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的平均值，設(shè)熵權(quán)法和相關(guān)系數(shù)法確定各肥力指標(biāo)的權(quán)重為w和v，則二者平均權(quán)重及加權(quán)計(jì)算平均值為

w′i——熵權(quán)法和相關(guān)系數(shù)法加權(quán)平均權(quán)重

pi——單項(xiàng)值平均值

(2)采用權(quán)重w′最大的肥力指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值和傳統(tǒng)法確定的各肥力指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值最大值的平均值計(jì)算式為

式中 pw——采用權(quán)重w′最大的肥力指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值

則土壤綜合肥力指數(shù)為

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Microsoft Excel 2010 和Origin 8.5 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪圖，并對(duì)產(chǎn)量和土壤綜合肥力指數(shù)進(jìn)行回歸分析。采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行方差分析，LSD 法進(jìn)行多重比較(P ＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加生物炭對(duì)土壤儲(chǔ)水量的影響

表1 為連續(xù)4 年施加生物炭后0 ～100 cm 土層土壤儲(chǔ)水能力。由表1 可知，連續(xù)4 年各生育階段0 ～60 cm 土壤儲(chǔ)水量均隨施炭量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，2015 年各生育階段各處理均在C75處理最大，施加生物炭各處理與C0 相比均達(dá)到顯著性差異(P ＜0.05)，2016、2017 年各生育階段均在C50 處理土壤儲(chǔ)水量提高最多，差異均顯著(P ＜0.05)，2018 年C25 處理為各生育階段土壤儲(chǔ)水量提高量最大的處理，而C100 處理各生育階段土壤儲(chǔ)水量均低于C0 處理，降低率為3%、8.5%、5.2%、6.7%，未達(dá)到顯著水平(P ＞0.05)。連續(xù)4 年各生育階段60 ～100 cm 土壤儲(chǔ)水量沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。綜合4 年試驗(yàn)分析，施用生物炭主要影響了0 ～60 cm 土層的土壤儲(chǔ)水量，且在第2 年施加50 t/hm2的生物炭對(duì)0 ～60 cm 土層土壤儲(chǔ)水量提高效果最優(yōu)，苗期、分枝期、開(kāi)花結(jié)莢期、鼓粒期較C0處理分別提高71%、61.9%、60.2%和66.8%，而過(guò)高的施炭量蓄水保水效果減弱。

表1 2015—2018 年0 ～100 cm 土層土壤儲(chǔ)水量Tab.1 Soil water storage in 0 ～100 cm of soil layer from 2015 to 2018 mm

2.2 施加生物炭對(duì)土壤水分常數(shù)的影響

表2(表中土壤水分常數(shù)均為質(zhì)量含水率)為連續(xù)施加4 年生物炭后，土壤持水性指標(biāo)的變化規(guī)律。連續(xù)4 年飽和含水率均隨施炭量的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，與同年C0 處理相比差異均顯著(P ＜0.05)，最高提高了43.63%。4 年田間持水率與凋萎系數(shù)呈相同的變化趨勢(shì)，其中2015 年田間持水率隨施炭量的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，施加生物炭各處理與C0 相比均達(dá)到顯著性差異(P ＜0.05)，2016—2018 年呈先增大后減小的趨勢(shì)，相對(duì)較優(yōu)處理分別為C50、C50 和C25，較同年C0 處理分別提高了11.34%、8.67%和7.91%，差異均達(dá)顯著性水平(P ＜0.05)。另一方面，2018 年C100 處理田間持水率和凋萎系數(shù)均低于對(duì)照處理，降低了3.7%和4.1%，與C0 相比差異不顯著(P ＞0.05)。由此可見(jiàn)，不同的施炭量和施用年限對(duì)土壤持水性能的影響不同，過(guò)高的施炭量會(huì)使土壤持水性能減弱，甚至當(dāng)累積施炭量過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

表2 2015—2018 年土壤水分常數(shù)指標(biāo)Tab.2 Soil water constant index from 2015 to 2018 %

2.3 施加生物炭對(duì)大豆生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的影響

2.3.1 施加生物炭對(duì)大豆株高和葉面積的影響

圖1(圖中不同小寫(xiě)字母表示同一處理不同生育期差異顯著(P ＜0.05))為2015—2018 年大豆各生育階段株高和葉面積指數(shù)(LAI)。由圖1 可知，施加生物炭對(duì)大豆株高和葉面積指數(shù)有一定的影響。2015 年苗期在C75 處理株高最高，較C0 處理高8%，其他處理株高由高到低依次為C50、C25、C100，較C0 處理分別提高了4.8%、3.2%和1.6%，均未達(dá)到顯著差異水平(P ＞0.05)。分枝期、開(kāi)花結(jié)莢期、鼓粒期也均在C75 處理株高達(dá)到最高，與C0 相比分別提高了46.1%、36.2%和26.4%，差異顯著(P ＜0.05)，其他施加生物炭各處理與C0 處理相比均達(dá)顯著性差異(開(kāi)花結(jié)莢期除外)，但開(kāi)花結(jié)莢期和鼓粒期C100 處理較C0 處理降低了10%(P ＞0.05)和12.2%(P ＜0.05)。2016—2017 年與2015 年的變化規(guī)律大體相同，但在C50 處理大豆各生育階段的株高最高。2018 年在C25 處理達(dá)到最高，各生育階段的C25 處理較C0 處理提高了5.7%、38.5%、20.1%和16.8%，同時(shí)在分枝期開(kāi)始，C100 處理低于C0 處理。由圖1 可知，大豆葉面積指數(shù)與株高隨施炭量的變化規(guī)律相同，連續(xù)4 年葉面積指數(shù)隨施炭量的增加呈倒“L”形，2015 年C75 處理曲線處于最高，2016、2017 年C50 處理曲線處于最高，而2018 年C25 處理曲線處于最高。綜上分析可知，適量的生物炭會(huì)提高大豆株高和葉面積指數(shù)，而施炭量過(guò)高或累積施炭量過(guò)高均會(huì)使株高降低，葉面積指數(shù)變小。

圖1 2015—2018 年大豆株高和葉面積指數(shù)Fig.1 Plant height and LAI of soybean from 2015 to 2018

2.3.2 施加生物炭對(duì)冠層覆蓋度的影響

圖2 為不同施炭量和施用年限下大豆的冠層覆蓋度。由圖2 可知，連續(xù)4 年施加生物炭對(duì)大豆冠層覆蓋度有一定的影響。2015 年各生育階段大豆的冠層覆蓋度均隨施炭量的增加呈先增加后減小拋物線變化(R2均在0.93 以上，P 均小于0.01)，其中各生育階段均以C75 處理最大，苗期、分枝期、開(kāi)花結(jié)莢期和鼓粒期分別較C0 處理增長(zhǎng)了33.3%、36.3%、21.8%和21.5%。2016、2017 年大豆冠層覆蓋度隨施炭量的變化也呈先增后減的拋物線(R2均在0.91 以上，P ＜0.01)變化，各生育階段均在C50 處理冠層覆蓋度最大;各生育階段中大豆冠層覆蓋度均在開(kāi)花結(jié)莢期變化幅度最大。2018 年大豆冠層覆蓋度變化規(guī)律與前3 年相同(R2均在0.89以上，P ＜0.01)，各生育階段均在C25 處理冠層覆蓋度最大，與C0 相比分別提高了43.8%、30.6%、30.9%和38.1%，但各生育階段的C100 處理均低于C0 處理，降低率為3.2%、2.7%、5.3%和9.5%。對(duì)比4 年試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，連續(xù)施加2 年50 t/hm2的生物炭對(duì)各個(gè)生育階段大豆冠層覆蓋度的影響最大，與C0 相比提高了81.4%、36.7%、31.5%、39.6%，由此可知，施加適量的生物炭可有效地提高大豆冠層覆蓋度，而過(guò)高的施炭量或累積施炭量過(guò)高均會(huì)使冠層覆蓋度減小。

圖2 2015—2018 年大豆冠層覆蓋度Fig.2 Canopy coverage of soybean from 2015 to 2018

2.4 施加生物炭對(duì)土壤肥力的影響

2.4.1 施加生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

表3 為連續(xù)4 年施加生物炭的土壤養(yǎng)分指標(biāo)及方差分析。由表可知，連續(xù)4 年土壤pH 值和有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量隨施炭量的增加呈逐漸升高的趨勢(shì)，且隨著年限的增加增長(zhǎng)的速率加快。土壤堿解氮、有效磷含量隨施炭量的增加均呈先升高后降低趨勢(shì)，2015、2016 年在C50 處理土壤堿解氮和有效磷提高最多，2017、2018 年在C25 處理提高效果最好，但2017、2018 年的C100 處理土壤堿解氮、有效磷含量均低于對(duì)照處理4.5%、7.3%和10.8%、9.5%，差異不顯著(P ＞0.05)。綜上分析，施加生物炭會(huì)提高土壤pH 值，土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量，施加適量的生物炭會(huì)提高堿解氮和有效磷含量，而施炭量過(guò)高或累積施炭量過(guò)高均會(huì)導(dǎo)致堿解氮和有效磷含量降低。由表亦可知，施炭量和施用年限對(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量均有極顯著的影響(P ＜0.01)，施炭量對(duì)有效磷含量也有極顯著的影響(P ＜0.01)，但施用年限對(duì)有效磷含量影響不顯著(P ＞0.05)。另外，施炭量和施用年限的交互作用對(duì)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)均有極顯著的影響(P ＜0.01)。

2.4.2 土壤綜合肥力分析

選取連續(xù)4 年5 個(gè)施炭量水平下土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比(X1，g/kg)、堿解氮質(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)、pH值(X5)為肥力指標(biāo)，采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)土壤綜合肥力指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其中熵權(quán)法、相關(guān)系數(shù)法以及二者加權(quán)平均計(jì)算肥力指標(biāo)的權(quán)重如表4 所示，計(jì)算的綜合指數(shù)如圖3 所示。由圖3 可知，連續(xù)4 年土壤綜合肥力指數(shù)均呈先升高后降低的趨勢(shì)，2015、2016 年在C50 處理最大，2017、2018 年在C25處理最大，而2018 年C75、C100 處理的土壤綜合肥力指數(shù)最小，低于同年的對(duì)照處理，對(duì)比4 年結(jié)果可知，連續(xù)施加2 年50 t/hm2的生物炭土壤綜合肥力水平最好，此時(shí)土壤中養(yǎng)分均處于適中狀態(tài)，最有利于大豆生長(zhǎng)。

表3 2015—2018 年土壤肥力指標(biāo)及方差分析Tab.3 Soil fertility index and rariance analysis from 2015 to 2018

表4 肥力指標(biāo)權(quán)重Tab.4 Weight coefficient of evaluation index

2.4.3 土壤肥力指數(shù)計(jì)算驗(yàn)證

圖3 土壤綜合肥力指數(shù)變化曲線Fig.3 Changing curves of soil fertility index

表5 為土壤養(yǎng)分各指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)。由表可知，土壤pH 值和有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量與大豆產(chǎn)量有顯著的相關(guān)性，土壤堿解氮、有效磷含量與大豆產(chǎn)量有極顯著的相關(guān)性。因而，不同施炭量對(duì)土壤肥力的影響可能是大豆產(chǎn)量變化的原因。已有大量研究表明，土壤肥力是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素［26］。為驗(yàn)證計(jì)算的土壤綜合肥力指數(shù)，將產(chǎn)量與土壤綜合肥力指數(shù)進(jìn)行回歸分析(圖4)，經(jīng)過(guò)回歸分析可知，產(chǎn)量與肥力綜合指數(shù)呈良好的線性關(guān)系。由此可知，連續(xù)施加2 年50 t/hm2的生物炭土壤中土壤養(yǎng)分處于平衡狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)量最大。

表5 2015—2018 年土壤肥力各指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between soil fertility index and yield from 2015 to 2018

圖4 產(chǎn)量與土壤綜合肥力指數(shù)回歸分析Fig.4 Regression analysis of yield and soil fertility index

3 討論

生物炭由于自身疏松多孔，有較強(qiáng)的吸附能力和保水性，施入土壤后可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤水分［27］。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，連續(xù)4 年施加生物炭后，可以增加0 ～60 cm 土層的土壤儲(chǔ)水量，但施炭量過(guò)高或累積施炭量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)水量下降，在結(jié)莢開(kāi)花期土壤儲(chǔ)水量變化最明顯，這與魏永霞等［14］的研究結(jié)果一致，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是生物炭可以吸附降雨，提高土壤儲(chǔ)水量，但這種蓄水保水能力是有限度的，當(dāng)施炭量過(guò)高時(shí)，會(huì)超過(guò)生物炭的最大蓄水能力，導(dǎo)致儲(chǔ)水量降低［28］。另外，在結(jié)莢開(kāi)花期雨水較少，所以在降雨時(shí)生物炭可以快速吸附雨水，增加儲(chǔ)水量，當(dāng)天氣較為干旱時(shí)，生物炭將吸附的雨水傳遞給土壤，儲(chǔ)水量減小的速率較緩，而60 ～100 cm 土層與表層距離較遠(yuǎn)，受生物炭的影響不大。但王湛等［28］認(rèn)為，施加生物炭可以增加0 ～40 cm 土層土壤儲(chǔ)水量，而50 ～70 cm 土層土壤儲(chǔ)水量出現(xiàn)降低趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樯锾康氖┘恿坎煌屯寥婪N類(lèi)不同。在土壤持水性能方面，潘全良等［29］通過(guò)6 年試驗(yàn)研究得出，施加生物炭可以提高田間持水率，但最優(yōu)施炭量和施用年限卻沒(méi)有明確給出;顏永毫等［30］認(rèn)為田間持水率與施炭量呈正相關(guān);在本試驗(yàn)中飽和含水率和凋萎系數(shù)隨施炭量的增加呈逐漸升高的趨勢(shì)，田間持水率在施加第1 年呈逐漸升高趨勢(shì)，在施加2 ～4 年呈先升高后降低的趨勢(shì)，以連續(xù)施加2 年的50 t/hm2田間持水率最大，這是因?yàn)樯锾孔陨斫Y(jié)構(gòu)特性，具有一定的持水能力，增加土壤中有效水量，延長(zhǎng)作物的凋萎時(shí)間，但施炭量過(guò)高會(huì)使土壤的持水能力減弱［9，14］，導(dǎo)致田間持水率下降。

施加生物炭可以提高大豆株高和葉面積指數(shù)［31-32］，但在施炭量和使用年限上說(shuō)法尚不一致;在本研究中，在大豆生長(zhǎng)的各生育階段中，連續(xù)4 年施加生物炭大豆株高、葉面積指數(shù)和冠層覆蓋度均呈先升高后降低的趨勢(shì)，均以連續(xù)施加2 年50 t/hm2提高量最大。這與闞正榮等［33］的研究結(jié)果一致。這是因?yàn)樯锾烤哂斜Ｋ?，在大豆生長(zhǎng)發(fā)育初期，大豆水分充足，生長(zhǎng)發(fā)育良好，枝葉茂盛，當(dāng)施炭量過(guò)高時(shí)，土壤儲(chǔ)水量減小，大豆水分供應(yīng)不足，會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，碳氮比失調(diào)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低［34］。

生物炭由于自身含碳量高及呈堿性的特性，施加生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分具有一定的影響。李司童等［35］通過(guò)1 年試驗(yàn)表明施加生物炭可增加土壤速效養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量;李明等［36］通過(guò)1 年試驗(yàn)研究可知，在C25 處理堿解氮、速效鉀含量最大，土壤速效磷含量呈逐漸升高的趨勢(shì);而在本文中，土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量隨施炭量的增加呈逐漸升高的趨勢(shì)，堿解氮和有效磷含量呈先升高后降低的趨勢(shì)，但2017、2018 年C100 處理低于對(duì)照處理。這是因?yàn)樯锾孔陨淼V物質(zhì)多的特性，施加到土壤中可增加土壤養(yǎng)分，但施炭量過(guò)高導(dǎo)致氮和磷的固定［9］，導(dǎo)致含量降低，由此可見(jiàn)施炭量和施用年限均對(duì)土壤養(yǎng)分有影響，為此本研究將施炭量、施用年限以及二者交互作用對(duì)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，除了施用年限對(duì)有效磷含量沒(méi)有顯著影響外，其余均有極顯著影響。上述結(jié)果亦可證明施加生物炭可提高土壤養(yǎng)分，但施炭量過(guò)高導(dǎo)致pH值過(guò)高，土壤中有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量過(guò)高，氮、磷含量過(guò)低，反而不利于大豆的生長(zhǎng)，為此尋求土壤養(yǎng)分處于綜合性最好的狀態(tài)是必要且可行的。由于施加生物炭對(duì)土壤肥力有一定的影響，亦對(duì)產(chǎn)量有一定的提高，為尋求土壤綜合肥力水平最優(yōu)的生物炭施用模式，本試驗(yàn)采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)土壤綜合肥力指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果具有完全客觀性的同時(shí)，解決了土壤肥力各指標(biāo)對(duì)土壤環(huán)境影響的困擾，并用產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證。結(jié)果表明，連續(xù)4 年施加生物炭，在2016 年C50 處理對(duì)土壤肥力綜合性能提高最好，其次是2017 年C25 處理;產(chǎn)量與土壤綜合肥力指數(shù)呈正相關(guān)，決定系數(shù)為0.861 5，均方根誤差為0.75，計(jì)算結(jié)果較為合理。即土壤綜合肥力水平最優(yōu)的生物炭施用模式為連續(xù)2 年施加50 t/hm2的生物炭。另外，生物炭對(duì)其他指標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系及生物炭對(duì)各指標(biāo)產(chǎn)生的后效還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)施加生物炭可提高0 ～60 cm 土層土壤儲(chǔ)水量，連續(xù)4 年，大豆各生育期的土壤儲(chǔ)水量隨施炭量的增加呈先升高、后降低的的趨勢(shì)，相對(duì)較優(yōu)處理分別為C75、C50、C50、C25，以2016 年C50 處理提高最大，為71%(苗期)、61.9%(分枝期)、60.2%(開(kāi)花結(jié)莢期)和66.8%(鼓粒期);施加生物炭對(duì)60 ～100 cm 土層土壤儲(chǔ)水量影響不顯著;連續(xù)4 年，田間持水率隨施炭量的增加呈先升高、后降低的趨勢(shì)，相對(duì)較優(yōu)處理分別為C100、C50、C50、C25，在2016年C50 處理提高最多，為11.34%;連續(xù)4 年，凋萎系數(shù)與田間持水率的變化規(guī)律相同，4 年的相對(duì)較優(yōu)處理也相同，分別為C100、C50、C50、C25;連續(xù)4 年，飽和含水率均隨施炭量的增加呈逐漸增大的趨勢(shì)，最高提高了43.63%。

(2)連續(xù)4 年，施加生物炭可以提高大豆各生育階段的株高和葉面積指數(shù)，各生育階段大豆株高隨施炭量的變化呈先升高、后降低趨勢(shì)，葉面積指數(shù)隨施炭量的增加呈倒“L”形，相對(duì)較優(yōu)處理分別為C75、C50、C50、C25;各生育階段的大豆冠層覆蓋度與施炭量呈拋物線變化，R2均在0.89 以上，P ＜0.01，相對(duì)較優(yōu)處理也為C75、C50、C50、C25。

(3)連續(xù)4 年，土壤pH 值和有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量隨施炭量的增加呈逐漸升高的趨勢(shì)，堿解氮和有效磷含量呈先升高、后降低的趨勢(shì)，相對(duì)較優(yōu)處理為C50、C50、C25、C25。方差分析表明，除施用年限對(duì)有效磷含量無(wú)顯著影響外，其余均有極顯著影響。采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)土壤綜合肥力指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)用產(chǎn)量進(jìn)行驗(yàn)證，R2為0.861 5，P 為0.001 2，RMSE 為0.75，土壤綜合肥力水平最優(yōu)的生物炭施用模式為連續(xù)2 年施加50 t/hm2的生物炭。