劉 慧 溫小艷 李禹韜 張?chǎng)析?范亞?wèn)|

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(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)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 4.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

黑土是肥力最高、最適宜耕作和最具生產(chǎn)潛力的土壤，是我國(guó)寶貴的自然資源和不可再生的環(huán)境資源，為我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了得天獨(dú)厚的自然優(yōu)勢(shì)和重要保障[1]。東北黑土區(qū)作為全球四大黑土區(qū)之一，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)功能區(qū)，糧食產(chǎn)量占全國(guó)1/4，調(diào)出量占全國(guó)1/3，因此，保護(hù)利用好黑土地對(duì)保障國(guó)家糧食安全和促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展意義重大[2]。但多年來(lái)，盲目追求糧食產(chǎn)量、不合理施用化肥、掠奪式農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)方式和大機(jī)械的使用，導(dǎo)致我國(guó)黑土區(qū)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境不斷惡化，黑土耕層變淺，土壤結(jié)構(gòu)破壞，土地有機(jī)質(zhì)和保水能力下降，水土流失面積擴(kuò)大，侵蝕強(qiáng)度增加，黑土質(zhì)量退化日益嚴(yán)重，致使土地生產(chǎn)能力降低，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益低下，嚴(yán)重威脅了黑土區(qū)的糧食生產(chǎn)能力。

我國(guó)東北地區(qū)秸稈資源豐富，但大多以“焚燒、丟棄”等粗放方式處理，不僅造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，而且也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。生物炭是作物秸稈、動(dòng)物糞便等原材料在缺氧的條件下，高溫(<700℃)裂解而成的一種高度芳香化、富含碳素的固態(tài)產(chǎn)物[3]。黑土區(qū)數(shù)量龐大的秸稈是生物炭的理想來(lái)源，以生物炭為核心的秸稈炭化還田技術(shù)不但為秸稈等農(nóng)林業(yè)廢棄物提供了一條變廢為寶的出路，更為提高耕地生產(chǎn)能力提供了有效手段[4]，契合高效率利用秸稈資源、減少面源污染的需要。因而生物炭受到了許多學(xué)者的關(guān)注，房彬等[5]通過(guò)1年試驗(yàn)得到施加生物炭可以降低土壤容重，提高土壤pH值；勾芒芒等[6]通過(guò)1年盆栽試驗(yàn)得到施加生物炭促進(jìn)了番茄根系發(fā)育和產(chǎn)量提高；杜兵杰等[7]通過(guò)主成分分析法探究了不同施炭水平對(duì)番茄品質(zhì)的影響，龐紅偉[8]通過(guò)投影尋蹤模型，評(píng)價(jià)了生物炭對(duì)節(jié)水灌溉水稻生長(zhǎng)的影響。目前對(duì)于生物炭的研究多是短期試驗(yàn)，中長(zhǎng)期試驗(yàn)較少，而且對(duì)于施加生物炭的效果研究主要集中在土壤理化性質(zhì)[5,9-11]、土壤水分運(yùn)動(dòng)[6,12-14]、作物生長(zhǎng)[7,15-16]等生態(tài)效益方面，對(duì)施加生物炭經(jīng)濟(jì)效益的研究較少，而對(duì)于生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的耦合協(xié)調(diào)度更是鮮有研究。因此，本文在4年田間試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，測(cè)算不同生物炭施用模式生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益以及二者之間的耦合協(xié)調(diào)度，以期得到黑土區(qū)最優(yōu)施炭模式，為黑土區(qū)作物持續(xù)增產(chǎn)和土壤培肥提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015—2018年在黑龍江省北安紅星農(nóng)場(chǎng)(48°2′～48°17′N， 126°47′～127°15′E)進(jìn)行。該區(qū)屬寒溫帶大陸性氣候，全年平均降水量555.3 mm，其中90%左右集中在7—9月，大于等于10℃有效積溫為2 254.5℃，年日照時(shí)數(shù)為2 364.2 h，無(wú)霜期105 d左右。該區(qū)地處小興安嶺南麓，地勢(shì)東高西低，坡面較長(zhǎng)，坡度為3°～5°，屬丘陵漫崗地帶。該區(qū)土壤以黑土為主，農(nóng)作物以水稻、大豆以及玉米為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2015—2018年在北安紅星農(nóng)場(chǎng)的徑流小區(qū)內(nèi)開(kāi)展為期4年的試驗(yàn)研究。各徑流小區(qū)坡度為3°，面積為100 m2(20 m×5 m)，每2個(gè)小區(qū)間隔1 m且各小區(qū)邊界用深入地下1 m的鐵板隔開(kāi)，防止側(cè)滲。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)生物炭水平：0 t/hm2(C0)、25 t/hm2(C25)、50 t/hm2(C50)、75 t/hm2(C75)、100 t/hm2(C100)，2次重復(fù)，共計(jì)10個(gè)徑流小區(qū)。2015—2018年每年試驗(yàn)開(kāi)始前將生物炭與表層土壤(0～20 cm土層)充分混合均勻。除生物炭施加量不同外,其他水肥管理措施均按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法，即在天然降雨條件下種植，不進(jìn)行灌水，化肥采用N、P2O5、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13%、28%和10%的復(fù)合肥，用量為450 kg/hm2，均以基肥形式一次性施入，且4年試驗(yàn)保持一致。試驗(yàn)地土壤為草甸黑土，其基礎(chǔ)肥力為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)。試驗(yàn)用玉米秸稈生物炭購(gòu)于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，其制備方式為將玉米秸稈在450℃無(wú)氧條件下高溫裂解燒制而成，基粒徑1.5～2.0 mm，pH值為9.14，全碳質(zhì)量比為70.21 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土壤理化性質(zhì)

土壤容重、孔隙度采用DK-1130型土壤三相儀測(cè)定。土壤飽和含水率、田間持水率采用環(huán)刀法測(cè)定[17]，土壤凋萎系數(shù)采用生物法和干燥法測(cè)定[17]。土壤有機(jī)碳含量采用TOC分析儀測(cè)定；銨態(tài)N、有效P、速效K含量分別采用納氏比色法、Bray法、醋酸銨-火焰光度計(jì)法測(cè)定[18]；土壤pH值采用電位法測(cè)定。

1.3.2年徑流深和土壤侵蝕量

各次降雨的產(chǎn)流量通過(guò)安裝在每個(gè)徑流小區(qū)末端的徑流自動(dòng)記錄系統(tǒng)記錄，進(jìn)而得到年徑流深和徑流系數(shù)；產(chǎn)沙量通過(guò)安裝在每個(gè)徑流小區(qū)末端的泥沙收集系統(tǒng)(BLJW-ZXY)測(cè)定，在每次降雨產(chǎn)流后，每5 min取1次泥沙收集系統(tǒng)中水樣，將水樣靜置24 h，漂去上層清水，用濾紙濾出泥沙，干燥8 h稱量，經(jīng)計(jì)算得到產(chǎn)沙量，由各次產(chǎn)沙量加和得到年土壤侵蝕量。

1.3.3產(chǎn)量和水分利用效率

于每年大豆收獲期，對(duì)各個(gè)徑流小區(qū)進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定。采用水量平衡方程計(jì)算大豆全生育期耗水量，由于試驗(yàn)區(qū)地下水埋深40 m且試驗(yàn)期內(nèi)未灌水，故不考慮地下水交換量和作物生育期內(nèi)灌水量，故生育期耗水量和水分利用效率計(jì)算公式為

ET=P+ΔS-ΔR

(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

ΔS——收獲期與播種期0～100 cm土壤儲(chǔ)水量差值，mm

ΔR——地表徑流量，mm

Y——大豆產(chǎn)量，kg/hm2

WUE——水分利用效率，kg/m3

1.3.4生物炭成本、收益以及利用效率

經(jīng)濟(jì)效益考慮試驗(yàn)總成本、收益以及生物炭利用效率，計(jì)算公式分別為

C0=QbiocharPbiochar+C1

(3)

Rt=Rt-1+QtPt

(4)

BUE=ΔQsoybean/Qbiochar

(5)

式中C0——總成本，元/hm2

C1——除生物炭成本以外的其他成本，元/hm2

Qbiochar——生物炭累積施加量，t/hm2

Pbiochar——生物炭?jī)r(jià)格，元/t

Rt、Rt-1——第t、t-1年累積收益，元/hm2

Qt——第t年大豆產(chǎn)量，kg/hm2

Pt——第t年大豆價(jià)格，元/kg

ΔQsoybean——大豆累積增產(chǎn)量，kg/hm2

BUE——生物炭利用效率，kg/t

1.4 基于熵值法的耦合協(xié)調(diào)度模型

1.4.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于指標(biāo)的差異性，各類數(shù)據(jù)量綱不同，故依據(jù)各指標(biāo)對(duì)生物炭施用效益的影響分為正向、負(fù)向兩類進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理

(6)

式中xij——第j種方案的第i個(gè)指標(biāo)值

minxij、maxxij——所有方案中第i個(gè)指標(biāo)的最小值和最大值

1.4.2生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益

以生態(tài)效益為例介紹效益的計(jì)算方法。設(shè)共有m個(gè)生態(tài)效益指標(biāo)，采用熵值法確定各指標(biāo)的權(quán)重。第i個(gè)指標(biāo)的信息熵hi表達(dá)式為

(7)

第i個(gè)指標(biāo)的信息熵冗余度di表達(dá)式為

di=1-hi

(8)

利用熵值法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)，權(quán)重ωi表達(dá)式為

(9)

生態(tài)效益vj計(jì)算式為

(10)

1.4.3耦合協(xié)調(diào)度模型

生物炭施用后的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益是兩個(gè)動(dòng)態(tài)、交錯(cuò)、非均衡的過(guò)程，因此生物炭施用效益的重點(diǎn)不僅在于測(cè)算出各效益綜合值，還在于對(duì)效益間耦合協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行分析。耦合協(xié)調(diào)度是衡量系統(tǒng)內(nèi)部各要素在發(fā)展過(guò)程中彼此協(xié)調(diào)與否的量值，反映系統(tǒng)由無(wú)序向有序變化的趨勢(shì)[19]。本文將生物炭施用效益系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度視為生態(tài)、經(jīng)濟(jì)兩子系統(tǒng)相互之間作用程度的體現(xiàn)，分析兩者耦合與協(xié)調(diào)發(fā)展程度，設(shè)第j個(gè)方案的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益分別為vj和uj，則

(11)

Tj=αvj+βuj

(12)

(13)

式中Cj——耦合度，取值范圍為[0，1]，Cj越大，說(shuō)明兩系統(tǒng)相互作用越強(qiáng)

k——調(diào)節(jié)系數(shù)，因涉及生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)子系統(tǒng)，故k取2

Tj——經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)

α、β——待定系數(shù)，本文認(rèn)為施加生物炭后的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益同等重要，因此取α=β=0.5

Dj——生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)度，取值范圍為[0，1]，Dj越大，說(shuō)明兩系統(tǒng)協(xié)調(diào)程度越好

耦合度和協(xié)調(diào)度等級(jí)劃分如表1所示[20]。通過(guò)計(jì)算各方案的耦合度和協(xié)調(diào)度分析施加生物炭的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的耦合協(xié)調(diào)度。

表1 耦合度和協(xié)調(diào)度分級(jí)Tab.1 Coupling degree and coordination degree classification

1.5 數(shù)據(jù)處理

各指標(biāo)均采用平均值，采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，利用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Tukey法進(jìn)行多重比較，顯著性水平取0.05。采用熵值法計(jì)算生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益各指標(biāo)的權(quán)重，采用耦合協(xié)調(diào)度模型分析各處理生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的耦合度和協(xié)調(diào)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加生物炭的生態(tài)效益

2.1.1施加生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)的影響

圖1為2015—2018年各處理土壤容重和孔隙度的變化規(guī)律。由圖1a可知，連續(xù)4年施加生物炭可以降低土壤容重，且隨著施炭量的增加容重逐漸減小。施炭當(dāng)年，各處理容重分別為對(duì)照組的94.37%～99.13%；連續(xù)施炭2年，各處理容重分別為對(duì)照組的91.30%～97.83%；連續(xù)施炭3、4年，各處理容重分別為對(duì)照組的88.26%～96.09%、88.60～95.61%。同一施炭水平下，土壤容重隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)呈逐漸遞減的趨勢(shì)。由圖1b可知，各施炭處理土壤孔隙度均大于對(duì)照組，施炭當(dāng)年各處理孔隙度分別為對(duì)照組的1.03～1.11倍；連續(xù)施炭2年，各處理孔隙度分別為對(duì)照組的1.08～1.21倍；連續(xù)施炭3年，各處理孔隙度分別為對(duì)照組的1.12～1.23倍，連續(xù)施炭4年，各處理孔隙度分別為對(duì)照組的1.11～1.25倍。同一施炭水平下，土壤孔隙度隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)呈逐漸遞增的趨勢(shì)。以上變化均取決于生物炭多孔性、容重小且遠(yuǎn)低于土壤容重的結(jié)構(gòu)特征，將其施入土壤后可以有效地改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤的透氣性和透水性。

2.1.2施加生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

圖2為2015—2018年各處理土壤養(yǎng)分含量的變化規(guī)律。由圖2可知，隨著施炭量的增加，銨態(tài)氮含量2015、2016年均在C50取得最大值，分別為對(duì)照組的1.43、1.51倍；2017、2018年均在C25處取得最大值，分別為對(duì)照組的1.28、1.18倍，而2年C100處理卻僅為對(duì)照組的98%、90%。有效磷含量2015年在C75取得最大值，為對(duì)照組的2.08倍；2016年在C50取得最大值，為對(duì)照組的2.02倍；2017、2018年均在C25取得最大值，分別為對(duì)照組的2.00、2.04倍，而2年C100處理僅為對(duì)照組的86%、87%。速效鉀含量、總有機(jī)碳含量、pH值4年隨著施炭量的增加逐漸增大。施加生物炭雖然在一定程度上提高了土壤有效養(yǎng)分的含量，但提高銨態(tài)氮、有效磷含量的效應(yīng)尚不穩(wěn)定，甚至在高水平施炭處理下產(chǎn)生了輕微抑制現(xiàn)象。

2.1.3施加生物炭對(duì)土壤持水能力的影響

圖3為2015—2018年各處理土壤水分常數(shù)的變化規(guī)律。由圖3可知，隨著施炭量的增加，各處理飽和含水率逐漸增大。田間持水率和凋萎系數(shù)變化規(guī)律相同，2015年隨著施炭量的增加，2項(xiàng)指標(biāo)逐漸增大；2016年和2017年2指標(biāo)各處理間由大到小均表現(xiàn)為：C50、C75、C25、C100、C0；2018年兩項(xiàng)指標(biāo)均在C25取得最大值，分別是對(duì)照組的1.08、1.09倍，而兩項(xiàng)指標(biāo)在C100處均低于對(duì)照組，這可能是由于適量的生物炭施入土壤后土壤容重隨之降低，孔隙度隨之升高，從而土壤的含水率和透氣性提高，而當(dāng)累積施炭量過(guò)高時(shí)會(huì)使土壤結(jié)構(gòu)松散、土壤結(jié)構(gòu)變差，從而使土壤持水能力下降。

2.1.4施加生物炭對(duì)土壤水土流失的影響

由于徑流深和土壤侵蝕量受到降雨量的影響，而各年的降雨量存在很大的差異，因此本文采用徑流系數(shù)和單位降雨量的土壤侵蝕量來(lái)消除年際間降雨量差異帶來(lái)的影響。表2為2015—2018年各處理徑流系數(shù)以及單位降雨量的土壤侵蝕量的變化規(guī)律。由表2可知，施加生物炭在一定程度上可以降低徑流系數(shù)和單位降雨量的土壤侵蝕量，但并非施炭量或累積施炭量越高減流效果和抗土壤侵蝕效果越佳。徑流系數(shù)2015年C100高于C75，2016年和2017年C100僅次于對(duì)照組，而2018年C100則高于對(duì)照組；單位降雨量的土壤侵蝕量2018年C75、C100高于對(duì)照組，這可能是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)累積施炭量過(guò)多，改變了土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤過(guò)于松散，抗沖刷能力減弱，使減流效果變?nèi)?，侵蝕程度增加。

表2 2015—2018年不同處理徑流系數(shù)和單位降雨量的土壤侵蝕量Tab.2 Runoff coefficient and soil erosion per unit rainfall of different treatments in 2015—2018

2.2 施加生物炭的經(jīng)濟(jì)效益

2.2.1施加生物炭的節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)

圖4(圖中不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05))為2015—2018年各處理作物產(chǎn)量以及水分利用效率變化規(guī)律。由圖4可知，施加生物炭2年內(nèi)能夠顯著提高大豆產(chǎn)量，但連續(xù)3年施加100 t/hm2時(shí)大豆產(chǎn)量并不會(huì)顯著提高，連續(xù)4年施加時(shí)僅C25產(chǎn)量顯著高于對(duì)照組，C100產(chǎn)量甚至顯著低于對(duì)照組。施加生物炭3年內(nèi)能夠顯著提高水分利用效率，但連續(xù)4年施加100 t/hm2時(shí)水分利用效率顯著低于對(duì)照處理。這可能是因?yàn)檫m量的生物炭可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，有利于提高大豆的保水性能和有機(jī)質(zhì)含量，使其處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)，而隨著施炭量或累積施炭量的增加，最佳生長(zhǎng)狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致作物增產(chǎn)效果和節(jié)水效果減弱。

2.2.2施加生物炭的投入產(chǎn)出

2015—2018年大豆生產(chǎn)總成本如表3所示。分別計(jì)算各處理的成本、收益以及生物炭利用效率，結(jié)果見(jiàn)表4。施炭1年和連續(xù)施炭2年收益均在C75處取得最大值，分別為16 923.46、32 274.46元/hm2；連續(xù)施炭3年和4年收益均在C50取得最大值，為48 661.3、63 336.8元/hm2，但從生物炭產(chǎn)生的成本和收益來(lái)看，目前施用生物炭不經(jīng)濟(jì)。連續(xù)施炭2年，施用量為25 t/hm2時(shí)生物炭利用效率最大，施用年限過(guò)長(zhǎng)或施用量過(guò)大都會(huì)導(dǎo)致其利用效率降低，其原因?yàn)楫?dāng)施炭量過(guò)高或累積施炭量過(guò)高時(shí)，累積施炭量增加速率遠(yuǎn)大于產(chǎn)量的增加速率。

表3 大豆生產(chǎn)總成本Tab.3 Total production cost of soybean 元/hm2

表4 2015—2018年不同處理生物炭成本、收益以及利用效率Tab.4 Biochar costs, earnings and utilization efficiency of different treatments in 2015—2018

2.3 生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益耦合協(xié)調(diào)度

2.3.1效益指標(biāo)及權(quán)重

分別選取能夠反映生物炭生態(tài)效益的12個(gè)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益的5個(gè)指標(biāo)，采用熵值法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 效益指標(biāo)及權(quán)重Tab.5 Benefit indexes and weights

2.3.2生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益及其耦合協(xié)調(diào)度分析

表6為各處理生態(tài)效益指數(shù)與經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)及其耦合協(xié)調(diào)度測(cè)算結(jié)果。生態(tài)效益測(cè)算結(jié)果顯示，施炭當(dāng)年隨著施炭量的增加生態(tài)效益指數(shù)逐漸遞增，連續(xù)施用2～4年生態(tài)效益指數(shù)呈先增后減的變化規(guī)律，且均當(dāng)施炭量為50 t/hm2時(shí)取得最大值。經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算結(jié)果顯示，4年隨著施炭量的增加經(jīng)濟(jì)效益均呈先增后減的變化規(guī)律，4年分別在施炭量為75、50、50、25 t/hm2時(shí)取得最大值，且連續(xù)3、4年施用100 t/hm2生物炭時(shí)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)低于不施炭處理。說(shuō)明適量的生物炭可以有效提高生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，但隨著施炭量的增加或累積施炭量的增加此種效果逐漸減弱甚至出現(xiàn)輕微的抑制作用，因此合理的施炭量以及施炭年限至關(guān)重要。

表6 2015—2018年各處理生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益耦合協(xié)調(diào)度Tab.6 Coupling coordination degree of ecological and economic benefits of different treatments in 2015—2018

耦合度測(cè)算結(jié)果顯示，除2015年C0處理耦合度為0.290 3，屬低水平耦合階段外，其余各處理均處于拮抗階段，表明兩系統(tǒng)處于一種過(guò)程阻抑另一種過(guò)程的狀態(tài)，但從耦合度數(shù)值上看施用生物炭能夠改善阻抑的程度，4年各施炭處理耦合度均高于C0，4年施炭量分別為100、50、25、25 t/hm2時(shí)耦合度最高。協(xié)調(diào)度測(cè)算結(jié)果顯示，第1年隨著施炭量的增加，兩種效益的協(xié)調(diào)度由重度失調(diào)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊銖?qiáng)協(xié)調(diào)；后3年隨著施炭量的增加，兩種效益的協(xié)調(diào)度均由輕度失調(diào)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊銖?qiáng)協(xié)調(diào)。施炭當(dāng)年隨著施炭量的增加，當(dāng)施炭量為75 t/hm2時(shí)協(xié)調(diào)度最高，連續(xù)施炭2、3年均當(dāng)施炭量為50 t/hm2時(shí)協(xié)調(diào)度最高，連續(xù)施炭4年當(dāng)施炭量為25 t/hm2時(shí)協(xié)調(diào)度最高。連續(xù)3年施加50 t/hm2生物炭可使生物炭的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)度最佳，且此時(shí)生態(tài)效益指數(shù)、經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)及其耦合度均較高。

3 討論

生物炭由許多緊密堆積且高度扭曲的芳香環(huán)片層組成，具有多孔性、比表面積大等特點(diǎn)，施入土壤可以改良土壤結(jié)構(gòu)[21-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著施炭量和施炭年限的延長(zhǎng)，土壤容重逐漸降低，孔隙度逐漸增加，這與LAIRD等[24]研究結(jié)果一致。同時(shí)，生物炭含有的羥基、羧基、苯環(huán)等官能團(tuán)賦予了其特有的強(qiáng)大吸附能力和較大的離子交換量，這為改良土壤、提高水肥利用效率提供了可能。本研究還發(fā)現(xiàn)，施加生物炭可以有效提高土壤肥力和土壤持水能力。隨著施炭量增加和施炭年限延長(zhǎng)，土壤總有機(jī)碳含量、pH值和飽和含水率逐漸增大。銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量、田間持水率和凋萎系數(shù)當(dāng)施炭量較低、施炭年限較短時(shí)，隨著施炭量增加和施炭年限延長(zhǎng)改善效果逐漸增強(qiáng)，但當(dāng)施炭量或累積施炭量較高時(shí)，改善效果逐漸減弱，甚至出現(xiàn)了輕微的抑制作用。這與魏永霞等[25]研究結(jié)果一致，但與聶新星等[26]認(rèn)為生物炭對(duì)pH值無(wú)顯著影響存在一定的差異，這可能是由于土壤或生物炭種類不同所造成的。由于生物炭能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的持水能力和滲水性能，因而可以促進(jìn)降雨入滲，減少?gòu)搅鳑_刷和養(yǎng)分流失。當(dāng)施炭量較低、施炭年限較短時(shí)，隨著施炭量的增加和施炭年限的延長(zhǎng)保水保土效果較好，但當(dāng)施炭量或累積施炭量較高時(shí)，保水保土效果逐漸減弱，甚至水土流失程度超過(guò)未施炭處理。這可能是隨著生物炭在土壤中的累積效應(yīng)，表層土壤更為稀松，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，雨水形成的徑流將更易攜帶表層土壤，從而造成土壤的流失。

由于生物炭本身有機(jī)質(zhì)含量較高，施入后可增加土壤肥力[27]；同時(shí)，生物炭具有比表面積大、多孔及吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)[28]，具有很好的持水、保水性能且對(duì)化肥起到了吸附和緩釋的作用，能夠有效地改善作物的水土環(huán)境，有利于作物生長(zhǎng)，從而提高作物產(chǎn)量。勾芒芒等[6]通過(guò)1年的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭可以顯著提高番茄產(chǎn)量。房彬等[5]的研究表明，施加1年生物炭后冬小麥產(chǎn)量顯著提高。本研究發(fā)現(xiàn)，適量的生物炭可以有效地提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，但當(dāng)施炭量較高，或累積施炭量較高時(shí)，作物產(chǎn)量和水分利用效率反而降低，甚至低于未施炭處理，說(shuō)明當(dāng)累積施炭量過(guò)高時(shí)對(duì)土壤的理化性質(zhì)、持水能力等的影響減弱進(jìn)而使作物產(chǎn)量降低。由于生物炭技術(shù)剛興起，成本較高，因此隨著施炭量的增加成本逐漸升高，這可能也是生物炭技術(shù)沒(méi)有在農(nóng)田廣泛應(yīng)用的原因。而收益和利用效率呈先增后減的變化規(guī)律，這可能是由于累積施炭量較低時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)逐漸變好、肥力逐漸增強(qiáng)，使作物處于較好的生長(zhǎng)環(huán)境，單位生物炭帶來(lái)的增產(chǎn)效果比較大，收益隨之增大；而累積施炭量過(guò)高時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)退化嚴(yán)重，不再適合作物生長(zhǎng)，單位生物炭帶來(lái)的增產(chǎn)效果較小，收益隨之減小。農(nóng)民追求低成本、高收益，因此生物炭技術(shù)廣泛應(yīng)用的首要任務(wù)就是降低成本。

健康發(fā)展的土地的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益不應(yīng)“此消彼長(zhǎng)，你強(qiáng)我弱”，而是密切聯(lián)系，相互交織的耦合協(xié)調(diào)。但退化的土壤與較高的生物炭成本兩者之間必然會(huì)有沖突，而引入耦合協(xié)調(diào)度模型旨在尋找兩者之間發(fā)展的最優(yōu)組合，使兩種效益實(shí)現(xiàn)共同提升，最終使生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益協(xié)調(diào)發(fā)展。本研究通過(guò)熵值法測(cè)算各施炭處理的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，得出當(dāng)連續(xù)施炭2年，施炭量為50 t/hm2時(shí)生態(tài)效益最優(yōu)；當(dāng)施炭2年，施炭量為75 t/hm2時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。進(jìn)一步通過(guò)耦合協(xié)調(diào)度模型測(cè)算了各施炭模式的耦合度和協(xié)調(diào)度，得出施加生物炭可以有效地緩解生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益之間的矛盾，但由于生物炭的成本較高，此種緩解效果隨著累積施炭量的增加又逐漸減弱，因此適當(dāng)?shù)氖┨苛恳约笆┨磕晗拗陵P(guān)重要。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著施炭量增加，各處理的耦合度和協(xié)調(diào)度呈先增后減的變化規(guī)律。4年當(dāng)施炭量分別為100、50、25、25 t/hm2時(shí)耦合度最佳，而當(dāng)施炭量分別為75、50、50、25 t/hm2時(shí)協(xié)調(diào)度最佳。連續(xù)3年施加50 t/hm2生物炭可使生物炭的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)度最佳，且生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益及其耦合度均較高。生物炭的效益是一個(gè)由經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益組成的完整系統(tǒng)，只有處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，堅(jiān)持兩者協(xié)調(diào)發(fā)展，才能提高綜合效益，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效益，促進(jìn)黑土資源可持續(xù)發(fā)展。

本文研究了連續(xù)4年在黑土區(qū)坡耕地施加生物炭的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益及其耦合協(xié)調(diào)度，而生物炭施加的效果是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響的指標(biāo)也不僅局限于本文所研究的指標(biāo)，同時(shí)施加生物炭也會(huì)產(chǎn)生一定的社會(huì)效益。因此在今后的研究中可以將社會(huì)效益及更豐富的效益指標(biāo)納入研究體系，研究生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)三者的耦合協(xié)調(diào)度，更加全面地反映生物炭的效益。

4 結(jié)論

(1)生物炭能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力。施炭第1年生態(tài)效益逐漸增加，連續(xù)施加2～4年生態(tài)效益先增后減。連續(xù)施用2年、施炭量為50 t/hm2時(shí)，生物炭的生態(tài)效益最佳。

(2)適量施用生物炭能夠有效提升作物節(jié)水增產(chǎn)性能，提高生物炭的收益和利用效率，進(jìn)而提高其經(jīng)濟(jì)效益。4年內(nèi)生物炭的經(jīng)濟(jì)效益均先增后減。施炭1年、施炭量為75 t/hm2時(shí)，生物炭的經(jīng)濟(jì)效益最佳。

(3)生物炭能有效改善生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的耦合協(xié)調(diào)度。施炭第1年耦合度逐漸增加，協(xié)調(diào)度先增后減；連續(xù)施加2～4年耦合度和協(xié)調(diào)度均先增后減。連續(xù)施用3年、施炭量為50 t/hm2時(shí)生物炭的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)度最佳。黑土區(qū)最優(yōu)生物炭施用模式為連續(xù)施加3年50 t/hm2生物炭。