魏永霞 朱畑豫 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)理學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

黑土是我國寶貴的資源，合理利用黑土關(guān)系到區(qū)域生態(tài)安全[1]。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，近年來我國糧食產(chǎn)量逐年遞增，但由于對(duì)黑土資源缺少合理的管理，水土流失嚴(yán)重，東北黑土耕作層變薄，土壤酸化，降低了土地的生產(chǎn)力。另一方面，東北黑土區(qū)秸稈資源豐富，大面積焚燒秸稈不僅浪費(fèi)資源，而且產(chǎn)生嚴(yán)重霧霾，嚴(yán)重影響人民生活質(zhì)量。探索黑土資源的高效利用與保護(hù)以及秸稈資源的合理利用刻不容緩[2-3]。

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[4]。秸稈是生物炭的理想來源，以生物炭為核心的秸稈炭化還田技術(shù)同時(shí)滿足高效率利用秸稈資源、減少面源污染的需要，因而受到了許多學(xué)者的關(guān)注。大量研究表明，施加生物炭可以減小土壤容重[5]、提高孔隙度[6-9]、穩(wěn)固土壤三相比例[10]、改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[11-13]、提高土壤儲(chǔ)水量[14]、提高田間持水率和飽和含水率[15-16]、大幅提高農(nóng)作物產(chǎn)量[17-19]并且維持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性[20]。但經(jīng)過學(xué)者研究，發(fā)現(xiàn)生物炭也有負(fù)面影響。經(jīng)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施加4 t/hm2的生物炭，會(huì)使水稻產(chǎn)量降低23.3%[21]；長期大劑量施用生物炭會(huì)使土壤呼吸速率顯著增加，不利于土壤固碳減排[22]。這表明土地和作物受生物炭影響的過程十分復(fù)雜。目前，關(guān)于生物炭短期應(yīng)用的研究成果十分豐富，但缺乏關(guān)于中長期效果的研究。為此，本研究以玉米為供試作物，黑土區(qū)坡耕地為研究對(duì)象，連續(xù)施加4年生物炭，旨在探討中長期施加生物炭后年際間土壤結(jié)構(gòu)、持水性能與作物產(chǎn)量及其穩(wěn)定性等指標(biāo)的變化規(guī)律，找出該地區(qū)最優(yōu)生物炭施加量和施用年限，為高效利用黑土資源及農(nóng)作物秸稈資源提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

2015—2018年在黑龍江省農(nóng)墾北安管理局紅星農(nóng)場試驗(yàn)基地(48°2′～48°17′N，126°47′～127°15′E)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)小區(qū)地勢自東向西傾斜，坡度3°～5°。該區(qū)年平均降雨量為553 mm，近90%降雨量集中在7—9月，多年平均氣溫3.1℃，無霜期110 d左右。耕層土壤以草甸黑土為主，主要種植大豆、玉米和水稻。

1.2 供試材料

供試土壤為草甸黑土，理化性質(zhì)為pH值6.3，總有機(jī)碳質(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，容重1.15 g/cm3。供試玉米品種為德美亞1號(hào)。玉米生育期分為苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期4個(gè)時(shí)期。試驗(yàn)所用生物炭購自遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，將玉米秸稈在450℃無氧條件下高溫裂解燒制而成，其理化性質(zhì)為：總有機(jī)碳質(zhì)量比70.21 g/kg、全氮質(zhì)量比13.97 g/kg、全鉀質(zhì)量比2.24 g/kg、全磷質(zhì)量比34.55 g/kg、pH值9.14、比表面積81.85 m2/g、總孔容積0.080 cm3/g。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015—2018年在試驗(yàn)基地的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，按照生物炭施加量不同設(shè)置5個(gè)處理:C0(對(duì)照處理)、C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)和C100(100 t/hm2)，每個(gè)處理兩次重復(fù)，共計(jì)10個(gè)小區(qū)。小區(qū)坡度為3°，規(guī)格為20 m×5 m，10個(gè)徑流小區(qū)平行鋪設(shè)。為防止小區(qū)間的水分交換，各小區(qū)邊界用埋入地下1 m深的鐵板隔開，每個(gè)小區(qū)設(shè)置1 m間隔。每年播種前，將生物炭撒于土壤表面并反復(fù)攪拌，使其與耕層土壤(0～20 cm)充分混合，起壟靜置7 d。小區(qū)作物管理方案均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶相同。

1.4 相關(guān)指標(biāo)及計(jì)算方法

1.4.1土壤容重、孔隙度、三相比

各年份全生育期末利用環(huán)刀收集耕層原狀土，各處理4次重復(fù)(相同處理小區(qū)各取2次重復(fù))，采用DIK-1130型土壤三相儀測定土壤容重、孔隙度和土壤三相比，并計(jì)算土壤三相比偏離值R、廣義土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)(GSSI)和土壤三相結(jié)構(gòu)距離指數(shù)(STPSD)[22]。

1.4.2土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量

每年于玉米全生育期末取各小區(qū)耕層土壤樣品，采集后在室內(nèi)風(fēng)干，過8 mm篩，除去其中較大雜質(zhì)。采用TTF-100型土壤團(tuán)聚體分析儀測定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。分別計(jì)算大于0.25 mm團(tuán)聚體含量(R0.25)[23]、平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)[24]。

1.4.3土壤水分常數(shù)

于玉米收獲期每個(gè)小區(qū)選取2個(gè)取樣點(diǎn)(共4次重復(fù))，采用室內(nèi)環(huán)刀法測定田間持水率和飽和含水率；采用生物法測定凋萎系數(shù)；有效含水率(Available water-holding capacity，AWC)利用測定的田間持水率和凋萎系數(shù)計(jì)算獲得，計(jì)算公式為

AWC=(FC-PWP)BD

(1)

式中AWC——土壤有效含水率

FC——田間持水率

PWP——凋萎系數(shù)

BD——土壤容重，g/cm3

1.4.4土壤儲(chǔ)水量

連續(xù)4年在玉米各生育階段采用TDR測量土壤深度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)層位重復(fù)測量3次，計(jì)算土壤儲(chǔ)水量[25]，公式為

(2)

式中W——土壤總儲(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。

1.4.5產(chǎn)量穩(wěn)定性及其可持續(xù)性指標(biāo)

在每個(gè)徑流小區(qū)的坡上、中、下相應(yīng)位置選取3個(gè)10 m2的地塊。通過對(duì)選擇地塊的實(shí)收測產(chǎn)來計(jì)算玉米總產(chǎn)量。用統(tǒng)計(jì)學(xué)上的變異系數(shù)(Coefficient of variation，CV)[26]表示玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性，計(jì)算公式為

(3)

式中σ——某一處理4年玉米產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差，t/hm2

玉米產(chǎn)量可持續(xù)性指標(biāo)用產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(Sustainability yield index，SYI)[27]表示，公式為

(4)

式中Ymax——試驗(yàn)點(diǎn)最高產(chǎn)量，t/hm2

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

應(yīng)用Microsoft Excel 2010、Origin 2018對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪圖。采用SPSS 25.0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)土壤結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

圖1a為生物炭施用量和施用年限變化對(duì)土壤容重的影響。如圖1a所示，連續(xù)施炭4年土壤容重均與生物炭施用量呈負(fù)相關(guān)。隨著生物炭施用年限的增加，各處理土壤容重降低的速率逐步減慢：C25處理容重以平均每年1.5%的速率均速下降；C50處理容重2017年較2016年下降幅度增加1%，但2018年較2017年下降幅度減少1.8%；C75和C100處理在2015—2017年土壤容重急速下降，相較當(dāng)年C0處理最多降低了11.3%和11.4%，在2018年容重降低基本趨于平穩(wěn)，比上一年僅降低了0.98%和0.99%。

圖1b為生物炭施用量及施用年限變化對(duì)土壤孔隙度的影響。如圖1b所示，隨生物炭施用量的增加，4年土壤孔隙度均有增加，2015年C25、C50、C75、C100處理土壤孔隙度較C0分別增加1.8%、2.6%、7.4%和9.4%；連續(xù)施用2年后，各處理土壤孔隙度較同年C0處理增加幅度為6.4%、11.6%、17.7%和18.3%；連續(xù)施用3年后，增幅分別為9.6%、13.5%、18.4%和20.4%；4年不間斷施加后，增幅分別為11.6%、18.2%、20.6%和22.8%。

圖1 2015—2018年土壤容重、孔隙度變化曲線Fig.1 Soil bulk density and porosity in 2015—2018

在理想狀態(tài)下，土壤三相比為50∶25∶25(固相∶液相∶氣相)最適合作物生長[10]。圖2(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))為各年份的土壤三相比例。由圖2可知，隨施炭量的增加，2015—2018年土壤固相比例逐漸下降，氣相比例逐漸上升，而液相比例則呈現(xiàn)先升高后降低的傾向。2015—2018年各施炭處理的土壤固相比例較C0降低幅度為0.88%～19.57%，土壤氣相比例升高幅度為1.96%～66.34%，土壤液相比例最大處理較C0提高13.59%。

圖2 2015—2018各處理土壤三相比例Fig.2 Soil three-phase ratio of each treatment in 2015—2018

土壤三相比偏離值R表示測定土壤三相比例與理想土壤三相比例的空間距離差值。由表1可知，4年三相比例分別在C100、C50、C50、C50處與理想點(diǎn)最接近，R分別為1.79、1.83、1.03、0.97。GSSI、STPSD常被用來評(píng)價(jià)土壤三相比分配，GSSI越大、STPSD越小，土壤三相比分配越接近理想狀態(tài)[28]。由表1可知，在相同施用年限，除2015年隨施炭量的增加，GSSI逐漸增加外，2016—2018年連續(xù)3年隨施炭量的增加，GSSI在C50處前不斷增加，在C50處后不斷減小，C50處為最大值。GSSI較C0處理分別增加了2.16%、2.19%和2.21%，差異顯著(P<0.05)。在施炭量相同而施用年限不同時(shí)，隨著施用年限的增加，C25、C100處理GSSI逐漸增加；C50、C75處理土壤GSSI呈先增后減的變化傾向。STPSD變化規(guī)律與GSSI相反。對(duì)比4年試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，連續(xù)3年施加50 t/hm2的生物炭對(duì)黑土區(qū)土壤三相比的改善情況最好。

表1 2015—2018年各處理土壤三相比偏離值R、廣義結(jié)構(gòu)系數(shù)和土壤三相結(jié)構(gòu)距離指數(shù)Tab.1 Values of R, GSSI and STPSD of each treatment in 2015—2018

2.1.3對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響

圖3為各年份不同粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。連續(xù)4年，每一年大于5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量都隨著生物炭的施加而增加；2～5 mm、1～2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量逐漸減小。而0.5～1 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在2015、2017年均出現(xiàn)先增大后減小傾向，分別在C75、C50處達(dá)到最大。0.25～0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在2015、2016、2018年隨施炭量的增加逐漸增大；在2017年呈先增大后減小傾向，C75處達(dá)到峰值。由此可知，向土壤中施加生物炭可以增加土壤中大于5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；降低1～2 mm、2～5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；適量生物炭可以增加0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

圖3 2015—2018年各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布Fig.3 Distributions of water stable agglomerate in 2015—2018

R0.25用來表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)性越好[24]。MWD和GMD是反映土壤團(tuán)聚體分布的重要指標(biāo)，其值越大，說明土壤平均團(tuán)聚度越高[29]。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)如表2所示。由表2可知，在相同施用年限，隨施炭量的增加，R0.25、MWD、GMD均呈先增后減的變化傾向，4年最優(yōu)處理分別為C75、C50、C50和C25，各處理與同年C0相比均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。由此可知，適量的生物炭可以調(diào)節(jié)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。對(duì)比4年試驗(yàn)結(jié)果可知，連續(xù)3年施加50 t/hm2的生物炭可以達(dá)到提升土壤穩(wěn)定性的最優(yōu)效果，與同年對(duì)照處理相比分別提高了113.9%和23.2%。

表2 2015—2018年水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)Tab.2 MWD and GMD in 2015—2018

2.2 施加生物炭對(duì)土壤持水性能的影響

2.2.1對(duì)土壤水分常數(shù)的影響

土壤持水性指標(biāo)的變化規(guī)律如表3所示。連續(xù)4年飽和含水率與施炭量呈正相關(guān)。除2015年田間持水率隨施炭量的增加呈逐漸增加的傾向外，2016—2018年均呈先增大后減小的傾向，最優(yōu)處理分別為C100、C50、C50和C25，在2018年C25處理提高最多，為14.44%。另一方面，2018年C100處理田間持水率低于對(duì)照處理，且差異顯著(P<0.05)。土壤有效含水率是指土壤中能被植物根系吸收的水分含量，被認(rèn)為是土壤侵蝕對(duì)土壤生產(chǎn)力影響的重要表現(xiàn)，是評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[30]。連續(xù)4年土壤有效含水率變化傾向與田間持水率相同。由此可見，施加生物炭可以提高土壤的飽和含水率，適量的生物炭可以提高田間持水率和土壤有效含水率，但是過高的施炭量會(huì)降低土壤的持水性能，甚至產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

表3 2015—2018年土壤水分常數(shù)指標(biāo)Tab.3 Soil water constant index in 2015-2018 %

2.2.2對(duì)土壤儲(chǔ)水量的影響

施加生物炭后0～100 cm土層的土壤儲(chǔ)水量如表4所示。由表4可知，隨施炭量的增加，2015—2016年各生育階段0～60 cm土壤儲(chǔ)水量呈先升高后降低的傾向，2015年各生育階段各處理均在C75處取得最大值，各施炭處理與C0相比均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；2016年各生育階段各處理均在C25處取得最大值，各施炭處理與C0相比達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。隨施炭量的增加，2017—2018年各生育階段0～60 cm土壤儲(chǔ)水量呈下降傾向。2017、2018年C100處理各生育階段土壤儲(chǔ)水量較C0處理分別降低12.37%、14.01%(苗期)，7.2%、11.11%(拔節(jié)期)，10.2%、15%(抽雄期)和10.67%、11.12%(灌漿期)，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。隨施炭量的增加，連續(xù)4年各生育階段60～100 cm土壤儲(chǔ)水量呈降低傾向，4年C100處理各生育階段土壤儲(chǔ)水量較C0處理分別降低5.75%、4.83%、3.32%、2.36%(苗期)，4.83%、8.32%、11.84%、13.73%(拔節(jié)期)，3.32%、6.87%、14.46%、12.75%(抽雄期)和2.36%、5.94%、13.35%、12.88%(灌漿期)，差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。綜合4年試驗(yàn)分析，施加適當(dāng)?shù)纳锾靠商岣?～60 cm土層的土壤儲(chǔ)水量，降低60～100 cm土層的土壤儲(chǔ)水量，而過高的施炭量會(huì)使生物炭對(duì)土壤蓄水保水的改良效果減弱。

我們?cè)谝黄鸾?jīng)過了羅馬、奧地利、德國慕尼黑、瑞士阿爾卑斯山之后，在前往法國的旅游大巴上，這位六十八歲的山東老兄在同我熟悉，并知曉我從事的職業(yè)后，打開了話匣子。

表4 2015—2018年0～100 cm土層土壤儲(chǔ)水量Tab.4 Soil water storage in 0～100 cm of soil layer in 2015-2018 mm

2.3 施加生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量及其可持續(xù)性的影響

2.3.1對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

表5為各年份玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素。由表5可知，同一施用年限，玉米產(chǎn)量隨施炭量的增加呈先增后減傾向，2015、2016年均在C50處理產(chǎn)量最大，較C0分別提高了14.12%、11.97%，達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；2017、2018年均在C25處理產(chǎn)量最大，較C0分別提高了13.89%、13.74%，而2018年的C100處理產(chǎn)量卻低于對(duì)照處理1.1%，差異未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。玉米穗長、穗徑和百粒質(zhì)量的變化規(guī)律與玉米產(chǎn)量大致相同，各年份最優(yōu)處理分別為C50、C50、C25、C25；而2017年C100處理的穗長，2017、2018年C100處理的百粒質(zhì)量卻低于對(duì)照處理1.39%、2.78%、0.06%，差異不顯著(P>0.05)。同一施炭量，C25處理產(chǎn)量隨著施用年限的增加逐漸升高，2018年較2015年增加了10.1%；C50、C75處理在2016年產(chǎn)量達(dá)到最大，較2015年分別增加了6.18%、5.72%；隨著施用年限的增加C100處理產(chǎn)量呈先升高后降低傾向，2016年最高，較2015年增加了3.26%，而2018年較2015年降低了2.17%。各處理玉米穗長、穗徑和百粒質(zhì)量與產(chǎn)量的變化規(guī)律大體相同。綜上分析可知，連續(xù)施加25 t/hm2的生物炭會(huì)使產(chǎn)量提高，連續(xù)施加50、75、100 t/hm2的生物炭均在第2年產(chǎn)量達(dá)到最大。

表5 2015—2018年玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素Tab.5 Maize production and components in 2015—2018

2.3.2對(duì)產(chǎn)量穩(wěn)定性及可持續(xù)性的影響

如圖4所示，玉米可持續(xù)性產(chǎn)量指數(shù)SYI表征玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性，變異系數(shù)CV表征玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性。SYI是評(píng)價(jià)作物產(chǎn)量可持續(xù)性的一個(gè)重要指標(biāo)，用以闡明某一處理產(chǎn)量隨時(shí)間變化過程的可持續(xù)程度，進(jìn)而說明系統(tǒng)是否能持續(xù)生產(chǎn)，通常情況下，SYI越大，產(chǎn)量的可持續(xù)性越高[31]。SYI可分為3個(gè)等級(jí)：第1等級(jí)包括C50和C100處理(SYI大于0.94，其中C50處理為0.954)；第2等級(jí)包括C0和C75處理(SYI大于0.93且小于0.94)；C25處理為第3等級(jí)(SYI小于0.93)[32]。變異系數(shù)CV可衡量同一品種作物不同年份平均產(chǎn)量間的變異程度[26]，CV越大則說明產(chǎn)量穩(wěn)定性越低。玉米產(chǎn)量的變異系數(shù)可分為3個(gè)水平:C25處理最高(CV大于0.04)；C0處理次之(CV等于0.035)；C50、C75和C100處理最低(CV小于0.03，其中C100處理為0.022)。這說明，生產(chǎn)實(shí)踐中加入生物炭有利于促進(jìn)玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性的提高，其中逐年施加50 t/hm2生物炭的處理效果最明顯。

圖4 不同處理的玉米SYI和CVFig.4 SYI and CV in maize under different treatments

3 討論

從土壤學(xué)方面來看，土壤結(jié)構(gòu)在土壤理化性質(zhì)、水分運(yùn)移中發(fā)揮重要的作用，是調(diào)節(jié)土壤中水、肥、氣、熱的關(guān)鍵因素。研究表明，土壤結(jié)構(gòu)越合理，土壤肥力和產(chǎn)量越高[33]。在本研究中，土壤容重隨生物炭施加量的增加逐漸降低，孔隙度隨生物炭施加量的增加逐漸升高，這與李昌見等[34]的研究結(jié)果一致。原因有兩方面：①由于生物炭本身具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、質(zhì)輕、顆粒細(xì)小、比表面積大等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，施入土壤后可改善土壤結(jié)構(gòu)[35]。②由于生物炭含有烴基等官能團(tuán)，具有強(qiáng)大的吸附能力，可以增加土壤微生物量和生物活性，增強(qiáng)團(tuán)聚性，從而改善土壤結(jié)構(gòu)。

土壤三相比在評(píng)價(jià)土壤水、肥、氣、熱相互關(guān)系方面有重要意義。在本研究中，隨著生物炭施加量的增加，土壤固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加；2015年GSSI與施碳量呈正相關(guān)，STPSD與施碳量呈負(fù)相關(guān)，2016—2018年GSSI隨施炭量的增加先增大后減小，STPSD先減小后增大，在2017年C50處理處GSSI取得最大值，STPSD和R取得最小值，土壤三相比最接近理想三相比，而C100處理的土壤結(jié)構(gòu)逐年變差，這與劉慧等[36]的研究結(jié)果一致。這是由于累積施炭量過高使土壤液相、氣相體積分?jǐn)?shù)失調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差。

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)。在本研究中，土壤中大于5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量會(huì)因施加生物炭增加，1～2 mm、2～5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量會(huì)因施加生物炭減少；適量生物炭可以增加0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。這與尚杰[37]的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)結(jié)果顯示：R0.25、MWD、GMD隨施炭量的增加均呈先增后減傾向，且在第3年C50處理提高最大。這與徐國鑫等[38]的研究結(jié)果相似。

生物炭施入土壤后可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤水分含量[39]，這是由于生物炭具有疏松多孔、高比表面積和強(qiáng)吸附等特性。在本試驗(yàn)中飽和含水率與施炭量呈正相關(guān)，土壤有效含水率在施加第1年與施炭量呈正相關(guān)，在后3年隨生物炭的增加呈先升高后降低傾向，田間持水率與土壤有效含水率變化傾向一致。這是因?yàn)檫^高施炭量會(huì)使土壤的持水能力減弱[10]，導(dǎo)致田間持水率下降。這與顏永毫等[40]研究結(jié)果一致。在本研究中，連續(xù)4年施加生物炭可以增加0～60 cm土層的土壤儲(chǔ)水量，但累積施炭量過高會(huì)降低土壤儲(chǔ)水量，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是生物炭本身的強(qiáng)吸附性可以吸附降雨，但當(dāng)施炭量過高時(shí)，會(huì)超過生物炭的最大吸附能力，導(dǎo)致儲(chǔ)水量降低[41]。而生物炭保水作用是持水性與斥水性相互作用的結(jié)果[21]，在60～100 cm土層，斥水作用和細(xì)粒子結(jié)構(gòu)阻塞了上層滲水，因此降低了下層土壤儲(chǔ)水量。這與李榮等[42]和魏永霞等[43]的研究結(jié)論相似。

許多學(xué)者認(rèn)為施加生物炭可提高作物產(chǎn)量及其構(gòu)成要素[44]。本試驗(yàn)通過連續(xù)4年施加生物炭得出以下結(jié)果：在相同施用年限，玉米產(chǎn)量隨施炭量的增加先增后減，4年內(nèi)2015年C50處理對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成要素提高效果最好。2018年C100處理玉米穗長、穗徑、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量均低于對(duì)照處理，這與魏永霞等[45]的結(jié)論一致。陳歡等[46]認(rèn)為施加生物炭可以提高作物產(chǎn)量穩(wěn)定性；姜慧敏等[20]經(jīng)過3年試驗(yàn)研究得出施加生物炭可以提高作物產(chǎn)量的可持續(xù)性。在本研究中，綜合比較5種不同施炭模式下玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，除C25處理外，連續(xù)4年施加生物炭各處理SYI都高于C0處理，CV都低于C0處理，其中C50處理SYI最大，C100處理CV最小。表明施加生物炭可以一定程度增加玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性及穩(wěn)定性，進(jìn)而降低環(huán)境、生物與人為因素等對(duì)產(chǎn)量的影響[47]。

4 結(jié)論

(1)4年中土壤容重隨生物炭的增加有減小的傾向，孔隙度有逐漸增加的傾向；適量生物炭可有效降低土壤固相比例，提高氣相和液相比例，除2015年外，連續(xù)3年廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)隨施炭量的增加先增大后減小，土壤三相結(jié)構(gòu)距離指數(shù)(STPSD)隨施炭量的增加先減小后增大，均在第3年C50處理達(dá)到最優(yōu)(99.96、0.63)，同時(shí)土壤三相比偏離值R最小(1.03)，三相比最接近理想狀態(tài)；連續(xù)4年大于0.25 mm團(tuán)聚體含量R0.25、平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)隨著生物炭的增加呈先增加后減小傾向。連續(xù)3年加入50 t/hm2生物炭提高土壤穩(wěn)定性的效果最好。

(2)連續(xù)4年飽和含水率與施炭量呈正相關(guān)；除2015年外，田間持水率隨施炭量的增加先增加后減小，分別在C100、C50、C50和C25處達(dá)最優(yōu)處理，在2018年C25處為峰值37.33%；土壤有效含水率與田間持水率的變化規(guī)律相同。隨施炭量的增加，玉米各生育期0～60 cm土層土壤儲(chǔ)水量呈先升高后降低傾向；60～100 cm土層土壤儲(chǔ)水量與施炭量呈負(fù)相關(guān)。

(3)連續(xù)4年玉米產(chǎn)量隨生物炭施加量的增加呈先增后減傾向。玉米產(chǎn)量可持續(xù)性產(chǎn)量指數(shù)SYI在C50處達(dá)到最大，為0.954。變異系數(shù)CV在C100處理處最低，為0.022。連續(xù)施加25 t/hm2的生物炭會(huì)使產(chǎn)量提高，連續(xù)施加50 t/hm2的生物炭對(duì)促進(jìn)玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性效果最明顯。