作者：史国新、曹晓强、傅强、李天晓、陈青山
东北农业大学水利与土木工程学院，中国黑龙江省哈尔滨市150030
摘要
生物炭被广泛认为是一种有益的土壤改良剂；然而，其在缓解大豆种植系统长期连作障碍方面的潜力仍知之甚少。基于一项为期11年的田间实验，本研究系统探讨了生物炭施用对土壤物理性质、养分、水文特性、抗侵蚀性以及大豆产量稳定性的影响。结果表明，长期连续种植大豆会导致土壤结构退化、养分流失、侵蚀加剧以及大豆产量下降和水分利用效率降低。相比之下，生物炭施用显著提高了总孔隙度（TP）和广义土壤结构指数（GSSI），增加了大团聚体（>0.25毫米）和直径≥0.3微米的孔隙比例。此外，生物炭通过增强水分保持能力和水力传导性改善了土壤水文功能，并显著提高了初始、稳定和平均土壤入渗率。值得注意的是，施用5.0吨/公顷的生物炭效果最为显著。与对照组相比，60分钟内的累计入渗量分别增加了50.26毫米（2015年）、52.15毫米（2017年）、69.88毫米（2019年）、57.75毫米（2021年）、55.52毫米（2023年）和67.92毫米（2025年）。该处理还显著减少了年径流和土壤侵蚀，增加了土壤养分（有机碳、碱解氮、有效磷、有效钾），促进了大豆生长，并提高了水分利用效率和产量稳定性。结构方程模型表明，生物炭主要通过改善土壤水文性质和减少土壤侵蚀来提高大豆产量。这些长期研究结果表明，特别是施用5.0吨/公顷的生物炭，可以有效缓解连作障碍，为可持续的大豆生产提供了理论和技术基础。
引言
黑土作为一种全球极其宝贵的土壤资源，由于其深厚的腐殖质层和高自然肥力，在维护粮食安全方面发挥着不可替代的作用。然而，长期的高强度集约化生产，尤其是单一作物连作模式的广泛采用，导致了严重的连作障碍（Liu等人，2020年）。这些障碍具体表现为土壤物理和化学性质的退化、微生物群落结构的失衡以及土壤侵蚀的加剧，最终导致作物产量和质量的同步下降（Ernst等人，2020年）。在黑土地区的坡地农田生态系统中，这种情况尤为严重。具体来说，土壤结构的破坏削弱了其渗透性和持水能力，进而加剧了地表径流和侵蚀过程（Shi等人，2022年）。同时，富含养分和有机质的表土进一步恶化了作物生长环境，严重限制了黑土地区的农业可持续发展。
长期连作导致土壤有机质持续流失和土壤团聚体结构退化。这些变化增加了土壤容重并降低了孔隙连通性，从而降低了土壤入渗率，影响了其持水和供水能力（Chen等人，2024年；Han等人，2024年）。因此，土壤水文功能的退化在作物生长期间引发了水分胁迫，限制了养分的吸收和同化，最终影响了产量（Pinheiro和Nunes，2023年）。此外，长期连作可能导致土壤中形成厌氧微环境，并改变根际微生物群落的组成和代谢活动。这些变化可能间接促进土传病原体的繁殖，从而增加根部疾病的风险（Ding等人，2024年）。此外，长期连作通过破坏土壤结构和削弱水文功能，增加了可侵蚀坡地的土壤侵蚀风险（Yin等人，2025年）。随着入渗能力的下降，降雨产生的地表径流更快更集中，加剧了表土的冲刷和侵蚀。这导致肥沃表土的流失和养分淋失，可能造成严重的土地退化和作物产量下降，从而形成了“结构退化-水文功能障碍-侵蚀加剧”的恶性循环（Fu等人，2021年；Sun等人，2018年）。因此，坡地农田的连作对农田健康和农业生态安全构成了双重威胁，迫切需要开发有效的策略来缓解这些多方面的生态和生产风险。
传统的措施，如轮作和有机肥料施用，已被广泛用于缓解连作障碍（Zhang等人，2024年；Zheng等人，2024年）。然而，在耕地和食用油资源同时短缺的地区，大豆连作仍然是一种普遍的种植系统。在这种情况下，由于实际限制或潜在的环境问题，上述传统措施往往难以有效实施。因此，越来越多的研究关注于探索高效且环保的土壤改良剂。在这方面，生物炭因其独特的多孔结构和优异的物理化学性质而受到广泛关注。研究表明，生物炭施用可以促进水稳性大团聚体的形成，提高入渗率和水分保持能力，从而减少地表径流并提高作物水分利用效率（Fu等人，2019a；Verheijen等人，2019年）。此外，生物炭的碱性特性可以有效对抗连作条件下土壤的酸化趋势。其较大的比表面积和强吸附能力有助于固定可利用养分（如铵离子和磷酸盐），减少通过淋溶和径流造成的养分损失（Liu等人，2016年；Park等人，2023年）。同时，通过重塑土壤结构，生物炭可以降低极端暴雨下的土壤侵蚀风险（Shi等人，2024a）。现有研究为这些益处提供了基础证据。例如，Liu等人（2022a）在为期两年的实验中表明，生物炭施用使表层土壤肥力提高了23%，作物根系质量提高了6%，土壤真菌丰度提高了96%。同样，在为期三年的烟草种植系统中，Hu等人（2024年）发现生物炭改善了根系通气和土壤结构稳定性，可能抑制黑腐病的发生。此外，生物炭减少了极端暴雨下的土壤径流，并有助于调节土壤侵蚀。然而，这些见解主要来自受控条件下的盆栽实验或对特定作物的短期观察，这些方法存在一定的局限性。它们未能捕捉到生物炭与真实农业生态系统中土壤之间的长期相互作用，尤其是在脆弱的坡地黑土农田中。更重要的是，现有研究主要集中在土壤化学和微生物响应上，而普遍缺乏对关键物理水文过程（特别是土壤水文性质和侵蚀动态）的系统性长期监测方法。这限制了坡地农田生产力的可持续性。
因此，为了解决上述研究空白，本研究基于一项为期11年的长期田间实验，系统探讨了生物炭施用对坡地黑土农田土壤物理结构和水文特性的影响。与以往的短期或基于模拟的研究不同，本研究采用了长期原位连续监测和多参数协同分析，从而形成了一个将“土壤结构–水文过程–侵蚀响应–作物产量”联系起来的系统研究框架。我们假设长期生物炭施用将不断改善土壤物理结构，优化田间水文过程，从而显著提高土壤抗侵蚀能力，最终系统性地缓解与连续大豆种植相关的障碍。本研究的具体目标是：（1）揭示长期连作条件下土壤物理结构、水文特性和侵蚀动态的演变规律；（2）阐明大豆水分利用效率和产量稳定性对长期生物炭施用的响应机制；（3）定量分析土壤物理和水文性质、侵蚀状态以及大豆产量之间的相互关系。
气候背景和实验方案
本研究于2015年至2025年在中国黑龙江省北安市红星农场的一个3°坡度地块上进行（图S1(a)）。该地区属于寒温带大陆性气候，年平均降水量为555.3毫米，年平均积温为2254.5℃，无霜期约为110天。降水量具有明显的季节性，主要集中在7月至9月的雨季。
土壤养分和孔隙结构分布
如图S2所示，在CK处理下，土壤有机碳（SOC）、碱解氮（AHN）、阳离子交换量（AP）和铝钾交换量（AK）的含量逐年下降，表明长期大豆连作导致了土壤养分退化。生物炭施用显著增加了SOC、AHN、AP和AK的含量。具体而言，随着生物炭施用量的增加，SOC、AP和AK的含量呈现上升趋势，在BC75处理下达到峰值。相比之下，AHN含量在...
生物炭对土壤养分和孔隙结构性质的长期影响机制
长期连作通常会导致土壤养分失衡、有机质流失和结构退化，形成典型的连作障碍（Tan等人，2021年）。在本研究中，我们观察到在CK处理下，随着大豆种植年限的增加，土壤养分（SOC、AHN、AP和AK）和物理结构（总孔隙度（TP）、广义土壤结构指数（GSSI）和平均孔径分布（GMD）逐渐下降。这一趋势与上述连作模式一致（图S2和图1）。
结论
本研究表明，长期大豆连作会导致土壤养分减少、土壤结构和持水能力恶化、土壤侵蚀加剧以及大豆水分利用效率（WUE）和产量下降，显示出明显的连作障碍。相比之下，生物炭施用通过增加总孔隙度（TP）、广义土壤结构指数（GSSI）和平均孔径分布（GMD）显著改善了土壤结构。此外，生物炭还增强了土壤养分、水分保持能力和...
作者贡献声明
史国新：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金筹集。傅强：验证，监督，正式分析。曹晓强：撰写 – 原稿，可视化，软件应用。陈青山：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，方法论。李天晓：撰写 – 原稿，资金筹集，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（编号52509049、52179033）和中国博士后科学基金（编号2024MD753908）对本研究的支持。
