秸稈生物炭對潮土區(qū)小麥產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響

劉宇娟，謝迎新，董 成，賀德先，馬冬云，王晨陽，郭天財

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，國家小麥工程技術(shù)研究中心，河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046)

生物炭是生物質(zhì)在完全或部分缺氧環(huán)境下經(jīng)熱解產(chǎn)生的一種固態(tài)難溶物質(zhì)[1]，其制備材料豐富，一般包括農(nóng)、林業(yè)廢棄物、水生生物、人類及動物排泄物、工業(yè)廢棄物等有機廢棄物[2]，具有含碳量高、比表面積大、吸附性強、養(yǎng)分含量高及碳穩(wěn)定性強等特點[3]。因其獨特的理化性質(zhì)，近幾年來備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[4]，被認為是一項有效的土壤培肥和固碳減排措施[5]。中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大、種類多，年產(chǎn)量約7億 t[6]，但秸稈資源利用途徑相對單一、利用率較低。若能將作物秸稈炭化還田，不失為一種有效的資源可持續(xù)利用途徑。

土壤添加生物炭對作物產(chǎn)量的影響因施用量、施用方式、作物種類、土壤類型而存在差異。多數(shù)研究認為，在適宜的施用范圍內(nèi)，生物炭能夠促進作物生長[7]，但影響幅度各有不同。Getachew等[8]在熱帶土壤上的研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可增加玉米產(chǎn)量10.0%～29.0%。Li 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，施用小麥秸稈生物炭可增加蔬菜產(chǎn)量2.1%～47.1%。花莉等[10]研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，添加4%生物炭處理顯著增加黑麥草生物量68%。但也有研究報道，施用600 kg/hm2的生物炭能夠促進烤煙增產(chǎn)，而施用900 kg/hm2的生物炭則會造成烤煙減產(chǎn)[11]。范龍等[12]研究指出，施用生物炭由于顯著降低早稻千粒質(zhì)量和收獲指數(shù)，從而導(dǎo)致早稻減產(chǎn)。Madari等[13]試驗結(jié)果表明，在生物炭施用的前3年，大豆產(chǎn)量隨生物炭用量呈線性增加，但在第4，5年對大豆產(chǎn)量無影響。Carvalho等[14]研究發(fā)現(xiàn)，單一施用32 t/hm2生物炭對水稻產(chǎn)量并無顯著性影響。

生物炭對作物的影響須依附土壤而實現(xiàn)，大量研究表明，生物炭施入土壤能夠在不同用量尺度和時間跨度上改變土壤的理化性質(zhì)[15]。李程等[16]研究發(fā)現(xiàn)，10 g/kg生物炭用量能夠提升土壤碳庫。劉會等[17]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可增加土壤中堿解氮、速效磷鉀含量，提高氮肥利用率。王智慧等[18]研究報道，生物炭與肥料配施較單施肥處理可提高土壤有機質(zhì)、全氮含量，提高玉米各生育期干物質(zhì)質(zhì)量。Tian等[19]研究也證實，生物炭在提高土壤肥力的同時可減少硝態(tài)氮的淋洗，促進棉花產(chǎn)量提高。但也有研究報道，生物炭對水稻生產(chǎn)土壤化學(xué)性質(zhì)的有益影響會被土壤水分滯留能力的降低和作物的氮素吸收所抵消[14]。盡管生物炭有較大的孔隙度，但Getachew等[8]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭對土壤容重并無影響。

潮土是我國黃淮海平原分布面積最大主要土壤，生物炭施用對華北潮土土壤肥力、作物產(chǎn)量均有積極顯著影響，生物炭翻耕還田可顯著降低砂質(zhì)潮土容重，增加土壤水分[20]。但目前關(guān)于生物炭應(yīng)用效果的報道多為短期試驗結(jié)果，而關(guān)于生物炭在潮土上連續(xù)多年連續(xù)施用的應(yīng)用效果由于缺乏長期觀測，目前尚未得出明確結(jié)論。本研究結(jié)合當(dāng)前研究熱點，以黃淮海平原潮土農(nóng)田為研究對象，擬通過對生物炭連續(xù)施用9季后對小麥產(chǎn)量以及土壤理化性質(zhì)影響進行調(diào)查研究，以期為秸稈生物炭在華北平原潮土上的合理利用提供部分理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試土壤及生物炭

試驗于河南省封丘縣中國科學(xué)院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站(35°00′ N，114°24′ E)內(nèi)進行。該地區(qū)屬半干旱、半濕潤的暖溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.9 ℃，無霜期在220 d左右，為典型的小麥-玉米輪作區(qū)。試驗土壤類型為潮土，發(fā)育于黃河沖積物。試驗開始前土壤耕層(0～20 cm)基本理化性質(zhì)分別為：有機質(zhì)11.2 g/kg，全氮0.79 g/kg，pH值8.30。試驗所用生物炭由水稻秸稈通過基于沼氣為熱解能源的炭化爐在500 ℃條件下制備[21]，其基本理化性質(zhì)分別為：有機碳537 g/kg，全氮10.3 g/kg，pH值10.5，灰分含量371 g/kg，全量K、Ca、Na、Mg分別為26.0，8.61，5.24，3.99 g/kg；Mehlich Ⅲ提取有效態(tài)P、K、Na、Ca、Mg含量分別為0.99，13.3，3.83，3.07，1.45 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2011年10月開始，至2016年6月小麥收獲時，已完成9個作物種植季(10月-次年6月為小麥季，6-9月為玉米季)。本試驗為單因素隨機區(qū)組試驗，共設(shè)置4個不同用量生物炭處理，分別為每季0(BC0、設(shè)為對照)，2.25 (BC2.25，為秸稈全量炭化還田量)，6.75 (BC6.75)，11.25 t/hm2(BC11.25)生物炭施用量。4個處理均重復(fù)3次，12個小區(qū)隨機排列，小區(qū)面積為16 m2，四周以水泥澆筑，以防小區(qū)間水肥互串。每季各小區(qū)N、P、K肥用量及施用方法同當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致，分別為N(普通尿素，含氮量46.4%)：240 kg/hm2、P2O5(重過磷酸鈣，46.0%)：150 kg/hm2、K2O(硫酸鉀，51%)：90 kg/hm2。P、K肥作為基肥在播種前一次性施入，N肥分2次施入，基追比為6∶4，在拔節(jié)期追肥，追肥方式為撒施+灌水。播種前將生物炭和基肥均勻撒于已平整的小區(qū)，經(jīng)人工翻地與0～20 cm土壤混合。小麥供試品種為豫麥49-198，其他田間栽培管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)田。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 小麥籽粒產(chǎn)量、生物量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 小麥收獲時將1 m雙行單獨收獲進行考種分析，記錄穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。除去1 m雙行其余按小區(qū)單打單收，所有小區(qū)籽粒風(fēng)干后稱其質(zhì)量并通過計算含水量(80 ℃下烘干48 h)計算籽粒產(chǎn)量和生物量。

收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)/生物量(kg/hm2)×100。

1.3.2 土壤樣品采集與分析 在小麥生長關(guān)鍵生育期(苗期、越冬期、拔節(jié)期、開花期和收獲期)，采用5點采樣法取各小區(qū)0～20 cm土壤土樣均勻混合為該小區(qū)土壤樣品，將采集的新鮮土壤樣品迅速帶回實驗室，用于物理和化學(xué)性質(zhì)分析。土壤硝態(tài)氮(NO3--N)含量用2 mol/L KCL溶液按照土水質(zhì)量體積比1∶5，振蕩1 h，提取液用紫外分光光度法在雙波長(220，275 nm)下直接測定硝態(tài)氮濃度。收獲期土壤樣品，全氮(TN)經(jīng)濃H2SO4-H2O2混合催化劑消煮后，采用半微量凱氏蒸餾法測定。土壤有機碳(TOC)采用重鉻酸鉀和硫酸亞鐵消煮法測定。土壤容重(SBD，Soil bulk density)在作物收獲后用環(huán)刀取耕層原狀土樣，烘干法測定。土壤質(zhì)量含水量(Soil moisture content)在105 ℃下烘干至恒重計算得到。

土壤質(zhì)量含水量=(濕土質(zhì)量(g)-干土質(zhì)量(g))/干土質(zhì)量(g)×100;

土壤總孔隙度=1-(容重(g/cm3)/2.65(g/cm3))，2.65為土壤顆粒密度[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016軟件進行處理、SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、Origin 8.0軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭對小麥產(chǎn)量的影響

由表1可知，生物炭短期施用(1季)和長期連續(xù)施用(9季)對小麥產(chǎn)量影響效果不同。其中，第1季小麥產(chǎn)量在4個處理間無顯著性差異，生物炭施用9季后，相較于不施生物炭處理，3個生物炭處理均顯著增加小麥產(chǎn)量。

第1季，與BC0相比，BC2.25、BC6.75和BC11.25處理對小麥籽粒產(chǎn)量和生物量均無顯著性影響(P>0.05)，僅BC2.25處理小麥收獲指數(shù)顯著增加0.4個百分點。與第1季結(jié)果不同，第9季，相較于不施生物炭，BC2.25、BC6.75、BC11.25處理小麥籽粒產(chǎn)量分別顯著增加24.5%，8.8%，9.1%(P<0.05)，小麥生物量顯著增加18.8%，8.1%，6.1%(P<0.05)，但僅BC2.25處理收獲指數(shù)顯著增加2.1個百分點(P<0.05)。此結(jié)果表明，生物炭短期施用，對小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量影響甚微，長期連續(xù)施用后，對小麥籽粒產(chǎn)量和生物量具有明顯提升作用。

表1結(jié)果表明，生物炭短期和長期施用對小麥產(chǎn)量三要素的影響效應(yīng)不同。與不施生物炭相比，3個生物炭處理在第1季和第9季對小麥千粒質(zhì)量均無顯著性影響。第1季，與對照相比，僅BC6.75處理顯著增加小麥穗數(shù)14.8%、穗粒數(shù)8.9%，其余生物炭處理對小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)均無顯著性影響。

第9季，相較于對照，BC2.25、BC6.75、BC11.25處理分別顯著增加穗數(shù)22.9%，31.4%，32.1%(P<0.05)，BC6.75處理顯著增加穗粒數(shù)9.6%。此結(jié)果表明，生物炭提高小麥籽粒產(chǎn)量主要通過增加小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)兩因素來實現(xiàn)，且生物炭的短期或長期施用對小麥千粒質(zhì)量均無顯著性影響，對穗粒數(shù)影響隨施用季節(jié)長短變化甚微，而隨施用季節(jié)的延續(xù)，生物炭對小麥穗數(shù)的增加作用愈加明顯。

表1 不同生物炭處理對小麥產(chǎn)量的影響Tab.1 Effects of different biochar treatments on yield of wheat

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖1-3同。

Note：Different letters after values indicate significant difference among treatments atP<0.05 level. The same as Fig.1-3.

圖1 生物炭長期施用對土壤耕層(0～20 cm)容重、含水量和總孔隙度的影響Fig.1 Effects of long-term biochar application on soil bulk density，soil moisture content and total porosity in topsoil (0-20 cm)

2.2 施用生物炭對土壤物理特性的影響

容重是土壤重要的物理參數(shù)之一，是鑒定土壤顆粒間排列緊實度和土壤質(zhì)地的重要參數(shù)[23]，與土壤質(zhì)量和作物生長密切相關(guān)。由圖1-A可知，生物炭連續(xù)施用9季后，使土壤耕層容重降低，表現(xiàn)為BC11.250.05)，BC6.75和BC11.25處理耕層容重分別顯著降低10.7%和19.6%(P<0.05)。

土壤水是作物吸收水分的主要來源，生物炭作為一種土壤外物質(zhì)，其施加影響著土壤的水分環(huán)境。圖1-B結(jié)果顯示，生物炭連續(xù)施用9季后，耕層質(zhì)量含水量在4個處理間表現(xiàn)為BC11.25>BC6.75>BC2.25>BC0。與不施生物炭處理相比，BC2.25、BC6.75、BC11.25處理耕層土壤含水量分別顯著增加8.9%，34.4%，42.2%(P<0.05)。

土壤孔隙度的大小關(guān)系著土壤的透水性、透氣性、導(dǎo)熱性和緊實度。由圖1-C可知，生物炭連續(xù)施用9季后，相較于對照，BC6.75、BC11.25處理耕層土壤總孔隙度分別顯著增加14.1%，26.0%(P<0.05)。

2.3 施用生物炭對土壤肥力的影響

土壤有機碳含量和有機質(zhì)含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，反映土壤長期固碳能力。由圖2-A可知，土壤有機碳含量隨生物炭施用季節(jié)的延續(xù)和用量的累積呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。其中，生物炭施用初期(第1季)，3個生物炭處理與對照相比，對耕層有機碳含量并無顯著性影響。至第9季，與對照相比，BC6.75和BC11.25處理耕層有機碳含量顯著增加127.9%和179.6%(P<0.05)。此結(jié)果表明，生物炭在潮土上短期施用對耕層有機碳含量無影響，長期連續(xù)施用可顯著增加有機碳含量。

對于耕種土壤來說，土壤全氮含量受施肥及耕作制度等的影響，生物炭作為外源土壤添加物，土壤全氮含量對生物炭施用時間長短的響應(yīng)不同。由圖2-B可知，與原始值相比，BC0處理全氮含量在生物炭施用1季和9季后，變化較小。而BC6.75和BC11.25處理全氮含量在生物炭施用9季后，增加顯著。與不施生物炭相比，第9季，BC6.75和BC11.25處理分別顯著增加耕層全氮含量25.4%和30.5%(P<0.05)。

圖2 生物炭長期施用對土壤耕層(0～20 cm)有機碳和全氮含量的影響Fig.2 Effects of long-term biochar application on total organic carbon and total nitrogen content in topsoil (0-20 cm)

耕層土壤硝態(tài)氮含量可在一定程度上反映土壤的供氮能力。由圖3-A可知，小麥生長期間，土壤耕層硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，最大值出現(xiàn)在苗期。生物炭施用初期(第1季)，小麥主要生育期，3個生物炭處理較對照雖小幅增加耕層硝態(tài)氮含量，但均未達到顯著水平。此結(jié)果表明，生物炭的短期施加對潮土小麥生育期耕層硝態(tài)氮含量并無顯著性影響。

圖3 施用生物炭對小麥生育期耕層(0～20 cm)硝態(tài)氮含量的影響Fig.3 Effects of biochar application on NO3--N content during wheat growth stage in topsoil (0-20 cm)

與第1季結(jié)果不同，第9季，3個生物炭處理在小麥不同生育期對耕層硝態(tài)氮含量增加幅度不盡相同。由圖3-B可知，苗期-成熟期，較不施生物炭處理，BC2.25處理對硝態(tài)氮含量均無顯著性影響。BC6.75和BC11.25處理在整個小麥生育期，均不同程度增加硝態(tài)氮含量。苗期，BC11.25處理較對照硝態(tài)氮含量顯著增加44.0%(P<0.05)。越冬期，BC6.75和BC11.25處理硝態(tài)氮含量分別顯著增加126.2%和243.6%(P<0.05)。拔節(jié)期，BC6.75和BC11.25處理硝態(tài)氮含量分別顯著增加128.7%(P<0.05)和118.5%。開花期，BC6.75處理較BC0處理硝態(tài)氮含量顯著增加9.0%(P<0.05)。收獲期，與不施生物炭相比，BC6.75和BC11.25處理硝態(tài)氮含量分別顯著增加41.9%和30.4%(P<0.05)。此結(jié)果表明，長期連續(xù)施用6.75，11.25 t/hm2生物炭9季后，可增加潮土小麥生育期耕層土壤硝態(tài)氮含量。

3 結(jié)論與討論

作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重中之重，小麥產(chǎn)量的高低對我國糧食安全具有重要意義。本研究結(jié)果表明，與不施生物炭相比，生物炭在連續(xù)施用9季后，3個生物炭處理均表現(xiàn)出增加小麥籽粒產(chǎn)量和地上部生物量的效果，其中以2.25 t/hm2施用量提升效果最佳。在相同試驗地區(qū)土壤上，Niu等[22]研究同樣表明，生物炭處理可增加小麥籽粒產(chǎn)量，這與高生物炭施用量提高了可供利用的營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)。試驗地所屬的華北平原屬于典型的潮土旱作區(qū)，水分一直是影響該地區(qū)作物生長的主要因素[23]。本研究中，連續(xù)9季的6.75，11.25 t/hm2生物炭用量能夠顯著提升土壤耕層含水量，此結(jié)果說明隨著生物炭用量的累積和季節(jié)的延續(xù)，其對土壤水分具有積極的保持作用。同時，生物炭提升田間持水量和飽和導(dǎo)水率可能也是其增加小麥籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量的原因之一[24]。一般而言，土壤容重較低，透水透氣性能更好，對于改善土體孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙內(nèi)的空氣、水分流通具有積極作用[25]。本研究結(jié)果表明，生物炭連續(xù)長期施入土壤后，土壤耕層容重降低，這與魏永霞等[26]在黑龍江地區(qū)的研究結(jié)果相似。從小麥產(chǎn)量構(gòu)成三要素結(jié)果分析，本研究中生物炭提高小麥籽粒產(chǎn)量主要通過提高穗數(shù)和穗粒數(shù)2個因素實現(xiàn)，而對千粒質(zhì)量無顯著影響，其原因可能是生物炭能夠提高耕層土壤水分含量，增加土壤通氣性，進而促進水分、營養(yǎng)的吸收，提高小麥根系生長和根系活力，最終有利于小麥分蘗成穗和成穗結(jié)實率的提高[27-28]。

土壤是復(fù)雜的有機和無機復(fù)合體，硝態(tài)氮積累是各種因素綜合作用的結(jié)果。土壤氮素供應(yīng)對小麥生長至關(guān)重要，小麥苗期生長主要依賴耕層硝態(tài)氮養(yǎng)分供應(yīng)[29]。本研究結(jié)果顯示，第9季苗期，與對照相比，BC11.25處理顯著增加耕層硝態(tài)氮含量，此階段是小麥營養(yǎng)生長階段。拔節(jié)期-抽穗期，小麥進入旺盛生長階段，對氮素需求增加，致使土壤耕層硝態(tài)氮含量持續(xù)降低，在此階段，BC6.75和BC11.25處理的硝態(tài)氮含量均高出對照，這可能暗示小麥在此生育時期，因生物炭的施用增加土壤硝態(tài)氮積累，減少氮素在土壤中的流失[30]，從而使添加生物炭處理的土壤持續(xù)保持相對較高的氮素供應(yīng)水平。隨小麥生育期的推進，收獲后耕層硝態(tài)氮含量較生育初期大幅下降。周陽雪[31]的研究也驗證了這一發(fā)現(xiàn)，相對于不添加生物炭的土壤而言，添加生物炭能顯著提高春季對土壤氮素的固持能力及作物的氮素吸收能力，這可能是生物炭促進小麥生長，最終增加產(chǎn)量的原因之一。

本研究結(jié)果顯示，生物炭連續(xù)施用9季后，顯著增加耕層有機碳含量，可能是由于生物炭本身含碳量高且具有強穩(wěn)定性，不易被微生物降解[32]，施用生物炭能顯著提高土壤有機碳和速效鉀含量，從而有效改善灰潮土土壤理化性質(zhì)[23]。土壤全氮含量與土壤有機質(zhì)含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[33]，本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭連續(xù)施用9季后，與不施生物炭土壤相比，耕層全氮含量在6.75～11.25 t/hm2的生物炭施用范圍內(nèi)顯著增加，與劉術(shù)均等[34]研究結(jié)果相似。但值得引起注意的是，在生物炭施用9季后，BC6.75和BC11.25處理顯著提高土壤肥力因子的前提下，BC6.75和BC11.25處理的小麥籽粒產(chǎn)量和生物量均顯著低于BC2.25處理，這可能暗示產(chǎn)量與秸稈源生物炭用量之間并無線性關(guān)系，但是大田尺度的生物炭施用閾值還并未可知。推測其原因可能是在本地區(qū)外源氮肥長期供應(yīng)充足(240 kg/hm2)的前提下，因生物炭添加提升的小麥根域更多的礦質(zhì)氮營養(yǎng)并不能被小麥完全吸收，且長期大量施用生物炭造成土壤氮素固定[35]，同時可能與生物炭因帶入易分解的碳組分而易引起微生物奪氮有關(guān)[36]。

本試驗BC2.25處理下的生物炭施用量為此區(qū)域秸稈全量炭化還田量，長期施用后能夠提升小麥產(chǎn)量和生物量，而BC6.75和BC11.25處理盡管較對照也顯著提升土壤肥力和產(chǎn)量，但從生物炭制備成本和農(nóng)田投入成本(1 800～2 400元/t)角度出發(fā)，高量的生物炭投入并未在此地區(qū)帶來更高的產(chǎn)量回報。作物秸稈資源可持續(xù)利用是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要課題之一，綜合考慮華北平原潮土小麥產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)對生物炭在連續(xù)施用9季后的響應(yīng)效果，認為當(dāng)前秸稈源生物炭在華北平原潮土區(qū)的適宜施用量為2.25 t/hm2。

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