鄭云珠，孫樹(shù)臣，翟勝

（聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東 聊城 252059）

我國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量7億～10億t，秸稈資源十分豐富，但還田率不足二分之一，秸稈丟棄、焚燒等不合理利用仍是農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問(wèn)題［1，2］。秸稈含有豐富的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素［3］，在改善土壤環(huán)境、提高土壤肥力及作物增產(chǎn)等方面具有重要作用［4，5］。

近幾十年來(lái)，農(nóng)作物秸稈還田（秸稈粉碎還田、秸稈炭化還田、覆蓋還田、過(guò)腹還田等）在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注［6-9］，特別是秸稈炭化（生物炭）還田已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［10-12］。秸稈直接還田作為主要的還田方式，可有效改善土壤養(yǎng)分含量，并有效調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱狀況，促進(jìn)作物增產(chǎn)［13，14］。但秸稈直接還田會(huì)造成出苗率降低、病蟲(chóng)害發(fā)生幾率增加等風(fēng)險(xiǎn)，影響作物產(chǎn)量，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致溫室氣體排放量增加等負(fù)效應(yīng)［15，16］。生物炭還田為秸稈資源化高效利用提供了一種新的方法和途徑。

生物炭起源于對(duì)亞馬遜流域黑土的認(rèn)識(shí)，之后利用各種有機(jī)物料制備生物炭并將其作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)備受關(guān)注［10-12］。生物炭具有巨大的比表面積、豐富的孔隙度和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素等特征，施入農(nóng)田后可有效改善土壤孔隙狀況、提高土壤保水保肥能力，從而有利于促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育并實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)［17-20］。研究表明，施用生物炭能促進(jìn)夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育及增產(chǎn)，有效提高土壤含水量及水資源利用效率［21-23］。作物產(chǎn)量和水分利用效率隨施炭量的增加呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，而秸稈還田對(duì)水分利用效率的影響并不顯著，適宜的施炭量比秸稈還田更能促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高［16，21，24］。然而也有研究指出，施用生物炭對(duì)作物產(chǎn)量及水分利用效率無(wú)明顯影響，過(guò)量施用生物炭還會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量、水分利用效率降低［25-27］。因此，受生物炭原料、施用量及土壤條件等因素的影響，有關(guān)提高玉米產(chǎn)量及水分利用效率的適宜生物炭施用量的結(jié)論不一，且當(dāng)前的研究大多基于單一生物炭或秸稈還田對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，而將二者進(jìn)行對(duì)比分析的研究報(bào)道較少。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省聊城市，試驗(yàn)在聊城大學(xué)土壤生態(tài)環(huán)境教學(xué)科研基地（36°43′N，116°01′E）進(jìn)行。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫約為13.5℃，無(wú)霜期約為208 d，年均降水量為540.4 mm，年際和年內(nèi)降水分配不均，全年降水量主要集中于夏季。試驗(yàn)期內(nèi)（2020年6—9月）日均氣溫與降水量如圖1所示，觀測(cè)期內(nèi)平均氣溫和總降水量分別為25.0℃和682.1 mm，降水量高于多年平均值。

圖1 試驗(yàn)期內(nèi)日均氣溫和降水量

1.2 供試材料

試驗(yàn)地為石灰性潮土，其基本理化性質(zhì)為：容重1.48 g/cm3、田間持水量26.79%，pH值8.81、電導(dǎo)率215.07μS/cm、有機(jī)質(zhì)含量10.87 g/kg、全氮0.72 g/kg、有效磷18.50 mg/kg和速效鉀100.44 mg/kg。生物炭為玉米秸稈生物炭，裂解溫度為450℃，其基本理化性質(zhì)為：pH值7.44、電導(dǎo)率2 470μS/cm、全氮含量15.45 g/kg、有效磷1 151.85 mg/kg和速效鉀5 300.21 mg/kg。供試玉米品種為鄭單958。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間小區(qū)試驗(yàn)中，定位試驗(yàn)為第一年第二季夏玉米季，設(shè)置不同生物炭還田量和秸稈還田量。其中，生物炭施用量按照小區(qū)內(nèi)實(shí)際平均秸稈生產(chǎn)量（玉米秸稈干物質(zhì)量）全部轉(zhuǎn)化為生物炭（平均轉(zhuǎn)化率約為30%）進(jìn)行倍數(shù)施用，還田量分別為50%（B0.5，1.14 t/hm2）、1.0倍（B1.0，2.28 t/hm2）、1.5倍（B1.5，3.42 t/hm2）和2.0倍（B2.0，4.56 t/hm2）；秸稈直接還田量按照小區(qū)內(nèi)實(shí)際平均秸稈生產(chǎn)量（玉米秸稈干物質(zhì)量）進(jìn)行倍數(shù)施用，還田量為50%（S0.5，3.80 t/hm2）、1.0倍（S1.0，7.60 t/hm2）、1.5倍（S1.5，11.40 t/hm2）和2.0倍（S2.0，15.20 t/hm2）；以無(wú)生物炭和秸稈還田處理為對(duì)照（CK），共計(jì)9個(gè)處理。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)面積為8 m2。

生物炭和秸稈采用冬小麥季還田—夏玉米季不還田的單季還田模式，生物炭過(guò)2 mm篩，秸稈粉碎至5 cm，于冬小麥播種前均勻撒施在土壤表面并翻入耕層土壤中充分混勻。各小區(qū)施肥量一致，分別為氮肥（尿素，N 46%）225 kg/hm2、磷肥（磷酸二銨，P2O542%、N 18%）150 kg/hm2、鉀肥（氯化鉀，K2O 51%）150 kg/hm2，50%的氮肥和全部鉀肥、磷肥在夏玉米播種前一次性施入作為底肥，50%氮肥在拔節(jié)期追施。試驗(yàn)期為2020年6月14日夏玉米種植至9月23日收獲。株距為25 cm，行距為50 cm，種植密度8萬(wàn)株/hm2。試驗(yàn)未使用農(nóng)藥，其它管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)田。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 植株性狀及產(chǎn)量 于拔節(jié)期、小喇叭口期、開(kāi)花期和灌漿期，每個(gè)小區(qū)選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻的玉米植株，測(cè)其各生育期的株高、莖粗，灌漿期另測(cè)穗位高。于成熟期取各小區(qū)中間兩行測(cè)量植株鮮重、穗鮮重和穗粒數(shù)，并隨機(jī)選取10株將莖、葉、穗軸和籽粒分開(kāi)，于105℃殺青30 min后75℃烘干至恒重，計(jì)算地上干物質(zhì)量、千粒重和籽粒產(chǎn)量。

1.4.2 土壤含水量 于玉米拔節(jié)期、小喇叭口期、開(kāi)花期、灌漿期和成熟期，使用土鉆取0～100 cm土樣，每10 cm分為一層，于105℃烘干至恒重，計(jì)算土壤含水量。

1.4.3 水分利用效率 計(jì)算公式為：

式中，WUE為水分利用效率［kg/（hm2·mm）］，Y為籽粒產(chǎn)量（kg/hm2），ET為夏玉米生育期內(nèi)的總耗水量（mm）。

3.創(chuàng)辦“優(yōu)秀作文”?？?。如我校初一年段就創(chuàng)辦了“優(yōu)秀作文”?？洞翰輬@》，它主要的作用是將每月的寫作主題中比較優(yōu)秀的作文（指導(dǎo)教師給予適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)評(píng)）進(jìn)行選編，以供同年級(jí)的學(xué)生學(xué)習(xí)和交流。讓同年級(jí)的學(xué)生看同年級(jí)的作文，別有一番滋味。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS26.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析（LSD，P＜0.05）和相關(guān)分析（Spearman），Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭和秸稈還田對(duì)夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 對(duì)株高的影響 各處理下玉米株高隨生育期的推進(jìn)呈先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)（圖2）。生物炭和秸稈還田處理有利于增加玉米拔節(jié)期株高，且生物炭還田優(yōu)于秸稈還田，但僅B2.0處理與對(duì)照差異顯著。小喇叭口期，各處理對(duì)株高的促進(jìn)作用與對(duì)照相比無(wú)顯著差異，B1.0和S0.5處理對(duì)植株增高有所抑制。各處理下開(kāi)花期玉米株高達(dá)到最大值，B0.5、S2.0處理分別顯著高于對(duì)照4.45%、4.66%。灌漿期，整體上生物炭處理株高隨還田量的增加逐漸降低，而秸稈還田處理隨還田量的增加而增加，B0.5、S1.5和S2.0處理顯著提升夏玉米株高。生育期內(nèi)，B0.5、S1.0、S1.5和S2.0處理始終能夠促進(jìn)玉米植株生長(zhǎng)，提升株高。

圖2 生物炭和秸稈還田對(duì)夏玉米株高的影響

2.1.2 對(duì)莖粗的影響 由圖3可以看出，玉米莖粗隨生育期的推進(jìn)不斷提高并呈單峰曲線變化，小喇叭口期達(dá)到最大值后有所下降。與對(duì)照相比，拔節(jié)期生物炭處理對(duì)莖粗的影響除B1.5表現(xiàn)為抑制外，其余處理均表現(xiàn)為促進(jìn)；其它生育期內(nèi)，僅B2.0在小喇叭口期、B0.5在開(kāi)花期和灌漿期表現(xiàn)為促進(jìn)，其余生物炭處理則表現(xiàn)為抑制。與生物炭不同，秸稈還田對(duì)莖粗生長(zhǎng)的影響在拔節(jié)期S0.5、S1.0處理表現(xiàn)為抑制，S1.5、S2.0處理表現(xiàn)為促進(jìn)，但隨著生育期的推進(jìn)秸稈還田處理對(duì)莖粗生長(zhǎng)均表現(xiàn)為促進(jìn)，S1.5處理促進(jìn)效果最佳，S2.0處理次之。

圖3 生物炭和秸稈還田對(duì)夏玉米莖粗的影響

2.2 生物炭和秸稈還田對(duì)夏玉米地上干物質(zhì)量及產(chǎn)量的影響

不同生物炭和秸稈還田量對(duì)玉米地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量的影響有一定差異（表1）。生物炭處理中B0.5更有利于促進(jìn)地上干物質(zhì)量、穗位高、穗粒數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量的增加。籽粒產(chǎn)量隨生物炭還田量的增加呈先降低后有所增加的變化趨勢(shì)，B0.5處理顯著增產(chǎn)，為10.86%，B1.5和B2.0減產(chǎn)但與對(duì)照無(wú)顯著差異。

表1 生物炭和秸稈還田對(duì)夏玉米地上干物質(zhì)量及產(chǎn)量的影響

與對(duì)照相比，秸稈還田處理地上干物質(zhì)量、穗位高、穗粒數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量分別增加4.80%～13.15%、0.28%～8.77%、2.00%～4.57%、3.02%～5.54%、5.44%～12.22%，并均表現(xiàn)為隨還田量的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)。其中S1.5、S2.0處理地上干物質(zhì)量較對(duì)照分別提高10.96%和13.15%，籽粒產(chǎn)量分別提高10.89%和12.22%。秸稈還田各處理雖可以更好地提高玉米地上干物質(zhì)量及籽粒產(chǎn)量，但收獲指數(shù)均低于生物炭還田。

對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量與生育指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（表2）表明，籽粒產(chǎn)量與株高、莖粗、地上干物質(zhì)量、穗位高和穗粒數(shù)均呈顯著或極顯著相關(guān)，與地上干物質(zhì)量的相關(guān)性最強(qiáng)，而與千粒重的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。

表2 夏玉米籽粒產(chǎn)量與生育指標(biāo)的相關(guān)分析

2.3 生物炭和秸稈還田對(duì)土壤含水量的影響

由圖4看出，夏玉米不同生育期0～100 cm土層土壤含水量垂直分布特征差異較大?？傮w上，B1.5處理土壤含水量最高，分別在拔節(jié)期0～40 cm、小喇叭口期0～70 cm、開(kāi)花期0～30 cm和灌漿期0～60 cm土層的土壤含水量保持較高水平。從拔節(jié)期到成熟期，各處理平均土壤含水量表現(xiàn)為B1.5＞CK＞B1.0＞B2.0＞S2.0＞B0.5＞S0.5＞S1.0＞S1.5；隨生物炭還田量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)（B1.5最大），隨秸稈還田量的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)（S1.5最?。?，整體上生物炭還田對(duì)土壤水分的保持效果優(yōu)于秸稈還田。

圖4 生物炭和秸稈還田對(duì)土壤含水量的影響

2.4 生物炭和秸稈還田對(duì)夏玉米水分利用效率的影響

由圖5可知，玉米水分利用效率隨生物炭還田量的增加逐漸降低，B0.5、B1.0處理有利于促進(jìn)水分利用效率的提高，B0.5處理高于對(duì)照12.14%，而B(niǎo)1.5、B2.0則不同程度地降低水分利用效率。與對(duì)照相比，秸稈還田各處理均有利于促進(jìn)水分利用效率的提高，表現(xiàn)為隨秸稈還田量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，其中S1.5處理水分利用效率最高，但仍低于B0.5處理。

圖5 生物炭和秸稈還田對(duì)夏玉米水分利用效率的影響

3 討論

農(nóng)作物秸稈自身養(yǎng)分含量豐富，其炭化之后還田和直接還田均可以有效改善土壤肥力［7，28］，從而有利于夏玉米根系從土壤中吸收豐富的養(yǎng)分為其生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成提供支持。本研究結(jié)果表明，不同生物炭和秸稈還田量對(duì)夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育表現(xiàn)出一定的差異，整體上秸稈還田S2.0處理對(duì)株高、穗位高以及S1.5處理對(duì)莖粗的促進(jìn)作用最優(yōu)。

籽粒產(chǎn)量受植株性狀的影響，株高、莖粗和穗位高是影響籽粒產(chǎn)量的重要指標(biāo)。有研究發(fā)現(xiàn)玉米株高、莖粗和穗位高均與單株鮮穗產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)性［29］，本研究相關(guān)分析也表明灌漿期株高、莖粗和穗位高與籽粒產(chǎn)量之間均表現(xiàn)為顯著或極顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為0.591、0.729和0.448）。

夏玉米地上干物質(zhì)量與株高、莖粗密切相關(guān)，B0.5、B1.0處理和秸稈還田各處理均能夠促進(jìn)地上干物質(zhì)量的增加，而B(niǎo)1.5和B2.0處理則降低地上干物質(zhì)量。相關(guān)分析表明，地上干物質(zhì)量與籽粒產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.834，因而B(niǎo)1.5和B2.0處理籽粒產(chǎn)量相應(yīng)出現(xiàn)減產(chǎn)，但與對(duì)照無(wú)顯著差異。

也有研究發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)量隨施炭量和秸稈還田量的增加而增加［30，31］，僅與本研究秸稈還田試驗(yàn)結(jié)果一致，即籽粒產(chǎn)量隨其還田量的增加而增加。這可能由于本試驗(yàn)采用的是冬小麥季還田夏玉米季不還田的單季還田模式：冬小麥季氣溫較低影響秸稈的腐解，而雨熱同期的夏玉米季則可以促進(jìn)秸稈腐解［32］；秸稈還田量的增加可以為作物生長(zhǎng)提供更多的養(yǎng)分支持，從而實(shí)現(xiàn)麥季還田夏玉米增產(chǎn)的效果。本研究中，生物炭還田并未表現(xiàn)出隨還田量的增加而逐漸增加的趨勢(shì)，B0.5和B1.0處理可以較好地實(shí)現(xiàn)玉米增產(chǎn)，過(guò)量生物炭（B1.5和B2.0）還田對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的促進(jìn)效果減弱甚至產(chǎn)生抑制作用。其原因可能是，施高含碳量的生物炭導(dǎo)致土壤C/N比值提高，使微生物對(duì)氮元素產(chǎn)生固定作用，降低氮肥利用效率［33］，影響夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育和干物質(zhì)積累，進(jìn)而影響籽粒產(chǎn)量；另外研究期內(nèi)較多的降水可能降低了生物炭改善土壤肥力的有效性。闞正榮等［34］研究也指出，生物炭施用量對(duì)玉米產(chǎn)量的促進(jìn)作用具有一定范圍，中低量施用可以實(shí)現(xiàn)夏玉米增產(chǎn)，而過(guò)高施用則降低其花后干物質(zhì)量和產(chǎn)量。

生物炭還田和秸稈還田能夠改善土壤原有物理結(jié)構(gòu)、降低土壤容重、增加土壤孔隙度，同時(shí)適宜的還田量還可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而引起土壤水分的變化［19，20，35］。在夏玉米生育期內(nèi)生物炭還田對(duì)土壤水分保持的效果優(yōu)于秸稈還田，可能是由于生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附力等特殊性質(zhì)使其具有較好的持水保水能力［36］。有研究指出塿土土壤含水量隨生物炭施用量的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)［37］；而孟繁昊等［38］研究表明，土壤持水性隨施炭量的增加呈先增后減的變化規(guī)律。本研究中，夏玉米生育期內(nèi)平均土壤含水量具有隨生物炭還田量的增加呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，B1.5處理土壤含水量達(dá)到最大值后有所下降，其原因可能是生物炭本身持水保水能力具有有限性。

生物炭處理籽粒產(chǎn)量隨還田量的增加呈先減少后增加的變化，B1.5處理達(dá)到最小值后有所提高，與平均土壤含水量表現(xiàn)出完全相反的變化趨勢(shì)。這可能是由于生物炭還田對(duì)土壤水具有較強(qiáng)的吸持力，生物炭還田量的增加則影響玉米根系對(duì)土壤水分的吸收利用，從而影響籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。劉超等［39］研究指出，過(guò)量施用生物炭會(huì)降低夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率。本研究中，B1.5和B2.0處理降低夏玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。而夏玉米生育期內(nèi)平均土壤含水量隨秸稈還田量的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)，S1.5達(dá)到最小值后有所上升，但各處理均低于對(duì)照。這可能是由于秸稈還田處理夏玉米生長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，需要吸收更多的土壤水分供其生長(zhǎng)發(fā)育和增產(chǎn)，提高其水分利用效率。水分利用效率表現(xiàn)為，隨秸稈還田量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，S1.5處理達(dá)到最大值后有所降低。本研究與刁生鵬等［40］的研究結(jié)果一致，即水分利用效率隨秸稈還田量的增加先增加后減小，適宜的還田量可以更好地提高水分利用效率，同時(shí)指出秸稈還田增加土壤中礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)濃度，作物得到所需營(yíng)養(yǎng)元素后促進(jìn)植株氣孔開(kāi)放，增強(qiáng)其有效蒸騰，從而改善對(duì)土壤水分的有效利用。

4 結(jié)論

4.1 不同生物炭和秸稈還田量對(duì)夏玉米各生育期株高、莖粗的影響各有差異，B0.5、S1.0、S1.5和S2.0處理均可促進(jìn)各生育期的平均株高和莖粗提高。S1.5、S2.0處理地上干物質(zhì)量顯著高于對(duì)照，分別增10.96%、13.15%。

4.2 夏玉米籽粒產(chǎn)量與株高、莖粗、地上干物質(zhì)量、穗位高和穗粒數(shù)呈顯著或極顯著相關(guān)性，而與千粒重相關(guān)不顯著。與對(duì)照相比，B0.5、S1.0、S1.5和S2.0處理顯著增產(chǎn)，分別增10.86%、8.72%、10.89%和12.22%。

4.3 夏玉米生育期內(nèi)生物炭還田整體上比秸稈還田能夠更好地保持土壤水分，其中B1.5處理持水效果最佳。玉米水分利用效率隨生物炭還田量的增加逐漸降低，隨秸稈還田量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)（S1.5處理最大），B0.5處理對(duì)提高水分利用效率效果最好，高于對(duì)照12.14%。