生物炭對不同土壤化學性質、小麥和糜子產量的影響

陳心想，何緒生，耿增超，* ，張 雯，高海英，2

(1.西北農林科技大學資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，楊凌 712100;2.史丹利化肥股份有限公司市場部，臨沭 276700)

生物炭是由植物生物質在完全或部分缺氧條件下經熱裂解、炭化產生的一類高度芳香化、難溶性的固態物質［1］。全球對生物炭科學研究的重視，源于對巴西亞馬遜盆地中部黑土的認識［2］，研究發現木炭可在土壤中保存數百數千年，且富含木炭的土壤比臨近無木炭土壤的肥力更高。研究表明，施用生物炭可提高土壤持水容量和養分吸持容量［3］，提高陽離子交換量(CEC)低的和酸性土壤的CEC［4］，提高土壤微生物量及活性，促進土壤穩定性團聚體形成［3］，提高土壤有機碳含量［5］和酸性土壤pH值［4］，促進作物生長和增產，有時會抑制作物生長甚至減產［6］。此外，由于生物炭可延緩肥料釋放［7］，降低肥料損失［8］，將其與礦質肥配施作物增產效果更顯著。

目前，在風化土及典型熱帶貧瘠土壤上進行生物炭對土壤肥力和作物生長影響的研究較多［9］。近年來，我國學者也已開始關注生物炭的相關作用，但多數研究都集中在生物炭的理化特性和環境功能等方面［10-11］，將其應用于田間作物增產方面雖已有報道［12］，但在陜西關中地區的塿土和新積土上未見報道。本研究以陜西省兩種不同土壤(塿土和新積土)為研究對象，采用室外盆栽試驗，對施用生物炭后土壤化學性質、土壤速效養分含量、作物產量和生物量以及作物中養分含量的變化等進行研究，試圖探明生物炭對土壤化學性質和作物生長的影響，為進一步大田試驗提供依據，并為生物炭在農業特別是在陜西省農業上應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1)供試土壤 供試土壤分別采自陜西省楊凌農業高新示范區二道塬的塿土和陜西省楊陵示范區渭河河灘的新積土。根據國際制土壤質地分級標準塿土、新積土的質地分別為壤土和砂土，其性質和顆粒組成見表1。

(2)作物 選用西北農林科技大學選育小麥(小偃22號)和寧夏固原市農業科學研究所選育糜子(寧糜14號)。

(3)生物炭 研究所用生物炭系市場采購的木炭，磨細過1 mm篩，其基本性質見表2。

表1 供試土壤的基本化學性質Table 1 Elementary chemical properties of soil in the pot experiment

表2 供試生物炭基本化學性質和元素含量Table 2 Elementary chemical properties and element contents of biochar

1.2 盆栽試驗設計

每種土壤各設5個處理，即生物炭當季施用量分別為B0(0 t/hm2)、B5(5 t/hm2)、B10(10 t/hm2)、B15(15 t/hm2)和B20(20 t/hm2)，設5次重復，每個處理用土量為5 kg，除生物炭用量不同外，各處理，氮、磷、鉀肥(分別為硝酸銨、磷酸二氫鈣、硫酸鉀)均作基肥施用，用量均為每公頃225 kg N，180 kg P2O5，150 kg K2O，每次種植前取出土壤并與生物炭和肥料充分混勻后裝盆。

盆栽試驗進行兩季，分別于2010年10月17日至2011年5月20日種植小麥，每盆定植20株，2011年6月15日至2011年8月23日種植糜子，每盆定植25株。因種植小麥前按設計方案已種植一季糜子，故小麥收獲時生物炭累積量分別為 0、10、20、30、40 t/hm2，在糜子收獲時生物炭累積量分別為 0、15、30、45、60 t/hm2。在作物生長期間根據天氣及作物生長狀況適量灌水，以滿足作物正常生長發育所需。

1.3 測定指標及方法

作物成熟后，收獲時用剪刀將穗剪下、植株沿莖基部剪下，分別裝入干凈信封中，置于恒溫箱中90℃殺青30 min、65℃烘至恒重后稱量，計算地上部生物量及產量，且于每盆布四點立即用土鉆采集土樣。

生物炭性質測定方法:采用水/樣為25∶1電位計法;CEC采用乙酸鈉-火焰光度法［13］;元素含量利用元素分析儀和能譜儀測定。

土壤各項指標均采用常規方法測定。其中，土壤pH值采用水土比2.5∶1浸提-酸度計法;CEC采用乙酸鈉-火焰光度法;有機碳采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法;礦質態氮采用1 mol/L KCl浸提-流動分析儀測定NO－3-N和NH+4-N后求二者之和;有效磷用Olsen法;速效鉀用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法［13］。

植物樣品(植株/種子):用濃硫酸-雙氧水消煮，定容后分別用半自動定氮儀、鉬銻抗比色法、火焰光度計法測定全 N、全 P、全 K［13］。

1.4 數據處理

試驗數據利用DPSv7.05統計軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比較采用最小顯著差異法(LSD)，顯著性水平設定為0.05，用Excel 2007作圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤化學性質和速效養分的影響

2.1.1 生物炭對土壤化學性質的影響

如表3所示，土壤pH值隨生物炭用量的增加而有增加趨勢，僅新積土糜子季施炭處理較B0顯著增加。施用生物炭后，土壤CEC在新積土上均隨生物炭施用量的增加而顯著增加，但糜子季增幅較小;而塿土土壤CEC雖有增加，但處理間差異均不顯著。施用生物炭后，兩種土壤有機碳含量均隨生物炭用量的增加而顯著增加，且總體上糜子季增幅大于小麥季，新積土的增幅高于塿土。由表3還可以看出，連續種植兩季作物后，隨著生物炭的連續施入，土壤pH值、CEC和有機碳含量在糜子季各處理均高于小麥季相應處理，表明生物炭在土壤中穩定性較高，分解速度較慢，連續施入后累積于土壤中。

表3 施用生物炭對土壤化學性質的影響Table 3 Effects of biochar on soil chemical properties

2.1.2 生物炭對土壤速效養分的影響

如表4所示，施用生物炭后，兩種土壤的礦質態氮含量均隨生物炭用量的增加而顯著增加，表明施用生物炭能增加土壤對NO－3和NH+4的吸持，有效地補充土壤氮素養分。土壤有效磷和速效鉀含量僅在新積土的兩季作物上，隨生物炭用量的增加而顯著增加，在塿土上雖有增加趨勢但處理間無顯著差異。這表明生物炭可提高新積土對氮、磷、鉀的吸附保持作用，改善新積土(砂土)“漏水漏肥”的不足，從而利于作物整個生長期對養分的需求。由于塿土保水保肥性好，故生物炭對養分的吸附作用并不顯著，具體效應將在下一步田間長期定位試驗中研究。

表4 施用生物炭對土壤速效養分的影響Table 4 Effects of biochar on soil available nutrients content

2.2 生物炭對作物產量和養分吸收的影響

2.2.1 生物炭對作物地上部生物量和產量的影響

如圖1所示，施用生物炭后，作物生物量雖有增加趨勢，但除塿土小麥B5、B10和B15較B0顯著增加了23.6%、20.6%和15.9%外，塿土糜子季和新積土上兩種作物生物量均無顯著差異，且生物炭在最高用量時甚至對新積土作物產生輕微抑制作用。

如圖2所示，施用生物炭后，新積土糜子和塿土小麥顯著增產，其中新積土糜子僅B10和B20較B0顯著增產66.0%和43.0%，塿土小麥僅B5和B10較B0顯著增產38.6%和28.3%，而其他處理雖有變化但差異不顯著，這說明施用生物炭對小麥和糜子的增產效應尚不穩定，有待進一步大田長期定位試驗研究。

圖1 施用生物炭對小麥、糜子生物量的影響Fig.1 Effects of biochar on dry weight of wheat and millet

圖2 施用生物炭對小麥、糜子產量的影響Fig.2 Effects of biochar on yield of wheat and millet

2.2.2 生物炭對作物養分吸收的影響

(1)生物炭對作物植株內養分含量的影響

如表5所示，施用生物炭后，兩種土壤上糜子植株氮含量均顯著增加，小麥季處理間無顯著差異。塿土糜子植株磷含量顯著降低，而其他處理雖有增加趨勢但差異不顯著。兩種作物植株鉀含量在新積土上均顯著增加，但在塿土上處理間無顯著差異。由此可知，施用生物炭促進了糜子植株對氮素的吸收利用，而對小麥影響不顯著，這可能與作物類型有關。施用生物炭也促進了新積土上作物對鉀素的利用，對塿土的影響較小，這可能與土壤性質有關。

表5 施用生物炭對作物植株養分含量的影響Table 5 Effects of biochar on nutrient content of crop plant

(2)生物炭對作物籽粒中養分含量的影響

如表6所示，施用生物炭后，籽粒氮含量在新積土上兩季作物均顯著提高，而在塿土上僅小麥季顯著提高，籽粒磷含量僅在新積土小麥季顯著提高，籽粒鉀含量僅在塿土糜子季顯著提高，其他處理雖有增加趨勢但處理間差異不顯著。

表6 施用生物炭對作物籽粒養分含量的影響Table 6 Effects of biochar on nutrient content of crop seeds

(3)生物炭對作物養分吸收量的影響

如表7所示，施用生物炭后，塿土上兩季作物氮素吸收總量均顯著提高，磷素和鉀素吸收總量分別在新積土糜子季和塿土小麥季顯著提高，其他處理間雖有增加但均無顯著差異。

3 討論

3.1 生物炭與土壤化學性質的關系

本試驗所用生物炭pH值較高，施入土壤后除了增加新積土糜子季土壤pH值外，對其他處理pH值影響并不顯著，這與前人研究結果［4］不一致，主要原因可能是原始土壤pH值較高，生物炭灰分中的可溶性鹽基離子，如鈣、鎂、鉀、鈉等，溶于水后不能顯著提高土壤鹽基離子飽和度。新積土糜子季炭處理土壤pH值較對照變化較大，原因之一可能是本研究為盆栽試驗，裝土量有限，使土壤緩沖性能減弱;另一方面可能是新積土CEC較小，緩沖容量較小所致，該結論還有待于大田長期定位試驗進一步研究。

表7 施用生物炭對作物養分吸收量的影響Table 7 Effects of biochar on uptake of nutrients by crops

土壤CEC是衡量土壤肥力的重要指標，可直接反映土壤吸持和供給可交換養分的能力，而土壤膠體的比表面積和表面負電荷密度決定了其大小［14］，因此，土壤的固相組成直接影響土壤CEC。生物炭比表面積大，可以增強土壤對陽離子的吸附能力［15］，增加耕層土壤CEC［16］。由于CEC的形成主要與土壤中有機質含量和粘粒含量有關，因此本試驗中生物炭顯著提高了有機質較低的新積土CEC，而對有機質較高的塿土影響相對較弱。連續種植兩季作物后，糜子季CEC均大于小麥季，可能是因為隨著生物炭與土壤相互作用時間的延長，在生物或非生物作用下，生物炭表面可部分被輕度氧化形成羰基、酚基和醌基等官能團［17］，其電荷量或CEC增大，從而增大土壤CEC。

本試驗施用生物炭顯著增加土壤有機碳含量，其增幅隨生物炭用量的增加而增加，且新積土的增幅高于塿土，這是由于生物炭富含有機碳，可以增加土壤有機碳含量［4，18］，以及土壤有機質［3，19］或腐殖質含量，而新積土原土的有機碳含量明顯低于塿土，施入生物炭后，通過激發效應促進土壤有機質的分解［20］，有機碳含量迅速提高。在連續種植兩季作物后，同一土壤糜子季土壤有機碳含量均高于小麥季，且兩季作物土壤有機碳含量均高于原始土壤。原因一方面可能是土壤處理時殘留了極細小的植物殘體;另一方面，生物炭的穩定性較高，隨著生物炭的逐季施入，土壤中累積的生物炭增多，一些極細小的生物炭顆粒可能附著于土壤表面［21］。

3.2 生物炭與土壤養分變化的關系

生物炭具有較大的比表面積，施入土壤后可以吸附多種離子，從而提高土壤的保肥性能［22］，但其對養分是一種選擇性吸持［23］，對 NH+4、NO－3吸附作用較強［3］。本試驗施用生物炭顯著增加土壤礦質態氮含量，且增幅隨生物炭用量的增加而增加，這與前人室內培養試驗結果一致［24］。已有研究指出生物炭可以增加有效P、K、Mg和Ca含量［25］，但本試驗施用生物炭顯著提高了新積土有效P、K含量，但對塿土影響不顯著。原因可能是新積土養分含量較低且易淋失，施入生物炭后，由于炭本身含有一定養分即可作為肥料提高土壤肥力［11］，而且其巨大表面積易吸附養分，從而提高了土壤速效養分含量，而對肥力高的塿土影響較小。

3.3 生物炭與作物產量、生物量及養分吸收的關系

前人研究表明［9，12，26］，施用生物炭可以顯著促進作物生長，增加作物地上部干物質的積累和作物產量。本研究結果顯示，僅塿土小麥生物量顯著增加，且生物炭在最高用量時甚至對新積土上作物生物量產生輕微的抑制作用。施用生物炭對小麥和糜子的增產效應尚無規律，新積土小麥和塿土糜子均未顯著增產，而新積土糜子和塿土小麥季顯著增產。原因一方面可能與土壤和作物類型有關，因為在酸性和中性、粗或中等質地的土壤上生物炭的增產效應較顯著［27］;另一方面，生物炭含碳量高而礦質養分含量低，施入土壤后作物直接利用的養分有限，土壤C/N比提高，進而降低土壤養分尤其是氮素有效性［28］，因而在多數土壤上單獨施用生物炭，會導致當季或幾季作物無增產效應，甚至減產［7］。因此，生物炭的增產效應可能與土壤肥力狀況、生物炭用量、礦質肥管理、作物和土壤類型等因素有關［29］，具有較大的不確定性。

有研究表明，施用生物炭有利于增加作物組織中磷、鉀、鈣、鎂等元素吸收［30］。本試驗結果表明，施用生物炭顯著提高了塿土上兩種作物氮吸收量，而對磷、鉀吸收量的影響尚不穩定，且同一土壤不同作物響應不同。原因可能是生物炭和氮肥配施提高了土壤pH值，可能降低了磷和某些微量元素的有效性［29-30］，從而不利于作物對養分的吸收，還與作物類型和種植年限有關。

4 結論

(1)生物炭顯著增加了新積土糜子季土壤pH值，其他處理雖隨生物炭用量增加而有增加趨勢但差異不顯著;顯著增加新積土土壤CEC，小麥季增幅較大，而對塿土土壤CEC影響不顯著;顯著增加兩種土壤有機碳含量，且新積土增幅高于塿土，糜子季增幅大于小麥季。

(2)生物炭可顯著提高兩種土壤的礦質態氮含量，顯著提高新積土土壤有效磷和速效鉀含量，而對塿土磷鉀含量無顯著影響。

(3)施用生物炭對小麥和糜子的增產效應尚不明確，不同土壤上不同作物對生物炭的響應不同，與土壤肥力狀況有關。生物炭可顯著提高塿土上作物氮吸收量，而作物磷、鉀吸收量雖有增加但差異不顯著，且同一土壤不同作物響應不同。

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