生物炭對旱作農田土壤理化性質及作物產量的影響

房彬，李心清*，趙斌*，鐘磊

1. 中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津 300191；2. 中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室，貴州 貴陽 550002

生物炭對旱作農田土壤理化性質及作物產量的影響

房彬1,2，李心清2*，趙斌1*，鐘磊1

1. 中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津 300191；2. 中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室，貴州 貴陽 550002

生物炭因其結構和功能特性受到國內外學者廣泛關注，在農業土壤改良培肥、固碳減排等方面展現出巨大的應用潛力，但基于田間長期定位試驗，開展生物炭對大田土壤理化性質及作物產量的影響研究尚不多見。以西南地區玉米（Zea mays L.）-油菜（Brassica campestris L.）輪作農田為研究對象，通過不同生物炭添加比例的田間定位試驗研究了生物炭施用對旱作農田土壤容重、pH值、有機質、礦質態氮、有效磷、含水量等理化性質以及作物產量的影響，試驗共設4個處理：單施復合肥、尿素（C0）；復合肥、尿素+20 t·hm-2生物炭（C2）；復合肥、尿素+50 t·hm-2生物炭（C5）；復合肥、尿素+100 t·hm-2生物炭（C10）。結果表明：與C0對比，C5和C10處理均顯著降低了土壤容重，降低幅度分別為14.6%和32.5%；C2、C5和C10處理土壤年均pH比對照組分別提高了0.10、0.17和0.15個單位；處理組土壤中有機質含量比對照組分別提高44.9%、137.7%和297.2%；土壤硝態氮含量比對照組分別提高了38.0%、26.3%和88.4%；土壤有效磷含量分別提高了34.8%、135.0%和232.2%；生物炭處理下土壤年均含水量比對照組分別提高了8.8%、29.1%和44.7%。玉米、油菜籽實和均表現為生物炭處理高于對照組。玉米籽實提高7.6%～20.3%，玉米根莖葉生物量提高8.6%～46.8%；油菜籽實產量提高顯著，高于對照組15.7%～35.4%，根莖葉生物量提高-17.2%～30.3%。綜合來看，本試驗條件下，生物炭施用有利于降低土壤容重，提高土壤 pH、有機質含量、NO3－-N含量、有效磷含量、含水量，顯示出生物炭作為土壤改良劑施用于農田能有效改良土壤理化性質和提高耕作性能。

生物炭；土壤理化性質；作物產量；土壤改良劑

生物炭是農作物秸稈、稻殼、畜禽糞便和其它生物質廢棄物在缺氧條件下進行高溫熱解而成的富含碳質且性質穩定固體產物，大多數為粉狀顆粒（Sohi等, 2010）。生物炭的元素組成主要包括碳（一般高達 60%以上）、氮、氫、氧等，其次是堿性礦物質（灰分，包括鉀、鈣、鈉、鎂、磷、硅等）（Goldberg等, 1985）。從微觀上看，生物炭多由緊密且不規則堆積的芳香環片層組成（Van Zwieten等, 2010），表面多孔性特征顯著（Lehmann和Joseph, 2009），因此具有較大的比表面積和較高的比表面能。高度的芳香化結構也使生物炭具備了可溶性低、抗氧化能力強和抗生物分解能力強的特性（Lehmann, 2007）。生物炭較大的比表面積，大量的表面負電荷，高電荷密度等一系列特性賦予了生物炭很強離子吸附特性（Liang Biqing等, 2006; Sombroek等, 2003）。基于上述特性，生物炭被國內外學者視作為一種有效的土壤改良劑和固碳劑，廣泛地應用于農業土壤、氣候變化與環境生態等領域（Glaser等, 2000; Glaser等, 2001; Lehmann等, 2006）。生物質炭化還田有效銜接農業循環鏈條首尾兩端，為廢棄生物質資源化高效利用、土壤改良培肥、農業固碳減排等提出了有效解決方案。針對不同自然區劃、耕作制度和不同土壤類型，深入開展生物炭改土培肥研究，對提升中低產田的生產潛力，確保國家糧食安全，實現農業可持續發展，都具有重要的現實意義。

近年來，我國一些學者已經開始關注生物炭的土壤改良劑作用（陳紅霞等, 2011; 王丹丹等, 2013;曾愛等, 2013），但基于田間長期定位試驗，開展生物炭對大田土壤理化性質及作物產量的影響研究尚不多見。本研究選取西南地區旱地輪作農田，進行了為期一年的大田試驗，研究生物炭施用對土壤物理、化學性質及作物產量的影響，以期為認識旱地農田生態系統生物炭改良培肥作用提供更為直接的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究地區位于貴州省貴陽市開陽縣，地理位置為107°02′49″ E，27°00′40″ N，海拔1130 m。地貌上，屬于云貴高原東側梯狀斜坡地帶。氣候類型屬亞熱帶季風性溫潤氣候，四季分明，年均氣溫介于10.6～15.3 ℃之間,最熱為7月，平均溫度22.3 ℃，最低溫度為1月，平均氣溫2.0 ℃；雨水充沛，全年降水量926.5～1419.2 mm，降水多集中在夏季。全年日照時數898.1～1084.7 h, 夏季日照時數占全年39%。觀測期從2010年11月開始，一直持續到2011年10月，作物輪作為玉米（Zea mays L.）、油菜（Brassica campestris L.），一年兩熟。試驗田土壤類型為石灰土，基礎理化性質：容重為1.28 g·cm-3，pH為8.30，有機質質量分數為33.4 g·kg-1，全氮質量分數為2.67 g·kg-1，C/N為7.3，有效磷質量分數為11.9 mg·kg-1。

1.2 供試材料

本研究所用生物炭是利用玉米和油菜秸稈通過缺氧不完全燃燒制成。炭化過程的升溫速率為18 ℃·min-1，炭化最高溫度為550 ℃。生物炭產率（生物炭質量與原材料質量比）為30%。

生物炭的元素組成使用德國 Elementar公司Vario ELⅢ型元素分析儀測定，經K2SO4溶液浸提用Elementar公司High TOCⅡ型總有機碳/氮分析儀測定可溶性有機碳含量，其它理化性質分析方法參照土壤樣品分析方法（魯如坤, 2000）。生物炭基本理化性質和有機碳、幾種礦質養分組成如表1和表2所示。

1.3 試驗設計

生物炭農田調控技術研究采用旱地輪作大田試驗，隨機區組試驗設計，試驗設4個處理，小區面積8 m2（長4 m，寬2 m），分別為處理1：土壤中不施用生物炭（C0）；處理2：以20 t·hm-2比例施用生物炭（C2）；處理3：以50 t·hm-2比例施用生物炭（C5）；處理4：以100 t·hm-2比例施用生物炭（C10）。油菜移栽前，將生物炭與土壤充分混勻。每種處理均設3個重復，采用隨機區組排列。試驗為等量復合肥、尿素處理：油菜種植當天按 1250 kg·hm-2的比例施復合底肥，然后于2011年2月5日和2011年2月24日按300 kg·hm-2的比例追施尿素兩次；玉米種植當天按370 kg·hm-2的比例施復合肥，2011年7月10日按325 kg·hm-2的比例追施尿素一次。

表1 生物炭理化性質Table 1 Physical and chemical properties of Biochar

表2 生物炭可溶性有機碳含量、礦質養分組成Table 2 DOC and mineral nutrients content of Biochar

1.4 樣品采集和分析

觀測期內，土壤樣品每月采集一次，取自地表0～10 cm土層，用四分法對角取出適量土壤樣品。土壤理化性質參照魯如坤（2000）的方法測定，容重分析采用環刀法，全碳（TC）、全氮（TN）采用元素分析儀測定，pH值采用酸度計（土水比為1∶5）土壤有機質含量采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法，有效磷含量測定采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法，硝態氮、銨態氮分別采用酚二磺酸比色法和靛酚藍比色法測定，含水量采用烘干法。除硝態氮、銨態氮和含水量測定用新鮮土外，其余土壤樣品室內風干，過篩后測定相關理化性質。

在玉米和油菜收獲季節采集供分析用的植株樣品，每個處理的2個小區分別采除去邊行后的12株玉米或油菜作為一組樣品，每個植株樣品分解為籽實和秸稈，秸稈包括籽實以外的其它收獲部分，包括根茬和根。鮮樣在 105 ℃殺青，80 ℃烘干至恒質量，稱量，統計產量。

1.5 數據處理

采用Excel軟件進行數據整理，SPSS16.0軟件對幾種處理進行差異顯著性分析。圖形的繪制采用Sigmaplot10.0。

2 結果與討論

2.1 施用生物炭對土壤容重的影響

土壤容重是土壤的重要物理性狀，是衡量土壤肥力狀況的重要指標之一。生物炭處理改變了耕層土壤容重（圖1），在0～10 cm土層，C0、C2、C5、C10處理的土壤容重分別為1.28、1.23、1.09和0.86 g·cm-3。與C0對比，C5和C10處理均顯著降低了土壤容重，降低幅度分別為14.6%和32.5%。C2處理相比C0的降低幅度為3.5%，差異不顯著。土壤容重降低表明土壤總孔隙度增加，意味著土壤通氣狀況改善和土壤水分入滲速率增大，其原因除了和生物炭密度低具有一定的稀釋作用外，還可能與生物炭促使生物炭微生物活性（Birk等, 2009）提高以及團聚性增強（Brodowski等, 2006）有關。

圖1 生物炭對土壤容重的影響Fig.1 Influence of biochar additions on soil bulk density

2.2 施用生物炭對土壤pH的影響

生物炭添加提高了土壤pH（圖2）。觀測期內，C2、C5和C10土壤年均pH比C0分別提高了0.10、0.19和0.20個單位，pH隨生物炭用量增加而提高，但差異均不顯著。這表明生物炭對于防治土壤酸化方面具有一定效果。生物炭灰分中有不同濃度堿性物質，如K、Ca、Na、Mg氧化物、氫氧化物、碳酸鹽等（何緒生等, 2011），施入土壤通常可以提高土壤鹽基飽和度，降低可交換鋁水平，提高土壤pH。由于研究區土壤呈堿性，相比生物炭對酸性土壤pH改良效果（Singh等, 2010; Schmidt和Noack, 2000），本研究生物炭添加提高土壤pH幅度略小。

2.3 施用生物炭對土壤有機質含量的影響

圖2 生物炭對土壤pH的影響Fig.2 Influence of biochar additions on soil pH

圖3 生物炭對土壤有機質含量的影響Fig.3 Influence of biochar additions on soil organic carbon content

土壤有機質可以改良土壤結構，提高土壤保水保肥能力，改善土壤通氣性和透水性，支持微生物活動以及為植物提供營養等，是土壤肥力的重要指標之一。C2、C5和C10處理中土壤有機質含量比對照組C0分別提高44.9%、137.7%和297.2%（圖3），差異達到顯著水平。相關分析表明，觀測期內土壤有機質含量同生物炭施用量呈顯著正相關（P＜0.05）。Schmidt等（2000）的研究表明，生物炭作為一種富含有機碳的物質，能提高土壤有機質含量水平，其提高幅度取決于生物炭用量及穩定性（Bruun等, 2009）；另一方面，生物炭能通過促進形成土壤有機-礦質復合體形成，提高團聚體穩定性進而減少有機質淋失（Glaser等, 2002）；被包裹或吸附在生物炭空隙及有機-礦質復合體中的微生物生長繁殖及活性減弱，也是可能的原因（Liang Biqing等, 2010）。

2.4 施用生物炭對土壤礦質態氮含量的影響

由圖4可見，生物炭添加提高了土壤NO3－-N含量，C2、C5和C10處理中土壤平均NO3－-N比對照組分別提高了38.0%、26.3%和88.4%。生物炭獨特的表面特性使其對土壤水溶液中的NO3－-N有較強的吸附作用，通過減少其溶解遷移避免淋失（Lehmann等, 2003）；另一方面，生物炭施用改善了土壤通氣狀況，降低了厭氧程度，從而抑制了反硝化作用，減少了NO3－-N經反硝化作用損失（Van Zwieten等, 2010; Yanai等, 2007）。觀測期內不同處理土壤NH4+-N含量C0 ＞C5＞C10＞C2，C2、C5和C10分別比C0降低4.3%、3.5%和3.7%，差異并不明顯。Schomberg等（2012）的研究表明，生物炭施用下土壤 pH的提高能促進氨揮發；Nelissen等（2012）通過15N同位素標記研究發現，生物炭能促進土壤氮素礦化作用和硝化作用，NH4+-N作為礦化作用產物，同時也是硝化作用的底物，其含量的動態變化是多種作用累加的結果。不同農田管理措施下，生物炭對土壤礦質態氮不同影響機制間的相互關系應是下一步研究的重點。

圖4 生物炭對土壤礦質態氮含量的影響Fig.4 Influence of biochar additions on soil mineral nitrogen content

2.5 施用生物炭對土壤有效磷含量的影響

生物炭的施用顯著提高了土壤中有效磷含量（圖5），與對照組相比，C2、C5、C10生物炭處理的土壤有效磷含量分別提高了 34.8%、135.0%和232.2%。除了和生物炭本身較高的有效磷含量有關外（表2），生物炭對磷素養分的吸持作用也是很重要的原因。生物炭不僅可以產生負電荷，也可產生正電荷，因而可以吸持有機質不吸持的磷素養分（Lehmann, 2007）。生物炭通過減少磷素養分的溶解遷移避免其流失，并在土壤中持續而緩慢地加以釋放，相當于磷素養分的緩釋載體，從而達到保持肥力的效果。如Laird等（2010）指出2%比例的生物炭能減少土壤可溶性磷流失量的69%。

圖5 施用生物炭對土壤有效磷含量的影響Fig.5 Influence of biochar additions on soil available phosphorus content

圖6 生物炭處理下土壤含水量季節變化Fig.6 Influence of biochar additions on seasonal variations in soil water content

2.6 施用生物炭對土壤含水量和持水能力的影響

土壤含水量受大氣降水、蒸發、植物吸收蒸騰及土壤特性等影響，是決定植物生長和生態系統構成的關鍵指標。觀測期內，不同生物炭添加比例的樣地土壤含水量的變化趨勢如圖6所示。不同季節土壤含水量波動較大，但添加生物炭的土壤相比對照組含水量均有不同程度的提高，C5和C10處理土壤含水量在一年中大部分時間達到顯著水平（P＜0.05）。從年平均土壤含水量來看（圖7），C2、C5和C10處理下的土壤年均含水量相比空白對照分別提高了 8.8%、29.1%和 44.7%。這表明生物炭添加提高了土壤持水性，這與Karhu等（2011）的研究結果相一致。這是由生物炭物理特性決定的，生物炭添加到土壤后改善了土壤孔隙結構，巨大的表面積和親水基團進一步提高了土壤持水能力。

圖7 施用生物炭對土壤含水量的影響Fig.7 Influence of biochar additions on soil water content

表3 生物炭對作物經濟產量和生物量的影響Table 3 Influence of Biochar on crop economic yields and biomass

2.7 施用生物炭對作物產量的影響

生物炭施用對不同作物產量的影響如表3所示，無論是籽實還是根莖葉生物量，生物炭處理下的玉米和油菜作物產量均高于對照組，表明生物炭有利于作物生物學產量的提高。油菜籽實產量隨著生物炭添加比例增大有顯著提高，C2、C5和C10分別提高15.7%、33.6%和35.4%；玉米產量表現出同樣的增加趨勢，增產作用分別為7.6%、11.1%和20.3%，但差異并不顯著。對于油菜而言，20 t·hm-2比例的生物炭即能顯著提高產量，50 t·hm-2生物炭比例下產量進一步提高，但100 t·hm-2的生物炭施用相比50 t·hm-2增產并不明顯，從提高作物產量角度考慮，50 t·hm-2的生物炭施用量是最適宜的。對于玉米和油菜莖葉和根部生物量而言，50 t·hm-2和100 t·hm-2生物炭施用比例有顯著促進作用，20 t·hm-2處理下則較不明顯。相比對照處理，C2、C5、C10生物炭處理下玉米根莖葉生物量分別提高8.6%、37.3%和46.8%，普遍高于玉米籽實7.6%、11.1%、20.3%的增產效果。生物炭處理下油菜根莖葉生物量分別提高-17.2%、9.3%和30.3%，小于相應果實產量增幅。

整體而言，生物炭處理對兩種作物都有增產效果，不同作物間增產效應有所不同，同種作物不同部位在生物炭促進作用下生物量積累的也有差異。Jeffery等（2011）對大量生物炭與作物生產力之間關系的研究結果進行統計分析發現，不同生物炭或土壤條件下，生物炭改良土壤后作物產量變化有較大差異（-28%～39%）。Van Zwieten等（2010）基于盆栽試驗的研究顯示，生物炭與肥料配施對大豆有增產效果，對小麥和蘿卜產量則有抑制作用；單施生物炭對蘿卜有增產效果，對小麥和大豆產量則無顯著影響。由于作物營養特性的差異，不同作物類型對生物炭施加的反饋作用不盡相同。可見，生物炭的最佳增產效果除了受生物炭性質、土壤類型以及施肥狀況影響外，還需考慮到作物類型反饋作用的差異。

3 結論

（1）本研究條件下，土壤物理性質方面，50 t·hm-2和100 t·hm-2的生物炭施用量能顯著降低土壤容重14.6%和32.5%；土壤年均含水量隨生物炭增加而增長，幅度分別為8.8%、29.1%和44.7%。

（2）生物炭處理下土壤年均pH分別提高了0.10、0.19和0.20個單位；生物炭施用顯著提高了土壤有機質含量，處理組土壤有機質含量比對照組分別提高44.9%、137.7%和297.2%；土壤養分中，NO3－-N含量表現為生物炭處理組高于對照組38.0%、26.3%和88.4%，NH4+-N含量變化較小，有效磷含量分別提高34.8%、135.0%和232.2%，總體而言顯示了生物炭作為土壤改良劑施用于農田能有效改良土壤和提高耕作性能。

（3）生物炭能提高油菜、玉米作物產量，玉米籽實提高 7.6%～20.3%，玉米根莖葉生物量提高8.6%～46.8%；油菜籽實產量提高顯著，高于對照組15.7%～35.4%，根莖葉生物量提高-17.2%～30.3%，生物炭添加對產量增益的貢獻存在差異，但本試驗條件下基本表現為產量隨生物炭用量提高而增加的趨勢。

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Influence of Biochar on Soil Physical and Chemical Properties and Crop Yields in Rainfed Field

FANG Bin1,2, LI Xinqing2*, ZHAO Bin1*, ZHONG Lei1

1. Tianjin Recyclable Resources Institution, All China Federation of Supply and Marketing Cooperatives, Tianjin 300191 China;
2. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institution of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China

There has been an increased interest in biochar due to its structural and functional properties. Biochar has shown great potential in fertilizing and improving agricultural soils, and carbon sequestration and abatement. However, few literature has been reported about the influence of biochar on soil physical and chemical properties and crop yields based on long-term field trail. Therefore, a field experiment was conducted to study the effects of biochar amendment on the soil bulk density, pH, organic matter, nitrate nitrogen (NO3－-N), ammonium nitrogen (NH4+-N), available phosphorous and water content in a rainfed field with corn-rapeseed rotation in SW China. Four treatments installed in this experiment were C0 (compound fertilizer, urea), C2 (compound fertilizer, urea plus 20 t·hm-2biochar), C5 (compound fertilizer, urea plus 50 t·hm-2biochar), C10 (compound fertilizer, urea plus 100 t·hm-2biochar). Results showed that biochar additions in C5 and C10 significantly decreased soil bulk density by 14.6% and 32.5% comparing to C0. Under biochar addition, soil pH was increased by 0.10, 0.17 and 0.15 in C2, C5 and C10, respectively; soil organic matter (SOM) content increased by 44.9%, 137.7% and 297.2%; nitrate nitrogen content increased by 38.0%, 26.3% and 88.4%; available phosphorous content increased by 34.8%, 135.0% and 232.2%. Also, biochar addition increased average annual soil water content by 8.8%, 29.1% and 44.7%. Seed and biomass yield of both maize and rape observed improvements in all biochar-amended plots compared to the control. Maize seed and biomass yield of increased by 7.6%～20.3% and 8.6%～46.8%; rape seed yield increased significantly by 15.7%～35.4%, and biomass yield by -17.2%～30.3%. These results indicated biochar treatment was conducive in lowering the soil bulk density and enhancing the soil pH, organic matter, nitrate nitrogen(NO3－-N), available phosphorous and water content, suggesting that as soil conditioner, biochar will obviously improve soil physical and chemical properties and increase the soil nutrient supplying capacity.

biochar; soil chemical and physical properties; crop yield; soil conditioner

S156

：A

：1674-5906（2014）08-1292-06

房彬，李心清，趙斌，鐘磊. 生物炭對旱作農田土壤理化性質及作物產量的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(8): 1292-1297.

FANG Bin, LI Xinqing, ZHAO Bin, ZHONG Lei. Influence of Biochar on Soil Physical and Chemical Properties and Crop Yields in Rainfed Field [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1292-1297.

農業科技成果轉化資金項目（SQ2013EC4420013）；中國科學院戰略性科技先導專項（XDA05070400）；貴州省農業攻關計劃項目（黔科合NY字[2011]3079號）；貴州省科技支撐計劃項目（黔科合SY字[2013]3135號）

房彬(1986年生)，男，助理研究員，博士，研究方向為農業廢棄物資源化利用。E-mail：binfang87@hotmail.com *通信作者：李心清，E-mail：lee@mail.gyig.ac.cn；趙斌，E-mail：rrtjrd@163.com

2014-05-19