生物炭對土壤理化性質及春小麥產量的影響研究*

張 宏，李俊華*，高麗秀，褚貴新，羅 彤，李 博

（石河子大學農學院，新疆 石河子 832000）

生物炭對土壤理化性質及春小麥產量的影響研究*

張 宏，李俊華*，高麗秀，褚貴新，羅 彤，李 博

（石河子大學農學院，新疆 石河子 832000）

為探索生物炭短期施用對滴灌春小麥產量及土壤肥力的影響，本試驗通過田間試驗對土壤容重、養分及春小麥產量等進行了研究，并利用主成分分析將14個單項指標轉化為4個相對獨立的綜合指標，對各處理提高小麥產量和土壤肥力的能力進行了綜合評價。結果表明，與不施肥相比，生物炭對土壤肥力的影響不顯著。通過主成分分析，處理NP +B6的綜合評價值最大，為0.805，說明處理NP+B6在短期內提高土壤肥力和小麥產量的能力最強。

生物炭；滴灌春小麥；產量；土壤肥力；主成分分析

土壤的理化性狀和土壤中養分與水分的運移決定土壤供給作物養分的能力和作物產量的形成[1]。農業生產過程中的施肥、耕作等措施直接改變了土壤肥力，影響農田的生產力及穩定性[2]。因此，加強土壤理化性狀的研究不僅是學科發展的需要，也是保持和提高土壤質量、保護和改善生態環境、促進國民經濟健康、穩定和協調發展的基礎。

滴灌水肥一體化是一項環境友好的精準農業技術，其可以控制灌水量、施肥量和灌溉施肥時間，利用滴灌系統把肥料輸送到作物根部周圍，可以提高肥料利用率并減少化肥消耗量[3]。生物炭（Biochar）一般指生物質在缺氧和相對“較低”（＜700℃）溫度條件下熱解而形成的具有減緩土壤酸化、減少土壤中無機態氮的淋溶及為土壤微生物提供營養元素和棲居場所的潛能的固體產物[4]。

生物炭可以增加土壤pH值、陽離子交換量（CEC）和土壤有機碳（SOC），減少土壤容重，增強土壤對碳的固定，減緩CH4和NH3的釋放和揮發，增加作物產量[5-7]。也有研究表明，生物炭對促進作物增產并沒有顯著的影響[8-9]。Marcus[10]研究結果表明，生物炭對土壤含水量、孔隙度、田間持水量、植株可利用的有效水分、團聚體穩定性和永久凋萎點沒有顯著的影響。

目前，在國外關于生物炭的研究很多，但在國內還很缺乏，并且關于生物炭的研究結果仍存在著爭議，同時，對于生物炭的施用量和滴灌條件下生物炭的研究甚少。為此，本文在研究滴灌春小麥產量及0～40 cm土壤肥力的基礎上，采用主成分分析和隸屬函數相結合的方法，對各施肥方式提高滴灌春小麥產量和土壤肥力進行了綜合評價，旨在尋求生物炭短期施用對提高作物產量和培肥地力的影響，以及較佳的生物炭施用量，以提高土壤肥力，維持土壤的持續生產力。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗始于2013年，在石河子大學農學院試驗站進行。土壤類型為灌溉灰漠土，質地為壤土。采集土壤深度為0～40 cm。土壤經風干、磨碎、過2 mm篩后備用。土壤基本理化性質：有機質13.35 g/kg，有效磷7.62 mg/kg，堿解氮55.89 mg/kg，pH值為7.88。生物炭以棉花秸稈在高溫（550～600℃）厭氧條件下熱解制備。

1.2 試驗設計

試驗設6個處理：（1）不施肥處理（CK）：不施基肥和追肥；（2）常規施肥（NP）：純氮270 kg/hm2，氮肥為尿素120 kg/hm2，磷肥為磷酸一銨；（3）常規 +精制有機肥6 t/hm2（NP+M6）；（4）常規+生物炭3 t/hm2（NP+B3）；（5）常規+生物炭 6 t/hm2（NP+ B6）；（6）常規+生物炭18 t/hm2（NP+B18）。每個處理重復3次，每個小區寬2.4 m，長6 m，采用隨機區組排列。氮肥和磷肥隨水滴施，有機肥和生物炭均作基肥一次性施用。

1.3 土壤處理與作物管理

試驗地在秋季采用傳統的旋耕機翻耕，春季播種前進行人工翻地。灌溉方式為滴灌，種植作物為新春6號。試驗期間根據試驗要求進行施肥。20%的氮肥作為基肥施入土壤，根據小麥不同生育期對肥料的需求情況，將80%的氮肥和全部磷肥按比例作為追肥滴灌施入。春小麥于2013年3月26日播種，7月15日收獲。

1.4 調查內容與方法

1.4.1 土壤養分含量

小麥收獲后（2013年7月15日），于各小區選取5個樣點，分別取0～20 cm和20～40 cm土層土樣，測定土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮和有效磷的含量[11]。

1.4.2 小麥產量構成

小麥成熟后，每個小區選取代表樣點，連續取20株小麥和1 m×1 m樣方，分別進行考種和測定小麥有效穗數，人工脫粒，籽粒風干，水分控制在10%左右，測定小麥產量。

1.5 數據分析

試驗數據采用SPSS 13.0數據分析軟件進行單因素方差（ANOVA）分析，用Duncan新復極差法進行顯著性檢驗（p＜0.05），Excel 2007作圖。

各處理綜合指標的隸屬函數值計算[12-13]式中，Zj表示第j個綜合指標；Zmin表示第j個綜合指標的最小值；Zmax表示第j個綜合指標的最大值。

各綜合指標的權重計算如下式中，Wj表示第j個綜合指標的權重；Pj為各處理第j個綜合指標的方差貢獻率。

各處理綜合評價值的計算如下式中，D值為各處理的綜合評價值。采用SPSS 13.0數據分析軟件進行主成分分析。

表1 不同處理0～40 cm土層土壤養分 g/kg

2 結果與分析

2.1 不同處理的土壤養分

由表1可知，0～20 cm土層有機質含量隨著生物炭施用量的增加而增加；20～40 cm土層，NP+ B6處理有機質含量最高。0～20 cm土層，NP+B6處理全氮含量最高；20～40 cm土層，NP處理和NP +M6處理全氮最高。與CK相比，各處理兩土層的全磷含量均增加，而NP+B6處理土層的全磷含量最高，說明土壤中全磷含量并不隨生物炭施用量的增加而增加，生物炭6 t/hm2的施用量更有利于提高土壤全磷含量。各處理有效磷含量均比CK高。0～20 cm土層，NP+M6處理的有效磷含量最高，處理間差異不顯著。20～40 cm土層處理NP有效磷含量最高，處理間差異不顯著。可見，與CK相比，雖然各處理有效磷含量差異不顯著，但在不同程度上提高了土壤有效磷的含量。0～20 cm土層，堿解氮含量隨著生物炭施用量的增加而減少，NP+B3處理含量最高；20～40 cm土層，NP處理堿解氮含量最高。不同施肥對土壤有機質含量、全氮含量、全磷含量和有效磷含量的影響見表1。

2.2 不同施肥方式下滴灌春小麥產量及構成

表2 春小麥產量及其構成的影響

不同施肥方式對滴灌春小麥產量及構成影響不同（見表2）。除CK外產量隨著有效穗數的增加而增加。與CK相比，其他處理的有效穗數、穗粒數和產量均與CK存在顯著差異性（p＜0.05），處理NP+ B3的穗粒數最多，處理NP+B18次之，分別較CK增加55.2%和43.2%。處理NP+M6的產量最高，處理NP+B3次之，分別較CK高39.2%和33.0%，以處理NP+M6增產效果最佳。

2.3 各指標的相關性

從各指標的相關系數矩陣（表3）得知，各指標間存在著顯著或極顯著的相關性，說明所提供的信息之間易發生重疊，因此，直接利用這些信息不能準確評價各施肥方式對滴灌春小麥產量和土壤肥力的影響需進行進一步的分析。

2.4 最優化的施肥處理的篩選

表3 各指標的相關系數矩陣

表4 方差貢獻率和累計貢獻率

表5 4個主成分的系數矩陣

對14個篩選指標進行主成分分析，前4個綜合指標的方差貢獻率分別為 43.785%、24.368%、18.847%和9.634%，累計貢獻率為96.634%（表4），故其余可忽略不計，因此，原來的14個單項指標可以轉化為4個相互獨立的綜合指標，分別定義為第1、2、3、4主成分。由載荷矩陣中的數據得到對應的4個主成分的系數矩陣，見表5。

在第一主成分中，20～40 cm土層的全氮和穗粒數的特征向量最大，為0.38，依次是20～40 cm土層的全磷、有效磷和產量，20～40 cm土層的有機質和0～20 cm土層的堿解氮，以及0～20 cm土層的全磷，所以，此主成分可以歸納為0～20 cm土層的全磷、堿解氮，20～40 cm土層的有機質、全磷、有效磷、全氮以及穗粒數和產量。

第二主成分中，0～20 cm土層的全氮的特征向量最大，為0.52，依次為20～40 cm土層的堿解氮，0～20 cm土層的全磷以及20～40 cm土層的有機質，故此主成分可以歸納為0～20 cm土層的全氮和全磷，20～40 cm土層的堿解氮和有機質。

在第三主成分中，千粒重的特征向量最大，為0.55，其次是0～20 cm土層的有效磷，而有效穗數的特征向量最小，為-0.39，說明植株通過減少有效穗數來增加千粒重，此主成分可歸為植株地上部的適應性和0～20 cm土層的有效磷。

第四主成分中，0～20 cm土層的有機質的特征向量最大，為0.63，其次是0～20 cm土層的全磷和有效穗數，此主成分歸為0～20 cm土層的有機質和全磷以及有效穗數。

2.5 各施肥方式的綜合評價

2.5.1 隸屬函數分析

根據公式（1）計算每個處理各綜合指標的隸屬函數值，即u值（表6）。對于第一綜合指標，處理NP +B6的u值最大，為1.000，處理CK的u值最小，為0.000，說明處理NP+B6在第一綜合指標上更能提高小麥產量和土壤肥力，CK提高小麥產量和土壤肥力的能力最弱。同理，在第二綜合指標中，處理NP+B6提高小麥產量和土壤肥力的能力最強；第三綜合指標中處理NP+B18最強；第四綜合指標中處理NP+B6最強。

2.5.2 權重的確定

根據各綜合指標方差貢獻率的大小 （分別為43.785%、24.368%、18.847%、9.634%），用公式（2）計算權重（表6）。

2.5.3 綜合評價

根據公式（3）計算各處理的綜合評價值，即D值（表6），并根據D值的大小進行排序，由表6得知，處理NP+B6的D值最大，為0.805，CK的D值最小，說明處理NP+B6提高小麥產量和土壤肥力的能力最強，CK的提高小麥產量和土壤肥力的能力最弱。

表6 各處理的綜合指標值(Fi)、指標權重、U值、D值及排名

3 小結

就短期而言，生物炭對滴灌春小麥產量和0～40 cm土壤肥力沒有顯著影響。通過主成分分析，處理NP+B6的綜合評價值，即D值最大，為0.805，說明處理NP+B6為較佳施肥方式。

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2015—05—05

國家科技支撐計劃項目（2012BAD42B02），國家自然科學基金項目（31360501）和石河子大學高層次人才項目（RCZX201132）

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：李俊華（1972-），男，陜西漢中人，教授，研究方向為新型肥料與現代施肥技術。E-mail：ljh630703@163.com。