生物炭對寧南山區馬鈴薯土壤理化性狀及水分運移的影響

張國輝，張新學，郭鑫年，王效瑜，張建虎，厚 俊，頡瑞霞，余幫強，郭志乾＊

（1．寧夏農林科學院固原分院，寧夏固原756000；2．寧夏農林科學院資源與環境研究所，寧夏銀川750000）

生物炭對寧南山區馬鈴薯土壤理化性狀及水分運移的影響

張國輝1，張新學1，郭鑫年2，王效瑜1，張建虎1，厚 俊1，頡瑞霞1，余幫強1，郭志乾1＊

（1．寧夏農林科學院固原分院，寧夏固原756000；2．寧夏農林科學院資源與環境研究所，寧夏銀川750000）

為寧南地區馬鈴薯種植中高效利用有限降雨提供參考，通過使用生物炭改良土壤理化性狀，比較不同用量生物炭對土壤水分保蓄能力的影響，明確生物炭在寧南地區的合理用量。結果表明：在寧南山區，生物炭對馬鈴薯土壤物理性狀及水分運移有明顯影響，可顯著提高馬鈴薯耕層土壤田間持水量和含水量，降低土壤容重，增加毛管孔隙度，進而提高土壤水分利用效率，實現高產。馬鈴薯生產中生物炭的最佳施用量為20t／hm2，該條件下田間持水量為14．91%，比對照（空白）提高1．23～3．07百分點；容重1．24g／cm3，比對照增加0．01～0．18g／cm3；毛管孔隙度18．38%，較對照增加0．65～1．36百分點；提高馬鈴薯單株結薯個數、單株塊莖重、單薯重、商品薯率；馬鈴薯平均產量2 480kg／667m2，水分利用效率85．92kg／（hm2·mm），產量和水分利用效率較對照分別增加49．04%和48．14%。

生物炭；水分；馬鈴薯

寧南山區為半干旱氣候類型，以雨養農業山地為主，年降雨量280～420mm，降雨多集中在7—10月。由于氣候和環境的影響，馬鈴薯已成為寧南山區種植的主要糧食作物，年種植面積達10．7萬hm2，且呈逐年增加趨勢。干旱是寧南地區制約馬鈴薯增產的主要因素，提高土壤水分保蓄能力栽培措施的研究對寧南地區馬鈴薯種植尤為重要。生物炭是一種富含有機碳、具有穩定結構、較大比表面積的粉狀顆粒，多數呈堿性［1］。前人研究表明，將生物炭作為土壤改良劑施入土壤，可吸附更多的水分和養分離子，提高土壤養分吸持量和持水容量，尤其是氧化后的生物炭可提高砂質土壤的持水量，改善土壤持水能力［2－6］。添加生物炭可使砂土容重減小，孔隙度增加，進而改變土壤擴散率，改良砂性土壤的持水性［7］。嚴靜娜等［8］研究表明，生物質炭的施入對土壤重金屬Cd、Pb的鈍化效果明顯。近年來，生物炭在土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑方面的應用受到廣泛關注［9］，生物炭在農業種植方面的應用具有廣闊前景。為高效利用有限降雨，筆者針對寧南地區降雨不足問題，通過使用生物炭改良土壤理化性狀，比較不同用量生物炭對土壤水分保蓄能力的影響，以明確生物炭在寧南地區的合理用量，為干旱地區馬鈴薯高產栽培提供依據。

1材料與方法

1．1試驗材料

供試馬鈴薯品種為寧南地區主載品種莊薯3號，種薯由寧夏農林科學院固原分院提供。供試生物炭由樹木殘枝高溫裂解而成，由江蘇省生物質炭工程中心提供，顆粒直徑小于1mm。

1．2試驗設計

試驗于2015年4月在寧夏固原市農業科學研究所頭營科研基地進行，試驗地處東徑106°44′，北緯36°10′，海拔1 550m。平均氣溫17℃，降水280～420mm，有效降雨集中于7—9月。土壤類型為黃綿土。以生物炭施用量為試驗對象，共設5個處理。處理1，不施生物炭及化肥（CK）；處理2，不施生物炭，只施用化肥；處理3，生物炭用量10 000kg／hm2＋化肥；處理4，生物炭用量20 000kg／hm2＋化肥；處理5，生物炭用量30 000kg／hm2＋化肥。化肥種類及用量統一為：氮肥180kg／hm2＋磷肥75kg／hm2＋鉀肥225kg／hm2。試驗隨機區組排列，重復3次，小區面積20m2（2．5m×8m）。化肥和生物炭作底肥一次性均勻施入。行距50cm，株距33cm，5行區種植，密度4 000株／667m2。

1．3測定指標

1）分別在播前、苗期、盛花期、成熟期測量各試驗處理0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm深層土壤含水量。

2）馬鈴薯收獲期，分別測定耕層土壤0～ 20cm、20～40cm深處土壤田間持水量、耕層土壤容重、耕層土壤毛管孔隙度。同時考察不同處理馬鈴薯產量及商品薯率。

3）水分利用效率計算公式：WUE＝Y／ET，WUE為水分利用效率／［kg／（hm2·mm）］，Y為馬鈴薯塊莖產量／（kg／hm2），ET為馬鈴薯生育期耗水量（mm）。

2結果與分析

2．1不同處理馬鈴薯耕層土壤的物理性狀

從表1可看出不同處理馬鈴薯的田間持水量、耕層土壤容重和毛管孔隙度的變化情況。

1）田間持水量。隨著生物炭施用量的增加，0～20cm土壤田間持水量呈遞增趨勢，不施生物炭的處理1（CK）和處理2與施用生物的炭處理差異顯著；處理5的生物炭用量最大，其田間持水量也最大，為16．15%，較空白對照增加3．07百分點，增幅23．47%，保水能力最強。20～40cm土壤田間持水量，不同處理間差異不顯著，可能是與施入的生物炭主要分布于0～20cm土層有關。

2）耕層土壤容重。隨著生物炭施用量的增加，0～20cm和20～40cm的土壤容重均呈遞減趨勢，但處理1（CK）、處理2和處理3之間差異不顯著，處理4、處理5與處理1（CK）、處理2及處理3的差異達顯著或極顯著水平。這可能與處理1（CK）、處理2及處理3未施生物炭或生物炭施用量較少有關

3）毛管孔隙度。隨著生物炭施用量的增加，0～20cm和20～40cm的土壤毛管孔隙度均呈遞增趨勢，但不同處理間差異不顯著。說明，施入具有發達孔隙結構的生物炭后，可以通過降低土壤容重和增加毛管孔隙度，從表觀上改變土壤質地。

表1 不同處理馬鈴薯耕層土壤的田間持水量、容重和毛管孔隙度Table 1 Field capacity，volume weight and capillary porosity of potato topsoil under different treatments

2．2不同處理馬鈴薯土壤水分的垂直分布

從表2看出，隨著馬鈴薯生育的推進，不同處理馬鈴薯田間0～100cm土壤水分在不同土層中存在差異。播前雖然降雨補充較多，但由于休閑期地表裸露，強烈蒸發致使土壤含水量較低，土壤水分主要貯存于60cm以下的土體，表層含水量較低。在馬鈴薯生育期，無論降雨期還是干旱期，不施用生物炭處理的土壤水分主要貯存于60cm左右的土體中；而生物炭處理的土壤水分主要貯存于40cm左右的土體中，生物炭用量越多，土壤自然水分含量越高，進一步說明生物炭具有較強的水分保蓄作用。

2．3不同處理馬鈴薯生育期耗水量與收獲后土壤的貯水量

從表3看出，施用生物炭降低了馬鈴薯收獲后土壤貯水量，且隨著生物炭用量的增加，土壤貯水量逐漸降低，處理5收獲后貯水量204．71mm，較處理2減少9．6mm，減幅4．5%，與其他處理差異極顯著，這是由于生物炭對土壤理化形狀的改變，增加土壤的孔隙度，從而加大土面的蒸發強度。

馬鈴薯生育期耗水量隨生物炭施用量增加而增加。處理5最大，為435．46mm，與其他處理差異極顯著，這與該處理土壤容重最小、毛管孔隙度最大有關。

表2 不同處理馬鈴薯生育期土壤水分的垂直分布Table 2 Vertical distribution of soil moisture at different growth stages of potato under different treatments%

表3 不同處理馬鈴薯土壤的貯水量及馬鈴薯生育期耗水量Table 3 Soil water－storage capacity and water consumption during potato growth period under different treatmentscm

2．4不同處理馬鈴薯產量及產量構成因素

從表4看出，馬鈴薯單株結薯個數、單株塊莖重、單薯重、商品薯率均表現出施用生物炭處理高于非生物炭處理。尤其以處理3、處理4表現最為明顯。平均產量以處理4理最高，為2 480kg／667m2，極顯著高于非生物炭的處理1（CK）和處理2，顯著高于施入生物炭的處理3和處理5。說明，寧南山區增施生物炭的實現高產的最佳劑量為20 000kg／hm2。施用生物炭能夠明顯提高土壤水分利用效率，處理4、處理5和處理3水分利用效率分別為85．92kg／（hm2·mm）、76．63kg／（hm2·mm）和64．85kg／（hm2·mm），分別較CK提高48．14%、32．12%和11．81%，其中處理4與CK、處理2、處理5差異顯著，與處理處理3差異不顯著。

表4 馬鈴薯產量及產量構成形成因素Table 4 Yield and yield composition of potato under different treatments

3結論與討論

研究表明，生物炭對馬鈴薯土壤物理性狀及水分運移有明顯影響，可以顯著提高馬鈴薯耕層土壤田間持水量和含水量，降低土壤容重、增加毛管孔隙度，進而提高土壤水分利用效率，實現高產。在寧南山區，馬鈴薯生產中生物炭的最佳施用量為20 000 kg／hm2。施用生物炭20 000kg／hm2的馬鈴薯種植土壤，其田間持水量達14．91%，比對照（空白）提高14%；容重1．24g／cm3，比對照減少0．108g／cm3；毛管孔隙度18．38%，比對照增加1．4%。

生物炭施用通過對土壤物理性狀及水分運移的改善，提高土壤保水能力，使土壤在0～40cm耕作層水分含量有提高趨勢，水分利用率也隨之提高，進而提高了馬鈴薯單株結薯個數、單株塊莖重、單薯重和商品薯率。施用生物炭20 000kg／hm2的馬鈴薯平均產量2 480kg／667m2，水分利用效率85．92kg／（hm2·mm），產量和水分利用效率較對照分別提高49．04%和48．14%。隨著國家馬鈴薯主食化全面開展，寧夏南部地區馬鈴薯種植面積在逐年增加，馬鈴薯種植過程中施用生物炭是實現其高產的有效措施。

［1］謝祖彬，劉 琦，許燕萍，等．生物炭研究進展及其研究方向［J］．土壤學報，2011，43（6）：857－861．

［2］GLASERB，LEHMANNJ，ZECHW．Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal－areview［J］．Biology and Fertility of Soils，2002，35（4）：219－230．

［3］DUGANE，VERHOEFA，ROBINSONS，et al．Biocharfrom sawdust，maize stover and charcoal：Impact on water holding capacities（WHC）of three soils from Ghana［C］／／19th World Congress of Soil Science，Symposium 4．2．2，Soil and water－global change，Soil Solutions for a Changing World，Brisbane，Australia，2010：9－12．

［4］LEHMANNJ，GAUNTJ，RONDON M．Bio－char sequestration interrestrial ecosystems－a review［J］．Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change，2006，11：403－427．

［5］GLASER B，LEHMANN J，ZECH W．Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal－areview［J］．Biology and Fertility of Soils，2002，35（4）：219－230．

［6］DUGAN E，VERHOEF A，ROBINSON S，et al．Bio－char from sawdust，maize stover and charcoal：Impact on water holding capacities（WHC）of three soils from Ghana［C］．World Congress of Soil Science，2010（8）：1－6．

［7］田 丹，屈忠義，勾芒芒，等．生物炭對不同質地土壤水分擴散率的影響及機理分析，2013，44（6）：1374－1378．

［8］嚴靜娜，覃 霞，梁定國，等．不同熱解溫度蠶沙生物質炭對土壤鎘、鉛鈍化效果研究［J］．西南農業學報，2015，28（4）：1752－1756．

［9］TENENBAUM D J．黑色的希望：生物炭［J］．資源與人類環境，2010（7）：55－57．

（責任編輯：姜 萍）

Effects of Biological Carbon on Soil Physicochemical Properties and Moisture Movement of Potato in Ningnan Mountainous Region

ZHANG Guohui1，ZHANG Xinxue1，GUO Xinnian2，WANG Xiaoyu1，ZHANG Jianhu1，HOU Jun1，JIE Ruixia1，YU Bangqiang1，GUO Zhiqian1＊
（1．Guyuan Branch，Ningxia Academy of Agricultural Sciences，Guyuan，Ningxia 756000；2．Institute of Resources and Environment，Ningxia Academy of Agricultural Sciences，Yinchuan，Ningxia750000，China）

The effect of different biological carbon application amount on soil moisture storage capacity was compared to discuss the rational application amount of biological carbon and to provide a reference for efficient utilization of limited rainfall in potato cultivation in Ningnan region．Results：Biological carbon has the significant influence on physical property and water movement of potato soil，significantly improves topsoil field moisture capacity and water content，reduces soil volume weight and increases soil capillary porosity，which can increases potato yield by improving soil moisture utilization efficiency．The field moisture capacity（14．91%），soil volume weight（1．24g／cm3）and soil capillary porosity（18．38%）under 20t／hm2biological carbon application amount are 1．23%～3．07%，0．01～0．18g／cm3and 0．65%～1．36% higher than CK respectively．Applying 20t／hm2biological carbon application amount can increase tubes per plant，tuber weight per plant，single tuber weight and commodity potato rate．The average yield and water utilization efficiency of potato under 20t／hm2biological carbon application amount are 2 480kg／667m2and 85．92kg／（hm2·mm），49．04%and 48．14%higher than CK separately．

biological carbon；moisture；potato

S152

A

1001－3601（2016）11－0467－0073－04

2016－01－28；2016－09－30修回

寧夏農林科學院青年基金項目“增施生物炭對寧南山區馬鈴薯土壤理化性狀及水分運移的影響研究”（NKYQ－14－07）；國家現代農業產業體系項目“馬鈴薯固原綜合試驗站”（CARS－10－ES30）

張國輝（1983－），男，助理研究員，從事馬鈴薯栽培及育種研究。E－mail：zhangxinxuea＠126．com

＊通訊作者：郭志乾（1965－），男，研究員，從事馬鈴薯育種及栽培研究。E－mail：zhangxinxuea＠126．com