生物黑炭施用對(duì)黃淮海地區(qū)大豆產(chǎn)量和土壤肥力的影響

周志剛，王小利

(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)　550025)

?

生物黑炭施用對(duì)黃淮海地區(qū)大豆產(chǎn)量和土壤肥力的影響

周志剛，王小利*

(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025)

摘要：以黃淮海地區(qū)的大豆主栽品種豫豆22為研究對(duì)象，通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)，研究施用15 t/hm2、10 t/hm2、5 t/hm2、0t/hm2(CK)4個(gè)梯度生物黑炭對(duì)大豆產(chǎn)量和土壤肥力的影響。結(jié)果表明：與對(duì)照相比，15 t/hm2、10 t/hm2和5 t/hm2的大豆產(chǎn)量分別增加了48.51%、37.04%和25.35%； 15 t/hm2、10 t/hm2和5 t/hm2的葉片干重分別比對(duì)照降低了13.22%、28.72%和43.60%；隨著黑炭用量的增加，土壤肥力指標(biāo)增幅越大。因此，生物黑炭可以提升潮土的有機(jī)質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分，且土壤肥力指標(biāo)與大豆產(chǎn)量存在顯著的量化關(guān)系，可以用來(lái)指導(dǎo)大豆施肥。

關(guān)鍵詞：大豆；生物黑炭;土壤肥力;產(chǎn)量

在我國(guó)，大豆是主要的糧油兼用作物和動(dòng)物飼料蛋白原料，近年來(lái)，隨著人民生活水平的大幅提高和養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，大豆產(chǎn)品的需求量逐年攀升[1-2]．然而，由于種植大豆的經(jīng)濟(jì)效益偏低，其種植面積不斷下降[3]，特別是在高度集約化的黃淮海平原，土壤肥力的耗竭進(jìn)一步顯著了大豆產(chǎn)量的提升和農(nóng)民種植大豆的積極性[4-5]。因此，如何通過(guò)調(diào)控土壤肥力來(lái)促進(jìn)大豆產(chǎn)量就顯得十分重要。

土壤培肥是實(shí)現(xiàn)土壤資源可持續(xù)利用的重要途徑之一。很多研究表明，秸稈還田可以顯著提高土壤肥力[6-8]，但是，秸稈直接還田的有機(jī)質(zhì)腐解過(guò)程受土壤水分、溫濕度和微生物等綜合作用的影響，從而進(jìn)一步影響了后茬作物的苗期生長(zhǎng)[9]。因此，尋求秸稈深加工方式就顯得尤為迫切。有研究表明，將秸稈進(jìn)行高溫厭氧處理制備成生物黑炭是一種有效途徑，且已經(jīng)證實(shí)生物黑炭能夠顯著提升作物產(chǎn)量[10-11]。但是，受土壤類(lèi)型和作物種植模式的影響，不同區(qū)域的生物黑炭施用存在較大差異[10-13]。為此，以黃淮海地區(qū)的大豆為研究對(duì)象，探討不同黑炭用量對(duì)大豆產(chǎn)量、干物質(zhì)和土壤肥力的影響，并進(jìn)一步構(gòu)建土壤肥力與大豆產(chǎn)量的量化關(guān)系，以期為生物黑炭在大豆種植中的施用提供技術(shù)參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于2015年的4-8月在位于河南省商丘市虞城縣張集鎮(zhèn)高堂寺村(N 34.27°，E115.4°)進(jìn)行。土壤為潮土，試驗(yàn)前土壤耕層土壤有機(jī)質(zhì) 9.43 g/kg，全氮0.87 g/kg，堿解氮116.3 mg/kg，速效磷 35.4 mg/kg，速效鉀115.4 mg/kg。

生物質(zhì)炭原料是玉米秸稈。采用連續(xù)立式生物質(zhì)炭化爐生產(chǎn)，炭化溫度350～500 ℃，生物質(zhì)材料35%的轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭。生產(chǎn)的生物質(zhì)炭過(guò)5 mm篩， pH 10.4，有機(jī)碳467.0g/kg，全氮5.90g/kg，有效磷83.50 g/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)生物黑炭用量， C1(15 t/hm2黑炭)；C2(10 t/hm2黑炭)；C3(5 t/hm2黑炭)；CK(不施黑炭)；每個(gè)處理均施用相同用量的氮磷鉀肥料，3次重復(fù)，小區(qū)面積80 m2(10 m*8m)。具體的黑炭和肥料用量見(jiàn)表1，黑炭為早稻耕地前施用，化學(xué)肥料則是參考普通大田，其中氮肥(尿素)和鉀肥(氯化鉀)40%做基肥施用，60%在分蘗期做追肥施用，磷肥(鈣鎂磷肥)作基肥一次施入。注意病蟲(chóng)害管理。大豆品種為豫豆22。

表1生物黑炭和肥料用量

Table 1　Biochar and fertilizer rates in test

1.3測(cè)定指標(biāo)

1.3.1成熟期干物質(zhì)測(cè)定

在成熟期，每小區(qū)取10株有代表性的樣品，將根剪除后分解為葉片、莖稈、莢果分別裝入信封，105℃殺青30min后80℃烘干至恒重，用電子天平稱(chēng)重。

1.3.2測(cè)產(chǎn)

成熟期每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收獲，脫粒后曬干稱(chēng)重，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

1.3.3土壤肥力指標(biāo)

收獲后采集耕層(0～20 cm)土壤樣品，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)點(diǎn)，混合后帶回室內(nèi)風(fēng)干，過(guò)篩后分析土壤pH、有機(jī)質(zhì)和速效氮磷鉀養(yǎng)分，測(cè)試方法為常規(guī)分析方法[14]。

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行整理分析，用SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用LSD比較各個(gè)處理之間的差異顯著性(p<0.05)。

2結(jié)果與分析

2.1不同黑炭用量對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

施用黑炭可以顯著提高大豆產(chǎn)量(圖1)。與不施黑炭相比，C1、C2和C3的大豆產(chǎn)量分別增加了48.51%、37.04%和25.35%，且不同黑炭用量之間均表現(xiàn)出C1的產(chǎn)量最高，這說(shuō)明，在潮土上黑炭投入量越高，大豆產(chǎn)量越高。進(jìn)一步通過(guò)線性擬合方程(y=62.951x+2084.8，R2=0.9558，p<0.05)表明，黑炭用量每增加1 t/hm2，大豆產(chǎn)量增加62.95kg/hm2。

圖1　不同黑炭用量下大豆產(chǎn)量變化Fig.1　The change of grain yield at different biochar rates

注：不同小寫(xiě)字母表示各處理存在顯著差異(P<0.05)。

2.2不同黑炭用量對(duì)大豆干物質(zhì)累積的影響

施用生物黑炭可以顯著影響大豆成熟期的葉片、莖稈和莢果的干物質(zhì)和比例(圖2)。與CK相比，C1、C2和C3的葉片干重分別比CK降低了13.22%、28.72%和43.60%，莖稈的降幅分別為13.02%、27.50%和42.16%，而莢果則分別增加了70.49%、47.23%和22.05%。在各器官所占的比例方面，施用黑炭則顯著提高了莢果與總生物量的比例，與CK相比，C1、C2和C3分別增加了15.92、16.94和17.98百分點(diǎn)。

圖2　不同黑炭用量下大豆葉片、莖稈和莢果的干物質(zhì)變化Fig.2　Dry matter accumulation of leaf, stem and pod of soybean under different biochar rates

2.3不同黑炭用量對(duì)土壤肥力的影響

表2顯示，添加生物黑炭顯著提高了土壤肥力，且隨著黑炭用量的增加，土壤肥力指標(biāo)增幅越大，與CK相比，黑炭用量最高的C1處理的土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀分別增加了1.29個(gè)單位、98.18%、94.12%、155%和107%。這說(shuō)明生物黑炭不僅可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，還可以顯著提高速效氮磷鉀養(yǎng)分。

表2不同黑炭用量下土壤肥力變化

Table 2　The changes of soil fertility in different biochar rates

2.4土壤肥力與產(chǎn)量的相互關(guān)系

在不同的生物黑炭用量下，土壤肥力指標(biāo)的提升是促進(jìn)到粗產(chǎn)量提升的重要因素。表3結(jié)果顯示，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀均與大豆產(chǎn)量存在顯著相關(guān)，且可以用線性方程進(jìn)行較好地?cái)M合。當(dāng)土壤pH提升1個(gè)單位，大豆產(chǎn)量可以增加了600.61 kg/hm2；土壤有機(jī)質(zhì)增加1g/kg，大豆產(chǎn)量可以增加了47.70 kg/hm2；土壤速效氮磷鉀增加1mg/kg，大豆產(chǎn)量增加8.91-19.75kg/hm2。

表3土壤肥力(x)與大豆產(chǎn)量(y)的相互關(guān)系

Table 3　The relationship between soil fertility (x) and grain yield (y)

3結(jié)論與討論

玉米是黃淮海平原重要的種植作物，其對(duì)于該地區(qū)和全國(guó)的糧食安全起到了十分重要的作用[15]。目前，對(duì)于玉米秸稈的處理方式一般停留在簡(jiǎn)單的粉碎還田方面[16]，這種方式雖然解決了秸稈焚燒造成的污染問(wèn)題，但缺由于秸稈直接還田后存在耕種麻煩、出苗差和碳氮比不合理等問(wèn)題，從而嚴(yán)重影響了后茬作物的產(chǎn)量提升[9-17]。有研究表明，將作物秸稈在無(wú)氧條件下低溫裂解，制成生物質(zhì)炭并還田可以有效改善土壤耕層結(jié)構(gòu)和土壤肥力[18-19]，從而最終提高作物生產(chǎn)力。在大豆種植中，生物黑炭還田也表現(xiàn)出增產(chǎn)趨勢(shì)，與CK相比，5、10和15 t/hm2黑炭可以使大豆產(chǎn)量增加25.35%～48.51%，這與很多人在其他作物上的研究結(jié)果一致[10-13]，但合理用量存在一定差異，這可能與作物吸收、土壤肥力性質(zhì)有關(guān)。另外，由于生物黑炭施用顯著改善了葉片、莖稈和莢果的分配比例，從而也在一定程度上促進(jìn)了大豆產(chǎn)量的提升。

生物黑炭施入土壤中主要是通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)而改善土壤肥力特性，從而增加作物的養(yǎng)分吸收能力[20-21]。在本試驗(yàn)中，添加生物黑炭可以顯著提高潮土的有機(jī)質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分，且黑炭用量越高，土壤肥力提升越高。這主要與生物黑炭來(lái)源于玉米秸稈，其本身含有大量的有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分[22]，同時(shí)，生物質(zhì)炭的具有較高的比表面積和孔體積[23]，能夠吸附和活化土壤中的有效養(yǎng)分，從而顯著促進(jìn)植物根系的吸收。進(jìn)一步研究表明，黑炭施用下土壤肥力指標(biāo)與大豆產(chǎn)量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，且可以用線性回歸方程進(jìn)行擬合。但是，由于土壤肥力指標(biāo)對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)能力不一[24-25]，每個(gè)指標(biāo)導(dǎo)致的產(chǎn)量增幅也不一致。因此，如何將多個(gè)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行綜合表征，進(jìn)而構(gòu)建其與大豆產(chǎn)量的量化關(guān)系還有進(jìn)一步研究，從而更好地指導(dǎo)生物黑炭在大豆種植的應(yīng)用。

在黃淮海地區(qū)，施用5～15 t/hm2的生物黑炭可以使大豆產(chǎn)量增加25.35%～48.51%，線性擬合方程表明，黑炭用量每增加1 t/hm2，大豆產(chǎn)量增加62.95kg/hm2。同時(shí)，施用生物黑炭顯著提高了莢果占總生物量的比例，優(yōu)化了干物質(zhì)在各器官的分配比例。生物黑炭可以提升潮土的有機(jī)質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分，且土壤肥力指標(biāo)與大豆產(chǎn)量存在顯著的量化關(guān)系，可以用來(lái)指導(dǎo)大豆施肥。

參考文獻(xiàn)

[1]董鉆. 大豆產(chǎn)量生理[M]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2012.

[2]程遙.中國(guó)大豆種植業(yè)發(fā)展的思考. 大豆科學(xué), (2013)32(5), 711-713.

[3]何英彬, 姚艷敏, 李建平,等.大豆種植適宜性精細(xì)評(píng)價(jià)及種植合理性分析——以東北三省為例[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, (2012)33(1), 11-17.

[4]楊如萍, 宋雯雯, 孫石, 等.中國(guó)不同地區(qū)科技示范縣大豆單產(chǎn)及產(chǎn)量相關(guān)性狀的比較[J]. 大豆科學(xué), (2013)31, 557-567.

[5]舒文濤, 李金花, 耿臻, 等.黃淮海夏大豆產(chǎn)量與主要農(nóng)藝性狀的灰色關(guān)聯(lián)度分析[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),(2014)30(27), 48-51.

[6]李曉莎, 武寧, 劉玲,等.不同秸稈還田和耕作方式對(duì)夏玉米農(nóng)田土壤呼吸及微生物活性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), (2015)26(6), 1765-1771.

[7]趙士誠(chéng), 曹彩云, 李科江, 等.長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)華北潮土肥力, 氮庫(kù)組分及作物產(chǎn)量的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), (2014)(6), 1441-1449.

[8]滕曉龍, 鄧偉明, 孫毛毛, 等.輕型栽培和秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量和根系特征的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),(2014)26(6), 1-7.

[9]徐國(guó)偉, 翟志華, 楊久軍, 等.秸稈還田量對(duì)直播稻苗期生長(zhǎng)和土壤的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), (2015) 42(19), 1-7.

[10]柳開(kāi)樓, 夏桂龍, 李亞貞,等. 生物黑炭用量對(duì)贛東北雙季稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[J]. 中國(guó)稻米,(2015)4, 020.

[11]高德才, 劉強(qiáng), 張玉平, 等.添加生物黑炭對(duì)玉米產(chǎn)量, 品質(zhì), 肥料利用率及氮磷徑流損失的影響[J]. 中國(guó)土壤與肥料,(2015)(5), 72-76.

[12]Tammeorg, P., Simojoki, A., M?kel?, P., Stoddard, F. L., Alakukku, L., &Helenius, J.Short-term effects of bioch on soil properties and wheat yield formation with meat bone meal and inorganic fertiliser on a boreal loamy sand[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, (2014)191, 108-116.

[13]Zhg, A., Liu, Y., Pan, G., Hussain, Q., Li, L., Zheng, J.,& Zhm, X.Effect of bioch amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain[J]. Plant and Soil, (2012)351(1-2), 263-275.

[14]史瑞和, 鮑士旦, 秦懷英.土壤農(nóng)化分析[J]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社，1996

[15]方放, 李想, 石祖梁, 等.黃淮海地區(qū)農(nóng)作物秸稈資源分布及利用結(jié)構(gòu)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), (2015)31(2), 228-234.

[16]慕平, 張恩和, 王漢寧, 等. 不同年限全量玉米秸稈還田對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育及土壤理化性狀的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), (2012)20(3), 291-296.

[17]高英波, 陶洪斌, 朱金城, 等.麥茬高度對(duì)機(jī)播夏玉米苗期生長(zhǎng)及水分利用的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), (2015)48(19), 3803-3810.

[18]葉麗麗, 王翠紅, 周虎, 等添加生物質(zhì)黑炭對(duì)紅壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[J]. 土壤, (2012)44(1), 62-66.

[19]Xu, G., Wei, L. L., Sun, J. N., Shm2o, H. B., & Chng, S. X.Wht is more important for enhncing nutrient bioavailability with biochr application into a sandy soil: Direct or indirect mechnism[J]. Ecological Engineering, (2013)52, 119-124.

[20]謝祖彬, 劉琦, 許燕萍, 等. 生物炭研究進(jìn)展及其研究方向[J]. 土壤, (2011)43(6), 857-861.

[21]張喜娟, 孟英, 唐傲,等.功能性材料生物炭的農(nóng)田應(yīng)用效應(yīng)[J]. 作物雜志, (2013)1(4), 20.

[22]李保強(qiáng), 劉鈞, 李瑞陽(yáng), 等.生物質(zhì)炭的制備及其在能源與環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 生物質(zhì)化學(xué)工程, (2012)46(1), 34-38.

[23]章明奎, 王浩, 鄭順安.土壤中黑碳的表面化學(xué)性質(zhì)及其變化研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào): 農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版, (2009)(3), 278-284.

[24]尹秀英, 許文良, 馮君.吉林省大豆種植區(qū)土壤主要營(yíng)養(yǎng)元素與大豆產(chǎn)量的相互關(guān)系研究[J]. 土壤通報(bào),(2002)33(3), 207-211.

[25]郭篤發(fā), 王秋兵.主成分分析法對(duì)土壤養(yǎng)分與小麥產(chǎn)量關(guān)系的研究[J]. 土壤學(xué)報(bào),(2005)42(3), 523-527.

Effects of Different Biochar Rates on Soybean Yield and Soil Fertility in Huanghuai River Region

ZHOU Zhi-gang，WANG Xiao-li*

(CollegeofAgriculture,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

Abstract:Taking soybean variety Yudou 22 which was mainly cultivated in Huanghuaihai Region as the research material，the filed experiment of different biochar rates, which the amounts were 15 t/hm2，10 t/hm2，5 t/hm2，0t/hm2(CK)was conducted in soybean yield and soil fertility. The results showed that compared with CK, yield of fertilizer rates at 15 t/hm2，10 t/hm2，5 t/hm2 increased by 48.51%, 37.04% and 25.35%; leaf dry weight ratio of fertilizer rates at 15 t/hm2，10 t/hm2，5 t/hm2 decreased 13.22%, 28.72% and 43.60%; with the increasing of biochar amounts, which lead the greater increase in soil fertility. Therefore, Biochar carbon can improve soil organic matter and available nutrient, soil and soil fertility index and soybean yield significant quantitative relationships, can be used to guide the soybean fertilization.

Key words:soybean; biochar; soil fertility; yield

收稿日期：2016-01-15

通訊作者：王小利(1979 -)，女，教授，研究方向：土壤肥力與作物施肥。

第一作者：周志剛(1989-)，男，山東東營(yíng)人，碩士研究生，主要從事長(zhǎng)期施肥下土壤有機(jī)碳演變特征研究。