生物炭及施肥對土壤環境和高粱產量及品質的影響

王寧，焦曉燕，武愛蓮，王勁松，董二偉，郭珺，丁玉川，王立革

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

生物炭及施肥對土壤環境和高粱產量及品質的影響

王寧1，焦曉燕2，武愛蓮2，王勁松2，董二偉2，郭珺2，丁玉川2，王立革2

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

以高粱、玉米輪作5 a定位試驗為平臺，研究5 a連續單獨施用生物炭及生物炭與化肥配施后，對土壤理化性質、酶活性、高粱產量及品質的影響。結果表明，經過5 a連續施用生物炭后，單施生物炭（B）處理與空白對照（CK）相比，生物炭與化肥配施（OPT+B）處理與單施化肥（OPT）處理相比，施用生物炭均能顯著提高土壤有效磷、速效鉀和有機質的含量，但對全氮、容重的影響不顯著；施用生物炭能顯著提高土壤蔗糖酶的活性，但對脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶沒有顯著性影響。與對照相比，單施生物炭能顯著提高高粱產量和千粒質量；與單施化肥相比，生物炭與化肥配施能顯著提高籽粒千粒質量，但對高粱產量沒有顯著影響。生物炭能顯著降低高粱籽粒直鏈淀粉的含量，但對總淀粉含量沒有影響；施肥能顯著降低高粱籽粒單寧含量?？傮w來說，生物炭能有效改善土壤理化性質和提高作物產量，在低肥力土壤上施用生物炭效果更明顯。

生物炭；高粱；土壤環境；產量；品質

2015年在巴黎召開的全球氣候大會標志著全球氣候變暖已引起了世界各國的重要關注。我國承諾，在2030年左右將使CO2排放量達到峰值并盡快實現，2030年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降60%～65%。因此，碳減排給我國經濟的可持續發展帶來了巨大的壓力和挑戰。人們注意到自然生成的生物炭在土壤中可保持長達數百年至數千年不變化，認識到生物炭是穩定的碳固定載體，將生物炭作為土壤改良劑和肥料增效載體施入土壤有可能實現碳的固定和二氧化碳減排[1-3]。而農業是溫室氣體的第二大排放源，同時也是巨大的“碳匯”[4]。因此，自20世紀90年代中后期以來，以熱裂解生物質生產生物炭，并將其作為土壤改良劑及固碳劑的研究日益增多[5]。

生物炭（Biochar）是在低氧或缺氧條件下，將農作物秸稈、禽畜糞便和其他材料等有機物質經過高溫（＜700℃）熱解而形成的產物[6]。生物炭呈堿性，可用來改良酸性土壤；其具有發達的孔隙結構和吸持容量，可以改善土壤持水能力，提高土壤通氣性。生物炭含有一定量的礦質養分，可增加土壤中礦質養分含量，如磷、鉀、鈣、鎂及氮素；其具有較高的吸附容量和離子吸附交換能力，可以增加土壤的陽離子或陰離子交換量，從而提高土壤的保肥能力。因此，生物炭輸入土壤后能有效改善土壤供給水肥氣熱的能力，促進作物的生長和產量的增加[5，7-10]。但由于生物炭原料，制備工藝等對其性質影響較大，且施用量的不同以及土壤類型不同等均會對其使用效果產生很大影響[11]。

目前，生物炭研究主要集中在盆栽試驗或短期大田試驗，關于生物炭長期大田定位試驗研究較少。

本試驗基于連續5 a定位試驗，研究連續5 a施用生物炭后對華北旱地農田土壤理化性質及作物產量和品質的影響，旨在為提高旱地農田作物產量和質量以及合理施用生物炭提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于山西省晉中市東陽鎮山西省農業科學院試驗基地，北緯37°32′27.62″，東經112°40′15.80″，海拔799.4～804.6 m，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫9.7℃，平均降水量440.7 mm，年日照時數2 662 h，無霜期158 d。土壤以褐土類型為主，有機質含量1.14 g/kg，全氮0.98 g/kg，有效磷5.43 mg/kg，速效鉀243.00 mg/kg。供試生物炭由山西省工霄商社生產，由玉米秸稈在700微氧條件下碳化而成，其基本化學性質列于表1。

表1 供試生物炭基本化學性質

1.2 試驗設計與管理

生物炭改良試驗始于2011年，試驗共設4個處理：空白對照（CK），單施生物炭（B），單施化肥（OPT），化肥與生物炭配施（OPT＋B）。每個小區設3個重復，共計12個小區。小區面積75 m2，隨機區組排列。種植方式為高粱、玉米輪作，2015年種植高粱，品種為晉雜34。播前灌水900 m3/hm2，生育期不再灌溉；采用相同的管理措施，連續5 a施肥水平均為N225 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O60 kg/hm2，生物炭施用量為4.5 t/hm2（按秸稈還田量計算）。播種前1/2氮肥、磷肥、鉀肥及生物炭作為基肥施入，其余氮肥于拔節期追施。高粱于2015年5月4—6日播種，10月6—10日收獲。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤理化性質和酶活性測定在高粱收獲后，每小區按“S”形多點采集0～20 cm的根層土壤并混合；將其風干后過2 mm篩，用于測定養分含量及酶活性。于2015年10月27日采集土壤，測定容重（采用環刀法測定）。土壤樣品的測定均參照鮑士旦《土壤農化分析》[12]的測定方法進行：土壤全氮采用開氏法測定，速效磷采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨提取，火焰光度計法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定。

參照嚴昶升[13]方法測定土壤酶活性：磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法（37℃培養24 h）測定，以每克土釋放酚的毫克數表示；土壤過氧化氫酶使用高錳酸鉀滴定法（0.1 mol/LKMnO4，20 min）測定，以每克土中消耗高錳酸鉀的毫升數表示；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法（37℃培養24 h）測定，以每克土壤中葡萄糖的量表示；脲酶活性使用苯酚鈉比色法（37℃培養24 h）測定，以每克土所含銨態氮的毫克數表示。

1.3.2 高粱產量及品質測定收獲前調查各小區的實際穗數后小區單收單打，每小區采集具有代表性的5穗帶回室內進行穗粒質量和千粒質量的測定。將籽粒粉碎后，分別依據中華人民共和國國家標準GB/T15686—2008高粱單寧含量測定法[14]、GB 5006—1985谷物籽粒粗淀粉測定法[15]和GB7684—87水稻、玉米、谷子籽粒直鏈淀粉測定法[16]測定籽粒中單寧、總淀粉和直鏈淀粉含量（支鏈淀粉為總粗淀粉與直鏈淀粉的差值）。

1.4 數據處理

采用Excel 2007軟件進行數據整理，采用Minitab 16軟件統計分析數據。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤環境的影響

2.1.1 生物炭對土壤容重的影響土壤容重是土壤重要的物理性質，是衡量土壤肥力狀況的重要指標之一。由表2可知，經過5 a連續施用生物炭后，各土層土壤容重雖沒有顯著性差異，但均表現出降低的趨勢。與空白對照（CK）相比，單施生物炭（B）處理土壤容重在0～10，10～20，20～30 cm土層分別降低了3.5%，3.8%和5.0%；與單施化肥（OPT）處理相比，生物炭與化肥配施（OPT＋B）處理的結果與上述結果變化趨勢一致，在0～10，10～20，20～30 cm土層分別降低了1%，3%和6%。

表2 生物炭對土壤容重的影響g/cm3

2.1.2 生物炭對土壤養分含量的影響由表3可知，生物炭極顯著地影響了土壤中有效磷、速效鉀和有機質的含量。與對照（CK）相比，連續5 a單施生物炭處理（B）顯著提高了土壤速效鉀和有機質的含量，分別提高了43.7%和53.1%，全氮和有效磷則無顯著差異，其中有效磷提高了12.8%；與OPT相比，OPT＋B處理土壤有效磷、速效鉀和有機質含量均顯著提高，分別提高了36.7%，79.2%和57.2%，全氮則無顯著差異。

表3 生物炭對土壤養分的影響

2.1.3 生物炭對土壤酶活性的影響由表4可知，生物炭顯著提高了土壤蔗糖酶活性，B和OPT＋B處理土壤蔗糖酶活性分別比CK和OPT高4.8%和5.4%；OPT＋B處理土壤蔗糖酶活性最高，表明生物炭與化肥配施對蔗糖酶活性有正的交互作用；與CK處理相比，B處理土壤堿性磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性均呈增加趨勢，但都未達顯著水平，OPT與OPT＋B處理間土壤堿性磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶均未達顯著差異。說明在低肥力土壤上，施用生物炭會促進微生物活性和養分物質的循環。

表4 生物炭對土壤酶活性的影響

2.2 生物炭對高粱產量及品質的影響

2.2.1 生物炭對高粱產量的影響生物炭對高粱產量的影響情況列于表5。

表5 生物炭對高粱產量的影響

從表5可以看出，單施生物炭對高粱產量產生顯著性影響，但與化肥配施則對高粱產量影響不顯著。與CK相比，B產量提高了20.4%。對高粱產量構成進一步分析可知，生物炭主要影響了單穗質量尤其是千粒質量。與CK相比，添加生物炭后的B處理千粒質量提高了14.9%，差異達顯著水平。

2.2.2 生物炭對高粱品質的影響從表6可以看出，施肥及添加生物炭對高粱籽?？偟矸酆繘]有明顯影響，但降低了直鏈淀粉的比例。與OPT相比，OPT＋B處理的高粱籽粒的直鏈淀粉含量降低了20.9%，差異達到顯著水平；施肥顯著降低了高粱籽粒單寧含量，降幅可達37.6%～41.1%，而添加生物炭對高粱單寧含量沒有顯著性影響。

表6 生物炭對高粱品質的影響

3 結論與討論

3.1 生物炭對土壤環境的影響

土壤容重是土壤重要的物理性狀，是衡量土壤肥力狀況的重要指標[17]。添加生物炭可有效降低土壤的容重，其原因除了生物炭具有較低密度可以稀釋土壤外，還與施用生物炭后可能導致土壤微生物活性增加、團聚性能增強，從而使土壤結構得到改善[18-19]有關。陳紅霞等[20]在沙姜黑土上連續3 a施用生物炭后，0～7.5cm土層土壤容重顯著降低。本研究結果表明，各土層土壤容重雖無顯著性差異，但都表現出降低的趨勢，究其原因，可能是由于生物炭施用量過少。土壤容重降低表明土壤總空隙度增加，意味著土壤通氣狀況改善和土壤水分入滲增加[19，21]。

由于生物炭是生物質經高溫處理過后剩余的固體物質，所以植物所需營養元素幾乎都不同程度地保留在生物炭中，將其施入土壤中能夠增加土壤養分的含量[22]。本研究結果顯示，經過5 a連續施用生物炭后，土壤中有效磷、速效鉀和有機質含量較不施生物炭處理均顯著提高，這與前人研究結果一致[23]。除了作為土壤養分的直接來源外，生物炭在改善土壤結構、增強土壤持水性、提高土壤pH和CEC等方面也發揮作用，從而影響土壤中磷、鉀的轉化[24-25]。此外，其較大的比表面積和較強的吸附性能亦能有效減少養分流失、提高土壤的保肥性能[26]。

土壤酶來源于土壤生物及根系分泌物，其參與土壤有機物分解、養分物質循環等諸多生物化學過程，是反映土壤肥力、評價土壤質量的重要指標。其中，蔗糖酶活性可以反映土壤中易溶性物質的利用以及土壤有機質積累和轉化的狀況；脲酶是土壤中對尿素轉化起重要作用的酶類；磷酸酶能夠酶促分解各種有機磷，為植物生長提供有效磷素；過氧化氫酶則反映了土壤有氧環境的好壞[27-28]。生物炭對土壤酶的影響有其復雜之處：一方面，生物炭會吸附反應底物進行酶促反應；另一方面，其也會吸附酶分子對酶促反應位點進行保護，進而減緩酶促反應的進行[29-30]。本研究結果顯示，生物炭可以顯著提高土壤蔗糖酶的活性，與土壤有機質變化一致，生物炭為土壤微生物提供了較多可以利用的碳源，進而促進了蔗糖酶活性，這與黃劍[31]、陳心想等[32]的研究結果一致。生物炭對脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性則無顯著性影響，這可能與生物炭施用量較少有關。但在單施生物炭條件下，脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均表現出升高的趨勢。說明在低肥力土壤上施用生物炭會改善土壤結構、提高土壤肥力。這也為我國中低產田的改造提供了一條思路[5]。

3.2 生物炭對高粱產量及品質的影響

由于受到氣候條件、土壤類型以及種植作物不同的影響，對于施用生物炭后對作物產量的影響結果不甚一致。房彬等[33]在貴州石灰土上施用生物炭后發現，輪作玉米、油菜的產量均顯著提高。尚杰等[34]研究發現，在沙土上施用生物炭對糜子有增產效果，但在壤土和鹽土上增產效果不明顯。Kishimoto等[35]研究發現，當土壤中施入5，15 t/hm2生物炭時，大豆的產量分別下降了37%和71%。本研究結果顯示，單施生物炭，高粱產量顯著提高，但是與化肥配合施用，則對產量沒有顯著影響。

淀粉是高粱籽粒的主要組成成分，其含量在65.3%～81.0%，根據其分子結構可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，高粱淀粉中直鏈淀粉含量在11.98%～23.47%，支鏈淀粉含量在70%～80%。高粱籽?？偟矸酆考爸辨湹矸叟c支鏈淀粉的比值決定著高粱籽粒的品質，并對籽粒的出米率、適口性及釀造產量和品質等方面有重要影響[36-37]。本試驗結果表明，生物炭及施肥對高粱籽?？偟矸酆烤鶡o顯著性影響；但生物炭降低了直鏈淀粉的含量，尤其是與化肥配合施用更顯著降低了直鏈淀粉的含量；總淀粉含量不變的情況下，直鏈淀粉的減少意味著支鏈淀粉的增加。王素貞[38]將化肥與生物炭通過不同配比制成炭基肥，研究其對高粱品質的影響，結果發現，總淀粉含量和支鏈淀粉含量均有不同程度的提高，與本研究結果一致。單寧具有強烈的苦澀味，其存在不僅能夠減少鳥害、增加高粱抗病害能力，還能預防高粱收獲前籽粒發芽，而且適量的單寧也是白酒風味的重要組成成分[39]。王素貞[38]研究結果表明，炭基肥處理單寧含量較不施肥處理明顯降低，本研究結果也證明了這一點。施肥處理的單寧含量顯著低于不施肥處理，但生物炭對高粱籽粒單寧含量沒有顯著性影響。

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Effects of Biochar and Fertilization on Soil Environment and Yield，Quality of Sorghum

WANGNing1，JIAOXiaoyan2，WUAilian2，WANGJinsong2，DONGErwei2，GUOJun2，DINGYuchuan2，WANGLige2
（1.College of Biological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Agricultural Environment and Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

An platform with sorghum and corn crop rotation positioning test for five years was carried out to explore the effects of single biochar and mixture of biochar and NPK fertilizers on soil environment and yield and quality of sorghum.The results showed that onlybiocha（rB）treatment was compared with contro（lCK）and only chemical fertilizers（OPT）treatment was compared with biochar and chemical fertilizers（OPT+B）treatment,after five years continuous application of biochar,both of the biochar application treatments significantly increased soil organic carbon and available K and P contents,but had no significant effect on bulk density and total N contents.Adding biochar had significantly increased the activities of sucrase in the soil,but had no significant effect on the activities of urease,alkaline phosphatase and catalase in the soil.Camp are with CK,the B could significantly increase the yield and the TKW（Thousand Kernel Weight）of grain sorghum.Compared with OPT,OPT+B could significantly improve the TKW,but no significant effect to sorghum production.Biochar could significantly reduce the sorghum grain amylose content,but had no effect on the total starch content. Fertilization could significantly reduce the grain sorghum tannin content.Overall,biochar could effectively improve soil physical and chemical properties and increase crop yield,especiallyin low fertility soil.

biochar;sorghum;soil environment;yield;quality

S153；S514

A

1002-2481（2016）11-1633-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.14

2016-06-30

山西省國際合作項目（2014081040）

王寧（1992-），男，山西懷仁人，在讀碩士，研究方向：農業水土資源管理與荒漠化防治。焦曉燕為通信作者。