膜下滴灌條件下生物質炭對土壤水熱肥效應的影響①

高利華，屈忠義

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膜下滴灌條件下生物質炭對土壤水熱肥效應的影響①

高利華，屈忠義*

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

通過田間小區試驗，研究膜下滴灌條件下農田施用生物炭0 t/hm2(A0)、15 t/hm2(A15)、30 t/hm2(A30)和45 t/hm2(A45)后玉米各生育期土壤含水率、溫度和有機質及速效養分含量的變化規律。試驗結果表明：在每個生育期，各處理耕層土壤含水率均隨生物炭施用量增加呈先增加后減少的趨勢，且均高于對照。在玉米拔節期、抽雄期和灌漿期差異性顯著，且顯著相關，其中A30處理增幅最大，達13.74%；在玉米三葉期和拔節初期，施用生物炭顯著提高土壤表層溫度，且呈正相關；在抽雄期、灌漿期和成熟期，土壤表層溫度依次為A30>A0>A45>A15，與施炭量沒有表現出顯著相關；耕層土壤有機質和有效磷含量隨施炭量增加而顯著增加，且均高于對照，與施炭量表現出極顯著相關；整個玉米生育期，相比對照A0，處理A15、A30和A45有機質最大增幅分別為：14%、20% 和58%，有效磷最大增幅分別為：62%、99% 和113%；施用生物炭后，各處理均顯著提高了耕層土壤堿解氮和速效鉀含量，相比對照A0，處理A15、A30和A45堿解氮的最大增幅分別為13%、17% 和10%，速效鉀的最大增幅分別為：35%、48% 和63%。綜上所述，膜下滴灌條件下適量施用生物炭可有效增加耕層土壤含水率、土壤溫度和有機質及速效養分，生物炭具有一定的保水、保溫、保肥特性，有利于提高土壤水、肥利用率。

膜下滴灌；生物炭；含水率；土壤溫度；有機質；速效養分

內蒙古地處干旱半干旱地區，降雨量少、蒸發量大，水資源嚴重匱乏，是水土流失較嚴重的區域[1]，伴隨著中國經濟社會的快速發展、持續加大的農業集約化壓力，化肥施用數量和強度不斷增加，導致土壤板結酸化、面源污染問題等不斷加重，而且在未來的一段時間內可能還會繼續惡化[2]，因此如何提升土壤的保水、保肥能力是迫切需要解決的關鍵問題之一。近年來的研究表明，生物炭在土壤改良[3–8]和固碳減排[9–10]方面具有一定效果，在土壤中施用生物炭也許是解決上述問題的途徑之一。

生物炭(biochar)主要是指植物或其他有機物在限氧或無氧條件下經高溫裂解形成的穩定的富碳產物，元素組成主要包含C、H、O等，其次是灰分，其性質穩定，孔隙結構發達，比表面積巨大，具有大量的表面負電荷以及高電荷密度的特性，能較多地吸附土壤陽離子[11]。因此，生物炭施入土壤后可能會提高土壤的保水、保肥能力，進而提高土壤的水肥利用效率。周桂玉等[12]和勾芒芒等[13]通過室內土柱試驗發現添加生物炭以后土壤中的速效養分均不同程度增加。Chan等[14]通過盆栽試驗也得出了相同的結論。高海英等[15]發現隨著生物炭施用量的增多，土壤持水能力在一定范圍內有所增強。

在內蒙古河套灌區，玉米是主要農作物之一，大部分廢棄秸稈都被直接焚燒，對環境造成了嚴重的影響。如果能將其應用到生物炭技術中來，不僅能夠解決環境污染問題，而且可以促進資源的可持續利用。應用生物炭技術是利用現有資源、節約水資源、改善土壤肥力、修復農田生態環境、實現農業可持續發展的一個新思路。然而目前的研究大都集中于室內及大棚試驗[12–14]，而大田試驗農田的灌溉方式多數為地面灌溉[3, 9]。膜下滴灌是近年來新興的節水灌溉方式，滴灌可使作物主要根系區的土壤始終保持在最優含水狀態，地膜覆蓋則進一步減少了作物棵間水分的蒸發[16–17]。且能提高耕層土壤的溫度[18]，然而有關生物炭與膜下滴灌相結合的農田效應研究幾乎為空白。因此本文旨在膜下滴灌條件下設置不同生物炭施用量梯度，通過研究土壤水、肥、熱的變化規律，為生物炭在內蒙古地區的推廣利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年5月初到10月中旬在內蒙古河套灌區臨河區雙河鎮進步村九莊農業合作社(107°18′E，40°41′N，海拔1 041 ~ 1 043 m)進行。該地屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，其特點是云霧少、降水量少、風大氣候干燥，多年年均降水量140 mm左右，平均氣溫6.8℃，晝夜溫差大，日照時間長，平均日照時間3 229.9 h，無霜期為130 d左右，地勢東高西低，地面坡降1/6 000。

1.2 供試材料

供試生物炭為遼寧金和福農業開發有限公司的玉米秸稈生物炭產品，該產品選用當年玉米秸稈在炭化溫度為400℃于缺氧條件下燃燒8 h后制成。生物炭及供試土壤主要性質見表1。

表1 供試土壤和生物炭基礎理化性狀

1.3 試驗處理

將生物炭施于土壤表面，用旋耕機將生物炭與耕層土壤均勻混合。本試驗采用單因素4水平設計，生物炭施用量分別為0 t/hm2(A0)、15t/hm2(A15)、30 t/hm2(A30)、45 t/hm2(A45)，每個處理3個重復，共12個小區，每個小區面積為90 m2(15 m × 6 m)。供試作物為玉米，品種為西蒙6號，株距30 cm，行距60 cm，種植密度為55 556株/hm2。基肥施用量：磷酸二銨(N: P2O5: K2O = 14: 39: 0)450 kg/hm2，復合肥(N: P2O5: K2O = 30: 5: 5)337.5 kg/hm2。共追施尿素((CO (NH2)2) = 46.67%)375 kg/hm2(在拔節前、中、后期追肥3次，抽雄期1次，灌漿期1次，共5次，每次75 kg/hm2)，施肥方式為隨水施肥。灌水方式為膜下滴灌，通過張力計監測土壤水分狀況，灌水下限為–35 kpa，灌水定額為225 m3/hm2。

1.4 觀測項目及方法

在玉米的各主要生育期(三葉期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期)對不同處理分別多點取0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm的土層樣品，混勻后，取部分土樣測定土壤含水率；在每個生育期對各處理通過直角地溫計連續3 d讀取表層土壤溫度(10 cm)，從每天早上6:00到晚上8:00，每隔2 h讀一次，最后將3 d同一時間地溫求平均值；在各生育期對不同處理用土鉆分別于0 ~ 15 cm和15 ~ 30 cm土層取樣，經自然風干、過篩后，測定堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量。土壤含水率測定采用烘干稱重法[19]，堿解氮測定采用堿解擴散法[19]，有效磷和速效鉀測定采用聯合浸提–比色法[20]，有機質測定采用重鉻酸鉀容量法[21]。

1.5 數據分析與處理

數據通過Microsoft Excel 2003進行整理并作圖，使用SPSS 19.0進行單因素方差分析和相關性分析，采用LSD方法進行顯著性檢驗(<0.05)。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤含水率的影響

0~ 10 cm(圖1A)和10 ~ 20 cm(圖1B)土層土壤含水率的變化趨勢基本一致，隨著施炭量的增加呈先增加后減少的趨勢，且均高于對照。0 ~ 10 cm土層土壤含水率在三葉期各處理間差異均不顯著；拔節期處理A15、A30和A45土壤含水率分別比對照A0提高11.95%、13.74%、9.60%，差異達到顯著水平；抽雄期處理A30土壤含水率比對照A0提高10.42%，差異達到顯著水平，處理A15和A45差異未達到顯著水平；灌漿期，處理A30和A45的土壤含水率分別比對照A0提高：8.94%、8.06%，差異達到顯著水平，A15差異不顯著；成熟期，各處理差異均不顯著。10 ~ 20 cm 土層土壤含水率觀測結果如圖1B所示，三葉期各處理的土壤含水率差異均不顯著；拔節期處理A15和A30的土壤含水率比對照增加11.43%、12.39%，差異顯著，A45與A0差異不顯著；抽雄期處理A30和A15比對照A0分別增加5.27%、4.79%，差異顯著，而A45與對照差異不顯著；灌漿期處理A30和A45的土壤含水率比對照分別增加7.84%、4.31%，差異達到顯著水平，處理A15與A0差異不顯著；成熟期，各處理的差異均不顯著。通過分析可知，施用生物炭后可有效增加耕層土壤含水率，但是并不是生物炭越多增加的幅度就越大，這種增加效應有一定的限度。

2.2 生物炭對土壤肥力的影響

玉米三葉期測得不同處理土壤堿解氮、速效鉀、有機質和有效磷的含量(圖2)均隨著生物炭施用量的增加呈逐漸增加的趨勢，且均高于對照。較大生物炭用量處理(A30、A45)增幅效果較大，兩處理堿解氮增幅均為6%，有機質增幅超過20%，速效鉀和有效磷增幅超過48%。

在拔節期，土壤堿解氮含量從大到小依次為A30>A15>A45>A0，其中，A30和A15分別比A0提高了14% 和13%。土壤速效鉀含量從大到小依次為A30>A45>A15>A0，其中A30、A45、A15分別比 A0 提高了 130%、63% 和21%。有機質和有效磷隨生物炭施用量增加而增加，且均大于對照，其中A45和A30有機質分別增加23% 和9%，有效磷分別增加108% 和83%。

在抽雄期，土壤堿解氮含量從大到小為A30> A15>A45>A0，其中A30和A15分別比A0增加了14% 和12%。土壤速效鉀含量從大到小依次為A30>A15>A45>A0，其中A30、A15、A45分別比A0提高了109%、21% 和11%。有機質和有效磷隨生物炭施用量增加而增加，其中A45和A30有機質增加18% 和17%，有效磷增加85% 和70%。

在灌漿期，土壤堿解氮含量從大到小依次為A30>A15>A45>A0，其中A30和A15分別增加17% 和11%。土壤速效鉀、有機質和有效磷含量隨生物炭施用量增加呈遞增趨勢，其中A45和A30效果最佳，速效鉀增幅超過31%，有機質增幅超過20%，有效磷增幅超過70%。

在成熟期，土壤速效鉀含量從大到小依次為A30>A15>A45>A0，其中A30和A15分別增加46% 和16%。堿解氮、有機質和有效磷隨生物炭施用量增加呈逐漸增加的趨勢，其中A45和A30增幅最大，堿解氮增幅超過5%，有機質增幅超過14%，有效磷增幅超過99%。

2.3 生物炭對土壤溫度的影響

如圖3所示，在三葉期和拔節期，隨著生物炭施用量的增加，土壤溫度呈逐漸增加的趨勢，不同處理的土壤溫度依次為A45>A30>A15>A0。在抽雄期、灌漿期和成熟期，不同處理土壤溫度呈現相同規律，均為A30>A0>A45>A15。

2.4 生物炭與土壤水、肥、熱指標相關性分析

通過土壤含水率與生物炭相關性分析可知(表2)，在0 ~ 10 cm土壤深度，拔節期和抽雄期土壤含水率與生物炭施用量相關性顯著，灌漿期達到極顯著，而三葉期和成熟期未表現出顯著相關；在10 ~ 20 cm土壤深度，拔節期、抽雄期和灌漿期土壤含水率與生物炭施用量顯著相關，而三葉期和成熟期未表現出顯著相關。

表2 耕層土壤含水率、有機質、速效養分、地溫與生物炭施用量的相關分析

注：* 表示在<0.05水平上顯著相關；** 表示在<0.01水平上顯著相關(= 12)。

土壤耕層養分與生物炭相關分析如表2，堿解氮含量與生物炭施用量在三葉期和成熟期表現出極顯著相關；在拔節期、抽雄期和灌漿期相關性不顯著。速效鉀含量與生物炭施用量在三葉期、拔節期和灌漿期表現出極顯著相關，在抽雄期和成熟期相關不顯著。有機質含量和有效磷含量與生物炭施用量在玉米整個生育期均表現出極顯著相關。

在三葉期和拔節期，表層土壤溫度與生物炭施用量表現出顯著相關；在抽雄期、灌漿期和成熟期相關性未達到顯著水平。

3 討論

3.1 生物炭對耕層土壤含水率的影響

試驗研究表明，施入生物炭可有效提高土壤含水率，這與尚杰等[22]和 Edward 等[23]的研究結果相吻合。施入生物炭后減小土壤的體積質量，進而增大土壤的孔隙度[22]，有利于土壤含水率的增加；另一方面生物炭具有多孔結構和一定的親水性，吸附力大，從而提高土壤的保水能力。生物炭本身含有較高的鹽分含量，施入土壤后土壤鹽分的增加會加大土壤的吸濕能力，減緩土壤水分蒸發[24]。在整個玉米生育期，隨生物炭施用量進一步增加，土壤含水率逐漸降低，這與高海英等[15]的研究結果一致，可能是因為較大生物炭施用量導致土壤通氣孔隙增加，保水能力降低。

3.2 生物炭對耕層土壤肥力的影響

大量的室內室外試驗研究表明，施用生物炭可有效提高土壤中的有機質含量[3–4, 12–13, 25]，本試驗研究結果表明，施用生物炭后，在玉米的全生育期均提高了耕層土壤有機質含量，且呈正相關，這一方面是因為，生物炭本身碳含量非常高，可以增加土壤中有機質的含量[26]；另一方面是因為生物質中的碳主要由生物質通過熱解生成，以惰性的芳香環狀結構存在，因此生物炭很難被分解[27]，據報告生物炭可以封存上千年。生物炭表面豐富的含氧官能團所帶的負電荷及其復雜的孔隙結構賦予了其較大的陽離子交換量和強大的吸附力，因此生物炭可作為肥料緩釋載體，延緩肥料養分在土壤中的釋放，降低肥料養分的淋失及固定等損失，提高肥料養分利用率[26]。在玉米全生育期耕層土壤各生物炭處理的堿解氮、速效鉀和有效磷含量均高于對照，這一方面是因為生物炭增大土壤陽離子交換量，減少土壤中氮、磷、鉀的淋溶損失；另一方面是因為生物炭具有強大的吸附能力，可吸附銨離子、鉀離子，還可吸附磷和其他水溶性鹽離子，具有保肥性能[28]。然而本試驗中，高施炭量處理土壤堿解氮和速效鉀含量較中低施炭量處理在部分生育期降低，且相關性不顯著，可能是高生物炭施用量導致土壤高的C/N，從而引起土壤堿解氮的生物固定[29]，具體原因有待進一步研究。

3.3 生物炭對土壤溫度的影響

土壤溫度是決定作物生長優劣的重要指標，受土壤含水率和土壤顏色的影響，太陽輻射和土壤微生物生命活動是其熱量的主要來源。各處理表層土壤溫度在三葉期和拔節期隨施炭量的增加而升高，且呈顯著正相關，這與李昌見等[30]的試驗結果一致，這是因為高濃度的生物炭會加深土壤顏色[4]。Briggs 等[31]通過試驗發現，添加生物炭后孟塞爾色度值隨著施炭量增加降幅增大，而孟塞爾色度值與土壤反射率呈線性相關[32]，且此段時期植株較小，各處理差異較小，植株對太陽光遮擋的作用不大，高濃度生物炭處理土壤顏色較深，有利于吸收更多太陽的輻射，從而引起表層土壤溫度增加。也有可能是生物炭的多孔結構為微生物繁殖和生存提供了有利場所，而在微生物的生命活動過程中會釋放出大量熱量，從而增加土壤溫度；在抽雄期、灌漿期和成熟期，土壤表層溫度與生物炭沒有表現出顯著相關，與李昌見等[30]的研究結果不一致，原因可能是供試的作物不同，李昌見等[30]研究的番茄在整個生育期株高較小，太陽光對地面輻射所受影響較小，而玉米在抽雄期及以后株高將近3 m，嚴重遮擋太陽光對地面的輻射，削弱了土壤顏色對土壤溫度的影響。試驗中，A30處理表層土壤溫度最高，可能是因為A30更加有利于土壤孔隙尤其是持水孔隙的增加，有利于土壤水、氣協調，促進土壤微生物活動及土壤養分轉化，有利于作物根系生長與養分吸收等。本試驗中，生物炭施用量30 t/hm2綜合作用效果較優。

4 結論

1) 隨著生物炭施用量的增加，耕層土壤含水率先增加后減小，說明土壤的保水能力與施炭量有密切的聯系，本試驗中30 t/hm2施炭量可較大幅度提高土壤含水率，有利于提高土壤水分利用率和減少水分損失。

2) 施用生物炭能在一定程度上提高土壤肥力，在玉米整個生育期，其中有機質和有效磷含量隨施炭量增加呈逐漸增加的趨勢，堿解氮和速效鉀呈先增加后減少的趨勢。利用生物炭提高土壤肥力同樣需適當考慮生物炭施用量。

3) 生物炭具有增強土壤保溫的性能，且保溫效果與作物種類及生物炭施用量有一定關系，本試驗中，30 t/hm2的生物炭施用量對土壤增溫效果最明顯。

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Effects of Biochar on Soil Water-Heat-Fertility Behavior Effect Under Mulched Drip Irrigation

GAO Lihua, QU Zhongyi*

(Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China)

Field plot experiments were conducted to study the effects of biochar on the hehavior of soil moisture, temperature, organic matter and available nutrient contents in different growth periods of maize under mulched drip irrigation conditions. The dosages of biochar were set at 0 t/hm2(A0), 15 t/hm2(A15), 30 t/hm2(A30) and 45 t/hm2(A45), respectively. Results showed that, with the increase of biochar use, soil moisture increased first and then decreased in plough layer during the growth period of maize. Soil moisture in the treatments with biochar were higher than that in control (A0), significant differences were observed in the jointing, tasseling and filling stages of maize and the highest increase rate (13.74%) was found in A30. At three-leaf stage and early jointing stage, biochar application increased the temperature of surface soil layer remarkably. At tasseling, filling and maturity stages, the temperature of surface soil layer followed an order of A30>A0>A45>A15, with no significant correlation to biochar rate. Moreover, organic matter and available phosphorus contents in plough soil layer increased with biochar rate. During the growth period of maize, as compared with control (A0), soil organic matter contents in A15, A30 and A45 increased by 14%, 20% and 58%, while available phosphorus by 62%, 99% and 113%, respectively. The application of biochar significantly increased alkali-hydrolyzable nitrogen and rapidly available potassium contents in plough soil layer. In comparison with control (A0), alkali-hydrolyzable nitrogen of A15, A30 and A45 increased by 13%, 17% and 10%, while rapidly available potassium increased by 35%, 48% and 63%, respectively. In conclusion, biochar use under mulched drip irrigation effectively increased soil moisture, temperature, organic matter and rapidly available nutrients in plough soil layer, which indicate that biochar could maintain soil water-heat-fertility, is of great significance in improving soil water and fertilizer use efficiency.

Mulched drip irrigation; Biochar; Soil moisture; Temperature; Organic matter; Rapidly available nutrients

10.13758/j.cnki.tr.2017.03.027

S15

A

國家自然科學基金項目(41161038)、內蒙古自治區科技廳應用項目(201501061)和“十三五”國家重點研發計劃項目(2016YFC0501301)資助。

(quzhongyi@imau.edu.cn)

高利華(1990—)，女，內蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要研究方向為農業水土資源利用與水土環境調控。E-mail: 1436082044 @qq.com