生物炭對土壤肥力及玉米產量的影響

韓翠蓮　霍軼珍　朱冬梅

摘要：為研究施用生物炭對土壤肥力及玉米產量的影響，設置不施用生物炭（CK）以及生物炭施用量為15 t/hm2（ST1）、30 t/hm2（ST2）、45 t/hm2（ST3）、60 t/hm2（ST4）共5個處理，研究不同施炭量對玉米土壤有機碳、堿解氮、速效磷、速效鉀含量及產量的影響。結果表明：施用生物炭可顯著提高耕層土壤有機碳含量，在玉米全生育期內，各施用生物炭處理平均較對照（CK）處理高1946%～7456%，差異顯著（P<005）；土壤堿解氮含量平均高1124%～5781%，差異顯著（P<005），且以處理ST1增幅最明顯；土壤速效磷含量平均高3510%～11137%，差異顯著（P<005），以處理ST3增幅最明顯；土壤速效鉀含量平均高1401%～5142%，差異顯著（P<005），以處理ST3增幅最明顯；施用生物炭可顯著提高玉米產量，且以處理ST3增產效果最為明顯，平均較對照處理增產1709%。綜合分析可知，施用生物炭可顯著提升土壤養分含量及玉米產量，且施用量為45 t/hm2時效果更明顯，較適宜在河套灌區玉米種植過程中加以推廣應用。

關鍵詞：生物炭；土壤肥力；玉米產量；河套灌區；綠色農業

中圖分類號： S1582；S1562文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2017）16-0054-03

收稿日期：2017-01-12

基金項目：[JP3]內蒙古自治區高等學校創新團隊發展計劃（編號：NMGIRT-[JP]B1611）；“十三五”國家重點研發計劃（編號：2016YFC0400205）；內蒙古自治區教育廳自然科學基金（編號：NJZY16335）。

作者簡介：韓翠蓮（1968—），女，內蒙古巴彥淖爾人，副教授，主要從事節水灌溉技術研究。E-mail：3346640049@qqcom。

通信作者：霍軼珍，教授，主要從事節水灌溉技術研究。E-mail：805296445@qqcom。

近些年來，隨著對生物炭研究的深入，使其在農業生產過程中也得到了較好的應用和推廣示范。土壤水熱狀況是影響作物生長發育、產量形成的重要因素。呂一甲等研究表明，土壤中施用生物炭后可顯著提高土壤含水率[1-2]；李昌見等研究表明，土壤中施入生物炭可顯著提高作物生育期耕層土壤溫度[3]。同時有研究表明，生物炭可顯著促進作物的生長發育和產量的形成。Cornelissen等研究發現，使用生物炭可顯著提高作物的生物產量[4]；房彬等研究得出，施用生物炭可不同程度地提高玉米、油菜籽的產量[5]。

由此可見，以往關于生物炭對土壤水熱、作物產量等方面的影響研究已經比較深入，而關于生物炭對土壤養分方面的研究較少，同時關于鹽漬化土壤施用生物炭后對土壤肥力變化的影響就更鮮有報道。而多年來，由于肥料的不當施用，使得肥料利用率較低，土壤嚴重板結，耕地土質不斷下降，同時在灌溉以及降水的淋洗作用下，使得土壤中殘留的養分下滲到地下水中，造成了水體的嚴重污染，對環境及綠色農業的發展產生了巨大的威脅。而生物炭由于其自身特殊的結構，比表面積較大，吸附能力強，從而增加了對土壤中養分的吸持能力，這一特征也使得通過施用生物炭提高肥料利用率成為可能。同時生物炭本身也含有一定量的養分，對作物的生長具有一定的促進作用。

因此，本研究在前人研究基礎上，以玉米為供試作物，研究不同生物炭施用量對土壤養分指標及產量的影響，旨在尋求較適宜河套灌區玉米種植的最佳生物炭施用量，同時為生物炭在河套灌區的應用和推廣提供理論依據和技術支撐，對灌區綠色農業的發展具有一定的指導意義。

1試驗設計與研究方法

11試驗區概況

試驗區位于內蒙古巴彥淖爾市臨河區雙河鎮，該地區多年平均降水量140 mm，蒸發量2 3065 mm，平均氣溫68 ℃，平均日照時間3 2299 h，無霜期130 d左右，屬典型的中溫帶干旱大陸性氣候。試驗區以沙質壤土為主，0～100 cm土壤平均容重145 g/cm3，田間持水量2053%，灌溉水源為黃河水，平均礦化度06～08 g/L之間。

12試驗設計

試驗所用生物炭為遼寧金和福農業開發有限公司生產的秸稈生物炭，生物炭基本理化性質：有機質含量92574 g/kg，堿解氮含量15915 g/kg，速效磷含量39418 g/kg，速效鉀含量78398 g/kg。施用方法：春季播種前人工將生物炭均勻撒施到土壤表面，采用旋耕機將其翻耕混入作物耕層土壤中（一般深度為20 cm左右）。試驗所用普通地膜為內蒙古華豐商貿有限責任公司生產的0008 mm厚聚乙烯吹塑農用地膜，膜寬70 cm。玉米品種選用當地常規品種西蒙6號。

試驗采用小區試驗，每個小區面積60 m2（10 m×6 m），試驗設置不施生物炭（CK）以及生物炭施用量為15 t/hm2（ST1）、30 t/hm2（ST2）、45 t/hm2（ST3）、60 t/hm2（ST4）共5個處理，3次重復，各處理小區隨機排列組合。施入生物炭后進行機械覆膜，人工點播玉米，[JP3]每壟種2行玉米，行距50 cm，株距28 cm。按當地玉米種植常規施肥量和灌[JP]水量進行施肥、灌溉。[JP]

13研究方法

玉米各生育期采用土鉆取土，測定土壤養分指標，取樣深度為表層0～20 cm。土壤有機碳含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤堿解氮含量用堿解蒸餾法測定；土壤速效磷含量用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀含量用NH4Ac浸提-火焰光度法測定。在玉米成熟期，各處理選取具有代表性的10株測定其產量指標。

14數據處理

采用Excel 2003進行數據處理并繪制圖表，利用數據分析軟件SPSS170進行試驗數據的方差檢驗。

2結果與分析

21施用生物炭對土壤有機碳含量的影響

土壤中有機質含量是反映土壤肥力水平的重要指標，而有機碳的含量又是土壤有機質含量的最直接表現，土壤中有機碳含量越高，土壤肥力越好，越有利于作物的生長發育。由圖1可知，土壤有機碳含量隨生物炭施用量的增加呈上升趨勢，且生物炭施用量越大，相應的土壤有機碳含量增幅越明顯。在玉米拔節期，ST1～ST4處理土壤有機碳含量分別較不施用生物炭處理高1687%、3494%、5904%、8193%，差異顯著（P<005），且各處理間差異均達到了顯著水平（P<005）。在玉米抽雄期，ST1～ST4處理土壤有機碳含量分別較不施用生物炭處理高1481%、4938%、6667%、7654%，各處理間差異均達到了顯著水平（P<005）。在玉米灌漿期，ST1～ST4處理土壤有機碳含量分別較不施用生物炭處理高2785%、3165%、6329%、8734%，且差異顯著（P<005），但處理ST1、ST2間差異不顯著。在玉米成熟期，ST1～ST4處理土壤有機碳含量分別較不施用生物炭處理高1829%、2317%、3049%、5244%，且差異顯著（P<005），而處理ST1、ST2、ST3間差異不顯著。由此可見，施用生物炭可有效提高土壤中有機碳含量，且生物炭施用量越多，對土壤有機碳含量的增效更為明顯，這一研究結論與李昌見對番茄的研究成果較為一致。

[FK（W12][TPHCL1tif][FK）]

22施用生物炭對土壤堿解氮含量的影響

氮素是作物正常生長所必需的養分之一，而土壤中的堿解氮是最容易被作物吸收利用的部分，它能夠有效反映土壤中氮素的動態變化。有研究發現，土壤中的堿解氮含量可直接反映土壤對作物的供氮能力[8]。

由圖2可知，在不同生物炭施用量條件下，隨生物炭施用量的增加，玉米各生育期土壤堿解氮含量呈現先增加后減少的趨勢。在玉米拔節期，ST1～ST4處理土壤堿解氮含量分別較不施用生物炭處理高6667%、5490%、3529%、1961%，差異顯著（P<005）。在玉米抽雄期，ST1～ST4處理土壤堿解氮含量分別較CK處理高6308%、4462%、3385%、1692%，差異顯著（P<005）。在玉米灌漿期，ST1～ST4處理土壤堿解氮含量分別較CK處理高5455%、3506%、2208%、390%，部分差異達到了顯著水平（P<005）。在玉米成熟期，ST1～ST4處理土壤堿解氮含量分別較CK處理高4697%、2576%、1970%、455%，部分差異達到了顯著水平（P<005）。由此可見，施用生物炭可不同程度地提高土壤中堿解氮含量，且在低生物炭施用條件下提高效果更為明顯，這可能是由于低生物炭條件可更有效地吸收土壤中的有機氮，從而減少氮的淋失[9]。

23施用生物炭對土壤速效磷含量的影響

磷是作物生長發育所必需的營養元素，土壤中磷元素的主要來源為施肥。然而有研究表明，土壤中施入磷肥后會迅速地生成磷酸鹽而難以被作物吸收利用，吸收利用率僅有10%～25%[10]，這不僅造成肥料的浪費，而且磷元素在降水及灌溉的淋洗作用下會下滲到地下水體中，從而造成水體的富營養化，嚴重威脅地下水環境的安全。生物炭由于其特殊的結構，具有較大的比表面積，使其具有較強的吸附能力，從而能夠有效吸附土壤中磷元素，減少流失。

由圖3可知，在不同處理條件下，隨著生物炭施用量的增加，玉米各生育期土壤速效磷含量呈現先增加后減少的趨勢。在玉米拔節期，ST1～ST4處理土壤速效磷含量分別較不施用生物炭處理高2550%、6644%、9195%、6175%，且差異顯著（P<005）。在玉米抽雄期，ST1～ST4處理土壤速效磷含量分別較CK處理高3333%、6867%、9867%、6267%，且差異顯著（P<005）。在玉米灌漿期，ST1～ST4處理土壤速效磷含量分別較CK處理高4882%、8425%、12126%、7402%，且差異顯著（P<005）。在玉米成熟期，ST1～ST4處理土壤速效磷含量分別較CK處理高3276%、11121%、13362%、8879%，且差異顯著（P<005）。由此可見，在土壤中施入生物炭可顯著提高土壤中有效磷含量，且在一定施用范圍內更加明顯，超過一定施用量后呈現下降趨勢。

24施用生物炭對土壤速效鉀含量的影響

鉀元素在植物生長過程中發揮著不可替代的作用，它直接參與植物體的光合作用、蛋白質的合成以及酶系統的活化等生理過程， 土壤中含有足夠的速效鉀可以有效促進作物的

生長發育和產量形成。

由圖4可知，在不同處理條件下，隨生物炭施用量的增加，玉米各生育期土壤速效鉀含量呈現先增加后減少的趨勢。在玉米拔節期，ST1～ST4處理土壤速效鉀含量分別較不施用生物炭處理高1486%、4514%、7429%、5029%，且差異顯著（P<005）。在玉米抽雄期，ST1～ST4處理土壤速效鉀含量分別較CK處理高1176%、2674%、5241%、2888%，且差異顯著（P<005）。在玉米灌漿期，ST1～ST4處理土壤速效鉀含量分別較CK處理高1969%、2487%、4456%、1865%，且差異顯著（P<005）。在玉米成熟期，ST1～ST4處理土壤速效鉀含量分別較CK處理高974%、1364%、3442%、1624%，大多數達到顯著性水平（P<005）。而有研究發現，玉米生長過程中對鉀的需求較其他元素多，且在生育后期對其吸收仍處于較高水平[11]，因此在生育后期土壤中充足的速效鉀供應較有利于延緩根系、植株的衰老，從而提高產量[12]，從這一研究結果來看，ST3處理優勢較為明顯。綜上可見，施用生物炭可不同程度地提高土壤中速效鉀含量水平，且在一定施用范圍內，增效更為明顯。

25施用生物炭對玉米產量的影響

由表1可知，各處理玉米產量表現為ST3>ST4>ST2>ST1>CK，且各生物炭處理均顯著高于CK處理（P<005）；各生物炭處理平均穗長、穗粗、穗粒數、百粒質量分別較CK處理高922%、827%、1014%、584%。就產量而言，處理ST1～ST4分別較不施用生物炭處理高893%、1414%、1709%、1543%，差異顯著（P<005），這也說明在一定施用量范圍內，生物炭可顯著提高玉米的經濟產量。

3討論與結論

注：同列數據后標有不同小寫字母表示差異顯著（P<005）。[HT][FK）]

的生長、高產以及農業的可持續發展都具有重要的意義。由于生物炭本身含碳量較高，平均在40%～75%之間，這也使得土壤中施入生物炭后，在微生物的分解作用下，進一步提高了土壤中有機碳的含量。本研究發現，在施入生物炭后，玉米各生育期土壤中有機碳含量均顯著高于不施用生物炭處理（P<005）；從全生育期來看，ST1、ST2、ST3、ST4處理土壤有機碳含量分別較不施用生物炭處理高1946%、3478%、5487%、7456%，且生物炭施用量越多，土壤有機碳含量越高。

由于生物炭具有較大的比表面積，這一特殊的結構也使其具有較強的吸附能力，增強了對土壤中氮、磷、鉀等離子的吸附能力，使其較為穩定地存在于土壤中，減少了降水、灌水等因素對營養元素的淋洗而造成的流失。此外，生物炭本身含有一定量的氮、磷、鉀，從而顯著增加了土壤中的氮、磷、鉀含量。分析發現，在玉米全生育期內，從土壤堿解氮含量看，ST1、ST2、ST3、ST4處理分別較不施用生物炭處理高5781%、4009%、2773%、1124%，差異顯著（P<005），以處理ST1增幅最明顯。從土壤速效磷含量看，ST1、ST2、ST3、ST4處理分別較不施用生物炭處理高3510%、8264%、11137%、7181%，差異顯著（P<005），以ST3處理增幅最明顯。從土壤速效鉀含量看，ST1、ST2、ST3、ST4處理分別較不施用生物炭處理高1401%、2760%、5142%、2851%，差異顯著（P<005），同樣以ST3處理增幅最明顯。通過對玉米產量的分析發現，各施用生物炭處理均可顯著提高玉米的經濟產量，且以ST3處理增產效果最明顯，平均較對照處理增產1709%。因此，綜合分析施用生物炭對土壤養分、玉米產量的影響可以得出，ST3處理較適宜在灌區玉米的種植過程中加以推廣應用，即施用生物炭量為45 t/hm2較合適。

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