生物質(zhì)炭對(duì)玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量及白漿土理化性狀的影響

李傳寶，孟雨田，李曉慶，陳 琳，徐晴晴，王宏燕

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150030）

白漿土作為一種典型的低產(chǎn)形土壤廣泛分布于黑龍江省東北部，其中白漿層的平均厚度在20 cm左右［1］，白漿土的白漿層是由粉砂和黏粒形成的致密結(jié)構(gòu)，其中砂黏比高達(dá)2.0左右，這一類型的體積比類似于混凝土狀的最緊密填充比例，因此白漿層具有透水、透氣困難，板結(jié)緊實(shí)，同時(shí)土壤中的微生物數(shù)量因養(yǎng)分貧瘠以及生存空間受限等影響，對(duì)于作物根系的生長以及肥料的利用上均有不同程度的影響［2－3］。據(jù)黑龍江省多年調(diào)查結(jié)果表明，白漿土地區(qū)大田作物產(chǎn)量比鄰近的黑土低20%［4］，所以白漿土一直被列為區(qū)域性低產(chǎn)土壤，并受到人們的關(guān)注。生物質(zhì)炭的出現(xiàn)為土壤改良及促進(jìn)作物生長提供了新的思路。

生物質(zhì)炭（biochar）是指將生物質(zhì)原料（農(nóng)作物秸稈、木材、畜禽糞便、生活垃圾等）在限氧或缺氧條件下，經(jīng)高溫?zé)崃呀馑a(chǎn)生的一類具有高度芳香化、含碳豐富、孔隙度高、穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)［5］。生物質(zhì)炭特殊的理化性質(zhì)具有固碳減排［6－7］、提高土壤肥力［8］等特性，其具有含碳豐富、pH值較高等特點(diǎn)，在土壤N、P等肥力的含量上，是周邊其他類型土壤的3倍左右；在農(nóng)作物產(chǎn)量上也是周邊其他類型土壤作物產(chǎn)量的2倍左右［6］。生物質(zhì)炭因其獨(dú)特的理化性質(zhì)而具有持水、透氣、保肥、提高微生物活性及促進(jìn)作物產(chǎn)量增長的作用，被學(xué)者所廣泛研究。但是目前大多數(shù)學(xué)者對(duì)于生物質(zhì)炭的應(yīng)用研究多停留在室內(nèi)階段和盆栽試驗(yàn)等，對(duì)于大田試驗(yàn)的研究鮮有報(bào)道，因此本研究以2年田間定位試驗(yàn)開展生物質(zhì)炭對(duì)于白漿土理化性狀及玉米生長發(fā)育的研究，以期為區(qū)域性及整個(gè)東北地區(qū)中低產(chǎn)田土壤研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省農(nóng)墾總局紅興隆管理局曙光農(nóng)場，地理位置為130°17～130°39′E，46°13′～46°23′N。農(nóng)場屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬長夏短。年平均氣溫3.6℃，年平均降水量523.4 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

（1）供試土壤：供試土壤類型為崗地白漿土，土壤基本理化指標(biāo)：全氮含量 1.31 g／kg，全磷含量 2.82 g／kg，堿解氮含量94.27 mg／kg，速效磷含量 85.73 mg／kg，速效鉀含量158 mg／kg，有 機(jī) 質(zhì) 含 量 24.48 g／kg，CEC 含 量19.11 cmol／kg，pH值 6.17。

（2）生物質(zhì)炭：本研究中田間試驗(yàn)所用的生物炭以玉米秸稈為原料制得，購自于江蘇南京勤豐秸稈科技有限公司，在700℃左右溫度下經(jīng)高溫?zé)崃呀庵瞥伞Ｔ囼?yàn)用生物炭基本理化性質(zhì)指標(biāo)：全氮含量為 0.65 g／kg，全磷含量為0.99 g／kg，有 機(jī) 碳 含 量 為 277.2 g／kg，比 表 面 積 為182.3 m2／g，陽離子交換量（CEC）為 21.25 cmol／kg，含水量為 22.94%，pH值為 10.4。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)自2015年4月播種前通過旋耕機(jī)將生物質(zhì)炭一次性深翻施入土壤中，深度為20 cm左右，為達(dá)到數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確和監(jiān)測、取樣方便，每種處理進(jìn)行3次重復(fù)；每個(gè)小區(qū)面積30 m2，長寬為5 m×6 m；生物質(zhì)炭試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，其中空白對(duì)照（CK）0 t／hm2、處理 1（B1）10 t／hm2、處理 2（B2）20 t／hm2、處理3（B3）30 t／hm2，每個(gè)處理進(jìn)行3次重復(fù)。2年試驗(yàn)玉米大田施肥量為底肥（尿素）200 kg／hm2，磷酸二銨150 kg／hm2，鉀肥50 kg／hm2，追肥（尿素120 kg／hm2）。2015、2016年分別于5月6日、5月10日播種，足墑播種，全生育期無人工灌溉，田間管理一致，按高產(chǎn)田水平進(jìn)行管理，分別于10月9日、10月6日收獲。

1.4 測定指標(biāo)及計(jì)算方法

土壤樣品測定：土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)參照鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析》（第3版）進(jìn)行測定。植物樣品測定：每個(gè)小區(qū)取6株，田間用皮尺進(jìn)行株高、莖粗測量并記錄。生物量測定：分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期、蠟熟期、成熟期每小區(qū)選取生長均勻一致的植株6株，將其地上部分莖葉和籽粒分別在105℃殺青30 min，80℃烘干箱進(jìn)行烘干稱質(zhì)量，測定植株地上部分干物質(zhì)量。產(chǎn)量測定：玉米成熟期每小區(qū)隨機(jī)選取3行全部收獲測產(chǎn)，并選取具有代表性的10株果穗，待風(fēng)干后考種，測定產(chǎn)量（按14%折算含水率）；經(jīng)濟(jì)系數(shù)＝經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量／生物產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)采用Excel 2007、SPSS 17.0和OriginPro 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭施入對(duì)玉米株高及生物量的影響

由表1可知，2015年，除苗期生物質(zhì)炭B3處理玉米株高顯著低于CK處理外，其他生育期階段生物質(zhì)炭處理?xiàng)l件下玉米株高與對(duì)照相比均無明顯差異。2016年，生物質(zhì)炭處理對(duì)玉米各生育期株高影響趨勢與2015年一致，均為在苗期生物質(zhì)炭B3處理?xiàng)l件下與對(duì)照CK處理差異顯著，其他生育期階段均差異不顯著。由此可知，向土壤中添加30 t／hm2生物質(zhì)炭對(duì)玉米生長苗期株高產(chǎn)生一定的抑制作用，其中施入量30 t／hm2比 20 t／hm2抑制作用效果更大。

表1 生物質(zhì)炭施入對(duì)玉米生長不同時(shí)期植株株高的影響

從地上部分生物量來看，2015年，在拔節(jié)期、大喇叭口期生物質(zhì)炭B2、B3處理的玉米地上部分生物量顯著低于CK處理，而生物質(zhì)炭B1處理與CK之間無明顯差異；而到玉米生長后期的吐絲期、乳熟期和蠟熟期，生物質(zhì)炭B2處理?xiàng)l件下的玉米生物量顯著高于CK處理，B1和B3處理與對(duì)照CK處理之間差異不顯著。2016年，拔節(jié)期生物質(zhì)炭各處理?xiàng)l件下與CK處理之間無明顯差異；大喇叭口期至蠟熟期，B2和B3處理?xiàng)l件下的玉米生物量顯著高于CK處理，B1處理與CK處理間差異不顯著（表2）。

由此可知，2015年向土壤中添加 20 t／hm2和30 t／hm2生物質(zhì)炭對(duì)玉米生長前期（拔節(jié)期、大喇叭口期）產(chǎn)生一定的抑制作用，進(jìn)入生長后期（吐絲期、乳熟期、蠟熟期），玉米植株生物量在B2處理?xiàng)l件下顯著高于CK處理，B1和B3處理間差異不顯著。2016年，拔節(jié)期生物質(zhì)炭各處理間與CK間不顯著差異，大喇叭口期至蠟熟期B2和B3處理?xiàng)l件下玉米生物量顯著高于CK處理。

2.2 生物質(zhì)炭施入對(duì)玉米植株葉面積指數(shù)及葉綠素含量的影響

生物質(zhì)炭對(duì)玉米生育期植株葉片葉綠素含量的影響如圖1所示。2015年不同處理的玉米植株葉片葉綠素含量在整個(gè)生育期呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在乳熟期—蠟熟期達(dá)到最大值。其中，在拔節(jié)期，B1、B2、B3處理?xiàng)l件下的葉綠素含量顯著低于CK處理；在大喇叭口期—吐絲期—乳熟期，不同處理間差異不顯著；在蠟熟期，B1處理植株葉綠素含量顯著高于CK，B2、B3處理與CK間差異不顯著；成熟期B2處理植株葉綠素含量顯著高于CK，B1和B3處理間差異不顯著。2016年，不同處理的玉米植株葉片葉綠素含量在生育期內(nèi)基本上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，與2015年保持一致。在拔節(jié)期—大喇叭口期—吐絲期—乳熟期生物質(zhì)炭各處理間無顯著差異，在蠟熟期B1和B2處理植株葉片葉綠素含量顯著高于CK，B3處理與CK無顯著差異；成熟期B2處理植株葉綠素含量顯著高于CK，B1和B3處理間無顯著差異。

生物質(zhì)炭對(duì)玉米生育期植株葉片葉面積指數(shù)的影響如圖2所示，2015年在拔節(jié)期和大喇叭口期，B1、B2、B3處理的玉米植株葉面積指數(shù)（LAI）與對(duì)照CK處理相比無顯著差異；在吐絲期和乳熟期植株葉面積指數(shù)達(dá)到最大值，其中，B1處理的葉面積指數(shù)顯著高于 CK處理，分別增加 7.74%和6.61%，B2和B3處理與CK無顯著性差異；蠟熟期生物質(zhì)炭各處理與CK無顯著性差異；成熟期B1和B2處理葉面積指數(shù)顯著高于CK，均增加4.03%。2016年在拔節(jié)期和大喇叭口期，生物質(zhì)炭各處理的玉米植株葉面積指數(shù)（LAI）與2015年保持一致；在吐絲期和乳熟期植株葉面積指數(shù)達(dá)到最大值，其中，乳熟期B2和B3處理的葉面積指數(shù)顯著高于CK處理，分別增加6.97%和7.41%，B1處理與CK無顯著性差異；蠟熟期生物質(zhì)炭B2處理與CK差異顯著，B1和B3處理與CK無顯著性差異；成熟期B1和B2處理葉面積指數(shù)顯著高于CK，與2015年一致，分別增加6.53%和5.74%。

表2 生物質(zhì)炭施入對(duì)玉米生長不同時(shí)期植株生物量的影響

2.3 生物質(zhì)炭施入對(duì)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表3可以看出，2015年，與CK處理相比，生物質(zhì)炭B1、B2和B3處理?xiàng)l件下玉米穗長、穗粗、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量均有所增加，其中B1和B2處理穗粒數(shù)顯著高于CK，與CK相比，B1、B2和B3處理的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量沒有顯著性差異，不同處理間的經(jīng)濟(jì)系數(shù)在0.440～0.445變化，處理間差異不顯著，B1、B2和B3處理與CK相比均有所提高，分別增加了 0.45%、0.68%、1.14%。

生物質(zhì)炭處理對(duì)2016年的玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響與2015年有所不同，與CK相比，B1、B2、B3處理玉米植株穗長、穗粗、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和有效穗數(shù)都有所增加，其中B3處理的千粒質(zhì)量顯著高于CK處理，B2和B3處理的穗粒數(shù)與CK相比達(dá)到差異顯著水平；與CK處理相比，B1處理的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量沒有顯著性差異，而B2和B3處理下顯著提高了玉米的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，由此可以看出，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的增加是以生物產(chǎn)量為基礎(chǔ)的，為了達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的效果必須保證玉米植株在各個(gè)階段的正常生長；不同處理間的經(jīng)濟(jì)系數(shù)在0.440～0.469之間變化，處理間差異不顯著。

表3 生物質(zhì)炭施入對(duì)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

表4 生物質(zhì)炭施入對(duì)土壤理化性狀的影響

2.4 生物質(zhì)炭施入對(duì)土壤理化性狀的影響

添加生物質(zhì)炭顯著降低了土壤容重，提高了土壤的pH值、有機(jī)碳（SOC）、全氮含量，且隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增加（表4）。與對(duì)照CK處理相比，2015年生物質(zhì)炭B1、B2、B3處理下，土壤pH值分別提高了1.30%、2.27%和4.70%；在B3處理?xiàng)l件下，土壤SOC、總氮（TN）與CK相比增加達(dá)到顯著差異水平，分別提高了 36.56%、8.46%；總磷（TP）、速效磷（AP）、堿解氮（AN）、有機(jī)質(zhì)（SOM）與 CK相比無顯著差異。土壤容重在B2和B3處理?xiàng)l件下，與CK相比達(dá)到顯著差異水平，分別降低了8.82%和11.03%，B1處理與CK無顯著差異。

施用生物質(zhì)炭第2年后不同處理土壤的容重、pH、SOC、全氮的變化趨勢基本上與第1年保持一致。與對(duì)照CK處理相比，2016年生物質(zhì)炭B1、B2、B3處理下，土壤pH值分別提高了 0.98%、2.28%和 4.23%；在 B3處理?xiàng)l件下，土壤 SOC、TN、AP、AN和容重與 CK別提高了 38.57%、9.09%、13.32%、11.35%，增幅較第1年明顯增加，說明該處理下土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足；TP和SOM與CK相比無顯著差異。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭施入對(duì)玉米植株農(nóng)藝性狀的影響

生物質(zhì)炭對(duì)作物生長及產(chǎn)量的影響受土壤類型、肥力狀況及生物質(zhì)炭用量的影響［9－10］。張晗芝等通過盆栽試驗(yàn)得出，在玉米苗期，生物質(zhì)炭對(duì)玉米生長及養(yǎng)分吸收沒有促進(jìn)作用，反而隨施炭量的增加其抑制作用增加，但是玉米整個(gè)生育期對(duì)生物質(zhì)炭的響應(yīng)機(jī)制尚不明確［11］。Asai等研究也表明，土壤含氮量較低的情況下，不配施氮肥的生物質(zhì)炭處理降低作物葉片中葉綠素的含量，降低水稻的產(chǎn)量，這種減產(chǎn)效應(yīng)易出現(xiàn)在有效養(yǎng)分低或低氮土壤上，這與生物質(zhì)炭礦質(zhì)養(yǎng)分含量低及土壤高的C／N易降低土壤有效養(yǎng)分有關(guān)［12］。本研究的供試土壤肥力一般，雖然生物質(zhì)炭對(duì)玉米苗期生長產(chǎn)生了一定的抑制作用，但對(duì)玉米產(chǎn)量未造成明顯影響。從本研究中生物質(zhì)炭對(duì)玉米植株生長的影響來看，生物質(zhì)炭的施用在玉米生長初期有一定的抑制作用，這與張晗芝等通過盆栽試驗(yàn)得到的結(jié)果一致，但是隨著時(shí)間推移這種抑制作用逐漸降低，特別是拔節(jié)期以后，隨著追肥（氮肥）的施入，到大喇叭口期（玉米養(yǎng)分臨界期）時(shí)完全消除，這種抑制作用和抑制的消除過程可通過玉米植株的農(nóng)藝性狀如葉綠素、葉面積、干物質(zhì)的積累等表現(xiàn)出來。這種抑制作用可能是因?yàn)榇罅可镔|(zhì)炭的施入，導(dǎo)致土壤C／N的提高，抑制了土壤中N素有效供應(yīng)引起的，這也可以通過玉米植株后期的表現(xiàn)性狀進(jìn)一步得到說明，在玉米籽粒—成熟期，生物質(zhì)炭處理下的玉米葉片的葉綠素含量較高，并且保持較高的葉面積指數(shù)，增加玉米后期的保綠度。雖然上述現(xiàn)象都表明，施入土壤的生物質(zhì)炭調(diào)控了土壤N素供應(yīng)，但其對(duì)前期植物生長的抑制作用以及后期的促進(jìn)作用的形成機(jī)制還需要得到更多證據(jù)的支持。

3.2 生物質(zhì)炭施入對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

一些研究表明，生物質(zhì)炭能促進(jìn)玉米、水稻等作物增產(chǎn)，但對(duì)小麥和大豆無顯著增產(chǎn)作用［9－13］。Baronti等通過沙壤土的盆栽試驗(yàn)指出，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為30、60 t／hm2時(shí)，黑麥草的生物量比對(duì)照增加20%、52%，當(dāng)施用量增加到100、200 t／hm2時(shí)，黑麥草的生物量反而比對(duì)照降低 8%、30%［14］。本研究結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭20 t／hm2時(shí)玉米生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量都增加，但是30 t／hm2時(shí)生物產(chǎn)量有所下降，而經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量基本一致。與常規(guī)施肥相比，添加生物質(zhì)炭對(duì)玉米的穗長、穗粗、穗粒數(shù)等性狀有一定的促進(jìn)作用，20 t／hm2處理的效果尤為明顯，這說明生物質(zhì)炭的施入與玉米產(chǎn)量并非呈正相關(guān)。施用生物質(zhì)炭可提高土壤陽離子交換量［7］，增強(qiáng)土壤對(duì)氮素的吸附和固持作用，從而達(dá)到減少了土壤氮素的淋失［15］，這可能是本研究中施用生物炭玉米生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量高于對(duì)照的原因。

3.3 生物質(zhì)炭施入對(duì)土壤理化性狀的影響

施用生物質(zhì)炭可改變土壤孔隙度、容重及養(yǎng)分水平，進(jìn)而影響土壤肥力的狀況［16］。本研究通過對(duì)比連續(xù)2年的生物質(zhì)炭效應(yīng)強(qiáng)度來評(píng)價(jià)生物質(zhì)炭及對(duì)土壤理化特性的持續(xù)影響。生物質(zhì)炭對(duì)改善土壤性質(zhì)具有穩(wěn)定的持續(xù)性，連續(xù)2年顯著降低土壤的容重，提高了土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量和pH值，其中，有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮和速效磷含量均在B3處理?xiàng)l件下達(dá)到差異顯著水平。在施用氮肥的情況下，連續(xù)2年的水稻生長季內(nèi)，生物質(zhì)炭對(duì)提高土壤有機(jī)碳、全氮含量和pH值并降低土壤容重具有穩(wěn)定的持續(xù)效應(yīng)［13］。施用生物質(zhì)炭可以增加土壤有機(jī)碳的含量，這是因?yàn)樘砑拥酵寥乐械纳镔|(zhì)炭能吸附土壤有機(jī)分子，通過表面催化活性促進(jìn)小的有機(jī)分子聚合形成土壤有機(jī)質(zhì)［17］，因此生物質(zhì)炭的施用可顯著增加土壤有機(jī)碳的含量。生物質(zhì)炭對(duì)土壤氮素含量的影響一方面與生物質(zhì)炭本身養(yǎng)分含量有關(guān)，另一方面也與生物質(zhì)炭改善了土壤的性質(zhì)有關(guān)［18］。本研究所使用的生物質(zhì)炭本身含氮量為0.65 g／kg，這對(duì)提高土壤全氮含量有一定貢獻(xiàn)；同時(shí)，施用生物質(zhì)炭可提高了土壤陽離子交換量（CEC）［7］，增強(qiáng)了土壤對(duì)氮素的吸附和固持作用，從而減少了土壤氮素的淋失［16］。土壤pH值與生物炭本身的pH值呈顯著線性相關(guān)［19］，本研究所使用的生物質(zhì)炭pH值為10.4，因此生物質(zhì)炭的施用在一定程度上促進(jìn)了土壤pH值的升高。施用生物質(zhì)炭后土壤容重降低，其原因除了生物質(zhì)炭的多孔性，對(duì)土壤容重具有一定的稀釋作用外［17］，還與施用生物質(zhì)炭后可能導(dǎo)致土壤微生物活性增加［20－21］、團(tuán)聚性增強(qiáng)［22］使土壤結(jié)構(gòu)得到改善有關(guān)。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭的施入對(duì)于玉米植株性狀及產(chǎn)量具有促進(jìn)作用，可有效提高玉米生物量、葉面積指數(shù)、葉綠素含量，但是在苗期生物質(zhì)炭的施入對(duì)于株高具有一定的抑制作用，且抑制作用效果隨著施入量的增加而加大；施用生物質(zhì)炭顯著影響土壤特性，提高土壤有機(jī)碳、全氮含量、土壤的pH值，降低土壤容重。綜合2年間結(jié)果使用生物質(zhì)炭對(duì)于玉米增產(chǎn)具有穩(wěn)定和持續(xù)性，且以高施入量30 t／hm2效果較佳。

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