生物炭施用量對冬小麥產量及水分利用效率的影響研究

孫海妮，王仕穩, 3，李雨霖，楊文稼，殷修帥，殷俐娜, 3，鄧西平

(1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

生物炭(Biochar)一般指生物質如農作物廢棄物、植株落葉、畜禽糞便等在完全或部分缺氧和相對溫度“較低”(<700℃)條件下熱裂解后得到的一種具有多孔隙、低容重、比表面積大等特性的固態黑色有機產物[1]。生物炭一般呈堿性，能夠提高土壤pH，降低土壤酸度。生物炭的主要成分是碳(通常在40%～75%左右)和氫、氮、氧等元素，C/N比較大。生物炭含有豐富的羥基、羧基、苯環等官能團，所以具有較大的陽離子交換量(CEC)和強大的吸附能力，能夠吸附、固定土壤中養分，減少養分淋溶損失[2,3]。其次，生物炭的高度芳香化結構使其具備了抗氧化和抗生物分解能力強等特性[4]。越來越多的研究表明，生物炭能夠改良土壤、降低肥料及土壤養分的損失，從而提高糧食產量；又能夠捕捉大氣中的CO2，使其固持在土壤中，實現碳的封存固定，對大氣溫室氣體具有減排增匯的作用[5,6]。

圍繞施用生物炭對作物產量的影響，國內外學者開展了大量研究，多數研究表明，生物炭能夠延緩肥料養分在土壤中的釋放過程，減少養分淋失，提高了土壤養分利用率，從而使作物增產[7-9]。但也有分析發現，生物炭增產效果在不同土壤、作物以及不同生物炭種類之間差異很大[10]。同時也有研究表明，生物炭的增產作用有一定的適用范圍，施用生物炭量過高或過低，都可能導致作物減產[11,12]。因此，對生物炭的使用需要從不同土壤及作物類型、生物炭用量等方面綜合考慮。陜西長武地區屬于黃土高原典型的旱作農業區，其土壤類型以黑壚土為主。生物炭的用量對該地區土壤水肥特性及小麥產量和水分利用效率影響的研究并不清楚。鑒于此，本研究以冬小麥為研究對象，通過設置不同梯度的生物炭用量及以常規秸稈還田作為另一對照因素，探究施用生物炭對麥田土壤水分、養分含量的影響，進一步探索生物炭的潛在價值，為培肥地力、增加作物產量及水分利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2014年9月-2016年6月在黃土高原中南部的中科院水利部水土保持研究所陜西省長武試驗站(107°44.70′E，35°12.79′N)進行，該地海拔高1 220 m。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降雨581 mm，主要集中于夏季。年日照時長2 226.5 h，年均氣溫9.2℃，無霜期171 d，地下水埋深50～80 m，無灌溉條件，屬典型旱作雨養農業區；土壤類型為典型的黃蓋黏黑壚土，質地中壤，土層均勻疏松，土壤肥力中等。供試土壤基本理化性質為：pH值8.4；容重1.30 g·cm-3；有機質9.92 g·kg-1；硝態氮4.49 mg·kg-1；銨態氮1.22 mg·kg-1；速效磷9.54 mg·kg-1；速效鉀127.02 mg·kg-1。

2014-2015年及2015-2016年間冬小麥生育期降雨量分別為262.6 mm和234.6 mm。月降雨量如圖1所示。

1.2 試驗設計

本研究所用生物炭來源于陜西長武洪家木炭廠，是將小麥秸稈及枯枝殘葉等(350～500℃)炭化得到的一種黑炭。生物炭的pH為9.9，硝態氮9.32 mg·kg-1，銨態氮5.06 mg·kg-1，有效磷4.62 mg·kg-1，有機質505.4 g·kg-1。供試作物為抗旱型冬小麥“長旱58”。生物炭于2014年9月小麥播種前按各個小區不同用量一次性施入，旋耕混勻。試驗以不同生物炭的施用量作為一個因素，設計4個水平(CK：對照；BC1：15 t·hm-2；BC2：30 t·hm-2；BC3：45 t·hm-2)，另設秸稈還田(SR)。每個處理重復3次。還田量為當年收獲期小麥地上全部生秸稈粉碎量，試驗采用隨機區組設計。小區面積4 m×10 m，播量150 kg·hm-2，各處理在播前施基肥氮肥(尿素)120 kg·hm-2，施磷肥(過磷酸鈣)90 kg·hm-2，拔節期追施氮肥(尿素)60 kg·hm-2。作物生長完全依靠自然降水，全生育期不灌溉。試驗地的其它農作管理措施與當地常規管理措施一致。

1.3 樣品采集

第一年由于天氣原因，引起灌漿期的小麥大片倒伏，嚴重影響了小麥后期生長。因此，于小麥成熟收獲期，各小區取4 m2植株進行風干脫粒并測定籽粒產量，每個處理重復3次。

圖1 2014—2016年冬小麥生育期降雨量Fig.1 Rainfall during the winter wheat growthperiod in 2014-2016

于第二年小麥播種前(9月25日)、返青期(3月21日)、拔節期(4月20日)、開花期(5月20日)、灌漿末期(6月8日)、成熟期(6月30日))的各個生育期，分別用土鉆取0～2 m(20 cm為一層)的土樣，每個小區重復3次，同層次的土壤混合為1個土樣。一部分用于測定土壤含水量(計算0～200 cm土壤儲水量)；一部分鮮土帶回實驗室于4℃冰箱中保存，用于土壤硝、銨態氮的測定。其余土樣于陰涼處自然風干過篩，用于耕層0～20 cm土壤有機質、速效磷及速效鉀的測定。小麥成熟收獲時，各小區取3 m2的完整植物樣，每個處理重復3次，稱其風干重即地上部生物量，同時脫粒測定籽粒產量，計算收獲指數，并測定小麥穗數、穗粒數及千粒重等指標。

1.4 測定項目與方法

基礎指標按照土壤農化分析中的方法測定[13]。土壤含水量采用烘干法測定；土壤硝、銨態氮采用1 mol·L-1KCl浸提-AA3型連續流動分析儀測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量-外加熱法；土壤速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤速效鉀采用1 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法；土壤儲水量及土壤水分利用效率的計算參考王纏軍等[14]。

1.5 數據處理及分析

采用Microsoft Excel 2007進行數據整理和繪制圖表，SPSS 18.0統計軟件進行方差分析，用LSD法進行差異顯著比較，顯著性水平設為0.05。結果以“平均值±標準誤”表示。

2 結果與分析

2.1 生物炭及秸稈還田對冬小麥產量及其產量構成因素的影響

圖2結果顯示，2014年，施用生物炭后的小麥產量為4 123～4 618 kg·hm-2，僅生物炭用量為15 t·hm-2(BC1)比對照(CK)顯著增產17.7%，其余處理增產均不顯著；2015年，各處理比上一年顯著增產39.7%～52.0% 。

注：不同大寫字母表示2014年各處理之間差異達到顯著性水平，不同小寫字母表示2015年各處理之間差異達到顯著性水平(P<0.05)。Note: Different capital letters mean significant difference in 2014, different lowercase letters mean significant difference in 2015(P<0.05).圖2 2014及2015年生物炭及秸稈還田對小麥產量的影響Fig.2 Influence of biochar and straw-return onwheat yield in 2014 and 2015

由表1中可以看出，施用生物炭及秸稈還田均可顯著提高冬小麥產量。生物炭用量為15 t·hm-2(BC1)、30 t·hm-2(BC2)、45 t·hm-2(BC3)及秸稈還田(SR)比對照(CK)分別顯著增產13.8%、17.2%、9.5%、10.5%。從產量構成因素來看，產量增加的主要原因在穗數上，生物炭用量為15 t·hm-2(BC1)、30 t·hm-2(BC2)處理的穗數比對照(CK)分別顯著提高13.8%、14.1%；穗粒數及千粒重各處理之間差異均不顯著；生物炭用量為15 t·hm-2(BC1)、30 t·hm-2(BC2)、45 t·hm-2(BC3)，秸稈還田(SR)處理的地上生物量比對照(CK)分別顯著提高了19.7%、21.3%、13.3%、15.4%。冬小麥產量隨生物炭施用量的增加先增加后減少，秸稈還田雖也有增產的作用，但效果不及生物炭。

2.2 生物炭及秸稈還田對土壤儲水量的影響

圖3結果顯示，冬小麥各個生育期土壤儲水量均隨著生物炭施用量的增加先增加后減少。返青期，生物炭用量為15 t·hm-2(BC1)、30 t·hm-2(BC2),秸稈還田(SR)比對照(CK)分別顯著增加4.9%、7.2%、5.8%；灌漿末期，生物炭用量為30 t·hm-2(BC2)及秸稈還田(SR)處理比對照(CK)分別增加9.3%、10.3%；成熟期，生物炭用量為15 t·hm-2(BC1) 及秸稈還田(SR)處理比對照(CK)分別顯著增加9.2%、13.0%。

2.3 生物炭及秸稈還田對土壤硝、銨態氮含量的影響

從圖4中可以看出，隨生物炭施用量的增加硝態氮含量顯著增加。播種前，生物炭用量為45 t·hm-2(BC3)，比對照(CK)顯著增加28.9%，這主要與生物炭施入的時間有關；拔節期，生物炭用量為45 t·hm-2(BC3)比對照(CK)增加30.7%；開花期，生物炭處理的硝態氮含量比對照(CK)顯著增加43.8%～57.7%；成熟期，生物炭用量為30 t·hm-2(BC2)、45 t·hm-2(BC3)，分別比對照(CK)增加64.9%、55.7%。整個生育期，秸稈還田(SR)對于硝態氮含量的影響并不顯著。各個處理土壤硝態氮含量大小表現為: BC3>BC2>BC1>SR>CK。

表1 生物炭及秸稈還田對冬小麥產量及產量構成因素的影響

注：不同小寫字母表示處理間差異達到顯著性水平(P<0.05)，下同。

Note：Different lowercase letters mean significant difference(P<0.05). The same below.

注：不同小寫字母表示處理間差異達到顯著性水平(P<0.05)，下同。Note：Different lowercase letters mean significant difference (P<0.05)，The same below.圖3 生物炭及秸稈還田對0～200 cm土壤儲水量的影響Fig.3 Influence of biochar and straw-return on soil water content in 0～200 cm layer

從圖5中可以看出，土壤中的銨態氮含量隨生物炭施用量的增加而增加。播種前及拔節期，生物炭用量為45 t·hm-2(BC3)處理比對照(CK)分別顯著增加56.9%、56.3%；開花期，生物炭用量為45 t·hm-2(BC3)，秸稈還田處理(SR)比對照(CK)分別增加了53.9%、40.3%；灌漿末期，生物炭用量為45 t·hm-2(BC3)及秸稈還田處理(SR)比對照(CK)分別顯著增加52.6%、50.6%。整個生育期銨態氮含量大小表現為：BC3>BC2>BC1>SR>CK。

圖5 生物炭及秸稈還田對土壤銨態氮含量的影響Fig.5 Influence of biochar and straw-return on soil N-N

2.4 生物炭及秸稈還田對土壤中磷鉀速效養分含量的影響

圖6結果表明，土壤中速效磷含量隨生物炭施用量的增加先增加后減少。播種前、返青及灌漿末期，各處理之間土壤速效磷含量均無顯著性差異；拔節期、開花期及成熟期，生物炭用量為30 t·hm-2(BC2)比對照(CK)分別顯著增加25.2%、19.9%、40.9%。小麥整個生育期，秸稈還田(SR)與對照(CK)之間土壤速效磷含量無顯著性差異。各個處理土壤中速效磷含量大小依次為：BC2>BC1>BC3>SR>CK。

由圖7可以看出，土壤中速效鉀含量隨生物炭用量的增加而增加。播種前，秸稈還田(SR)處理比對照(CK)顯著增加了15.9%；拔節期，生物炭用量為30 t·hm-2(BC2)、45t·hm-2(BC3),秸稈還田(SR)處理比對照(CK)分別增加30.21%、38.3%、44.5%；灌漿末期，生物炭處理的土壤速效鉀含量比對照(CK)增加了29.9%～53.1%，秸稈還田(SR)比對照(CK)顯著增加了55.4%；成熟期，生物炭處理及秸稈還田(SR)的土壤速效鉀含量均顯著高于對照(CK)。從冬小麥整個生育期來看，生物炭及秸稈還田有利于增加土壤中的速效鉀含量，其中，秸稈還田的增加量大于生物炭的增加量。各處理速效鉀含量大小依次為：SR>BC3>BC2>BC1>CK。

2.5 生物炭及秸稈還田對土壤有機質的影響

從圖8可以看出，土壤有機質含量隨生物炭施用量的增加而增加。播種前，生物炭用量為45 t·hm-2(BC3)比對照(CK)增加27.8%；拔節期，生物炭處理的有機質含量比對照(CK)增加了27.4%～49.5%，秸稈還田(SR)處理比對照(CK)增加24.6%；灌漿末期，生物炭用量為45 t·hm-2(BC3)及秸稈還田(SR)比對照(CK)分別增加41.1%、20.6%；成熟期，生物炭用量為45 t·hm-2(BC3)及秸稈還田(SR)比對照(CK)分別增加41.8%、31.0%。整個生育期土壤有機質的大小表現為：BC3>BC2>SR>BC1>CK。

2.6 生物炭及秸稈還田對土壤水分利用效率的影響

由表2可以看出，與對照(CK)相比，施用生物炭使土壤水分利用效率提高了5.9%～17.8%，其中，生物炭用量為30 t·hm-2(BC2)比對照(CK)顯著提高了17.8%。秸稈還田(SR)使水分利用效率提高了5.9%。各處理土壤水分利用效率由高到低依次為：生物炭用量為30 t·hm-2(BC2)>15 t·hm-2(BC1)>45 t·hm-2(BC3)≥秸稈還田(SR)﹥對照(CK)。這表明，適量的生物炭施用量能使土壤水分利用效率顯著提高，秸稈還田對土壤水分利用效率的增加并不顯著。

3 討 論

3.1 施用生物炭對冬小麥產量及水分利用效率的影響

第一年小麥收獲前，由于天氣原因引起小麥大片倒伏，灌漿不充分，使小麥產量嚴重下降，因此對土壤養分及作物產量未進行詳細分析；第二年，可能是由于生物炭對土壤水分、養分具有一定的持留能力，有利于提高土壤水肥供給，進而促進了小麥生長及產量大幅提高。Jeffery，黃劍等[15-16]應用Meta-analysis方法得出生物炭改良土壤與提高作物產量之間具有很好的相關性，作物產量平均增幅達10%。本研究結果表明，生物炭能顯著提高冬小麥產量及水分利用效率，且均隨生物炭施用量的增加先增加后減少。當生物炭施用量為30 t·hm-2時，小麥產量及水分利用效率最高，且顯著高于秸稈還田；當生物炭用量繼續增加到45 t·hm-2時，產量及水分利用效率有下降趨勢。這說明，生物炭施用量并不是越多越好，超過一定量反而會抑制作物生長，這與劉卉，Kammann等[12,17]的研究結果相似。當然，生物炭對產量的影響在不同作物及不同土壤類型上表現又不一致。Zwieten等[18]通過室內試驗表明，施用生物炭能增加大豆的產量，但對小麥及蘿卜產量有抑制作用；Chen等[19]研究表明，生物炭在壤土上增產10%，在砂土上增產達30%；而Gaskin等[20]研究發現，黏性沙土中添加生物炭對作物產量無顯著影響；Major[21]通過連續4年試驗發現，施用生物炭在第一年對玉米產量無影響，隨后增產顯著；劉宇娟等[22]發現，短期施用生物炭對小麥產量無顯著影響，連續在9季作物施用生物炭以后，小麥產量顯著增加。因此，生物炭對作物的增產效果要依據土壤類型、作物類型、生物炭施用量及施入時間等因素綜合考慮。

圖6 生物炭及秸稈還田對土壤速效磷含量的影響Fig.6 Influence of biochar and straw-return on available soil P content

圖7 生物炭及秸稈還田對土壤速效鉀含量的影響Fig.7 Influence of biochar and straw-return on available soil K content

圖8 生物炭及秸稈還田對土壤有機質的影響Fig.8 Influence of biochar and straw-return on soil organic matter content

處理Treatment土壤儲水量/mmSoil water content播種前Before sowing收獲后After harvest有效降雨Effectiverainfall/mm作物耗水量Water consumption/mm產量Yield/(kg·hm-2) 水分利用效率WUE/(kg·hm-2·mm-1)CK440.4±13.0a269.4±5.1bcBC1458.1±12.3a283.2±6.1bcBC2442.4±18.7a271.9±4.6bcBC3450.5±18.3a266.1±5.7cSR476.8±2.1a293.2±1.9a198.4369.4±8.3a5666±165c15.3±0.2b373.3±6.7a6450±58ab17.3±0.3a368.9±15.6a6640±112a18.1±0.8a382.9±12.7a6204±92b16.2±0.7ab385.3±2.0a6259±145b16.2±0.5ab

3.2 生物炭施用對土壤養分的影響

生物炭具有發達的孔隙結構和較高的陽離子交換量與吸附能力，含有較多的化學官能團，能改善土壤性質，可以作為肥料緩釋載體，減緩肥料養分在土壤中的釋放速率，降低肥料養分在土壤中的淋溶，增加作物對養分的吸收，從而提高了肥料利用率[23-26]。本試驗結果發現，生物炭的施用不同程度地增加了土壤中的硝、銨態氮，速效磷、鉀及有機質含量。其中，硝、銨態氮、速效鉀及有機質含量均隨生物炭用量增加而增加，即當生物炭用量為45 t·hm-2時，其養分含量最大。這主要是因為生物炭本身含有一定量的碳、氮、鉀(1.88%)等養分，隨著生物炭施入量的增加，帶入土壤中的養分含量相應地增加；其次，生物炭巨大的比表面積及較強的吸附作用能夠吸附滯留土壤中一部分養分，以減緩養分的滲漏流失，提高了土壤的保肥性[27]。

本研究中土壤速效磷含量隨生物炭用量的增加先增加后減少，這與趙殿峰等[28]的研究結果較為吻合，當生物炭施用量為30 t·hm-2時，速效磷含量達到最大。造成這種現象的原因可能是低量的生物炭用量能夠吸附土壤溶液中的磷酸根，與土壤中的鋁、鐵氧化物膠體競爭對磷的固定，減少了磷的固定損失，促進有機態磷的礦化，因而增加了土壤中有效磷含量[4]；當生物炭用量繼續增加到45 t·hm-2時，土壤中C/N增大，引起有效磷的生物固定及加劇了Ca-促磷酸根沉降反應[7]，因此，磷含量反而降低。而秸稈還田對土壤速效磷基本無影響，卻使整個生育期土壤速效鉀含量比對照(CK)顯著增加了38.0%，這與幕平、李純燕等[29-30]的研究結果相似。因為秸稈還田增加了土壤磷的有效性，促進了作物對土壤速效磷的吸收，因此，磷含量基本不變；作物秸稈鉀含量很高，歸還回土壤中的鉀增多，而且鉀是離子狀態很容易完全釋放出來，所以土壤中速效鉀含量顯著升高。同時，本試驗結果發現，施用生物炭對土壤有機質的提升作用高于秸稈還田，其中，當生物炭用量為45 t·hm-2時，整個生育期土壤有機質含量比秸稈還田增加13.8%，這與趙建坤等[31]的研究結果一致。因為生物炭可以固定土壤中約50%的碳，而秸稈還田一般只保留10%～20%的碳，且有機質含量隨生物炭施用量的增加而增加[32]。這除了與生物炭本身含炭量高有關以外，還與生物炭表面催化活性作用促進了較小有機分子聚合形成土壤有機質有關[3]；另一方面，可能是因為生物炭能通過促進土壤有機-礦質復合體形成，提高團聚體穩定性而減少有機質淋失[33]。有機質含量增加，同時也使有毒元素的危害減輕，增加了土壤中作物生長所需的養分。

綜合來說，生物炭的施用提高了上述土壤養分的含量，增強了土壤保肥能力。同時，生物炭在土壤中可能轉化為具有高度芳香化結構的土壤腐殖質，因而在增大土壤有機碳庫、培肥土壤方面起著重要的作用。本研究結果表明，適量的生物炭用量(30 t·hm-2)能夠增強土壤對肥料養分的吸附，減少養分淋溶，提高了肥料的利用效率，促進植物和根系的生長，從而增加了作物產量；當生物炭用量繼續增加到45 t·hm-2時，作物產量及水分利用效率反而下降。一方面是因為生物炭會吸附固定土壤中的一部分養分，導致作物生長所需的養分得不到及時供應，作物吸收旺盛及生物炭自身的吸附雙重作用導致土壤養分降低[29]。另一方面可能是因為較高量的生物炭使土壤C/N比提高，降低了土壤養分尤其是氮素的有效性，不利于作物對養分的吸收，從而引起作物產量及水分利用效率的降低。

3.3 生物炭施用對土壤水分的影響

土壤的保水能力受到土壤質地及結構的影響，主要與土壤容重和孔隙度有關[34]。本研究結果發現，土壤的水分含量隨生物炭用量的增加先增加后減少，即當生物炭用量為30 t·hm-2時，土壤的水分儲存能力最強。這是由生物炭物理特性決定的，生物炭施入土壤能夠降低土壤容重、增大土壤總孔隙度及通透性，促進了土壤水分入滲，從而增加了土壤的持水能力；另外，生物炭具有很大的比表面積，能在一定程度上減少土壤水分蒸發，提高了土壤保水蓄水能力[35]，使各生育期水分得到充足供應，作物生長良好，引起作物產量及水分利用效率顯著提高。但也有研究發現，過量的生物炭反而會降低土壤含水量[34]。從小麥整個生育期來看，高量的生物炭用量(45 t·hm-2)反而使土壤儲水量降低。一方面是由于生物炭存在親水及斥水雙重特性，當添加量超過一定量時，斥水性就會表現出來[36]；另一方面可能是因為高量的生物炭使土壤總孔隙度及毛管孔隙度增加，水分蒸發加快，土壤保水能力下降[37]，導致作物生長所需的水分得不到及時供應，因而作物產量及水分利用效率降低。

4 結 論

1)土壤中硝、銨態氮，速效鉀及有機質含量均隨生物炭施用量的增加而增加，即當生物炭用量為45 t·hm-2時，養分含量最高。土壤儲水量及速效磷含量隨生物炭施用量的增加先增加后減少，即當生物炭施用量為30 t·hm-2時，土壤儲水量及速效磷含量最高，而秸稈還田對土壤速效磷影響不顯著。

2)產量及水分利用效率隨生物炭施用量的增加先增加后減少，當生物炭用量為30 t·hm-2時，小麥顯著增產17.2%，水分利用效率顯著增加17.8%；秸稈還田雖使小麥顯著增產10.5%，但對水分利用效率提升并不顯著。從本研究的結果綜合來看，在黃土高原黑壚土上，推薦生物炭用量為30 t·hm-2。不過今后對生物炭的研究還需綜合考慮生物炭的類型、施入時間、施用量、土壤類型等，進一步明確生物炭對土壤性質的改善及產量、水分利用效率的提高作用。