生物炭對灌耕風沙土土壤性質及玉米產量的影響

張云舒，唐光木，葛春輝，蒲勝海，徐萬里，范燕敏

(1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052)

風沙土是從風成沙性母質上發育的土壤，是新疆分布面積最大的土類，主要分布在塔里木盆地腹地的塔克拉瑪干沙漠和準噶爾盆地腹地的古爾班通古特沙漠等邊緣地區。灌耕風沙土是人為耕種形成的一類土壤，養分貧瘠，有機質含量低，保水保肥性能差，是新疆主要的低產土壤之一。尋求有效的土壤改良方式，改善其理化性質，培肥土壤，對該區域作物產量和農業可持續發展具有重要作用。生物炭(又稱生物焦，生物黑炭，Biochar)是由植物生物質在完全或部分缺氧下熱解產生的一類高度芳香化固態物質。生物炭具有較大的孔隙度和比表面積，可以長時間保持穩定而不易在短時間內分解[1]；同時，生物炭具有快速增加土壤有機質含量、改善土壤理化性狀、降低肥料損失等特點[2-3]。聶新星等[4]研究結果表明，灰潮土上施用生物炭后，能顯著提高土壤有機碳和速效鉀含量，但對土壤容重、pH值、堿解氮、速效磷的影響不顯著。王月玲等[5]研究認為，施用生物炭能提高土壤總有機碳、全氮含量和土壤碳庫管理指數。房彬等[6]研究結果表明，生物炭施用有利于降低土壤容重，提高土壤有機質、硝態氮、有效磷含量。關于生物炭效應的許多研究都是短期研究結果，本研究基于課題組于2010年開始的定位試驗，研究了生物炭施用5年后對灌耕風沙土土壤性質的影響，以期為生物炭農業應用提供更具價值的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間微區定位試驗位于新疆和田地區農技推廣中心下屬農科所，屬于暖溫帶極端干旱荒漠氣候，年均氣溫12.5℃，年均降水量為36.4 mm，年均蒸發量為2 618 mm。試驗于2010年整地，2011年春季開始，微區面積2 m2。土壤類型為風沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為39.06%、54.00%和6.94%。試驗前0～20 cm土層土壤基本理化性質：pH8.28，有機質13.49 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，速效氮58.2 mg·kg-1，速效磷8.3 mg·kg-1，速效鉀134 mg·kg-1、陽離子交換量2.08 cmol·kg-1。生物炭為河南三利新能源有限公司提供的小麥秸稈炭，特性如下：pH8.28，有機碳670 g·kg-1，速效磷82.2 mg·kg-1，速效鉀1 590 mg·kg-1，陽離子交換量62.6 cmol·kg-1。

1.2 試驗設計

按照耕層(0～20 cm)土壤質量150 t·667m-2計算,試驗共設5個處理:(1)不施炭(CK);(2)22.5 t·hm-2生物炭(1%BC)；(3)67.5 t·hm-2生物炭(3%BC)；(4)112.5 t·hm-2生物炭(5%BC)；(5)225.0 t·hm-2生物炭(10%BC)。每個處理化肥施用量相同，生物炭于2011年春季定位試驗開始前一次施入，試驗開始后不再施入。

1.3 樣品采集與方法

于2015年作物采收后，將每個微區分成三塊區域，每塊區域采用5點法采集耕層0～20 cm土壤樣品，混合均勻并仔細剔除植物殘體及其他雜物，土壤放置實驗室通風處陰干過篩，測定理化指標。

土壤基本理化性質測定方法：容重采用環刀法測定； pH值采用pH計按土水比1∶2.5測定；全氮采用凱氏定氮法；全磷采用酸溶—鉬銻抗比色法；全鉀采用酸溶—火焰光度法；有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；堿解氮采用堿解擴散法；速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用1 mol·L-1NH4OAc浸提—火焰光度法；陽離子交換量即CEC采用乙酸鈉—火焰光度法。

1.4 數據處理及統計分析

采用Excel 2003和DPS 7.05版軟件對數據進行整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 施用生物炭對土壤容重的影響

從圖1可以看出，經過5 a的定位試驗，不同處理間土壤容重發生了變化。與對照相比，施用生物炭后，可以降低灌耕風沙土土壤容重，降低了2.8%～12.6%。與對照相比，施用高量生物炭處理(10%BC)可以明顯降低灌耕風沙土土壤容重，降低到1.25 g·cm-3。

2.2 施用生物炭對土壤pH值影響

從圖2可以看出，經過5 a的定位試驗，不同用量生物炭處理對灌耕風沙土土壤pH值影響不顯著。土壤初始pH值是8.28，試驗后pH值在8.60～8.71范圍之間，變化幅度較小。

2.3 施用生物炭對土壤全氮含量的影響

從圖3可以看出，經過5 a的定位試驗，不同處理間土壤全氮含量發生了變化。與對照相比，施用生物炭可以增加灌耕風沙土土壤全氮含量，土壤全氮含量增加了7.9%～28.6%，其中以高量生物炭處理(10%BC)土壤全氮含量最高，增加了28.6%，含量為0.966 g·kg-1。

注：圖中不同小寫字母表示5%顯著水平。下同。Note: Different letters in the fig. represented significant differences at P<0.05.The same below.圖1 不同處理土壤容重變化Fig.1 Changes of soil bulk density with different treatments

圖2 不同處理土壤pH值變化Fig.2 Changes of soil pH with treatments

2.4 施用生物炭對土壤有機質含量的影響

從圖4可以看出，經過5 a的定位試驗，不同處理間土壤有機質含量發生了顯著的變化。與對照相比，施用生物炭可以顯著增加灌耕風沙土土壤有機質的含量，土壤有機質含量增加了35.2%～148.3%，其中以高量生物炭處理(10%BC)土壤有機質含量最高，土壤有機質含量增加了148.3%，是對照的2倍多。隨著生物炭施用量的增加，土壤有機質含量呈上升趨勢。

2.5 施用生物炭對土壤速效養分含量的影響

從表1可以看出，經過5 a的定位試驗，土壤速效鉀含量發生了顯著變化。與對照相比，施用生物炭可以顯著增加灌耕風沙土土壤速效鉀的含量，土壤速效鉀含量增加了8.9%～32.8%，以高量生物炭處理(10%BC)速效鉀含量最高，增加了29.6%。生物炭處理對速效鉀含量有一定的提升作用，卻降低了速效磷的含量，但沒有發現穩定的規律，其影響效應尚需進一步的試驗驗證。

表1 不同處理土壤速效養分含量變化

圖3 不同處理土壤全氮含量變化Fig.3 Changes of total soil N with treatments

圖4 不同處理土壤有機質含量變化Fig.4 Changes of soil organic matter with treatments

2.6 施用生物炭對土壤CEC含量的影響

從圖5可以看出，經過5 a的定位試驗，不同處理間土壤CEC含量發生了變化。與對照相比，施用生物炭可以顯著增加灌耕風沙土土壤CEC含量，土壤CEC含量增加了6.7%～21.7%，其中以高量生物炭處理(10%BC)CEC含量最高，土壤CEC含量增加了19.8%。

2.7 施用生物炭對玉米產量的影響

由2015年玉米產量的統計結果可以看出(圖6)，與對照相比，施用生物炭產量顯著增加了10.2%～42.1%，其中以生物炭處理(5% BC)的玉米產量最高，生物炭處理(3% BC)的玉米產量次之。

3 討 論

以灌耕風沙土為研究對象，通過施用不同量生物炭的研究發現，施用生物炭后土壤理化性狀和作物產量發生了不同程度的改變。試驗數據顯示，施用生物炭后，土壤物理化學指標有不同程度的增加和改善，其中對土壤容重、陽離子交換量、有機質、全氮及速效鉀含量影響較大。

3.1 生物炭對灌耕風沙土理化性狀的影響

土壤容重是反映土壤緊實狀況的主要物理指標。經過5 a的定位試驗，施用生物炭后，灌耕風沙土土壤容重都有不同程度的下降，當施用量達到225.0 t·hm-2時，土壤容重顯著降低。這可能是由于生物炭具有疏松多空結構，施入土壤后，能增加灌耕風沙土土壤總孔隙度，并促進微生物活動，從而促進形成良性土壤結構[7]。

圖5 不同處理土壤CEC含量變化Fig.5 Changes of soil CEC with treatments

圖6 不同處理玉米產量變化Fig.6 Changes of corn yield with treatments

灌耕風沙土本身具有保肥能力差的特點。本研究結果表明，添加生物炭后，土壤陽離子交換量高于對照，從而改善了灌耕風沙土的保肥性能。這可能是因為施用生物炭增加了土壤有機質含量，而有機質與陽離子交換量有著極顯著的正相關關系，土壤有機質含量增加，土壤CEC增大[8]；此外，經過熱解后，生物炭的比表面積增大，且生物炭某些官能團會發生氧化，導致表面的含氧官能團數量增加，表面豐富的含氧官能團所產生的表面負電荷可以吸附較多的鹽基離子，從而使得生物炭具有較高的CEC[9]。

3.2 生物炭對玉米產量的影響

生物炭對作物產量的影響受生物炭材料、制備條件(溫度、氧氣)、土壤性質、施肥狀況和作物品種等諸多因素的影響[14]。房彬等[6]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[15]研究發現，在沙土上施用生物炭對糜子有增產效應，但在壤土和鹽土上增產效果不明顯。本研究表明灌耕風沙土上施用生物炭，對玉米具有增產效果，可能是因為施用生物炭增加了土壤全氮、有機質及速效鉀含量，促進了植物和根系的生長。

4 結 論

1)與對照相比，施用生物炭處理能顯著降低灌耕風沙土土壤容重，改善土壤結構，促進灌耕風沙土形成良性土壤環境。

2)與對照相比，生物炭施用能夠顯著增加灌耕風沙土土壤全氮、有機質、速效鉀及土壤CEC含量，分別增加了7.9%～28.6%、47.2%～148.3%、8.9%～29.6%、6.7%～19.8%。施用高量生物炭處理(225.0 t·hm-2)全氮、有機質、速效鉀及土壤CEC含量分別增加了28.6%、148.3%、29.7%、19.8%。

3)生物炭施用能夠明顯增加玉米產量，作物增產了10.2%～42.1%。