生物炭對夏玉米農田土壤有效養分垂直分布及作物利用的影響

俞若涵，姚 奇，楊明曉，王殿武，王 洋

（河北農業大學資源與環境科學學院，河北 保定 071000）

華北平原是我國重要的糧食生產基地，冬小麥-夏玉米輪作是該地區的主要種植方式。目前，由于華北平原地區土壤肥力低、施肥不當導致養分比例失調、作物產量不穩等問題［1］。生物炭作為土壤改良劑，吸附養分離子以減少土壤有效態氮、磷、鉀的流失，并通過解析作用緩慢釋放養分從而更好地供給作物生長所需［2］。在提升土壤質量，保持土壤肥力等諸多方面可發揮積極作用，室內研究發現生物炭能夠解析18%～31%的NH4+［3-8］，且降低養分淋溶［9-10］，本文是在田間條件下加以驗證。

夏玉米地上部氮、磷養分累積量在其全生育期持續增加，主要累積階段在抽雄期，成熟期達到最大［11］。前人研究大多針對成熟期一個時期得出整個玉米季作物及土壤養分變化情況，未能反映出夏玉米養分的動態累積過程。且有關生物炭對土壤養分的影響研究多集中在耕層土壤［12］，而0～100 cm土層深度的養分垂直分布及運移研究尚少。為此，本研究通過無機肥與不同水平的生物炭配施，以揭示其對夏玉米農田土壤0～100 cm有效養分垂直分布及作物吸收利用的影響，旨在探明我國華北農田生物炭的合理施用量，為實現作物高產高效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試 驗 區 位 于 河 北 省寧 晉縣（114 °59′E，37°36′N），該區屬于暖溫帶大陸性氣候區，年平均溫度和年平均降水量分別為13℃和501 mm，年均無霜期約200 d。夏玉米田間試驗開展于2017年6月20日至9月30日，氣溫與降水情況見圖1。

1.2 供試材料

1.2.1 供試土壤

供試土壤為中壤質潮褐土，表層土壤容重為1.5 g/cm3，pH為8.0，有機質含量為15.8 g/kg，供試土壤0～100 cm土層的化學性質見表1。

表1 供試土壤基本化學性質

1.2.2 供試生物炭

供試生物炭以果木廢棄枝條為原料，在600℃高溫厭氧條件下熱解制備，全氮含量為0.5 g/kg，全磷含量為0.9 g/kg，有效磷含量為89.3 mg/kg，有效鉀含量為251.0 mg/kg。

1.2.3 供試作物

供試夏玉米品種為偉科966。

1.2.4 供試肥料

采用摻混肥作基肥于種植玉米前一次性施入，折合成純養分用量N、P2O5和K2O分別為156、30和54 kg/hm2。

1.3 方案設計

田間試驗共設4個處理，在化肥施用量一致前提下，添加0（B0F）、5（B5F）、10（B10F）和20 t/hm2（B20F）生物炭，各處理設置4次重復，采用隨機區組排列，每小區面積34.2 m2（9.5 m×3.6 m）。生物炭于2017年夏玉米播前一次性撒施于土壤表層并通過翻耕使生物炭與耕層（0～20 cm）土壤混勻，玉米季澆水兩次，壓苗水一次灌水量450 m3/hm2，拔節水一次灌水量600 m3/hm2，田間管理按當地常規管理方法進行。

于抽雄期和成熟期在每個小區按五點采樣法分層（0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm）采集土壤樣品，相同層次的土壤混合為一個樣品后一部分于4℃冰箱保存，剩余部分風干過篩保存。

抽雄期和成熟期采集植物樣品，每小區隨機選取3株有代表性的夏玉米植株，自基部剪下，抽雄期分成莖、葉、苞葉、籽粒4部分，成熟期分成莖、葉、苞葉、軸、籽粒5部分，烘干后稱重，用于分器官測定植株全氮、全磷、全鉀養分含量和地上生物量。另外，每小區隨機采集3個沿玉米種植行2 m長度地上部植株樣品，分別裝入網兜用于測定產量及產量相關指標。

1.4 測試項目及方法

生物炭和土壤樣品的硝態氮、銨態氮含量用連續流動分析儀測定；全氮含量采用凱氏法測定；全磷含量采用鉬銻抗比色法測定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用1 mol/L NH4OAC浸提，火焰光度法測定。

植物樣品的全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；全磷含量采用鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用火焰分光光度法測定。土壤養分累積量計算公式為：

式中：A為土壤養分累積量（kg/hm2）；h為土層厚度（cm）；ρ為土壤容重（g/cm3）；C為養分濃度（mg/kg）。

1.5 統計方法

采用Excel 2010進行數據處理和制圖，采用SPSS 19.0進行數據的正態分布檢驗和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤有效養分垂直分布的影響

2.1.1 生物炭對硝態氮和銨態氮垂直分布的影響

隨生物炭施用量的增加，0～100 cm各土層土壤硝態氮含量整體表現為B5F＞B10F＞B0F＞B20F的趨勢，各處理土壤剖面的硝態氮含量均隨土層深度的增加而減小，并于40～60 cm出現累積峰（圖2）。在抽雄期，0～20 cm土壤硝態氮含量介于6.3～10.5 mg/kg，B5F顯著高于B0F、B10F和B20F，分別顯著增高46.8%、18.2%和67.1%；在40～60 cm的累積峰層，B0F、B5F、B10F、B20F處理硝態氮含量分別為2.6、4.6、4.1和3.0 mg/kg，B5F處理硝態氮含量顯著高于B0F、B10F和B20F，分別顯著增高75.6%、13.1%和51.5%（P＜0.05）。在成熟期，土壤硝態氮0～100 cm的累積量于B5F達到最大值51.9 kg/hm2。

土壤銨態氮含量在夏玉米不同生育期均表現為施用生物炭后顯著提高，各處理呈現B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趨勢，土壤銨態氮0～100 cm剖面分布在40～60 cm處出現累積峰（圖3）。與B0F相比，B5F處理0～20、20～40和40～60 cm土層銨態氮含量在兩個時期平均分別顯著升高36.3%、47.4%和37.1%，60 cm以下土層銨態氮濃度維持在小于3.6 mg/kg的較低水平且各處理無顯著差異。成熟期土壤銨態氮在0～100 cm的累積量于B5F達到最大值52.2 kg/hm2，較B0F、B10F和B20F分別顯著提高37.3%、18.0%和33.1%（表2）。

表2 夏玉米成熟期0～100 cm土壤有效態養分累積量（kg/hm2）

2.1.2 生物炭對有效磷垂直分布的影響

隨生物炭施用量的增加，土壤有效磷含量呈現B5F＞B10F＞B0F＞B20F的趨勢（圖4）。在0～100 cm土壤剖面上，表層（0～20 cm）土壤有效磷含量最高，占剖面有效磷總含量的56.6%～73.5%，20 cm以下土壤有效磷含量迅速下降，除成熟期40～60 cm處出現累積峰外，土壤有效磷含量均維持在小于5.0 mg/kg水平。與B0F相比，B5F處理0～20和40～60 cm土壤有效磷含量在抽雄期分別顯著升高32.3%和44.5%，并在成熟期分別顯著升高43.2%和66.4%。成熟期土壤有效磷在0～100 cm的累積量于B5F達到最大值121.2 kg/hm2，且顯著高于其他處理，較B0F、B10F和B20F分別顯著提高43.5%、25.7%和16.4%（表2）。

2.1.3 生物炭對速效鉀垂直分布的影響

在抽雄期和成熟期，土壤速效鉀含量整體呈 現B5F＞B20F＞B0F＞B10F的 趨 勢（圖5），土壤速效鉀在20 cm土層以下迅速下降，土壤剖面40～60 cm處出現累積峰。抽雄期，與B0F相比，B5F處理在0～20、20～40和40～60 cm土層速效鉀含量平均升高3.6%，60 cm以下土層速效鉀含量維持在小于126.3 mg/kg的較低水平。成熟期，與B0F相比，B5F處理0～60 cm土層速效鉀含量平均升高15.3%，60 cm以下土層速效鉀含量維持在小于62.7 mg/kg的較低水平，表明土壤速效鉀主要淋溶至60 cm土層。成熟期0～100 cm土層土壤速效鉀累積量在B5F達到最大值（1184.3 kg/hm2）且顯著高于其他處理，較B0F、B10F和B20F分別顯著提高17.6%、19.2%和33.7%（表2）。

2.2 生物炭對夏玉米養分吸收及產量的影響

與B0F相比，B5F可以顯著提高抽雄期和成熟期夏玉米氮、磷累積量（表3）。抽雄期內，與B0F相比，B5F和B10F的地上部生物量顯著增加，B5F的氮、磷累積量分別顯著提高58.2%和42.5%，B10F和B5F的鉀累積量分別顯著升高36.0%和67.6%，B20F、B10F和B5F的籽粒含氮量和含鉀量分別顯著提高20.9%、36.6%、49.5%和17.9%、33.3%、56.0%，但只有B10F和B5F的籽粒含磷量顯著提高，分別顯著提高了21.6%和29.7%；成熟期內，與B0F相比，B5F的地上部生物量、籽粒氮、磷含量及氮、磷累積量分別顯著提高13.5%、28.6%、33.3%、44.3%和40.8%，B10F、B20F未表現出顯著差異。

表3 生物炭對玉米成熟期各器官養分吸收的影響

B5F比B0F的籽粒產量顯著增加24.1%，但隨著生物炭施用量的增加并未達到持續提升作物產量的目的，B10F、B20F與B0F相比未表現出顯著差異，說明夏玉米產量構成因素（穗數、百粒重和穗粒數）受不同水平生物炭施用影響并不顯著（表4）。

表4 不同處理對夏玉米產量和產量要素的影響

3 討論與結論

在土壤有效養分垂直分布上，不同水平生物炭處理于抽雄期和成熟期均在40～60 cm處出現累積峰，說明在該季節的降雨和灌溉作用下，有效養分集中遷移到40～60 cm土層。

在0～60 cm土層，B5F、B10F和B20F處理各有效養分含量均高于B0F處理，可見，生物炭對土壤速效養分有吸附作用，并緩慢釋放，可以減少由于降水灌溉對土壤養分的流失，增加土壤中速效養分含量。然而，B5F處理的有效養分含量高于B10F和B20F處理，這說明中高量生物炭施入土壤導致土壤高C/N，加劇了土壤中有效態養分的微生物固定［13-14］，引發微生物與作物對氮養分的競爭，從而減少地上部生物量和吸氮量。此外，Yao等［15］指出中高量生物炭施用會引入大量的堿金屬離子到土壤中，特別是Ca2+，促進磷酸根沉降反應從而引起土壤有效磷的化學固定［16］，這可能是中高量生物炭施用降低土壤中有效磷含量的原因。

生物炭具有緩控作用，在一次性施用大量化肥情況下，通過生物炭的吸附-解吸過程，使肥料的釋放過程更加符合作物養分吸收變化，使作物養分吸收累積得到了增強。本研究發現，向土壤中施入一定范圍內生物炭可顯著促進作物的生長發育，從而為作物的增產增收奠定基礎。但當施用量達到一定量后，增產效果呈減弱趨勢，與前人的研究結果相同［17-20］。這可能是由于過量生物炭施用下，提高土壤中的C/N，加劇了速效養分的生物固定，土壤微生物與作物競爭有效態養分，進而抑制作物生長發育，減弱產量的增加［15］。

在施用化肥一致的情況下，低量生物炭（5 t/hm2）施用顯著提高夏玉米抽雄期和成熟期土壤0～100 cm氮、磷和鉀有效養分垂直分布和氮、磷、鉀養分吸收量，并顯著提高產量24.1%；而高量生物炭抑制夏玉米養分的吸收，也不能增加產量。因此，華北地區夏玉米單季生物炭施用量以5 t/hm2為宜。