水稻秸稈生物炭對江漢平原麥區小麥養分吸收和產量的影響

劉美玲，劉 悅，陳婷婷，鄒 娟，史文琦，曾凡松，龔雙軍，黃振余，劉 威，楊立軍，喻大昭

（1農業農村部華中作物有害生物綜合治理重點實驗室，農作物重大病蟲草害防控湖北省重點實驗室，湖北省農業科學院植保土肥研究所，武漢 430064；2湖北省農業科學院糧食作物研究所，武漢 430064；3鐘祥市石牌鎮農業技術服務中心，湖北鐘祥 431922）

0 引言

生物炭是由作物秸稈、穎殼、樹枝和木屑等農業廢棄物在缺氧或少氧條件下高溫裂解炭化形成的黑色細小顆粒固體物質[1]。生物炭具有含碳率高、比表面積大、多孔隙、理化性質穩定等特性，能夠增加土壤的通氣性和持水量[2-3]，提高土壤中氮、磷、鉀養分含量[4]，參與土壤環境中磷素循環、影響土壤磷素物質轉化和一定程度緩解或改善土壤板結[5]。自20世紀末“生物炭”概念提出以來，各國學者研究普遍認為生物炭在改善土壤理化性質、促進植物養分吸收、提高作物產量，治理環境污染以及增加“農業碳匯”、減少溫室氣體排放等方面具有重要的作用[6]。

由于生態條件、氣候條件以及土壤類型等區域差別，生物炭對作物養分吸收和產量的影響國內外報道不一，但總體上以正向效應居多[6]。Li[7]以及劉歡歡等[8]對小麥、王典等[9]對油菜的試驗結果表明，施用生物炭對小麥和油菜分別有明顯增產作用；但Zwieten等[10]、Kloss等[11]研究發現施用生物炭造成小麥、芥菜、大麥減產。生物炭施用量的多少、施用年限與產量相關。薛超群等[12]研究顯示，施用600 kg/hm2的生物炭能夠促進烤煙增產，而施用900 kg/hm2的生物炭則會造成烤煙減產；闞正榮等[13]研究表明，施用生物炭可以減弱冬小麥開花期和灌漿期的光合“午休”，增強光合性能和潛力，提高籽粒產量，但年施用7200 kg/hm2生物炭較施用3600 kg/hm2光合性能有所降低；Madari等[14]試驗表明，在生物炭施用的前3年，大豆產量隨生物炭用量呈線性增加，但在第4、5年對大豆產量無影響。因此，生物炭對不同作物養分吸收和產量的影響是個復雜過程，受生物炭材料來源的性質、施用量、土壤質地、土壤肥力等多種因素綜合影響。鐘祥地處江漢平原地區中部，常年稻-麥輪作、土壤類型屬中國典型的潮土區。為明確施用生物炭后對小麥營養元素吸收和土壤養分的影響，本研究擬在基施化肥的基礎上，采取基施、追施或同時施用生物炭不同劑量，比較該區域土壤不同生物炭處理對小麥籽粒和莖葉養分吸收、土壤養分含量以及對小麥產量的影響，以期為秸稈生物炭在江漢平原稻茬麥潮土區合理利用提供一定科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2018年10月至2019年6月在湖北省鐘祥市石牌鎮三喜村（北緯112.50°N，東經30.97°E）進行。該點屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明、降雨充足。土壤類型為潮土，質地為粘壤。種植模式為水稻-小麥輪作，水稻、小麥秸稈全量還田。土壤基本理化性質如下：pH 6.7，有機質含量為44.23 g/kg，全氮為2.92 g/kg，速效鉀為216.77 mg/kg，速效磷為20.62 mg/kg。

供試生物炭由湖北金日能源股份有限公司生產，制備原料為水稻秸稈，原料經粉碎過20目篩及木醋液消毒后，在裂解爐、厭氧環境下熱裂解所得。供試生物炭有機質為644.67 g/kg、全氮為13.65 g/kg、全磷為6.39 g/kg、全鉀為6.14 g/kg、堿解氮為14.50 mg/kg、速效磷152.47 mg/kg、速效鉀為4511.33 mg/kg，pH 7.95。供試化肥由武漢合緣綠色生物股份有限公司生產，氮磷鉀總用量為267 kg/hm2（N-P2O5-K2O:15-7-8）；小麥品種‘鄭麥9023’，為當前湖北省主推品種。

1.2 試驗設計和實施

所有處理均在播種期基施化肥的基礎上進行設置，包括生物炭不同劑量在播種前基施、在小麥返青拔節期追施、或在兩個時期同施以及設置不施生物炭等共計7個處理（表1）。每個處理4次重復，小區面積414 m2（長23 m×寬18 m），隨機區組排列。對于基施生物炭處理，在播種的前一天先按設計用量進行人工均勻撒施，播種當日所有處理再采用種肥一體播種機進行旋耕條播（2018年10月27日），播種量為225kg/hm2；對于追施生物炭處理，在返青拔節期（2019年4月11日）按設計用量人工均勻撒施。其余田間操作均按當地大田生產進行。

表1 試驗田處理設置

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 植株養分的測定 小麥臘熟期，每小區三點隨機采取單行30 cm長度的小麥整株樣（齊土表剪下），脫粒后分別將籽粒和莖葉混勻裝袋，置于恒溫烘箱105℃，30 min殺青后85℃烘至恒重，測定小麥籽粒和秸稈莖葉中氮、磷、鉀含量。全氮采用H2SO4-H2O2消煮奈氏比色法，全磷采用釩鉬黃比色法，全鉀采用火焰光度計法測定[15]。

1.3.2 土壤養分含量 小麥收獲后，每小區隨機5點取0～25 cm土層樣，混合鋪平陰干后，測定土壤全氮、速效磷、速效鉀、有機質含量及pH，測定方法參照鮑士旦[15]方法進行。

1.3.3 小麥產量測定 小麥臘熟期，每小區采用“1米雙行法”[16]隨機收取小麥穗頭進行室內考種，調查總穗數、穗粒數和千粒重；每小區采用大型收割機實收測鮮重產量，并隨機選擇3個小區稱量1 kg小麥籽粒，去雜、曬干后計算矯正系數，計算各小區實際產量。

1.4 統計分析

參照劉紅恩等[17]方法計算各元素積累量、各元素總吸收量、生物學產量和收獲指數，其中：

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0進行統計分析，用Duncan氏新復極差法進行處理間差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 施用生物炭對小麥氮素吸收和累積的影響

生物炭對小麥籽粒、莖葉中氮含量，氮積累量以及氮總積累量的影響結果見表2。從表2可看出，施生物炭各處理籽粒和莖葉內的氮含量和氮積累量均較不施生物炭處理有所增高，其中氮總積累量各施生物炭處理均顯著高于不施生物炭處理(P＜0.05)；基施及追施生物炭13500 kg/hm2處理(A2+B2)的小麥籽粒、莖葉氮積累量以及氮總積累量最高，分別為221.5 kg/hm2、70.4 kg/hm2和291.9 kg/hm2，分別較不施生物炭處理增加了20.3%、11.9%和18.2%。同一時期生物炭不同施用量處理之間相比，隨著生物炭用量增大，籽粒和莖葉植株內氮含量、氮積累量之間有增高的趨勢，但差異未達顯著水平(P＞0.05)。

表2 施用不同量生物炭處理小麥氮含量和積累量

2.2 施用生物炭對小麥磷素吸收和累積的影響

生物炭對小麥籽粒、莖葉中磷含量、磷積累量以及磷總積累量的影響見表3。從表3可看出，各施生物炭處理小麥籽粒內磷含量有所升高，莖葉內磷含量略有升高，但均未達顯著水平(P＞0.05)。對于小麥籽粒中磷積累量，以追施生物炭9000 kg/hm2處理(B1)最高(47.1 kg/hm2)，比不施生物炭(CK)提高了19.8%，且生物炭基施13500 kg/hm2(A2)、追施9000 kg/hm2(B1)以及基施和追施13500 kg/hm2(A2+B2)三個處理磷積累量均顯著高于不施生物炭處理(P＜0.05)；對于莖葉內磷積累量，施生物炭處理較不施生物炭處理均有所升高，以基施和追施生物炭13500 kg/hm2處理(A2+B2)最高(14.8 kg/hm2)，較CK增加了34.5%，但施生物炭與不施生物炭間差異不顯著(P＞0.05)；對于總積累磷量，以基施和追施生物炭13500 kg/hm2處理(A2+B2)最高(62.5 kg/hm2)，較CK顯著增加了24.0%(P＜0.05)。同一時期施用不同量生物炭處理之間相比，隨著生物炭用量增大，籽粒和莖葉植株內磷含量、磷積累量之間有增高的趨勢，但各處理間差異不顯著(P＞0.05)。

表3 施用不同量生物炭后小麥磷含量和積累量

2.3 施用生物炭對小麥鉀素吸收和累積的影響

生物炭對小麥籽粒、莖葉中鉀含量、鉀積累量以及鉀總積累量的影響見表4。從表4可看出，各施生物炭處理小麥籽粒內鉀含量略有升高，但未達顯著水平(P＞0.05)；莖葉內鉀含量有明顯升高，生物炭基施9000 kg/hm2(A1)、追施9000 kg/hm2(B1)以及基施和追施13500 kg/hm2(A2+B2)三個處理均顯著高于不施生物炭對照(P＜0.05)；施生物炭后，小麥籽粒、莖葉內鉀積累量以及鉀總積累量明顯升高，生物炭基施13500 kg/hm2(A2)、基施和追施13500 kg/hm2(A2+B2)兩個處理積累量均顯著高于不施生物炭處理(P＜0.05)。所有處理中，以基施及追施生物炭13500 kg/hm2處理(A2+B2)小麥籽粒中鉀積累量最高(54.2 kg/hm2)，比CK提高了12.4%；總吸鉀積累量最高為280.4 kg/hm2，較CK增加了13.7%；以追施生物炭9000 kg/hm2處理小麥莖葉中鉀積累量最高為1.55%，較CK增加26.0%。同一時期施用不同量生物炭處理之間相比，籽粒和莖葉植株內鉀含量、鉀積累量之間沒有明顯的變化規律。

表4 施用不同量生物炭后小麥鉀含量和積累量

2.4 生物炭對土壤有機質及養分的影響

生物炭對土壤pH、有機質含量以及土壤養分的影響見表5。結果表明，土壤的pH隨生物炭的施用有所升高，且生物炭施用量越多和施用時間越遲，土壤pH提高越多。土壤有機質含量與生物炭的施用量呈正相關趨勢，生物炭的施用量越大，土壤有機質含量越高。基施及追施13500 kg/hm2生物炭處理(A2+B2)土壤有機質含量和速效磷最高，較對照處理(CK)分別顯著提高45.0%和26.0%；基施及追施9000 kg/hm2生物炭處理(A1+B1)次之，分別顯著提高了27.7%和25.7%(P＜0.05)。施用生物炭后，土壤速效鉀含量均有所升高，但都均未達顯著水平；全氮含量各處理間基本沒有變化。

表5 施用不同量生物炭下土壤有機質及養分狀況

2.5 生物炭對小麥農藝和產量性狀的影響

室內考種調查農藝和產量性狀數據見表6。結果表明，與不施生物炭處理相比，生物炭對小麥的株高、結實率有正向促進作用，施用生物炭的各處理株高均有所增高，結實率更高，但均未達到顯著水平；對小麥穗長有抑制作用，穗長顯著降低。在產量性狀方面，施用生物炭處理公頃穗數、穗粒數與不施生物炭處理之間無明顯變化規律，但施用生物炭各個處理千粒重均顯著增加(P＜0.05)，且基施及追施13500 kg/hm2生物炭處理(A2+B2)千粒重增加最多，增重8.8 g，增重率26.1%。各生物炭處理的株高、穗長、結實率、公頃穗數、穗粒數和千粒重各項指標間，無明顯變化規律且差異不顯著(P＞0.05)。

表6 不同處理對小麥農藝及產量性狀的影響

2.6 生物炭對小麥產量的影響

室內考種測定籽粒產量、生物學產量、收獲指數以及田間實際測產數據結果見表7。從表7可看出，各施生物炭處理的籽粒產量均高于不施生物炭處理籽粒產量，且基施 13500 kg/hm2(A2)、追施9000 kg/hm2(B1)、基施并追施13500 kg/hm2(A2+B2)三個處理小麥籽粒產量顯著高于不施生物炭籽粒產量(P＜0.05)；各處理生物學產量之間變化不明顯；各施生物炭處理的收獲指數較不施生物炭處理有所提高，但差異均不顯著(P＞0.05)；對于田間實際測產，各生物炭處理均顯著增高了小麥實際產量(P＜0.05)，其中以基施并追施13500kg/hm2處理(A2+B2)提高最多，提高了1164.0kg/hm2，增幅達29.5%；基施13500 kg/hm2處理(A2)次之，提高760.6 kg/hm2，增幅19.3%，均達到顯著水平(P＜0.05)。

表7 不同處理對小麥產量的影響

3 討論與結論

多數研究顯示，施用生物炭可提高作物對氮、磷、鉀等元素的吸收。Mohan等[18]研究表明施用生物炭有助于提高土壤肥力和碳固存；姜佰文等[19]研究顯示施用生物炭同時減少肥料能提高玉米籽粒中氮、磷、鉀的積累量；張宏等[20]研究表明，有機肥和配施生物炭比單獨施用有機肥小麥植株中氮、磷、鉀的總積累量顯著提高。但也有研究表明，施用生物炭不能提高作物對營養元素的吸收反而有抑制作用。潘復燕等[21]發現施用生物炭后小麥磷含量和積累量下降，磷元素的吸收被抑制；陳心想[22]研究顯示高劑量60000 kg/hm2生物炭降低了小麥對土壤中磷元素的吸收。造成以上結果的差異可能與土壤類型、生物炭制炭材料不同以及生物炭用量有關[6]。本研究結果支持秸稈生物炭促進了小麥植株對氮、磷、鉀元素吸收的結論。

生物炭因其固有的多微孔結構、較大的比表面積以及施入土壤后表面帶有大量陽離子交換基團等特性，能夠抑制土壤氮磷養分淋失，能夠改善土壤性質、提高肥料利用率，從而促進了植物生長和增加作物產量。Niu等[23]在潮土中施用3～12 t/hm2的生物炭可增加小麥籽粒產量16.6%～25.9%；與單獨使用肥料相比，微酸性的土壤中添加生物炭可使小麥產量增加20%～30%[24]。Lehmann等[25]在總結全球各地開展的相關研究時發現，當生物炭施用量在50 t/hm2以下時，對作物產量的作用基本都是正向的。本研究設置的基施、追施或者基追同施等處理生物炭的施用量為9～27 t/hm2，可提高小麥產量11.2%～29.5%，支持了以上結論。但本試驗顯示，最終產量與生物炭施用量和施用時間沒有明顯規律性，這可能與生物炭只施用了一個生長季節年限太短以及試驗地本身的土壤肥力較高有關，下一步需在江漢平原稻茬麥區選擇不同的土壤肥力水平配施不同劑量生物炭進一步加以研究。

生物炭的施用可改善土壤理化性質、增加土壤有機質含量，且有機質含量的提升與生物炭施用量多少呈正相關[26-28]。生物炭具有較強的穩定性，不易被礦化和分解，在潮土中的年平均分解率為3.52%～5.68%[29]，其提高土壤有機質機理在于生物炭能在表面吸附土壤中不穩定有機碳抑制其礦化，并促進吸附的有機分子聚合形成有機質有關[30]。本實驗中，基施及追施13500 kg/hm2生物炭處理土壤有機質、速效磷含量最高，且隨生物炭量的增加，有機質含量增高，支持了以上結論。土壤是復雜的有機和無機復合體，土壤養分變化是各種因素綜合作用的結果。有研究顯示，生物炭能緩慢釋放自身營養元素補充土壤養分含量，疏松結構有利于土壤肥力保持[31]、生物炭可提高土壤中速效磷、速效鉀含量，且生物炭的施用量與速效磷、速效鉀含量正相關[32]。本研究結果中，施用生物炭后土壤速效磷、速效鉀的含量均有所提升，但速效鉀的含量提升都沒有達到顯著水平，具體原因亦尚需進一步研究。

本研究結果表明，施用生物炭促進了小麥植株對氮、磷、鉀元素的吸收，提高了土壤有機質和速效磷含量，且隨生物炭施用量增大，小麥植株的氮磷鉀養分總吸收積累量、土壤pH、土壤有機質以及速效磷含量增高；施用生物炭對小麥株高、結實率、千粒重、收獲指數有正向促進作用。本研究結果為湖北江漢平原潮土區施用生物炭對小麥營養元素吸收以及土壤營養變化提供了數據信息。