不同類型生物質炭基肥對玉米增產效應研究

楊麗 劉元生 卜通達 陳祖擁

摘 要：在盆栽條件下通過對黃砂土、黃泥土、大泥土三種種植玉米的旱地土壤，施用不同數量的生物質炭及適量的肥料，探討生物質炭與肥料配合對玉米產量的影響。試驗結果表明：在旱地上生物質炭配合復合肥施用后，黃砂土、黃泥土、大泥土上玉米的產量提高了20.7%～61.2%;而生物質炭配合有機肥施用后玉米的產量則提高了21.0%～94.8%。黃砂土、黃泥土、大泥土上生物質炭附著營養液施用也能顯著地提高玉米產量，比對照增加了10.4%～81.0%。生物質炭與肥料配合施用可以明顯地提高玉米產量，特別是與有機肥配施。

關鍵詞：黃壤;玉米;生物質炭;施肥;產量

中圖分類號：S688.4

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0457（2021）02-0009-07

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.02.002

Abstract：A pot experiment was conducted to investigate effects of different biomass carbon and fertilizerapplication on the maize yield，by applying different amounts of biomass charcoal and appropriate amount of fertilizer to three dryland soils of yellow sandy soil，yellow soil and the lime soil for growing maize.The results showed that the yield of maize in yellow sand soil，yellow soil and lime soil increased by 20.7% ～ 61.2% after biomass charcoal combined with compound fertilizer on dry land.The yield of maize increased by 21.0% ～ 94.8% after biomass charcoal combined with organic fertilizer.The application of biomass carbon attached nutrient solution on yellow sand soil，yellow soil and lime soil could also significantly improve the maize yield，which increased by 10.4% ～ 81.0% compared with the control.The combination of biomass charcoal and fertilizer could obviously improve the yield of maize，especially the combinationwith organic fertilizer.

Keywords：yellow soil;maize;biomass charcoal;fertilization;production

我國是一個農業大國，目前已成為農業廢棄物產出率最大的國家[1]，傳統農業長期以來直接將農業廢棄物通過焚燒或直接就地還田等粗放的方式處理，不僅不利于資源的有效利用，還嚴重污染空氣，對生態環境造成極大影響。將農業廢棄物在高溫厭氧環境下轉化為生物質炭施入土壤的研究逐漸增多。而在此基礎上進一步優化將生物質炭與肥料結合制成生物質炭基肥更是近年來的研究熱點。生物質炭含有大量穩定芳香族結構及豐富孔隙度，具有較強的吸附性及大的表面積，之所以能作為肥料載體，其機理可能為：（1）生物質炭表面具有一些能夠電離產生電荷的化學官能團，從而使其具有較高的離子吸附交換量，這能夠讓它通過靜電作用吸附養分離子;（2）生物質炭具有比表面積大、孔隙度高的特點，這讓它具有較大的吸附能力，能夠使其在表面吸持一定的養分;（3）生物質炭表面含有一些官能團，如羥基、羧基等，它們都較為活躍，能夠和肥料發生化學反應從而負載一定的養分[2];此外，其本身也含有較均衡的養分元素，施入土壤也會提高土壤養分含量，所以生物炭作為肥料增效載體，能有效緩解肥料養分在土壤中釋放速率、降低養分淋溶損失、提高植物養分的有效性及肥料利用率，也能促進作物生長及改善作物品質[3]。生物質炭基肥雖增產效果明顯，但研究起步較晚，加之生產成本高，現階段應用較少，隨著研究與開發的不斷深入，及其具備的良好社會、環境和經濟效益，生物質炭基肥將得到更為廣泛的認可和大面積的應用推廣，是農業廢棄物資源優化利用的重要方式。

近年來，廣大學者就生物質炭對玉米生長和產量方面的研究如下：盧廣遠等[4]大田施用生物質炭基肥對提高玉米籽粒產量效果明顯，增產率達6.52%～10.94%，土壤有機碳增加了44.93%，土壤含水率增加了40%左右。王粟等[5]大田試驗研究表明，施用生物質炭基肥可有效促進玉米的生長發育，縮短生育周期，改善玉米產量性狀，玉米增產率達8.48%。李傳寶等[6]白漿土的大田試驗結果表明，施用生物質炭玉米產量的提高幅度2015年和2016年分別為0.53%～1.73%和2.82%～7.58%。解秋等[7]利用玉米秸稈炭、木醋液與化肥等原料制成生物質炭基肥，通過盆栽試驗研究生物質炭與木醋液復配肥對玉米苗期農藝性狀、氮素利用率的影響。結果表明，與常規炭基肥比較，添加20%、40%木醋液的炭基肥氮素利用率分別提高13.87%和23.49%。炭基肥處理對玉米苗期各農藝性狀有顯著提高作用，其中木醋液添加量在40%的炭基肥處理最大葉面積較常規炭基肥顯著提高10.24%，地下部生物量比其他處理提高9.16%～22.76%。可見，生物質炭施用能明顯促進玉米的生長及產量[8-11]。

關于生物質炭的研究大多以單純地施入生物質炭且只選擇一種土壤類型作為研究對象，忽視了生物質炭本身養分含量低的特點，而且，生物質炭的土壤改良及增產效果受氣候條件、土壤類型及作物種類等的影響，目前對生物質炭在不同類型旱地上的施用對玉米生長及產量影響的對比研究還相對較少，玉米是貴州省中西部主要的糧食作物，因此，本研究以貴州中部種植玉米的主要旱作土類型為研究對象，探討不同碳比例生物質炭基肥施用對玉米產量及其增產效應的影響，為貴州山區玉米種植及土壤培肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽供試土壤采自貴陽市花溪區黔陶鄉周邊種植玉米的旱作土，選擇砂巖發育的黃砂土、頁巖發育的黃泥土、石灰巖發育的大泥土，取表層土壤（0～20 cm）均勻混合過5 mm篩備用。用馬尾松鋸末并添加平菇菌渣為炭化原料，使用微波爐炭化得到試驗用的生物質炭;玉米品種為金白單3號，復合肥為市售產品（養分≥45%，N-P2O5-K2O 15-15-15），有機肥采用腐熟的油菜籽餅。生物質炭基肥由一定比例的復合肥及有機肥制成，生物質炭浸營養液：每公斤生物質炭浸500 mL、20倍休伊特營養液[12]，浸泡20 h后取出晾干備用。采用高約40 cm，直徑約30 cm的塑料盆缽進行盆栽試驗。

1.2 盆栽試驗

盆栽試驗于2018年3月下旬至7月中旬在貴州大學實驗農場進行。盆栽試驗分3類：①生物質炭與復合肥配施試驗，采用土壤+復合肥+生物質炭（不同比例組合）進行試驗設計，試驗設4個處理，每盆分別將不同比例的生物質炭量（按土壤質量的0%、10%、15%、20%）、10 g復合肥與10 kg土壤混合均勻后裝入塑料缽中;②生物質炭與有機肥配施試驗，采用土壤+有機肥+生物質炭（不同比例組合）進行試驗設計，試驗設4個處理，每盆分別將不同比例的生物質炭量（按土壤質量的0%、10%、15%、20%）、100 g有機肥與10 kg土壤混合均勻后裝入塑料缽中;③生物質炭與營養液配施試驗，采用土壤+營養液+生物質炭（不同比例組合）進行試驗設計，試驗設4個處理，每盆分別將0%、10%、15%、20%比例的生物質炭量（飽和吸附營養液的生物質炭）與10 kg土壤混合均勻后裝入塑料缽中。一種土壤類型設置12個處理，試驗共采用3種土壤（分別是黃砂土、黃泥土、大泥土），本試驗共計36個處理，采用隨機區組的方法擺放盆缽，每個處理重復3次。每盆播種4粒，出苗后保留生長良好的2株，試驗過程中時常澆水，待玉米成熟后收獲果實部分，帶回實驗室以65℃烘至恒重（干穗含水量約為6%），并通過稱重測其實際產量，包括：干穗重、籽粒重;并計算穗增產率和籽粒增產率。公式如下：穗增產率（%）=處理干穗重-對照干穗重對照干穗重;

粒增產率（%）=處理籽粒重-對照籽粒重對照籽粒重

1.3 數據處理

試驗數據采用DPS軟件進行數理統計分析，計算每處理三個重復測定值的平均值及標準差，采用LSD法進行多重比較及顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 生物質炭與復合肥配施對玉米產量的影響

在施用復合肥的基礎上，黃砂土、黃泥土及大泥土施用5%～15%的生物質炭后，玉米穗增產率比對照處理（未施用炭）分別增加25.6%～49.6%、20.7%～61.2%、23.9%～55.6%，出籽增產率則分別比對照增加28.8%～56.4%、24.9%～79.4%、24.5%～69.4%。三種土壤在不同生物質炭施用量處理間，玉米出籽率沒有明顯差異。施用生物質炭有利于促進玉米植株生長及產量的提高，其中生物質炭施用量在15%時與復合肥配合施用，玉米的增產效果最好。

從三種土壤類型來看，多重比較結果表明（圖1），生物質炭和復合肥配施后，三種土壤種植的試驗玉米干穗重、籽粒重均顯著優于復合肥單施的效果。施用10%的生物質炭后，黃泥土種植玉米的干穗重顯著高于黃砂土和大泥土，而大泥土也顯著高于黃砂土;黃泥土種植玉米的籽粒重也顯著高于黃砂土和大泥土，但大泥土和黃砂土之間沒有明顯差別。施用15%的生物質炭后，玉米的干穗重和籽粒重均表現為大泥土>黃泥土>黃砂土，且均達到顯著差異水平。施用20%的生物質炭后，玉米的干穗重和籽粒重均表現為大泥土明顯高于黃泥土和黃砂土，黃泥土和黃砂土之間籽粒重表現出明顯差異，但干穗重未表現出明顯的區別。結合穗增產率和籽粒增產率可見，黃泥土在10%的生物質炭施用效果顯著優于黃砂土和大泥土，黃砂土和大泥土增幅效果較好的生物質炭施用量為15%的處理，當生物質炭施用增加到20%后，三種土壤種植的玉米干穗重和籽粒重均出現了下降趨勢，其中黃泥土降幅最明顯，黃砂土次之，大泥土最小，這可能與三種土壤養分庫容量及生物質炭與植物形成養分爭奪有關。綜上可見，總體上黃泥土施用生物質炭的增產效果明顯較好，大泥土次之，黃砂土相對略差。

2.2 生物質炭與有機肥配施對玉米產量的影響

在施用有機肥的基礎上，黃砂土、黃泥土及大泥土施用5%～15%的生物質炭后，玉米穗增產率比對照處理（未施用炭）分別增加61.8%～92.0%、46.0%～94.8%、21.0%～75.0%，出籽增產率則分別比對照增加66.0%～92.5%、66.4%～97.9%、29.8%～88.2%;三種土壤在不同生物質炭施用量處理間，玉米出籽率也沒有明顯差異。與復合肥配施的處理效果相近，施用生物質炭也有利于促進玉米植株生長及產量的提高，仍為生物質炭施用量在15%時與有機肥配合施用后，玉米的增產效果最好。

從三種土壤類型來看，多重比較結果表明（圖2），生物質炭和有機肥配施后，三種土壤種植的試驗玉米干穗重、籽粒重同樣均顯著優于有機肥單施的效果。施用10%的生物質炭后，黃砂土種植玉米的干穗重顯著高于黃泥土和大泥土，而黃泥土和大泥土之間沒有顯著差別。黃砂土種植玉米的籽粒重也顯著高于大泥土，但黃泥土和大泥土之間沒有明顯差別。施用15%的生物質炭后，玉米的干穗重和籽粒重均表現為大泥土>黃泥土>黃砂土，且大泥土與黃泥土及黃砂土均達到顯著差異水平，黃泥土和黃砂土之間沒有明顯差異。施用20%的生物質炭后，玉米的干穗重和籽粒重卻均表現為大泥土>黃砂土>黃泥土，大泥土和黃泥土之間均表現出明顯差異，但黃砂土與大泥土及黃泥土之間，均未表現出明顯的區別。結合穗增產率和籽粒增產率可見，與有機肥配施后大泥土、黃泥土均在15%的生物質炭施用效果明顯最優，而黃砂土則是在10%的生物質炭施用效果較好。當生物質炭施用增加到20%后，三種土壤種植的玉米干穗重和籽粒重均出現了顯著的下降趨勢，其中大泥土降幅最明顯，黃泥土次之，黃砂土最小。由此可見，在生物質炭與有機肥配施的前提下，黃泥土相對不施炭處理增產效果明顯，但仍是養分庫相對充足的大泥土產量較高。

2.3 生物質炭附載營養液對玉米產量的影響

黃砂土、黃泥土及大泥土施用5%～15%附載營養液的生物質炭后，玉米穗增產率比對照處理（未施用炭）分別增加34.4%～70.3%、10.4%～52.7%、33.9%～81.0%，出籽增產率則分別比對照增加44.4%～86.5%、12.1%～57.1%、36.6%～96.5%;三種土壤在不同生物質炭施用量處理間，玉米出籽率也沒有明顯差異。

從三種土壤類型來看，多重比較結果表明（圖3）：生物質炭載營養液施用后，三種土壤種植的試驗玉米干穗重、籽粒重同樣均優于對照。其中，黃砂土施用10%的載營養液生物質炭增效明顯，而黃泥土、大泥土則均為施用15%的載營養液生物質炭增效更明顯。施用10%的載營養液生物質炭，大泥土種植玉米的干穗重和籽粒重都顯著高于黃砂土，而黃砂土顯著高于黃泥土。施用15%的載營養液生物質炭后，玉米的干穗重和籽粒重均表現為大泥土>黃泥土>黃砂土，且大泥土與黃砂土均達到顯著差異水平。施用20%的載營養液生物質炭后，玉米的干穗重和籽粒重在三種土壤中較施用15%的載營養液生物質炭處理，有明顯的下降趨勢。

綜上可見，載營養液生物質炭施用后，三種土壤均在15%的生物質炭施用效果明顯最好。黃泥土施用生物質炭有利于促進玉米植株生長及產量的提高，其中，生物質炭與有機復合肥配合施用的增產效果優于復合肥。生物質炭對作物生長的促進作用主要是改善土壤結構以及提高土壤持水性能和養分供應能力[10]，生物質炭施用不僅增加土壤碳庫，有利于微生物的生長[13]，而且通過調節土壤酸堿度，直接提升磷、鉀、鎂和鈣的生物有效性[14-16]。因而，適量的生物質炭施用有利于玉米對土壤養分的吸收，不僅提高玉米產量，還能改善玉米營養的吸收。

3 結論與討論

生物質炭作為化學肥料的緩釋載體，對肥料的肥效具有一定的影響。本次研究發現，生物質炭作為基肥與適量的肥料配合施用，玉米穗增產率較對照處理（未施用炭）增加最高達94%，出籽增產率比對照增加最高達97.9%。這與許多研究者的結論相似，萬紀紅[17]發現施用生物質炭基肥增產效果顯著優于常規施肥，而且隨著生物質炭基肥料用量的增加，增產效果更明顯;劉明等[16]通過盆栽試驗發現施用炭基肥較普通化肥對穗重、穗粗、千粒重、理論產量增加的促進作用更明顯;唐光木等[18]在新疆灰漠土中施用40 t/hm2生物炭后，玉米產量提高了50%;蔣健等[19]研究發現，施用生物炭對玉米根系的總根長、根體積、根干重、玉米根系總吸收面積均有顯著提高的作用，同時可一定程度上延緩玉米生育后期根系的衰老，維持較為適宜的根冠比，并提高穗長、穗行數、行粒數和百粒重等產量構成因素指標;以上研究結果均與本研究結果保持一致[17-19]。由于研究條件受限，未進行機理的探索，但通過前人的研究，總結出產生這一現象的原因可能有以下幾點：生物炭可顯著提高玉米葉面積指數和葉綠素含量，從而提高其產量[20];生物質炭與肥料混合或復合，肥料消除了生物炭養分低的缺陷，而生物炭賦予肥料養分緩釋性能的互補和協同作用，生物炭延緩肥料在土壤中的養分釋放，降低養分損失，提高肥料養分利用率[21]。此外，研究發現，隨著生物碳施入量的增加，產量逐漸增加，當生物質炭施用量在15%時，與復合肥、有機肥配合施用玉米增產率達到最大，當生物質碳增加至20%時增產率出現下降。程效義等[22]研究同樣發現，適量的生物炭與肥料配施可促進玉米的干物質積累，提高產量，優于單施化肥;但是過量的生物炭用量會抑制玉米生長，導致產量下降;唐春雙等[23]通過田間施用不同量生物質炭發現，隨著生物炭施用量增加對玉米產量的影響表現出先增加后降低的趨勢。其原因可能是由于過多地施入生物質炭使得土壤的C/N比值升高，影響土壤中微生物的活性，從而影響養分的分解，導致速效氮含量下降，限制了植物對氮的吸收;也可能因為生物炭呈堿性，降低了磷和某些微量元素的有效性[13];還可能是因為過多的生物質炭對氮、磷等養分離子的吸附能力增強[24]，導致其與植物之間形成養分爭奪，釋放有效養分的能力減弱。因此，施用生物質炭應首先明確其用量，使土壤養分固定與釋放達到相對協調，避免過量施用，不僅造成資源的浪費，還會使得土壤對于養分的吸附能力超過植物的吸收，反而不利于作物的生長。

黃超等[25]研究發現生物質炭的改善作用在肥力水平較低的土壤上明顯高于肥力水平較高的土壤。本次研究三種土壤類型多重比較結果表明，施用生物質炭的增產效果黃泥土明顯優于黃砂土，同時總體上優于大泥土，另外大泥土優于黃砂土，單從供試土壤養分含量（表1）來看，似乎與黃超等[25]的研究結果存在分歧。但肥力是一個綜合性的指標，是土壤對于水、肥、氣、熱的協調能力。生物質炭具有多孔、質輕的特點，施用生物質炭可明顯降低土壤容重，增加土壤的透氣性及田間持水量，且作用效果隨生物質炭用量的增加而增加[26]，使得其在質地較為黏重的土壤中增產效果較好;這可能是黃泥土的增產效果優于大泥土和黃砂土的原因之一;另一方面可能是本次研究選用的黃沙土養分過于貧瘠，植物的生長除受氮、磷、鉀影響外，還受其他養分元素的限制，生物質炭有很強的吸附性能，被認為可以吸附和保持土壤礦質營養元素[27]，質地偏砂的黃砂土相較于質地偏黏的黃泥土及大泥土養分更易被碳吸附存儲，影響植物的吸收利用，其本身雖含有較均衡的養分，但其分解緩慢，短時間內能供給植物吸收的較少，造成養分含量較低的黃砂土增產效果不如黃泥土和大泥土，導致其在簡單地施入常量元素時增產效果不明顯，應補充適量的微量元素，更有利于作物養分吸收的平衡，實現作物優質高產的栽培。

黃泥土、黃砂土、大泥土施用生物質炭有利于促進玉米植株生長，玉米穗增產率比對照處理（未施用炭）分別增加10.4%～94.8%，出籽增產率則分別比對照增加12.1%～97.9%。生物質炭施用量在15%時，與復合肥、有機肥配合施用均有利于提高玉米產量，特別是生物質炭與有機肥的配合施用。

三種土壤類型多重比較結果表明，施用生物質炭的增產效果黃泥土明顯優于黃砂土，同時總體上優于大泥土，另外大泥土優于黃砂土。其增產效果與土壤性質及炭用量密切相關。

生物質炭作為土壤調理劑，與氮、磷、鉀肥配合施用有利于促進玉米植株生長，從而提高玉米的產量。另外還需要補充適量的微量元素，才能有利于作物養分吸收的平衡，實現作物優質高產的栽培，這方面還值得深入研究。

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