生物炭一次性施入對(duì)灌耕風(fēng)沙土土壤性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響

張?jiān)剖妫乒饽荆垥噪p，葛春輝，徐萬里

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.和田地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆 和田 848000)

灌耕風(fēng)沙土是人為耕種形成的一類土壤，它具有養(yǎng)分貧瘠，有機(jī)質(zhì)含量低，保水保肥性能差等特點(diǎn)，是新疆主要的低產(chǎn)土壤之一。增施有機(jī)肥是目前改良灌耕風(fēng)沙土最有效的措施之一，但干旱區(qū)有機(jī)肥源少，腐殖化系數(shù)低，土壤有機(jī)碳礦化率高，改良效果慢。因此，秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化技術(shù)的出現(xiàn)為改良灌耕風(fēng)沙土提供了新思路。

生物炭是農(nóng)作物秸稈、稻殼、畜禽糞便等生物質(zhì)材料在缺氧條件下進(jìn)行高溫?zé)峤舛傻母缓记倚再|(zhì)穩(wěn)定的固體產(chǎn)物[1]。生物炭本身疏松多孔，施入土壤中，一方面可以改變土壤理化性質(zhì)[2-3]，提高土壤肥力，另一方面可以增強(qiáng)土壤的通氣性能和持水性能[4]，增加土壤的比表面積和孔隙度，降低土壤容重[5]，改善土壤結(jié)構(gòu)[6]。張祥等[7]研究表明，施用生物炭對(duì)紅壤和黃棕壤速效鉀含量影響最大，相同用量的生物炭對(duì)紅壤的改良效果好于黃棕壤。趙飛等[8]研究表明，施用生物炭能在一定程度上提高濱海鹽土的有機(jī)碳、堿解氮、有效磷含量。Steiner等[9]對(duì)巴西亞馬遜河流域土壤中施生物炭(施用量11 t·hm-2)，經(jīng)過4個(gè)生長(zhǎng)季，發(fā)現(xiàn)高粱和水稻累計(jì)增加產(chǎn)量達(dá)到75%。Uzoma等[10]在日本研究結(jié)果顯示，生物炭可以改善砂質(zhì)土壤的理化性質(zhì)，玉米產(chǎn)量增加了150%；而在芬蘭的田間試驗(yàn)表明，生物炭對(duì)砂質(zhì)土壤上小麥的氮吸收和籽粒產(chǎn)量沒有顯著影響[11]。目前，關(guān)于生物炭研究多為室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)或連續(xù)多年施入的田間試驗(yàn)，缺乏長(zhǎng)期的田間研究分析生物炭一次施入后對(duì)土壤性質(zhì)的影響。因此，本文以新疆灌耕風(fēng)沙土為研究對(duì)象，通過2015—2018年的田間定位試驗(yàn)，研究了生物炭不同施用量一次性施入后對(duì)灌耕風(fēng)沙土土壤性質(zhì)及產(chǎn)量的影響，為生物炭合理使用提供理論依據(jù)和技術(shù)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間定位試驗(yàn)開始于2011年4月，位于新疆和田地區(qū)農(nóng)技推廣中心。該地區(qū)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(fā)量為2 618 mm。土壤類型為風(fēng)沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為39.06%、54.00%和6.94%。供試灌耕風(fēng)沙土基本理化性質(zhì)：pH值8.28，有機(jī)質(zhì)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，陽離子代換量(CEC)2.08 cmol·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照耕層(0～20 cm)土壤質(zhì)量2 250 t·hm-2計(jì)算，田間試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理：不施炭(CK)；22.5 t·hm-2(1%BC)；67.5 t·hm-2(3%BC)；112.5 t·hm-2(5%BC)；225.0 t·hm-2(10%BC)。小區(qū)面積2 m2，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列。生物炭為河南三利新能源有限公司提供的小麥秸稈炭，特性為：pH值9.90，有機(jī)碳670 g·kg-1，速效磷82.2 mg·kg-1，速效鉀1 590 mg·kg-1，熱解溫度為350℃～550℃，裂解時(shí)間4～8 h。每個(gè)處理化肥施用量相同，氮肥總用量為N 213 kg·hm-2，磷肥總用量為P2O5103.5 kg·hm-2，鉀肥總用量為K2O 38.25 kg·hm-2。投入的化肥分別為尿素(46% N)、磷酸二銨(18% N，46% P2O5)和硫酸鉀(51% K2O)。其中磷肥和鉀肥全部基施，而氮肥總用量的35%基施，65%追施。灌溉為地面灌，每個(gè)處理灌水量相同，總灌水量為5 400 m3·hm-2，共灌水5次。生物炭為定位試驗(yàn)開始前一次施入，試驗(yàn)開始后不再施入。

1.3 樣品采集與分析方法

2015—2018年玉米采收后采集土壤樣品，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)按照五點(diǎn)法采集土壤樣品，混合均勻并剔除植物殘?bào)w及其他雜物，土壤放置實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)處陰干過篩，測(cè)定理化指標(biāo)。

土壤理化性質(zhì)測(cè)定參照鮑士旦[12]方法。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定； pH值采用pH計(jì)按土水比1∶2.5測(cè)定；全氮采用凱氏定氮法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用0.5NNaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用1NNH4OAc浸提—火焰光度法。

玉米收獲期，選取能代表該小區(qū)的15個(gè)穗棒作為代表樣，帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過前期處理和風(fēng)干過程，考種后計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007和DPS7.05版軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥秸稈炭施入對(duì)土壤容重的影響

土壤容重是反映土壤緊實(shí)狀況的主要物理指標(biāo)，通過2015—2018年的定位試驗(yàn)表明，與試驗(yàn)初始土壤容重1.48 g·cm-3相比，隨著定位試驗(yàn)的延續(xù)，土壤容重在年際間有波動(dòng)，整體呈下降的趨勢(shì)。施用小麥秸稈炭能夠顯著降低土壤容重(圖1)，與對(duì)照處理相比，2015年1%BC、3%BC、5%BC和10%BC處理土壤容重分別降低了5.13%、5.69%、6.76%、12.59%；2016年分別降低了10.40%、11.90%、12.33%、14.27%；2017年分別降低了2.90%、3.93%、4.73%、8.89%；2018年分別降低了4.58%、5.62%、6.23%、8.90%。土壤容重隨著生物炭用量的增加而降低，生物炭對(duì)土壤的改良效果在生物炭施用6 a(2016年)后達(dá)到最大，隨后逐年減弱。

注：CK—0 t·hm-2生物炭；1%BC—22.5 t·hm-2生物炭；3%BC—67.5 t·hm-2生物炭；5%BC—112.5 t·hm-2生物炭；10%BC—225.0 t·hm-2生物炭。不同小寫字母表示年際間差異達(dá)5%顯著水平，下同。Note: CK—0 t·hm-2 biochar；1%BC—22.5 t·hm-2 biochar；3%BC—67.5 t·hm-2 biochar；5%BC—112.5 t·hm-2 biochar；10%BC—225.0 t·hm-2 biochar. Different letters represented significant differences at P<0.05 within different years. The same below.圖1 不同小麥秸稈炭處理下土壤容重的變化Fig.1 Change of bulk density in soil under differenttreatments of wheat straw carbon

2.2 小麥秸稈炭施入對(duì)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量的影響

2015—2018年的定位試驗(yàn)表明，與試驗(yàn)初始土壤全氮含量(0.76 g·kg-1)相比，隨著定位試驗(yàn)的延續(xù)，各處理土壤全氮含量在年際間波動(dòng)變化，總體呈增加的趨勢(shì)。施用小麥秸稈炭能夠提高土壤全氮含量(圖2)，與對(duì)照處理相比，2015年1%BC、3%BC、5%BC和10%BC處理土壤全氮含量分別提高了5.86%、7.14%、8.07%、27.73%，2016年分別提高了11.77%、22.54%、24.19%、37.24%，2017年分別提高了5.32%、8.89%、11.97%、23.23%，2018年分別提高了14.42%、24.12%、36.24%、49.43%。土壤全氮含量隨著生物炭用量的增加而增加。

圖2 不同小麥秸稈炭處理下土壤全氮含量的變化Fig.2 Change of total N content in soil underdifferent treatments of wheat straw carbon

與試驗(yàn)初始土壤有機(jī)質(zhì)含量(13.49 g·kg-1)相比，隨著定位試驗(yàn)的延續(xù)，生物炭處理土壤有機(jī)質(zhì)含量在年際間呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。施用小麥秸稈炭能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量(圖3)，與對(duì)照處理相比，2015年1%BC、3%BC、5%BC和10%BC處理有機(jī)質(zhì)含量分別提高了43.56%、47.15%、49.14%、148.23%，2016年分別提高了48.67%、52.89%、57.96%、120.78%，2017年分別提高了32.05%、42.05%、59.26%、85.18%，2018年分別提高了22.02%、31.13%、54.84%、74.25%。土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著生物炭用量的增加而增加，生物炭在土壤中的增碳效應(yīng)在生物炭施用6 a(即2016年)后達(dá)到最大，隨后逐年減弱。

圖3 不同小麥秸稈炭處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化Fig.3 Change of organic matter content in soil underdifferent treatments of wheat straw carbon

2.3 小麥秸稈炭施入對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響

2015—2018年的定位試驗(yàn)表明，隨著定位試驗(yàn)的延續(xù)，生物炭處理土壤速效氮、速效磷含量在年際間變化不明顯(表1)。與CK處理相比，施用小麥秸稈炭處理對(duì)土壤堿解氮含量影響不明顯；速效磷含量產(chǎn)生了一定的負(fù)效應(yīng)，4 a的降低幅度分別為0.88%～18.54%、18.77%～35.89%、3.09%～20.52%、12.53%～29.72%。

表1 不同小麥秸稈炭處理下土壤速效養(yǎng)分含量

與試驗(yàn)初始土壤速效鉀含量(134 mg·kg-1)相比，隨著定位試驗(yàn)的延續(xù)，生物炭處理土壤速效鉀含量在年際間呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。施用小麥秸稈炭能夠提高土壤速效鉀的含量(表1)，與CK處理相比，4 a的增加幅度為8.91%～29.64%、6.93%～28.75%、4.58%～28.32%、1.27%～18.64%，生物炭在土壤中增鉀效應(yīng)在生物炭施用6 a(即2016年)后達(dá)到最大，隨后逐年減弱。

2.4 小麥秸稈炭施入對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由2015—2018年玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)可以看出(圖4)，與CK處理相比，添加小麥秸稈炭顯著提高了玉米產(chǎn)量，分別提高了9.7%～33.7%、9.4%～26.2%、11.2%～29.2%、10.1%～35.5%。與不施炭處理相比，2015年玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為3%BC>5%BC>10%BC>1%BC>CK，2016年表現(xiàn)為5%BC>3%BC>10%BC>1%BC>CK，2017年表現(xiàn)為3%BC>5%BC>10%BC>1%BC>CK，2018年表現(xiàn)為5%BC>3%BC>10%BC>1%BC>CK。

圖4 不同小麥秸稈炭處理下玉米產(chǎn)量的變化Fig.4 Change of corn yield under differenttreatments of wheat straw carbon

3 討 論

3.1 生物炭施入對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

生物炭表面多孔性特征顯著[13]，吸附能力較強(qiáng)，土壤中施用后可改善土壤結(jié)構(gòu)[14]。本研究結(jié)果顯示，灌耕風(fēng)沙土土壤容重隨著生物炭用量的增加呈下降的趨勢(shì)，這與張宏等[15]、房彬等[16]研究結(jié)果相一致。小麥秸稈炭2011年一次性施入后，與初始土壤容重1.48 g·cm-3相比，8 a后土壤容重降低至1.18～1.24 g·cm-3，土壤容重的降低會(huì)造成土壤孔隙度增加，改善了土壤通氣狀況和持水能力，有利于作物的生長(zhǎng)。

作物收獲帶走土壤生態(tài)系統(tǒng)中大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如果不及時(shí)補(bǔ)充會(huì)帶來一系列土壤退化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)退化、土壤有機(jī)質(zhì)含量減少、土壤保水保肥能力下降、土壤生產(chǎn)力下降等問題[17]。生物炭作為一種富碳物質(zhì)，土壤施用后會(huì)通過物理作用或生物作用來影響土壤肥力，進(jìn)而改變養(yǎng)分的有效性[18]。張進(jìn)紅等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在鹽漬化土壤中施用生物炭后，可以增加土壤中全氮和有機(jī)質(zhì)的含量。Lgchuk等[20]研究顯示，土壤中施用生物炭后可以增加土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的含量。本研究也得到了基本一致的研究結(jié)果，通過2015—2018年的定位試驗(yàn)，一次性施用生物炭后，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量會(huì)隨著生物炭用量的增加而增加。生物炭由于其富含官能團(tuán)、帶有正負(fù)電荷等特性[21]，可通過吸附、螯合等作用，降低養(yǎng)分淋失[22]，土壤中添加生物炭減少了氮素的淋溶，從而增加了土壤中全氮的含量[23]。本研究顯示，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著生物炭施用量增加而增加，一方面是因?yàn)樯锾孔鳛橐环N富碳物質(zhì)，施入土壤中能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量；另一方面，生物炭能促進(jìn)土壤形成有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體，通過提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性來減少有機(jī)質(zhì)的淋失[24]。

張宏等[15]研究結(jié)果顯示，生物炭能顯著增加土壤中堿解氮、速效磷及速效鉀的含量。張祥等[7]研究顯示，紅壤施用生物炭后，可以增加土壤中堿解氮、速效磷及速效鉀的含量。這與本研究結(jié)果有所不同，通過4 a的定位試驗(yàn)表明，生物炭一次性施入土壤后，可以增加土壤中速效鉀的含量，對(duì)土壤速效氮的含量影響不明顯；土壤速效磷的含量有一定降低，產(chǎn)生了一定的負(fù)效應(yīng)。可能與前人研究在土壤中施用的都是新鮮的生物炭，而本研究的生物炭是2011年一次性施用到土壤中的，研究年限是2015—2018年，與生物炭已經(jīng)老化有關(guān)。本研究中，生物炭能提高土壤中速效鉀的含量，可能是由于生物炭能改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的持水能力，而影響土壤鉀素釋放和固定的重要因素是土壤持水狀況[25]。

本研究中土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量年際間均表現(xiàn)為隨著定位試驗(yàn)的延續(xù)，生物炭在土壤中增肥效應(yīng)在生物炭施用6 a后達(dá)到最大，隨后逐年減弱。可能與生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)可以延長(zhǎng)肥料養(yǎng)分釋放，降低養(yǎng)分損失等有關(guān)[26]，間接說明生物炭對(duì)土壤碳、鉀元素有一定的固持作用[27]。生物炭一次性施入6 a后，生物炭會(huì)發(fā)生老化，一方面可能因?yàn)樘砑拥酵寥览锏纳锾糠植贾罅康目紫叮陂L(zhǎng)期灌溉或者降雨后，孔隙的內(nèi)、外部會(huì)形成較大的水勢(shì)梯度差，土壤水會(huì)通過毛細(xì)管作用攜帶細(xì)小的礦物和有機(jī)質(zhì)到孔隙內(nèi)部，從而造成生物炭孔隙的堵塞和比表面積的下降[28]；另一方面可能因?yàn)橥寥纏H值、礦質(zhì)組分以及機(jī)械擾動(dòng)等都會(huì)在不同程度上造成生物炭老化。綜上所述，6 a后需要重新施入生物炭來提高土壤肥力。

3.2 生物炭施入對(duì)作物產(chǎn)量的影響

生物炭施入土壤，對(duì)植物生長(zhǎng)是正效應(yīng)還是負(fù)效應(yīng)，許多研究表明，生物炭能促進(jìn)作物增產(chǎn)[20，29-30]。但張晗芝等[31]研究結(jié)果顯示，添加生物炭對(duì)玉米苗期植株生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，而隨著玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，這種抑制效果逐漸減弱。而本研究顯示，生物炭能顯著提高玉米的產(chǎn)量，從2015—2018年的玉米產(chǎn)量結(jié)果來看， 67.5 t·hm-2、112.5 t·hm-2是提高灌耕風(fēng)沙土土壤肥力和玉米產(chǎn)量的最佳施肥量，其中以67.5 t·hm-2處理較為經(jīng)濟(jì)，因此67.5 t·hm-2生物炭施用量是最適宜。

4 結(jié) 論

生物炭一次性施入后可明顯降低土壤的容重，與初始土壤容重1.48 g·cm-3相比，8 a后土壤容重降低至1.18～1.24 g·cm-3；可以明顯增加土壤中全氮、有機(jī)質(zhì)及速效鉀的含量，對(duì)土壤堿解氮的含量影響不明顯。與不施肥相比，8 a后全氮、有機(jī)質(zhì)及速效鉀含量分別增加了14.42%～49.43%、22.02%～74.25%、1.27%～18.64%。隨著定位試驗(yàn)的延續(xù)，一次性施用生物炭6 a后，土壤增碳、鉀效應(yīng)達(dá)到最大，隨后逐年減弱， 67.5 t·hm-2的生物炭施用量最適宜。施用生物炭可以明顯提高玉米產(chǎn)量，提高了9.4%～35.5%。因此，生物炭可以作為改善灌耕風(fēng)沙土土壤肥力和玉米產(chǎn)量的一種有效措施。