生物炭與秸稈還田對潮土區夏玉米產量及土壤水分的影響

鄭云珠，孫樹臣，翟勝

（聊城大學地理與環境學院，山東 聊城 252059）

我國農作物秸稈年產量7億～10億t，秸稈資源十分豐富，但還田率不足二分之一，秸稈丟棄、焚燒等不合理利用仍是農村生態文明建設及農業可持續發展面臨的重要問題［1，2］。秸稈含有豐富的礦質營養元素［3］，在改善土壤環境、提高土壤肥力及作物增產等方面具有重要作用［4，5］。

近幾十年來，農作物秸稈還田（秸稈粉碎還田、秸稈炭化還田、覆蓋還田、過腹還田等）在農業領域得到廣泛關注［6-9］，特別是秸稈炭化（生物炭）還田已成為當前研究的熱點［10-12］。秸稈直接還田作為主要的還田方式，可有效改善土壤養分含量，并有效調節土壤水、肥、氣、熱狀況，促進作物增產［13，14］。但秸稈直接還田會造成出苗率降低、病蟲害發生幾率增加等風險，影響作物產量，同時還會導致溫室氣體排放量增加等負效應［15，16］。生物炭還田為秸稈資源化高效利用提供了一種新的方法和途徑。

生物炭起源于對亞馬遜流域黑土的認識，之后利用各種有機物料制備生物炭并將其作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑等應用于農業備受關注［10-12］。生物炭具有巨大的比表面積、豐富的孔隙度和礦質營養元素等特征，施入農田后可有效改善土壤孔隙狀況、提高土壤保水保肥能力，從而有利于促進作物生長發育并實現增產［17-20］。研究表明，施用生物炭能促進夏玉米生長發育及增產，有效提高土壤含水量及水資源利用效率［21-23］。作物產量和水分利用效率隨施炭量的增加呈先增加后減少的變化趨勢，而秸稈還田對水分利用效率的影響并不顯著，適宜的施炭量比秸稈還田更能促進作物產量的提高［16，21，24］。然而也有研究指出，施用生物炭對作物產量及水分利用效率無明顯影響，過量施用生物炭還會導致作物產量、水分利用效率降低［25-27］。因此，受生物炭原料、施用量及土壤條件等因素的影響，有關提高玉米產量及水分利用效率的適宜生物炭施用量的結論不一，且當前的研究大多基于單一生物炭或秸稈還田對玉米產量的影響，而將二者進行對比分析的研究報道較少。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省聊城市，試驗在聊城大學土壤生態環境教學科研基地（36°43′N，116°01′E）進行。該區屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫約為13.5℃，無霜期約為208 d，年均降水量為540.4 mm，年際和年內降水分配不均，全年降水量主要集中于夏季。試驗期內（2020年6—9月）日均氣溫與降水量如圖1所示，觀測期內平均氣溫和總降水量分別為25.0℃和682.1 mm，降水量高于多年平均值。

圖1 試驗期內日均氣溫和降水量

1.2 供試材料

試驗地為石灰性潮土，其基本理化性質為：容重1.48 g/cm3、田間持水量26.79%，pH值8.81、電導率215.07μS/cm、有機質含量10.87 g/kg、全氮0.72 g/kg、有效磷18.50 mg/kg和速效鉀100.44 mg/kg。生物炭為玉米秸稈生物炭，裂解溫度為450℃，其基本理化性質為：pH值7.44、電導率2 470μS/cm、全氮含量15.45 g/kg、有效磷1 151.85 mg/kg和速效鉀5 300.21 mg/kg。供試玉米品種為鄭單958。

1.3 試驗設計

田間小區試驗中，定位試驗為第一年第二季夏玉米季，設置不同生物炭還田量和秸稈還田量。其中，生物炭施用量按照小區內實際平均秸稈生產量（玉米秸稈干物質量）全部轉化為生物炭（平均轉化率約為30%）進行倍數施用，還田量分別為50%（B0.5，1.14 t/hm2）、1.0倍（B1.0，2.28 t/hm2）、1.5倍（B1.5，3.42 t/hm2）和2.0倍（B2.0，4.56 t/hm2）；秸稈直接還田量按照小區內實際平均秸稈生產量（玉米秸稈干物質量）進行倍數施用，還田量為50%（S0.5，3.80 t/hm2）、1.0倍（S1.0，7.60 t/hm2）、1.5倍（S1.5，11.40 t/hm2）和2.0倍（S2.0，15.20 t/hm2）；以無生物炭和秸稈還田處理為對照（CK），共計9個處理。隨機區組排列，重復3次。小區面積為8 m2。

生物炭和秸稈采用冬小麥季還田—夏玉米季不還田的單季還田模式，生物炭過2 mm篩，秸稈粉碎至5 cm，于冬小麥播種前均勻撒施在土壤表面并翻入耕層土壤中充分混勻。各小區施肥量一致，分別為氮肥（尿素，N 46%）225 kg/hm2、磷肥（磷酸二銨，P2O542%、N 18%）150 kg/hm2、鉀肥（氯化鉀，K2O 51%）150 kg/hm2，50%的氮肥和全部鉀肥、磷肥在夏玉米播種前一次性施入作為底肥，50%氮肥在拔節期追施。試驗期為2020年6月14日夏玉米種植至9月23日收獲。株距為25 cm，行距為50 cm，種植密度8萬株/hm2。試驗未使用農藥，其它管理措施同當地農田。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 植株性狀及產量 于拔節期、小喇叭口期、開花期和灌漿期，每個小區選取3株長勢均勻的玉米植株，測其各生育期的株高、莖粗，灌漿期另測穗位高。于成熟期取各小區中間兩行測量植株鮮重、穗鮮重和穗粒數，并隨機選取10株將莖、葉、穗軸和籽粒分開，于105℃殺青30 min后75℃烘干至恒重，計算地上干物質量、千粒重和籽粒產量。

1.4.2 土壤含水量 于玉米拔節期、小喇叭口期、開花期、灌漿期和成熟期，使用土鉆取0～100 cm土樣，每10 cm分為一層，于105℃烘干至恒重，計算土壤含水量。

1.4.3 水分利用效率 計算公式為：

式中，WUE為水分利用效率［kg/（hm2·mm）］，Y為籽粒產量（kg/hm2），ET為夏玉米生育期內的總耗水量（mm）。

3.創辦“優秀作文”專刊。如我校初一年段就創辦了“優秀作文”專刊《春草園》，它主要的作用是將每月的寫作主題中比較優秀的作文（指導教師給予適當的點評）進行選編，以供同年級的學生學習和交流。讓同年級的學生看同年級的作文，別有一番滋味。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據處理，SPSS26.0軟件進行差異顯著性分析（LSD，P＜0.05）和相關分析（Spearman），Origin 2017軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭和秸稈還田對夏玉米生長發育的影響

2.1.1 對株高的影響 各處理下玉米株高隨生育期的推進呈先增加后趨于穩定的變化趨勢（圖2）。生物炭和秸稈還田處理有利于增加玉米拔節期株高，且生物炭還田優于秸稈還田，但僅B2.0處理與對照差異顯著。小喇叭口期，各處理對株高的促進作用與對照相比無顯著差異，B1.0和S0.5處理對植株增高有所抑制。各處理下開花期玉米株高達到最大值，B0.5、S2.0處理分別顯著高于對照4.45%、4.66%。灌漿期，整體上生物炭處理株高隨還田量的增加逐漸降低，而秸稈還田處理隨還田量的增加而增加，B0.5、S1.5和S2.0處理顯著提升夏玉米株高。生育期內，B0.5、S1.0、S1.5和S2.0處理始終能夠促進玉米植株生長，提升株高。

圖2 生物炭和秸稈還田對夏玉米株高的影響

2.1.2 對莖粗的影響 由圖3可以看出，玉米莖粗隨生育期的推進不斷提高并呈單峰曲線變化，小喇叭口期達到最大值后有所下降。與對照相比，拔節期生物炭處理對莖粗的影響除B1.5表現為抑制外，其余處理均表現為促進；其它生育期內，僅B2.0在小喇叭口期、B0.5在開花期和灌漿期表現為促進，其余生物炭處理則表現為抑制。與生物炭不同，秸稈還田對莖粗生長的影響在拔節期S0.5、S1.0處理表現為抑制，S1.5、S2.0處理表現為促進，但隨著生育期的推進秸稈還田處理對莖粗生長均表現為促進，S1.5處理促進效果最佳，S2.0處理次之。

圖3 生物炭和秸稈還田對夏玉米莖粗的影響

2.2 生物炭和秸稈還田對夏玉米地上干物質量及產量的影響

不同生物炭和秸稈還田量對玉米地上干物質量和產量的影響有一定差異（表1）。生物炭處理中B0.5更有利于促進地上干物質量、穗位高、穗粒數、千粒重和籽粒產量的增加。籽粒產量隨生物炭還田量的增加呈先降低后有所增加的變化趨勢，B0.5處理顯著增產，為10.86%，B1.5和B2.0減產但與對照無顯著差異。

表1 生物炭和秸稈還田對夏玉米地上干物質量及產量的影響

與對照相比，秸稈還田處理地上干物質量、穗位高、穗粒數、千粒重和籽粒產量分別增加4.80%～13.15%、0.28%～8.77%、2.00%～4.57%、3.02%～5.54%、5.44%～12.22%，并均表現為隨還田量的增加呈逐漸增加的趨勢。其中S1.5、S2.0處理地上干物質量較對照分別提高10.96%和13.15%，籽粒產量分別提高10.89%和12.22%。秸稈還田各處理雖可以更好地提高玉米地上干物質量及籽粒產量，但收獲指數均低于生物炭還田。

對玉米籽粒產量與生育指標進行相關性分析，結果（表2）表明，籽粒產量與株高、莖粗、地上干物質量、穗位高和穗粒數均呈顯著或極顯著相關，與地上干物質量的相關性最強，而與千粒重的相關性未達到顯著水平。

表2 夏玉米籽粒產量與生育指標的相關分析

2.3 生物炭和秸稈還田對土壤含水量的影響

由圖4看出，夏玉米不同生育期0～100 cm土層土壤含水量垂直分布特征差異較大。總體上，B1.5處理土壤含水量最高，分別在拔節期0～40 cm、小喇叭口期0～70 cm、開花期0～30 cm和灌漿期0～60 cm土層的土壤含水量保持較高水平。從拔節期到成熟期，各處理平均土壤含水量表現為B1.5＞CK＞B1.0＞B2.0＞S2.0＞B0.5＞S0.5＞S1.0＞S1.5；隨生物炭還田量的增加呈先增加后降低的趨勢（B1.5最大），隨秸稈還田量的增加呈先降低后增加的趨勢（S1.5最小），整體上生物炭還田對土壤水分的保持效果優于秸稈還田。

圖4 生物炭和秸稈還田對土壤含水量的影響

2.4 生物炭和秸稈還田對夏玉米水分利用效率的影響

由圖5可知，玉米水分利用效率隨生物炭還田量的增加逐漸降低，B0.5、B1.0處理有利于促進水分利用效率的提高，B0.5處理高于對照12.14%，而B1.5、B2.0則不同程度地降低水分利用效率。與對照相比，秸稈還田各處理均有利于促進水分利用效率的提高，表現為隨秸稈還田量的增加呈先增加后降低的變化趨勢，其中S1.5處理水分利用效率最高，但仍低于B0.5處理。

圖5 生物炭和秸稈還田對夏玉米水分利用效率的影響

3 討論

農作物秸稈自身養分含量豐富，其炭化之后還田和直接還田均可以有效改善土壤肥力［7，28］，從而有利于夏玉米根系從土壤中吸收豐富的養分為其生長發育和產量的形成提供支持。本研究結果表明，不同生物炭和秸稈還田量對夏玉米生長發育表現出一定的差異，整體上秸稈還田S2.0處理對株高、穗位高以及S1.5處理對莖粗的促進作用最優。

籽粒產量受植株性狀的影響，株高、莖粗和穗位高是影響籽粒產量的重要指標。有研究發現玉米株高、莖粗和穗位高均與單株鮮穗產量呈極顯著相關性［29］，本研究相關分析也表明灌漿期株高、莖粗和穗位高與籽粒產量之間均表現為顯著或極顯著相關（相關系數分別為0.591、0.729和0.448）。

夏玉米地上干物質量與株高、莖粗密切相關，B0.5、B1.0處理和秸稈還田各處理均能夠促進地上干物質量的增加，而B1.5和B2.0處理則降低地上干物質量。相關分析表明，地上干物質量與籽粒產量之間的相關系數達0.834，因而B1.5和B2.0處理籽粒產量相應出現減產，但與對照無顯著差異。

也有研究發現，玉米產量隨施炭量和秸稈還田量的增加而增加［30，31］，僅與本研究秸稈還田試驗結果一致，即籽粒產量隨其還田量的增加而增加。這可能由于本試驗采用的是冬小麥季還田夏玉米季不還田的單季還田模式：冬小麥季氣溫較低影響秸稈的腐解，而雨熱同期的夏玉米季則可以促進秸稈腐解［32］；秸稈還田量的增加可以為作物生長提供更多的養分支持，從而實現麥季還田夏玉米增產的效果。本研究中，生物炭還田并未表現出隨還田量的增加而逐漸增加的趨勢，B0.5和B1.0處理可以較好地實現玉米增產，過量生物炭（B1.5和B2.0）還田對其生長發育和產量的促進效果減弱甚至產生抑制作用。其原因可能是，施高含碳量的生物炭導致土壤C/N比值提高，使微生物對氮元素產生固定作用，降低氮肥利用效率［33］，影響夏玉米生長發育和干物質積累，進而影響籽粒產量；另外研究期內較多的降水可能降低了生物炭改善土壤肥力的有效性。闞正榮等［34］研究也指出，生物炭施用量對玉米產量的促進作用具有一定范圍，中低量施用可以實現夏玉米增產，而過高施用則降低其花后干物質量和產量。

生物炭還田和秸稈還田能夠改善土壤原有物理結構、降低土壤容重、增加土壤孔隙度，同時適宜的還田量還可以促進土壤團聚體的形成，進而引起土壤水分的變化［19，20，35］。在夏玉米生育期內生物炭還田對土壤水分保持的效果優于秸稈還田，可能是由于生物炭豐富的孔隙結構、較大的比表面積和較強的吸附力等特殊性質使其具有較好的持水保水能力［36］。有研究指出塿土土壤含水量隨生物炭施用量的增加呈先降低后升高的趨勢［37］；而孟繁昊等［38］研究表明，土壤持水性隨施炭量的增加呈先增后減的變化規律。本研究中，夏玉米生育期內平均土壤含水量具有隨生物炭還田量的增加呈先增加后減少的變化趨勢，B1.5處理土壤含水量達到最大值后有所下降，其原因可能是生物炭本身持水保水能力具有有限性。

生物炭處理籽粒產量隨還田量的增加呈先減少后增加的變化，B1.5處理達到最小值后有所提高，與平均土壤含水量表現出完全相反的變化趨勢。這可能是由于生物炭還田對土壤水具有較強的吸持力，生物炭還田量的增加則影響玉米根系對土壤水分的吸收利用，從而影響籽粒產量和水分利用效率。劉超等［39］研究指出，過量施用生物炭會降低夏玉米產量和水分利用效率。本研究中，B1.5和B2.0處理降低夏玉米籽粒產量和水分利用效率。而夏玉米生育期內平均土壤含水量隨秸稈還田量的增加呈先降低后增加的趨勢，S1.5達到最小值后有所上升，但各處理均低于對照。這可能是由于秸稈還田處理夏玉米生長表現出明顯優勢，需要吸收更多的土壤水分供其生長發育和增產，提高其水分利用效率。水分利用效率表現為，隨秸稈還田量的增加呈先增加后降低的變化趨勢，S1.5處理達到最大值后有所降低。本研究與刁生鵬等［40］的研究結果一致，即水分利用效率隨秸稈還田量的增加先增加后減小，適宜的還田量可以更好地提高水分利用效率，同時指出秸稈還田增加土壤中礦質營養濃度，作物得到所需營養元素后促進植株氣孔開放，增強其有效蒸騰，從而改善對土壤水分的有效利用。

4 結論

4.1 不同生物炭和秸稈還田量對夏玉米各生育期株高、莖粗的影響各有差異，B0.5、S1.0、S1.5和S2.0處理均可促進各生育期的平均株高和莖粗提高。S1.5、S2.0處理地上干物質量顯著高于對照，分別增10.96%、13.15%。

4.2 夏玉米籽粒產量與株高、莖粗、地上干物質量、穗位高和穗粒數呈顯著或極顯著相關性，而與千粒重相關不顯著。與對照相比，B0.5、S1.0、S1.5和S2.0處理顯著增產，分別增10.86%、8.72%、10.89%和12.22%。

4.3 夏玉米生育期內生物炭還田整體上比秸稈還田能夠更好地保持土壤水分，其中B1.5處理持水效果最佳。玉米水分利用效率隨生物炭還田量的增加逐漸降低，隨秸稈還田量的增加呈先增加后降低的變化趨勢（S1.5處理最大），B0.5處理對提高水分利用效率效果最好，高于對照12.14%。