施用生物炭對玉米田土壤呼吸及水分利用效率的影響

于玲玲， 趙貴元， 崔婧婧， 郭 強

(1.河北省唐山市農作物種子站，河北唐山 063000； 2.河北省農林科學院棉花研究所，河北石家莊 050051；3. 唐山市農業科學研究院，河北唐山 063001)

生物炭因具有豐富的孔隙度、巨大的比表面積以及大量的表面負電荷，可以有效改善土壤的理化特性，是一種優良的土壤改良劑。近年來，前人關于生物炭輸入對土壤理化特性以及作物產量改良效果進行了大量研究。高惠敏等在河套灌區研究了不同改良劑對土壤指標及向日葵產量的影響，結果表明，生物炭處理可以降低土壤 pH 值、土壤總堿度，增加向日葵產量。侯新村等在唐山市曹妃甸區濱海鹽堿地研究發現，添加生物炭會使土壤容重降低3.9%以上，有機碳含量、毛管孔隙度、田間持水量分別提高68.3%、4.0%、7.4%，柳枝稷存活率提高了18.4%。施用生物炭主要通過增加有效穗數和提高結實率來提高水稻產量，同時，施用生物炭可以提高稻米的碾磨品質、糙米率、整精米率、精米率以及食味評分值。施用生物炭可以增加土壤中速效氮、有效磷、有效鉀和有機碳含量，提高脲酶、蔗糖酶和蛋白酶活性，但土壤pH值隨生物炭施用量的增加而升高。張娜等研究表明，施用生物炭可以提高夏玉米的干物質積累量，較低的生物炭施用量有利于玉米生育后期光合作用的維持以及產量的提高。

由以上可知，添加生物炭對作物產量以及土壤理化特性等方面的影響已見諸多報道，而添加生物炭對土壤呼吸速率、水分利用效率以及春玉米產量等方面的影響鮮有報道。為此，本研究針對冀東沿海地區土壤肥力差、水分利用效率低和作物產量不高等現狀，通過施用不同量的生物炭，研究其對土壤呼吸速率、養分含量、含水率、玉米產量以及土壤水分利用效率的影響，以期為該區域生物炭適量施入和玉米高產、水分高效利用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2019年5月至2020年9月在唐山市農業科學研究院玉米新品種示范基地進行。該基地位于唐山市海港開發區王灘鎮(118°97′E、39°28′N)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，海拔約30 m。該區域春季風多雨少，蒸發量大，易旱；夏季高溫高濕，雨水集中，多暴雨、冰雹、大風等災害性氣候；秋季氣溫變化較大，降溫較快。年降水量500～700 mm，年際間變化較大，無霜期180～190 d，年均氣溫12.5 ℃。2019年和2020年整個玉米生長季(5—9月)降水量分別為462.2、506.9 mm(圖1)。試驗區土壤屬沙土，0～40 cm土層土壤有機質含量為7.1 g/kg，堿解氮含量為36.4 mg/kg，有效磷含量為15.9 mg/kg，速效鉀含量為180.4 mg/kg，pH 值為8.5，屬低肥力水平土壤。

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組試驗設計，參照文獻[12-13]結合試驗地地力情況，生物炭施用量設T(2 000 kg/hm)、T(7 000 kg/hm)和T(12 000 kg/hm)3個水平，以不施生物炭為對照(CK)，每個處理3次重復，共12個小區，小區面積為30 m(5 m×6 m)。所有生物炭均在2019年播種前隨著翻地一次性全部施入。供試玉米品種為君輝521，播種密度為3 500株/667 m。供試肥料為尿素(N 質量分數為46%)、過磷酸鈣(PO質量分數為 12%)和氯化鉀(KO質量分數為60%)。磷、鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥總量的40%作為基肥，其余部分在大喇叭口期追施。2019年5月15日播種，9月10日收獲；2020年5月20日播種，9月15日收獲，各小區的田間管理方式基本相同。試驗用生物炭購自遼寧金和福農業科技股份有限公司，它以玉米秸稈為原料，經450 ℃厭氧熱解生產。基本含量：有機碳含量為651 mg/g，總氮含量為19.6 mg/g，有效磷含量為0.54 mg/g，速效鉀含量為22 mg/g，C/N為79.2，pH值為9.2。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 土壤呼吸速率 于玉米播種期(2019年5月15日、2020年5月20日)、苗期(2019年6月2日、2020年6月8日)、拔節期(2019年6月20日、2020年6月25日)、大喇叭口期(2019年7月7日、2020年7月11日)、灌漿期(2019年8月13日、2020年8月18日)和成熟期(2019年9月7日、2020年9月11日)，采用LI-8100(LI-COR，Lincon，NE，USA)開路式土壤碳通量測定系統測定不同處理下玉米田土壤呼吸速率。

1.3.2 土壤水分 測定土壤呼吸速率的同時，采用TDR中子儀(型號為6050XI，生產商為Soil Moisture Equipment Corp.，Santa Barbara，CA，USA)，原位測定0～100 cm土層的土壤含水量，每間隔20 cm土層進行測定，結合降水量、田間灌水量以及水分蒸散量，計算作物的耗水量(mm)。

1.3.3 土壤養分含量和pH值 2019年4月下旬玉米播種前以及2019年和2020年玉米收獲后，每個處理小區內隨機選取5點，測定0～40 cm土層的堿解氮、有效磷、速效鉀、有機碳含量以及pH值。土壤養分指標的測定參照《土壤農業化學分析方法》，其中，堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定；有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；pH值采用復合電極法測定。

1.3.4 水分利用效率計算方法 土壤貯水量(mm)=土壤含水量(%)×土層深度(mm)×土壤容重(g/cm)；作物耗水量(mm)=生育期內灌水量(mm)+生育期內降水量(mm)+作物利用的地下水量(mm)-地表徑流量(mm)-土壤滲漏量(mm)-種前和收獲后土壤貯水的變化量(mm)；水分利用效率[kg/(hm·mm)]=作物產量(kg/hm)/作物耗水量(mm)。

整個試驗期間不進行人工灌溉，因此玉米生育期灌水量為0；試驗區域地下水深約7 m，因此整個作物生育期地下水利用量為0；由于試驗地平坦，降雨較少，蒸發作用強烈，因此地表徑流量和土壤滲漏量為0。

1.3.5 產量測定 成熟期，調查每個處理小區的實有株數、空桿數和雙穗數。每個小區果穗全部收獲稱質量，依據平均單穗質量，稱取10個具有代表性的果穗進行室內考種，調查記載項目包括穗粒數和百粒質量，根據10穗質量，折算出小區籽粒產量(籽粒含水量折合成14%)。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2010進行數據整理；用SAS 9.0進行方差分析，運用法(<0.05)進行多重比較；用SigmaPlot 14.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 施用生物炭對土壤呼吸速率的影響

由圖2可知，在整個測定期間，土壤呼吸速率具有明顯的季節變化特征。播種期各處理土壤呼吸速率最小，隨著生育進程的推進，不同處理的土壤呼吸速率呈現出遞增趨勢，灌漿期各處理土壤呼吸速率達到最大值，隨后逐漸減小。土壤呼吸速率的年季間變化趨勢基本相同。整個測定期間，CK的土壤呼吸速率變化范圍為50.4～295.6 mg/(m·h)，T處理為162.9～432.5 mg/(m·h)，T處理為222.7～521.7 mg/(m·h)，T處理為221.4～574.6 mg/(m·h)。CK的土壤呼吸速率均低于同期其他處理，說明添加生物炭對土壤呼吸速率有明顯影響。由圖3可知，2年平均土壤呼吸速率表現為T[361.4 mg/(m·h)]>T[335.2 mg/(m·h)]>T[285.8 mg/(m·h)]>CK[127.9 mg/(m·h)]；2020年，T、T和T處理的土壤呼吸速率平均值均大于2019年，分別增加7.6%、8.3%、16.9%。可見，隨著生物炭添加量的增加，土壤呼吸速率逐漸增大；伴隨著時間的推移，不同生物炭添加量對土壤呼吸速率造成的影響不同。

2.2 施用生物炭對土壤水分的影響

由圖4可知，玉米生長前期(苗期—拔節期)，2019年各處理土壤含水率隨著土層深度的加深呈逐漸增加的趨勢，但各處理之間差異不明顯；2020年各處理土壤含水率隨著土層加深呈逐漸降低的趨勢，T、T、T處理0～100 cm土層平均含水率較CK分別提高了9.8%、9.3%、10.0%。玉米生育中期(小喇叭口期—吐絲期)，此階段為玉米需水旺期，且此階段降水量較少，因此各處理2年的土壤含水率均有所降低。2019年，T、T、T處理0～100 cm 土層平均含水率較CK分別提高了4.0%、20.2%、24.6%；2020年各處理0～100 cm土層平均含水量均高于2019年，分別提高了33.1%、35.3%、28.1%；2020年CK處理0～100 cm土層平均含水量最低，T處理最高。玉米生育后期(灌漿期—成熟期)，此階段玉米需水量減少，降雨較多，因此各處理0～100 cm土層含水率均有所上升。T和T處理0～100 cm土層平均含水率明顯高于CK和T處理。2019年各處理80～100 cm土層平均含水率明顯回升。2020年各處理0～40 cm土層含水率逐漸上升，40～100 cm土層含水率逐漸下降，T和T處理間差異不明顯?？梢姡琓和T處理較CK和T處理增加了0～100 cm土層的含水率，且T和T處理間差異不明顯。

2.3 施用生物炭對土壤養分的影響

由表1可知，施用生物炭可增加土壤(0～40 cm)有機碳和堿解氮含量。與試驗處理前相比，2年玉米收獲后，T、T、T處理有機碳含量均顯著增加，增幅達10.7%～45.9%。2019年T、T、T處理下土壤有機碳含量較CK顯著增加(<0.05)，增幅分別為11.2%、19.5%、20.0%，T和T處理間差異不顯著，T、T與T、CK之間差異顯著(<0.05)。2020年各處理間有機碳含量差異均達到顯著水平(<0.05)，且2020年T、T、T處理下有機碳含量均高于2019年。添加生物炭可以調節土壤中堿解氮含量，與試驗處理前相比，玉米成熟期，T、T、T處理下堿解氮含量均顯著增加，增幅達19.7%～38.7%，且顯著高于CK，但T與T處理間差異不顯著。

表1 不同生物炭施用量對0～40 cm土層土壤肥力的影響

由表1可知，施用生物炭可增加土壤(0～40 cm)有效磷和速效鉀含量。2年玉米成熟期，T、T、T處理土壤有效磷和速效鉀含量均顯著高于處理前(<0.05)。玉米成熟期有效磷含量2019年以T處理最高，2020年以T處理最高。T、T、T處理2年平均有效磷含量分別較CK增加39.7%、50.7%、47.8%。2019年T、T和T處理速效鉀含量顯著高于CK(<0.05)，以T處理增幅最大，為55.3%，其次為T、T處理；2020年以T處理增幅最大，為64.2%，其次為T和T處理，增幅分別為56.6%、44.9%；T、T和T處理2年平均速效鉀含量較CK分別增加了43.0%、55.5%、59.8%。

由表1可知，使用生物炭可增加土壤(0～40 cm)pH值。玉米成熟期，T和T處理土壤pH值均顯著高于處理前(<0.05)，T和T處理間差異未達到顯著水平。T、T和T處理2年平均pH值較CK分別增加了0.59%、1.05%和1.25%。由以上可知，施用生物炭可以顯著增加耕層(0～40 cm)土壤養分，提高土壤肥力，同時，施用生物炭可以提高土壤pH值。

2.4 施用生物炭對玉米產量以及水分利用效率的影響

不同生物炭施用量對玉米產量、耗水量和水分利用效率的影響不同。由表2可知，施用生物炭可以增加玉米產量。2019年T、T、T處理籽粒產量分別較CK增加9.2%、13.8%、9.8%。2020年T、T、T處理籽粒產量分別較CK增加11.3%、17.4%、13.3%。綜合2年試驗結果，T處理2年平均產量最高，較CK增加了15.6%。穗粒數和百粒質量是影響玉米籽粒產量的主要因子，2年試驗結果表明，T和T處理下玉米穗粒數顯著高于CK和T處理(<0.05)；不同處理間百粒質量差異顯著(<0.05)，2年平均百粒質量表現為T>T>CK>T，T處理2年平均百粒質量較CK增加了11.0%。2020年降水量(506.9 mm)略高于2019年(462.2 mm)，2020年玉米耗水量明顯高于2019年，而且2020年玉米產量高于2019年，因此2020年玉米水分利用效率高于2019年。2019年施用生物炭，玉米耗水量較對照顯著增加(<0.05)，其中T、T和T處理玉米耗水量分別較CK增加3.9%、5.0%、4.7%；2020年各處理間玉米耗水量差異顯著，其中T、T和T處理玉米耗水量分別較CK增加3.4%、5.1%、4.3%；T、T和T處理2年平均耗水量分別較CK分別增加3.7%、5.1%、4.5%。不同處理間水分利用效率差異顯著(<0.05)，2年玉米水分利用效率均以T處理最高，分別較CK增加23.1%(2019年)和25.2%(2020年)。

表2 不同生物炭施用量對玉米產量以及水分利用效率的影響

3 結論

(1)生物炭的施入可以提高玉米田土壤呼吸速率，以施用量12 000 kg/hm最為明顯；同時，施用生物炭可以提高耕層土壤的含水率以及玉米水分利用效率。

(2)生物炭的施入可以提高土壤堿解氮、速效鉀、有機碳含量，增加土壤的pH值，以施用量 12 000 kg/hm最為顯著。

(3)生物炭的施入可以增加玉米產量，以施用量7 000 kg/hm最為顯著，過高的生物炭施用量不利于玉米產量形成，因此生產上要根據作物種類、土壤類型、耕作方式等選擇適宜的生物炭施用量。