生物炭施用對冬小麥農田土壤養分及作物產量的影響

姚 奇，俞若涵，張洪宇，秦 凱，張 培，彭正萍，王 洋，王殿武*

（1.河北農業大學資源與環境科學學院，河北 保定 071000；2.河北農業大學國土資源學院，河北 保定 071000；3.海興縣農業農村局，河北 滄州 061200；4.南皮縣農業農村局，河北 滄州 061500；5.河北省耕地質量監測保護中心，河北 石家莊 050000）

華北平原擁有我國18.1%的耕地面積，是重要的冬小麥生產基地，然而其水肥投入已遠遠超過當前作物產量的水肥需求量[1-2]，不合理的農業管理措施造成土壤板結、有機質含量降低、土壤肥力下降等問題[3]，嚴重破壞華北平原的農業可持續發展。生物炭的高孔隙度和多微孔結構特征有助于改善土壤結構，提高土壤保肥蓄水能力[4-5]，這對修復華北平原的土壤問題具有積極作用。生物炭也稱為生物質炭、生物碳或生物黑炭，是將廢棄的生物質資源在無氧或少氧條件下高溫熱解炭化后形成的固體產物[6]。探究生物炭施用對華北農田土壤養分及冬小麥生長情況的影響對于維持該地區土壤肥力、提高作物產量具有重要意義。

生物炭直接或間接參與農田生態系統土壤養分循環，并通過自身理化特性或與土壤相互作用對土壤養分產生重要影響，進而影響作物產量[7]。但由于土壤類型、作物種類等差異，以及制備生物炭時的溫度和原料不同，生物炭作為土壤改良劑提高小麥產量的合理施用量尚存爭議[8-10]。在土壤中添加生物炭可起到一定的保水效果，其高比表面積具有的吸附性能可減少土壤水分的滲漏流失，從而減少土壤養分的淋溶損失；同時，生物炭表面高濃度的負電荷對帶電荷有機質的吸附使土壤具有更強的養分持留能力，抑制土壤養分淋溶[11]。然而，在不同氣候、土壤條件和人為管理方式下，生物炭施用水平對土壤養分的提升效應尚未得到一致的結論。王耀等[12]研究發現在東北黑土地菜田施用30 t/hm2生物炭可顯著提高土壤銨態氮含量，而郭碧林等[13]發現在湖南紅壤性水稻土生物炭施用量為10～40 t/hm2時，土壤銨態氮含量在生物炭施用量達到30 t/hm2時開始顯著下降。不同土壤條件與生物炭施入量對冬小麥生長也會造成不同影響，Zhao等[14]和劉園[15]研究發現，在生物炭施用量為4.5～9和2.25～11.25 t/hm2時，土壤養分、植物養分和地上部生物量均隨著生物炭的施入明顯增加。然而闞正榮等[16]研究發現，7.2 t/hm2的生物炭施用水平即已超過對冬小麥產量產生積極影響的用量。前人雖對生物炭影響冬小麥生長開展了相關研究，但華北平原冬小麥生產的合理生物炭施用量有待進一步明確。

本研究針對華北平原北部潮土區冬小麥農田，從土壤有機質、全量和速效氮、磷、鉀養分含量，以及冬小麥產量等變化情況揭示一次性施入低、中、高3種不同用量的生物炭對冬小麥生產的影響，以期為生物炭在華北農田冬小麥生產的應用以及確定最優施用量方面提供技術參考，為實現作物高產高效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于河北省寧晉縣（114°53′E，37°37′N）。該區屬于暖溫帶大陸性氣候，四季分明，年平均溫度12.8℃，年平均降水量501 mm，年平均總日照時數2538.1 h，無霜期約200 d。

1.2 供試材料

供試土壤類型為中壤質潮褐土，耕層（0～20 cm）土壤基礎理化性質：pH值為8.0、容重為1.5 g/cm3，其他化學性質見結果與分析。供試生物炭所用原料為果木廢棄枝條，在600℃高溫缺氧條件下熱解制備。該生物炭全氮含量為0.5 g/kg，全磷含量為0.9 g/kg，全鉀含量為10.4 g/kg，有效磷含量為89.3 mg/kg，速效鉀含量為251.0 mg/kg。供試小麥品種為藁優2018。供試肥料為復合肥（N-P2O5-K2O：6.4-9-7）、尿素（N 46%）。種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟，冬小麥田間試驗開展于2018年10月13日到2019年6月6日。

1.3 試驗設計

田間試驗共設置4個處理，在化肥施用量相同的基礎上，一次性施入0（B0F）、5（B5F）、10（B10F）和20（B20F）t/hm2生物炭，每個處理設置4次重復，采用隨機區組排列，每小區面積34.2 m2（9.5 m×3.6 m）。生物炭于2017年6月夏玉米播前撒施于土壤表層并通過翻耕使生物炭與耕層（0～20 cm）土壤混勻，采集施用生物炭前的土壤樣品作為基礎土。2018年冬小麥播種于10月13日，上茬玉米秸稈全部粉碎還田，旋耕至25 cm，冬小麥播種量為262.5 kg/hm2，施肥兩次，第1次撒施復合肥N-P2O5-K2O為96-135-105 kg/hm2，第2次為拔節期追肥，撒施尿素144 kg/hm2，于2019年6月6日收獲。種子的播種方式為機施，其他田間管理與當地常規管理方法一致且各處理均保持相同耕作管理措施。

土壤樣品采用五點取樣法，分別于2018年小麥季拔節期、開花期、成熟期采集，分為0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm 5個土層。植物樣品于成熟期采集，每個小區隨機選取6行（避開邊行）2 m長度的小麥穗，用于測定小麥產量。

1.4 測定指標及方法

土壤樣品硝態氮、銨態氮含量用連續流動分析儀測定。生物炭和土壤樣品有機質含量采用K2Cr2O7外加熱法測定；全氮含量采用凱氏法測定；全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度法測定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

小麥產量通過考種分析測定公頃穗數、穗粒數、千粒重。

1.5 計算公式與數據統計

1.5.1 計算公式

土壤養分累積量計算公式為：

式中：A為土壤養分累積量（kg/hm2）；h為土層厚度（cm）；ρ為土壤容重（g/cm3）；C為養分濃度（mg/kg）。

1.5.2 數據統計

采用Excel 2010對試驗數據進行處理和作圖，采用SPSS 22.0進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 生物炭施用對耕層土壤全量養分的影響

冬小麥成熟期耕層土壤有機質和全鉀含量隨生物炭施用量增加而增加，土壤全氮含量隨生物炭施用量增加呈上升趨勢，而全磷含量受不同生物炭施用水平影響不大（圖1）。不同生物炭施用水平下，土壤有機質含量介于16.22～22.23 g/kg之間，與B0F相比，B10F、B20F分別顯著（P＜0.05）提高20.59%、37.05%。中、高量生物炭施用顯著提升土壤全鉀含量，與B0F相比，B10F、B20F分別顯著（P＜0.05）提高7.78%、11.86%。土壤全氮含量介于1.09～1.41 g/kg之間，隨生物炭施用量增加呈上升的趨勢。未施用和施用低、中、高量生物炭對冬小麥成熟期耕層土壤全磷含量無顯著影響，其范圍介于0.96～1.03 g/kg之間。

圖1 冬小麥成熟期耕層土壤（0～20 cm）有機質及全量養分含量

2.2 生物炭施用對土壤有效養分垂直分布的影響

2.2.1 生物炭施用對土壤硝態氮、銨態氮垂直分布的影響

華北平原北部潮土區土壤硝態氮含量在冬小麥拔節期、開花期和成熟期主要呈現B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趨勢（圖2）。在拔節期，0～20 cm土層土壤硝態氮含量介于11.69～17.06 mg/kg之間，B5F處理為最大值，較B0F處理顯著提高29.93%。在40～60 cm土層出現累積峰，B5F處理為最大值（7.98 mg/kg），B0F、B10F、B20F處理土壤硝態氮含量分別為5.61、7.59、6.00 mg/kg。在開花期，0～20 cm土層土壤硝態氮含量介于21.57～30.01 mg/kg之間，B5F處理較B0F、B10F、B20F處理分別顯著提高39.13%、12.44%、24.99%。在40～60 cm土層出現累積峰，B5F處理顯著高于B0F處理39.88%。在成熟期，0～20 cm土層土壤硝態氮含量介于10.23～14.80 mg/kg之 間，B5F處理較B0F處理顯著提高22.31%。B5F處理于40～60 cm土層出現累積峰，其他處理未出現累積峰。

圖2 冬小麥不同生育時期0～100 cm土層硝態氮含量

華北平原北部潮土區土壤銨態氮含量在冬小麥拔節期、開花期和成熟期主要呈現B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趨勢（圖3）。在拔節期，0～20 cm土層土壤銨態氮含量介于1.82～2.68 mg/kg之間，與B0F比，B5F、B10F處理分別顯著提高47.25%、36.81%。在0～100 cm土體內，各處理并未出現累積峰。在開花期，0～20 cm土層土壤銨態氮含量介于6.31～8.48 mg/kg之間，在40～60 cm土層出現累積峰，土壤銨態氮含量介于2.74～3.87 mg/kg之間，B5F處理均顯著高于B0F處理。在成熟期，0～20 cm土層土壤銨態氮含量介于2.16～3.13 mg/kg之間，與B0F處理比，B5F、B10F、B20F處理分別顯著提高44.91%、43.98%、30.56%。在0～100 cm土體內，各處理并未出現累積峰。

圖3 冬小麥不同生育時期0～100 cm土層銨態氮含量

2.2.2 生物炭施用對土壤有效磷垂直分布的影響

華北平原北部潮土區耕層土壤有效磷含量在冬小麥拔節期、開花期和成熟期大致相同，整體呈現B5F＞B20F＞B10F＞B0F的趨勢（圖4）。在拔節期，0～20 cm土層土壤有效磷含量介于28.70～33.78 mg/kg之間，于B5F處理達到最大值。B20F處理于40～60 cm土層出現累積峰，而B0F、B5F、B10F處理于60～80 cm土層出現累積峰，在60～80 cm土層，B5F處理土壤有效磷含量分別顯著高于B0F、B10F、B20F處理54.06%、34.02%、18.32%。在開花期，0～20 cm土層土壤有效磷含量介于27.84～31.26 mg/kg之間，于B5F處理達到最大值。在60～80 cm土層出現累積峰，施炭處理（B5F、B10F、B20F）土壤有效磷含量均顯著高于未施炭處理（B0F），土壤有效磷含量分別提高60.71%、41.68%、70.37%。在成熟期，0～20 cm土層土壤有效磷含量最高，B5F處理于60～80 cm土層出現累積峰，B20F處理于40～60 cm土層出現累積峰，其他處理隨著土層深度的加深，土壤有效磷含量逐漸下降。

圖4 冬小麥不同生育時期0～100 cm土層有效磷含量

2.2.3 生物炭施用對土壤速效鉀垂直分布的影響

華北平原北部潮土區土壤速效鉀含量在冬小麥拔節期、開花期和成熟期主要呈現B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趨勢（圖5）。在拔節期，0～20 cm土層土壤速效鉀含量介于292.64～341.60 mg/kg之間，施炭處理（B5F、B10F、B20F）土壤速效鉀含量均顯著高于未施炭處理（B0F），分別提高16.73%、14.77%、11.61%，20 cm以下土壤速效鉀含量緩慢下降，于80～100 cm土層大幅下降。在開花期，0～20 cm土層土壤速效鉀含量介于235.16～270.72 mg/kg之間，于B5F處理達到最大值，與拔節期相同，20 cm以下土壤速效鉀含量緩慢下降，于80～100 cm土層大幅下降。在成熟期，0～20 cm土層土壤速效鉀含量最高，隨著土層深度的加深，土壤速效鉀含量逐漸下降，于40～60 cm土層出現累積峰，該土層B20F處理土壤速效鉀含量顯著高于B0F、B5F、B10F處理，分別提高22.20%、80.41%、23.05%。

圖5 冬小麥不同生育時期0～100 cm土層速效鉀含量

2.2.4 生物炭施用對0～100 cm土壤有效養分累積量的影響

由表1可知，華北平原北部潮土區冬小麥成熟期0～100 cm土壤有效態養分含量的整體趨勢表現為施生物炭處理高于未施碳處理。在0～100 cm土體內，土壤硝態氮累積量于B5F處理達到最大值，為114.6 kg/hm2，其次是B10F處理，為108.1 kg/hm2，顯著高于B0F和B20F處理（P＜0.05）。土壤銨態氮累積量于B10F處理達到最大值，為21.7 kg/hm2，B5F處理幾乎與之相同，達到21.6 kg/hm2，B20F處理為19.9 kg/hm2，顯著高于B0F處理（P＜0.05）。土壤有效磷累積量于B5F處理達到最大值，為197.3 kg/hm2，其次是B20F處理，顯著高于B0F和B10F處理（P＜0.05）。土壤速效鉀累積量于B20F處理達到最大值，為2052.9 kg/hm2，顯著高于B0F、B5F、B10F處理23.08%、29.33%、6.54%（P＜0.05），說明對保持土壤速效鉀而言，施用20 t/hm2生物炭最合適。

表1 冬小麥成熟期0～100 cm土壤有效態養分累積量 （kg/hm2）

2.3 生物炭施用對冬小麥產量及構成要素的影響

由表2可知，生物炭施用對冬小麥籽粒產量、穗數、千粒重和穗粒數均產生積極影響。冬小麥籽粒產量于B5F處理達到最大值（8222.0 kg/hm2），顯著高于B0F、B10F、B20F處理，分別提高17.02%、11.20%、15.51%。冬小麥穗數于B5F處理達到最大值，為632 × 104個/hm2，顯著高于B0F、B10F、B20F處理，分別提高11.66%、9.91%、14.49%。從冬小麥籽粒產量角度看，施用5 t/hm2生物炭最合適。

表2 冬小麥產量及構成要素

3 討論

本研究發現，生物炭施用可以顯著提高土壤有機質和全鉀含量，這與段春燕等[17]的研究結果一致。隨著施用生物炭量的增多，土壤有機質含量的遞增幅度最高，其主要原因為生物炭施用量增加，大幅提升了輸入土壤的碳源數量，尤其試驗中添加的生物炭原料為廢棄果木枝條，碳和揮發性物質含量一般高于農業廢棄物制備的生物炭[18]。楊勁峰等[19]指出隨生物炭施用量增加，土壤C/N增加，利于提高土壤對氮素的吸持，本試驗中也得到了同樣的土壤全氮含量上升的趨勢。土壤全磷含量與生物炭的關系并不顯著，可能是因為隨著土壤有機質含量升高，固磷作用減弱[20]，最終使土壤全磷含量維持在1.00 g/kg附近。

本研究中施生物炭處理（B5F、B10F、B20F）耕層有效態養分含量多高于未施炭處理（B0F），說明施用生物炭可以提高土壤有效態養分含量，一方面是因為生物炭本身就富含多種礦質營養元素，另一方面是因為其有利于降低養分的淋失[13-14，21-22]。而各施炭處理間B5F處理有效態養分含量最高，可能的原因是中、高量生物炭使土壤C/N提高，進而使微生物固定作用加強導致其固定了更多的土壤有效態養分[23-24]。本研究發現有效態養分多在40～60和60～80 cm土層出現累積峰，說明在小麥生育期內，降水和灌溉使有效態養分多集中向40～60和60～80 cm土層遷移。

各施生物炭處理間B5F處理冬小麥籽粒產量最高，這與張文玲等[25]和陳敏等[26]研究結果相同，主要原因是生物炭對土壤養分有緩控作用，其吸附-解吸過程能使冬小麥生長得到更合理的養分供應，同時，中、高量生物炭施用提高土壤C/N，土壤微生物與植物爭奪有效態養分資源，進而造成植物可吸收利用的養分減少。因此，相比于低量生物炭處理，施用中、高量生物炭對作物產量提升的幅度大大減緩。冬小麥產量構成結果表明，生物炭施用主要增加了冬小麥的有效穗數，但對粒重無顯著影響，這與夏璐[27]和代鎮[28]的研究結果相似。此外，B5F處理產量達到最大值也是因為其穗數顯著高于其他處理，這說明施用生物炭通過提高冬小麥的穗數來提高產量。

4 結論

生物炭可以提高0～20 cm土壤有機質、全氮、全鉀含量，有效減少降水和灌溉對土壤養分的淋溶，對土壤肥力的保持有積極意義。同時，低量生物炭（B5F）施用顯著提高冬小麥拔節期、開花期和成熟期0～100 cm土壤有效養分的垂直分布與累積，且顯著提高冬小麥籽粒產量17.02%。而中、高量生物炭施用對土壤有效養分的累積和冬小麥產量的提升效果并不明顯。因此，根據土壤養分分布以及冬小麥產量的變化，華北平原施用5 t/hm2生物炭較為合適。