生物炭輸入對土壤有機碳和玉米生長的影響

汪振國，馬媛媛，王西娜，劉少泉，古超峰，姬 強

(1.寧夏大學農學院，銀川 750021；2.寧夏農村科技發展中心，銀川 750001)

0 引 言

【研究意義】玉米是我國糧飼兼用主要作物，全國種植面積 2 400 hm2[1]。廢棄秸稈通常以焚燒的利用方式為主，會使土壤肥力單一、土壤緊實、板結、耕作層變淺，土壤透氣性差、保墑保肥性低，降低土壤的生產能力，影響玉米穩產和高產[2]，提高廢棄秸稈在寧夏砂質土壤地區的利用率，能夠有效改善土壤的保水性、保肥性、增加土壤有機碳含量來提高玉米產量和品質[3]。針對寧夏引黃灌區土壤次生鹽漬化和沙化嚴重和廢棄秸稈的傳統利用，土壤保水保肥性差等特征。使用生物炭可有效提高土壤的保水性、保肥性，對增加土壤有機碳含量提高玉米穩產高產具有重要意義。【前人研究進展】施用生物炭可以提高植物對土壤養分的吸收利用，提高土壤生產力[4]。施入生物炭基肥和無機化肥混合使用與單獨施用相比，將會顯著提高玉米品質和產量及籽粒飽滿度，生物炭基肥和其他肥料組合施用可以提高堿性鈣質土壤中玉米養分獲取、生長及產量，20 t/hm2生物炭基肥與其他肥料配施，玉米產量增加6.06%，而將生物炭基肥施用量增加2倍[5]，玉米產量降低13.88%，并且抑制玉米灌漿后期干物質積累和籽粒干重。生物炭基肥與氮、磷和鉀肥的聯用可以提高玉米穗粒數，能夠增加水稻產量，但并未顯著增加水稻的生物量[6]。秸稈含有豐富的有機碳和大量的木質素、纖維素，還包含大量的氮、磷、鉀等植物所必須的多種營養元素，可做有機肥使用[7]。是一種提高土壤肥力的農業技術措施之一[8-10]。生物炭(bio-char)是由植物(秸稈、垃圾、樹木、糞肥等)等生物質在完全或部分缺氧的情況下經熱解炭化產生的一類高度芳香化難熔性固態物質[11-13]，施入土壤中的生物炭在土壤中保留時間長，生物炭有著較大的比表面積和較多的酸性官能團和堿性官能團，可以改善土壤的物理性質(孔隙狀況)和化學性質(離子代換量、保肥性、緩沖性等)，生物炭在土壤中通過截獲和質流的作用，可以疏松土壤，改善土壤結構，增加土壤中的微量元素[14-17]。【本研究切入點】針對寧夏地區使用化肥和廢棄秸稈利用方式較單一，土壤質量有所下降，并且以往生物炭輸入后土壤有機碳的研究還需加強。【擬解決的關鍵問題】以無外源碳輸入處理為對照(CK)，研究不同外源碳(秸稈及其生物炭)等碳量輸入條件下,對土壤含水率、土壤有機碳含量、玉米葉綠素度、凈光合速率及產量的影響規律。

1 材料與方法

1.1 材 料

該試驗位于寧夏大學智能溫室(36°51′N、105°59′E)。寧夏大部分地區晝夜溫差可達12～15℃，全年平均氣溫在5～9℃，蒸散量1 200 mm，年均降雨量210 mm，玉米生育期4～10月降雨量300.2 mm。質地為砂壤土，土壤養分含量偏低，屬低等肥力水平，耕層0～20 cm土壤主要理化性狀為容重1.55 g/cm3，總孔隙度41.4%，有機質8.3 g/kg，堿解氮38.5 mg/kg，全氮0.5 g/kg，速效鉀131.2 mg/kg，速效磷16.2 mg/kg，pH 8.3。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗所用玉米秸稈收集于寧夏大學試驗基地，秸稈基本理化性狀為C，40.5%; N，1.4%; H，6.3%。試驗生物炭委托河南商丘市三利能源有限公司利用收集的玉米秸稈在600℃下快速熱解2 h制備，生物炭理化性質為C，5.1%; N，1.7%; H，3.1%; K，0.13%; Ca，1%; Mg，0.62%;比表面積86.7 m2/g。供試作物為當地研究區域常規玉米品種，供試品種為當地常規品種先玉335。樣品采集在玉米4個不同生育期:抽葉期、拔節期、開花期、成熟期。定期每15 d采取土樣1次，在玉米的4個生育期采集土壤鮮樣，過2 mm 篩后保存于4℃冰箱中待測。在玉米關鍵生育期測定葉綠素度和凈光合速率。玉米收獲時期，采集玉米的籽粒測定千粒重、產量指標。

盆栽試驗土壤過2 mm 篩，生物炭與秸稈粉末過0.15 mm篩，2種碳源材料與土壤充分混勻后裝盆。試驗共7個處理: BC0.8(0.8%-BC0.8) 、BC2.4(2.4%-BC2.40、BC8.0(8.0%-BC8.0) 、 Str1.0(1%-Str1.0)、Str3.0(3%-Str3.0)、Str10.0(10%-Str10.0)；CK(無外源輸入)。其中，秸稈輸入水平:1%、3%、10%( Str1.0，Str3.0，Str10.0)，生物炭添加水平為0.8%，2.4%，8%( BC0.8，BC2.4，BC8.0)，CK為無外源碳添加處理。為完全隨機區組設計，各處理重復3次。定期澆水管理以防止水分脅迫。

1.2.2 指標測定

在玉米整個生長發育過程中，選主要生育期(抽葉期、拔節期、開花期、成熟期)測定玉米不同時期的土壤含水率、有機碳含量、葉綠素含量(SPAD)、凈光合速率、玉米產量。土壤含水率，在玉米不同生育期從盆中取出鮮樣，裝入鋁盒中稱鮮重重量，記下重量，放入烘箱，烘24 h，烘干后稱干土和鋁盒的重量，計算干土重量和土壤含水率，土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱氧化法，英國PP-system公司TPS-2便攜式光合作用系統測定玉米幼苗葉片光合生理指標，SPAD-502葉綠素計用于測定葉綠素含量。植株光合生理指標采用Li-6400便攜式光合儀測定凈光合速率(μmol/(m2·s))。玉米成熟期測定玉米生物量，將處理盆栽玉米穗分別裝袋風干，脫粒稱重，計算玉米籽粒產量。

1.3 數據處理

采用SPSS18.0軟件對數據統計分析，表和圖中數據均為平均值±標準差，不同處理下土壤各變量之間的顯著性檢驗采用單因子方差分析(ANOVA)和最小顯著極差法(SSR)。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤含水率的影響

研究表明，玉米4個生育期中，生物炭輸入條件下，總體呈現出成熟期>拔節期>抽葉期>開花期，土壤含水率隨生物炭量的增加呈增長的趨勢，生物炭輸入有利于提高土壤含水率，除開花期外，較CK分別提高了13.35%、11.90%、58.03%。成熟期BC8.0處理含水率最高，較CK處理提高了20.16%，成熟期：Str10.0>BC8.0>BC2.4>Str1.0>BC0.8>Str3.0>CK。抽葉期和拔節期BC8.0處理的含水率均比CK處理提高了26.67%和141.21%，差異性顯著(P<0.05)，輸入秸稈條件下，秸稈量的增加土壤含水率呈現增加趨勢，4個生育期，處理Str1.0的含水率最高，較CK處理分別提高了119.47%、193.08%、29.19%、81.39%，同一處理不同時期達到顯著水平(P<0.05)。表1

表1 玉米不同時期土壤含水率變化Table 1 Soil moisture content in different stages of maize (%)

2.2 輸入不同處理生物炭對土壤有機碳影響

研究表明，隨著生物炭輸入增加土壤有機碳量呈上升的趨勢，生物炭能夠提高土壤中的有機碳含量，生物炭輸入在玉米4個生育期有機碳含量均比CK處理分別提高了85.75%、76.37%、84.49%、87.47%，輸入秸稈在玉米4個生育期有機碳量均比CK處理分別提高了30.80%、38.04%、39.40%、41.28%。各處理間差異性明顯，在土壤中輸入BC8.0時，有機碳(SOC)的含量最高，均比CK處理提高了164.81%、163.84%、184.09%、184.66%，與其他處理相比，提高最顯著。輸入生物炭比輸入秸稈有機碳含量在4個生育期分別提高54.94%、38.33%、45.03%、46.19%。不同生物炭處理之間分布顯著性明顯，不同秸稈處理之間分布較為顯著(P<0.05)，輸入生物炭和秸稈成熟期有機碳高于其他處理，并高于CK處理87.47%和41.28%，增長最明顯。圖1

2.3 不同處理對葉綠素含量(SPAD)和凈光合速率的影響

研究表明，除開花期外，不同生育期葉綠素含量生物炭輸入比CK處理分別增加了0.28%、0.79%，而開花期比CK處理降低了0.83%，生物炭輸入量與葉綠素含量不成正比，各處理間差異性不明顯，BC8.0處理條件下，3個生育期的葉綠素含量依次呈降低趨勢，而成熟期BC0.8較CK處理提高了2.1%，各處理間顯著性不明顯。不同生育期輸入秸稈條件下，葉綠素含量均比CK處理分別提高了13.45%、0.73%、20.99%，開花期Str10.0處理最高，較CK處理提高了17.83%。同一處理不同時期具有極顯著差異。 表2

圖1 不同處理間有機碳含含量Fig.1 Organic carbon content of different treatments

生物炭輸入在玉米不同生育期凈光合速率比CK處理分別增加了15.99%、54.47%、29.11%，不同處理秸稈輸入條件下除開花期外，其他生育期凈光合速率分別增加了9.42%和13.23%，開花期輸入BC8.0的凈光合速率比CK處理顯著提高了18.90%，BC2.4和BC0.8凈光合速率比CK 處理分別顯著提高了23.73%和5.34%。抽葉期，生物炭輸入條件下，各處理較CK處理增加了5.4%～27.23%,增幅較明顯，而秸稈輸入增幅低于生物炭輸入，生物炭輸入優于秸稈。表3

表2 不同處理的葉綠素含量變化Table 2 Chlorophyll content of different treatments

表3 不同處理的凈光合速率變化Table 3 Net photosynthetic rate of different treatments (μ mol/(m2·s))

2.4 不同處理對玉米產量的影響

研究表明，輸入BC0.8玉米產量比CK增加了15.71%，輸入BC2.4玉米產量提高了18.80%，輸入BC8.0提高不顯著，輸入Str1.0玉米產量比CK提高了13.01%。BC2.4>BC0.8>BC8.0>Str1.0>CK>Str3.0>Str10.0,與對照(CK)相比，添加BC2.4玉米產量最高，添加Str10.0玉米產量最低，與對照(CK)相比較，添加生物質炭和粉碎秸稈與對照(CK)顯著性不明顯。圖2

2.5 土壤指標與玉米指標之間的相關性

研究表明，各相關系數的絕對值介于0.015～0.955，土壤含水量與葉綠素的相關系數最大為0.155，第一貢獻率為66.19%，第二貢獻率為26.11%，各處理間由高到低，生物炭輸入處理下BC0.8>BC8.0>BC2.4，秸稈輸入條件下Str10.0>Str1.0>Str3.0，葉綠素含量(SPAD)與玉米產量的相關系數最低為-0.817，玉米產量與土壤含水量和葉綠素含量(SPAD)呈現出顯著的負相關性，土壤含水量與葉綠素含量(SPAD)過高對玉米產量有影響，有機碳含量和凈光合速率與玉米產量不存在相關性。在不同處理中，添加BC0.8和Str10.0的效果最好。表4，表5

圖2 不同處理下玉米產量變化Fig.2 Maize yield in different treatments

表4 土壤指標與玉米指標之間相關性Table 4 correlation between soil index and Maize Index

表5 各處理間主成分Table 5 Principal component analysis of each treatment

3 討 論

3.1 生物炭輸入對土壤水分的影響

土壤含水率是反映土壤墑情的重要指標[18-20]，研究表明：生物炭輸入過多會增加土壤容重，土壤中貯存的養分能夠得到大量的釋放，提高土壤疏松度，同時土壤水分顯著增加[21]。研究發現，生物炭輸入土壤含水率顯著提高，尤其是土壤中輸入8.0%-BC8.0的生物炭，土壤含水率的增幅更高，原因可能是生物炭本身具有比表積大和較多的官能團，施入土壤中可以固碳，減少碳的排放。并且在成熟期土壤含水率達到最大，這可能是生物炭經過一段時間之后，經過擴散作用和土壤各種元素充分混勻，進一步增加了土壤的透氣性和保水能力，土壤水穩性越強，土壤的保水能力增強，與前人研究結論一致，主要由于生物炭輸入后期有效促進水穩性較高的土壤團粒結構的形成[22-24]。

3.2 生物炭輸入對土壤有機碳分布的影響

生物炭施入土壤中的微生物，通過螯合反應產生大量的有機分泌物，從而改善土壤結構，促進土壤團聚體的形成[22-28]，研究表明，有機碳含量與生物炭量的輸入呈正相關，原因可能生物炭可以通過氫鍵、表面庫侖力、分子間的范德華力等吸附在粘力表面、阻礙了在黏力之間的直接膠結。這與前人研究結論一致。

3.3 生物炭輸入對玉米生長的影響

光合作用是植物生長發育的重要生理活動，光合生理特性和葉綠素含量可反映植物光合生產力和實際光合產量水平[27]，最終影響作物生長狀況。在玉米苗期生物炭對玉米生長及養分吸收隨輸入炭量的增加具有抑制性[29，30]。試驗表明，隨著生物炭量的增多對玉米葉綠素含量有抑制作用，成熟期輸入BC8.0玉米葉綠素含量降低，生物炭對玉米生長產生一定的抑制作用。這可能是因為生物炭本身 C/N 較高，過量輸入后可能會引起微生物與作物爭氮，造成土壤有效氮降低，對玉米植株的生長產生一定的抑制作用。Asai等[31]研究也表明，土壤含氮量較低的情況，不配施氮肥的生物炭處理的含量降低作物葉片中葉綠素的含量，降低水稻的產量，這種減產效應易出現在有效養分低氮土壤上，這與生物炭礦質養分含量低，易降低土壤有效養分有關。BC8.0均比BC0.8、BC2.4處理的凈光合速率低，過量輸入生物炭抑制凈光合速率，玉米生育期，開花期和成熟期比抽葉期增加幅度較大，原因可能是生物炭越多存在與作物爭氮，造成作物氮饑餓狀態。

3.4 生物炭輸入對作物產量的影響

生物炭能夠促進玉米、水稻等作物增產，但對小麥和大豆無顯著增產作用。相關研究通過砂壤土的盆栽試驗指出[22]，當生物炭施用量為30、60 t/hm2時，黑麥草的生物量比CK增加20%、52%，當施用量增加到100和200 t/hm2時，黑麥草的生物量反而比對照降低8%和30%。生物炭輸入對玉米的產量的影響，輸入BC0.8和BC2.4玉米產量增加，反而輸入BC8.0后玉米產量降低；輸入秸稈，隨著秸稈量的增加玉米產量反而降低，與(CK)處理相比較，輸入BC0.8、BC2.4和Str1.0均高于(CK)處理，而BC8.0、Str3.0和Str10.0處理低于對照(CK)。生物炭過量輸入對玉米的產量有抑制作用，與前人研究結論一致，這可能與生物炭本身的性質有關系，生物炭增加土壤有機碳一方面是由于生物炭能夠吸附土壤有機分子[32-34]，通過表面催化活性促進小的有機分子聚合形成土壤有機質[25]；另一方面生物炭是具有多芳香環和非芳香環的復雜結構，使其表現出高度的化學和微生物惰性，施入土壤后難以被微生物利用，生物炭的施用可顯著增加土壤有機碳的含量。此外，施入生物炭可以降低土壤體積質量，有效改善土壤通氣狀況。

各指標之間存在著一定的相關性，葉綠素含量(SPAD)與玉米產量的相關系數最低，可能原因是玉米莖葉和剛結的玉米有競爭營養的現象，造成莖葉長勢好，不利于果實的營養補充，輸入BC0.8和Str10.0效果最好，過量輸入生物炭反而抑制作物增產，可能原因是生物炭本身具有固碳作用，輸入前期在土壤中礦化不明顯，在后期礦化分解顯著，這與凌宏偉等[33]的結論基本一致。

4 結 論

適量輸入不同處理的生物炭和粉碎秸稈，增加土壤的保水性、透氣性、提高土壤疏松度、改善土壤墑情，有利于土壤理化性質的改變，通過對比輸入生物炭對土壤改良和產量優于輸入秸稈。輸入生物炭超過閾值會減少作物產量，生物炭過量會抑制作物生長。輸入BC0.8和Str10.0對土壤培肥，促進作物生長和提高產量效益最佳。