施用生物炭5年后對夏玉米田土壤理化性質及產量的影響

郭書亞，尚 賞，王 坤，張 艷，湯其寧，盧廣遠

(1.商丘市農林科學院，河南商丘 476000；2.北京聯創種業有限公司，北京 100018)

生物炭作為土壤改良劑，在農業生產上已廣泛應用，具有含碳量高、孔隙度高、吸附力強、營養豐富等特點。土壤施入生物炭，能夠顯著降低土壤容重、改善土壤通氣和水分條件、提高土壤供水保水能力；由于生物炭具有巨大的比表面積能夠強烈吸附并固定氮(N)、磷(P)等營養元素，減少養分的流失，保肥效果好，但是施用的產量結果不一致。土壤施入生物炭后，對土壤是一個長期的影響，并隨著時間的推移而變化，有學者指出，生物炭施入后短期內對土壤影響明顯，長時間影響有限。前人研究也指出，開展生物炭對土壤的長期影響研究具有重要的意義。前人研究生物炭對土壤容重、團聚體組成及穩定性的影響仍存在爭議，并且對生物炭的研究多集中在干旱與半干旱地區以及酸性土壤地區，在以河南省商丘市為代表的豫東平原地區的研究鮮有報道。因此本研究設置一次性添加生物炭5年后，研究其對夏玉米田土壤理化性質和玉米產量的影響，以期為豫東地區玉米田生物炭施用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗共設5個處理：CK(不施生物炭也不施生物有機肥)，T1(施生物炭10 t/hm)，T2(施生物炭 15 t/hm)，T3(施生物炭20 t/hm)，T4(施生物炭25 t/hm)。以上全部處理均常規施肥，其中復合肥(N、PO、KO含量均為17%)用量為600 kg/hm，尿素用量為300 kg/hm。隨機區組排列，重復3次。試驗所用生物炭購自河南眾信藍天環保裝備有限公司，采用玉米秸稈在厭氧環境中燒制，溫度為450～500 ℃，燒制時間為2 h左右，其碳含量為 437.82 g/kg，pH值為9.0，全氮含量為16.31 g/kg，全磷含量為8.19 g/kg，全鉀含量為27.56 g/kg。試驗于2016年在商丘市農林科學院薛莊試驗基地(34°31′ N，115°42′ E)進行，每個小區的生物炭添加在小麥季一次性完成，生物炭與 0～20 cm土層土壤機械翻耕混合均勻，每年小麥季施用史丹利第四元素復合肥(N、PO、KO含量分別為26%、12%、9%)525 kg/hm，栽培管理同當地大田措施。供試玉米品種為成玉788，種植密度為75 000株/hm。于2020 年玉米收獲后，每個小區采用“S” 形取樣法取 0～20 cm 土層土壤樣品，測定土壤理化性質。

1.2 測定項目和方法

土壤緊實度：采用杭州綠博儀器有限公司生產的土壤緊實度測量儀(LJSD-3)測定。

土壤容重和孔隙度：采用環刀法測定，土壤孔隙度=(1-容重/比重)×100%。

土壤團聚體比例：采用干篩法和濕篩法測定。干篩法參照江春玉等的方法，濕篩法參照Elliott的方法。

土壤有機碳、堿解氮、速效磷含量的測定參照鮑士旦的方法進行；速效鉀含量測定參照陳紅霞等的方法進行。

玉米產量及其構成因素：收獲期，每個小區收獲中間2行進行測產。

1.3 數據處理

采用Excel對數據進行處理，用SPSS 24.0對數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 對土壤物理性質的影響

2.1.1 不同處理對土壤容重、土壤孔隙度、土壤緊實度的影響 從表1可以看出，和CK相比，施用生物炭5年后，土壤緊實度和土壤容重顯著降低，并隨著施用量的增加而降低，降幅分別為13.68%～25.43%、3.50%～9.79%；不同處理顯著提高了土壤孔隙度，T1、T2、T3、T4處理的土壤孔隙度分別較CK高4.08%、5.73%、7.36%、11.47%。

表1 不同處理對土壤緊實度、土壤容重、土壤孔隙度的影響

2.1.2 對土壤團聚體分布特征的影響 從表2可以看出，和CK相比，不同處理均顯著增加了 2.000 mm 以上粒級團聚體的比例，增幅達到47.33%～106.30%；不同處理間不同程度增加，>1.000～2.000、>0.500～1.000 mm 粒級團聚體比例，增幅分別為17.61%～48.65%、6.99%～39.41%；T3、T4處理能夠增加>0.250～0.500 mm 粒級團聚體比例，而T1、T2處理則降低了>0.250～0.500 mm粒級團聚體比例，與CK相比差異不顯著。不同處理均能顯著降低>0.053～0.250、0.053 mm及以下粒級團聚體比例，降幅分別為13.38%～37.55%、21.89%～63.88%。

表2 不同處理對土壤各粒級團聚體比例的影響

2.1.3 對團聚體穩定性的影響 從表3可以看出，不同處理0.250 mm以上干篩團聚體比例高于CK處理，較CK增加1.88%～6.35%，T3和T4處理顯著高于CK處理；不同處理0.250 mm以上濕篩團聚體比例均顯著高于CK處理，隨著生物炭施用量的增加而增加，增幅為19.49%～56.27%；和CK相比，不同處理均能顯著降低土壤破壞度，降幅為19.57%～56.71%，且不同處理之間差異顯著。說明土壤施入生物炭以后，能夠促進土壤大團聚體形成，從而提高土壤穩定性。

表3 不同處理對土壤團聚體穩定性的影響

2.2 對土壤化學性質的影響

從表4可以看出，T1、T2、T3、T4處理下土壤有機碳含量顯著高于CK處理，增幅為18.87%～32.06%，T4處理顯著高于T1、T2處理，與T3處理差異不顯著；不同處理能夠增加土壤速效磷含量，增幅為3.45%～20.56%，T4處理顯著高于其他處理；不同處理均能夠顯著增加土壤速效鉀的含量，增幅為5.53%～14.85%，T4處理顯著高于T1、T2處理，與T3處理差異不顯著；而不同處理對土壤堿解氮含量影響不大，T3、T4處理較CK分別增加0.96%、3.34%，而T1、T2處理較CK分別降低1.43%、0.82%，不同處理間差異均不顯著。

表4 不同處理對土壤化學性質的影響

2.3 對產量的影響

從圖1可以看出，T1、T2、T3、T4處理下玉米產量顯著高于CK處理，隨著生物炭施用量的增加而增加，T1、T2、T3、T4處理分別較CK增加8.85%、14.53%、22.23%、30.13%，不同處理之間差異顯著。

3 討論與結論

3.1 施用生物炭5年后對土壤物理性質的影響

生物炭的比重遠低于土壤的比重，施用生物炭后可以降低土壤容重，前人的許多研究都支持此結論。陳紅霞等在砂姜黑土中研究發現，施用生物炭后，土壤容重降低4.5%～6.0%。Laird等研究指出，施用生物炭能夠顯著降低土壤容重。Eastman在粉砂土中研究發現，施用生物質炭，土壤容重顯著降低，降幅達 14.3%。房彬等在石灰土中研究發現，施用生物炭使土壤容重顯著降低14.6%～32.5%。孟繁昊等的研究表明，在 0～20 cm 施炭土層，生物炭可使土壤容重降低1.19%～12.09%，21～40 cm 土層土壤容重變化不顯著。而戰秀梅等研究4年棕壤生物炭定位試驗表明，生物炭雖然能夠降低土壤容重，但與對照差異不顯著。本試驗研究表明，連續施用生物炭和生物有機肥5年，能夠顯著降低土壤容重，降幅為3.50%～9.79%，土壤緊實度降低13.68%～25.43%，這與前人的研究結果基本一致。

前人研究指出，施用生物炭能夠改善土壤結構，增加土壤孔隙度。孟繁昊等研究指出，施用生物炭能夠顯著增加土壤孔隙度，本研究也得出相似結論，施用生物炭5年后顯著提高了土壤孔隙度，增幅為4.08%～11.47%。

土壤團粒結構可以表征土壤肥力，也是作物取得高產的重要肥力條件。0.250 mm以上水穩定性團聚體比例的高低決定土壤結構的好壞，生物炭施入土壤后對土壤團聚體的影響得出的結論不一。Sun等研究指出，稻草生物炭顯著增加了土壤大團聚體的含量；悅飛雪等研究小麥秸稈施用5年后，得出相似結論。本研究也得出相似結果，和CK相比，不同處理能夠增加0.250 mm以上干篩團聚體比例和0.250 mm以上濕篩團聚體比例，隨著生物炭施用量的增加而增加，增幅分別為1.88%～6.35%、19.49%～56.27%。這是因為生物炭為多孔結構，施入土壤后，土壤微生物、生物活動增強，產生大量的分泌物，和土壤團聚體黏在一起，形成大團聚體。而Kelly等的研究表明，不同的生物炭用量(0、25、50、100g/kg)處理，對土壤團聚體無顯著影響。王富華等的研究也表明，生物炭未能顯著增加大團聚體的含量，甚至降低大團聚體的含量。這可能是因為生物炭是惰性物質，不同的土壤類型、環境、時間會影響土壤微生物對生物炭的分解造成的。

本研究發現，和CK相比，不同處理均能顯著降低土壤破壞度，降幅為19.57%～56.71%，且不同處理之間差異顯著。表明施用生物炭5年后有利于土壤團聚體穩定。這與前人的研究結果基本一致，生物炭施入土壤后有利于土壤微生物的繁殖生長，分泌大量的微生物菌絲和有機物，能夠把微團聚體結合成大的團聚體，從而提高土壤穩定性。

3.2 施用生物炭5年后對土壤化學性質的影響

本研究發現，施用生物炭5年后，土壤有機碳含量顯著增加，生物炭施用量越高，增加越顯著，增幅為18.87%～32.06%，這與前人的研究結果基本一致。這主要是因為一方面本試驗所用生物炭本身含碳量高達437.82 g/kg，另一方面生物炭能夠提供充足的碳源和養分，有利于微生物的繁殖和活動，并且有利于腐殖質和生物大分子形成，從而能夠顯著提高土壤有機碳含量。

張瑞等研究發現，施用生物炭顯著降低了土壤速效氮含量。王昆艷等的研究得出相似結論。郭偉等施用生物炭3年的定位試驗研究表明，土壤施入生物炭以后，土壤速效氮含量無明顯變化。本研究得出相似結論，不同處理對土壤堿解氮含量影響不大，T3、T4處理較CK分別增加0.96%、3.34%，而T1、T2處理較CK分別降低1.43%、0.82%，4個處理與CK差異均不顯著。這與陳山等研究的施用生物炭可以顯著增加土壤速效氮含量；張祥等在紅壤地研究的生物炭施加量為2.0% 時，紅壤堿解氮含量提高了約30%的結果不一致。施用生物炭對土壤速效磷和速效鉀的含量也有顯著影響。趙殿峰等研究發現，施用生物炭可顯著提高速效磷含量；朱克亞通過短期室內培養試驗發現，施用生物炭后，土壤速效鉀含量顯著增加9%以上；高利華等研究發現，高的生物炭施用量，可以使土壤有效磷、速效鉀含量增加48%以上；鄭慧芬等研究指出，生物炭通過改善土壤pH值和磷酸酶活性，增加土壤速效磷含量；高天一等研究指出，生物炭可以增加土壤全磷和速效磷的養分含量；石曉宇等研究指出，生物炭能夠提高土壤速效磷、速效鉀的含量。本研究得出相似結論，施用生物炭5年后，不同處理能夠顯著增加土壤速效磷、速效鉀的含量，并隨著生物炭施用量的增加而增加，增幅分別為3.45%～20.56%、5.53%～14.85%，這與前人的研究基本一致。

3.3 施用生物炭5年后對玉米產量的影響

Major等研究玉米施用生物炭4年，除第1年外，其他均能夠增加玉米產量；Uzoma等研究發現，生物炭能夠顯著提高玉米產量；生物炭對大豆、水稻、番茄等作物的產量也有積極的影響。本研究表明，施用生物炭5年后，不同處理能夠顯著增加玉米產量，T1、T2、T3、T4處理分別較CK增加8.85%、14.53%、22.23%、30.13%，處理之間差異顯著。