單季施用生物炭提高土壤肥力及小麥玉米輪作周年產量

鄭云珠，孫樹臣

(聊城大學地理與環境學院，山東聊城 252059)

我國作為世界上重要的農業大國之一，秸稈資源種類豐富、分布范圍廣，年產量約10億t，且具有逐年增長的態勢[1-2]。然而，秸稈還田率不足50%[3]，嚴重制約了農業發展的可持續性。因此，探尋合理的秸稈資源無害化利用一直是農業發展過程中關注的熱點和難點問題。

秸稈中富含農作物生長所需的氮(N)、磷(P)、鉀(K)等營養元素[4]，農作物光合作用的產物約有一半貯存于秸稈中[5]。秸稈還田作為提高秸稈資源綜合利用的重要途徑，不僅可以有效改善土壤環境、促進作物增產[4，6-7]，同時還可以減輕由于焚燒和丟棄導致的資源浪費及大氣、水體等污染[8]，對于改善農村生態環境及秸稈資源的再利用具有重要意義。然而有研究指出，秸稈還田會加大下茬作物灌溉水量、農田病蟲害發生率及農藥使用量等不利影響，從而增加種植成本[9]。也有研究指出，秸稈還田雖然可以顯著提高農田碳的固定，同時也增加了農田甲烷排放、氨揮發以及養分滲漏損失等負面影響[10]。因此，如何保證在秸稈還田效益最大化的同時降低其不利影響，不斷增加農業收益成為當前秸稈資源無害化利用亟待解決的重要問題。

近幾十年來，隨著對生物炭認識的不斷加深，秸稈炭化還田在實現作物增產、固碳減排、修復土壤污染等方面發揮巨大優勢而日益成為國內外學者研究的熱點[11-13]。生物炭是農林廢棄物等生物質在厭氧條件下經高溫裂解(一般<700 ℃)形成的高含碳量物質，具有豐富的營養物質、較大的比表面積、發達的孔隙結構以及豐富的含氧官能團等特性[14-15]。生物炭作為一種綠色土壤改良劑，可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度和持水能力[16]，同時有利于增加土壤養分含量[17-18]，進一步改善農作物生長所需的土壤環境，從而提高小麥[19]、玉米[20]、水稻[21]、大豆[22]等作物產量。在粉砂質黏壤土的麥玉輪作系統中，施用16 t/hm2生物炭并配施化肥，可以顯著增加冬小麥、夏玉米地上生物量及籽粒產量，且促進效果優于8 t/hm2生物炭并配施化肥處理[23]。而在沙土的研究中發現，施用生物炭雖然可以提高土壤水分，但對大豆產量卻沒有影響[24]。生物炭對作物增產的效果具有一定范圍，施用適量果樹枝生物炭(5 t/hm2)可以更好地促進潮褐土中玉米增產以及對土壤養分的吸收利用，而過量施用生物炭則導致增產效果減弱[25]。在壤土中施用小麥秸稈生物炭，小麥產量對生物炭施用量也具有同樣的響應，施用3 600 kg/hm2生物炭增產效果最好[26]。魏永霞等在黑土區一次性施用 75 t/hm2玉米秸稈生物炭后(后期不再施加)，研究發現4年研究期內的施炭處理可以提高土壤中有機質、銨態氮、速效鉀含量，而隨著時間的推移養分含量有所降低，但施炭處理仍高于對照[27]。因此，農作物產量及土壤肥力與生物炭施用量、土壤類型、施用方式及施用年限等因素密切相關，如何科學地利用生物炭資源以實現作物增產及土壤改良的雙重效益至關重要。

魯西平原作為華北平原的重要組成部分，冬小麥—夏玉米輪作是該地區主要的農業種植模式，同時也是我國重要的糧食生產區。然而該區域高強度的麥玉輪作，導致土壤肥力下降，為實現農作物增產而過度使用化學肥料，隨之帶來農作物品質降低、土壤酸化、環境污染等負面影響[28]。因此，進一步實現魯西平原農作物的增產穩產對保障我國糧食安全具有重要意義。目前關于該地區麥玉輪作系統對秸稈生物炭還田的響應結論尚未統一，且關于單季施入生物炭對兩季農作物的持續性影響尚不明確。因此，本研究通過盆栽試驗，探討冬小麥季一次施用不同水平玉米秸稈生物炭量對冬小麥—夏玉米產量及土壤肥力的影響，以明確玉米秸稈生物炭對土壤肥力的影響，對比分析單季施用玉米秸稈生物炭對冬小麥、夏玉米兩季農作物產量的影響，揭示土壤肥力指標與作物產量之間的相互作用關系，從而為魯西平原的農作物秸稈資源更加合理應用于麥玉輪作系統提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于山東省聊城市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，年平均氣溫約為13.5 ℃，年均降水量約為540.4 mm，夏季降水量約占全年降水量的60%。本試驗研究期內的日均氣溫與日總降水量如圖1所示，冬小麥季(2019年11月至2020年5月)的平均氣溫和總降水量分別為8.5 ℃和 145.6 mm，夏玉米季(2020年6—9月)的平均氣溫和總降水量分別為25.0 ℃和682.1 mm。

1.2 試驗材料

供試土壤為石灰性潮土，pH值為8.81，有機質含量為10.87 g/kg，全氮含量為0.72 g/kg，有效磷含量為18.50 mg/kg，速效鉀含量為100.44 mg/kg。生物炭為玉米秸稈在450 ℃條件下裂解2 h制成，pH值為7.44，全氮含量為15.45 g/kg，有效磷含量為1 151.85 mg/kg，速效鉀含量為5 300.21 mg/kg。供試小麥品種為濟麥22，玉米品種為鄭單958。

1.3 試驗設計

采用盆栽試驗，以不施用生物炭作為對照(CK)，6種施用生物炭處理分別為B1(4 t/hm2)、B2(8 t/hm2)、B3(16 t/hm2)、B4(24 t/hm2)、B5(32 t/hm2)、B6(40 t/hm2)，每個處理3次重復，共計21個處理。盆栽桶選用內徑為27 cm、高為30 cm的塑料花盆。盆栽土過5 mm篩并自然風干，每個盆栽桶風干土質量均為11 kg，冬小麥種植前各盆栽桶先裝入風干土至5 cm高處并壓實，再將剩余風干土與肥料、生物炭(過2 mm篩)充分混合后裝入盆栽至25 cm高處。所有盆栽桶裝填完成后灌溉相同量的水分，靜置1周后于2019年11月6日在每個盆栽桶中部播種20粒小麥，冬小麥收獲時間為2020年5月27日。夏玉米播種前將肥料與0～20 cm 土壤充分混合后，于2020年6月15日在盆栽桶中部播種2粒玉米，待出苗后定苗為1株，夏玉米于9月27日收獲。冬小麥季N、P、K施用量分別為225、125、90 kg/hm2，夏玉米N、P、K施用量分別為225、150、150 kg/hm2，其他田間管理措施與當地大田一致。

1.4 測定項目與方法

分別于冬小麥、夏玉米成熟期測定二者株高及夏玉米穗位高，全部收獲后于105 ℃殺青30 min，之后于75 ℃烘干至恒質量。冬小麥測定地上干物質量、有效穗數、穗長、穗粒數、百粒質量及籽粒產量。夏玉米測定地上干物質量、穗長、禿尖長、穗粒數、百粒質量及籽粒產量。輪作周年產量即冬小麥與夏玉米2種作物產量之和。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2016軟件對數據進行處理，用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析，多重比較采用Duncan’s新復極差法檢測處理間的差異顯著性，各測定指標間的相關性采用Pearson’s相關系數表示，用Origin 2017軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤pH值和電導率的影響

各生物炭處理下土壤pH值、電導率與對照相比均無顯著差異(表1)。生物炭處理中除B2處理外，其余處理對土壤pH值均具有略微降低的影響。生物炭處理土壤電導率(EC)均高于對照，且隨生物炭施用量的增加呈先增加后降低的趨勢，B3處理下EC最大。

表1 不同生物炭施用量對土壤pH和電導率的影響

2.2 生物炭對土壤養分的影響

表2 不同生物炭施用量對土壤養分含量的影響

2.3 生物炭對冬小麥、夏玉米產量的影響

2.3.1 對冬小麥生長及產量的影響 不同生物炭施用量對冬小麥株高的影響各異，除B6處理外，其余生物炭處理均提高了冬小麥的株高，其中B1處理的株高顯著比對照高8.98%(表3)。與對照相比，施用生物炭可以顯著提高地上部干物質量19.93%～27.08%，而生物炭處理間無顯著性差異。不同生物炭施用量均可以促進冬小麥的產量構成要素(有效穗數、穗長、穗粒數和百粒質量)的增加，從而實現冬小麥增產18.65%～50.82%，具體表現為B4>B3>B2>B5>B6>B1>CK，其中B4處理籽粒產量顯著高于對照。

表3 不同生物炭施用量對冬小麥植株及籽粒產量的影響

2.3.2 對夏玉米生長及產量的影響 不同生物炭施用量對夏玉米生長、籽粒產量及產量構成要素的影響見表4。生物炭處理對夏玉米株高影響的變化規律與穗位高一致，施用生物炭均可以促進夏玉米株高及穗位高的提高，并均表現為隨生物炭施用量的增加呈先增后減的趨勢(B4處理達到最大值)。施用生物炭處理顯著增高了夏玉米株高7.07%～12.75%，B3、B4處理的穗位高分別顯著高于對照12.26%、13.07%。施炭處理均可促進夏玉米地上部干物質量的增加，但生物炭處理與對照之間未表現出顯著性差異。生物炭施用在促進夏玉米穗長、穗粒數和百粒質量增加的同時，也促進了禿尖長的增加。夏玉米籽粒產量隨生物炭施用量的增加而逐漸增加，且生物炭處理間無顯著差異，B3、B4、B5、B6處理分別顯著比對照高45.62%、54.69%、57.97%、65.24%。

2.3.3 生物炭對冬小麥—夏玉米周年產量的影響 由圖2可以看出，施用生物炭可以增加冬小麥—夏玉米輪作的周年產量，并表現為隨生物炭施用量的增加而逐漸增加，B2、B3、B4、B5、B6處理周年產量分別顯著比對照高40.57%、45.00%、54.15%、54.50%、59.74%，施用生物炭處理間的作物周年產量無顯著性差異。

2.4 冬小麥—夏玉米周年產量與土壤化學性質的相關分析

表4 不同生物炭施用量對夏玉米植株及籽粒產量的影響

表5 周年產量與土壤化學性質的相關性分析結果

3 討論

土壤是農作物賴以生存的基礎，適宜的土壤環境是農作物穩產增產的保證。大量研究表明，生物炭因其堿性特征及豐富的Ca2+、K+、Mg2+等鹽離子施入土壤后，可以提高土壤pH值及電導率[30-31]。而本研究發現生物炭各處理對土壤pH值、電導率的影響與對照相比均未達到顯著水平，其中生物炭處理(除B2處理外)均略微降低土壤pH值，這可能是由于本試驗所施用的生物炭呈弱堿性且低于土壤pH值，施入土壤后對pH值具有一定的降低作用。有研究指出施用堿性生物炭可以顯著提高酸性土壤的pH值[32]，而對本身呈堿性的土壤pH值影響不明顯[19，33]。李傳哲等通過在堿性土壤中施用酸改性生物炭(pH值為 7.12)研究發現，施用 15 t/hm2與30 t/hm2生物炭均可降低0～10 cm土層土壤的pH值，但降低程度均未達到顯著水平，并提高了土壤肥力及作物產量[34]，本研究結果與之相似。本研究施用生物炭后土壤pH值略微降低，同時也提高了土壤的養分含量及作物產量，通過相關性分析發現，土壤pH值與作物周年產量之間呈負相關，說明施用弱堿性生物炭對土壤pH值的降低可能是作物周年產量增加的重要原因之一。

生物炭通過影響土壤的物理和化學性質[42-43]，進而影響農作物的生長與發育。生物炭施用量對作物產量的增加效果具有一定范圍，過量施用生物炭對作物產量的增加效果減弱[44]，本研究亦得出類似的結果。本研究施用生物炭對冬小麥—夏玉米輪作系統中的冬小麥均具有增產作用，表現出隨生物炭還田量的增加呈先增加后降低的變化趨勢，B4(24 t/hm2)處理增產效果最佳，這可能是由于生物炭效應是有閾值的[45]，當施炭量較高時，土壤結構遭到破壞，還可能增加土壤的C/N，導致氮素利用率降低[33]，反而不利于作物生長。也有研究表明施用生物炭對作物產量無影響[46]，甚至減產的情況發生[47]。本研究未發現施用生物炭導致作物減產的現象，施用生物炭對冬小麥、夏玉米兩季作物產量的增加均具有促進作用，夏玉米籽粒產量更是表現出隨生物炭施用量的增加而逐漸增加，且增產效果整體上高于冬小麥，生物炭對作物產量的促進作用隨時間推移具有一定累積效應[23]。在黏土中同樣發現玉米產量隨生物炭施用量的增加而逐漸增加，19 t/hm2木屑生物炭使玉米產量顯著增產32%[48]。秦蓓等在鹽漬土中一次性施入棉桿生物炭后發現，低量生物炭(1.5 t/667 m2)施用對作物增產主要表現在前2年，而高量生物炭(3.0 t/667 m2)對作物增產的效果主要表現在后2年[49]。謝迎新等在沙質潮土麥玉輪作系統中，從每季秸稈炭化還田角度出發研究發現，施用2.25～11.25 t/hm2生物炭對前3季小麥的地上生物量及籽粒產量均無顯著性影響，但從第4季開始逐漸表現出顯著性影響[50]。本研究在冬小麥種植前一次性施入不同水平的玉米秸稈生物炭量，可以不同程度地增加冬小麥、夏玉米兩季的籽粒產量，但發現第1季冬小麥僅在 24 t/hm2生物炭處理下籽粒產量顯著高于對照50.82%，第2季夏玉米施用16～40 t/hm2生物炭籽粒產量顯著高于對照45.62%～65.24%，生物炭對作物增產的效果在第2季夏玉米表現更為突出，尤其越高生物炭施用量對夏玉米增產的效果更佳，可能是由于生物炭施用量、施用時間、農作物類型等原因導致兩季作物增產效果的差異。

4 結論

雖然在研究中發現單季施用不同量的玉米秸稈生物炭可以促進冬小麥、夏玉米兩季作物的生長、增產以及土壤肥力的提高，并初步得出石灰性潮土區適宜的生物炭施用量。然而，生物炭對冬小麥—夏玉米輪作系統土壤肥力及作物產量的影響受多種因素的綜合作用，特別是生物炭還田后的長期影響可能更加復雜，同時田間的實際情況可能比盆栽環境更加復雜多變。因此，未來仍需要進一步加強生物炭還田的長期生態環境效應的田間定位研究。