油頁巖半焦生物炭對玉米產量及土壤理化性狀的影響

連彩云 馬忠明 唐文雪 薛亮 王智琦 羅雙龍

摘要：油頁巖半焦含有豐富的有機質和無機營養物質，是復混肥理想的添加物料。為了提升油頁巖半焦生物炭在農業生產中的利用價值，以玉米為指示作物，玉米品種先玉335為指示品種，設施油頁巖半焦生物炭20、40、60、80 t/hm2，不施肥和僅施氮、磷肥（優化施肥）6個處理，采用隨機區組設計，研究了不同油頁巖半焦生物炭施用量對玉米產量及土壤養分狀況的影響。結果表明，施用油頁巖半焦生物炭后土壤性狀發生顯著變化，與播前相比，土壤容重下降了2.21%～8.82%，土壤孔隙度增加了-11.05%～4.08%，毛管孔隙度增加了-6.70%～3.74%，土壤pH下降了4.73%～7.84%。土壤儲水量較對照不施肥處理增加了18.85%～30.57%。與優化施肥相比，土壤全氮增加了6.25%～20.83%，土壤全磷增加了0～25.51%，土壤全鉀增加了0.92%～2.63%，土壤有機質增加了24.29%～88.26%，土壤堿解氮增加了-7.40%～14.21%，土壤速效磷增加了-30.27～80.37%，土壤速效鉀增加了-12.87%～115.07%。在油頁巖半焦生物炭投入量為60 t/hm2時，玉米產量最高，達17 681.4 kg/hm2，較對照不施肥處理增產20.10%。綜合分析，施不同用量油頁巖半焦生物炭均能明顯改善土壤物理化學性狀，顯著提升土壤肥力，促進作物生長，進而提高作物產量。

關鍵詞：油頁巖半焦生物炭；玉米；產量；土壤理化性狀

中圖分類號：S513? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2097-2172（2023）12-1140-06

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.12.010

Effect of Oil Shale Semi-coke on Corn Yield and Soil Physical and

Chemical Properties

LIAN Caiyun 1， MA Zhongming 2， TANG Wenxue 1， XUE Liang 1， WANG Zhiqi 1， LUO Shuanglong 1

（1. Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： In order to further enhance the application value of oil shale semi-coke mineral biochar in agricultural production， the effects of oil shale semi-coke application on corn yield and soil nutrient status were studied with the indicator maize variety Xianyu 335. 6 treatments including 4 oil shale semi-coke biochar rates（20， 40， 60， 80 t/ha， respectively）， no fertilizer and N and P fertilizer only（optimized fertilization） were applied according to a randomized block design. The results showed that after applying oil shale semi-coke， the soil properties could be significantly changed， the soil bulk density was decreased by 2.21% to 8.82%， and soil porosity was increased by -11.05% to 4.08%， the capillary porosity was increased by -6.70% to 3.74%， the soil pH value was decreased by 4.73% to 7.84%. Soil water storage was increased by 18.85% to 30.57%. Contents of soil total nitrogen， soil total phosphorus， soil total potassium， soil organic matter， soil alkali-hydrolyzed nitrogen， soil available P， soil available K were increased by 6.25%to 20.83%， 0 to 25.51%， 0.92% to 2.63%， 24.29% to 88.26%， -7.40% to 14.21%， -30.27 to 80.37% and -12.87% to 115.07%， respectively， compared with the optimized fertilization. When the semi-coke input of oil shale was 60 t/ha， the corn yield， 17 681.4 kg/ha， was highest which was 20.10% higher than that of no fertilization. Comprehensive analysis showed that different rates of oil shale semi-coke biocharall had certain effects on corn growth and yield， and soil physicochemical properties which could significantly increase the soil fertility.

Key words： Oil Shale semi-coke biochar; Corn; Yield; Soil physical and chemical property

收稿日期：2023 - 05 - 23

基金項目：甘肅省農業科學院重點研發計劃項目（2022GAAS14、2023GAAS17）。

作者簡介：連彩云（1977 — ），女，甘肅民勤人，副研究員，主要從事作物節水高產栽培理論與技術研究工作。Email：liancy1998@sina.com。

通信作者：馬忠明（1963 — ），男，甘肅民勤人，研究員，主要從事農業節水高產栽培理論與技術研究工作。Email：mazhming@163.com。

油頁巖是一種由低等生物、水生及陸生植物殘體經過腐解和淤泥沉積形成的含有大量有機質的沉積物質［1 ］。而這種固廢沒有被有效利用，多采用露天堆放的處理方式，既占用了大量土地，又對環境造成了危害，還制約了油頁巖工業的發展。油頁巖廢渣按照不同的利用方式可分為油頁巖灰渣和油頁巖半焦。油頁巖半焦的量占油頁巖處理量的60%～80%［2 ］，含有豐富的有機質和無機營養物質，是復混肥理想的添加物料，通過添加這種半焦的復混肥，可以保水增肥、改善土壤特性、促進作物生長進而提高產量等特點［3 - 5 ］。目前，有關油頁巖的研究多針對灰渣方面［6 - 10 ］，對油頁巖半焦的研究主要集中于燃燒特性方面［11 - 16 ］，而在農業上的研究較少，并且對其物理、化學性狀還不了解，尤其是在土壤中的變化、對土壤環境的影響以及是否對作物生長、產量和品質有積極作用尚不清楚。為此，我們通過在玉米田施用油頁巖半焦生物炭研究其對玉米田土壤理化性狀和玉米生長發育的影響，綜合評定油頁巖半焦生物炭在農業中利用的效果和可行性，以期為油頁巖半焦生物炭進一步提升農業屬性價值提供科學依據。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗區概況

試驗于2020年在甘肅省農業科學院張掖節水試驗站（100° 26′ E，38° 56′ N）進行。該站海拔1 571 m，光熱資源豐富，屬于典型的西北內陸河灌溉區。降水量120～200 mm，蒸發量2 048 mm，地下水位100 m以下，年均氣溫7 ℃，年平均日照時數3 085 h，干旱指數達10.3，≥0 ℃積溫? ? ? 3 388 ℃，≥10 ℃積溫1 963.4～4 032.3 ℃。試驗區土壤質地為中壤灌溉土，耕層土壤含有機質18.03 g/kg、堿解氮54.63 mg/kg、速效磷12.13 mg/kg、速效鉀223.17 mg/kg，0～160 cm土層平均容重1.43 g/cm3，pH 8.46。

1.2? ?供試材料

供試油頁巖半焦生物炭（堿解氮為65.0 mg/kg，速效磷為6.22 mg/kg，速效鉀為253.56 mg/kg，有機質為390.8 g/kg，pH 8.74）由窯街煤電集團有限公司生產提供。指示玉米品種為先玉335，由甘肅省農業科學院提供。

1.3? ?試驗設計

試驗共設6個處理：BC1，油頁巖半焦生物炭20 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；BC2，油頁巖半焦生物炭40 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；BC3，油頁巖半焦生物炭60 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；BC4，油頁巖半焦生物炭80 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；OP，不施油頁巖半焦生物炭，施N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；CK，不施肥。100%油頁巖半焦生物炭、100%磷肥、20%氮肥作為基肥一次性施入，其余的氮肥于拔節期、抽雄期、灌漿期分別隨水滴施30%、30%、20%。試驗采用隨機區組設計，重復3次，小區面積42 m2（7 m×6 m）。采用膜下滴灌水肥一體化灌溉模式，全生育期滴水定額3 600 m3/hm2，滴水8次，分別在拔節期、大喇叭口期、抽雄后、灌漿期各滴2次，滴水量分別為滴水定額的10%、10%、15%、15%、15%、15%、10%、10%。各處理滴水時間、施肥時間以及氮、磷肥施用量均相同，其他田間管理同大田。

1.4? ?測定項目及方法

1.4.1? ? 土壤容重? ? 土壤容重采用環刀法取樣測定。于玉米播種前（4月23日）、收獲后（10月3日）測定0～20 cm、20～40 cm土層土壤容重，計算孔隙度，公式如下：

土壤孔隙度=［1-（容重/密度） ］×100%。

毛管孔隙度=［（充滿毛管水的濕土重-同體積土壤干土重）/土壤體積］×100%

1.4.2? ? 土壤養分? ? 玉米收獲后測定0～20 cm土層的土壤pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、水溶性鈣、水溶性鎂、有效鐵、有效鋅、有效硼等土壤理化指標［16 ］。

1.4.3? ? 土壤水分? ? 在玉米各生育關鍵期（拔節期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期、乳熟期、成熟期），采用烘干法測定玉米田0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm土層的土壤含水率，成熟期檢測土壤剖面含水量，并計算土壤不同深度儲水量，公式如下。

式中，Qi為第 i層土壤含水率；γi 為第 i 層土壤容重；hi為第 i 層土壤厚度；n為測土壤含水率時的層序。

1.4.4? ? 玉米生長發育及產量指標? ? 分別在苗期、拔節期、大喇叭口期、灌漿期、成熟期，每小區隨機抽取10株樣進行地上部植株測定。成熟后每小區隨機抽取10株考種，小區單收計產。

1.5? ?數據處理與分析

數據采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行統計分析。

2? ?結果與分析

2.1? ?油頁巖半焦生物炭對土壤物理性狀的影響

由表1可知，隨著油頁巖半焦生物炭施入量的增加，土壤孔隙度和毛管孔隙度表現為先升后降的趨勢。施入油頁巖半焦生物炭各處理的土壤孔隙度較播前增加-11.05%～4.08%、較CK增加-10.87%～4.28%、較OP增加-10.61%～4.59%，其中處理BC2最高，為53.80%；其次是BC1，為52.90%；處理BC4最低，為45.98%。處理BC1和BC2與處理BC4差異顯著，與其余處理差異不顯著；BC4與BC3處理差異不顯著，與其余處理差異顯著。毛管孔隙度較播前增加-6.70%～3.74%、較CK增加-8.30%～1.97%、較OP增加-8.10%～2.19%，其中處理BC1最高，為47.68%；其次是BC3，為46.50%；處理BC4最低，為42.88%。處理BC1和BC3與處理BC4差異顯著，與其余處理差異不顯著。土壤容重較播前降低2.21%～8.82%、較CK降低0～6.77%、較OP降低1.48%～8.15%，其中處理BC4最高，為1.33 g/cm3；其次是BC3，為1.31 g/cm3；處理BC2最低，為1.24 g/cm3。處理間差異不顯著。說明施入油頁巖半焦生物炭20～40 t/hm2后可增加土壤孔隙度，能夠保持作物對養分的攝取。

2.2? ?油頁巖半焦生物炭對土壤養分含量的影響

由表2可知，施入不同量的油頁巖半焦生物炭對土壤pH有顯著的影響。隨著油頁巖半焦生物炭施用量的增加，土壤pH呈先降后升的趨勢，施用油頁巖半焦生物炭的4個處理較CK下降了4.73%～7.84%。BC1與BC2差異顯著，與BC3、 BC4差異不顯著。土壤有機質是衡量土壤肥力的重要指標之一，不同油頁巖半焦生物炭施用量對土壤有機質含量有顯著的影響，隨著油頁巖半焦生物炭施用量的增加，有機質含量顯著上升（P < 0.05），土壤有機質較CK增加了20.78%～82.95%，較OP增加了24.29%～88.26%。收獲后各處理的土壤全氮、全磷、全鉀含量變化明顯，總體上，施肥處理較CK有一定的增加，且施用油頁巖半焦生物炭后土壤全氮、全磷、全鉀顯著增加。與處理OP相比，土壤全氮增加6.25%～20.83%、全磷增加0～25.51%、全鉀增加0.92%～2.63%。土壤全氮、全磷、全鉀含量變化較為明顯，隨著油頁巖半焦生物炭施用量提高，全氮、全磷最高值均在生物炭用量最高的處理中獲得。隨著油頁巖半焦生物炭的增加，土壤堿解氮、速效磷、速效鉀表現為先升后降再升的趨勢。總體而言，施用油頁巖半焦生物炭后，土壤堿解氮含量較處理OP增加-7.40%～14.21%，土壤速效磷增加-30.27～80.37%，土壤速效鉀增加-12.87%～115.07%。

2.3? ?油頁巖半焦生物炭對土壤中微量元素的影響

油頁巖半焦生物炭中含有少量的微量元素，在土壤中施用后也會對土壤微量元素含量產生一定的影響（表3）。與CK相比，施入油頁巖半焦生物炭處理的土壤水溶性鈣含量有所增加，水溶性鎂含量變化不大，土壤有效鐵含量、土壤有效鋅含量（BC1除外）、土壤有效硼含量（BC2除外）均有所減少。與處理OP相比，隨著油頁巖半焦生物炭用量的增加，土壤中水溶性鈣含量增加了61.11%～255.56%，土壤有效鐵、有效鋅分別增加-6.25%～6.51%、-1.23%～16.05%，水溶性鎂和有效硼含量變化不大。

2.4? ?油頁巖半焦生物碳對玉米產量及生長發育的影響

從表4看出，隨著油頁巖半焦生物碳施用量的增加，穗長、穗粒數呈先升后降的趨勢，而禿頂長呈逐漸增加的趨勢，株高和穗位高變化不明顯。玉米產量以處理BC3最高，達17 681.40 kg/hm2，較CK增產20.10%；處理BC1最低，為15 048.00 kg/hm2，較CK增產2.21%。可見，在油頁巖半焦生物炭施用量為60 t/hm2時，玉米產量最高；而施用量為20、80 t/hm2時，產量較低。進一步分析投入量與產量的關系，以油頁巖半焦生物炭施用量為自變量，玉米產量為因變量的二次方程為y = -1.012x2+ 101.2x+14 281（R2=0.654），差異達顯著水平，得出玉米最大產量為16 811.00 kg/hm2，油頁巖半焦生物炭最佳投入量為50 t/hm2。從群體的角度看，由于穗粒數的增多，而使群體籽粒產量在一定的范圍內隨施用量的增加而增高。當施用量過高時，群體的籽粒產量又降低。原因是生物碳投入量過高時，群體內的出苗率降低，致使籽粒產量出現逐漸降低的現象。

2.5? ?油頁巖半焦生物炭對土壤水分的影響

由圖1可以看出，施用油頁巖半焦生物炭對各處理玉米生育各關鍵期0～100 cm土層的土壤含水率的影響顯著。其中，拔節期，處理BC1土壤含水率低于其他處理。大喇叭口期，處理BC1、處理BC2、處理BC4較CK分別增加4.74%、6.95%、12.40%，處理BC4較OP增加5.04%。抽雄期，處理BC1、處理BC2較CK分別增加3.69%、1.08%，較OP分別增加6.35%、4.04%。灌漿期，處理BC1較CK增加4.34%，處理BC1、處理BC2、處理BC3、處理BC4較OP分別增加15.54%、4.19%、11.19%、1.86%。乳熟期，處理BC1、處理BC2、處理BC4較CK分別增加13.19%、21.56%、0.94%，處理BC1、處理BC2較OP分別增加11.16%、19.38%。成熟期，處理BC3較CK增加0.88%。可見，各處理玉米生育各關鍵期0～100 cm土層的土壤含水率均較CK有不同程度的增加。

施用油頁巖半焦生物炭后，0～100 cm土層土壤儲水量有顯著提升。施入生物炭的土壤儲水量較CK增加18.85%～30.57%；較OP增加13.66%～24.87%（表5）。隨著油頁巖半焦生物炭施用量的增加，土壤儲水量呈先升后降的趨勢，處理BC2最高，為341.05 mm；處理BC3略有下降，施炭量最高的處理BC4下降明顯。

3? ?討論與結論

油頁巖半焦是油頁巖干餾提煉頁巖油過程中產生的副產品，富含有機物質、植物所必需的微量元素和其他的有機養分，并且高溫下形成了較高的孔隙度，能夠保持作物對養分的攝取。有研究發現，將油頁巖灰渣施入輕粘性土壤后，增加了土壤孔隙度，顯著提高土壤中鉀的含量［17 ］。周曉瑩等［18 ］在分析油頁巖在農業中的潛能中提出增施油頁巖對土壤起到了保肥的作用，能夠平衡土壤養分。周曉瑩等［19 ］的研究表明，用油頁巖與沙復配后，可以增加土壤孔隙度和土壤含水量，降低土壤容重。本研究結果也表明，施用油頁巖半焦后土壤物理性狀發生了顯著的變化，相對于初始狀態，土壤容重下降2.21%～8.82%、土壤孔隙度增加-11.05%～4.08%、毛管孔隙度增加-6.70%～3.74%。說明施用油頁巖半焦改善了土壤的緊實度，降低了土壤容重，顯著提升土壤肥力水平，并且施用量越大土壤有機質含量增加越顯著。可以預見，在對較為瘠薄土壤進行改良時，油頁巖半焦生物炭能夠作為一個有效的添加劑可在短期內實現土壤有機質含量的提升。土壤0～100 cm 土層土壤儲水量顯著提升，施用油頁巖半焦較不施肥處理增加了18.85%～30.57%，其原因一方面與灌溉方式、灌溉量不同有關，同時也與作物生長時吸收水分有聯系，還與生物炭施用后土壤容重發生變化有關，說明施用油頁巖半焦生物炭后增加了土壤的持水力，顯著提高了土壤的含水量；土壤速效養分含量與土壤當季施肥狀況有很大關系，施肥后，土壤速效養分均有較大幅度提升。同時油頁巖半焦生物炭也會對其產生較大影響，一般而言，隨著生物炭含量增加，土壤速效養分含量提高。本試驗中施入油頁巖半焦生物炭后，土壤全氮較施肥但不施油頁巖半焦的處理增加6.25%～20.83%，土壤全磷增加0～25.51%，土壤全鉀增加0.92%～2.63%，土壤有機質增加24.29%～88.26%，土壤堿解氮增加-7.40%～14.21%，土壤速效磷增加-30.27～80.37%，土壤速效鉀增加了-12.87%～115.07%。綜上所述，說明增施油頁巖半焦可以顯著提升土壤肥力水平，提高土壤持水性能，同時明顯改善了土壤理化性質，促進作物生長。

油頁巖中含有作物所必需的營養物質，前人將油頁巖用于多種作物中結果表明，增施油頁巖可促進小麥、玉米、高粱、大豆等作物生長，提高作物產量［17， 20 - 21 ］。關冰等［22 ］研究結果表明，油頁巖添加在風沙中能夠促進花生生長發育，產量增高。李杰穎［20 ］添加油頁巖廢渣2 250 kg/hm2時能夠促進玉米的生長，并且效果最好。張亞建等［23 ］通過將油頁巖加入生物有機肥中，能夠提高作物產量、明顯改善品質。劉曄等［23 ］研究發現，施用一定量的油頁巖廢渣后將促進大豆生長發育，提高產量，但隨著施用量的增加，增產效果會下降。本研究結果表明，玉米產量在一定的范圍內隨油頁巖半焦施用量的增加而增高，當施用量過高時，群體的籽粒產量又降低。玉米最高產量在油頁巖半焦投入量為60 t/hm2時取得，產量達到17 681.4 kg/hm2，相對于不施油頁巖的處理，增產20.10%。這與關冰等［20 ］、李杰穎［21 ］、張亞建等［22 ］、劉曄等［23 ］的研究結果一致。

綜上所述，施用一定范圍的油頁巖半焦生物炭可以明顯改善土壤物理化學性狀，促進作物生長，進而提高作物產量。

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