生物炭对土壤理化性质及春小麦产量的影响研究*

张 宏，李俊华*，高丽秀，褚贵新，罗 彤，李 博

（石河子大学农学院，新疆 石河子 832000）

生物炭对土壤理化性质及春小麦产量的影响研究*

张 宏，李俊华*，高丽秀，褚贵新，罗 彤，李 博

（石河子大学农学院，新疆 石河子 832000）

为探索生物炭短期施用对滴灌春小麦产量及土壤肥力的影响，本试验通过田间试验对土壤容重、养分及春小麦产量等进行了研究，并利用主成分分析将14个单项指标转化为4个相对独立的综合指标，对各处理提高小麦产量和土壤肥力的能力进行了综合评价。结果表明，与不施肥相比，生物炭对土壤肥力的影响不显著。通过主成分分析，处理NP +B6的综合评价值最大，为0.805，说明处理NP+B6在短期内提高土壤肥力和小麦产量的能力最强。

生物炭；滴灌春小麦；产量；土壤肥力；主成分分析

土壤的理化性状和土壤中养分与水分的运移决定土壤供给作物养分的能力和作物产量的形成[1]。农业生产过程中的施肥、耕作等措施直接改变了土壤肥力，影响农田的生产力及稳定性[2]。因此，加强土壤理化性状的研究不仅是学科发展的需要，也是保持和提高土壤质量、保护和改善生态环境、促进国民经济健康、稳定和协调发展的基础。

滴灌水肥一体化是一项环境友好的精准农业技术，其可以控制灌水量、施肥量和灌溉施肥时间，利用滴灌系统把肥料输送到作物根部周围，可以提高肥料利用率并减少化肥消耗量[3]。生物炭（Biochar）一般指生物质在缺氧和相对“较低”（＜700℃）温度条件下热解而形成的具有减缓土壤酸化、减少土壤中无机态氮的淋溶及为土壤微生物提供营养元素和栖居场所的潜能的固体产物[4]。

生物炭可以增加土壤pH值、阳离子交换量（CEC）和土壤有机碳（SOC），减少土壤容重，增强土壤对碳的固定，减缓CH4和NH3的释放和挥发，增加作物产量[5-7]。也有研究表明，生物炭对促进作物增产并没有显著的影响[8-9]。Marcus[10]研究结果表明，生物炭对土壤含水量、孔隙度、田间持水量、植株可利用的有效水分、团聚体稳定性和永久凋萎点没有显著的影响。

目前，在国外关于生物炭的研究很多，但在国内还很缺乏，并且关于生物炭的研究结果仍存在着争议，同时，对于生物炭的施用量和滴灌条件下生物炭的研究甚少。为此，本文在研究滴灌春小麦产量及0～40 cm土壤肥力的基础上，采用主成分分析和隶属函数相结合的方法，对各施肥方式提高滴灌春小麦产量和土壤肥力进行了综合评价，旨在寻求生物炭短期施用对提高作物产量和培肥地力的影响，以及较佳的生物炭施用量，以提高土壤肥力，维持土壤的持续生产力。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验始于2013年，在石河子大学农学院试验站进行。土壤类型为灌溉灰漠土，质地为壤土。采集土壤深度为0～40 cm。土壤经风干、磨碎、过2 mm筛后备用。土壤基本理化性质：有机质13.35 g/kg，有效磷7.62 mg/kg，碱解氮55.89 mg/kg，pH值为7.88。生物炭以棉花秸秆在高温（550～600℃）厌氧条件下热解制备。

1.2 试验设计

试验设6个处理：（1）不施肥处理（CK）：不施基肥和追肥；（2）常规施肥（NP）：纯氮270 kg/hm2，氮肥为尿素120 kg/hm2，磷肥为磷酸一铵；（3）常规 +精制有机肥6 t/hm2（NP+M6）；（4）常规+生物炭3 t/hm2（NP+B3）；（5）常规+生物炭 6 t/hm2（NP+ B6）；（6）常规+生物炭18 t/hm2（NP+B18）。每个处理重复3次，每个小区宽2.4 m，长6 m，采用随机区组排列。氮肥和磷肥随水滴施，有机肥和生物炭均作基肥一次性施用。

1.3 土壤处理与作物管理

试验地在秋季采用传统的旋耕机翻耕，春季播种前进行人工翻地。灌溉方式为滴灌，种植作物为新春6号。试验期间根据试验要求进行施肥。20%的氮肥作为基肥施入土壤，根据小麦不同生育期对肥料的需求情况，将80%的氮肥和全部磷肥按比例作为追肥滴灌施入。春小麦于2013年3月26日播种，7月15日收获。

1.4 调查内容与方法

1.4.1 土壤养分含量

小麦收获后（2013年7月15日），于各小区选取5个样点，分别取0～20 cm和20～40 cm土层土样，测定土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和有效磷的含量[11]。

1.4.2 小麦产量构成

小麦成熟后，每个小区选取代表样点，连续取20株小麦和1 m×1 m样方，分别进行考种和测定小麦有效穗数，人工脱粒，籽粒风干，水分控制在10%左右，测定小麦产量。

1.5 数据分析

试验数据采用SPSS 13.0数据分析软件进行单因素方差（ANOVA）分析，用Duncan新复极差法进行显著性检验（p＜0.05），Excel 2007作图。

各处理综合指标的隶属函数值计算[12-13]式中，Zj表示第j个综合指标；Zmin表示第j个综合指标的最小值；Zmax表示第j个综合指标的最大值。

各综合指标的权重计算如下式中，Wj表示第j个综合指标的权重；Pj为各处理第j个综合指标的方差贡献率。

各处理综合评价值的计算如下式中，D值为各处理的综合评价值。采用SPSS 13.0数据分析软件进行主成分分析。

表1 不同处理0～40 cm土层土壤养分 g/kg

2 结果与分析

2.1 不同处理的土壤养分

由表1可知，0～20 cm土层有机质含量随着生物炭施用量的增加而增加；20～40 cm土层，NP+ B6处理有机质含量最高。0～20 cm土层，NP+B6处理全氮含量最高；20～40 cm土层，NP处理和NP +M6处理全氮最高。与CK相比，各处理两土层的全磷含量均增加，而NP+B6处理土层的全磷含量最高，说明土壤中全磷含量并不随生物炭施用量的增加而增加，生物炭6 t/hm2的施用量更有利于提高土壤全磷含量。各处理有效磷含量均比CK高。0～20 cm土层，NP+M6处理的有效磷含量最高，处理间差异不显著。20～40 cm土层处理NP有效磷含量最高，处理间差异不显著。可见，与CK相比，虽然各处理有效磷含量差异不显著，但在不同程度上提高了土壤有效磷的含量。0～20 cm土层，碱解氮含量随着生物炭施用量的增加而减少，NP+B3处理含量最高；20～40 cm土层，NP处理碱解氮含量最高。不同施肥对土壤有机质含量、全氮含量、全磷含量和有效磷含量的影响见表1。

2.2 不同施肥方式下滴灌春小麦产量及构成

表2 春小麦产量及其构成的影响

不同施肥方式对滴灌春小麦产量及构成影响不同（见表2）。除CK外产量随着有效穗数的增加而增加。与CK相比，其他处理的有效穗数、穗粒数和产量均与CK存在显著差异性（p＜0.05），处理NP+ B3的穗粒数最多，处理NP+B18次之，分别较CK增加55.2%和43.2%。处理NP+M6的产量最高，处理NP+B3次之，分别较CK高39.2%和33.0%，以处理NP+M6增产效果最佳。

2.3 各指标的相关性

从各指标的相关系数矩阵（表3）得知，各指标间存在着显著或极显著的相关性，说明所提供的信息之间易发生重叠，因此，直接利用这些信息不能准确评价各施肥方式对滴灌春小麦产量和土壤肥力的影响需进行进一步的分析。

2.4 最优化的施肥处理的筛选

表3 各指标的相关系数矩阵

表4 方差贡献率和累计贡献率

表5 4个主成分的系数矩阵

对14个筛选指标进行主成分分析，前4个综合指标的方差贡献率分别为 43.785%、24.368%、18.847%和9.634%，累计贡献率为96.634%（表4），故其余可忽略不计，因此，原来的14个单项指标可以转化为4个相互独立的综合指标，分别定义为第1、2、3、4主成分。由载荷矩阵中的数据得到对应的4个主成分的系数矩阵，见表5。

在第一主成分中，20～40 cm土层的全氮和穗粒数的特征向量最大，为0.38，依次是20～40 cm土层的全磷、有效磷和产量，20～40 cm土层的有机质和0～20 cm土层的碱解氮，以及0～20 cm土层的全磷，所以，此主成分可以归纳为0～20 cm土层的全磷、碱解氮，20～40 cm土层的有机质、全磷、有效磷、全氮以及穗粒数和产量。

第二主成分中，0～20 cm土层的全氮的特征向量最大，为0.52，依次为20～40 cm土层的碱解氮，0～20 cm土层的全磷以及20～40 cm土层的有机质，故此主成分可以归纳为0～20 cm土层的全氮和全磷，20～40 cm土层的碱解氮和有机质。

在第三主成分中，千粒重的特征向量最大，为0.55，其次是0～20 cm土层的有效磷，而有效穗数的特征向量最小，为-0.39，说明植株通过减少有效穗数来增加千粒重，此主成分可归为植株地上部的适应性和0～20 cm土层的有效磷。

第四主成分中，0～20 cm土层的有机质的特征向量最大，为0.63，其次是0～20 cm土层的全磷和有效穗数，此主成分归为0～20 cm土层的有机质和全磷以及有效穗数。

2.5 各施肥方式的综合评价

2.5.1 隶属函数分析

根据公式（1）计算每个处理各综合指标的隶属函数值，即u值（表6）。对于第一综合指标，处理NP +B6的u值最大，为1.000，处理CK的u值最小，为0.000，说明处理NP+B6在第一综合指标上更能提高小麦产量和土壤肥力，CK提高小麦产量和土壤肥力的能力最弱。同理，在第二综合指标中，处理NP+B6提高小麦产量和土壤肥力的能力最强；第三综合指标中处理NP+B18最强；第四综合指标中处理NP+B6最强。

2.5.2 权重的确定

根据各综合指标方差贡献率的大小 （分别为43.785%、24.368%、18.847%、9.634%），用公式（2）计算权重（表6）。

2.5.3 综合评价

根据公式（3）计算各处理的综合评价值，即D值（表6），并根据D值的大小进行排序，由表6得知，处理NP+B6的D值最大，为0.805，CK的D值最小，说明处理NP+B6提高小麦产量和土壤肥力的能力最强，CK的提高小麦产量和土壤肥力的能力最弱。

表6 各处理的综合指标值(Fi)、指标权重、U值、D值及排名

3 小结

就短期而言，生物炭对滴灌春小麦产量和0～40 cm土壤肥力没有显著影响。通过主成分分析，处理NP+B6的综合评价值，即D值最大，为0.805，说明处理NP+B6为较佳施肥方式。

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2015—05—05

国家科技支撑计划项目（2012BAD42B02），国家自然科学基金项目（31360501）和石河子大学高层次人才项目（RCZX201132）

*

：李俊华（1972-），男，陕西汉中人，教授，研究方向为新型肥料与现代施肥技术。E-mail：ljh630703@163.com。