棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响

孙宁川，唐光木，徐万里，韩启龙，罗志明，高永建

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆沙湾县农业技术推广中心，新疆沙湾 834700)

棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响

孙宁川1，唐光木1，徐万里1，韩启龙1，罗志明2，高永建2

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆沙湾县农业技术推广中心，新疆沙湾 834700)

【目的】新疆是我国最大的商品棉生产基地，部分主产区连作时间长，棉秆还田对土壤带来了一定的病虫害，研究棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响，为棉花秸秆制备生物炭或生物炭基肥再返还到棉田提供依据。【方法】棉花秸秆长度控制在8～12 cm，在缺氧的环境下燃烧制炭。棉秆炭与化肥按一定的比例加工炭基肥,通过田间试验进行验证。【结果】与对照处理相比，生物炭处理与炭基肥处理提高花蕾数38%、92.3%，果苔数都提高25%，总生物量分别提高25.8%、39%，生物炭处理比对照增产28.9%，炭基肥处理比对照增产25.1%；棉花产量生物炭处理与炭基肥处理比较差异不显著(P<0.05)。【结论】生物炭处理、炭基肥处理、对照处理的株高、SPAD值比较差异不显著，炭基肥处理与对照处理的花蕾数、果苔数比较差异不显著，而生物总量、产量有极显著提高，生物炭处理多项指标表现最好。

棉花秸秆；生物炭；炭基肥；棉花产量

0 引 言

【研究意义】新疆维吾尔自治区位于中国西北边陲，跨E73°40′～96°23′，N34°25′～49°10′，总面积166×104km2。横亘新疆中部的天山把它分为南北两半，习惯上称天山以南为南疆，天山以北为北疆。由于新疆特殊的地理位置，使得它拥有了得天独厚的气候资源，全年日照时间平均为2 600～3 400 h,积温为3 000～4 000℃。棉花是一种好热喜光的作物，其生育在120～145 d，新疆长时间的日照，充足的积温以及长无霜期给棉花的生长创造了非常有利的条件。新疆棉花种植面积占全国的30%～40%。大部分地区棉花秸秆进行了还田，棉花秸秆还田补充了土壤损失的有机质、矿物质元素。但随着棉田连作年数的增加，棉花土传病害烂根病、枯萎病、黄萎病等病情指数呈上升趋势。所以不少农户为了防止病虫害，将棉花秸秆当作废物丢弃或明火燃烧。棉花秸秆还田会令土壤中含有大量的碳元素，但是这些碳相对而言是不稳定的，受气候影响很大，一旦遇到像农耕这样的变化，土壤就会释放出CO2。而棉花秸秆制成生物炭可以稳定地将碳元素固定在土壤50～100 a,甚至更大其中的碳元素被矿化后很难再分解。【前人研究进展】生物炭是在低氧环境下，通过高温裂解将木材、草、玉米秆或其他农作物废物碳化形成的稳定固体物质被称为“生物炭”[1,2]。生物炭具有高度芳香化结构,使其有较高的生物学和化学惰性,表现出一定的稳定性，同时生物炭具有较高的比表面积和羧基、羟基、酚羟基等多种功能团,具有较强的吸附能力和保肥功能,能吸持环境中的污染物质[3],其含有作物所需的N、P、K、Ca、Mg等营养元素，也可以用作改良剂提供土壤肥力[4,5]。生物炭具有很高的稳定性，在土壤中不易被微生物分解[5,6]。吴凤芝等[7]曾报道，随着作物连作年限的增加，土壤中过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性显著降低。孙伟等[8]研究报道，连作棉田加入活性炭土壤脲酶、蔗糖酶、氧化氢酶和多酚氧化酶活性有不同程度的升高，说明活性炭可吸附根系分泌物中的化感物质，缓解了根系分泌物的毒害作用，生物炭还田降低大气CO2浓度，将生物质中50%左右的碳素固定在土壤中[9]，有望成为人类应对全球气候变化的一条重要途径[10-12]。【本研究切入点】把棉花秸秆制成棉秆生物炭，应用到棉田对棉花生长及产量的影响，同时考虑到生物炭质地轻，呈粉末状，占空间大，运输和贮存成本较高，而且在农田施用过程中也存在施用不便、粉尘污染等困难，限制了生物炭的农业推广和利用[13]。根据生物炭的特性，可以把棉花秸秆炭看做是纯天然的、有机的并且是生产缓效肥很好的原材料，按照棉花的需肥规律配制炭基专用肥来研究探讨对棉花生长及产量的影响，研究表明：炭基肥料[14-15]是利用生物炭与其他肥料混合制成的长效肥料。【拟解决的关键问题】生物炭施入农田，利用自身超强的吸附性把土壤中作物生长所需的营养元素吸附在其周围，可以防止肥料的流失而达到缓释的效果[12]，达到棉花增产增收的目的，为棉秆炭以及棉杆炭基专用肥在生产实践中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区沙湾县位于新疆西北部，准噶尔盆地南缘，天山北麓，东距乌鲁木齐 185 km，是一个以农业为主、农牧结合的农业大县，境内水土、光热等自然资源丰富，是塔城地区乃至北疆片区棉花、粮油、蔬菜、林果等生产供应基地。全县现有耕地5.7×104hm2，还有分布在广大农区的夹荒地近6.7×104hm2。全县气候干燥，昼夜温差大，夏季酷热，冬季严寒，四季冬夏季长、春秋季短。气象要素随高度变化明显。平原地区由北至南年平均气温6.3～6.9 ℃,降水量140～200 mm,年蒸发量1 500～2 000 mm,年日照时数2 800～2 870 h,≥10℃积温3 400 ～3 600 ℃，无霜期170～190 d。

1.2 材 料

1.2.1 棉花秸秆生物炭的制取

棉花秸秆生物炭制备方法：选用THI-Ⅱ-B环保型炭化炉，把棉花秸秆打碎成8～12 cm，秸秆水分<30%，在缺氧的环境下燃烧，点燃秸秆使之长时间无焰燃烧，逐步添加秸秆，每次在燃烧炉添加完秸秆，控制秸秆的密度后盖盖，每炉烧好后的碳出炉时及时用水浇灭所有火星，碳晾干或烘干后的碳水分<15%装袋备料。

1.2.2 棉花秸秆生物炭基肥的制备

棉花秸秆生物炭基肥配方中所有材料处理成粉状，其中石膏>100目、膨润土>100目，棉秆生物炭原料粉碎到20目。棉花秸秆生物炭基肥总养分含量>32%(N∶P2O5∶K2O=11∶15∶6)，每100 kg棉花专用生物炭基肥不同原料的添加量：磷酸铵(P2O5-44、N-11)34.1 kg、尿素15.7 kg、硫酸钾(K2O-50)12 kg、硫酸锌1.5 kg、硼酸1.5 kg，生物炭18 kg、石膏与膨润土17.2 kg，每个材料按上述配比充分混合均匀后，然后用挤压造粒机造粒。

1.3 方 法

1.4 数据统计

数据统计分析应用SSPS Statistics17.0与Duncan软件，制图用Excel 2007软件。

2 结果与分析

2.1 不同处理棉花花蕾数、果苔数

研究表明，花蕾数比较: 对照、炭基肥、生物炭的均值分别为13、18、25个，均值由高到低生物炭>炭基肥>对照，对照与炭基肥比较差异不显著(P<0.01)，生物炭与炭基肥、对照分别比较差异达到极显著P<0.01)，棉花花蕾数生物炭比炭基肥、对照分别提高38%、92.3%；果苔数比较：对照、炭基肥、生物炭的均值分别为8、8、10，对照与炭基肥比较差异不显著，生物炭与炭基肥、对照分别比较差异达到极显著(P<0.01)，棉花果苔数生物炭比炭基肥、对照都提高25%。图1

图1 不同处理棉花花蕾数和果苔数比较

Fig.1 Different treatment of cotton buds and fruit branch comparison

2.2 不同处理棉花根重、茎重、花铃重、叶片重、总的生物量干重

研究表明，根重比较：对照、炭基肥、生物炭的均值分别为5.95、8.19、9.55(g)，均值由高到低生物炭>炭基肥>对照，对照与炭基肥、生物炭比较差异达到极显著，生物炭与炭基肥比较差异不显著，棉花根重生物炭、炭基肥比对照分别提高60.5%、16.6%。

茎重比较：对照、炭基肥、生物炭的均值分别为13.94、19.57、27.03(g)，均值由高到低生物炭>炭基肥>对照，对照与炭基肥、生物炭比较差异达到极显著(P<0.01)，炭基肥与生物炭比较差异达到极显著(P<0.01)，棉花茎重生物炭比炭基肥、对照分别提高38.1%、93.9%；炭基肥比对照提高40.4%。

花铃重比较：对照、炭基肥、生物炭的均值分别为18.87、22.06、32.26(g)，均值由高到低生物炭>炭基肥>对照，对照、炭基肥比较差异不显著，生物炭、对照与炭基肥分别比较差异达到极显著(P<0.01)，棉花花铃重生物炭比炭基肥、对照分别提高46.2%、71%。

叶片重比较：对照、炭基肥、生物炭的均值分别为13.95、19.69、23.88(g)，均值由高到低生物炭>炭基肥>对照，对照与炭基肥、生物炭比较差异达到极显著(P<0.01)，炭基肥与生物炭比较差异达到极显著(P<0.01)，棉花叶片重生物炭比炭基肥、对照分别提高21.3%、71.2%；炭基肥比对照提高41.2%。

总生物量=根重+茎重+叶片重+花铃重，总生物量比较：对照、炭基肥、生物炭的均值分别为50.81、70.64、88.89(g)，均值由高到低处生物炭>炭基肥>对照，对照与炭基肥、生物炭比较差异达到极显著(P<0.01)，炭基肥与生物炭比较同样差异达到极显著，棉花总生物量(干重)生物炭比炭基肥、对照分别提高25.8%、74%；炭基肥比对照提高39%。图2

图2 不同处理棉花根、茎、花铃、叶重及总生物量比较

Fig 2 Different treatment of cotton root weight, stem weight, flower bell weight, leaf weight, total biomass dry weight

2.3 不同处理棉花茎粗和株高

研究表明，不同处理单株茎粗比较：对照、炭基肥、生物炭的均值分别为9.99、10.96、11.39(mm)，均值由高到低生物炭>炭基肥>对照，对照与炭基肥、生物炭比较差异达到极显著(P<0.01)，炭基肥与生物炭比较差异不显著,棉花单株茎粗生物炭比对照提高14%；炭基肥比对照提高9.7%。

不同处理单株株高比较：对照、炭基肥、生物炭的均值分别为80.47、83.37、85.57cm，株高均值由高到低生物炭>炭基肥>对照，其中三个处理相互比较差异不显著。表1

表1 不同处理棉花单株茎粗和株高比较

Table 1 Different processing cotton plant stem diameter and height comparison

茎粗Stemdiameter(mm)株高Plantheight(cm)对照Controltreatment炭基肥Carbonbasefertilizer生物炭Biochar对照Controltreatment炭基肥Carbonbasefertilizer生物炭BiocharⅠ10 1210 8211 681 980 288 1Ⅱ10 1210 7711 3878 286 682 9Ⅲ9 7411 2811 1981 380 388 7均值Mean9 99±0 22Bb10 96±0 28Aa11 39±0 21Aa80 47±1 99a82 37±3 67a86 57±3 19a

注：不同大写字母代表极显著性比较，不同小写字母代表显著性比较，下同

2.4 不同处理棉花单株叶面积和SPAD值

不同处理单株叶面积研究表明，对照、炭基肥、生物炭的均值分别为0.17、0.23、0.25()，均值由高到低生物炭>炭基肥>对照，其中对照与炭基肥、生物炭比较差异达到极显著(P<0.01)，炭基肥与生物炭比较差异不显著, 棉花单株叶面积生物炭比对照提高47.1%，炭基肥比对照提高35.3%；SPAD值表明，对照、炭基肥、生物炭的均值分别为61.12、60.09、61.3，均值由高到低生物炭>对照>炭基肥，其中三个处理相互比较差异不显著。表2

表2 不同处理棉花单株叶面积和SPAD值比较

Table 2 Different treatment of cotton leaf area and SPAD value comparison

单株叶面积Plantleafarea(m2)SPAD值SPADvalues对照Controltreatment炭基肥Carbonbasefertilizer生物炭Biochar对照Controltreatment炭基肥Carbonbasefertilizer生物炭BiocharⅠ0 190 260 2463 5858 4360 53Ⅱ0 140 20 2760 0160 7961 21Ⅲ0 170 240 2459 7861 0662 17均值Mean0 17±0 025Bb0 23±0 031Aa0 25±0 017Aa61 12±2 13Aa60 09±1 45Aa61 3±0 82Aa

2.5 不同处理棉花产量

不同处理棉花产量研究表明，对照、炭基肥、生物炭的均值分别为5 204.1、6 508.4、6 705.9(kg/hm2)，均值由高到低生物炭>炭基肥>对照，其中对照、炭基肥、生物炭比较差异达到极显著(P<0.01)，炭基肥与生物炭比较差异不显著，炭基肥比对照增产25.1%，生物炭比对照增产28.9%。表3

表3 不同处理棉花产量比较(kg/hm2)

Table 3 Comparison of different treatment cotton production

对照Controltreatment炭基肥Carbonbasefertilizer生物炭BiocharⅠ5079 56552 56373 9Ⅱ5079 86317 16814 9Ⅲ5328 36655 56928 8均值Mean5204 1±175 7Bb6508 4±173 5Aa6705 9±293 1Aa

3 讨 论

棉花秸秆生物炭同其他生物炭如水稻秸秆炭、小麦秸秆炭、竹炭、木炭等比重不同，理化指标不同，棉花植株中钾的含量远大于以上其他秸秆炭的含量。从原材料性价比上看，水稻秸秆、小麦秸秆在新疆单价为2元/kg，且产量尚不能满足牛、羊食用；棉花秸秆在新疆价格较低、而且产量大，不少棉区因棉花的枯黄萎病的加重使得不少棉花秸秆就地燃烧。秸秆生物量方面，新疆实际种植的棉花超过130×104hm2,棉花秸秆量超过1 000×104t。国内外对生物炭的发现和研究时间较长，而对生物炭基肥的研究尚处于起步阶段，乔志刚等[13]研究报道小麦秸秆炭基肥对青椒产量提高13.3%，单果鲜重提高33,7%。任少用等[14]研究报道，施用炭基肥后，马铃薯单株结薯数、单薯重、大薯率以及产量均高于普通施肥。卢广远等[16]研究报道，施用炭基肥料的玉米穗长、穗粗、出籽率、穗粒数和千粒重均表现较好。

对照与炭基肥(等养分含量的棉花秸秆炭基肥)的花蕾数、果苔数比较差异不显著，而总生物量、棉花产量对照与炭基肥比较差异达到极显著，可表明(炭基肥处理)肥料的长效性；生物炭处理棉秆炭的量占根层土壤的1%，它同对照、炭基肥棉花的株高、SPAD值上差异不显著；棉花的株高一般在田间管理上要进行统一化控制，所以三处理株高差异不显著属于正常；生物炭与炭基肥的产量上差异不显著，花蕾数、果苔数，总生物量生物炭处理与对照、炭基肥处理比较都表现最好，达到极显著差异。

4 结 论

对照与炭基肥处理的花蕾数、果苔数差异不显著；而总生物量、棉花产量方面，对照与炭基肥处理差异达到极显著，炭基肥比对照增产25.1%，生物总量提高39%，可表明炭基肥的长效性，生物炭处理与炭基肥处理的产量差异不显著；花蕾数、果苔数，总生物量比较，生物炭与对照、炭基肥比较达到极显著差异，分别是提高花蕾数38%、92.3%，果苔数25%，总生物量25.8%、74%，生物炭比对照增产28.9%；棉花单株叶面积对比，生物炭比对照提高47.1%，炭基肥比对照提高35.3%，炭基肥与生物炭比较差异不显著；不同处理单株茎粗比较，对照与炭基肥、生物炭比较差异达到极显著，炭基肥与生物炭比较差异不显著,生物炭比对照提高14%；炭基肥比对照提高9.7%，三个处理棉花的株高、SPAD值差异不显著。

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Fund project:Project Funds: Supported by the Basic Science and Technology Research Support Funds of Non-profit Research Institutions of Xinjiang Uygur Autonomous Region (KY2012059)and the Science and Technology Support Program of Xinjiang Uygur Autonomous Region ( 201431108)

The Impact of Cotton Stalk Carbon and Carbon-based Specialty Fertilizer on the Cotton Growth and Yield

SUN Ning-chuan1，TANG Guang-mu1，XU Wan-li1，HAN Qi-long1,LUO Zhi-ming2，GAO Yong-jian2

(1.ResearchInstituteofSoil&Fertilizer,andAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China； 2.XinjiangShawanCountyAgriculturalTechnologyExtensionCenter，ShawanXinjiang834700，China)

【Objective】 Xinjiang is the largest cotton production area in China due to a long time continuous cultivation period in many major cultivation places. The cotton straws returned to the soil bring a certain amount of soil pests. If the cotton stalks are changed into biochar or carbon base fertilizer and then returned to the cotton fields, they might turn the negative effect into something favorable advantage. 【Method】 The cotton stalks length was controled in 8-12 cm, in anoxic environments they were burned into charcoal. Biochar and fertilizer were combined by a certain percentage into base fertilizer and then it went through field trials. 【Result】 Compared with the control group, biochar treatment and carbon base fertilizer treatment increased the cotton buds by 38% and 92.3%, the fruit moss by 25%, the total biomass by 25.8% and 39%, respectively. As a result, t he yield was increased 28.9% by the former one and 25.1% by the latter. No obvious difference (P< 0.05) was found between the two treatments.【Conclusion】 Among the biochar treatment, carbon base fertilizer treatment and the control treatment, the difference in SPAD value is not significant, the difference of bud number and fruit moss between carbon-based fertilizer treatment and the control treatment is not significantly either, but the total biomass and the yield was improved greatly. And, many indexes by biochar treatment are well.

cotton stalk; biochar; carbon base fertilizer; cotton yeild

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.01.022

2015-03-12

自治区公益性科研院所基本科研业务经费资助项目(ky2012059)；新疆科技支撑计划项目(201431108)

孙宁川(1960-)，男，重庆人，研究方向为秸秆炭化还田技术应用和推广，(E-mail)289528791@qq.com

徐万里(1971-)，男，陕西人，研究员，博士，研究方向为绿洲农田土壤质量和碳氮，(E-mail)wlxu2005@163.com

S562；S514

A

1001-4330(2016)01-0163-07