生物炭对宁南山区马铃薯土壤理化性状及水分运移的影响

张国辉，张新学，郭鑫年，王效瑜，张建虎，厚 俊，颉瑞霞，余帮强，郭志乾＊

（1．宁夏农林科学院固原分院，宁夏固原756000；2．宁夏农林科学院资源与环境研究所，宁夏银川750000）

生物炭对宁南山区马铃薯土壤理化性状及水分运移的影响

张国辉1，张新学1，郭鑫年2，王效瑜1，张建虎1，厚 俊1，颉瑞霞1，余帮强1，郭志乾1＊

（1．宁夏农林科学院固原分院，宁夏固原756000；2．宁夏农林科学院资源与环境研究所，宁夏银川750000）

为宁南地区马铃薯种植中高效利用有限降雨提供参考，通过使用生物炭改良土壤理化性状，比较不同用量生物炭对土壤水分保蓄能力的影响，明确生物炭在宁南地区的合理用量。结果表明：在宁南山区，生物炭对马铃薯土壤物理性状及水分运移有明显影响，可显著提高马铃薯耕层土壤田间持水量和含水量，降低土壤容重，增加毛管孔隙度，进而提高土壤水分利用效率，实现高产。马铃薯生产中生物炭的最佳施用量为20t／hm2，该条件下田间持水量为14．91%，比对照（空白）提高1．23～3．07百分点；容重1．24g／cm3，比对照增加0．01～0．18g／cm3；毛管孔隙度18．38%，较对照增加0．65～1．36百分点；提高马铃薯单株结薯个数、单株块茎重、单薯重、商品薯率；马铃薯平均产量2 480kg／667m2，水分利用效率85．92kg／（hm2·mm），产量和水分利用效率较对照分别增加49．04%和48．14%。

生物炭；水分；马铃薯

宁南山区为半干旱气候类型，以雨养农业山地为主，年降雨量280～420mm，降雨多集中在7—10月。由于气候和环境的影响，马铃薯已成为宁南山区种植的主要粮食作物，年种植面积达10．7万hm2，且呈逐年增加趋势。干旱是宁南地区制约马铃薯增产的主要因素，提高土壤水分保蓄能力栽培措施的研究对宁南地区马铃薯种植尤为重要。生物炭是一种富含有机碳、具有稳定结构、较大比表面积的粉状颗粒，多数呈碱性［1］。前人研究表明，将生物炭作为土壤改良剂施入土壤，可吸附更多的水分和养分离子，提高土壤养分吸持量和持水容量，尤其是氧化后的生物炭可提高砂质土壤的持水量，改善土壤持水能力［2－6］。添加生物炭可使砂土容重减小，孔隙度增加，进而改变土壤扩散率，改良砂性土壤的持水性［7］。严静娜等［8］研究表明，生物质炭的施入对土壤重金属Cd、Pb的钝化效果明显。近年来，生物炭在土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂方面的应用受到广泛关注［9］，生物炭在农业种植方面的应用具有广阔前景。为高效利用有限降雨，笔者针对宁南地区降雨不足问题，通过使用生物炭改良土壤理化性状，比较不同用量生物炭对土壤水分保蓄能力的影响，以明确生物炭在宁南地区的合理用量，为干旱地区马铃薯高产栽培提供依据。

1材料与方法

1．1试验材料

供试马铃薯品种为宁南地区主载品种庄薯3号，种薯由宁夏农林科学院固原分院提供。供试生物炭由树木残枝高温裂解而成，由江苏省生物质炭工程中心提供，颗粒直径小于1mm。

1．2试验设计

试验于2015年4月在宁夏固原市农业科学研究所头营科研基地进行，试验地处东径106°44′，北纬36°10′，海拔1 550m。平均气温17℃，降水280～420mm，有效降雨集中于7—9月。土壤类型为黄绵土。以生物炭施用量为试验对象，共设5个处理。处理1，不施生物炭及化肥（CK）；处理2，不施生物炭，只施用化肥；处理3，生物炭用量10 000kg／hm2＋化肥；处理4，生物炭用量20 000kg／hm2＋化肥；处理5，生物炭用量30 000kg／hm2＋化肥。化肥种类及用量统一为：氮肥180kg／hm2＋磷肥75kg／hm2＋钾肥225kg／hm2。试验随机区组排列，重复3次，小区面积20m2（2．5m×8m）。化肥和生物炭作底肥一次性均匀施入。行距50cm，株距33cm，5行区种植，密度4 000株／667m2。

1．3测定指标

1）分别在播前、苗期、盛花期、成熟期测量各试验处理0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm深层土壤含水量。

2）马铃薯收获期，分别测定耕层土壤0～ 20cm、20～40cm深处土壤田间持水量、耕层土壤容重、耕层土壤毛管孔隙度。同时考察不同处理马铃薯产量及商品薯率。

3）水分利用效率计算公式：WUE＝Y／ET，WUE为水分利用效率／［kg／（hm2·mm）］，Y为马铃薯块茎产量／（kg／hm2），ET为马铃薯生育期耗水量（mm）。

2结果与分析

2．1不同处理马铃薯耕层土壤的物理性状

从表1可看出不同处理马铃薯的田间持水量、耕层土壤容重和毛管孔隙度的变化情况。

1）田间持水量。随着生物炭施用量的增加，0～20cm土壤田间持水量呈递增趋势，不施生物炭的处理1（CK）和处理2与施用生物的炭处理差异显著；处理5的生物炭用量最大，其田间持水量也最大，为16．15%，较空白对照增加3．07百分点，增幅23．47%，保水能力最强。20～40cm土壤田间持水量，不同处理间差异不显著，可能是与施入的生物炭主要分布于0～20cm土层有关。

2）耕层土壤容重。随着生物炭施用量的增加，0～20cm和20～40cm的土壤容重均呈递减趋势，但处理1（CK）、处理2和处理3之间差异不显著，处理4、处理5与处理1（CK）、处理2及处理3的差异达显著或极显著水平。这可能与处理1（CK）、处理2及处理3未施生物炭或生物炭施用量较少有关

3）毛管孔隙度。随着生物炭施用量的增加，0～20cm和20～40cm的土壤毛管孔隙度均呈递增趋势，但不同处理间差异不显著。说明，施入具有发达孔隙结构的生物炭后，可以通过降低土壤容重和增加毛管孔隙度，从表观上改变土壤质地。

表1 不同处理马铃薯耕层土壤的田间持水量、容重和毛管孔隙度Table 1 Field capacity，volume weight and capillary porosity of potato topsoil under different treatments

2．2不同处理马铃薯土壤水分的垂直分布

从表2看出，随着马铃薯生育的推进，不同处理马铃薯田间0～100cm土壤水分在不同土层中存在差异。播前虽然降雨补充较多，但由于休闲期地表裸露，强烈蒸发致使土壤含水量较低，土壤水分主要贮存于60cm以下的土体，表层含水量较低。在马铃薯生育期，无论降雨期还是干旱期，不施用生物炭处理的土壤水分主要贮存于60cm左右的土体中；而生物炭处理的土壤水分主要贮存于40cm左右的土体中，生物炭用量越多，土壤自然水分含量越高，进一步说明生物炭具有较强的水分保蓄作用。

2．3不同处理马铃薯生育期耗水量与收获后土壤的贮水量

从表3看出，施用生物炭降低了马铃薯收获后土壤贮水量，且随着生物炭用量的增加，土壤贮水量逐渐降低，处理5收获后贮水量204．71mm，较处理2减少9．6mm，减幅4．5%，与其他处理差异极显著，这是由于生物炭对土壤理化形状的改变，增加土壤的孔隙度，从而加大土面的蒸发强度。

马铃薯生育期耗水量随生物炭施用量增加而增加。处理5最大，为435．46mm，与其他处理差异极显著，这与该处理土壤容重最小、毛管孔隙度最大有关。

表2 不同处理马铃薯生育期土壤水分的垂直分布Table 2 Vertical distribution of soil moisture at different growth stages of potato under different treatments%

表3 不同处理马铃薯土壤的贮水量及马铃薯生育期耗水量Table 3 Soil water－storage capacity and water consumption during potato growth period under different treatmentscm

2．4不同处理马铃薯产量及产量构成因素

从表4看出，马铃薯单株结薯个数、单株块茎重、单薯重、商品薯率均表现出施用生物炭处理高于非生物炭处理。尤其以处理3、处理4表现最为明显。平均产量以处理4理最高，为2 480kg／667m2，极显著高于非生物炭的处理1（CK）和处理2，显著高于施入生物炭的处理3和处理5。说明，宁南山区增施生物炭的实现高产的最佳剂量为20 000kg／hm2。施用生物炭能够明显提高土壤水分利用效率，处理4、处理5和处理3水分利用效率分别为85．92kg／（hm2·mm）、76．63kg／（hm2·mm）和64．85kg／（hm2·mm），分别较CK提高48．14%、32．12%和11．81%，其中处理4与CK、处理2、处理5差异显著，与处理处理3差异不显著。

表4 马铃薯产量及产量构成形成因素Table 4 Yield and yield composition of potato under different treatments

3结论与讨论

研究表明，生物炭对马铃薯土壤物理性状及水分运移有明显影响，可以显著提高马铃薯耕层土壤田间持水量和含水量，降低土壤容重、增加毛管孔隙度，进而提高土壤水分利用效率，实现高产。在宁南山区，马铃薯生产中生物炭的最佳施用量为20 000 kg／hm2。施用生物炭20 000kg／hm2的马铃薯种植土壤，其田间持水量达14．91%，比对照（空白）提高14%；容重1．24g／cm3，比对照减少0．108g／cm3；毛管孔隙度18．38%，比对照增加1．4%。

生物炭施用通过对土壤物理性状及水分运移的改善，提高土壤保水能力，使土壤在0～40cm耕作层水分含量有提高趋势，水分利用率也随之提高，进而提高了马铃薯单株结薯个数、单株块茎重、单薯重和商品薯率。施用生物炭20 000kg／hm2的马铃薯平均产量2 480kg／667m2，水分利用效率85．92kg／（hm2·mm），产量和水分利用效率较对照分别提高49．04%和48．14%。随着国家马铃薯主食化全面开展，宁夏南部地区马铃薯种植面积在逐年增加，马铃薯种植过程中施用生物炭是实现其高产的有效措施。

［1］谢祖彬，刘 琦，许燕萍，等．生物炭研究进展及其研究方向［J］．土壤学报，2011，43（6）：857－861．

［2］GLASERB，LEHMANNJ，ZECHW．Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal－areview［J］．Biology and Fertility of Soils，2002，35（4）：219－230．

［3］DUGANE，VERHOEFA，ROBINSONS，et al．Biocharfrom sawdust，maize stover and charcoal：Impact on water holding capacities（WHC）of three soils from Ghana［C］／／19th World Congress of Soil Science，Symposium 4．2．2，Soil and water－global change，Soil Solutions for a Changing World，Brisbane，Australia，2010：9－12．

［4］LEHMANNJ，GAUNTJ，RONDON M．Bio－char sequestration interrestrial ecosystems－a review［J］．Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change，2006，11：403－427．

［5］GLASER B，LEHMANN J，ZECH W．Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal－areview［J］．Biology and Fertility of Soils，2002，35（4）：219－230．

［6］DUGAN E，VERHOEF A，ROBINSON S，et al．Bio－char from sawdust，maize stover and charcoal：Impact on water holding capacities（WHC）of three soils from Ghana［C］．World Congress of Soil Science，2010（8）：1－6．

［7］田 丹，屈忠义，勾芒芒，等．生物炭对不同质地土壤水分扩散率的影响及机理分析，2013，44（6）：1374－1378．

［8］严静娜，覃 霞，梁定国，等．不同热解温度蚕沙生物质炭对土壤镉、铅钝化效果研究［J］．西南农业学报，2015，28（4）：1752－1756．

［9］TENENBAUM D J．黑色的希望：生物炭［J］．资源与人类环境，2010（7）：55－57．

（责任编辑：姜 萍）

Effects of Biological Carbon on Soil Physicochemical Properties and Moisture Movement of Potato in Ningnan Mountainous Region

ZHANG Guohui1，ZHANG Xinxue1，GUO Xinnian2，WANG Xiaoyu1，ZHANG Jianhu1，HOU Jun1，JIE Ruixia1，YU Bangqiang1，GUO Zhiqian1＊
（1．Guyuan Branch，Ningxia Academy of Agricultural Sciences，Guyuan，Ningxia 756000；2．Institute of Resources and Environment，Ningxia Academy of Agricultural Sciences，Yinchuan，Ningxia750000，China）

The effect of different biological carbon application amount on soil moisture storage capacity was compared to discuss the rational application amount of biological carbon and to provide a reference for efficient utilization of limited rainfall in potato cultivation in Ningnan region．Results：Biological carbon has the significant influence on physical property and water movement of potato soil，significantly improves topsoil field moisture capacity and water content，reduces soil volume weight and increases soil capillary porosity，which can increases potato yield by improving soil moisture utilization efficiency．The field moisture capacity（14．91%），soil volume weight（1．24g／cm3）and soil capillary porosity（18．38%）under 20t／hm2biological carbon application amount are 1．23%～3．07%，0．01～0．18g／cm3and 0．65%～1．36% higher than CK respectively．Applying 20t／hm2biological carbon application amount can increase tubes per plant，tuber weight per plant，single tuber weight and commodity potato rate．The average yield and water utilization efficiency of potato under 20t／hm2biological carbon application amount are 2 480kg／667m2and 85．92kg／（hm2·mm），49．04%and 48．14%higher than CK separately．

biological carbon；moisture；potato

S152

A

1001－3601（2016）11－0467－0073－04

2016－01－28；2016－09－30修回

宁夏农林科学院青年基金项目“增施生物炭对宁南山区马铃薯土壤理化性状及水分运移的影响研究”（NKYQ－14－07）；国家现代农业产业体系项目“马铃薯固原综合试验站”（CARS－10－ES30）

张国辉（1983－），男，助理研究员，从事马铃薯栽培及育种研究。E－mail：zhangxinxuea＠126．com

＊通讯作者：郭志乾（1965－），男，研究员，从事马铃薯育种及栽培研究。E－mail：zhangxinxuea＠126．com