不同配比炭基肥对玉米生长、土壤养分及呼吸的影响

王智慧，唐春双，范博文，赵长江，杨克军，李佐同

（黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319）

不同配比炭基肥对玉米生长、土壤养分及呼吸的影响

王智慧，唐春双，范博文，赵长江，杨克军，李佐同

（黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319）

为了探索适合种植玉米施用的生物炭基肥料，采用箱式试验研究了生物炭、复合肥料及不同配比的炭基肥对玉米生长、土壤全氮、有效磷、速效钾、土壤呼吸的影响。结果表明：不同配比的生物炭基肥均较单施生物炭或单施复合肥对玉米植株干物质积累、土壤全氮、有效磷、速效钾有一定促进作用。不同配比的炭基肥处理中，肥炭比为8∶2或7∶3对玉米植株生长及提高土壤性状较突出，为较优炭基肥比例。生物炭和生物炭基肥对土壤呼吸均有一定促进作用，这可能是生物炭自身特殊的性质与结构发挥的作用。

生物炭；炭基肥；玉米；土壤养分

据统计，近年来我国农业生产中单位面积肥料施用量是世界平均水平的1.6倍，全年总施肥量高达1.23亿t以上[1]。化肥施用量逐年增加，但作物产量却不见显著增长，氮磷钾肥料利用率很低，仅为10%～50%。这不仅导致了种植成本增加，还造成了土壤性质恶化，对农业可持续发展危害极大[2]。

生物炭是由农业废弃生物质（如秸秆、玉米芯）在缺氧或少氧条件下热裂解产生的含碳量高、稳定的固态物质[3]。生物炭直接施入土壤，可改良土壤性质。且生物炭特殊的多孔隙结构，可以吸附和负载肥料养分，延缓肥料在土壤中的释放，降低养分淋失[4]。因此，将生物炭与肥料混合利用，制备生物炭基肥，充分发挥二者的优势是十分有价值的研究。

生物炭基肥是一种新型的肥料，不仅为废弃能源再利用提供了新途径，而且减少了化肥的施用量，提高了肥料利用率，促进了作物优质高产，降低了农业生产成本，同时减轻了因肥料过量适用带来的土壤环境污染[5]。因此试验研究不同配比的生物炭与肥料复混制备的炭基肥对玉米生长、土壤养分、土壤呼吸的影响。旨在为制备适合玉米施用的生物炭基肥料的生产与应用提供科学依据和支撑。

1 材料和方法

1.1 供试材料与试验设计

试验于黑龙江八一农垦大学实验基地盆栽场进行。供试土壤为草甸黑钙土，含有机质21.6 g·kg-1、碱解氮160.65 mg·kg-1、速效磷9.74 mg·kg-1、速效钾245.6 mg·kg-1、pH值7.72。供试材料生物炭为玉米秸秆炭，购于辽宁金和福农业开发有限公司，基本理化性质为pH值7.94，含碳（C）44.06%、氮（N）1.53%，磷（P）0.78%，钾（K）1.68%。

供试玉米品种为郑单958。试验采用箱式栽培，箱子大小为65 cm×44 cm×40 cm，每箱定植3株。试验设8个处理（见表1），每个处理4次重复。试验所需配方肥根据土壤地力情况、玉米需肥特点及规律，利用氮、磷、钾肥及Ca、Mg、B、Zn、Mn、Cu、Fe等微量元素复混而成。播种前以基肥形式按360 kg·hm-2一次性施入。覆土时将直径为10 cm，高度为6 cm的PVC管插入试验箱中心的土壤中，稳定数周后用于测定土壤呼吸。

表1 各处理施肥方式Table 1The processing of fertilizing

1.2 样品采集与测定

在玉米出苗后40 d（拔节期）、60 d（抽雄期）、80 d（灌浆期）三个关键生育期测定土壤呼吸速率，采用LI-6400（LI-COR，Lincoln，USA）测定系统[6]。同时每个处理每盆取一株带回实验室。取地上部称重，装袋，于105℃条件下杀青30 min，然后在80℃条件下烘干至恒重，以测定植株地上干物质积累。土壤样品取植株根际土，装入布袋风干后用于测定。土壤全氮采用H2SO4加速剂消煮，SKD-2000全自动凯氏定氮仪测定；土壤有效磷测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；土壤速效钾的测定采用1mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法测定[7]。

1.3 数据分析

采用Excel 2015软件和Spss21.0数据处理系统进行统计与分析。用Duncan新复极差法进行显著性测验。

2 结果与分析

2.1 不同配比炭基肥料对玉米植株地上干物质积累的影响

由图1可知，各处理对玉米出苗后40、60、80 d植株干物质积累均表现为F1处理植株干物质最小，低于F2、F3、F4处理，显著低于F5、F6、F7处理。这说明单施生物炭对玉米植株干物质积累不及单施肥料或炭基肥对干物质积累的作用。其中F4、F5、F6、F7、F8处理的植株干物质量均大于F2、F3处理，说明炭基肥对玉米植株干物质积累的作用优于单施肥料。5个不同配比的炭基肥中，F5、F6处理干物质累积量最大，表明二者的炭-肥配比对玉米植株生长具有良好的促进作用。

图1 不同配比炭基肥料对玉米植株地上干物质积累的影响（g）Fig.1Effects of different ratio of carbon base fertilizer on dry matter accumulation

2.2不同配比炭基肥料对土壤全氮含量的影响

由表2可知，随着生育进程各处理对土壤全氮含量的积累逐渐增加。在玉米出苗后40 d，除F3处理外，其他处理对土壤全氮的影响均表现出显著高于F1处理；且F4、F5、F6、F7处理显著高于F2、F3处理。整株生长60 d时，F5、F6、F7处理的土壤全氮含量仍显著高于其它处理。而到植株生长80 d时，仅F6表现出土壤全氮含量显著高于其他处理的优势，但炭基肥的另外4个处理，F4、F5、F7、F8处理均显著高于F2、F3、F1处理对土壤全氮的作用。这表明炭基肥料对提高土壤氮含量，促进氮素转化、利用有一定作用，而单施生物炭或者单施复合肥对土壤氮的利用有一定局限性。

表2 不同配比炭基肥料对土壤全氮含量的影响（mg·kg-1）Table 2Effects of the ratio of different carbon base fertilizer on soil total nitrogen

2.3 不同配比炭基肥料对土壤有效磷含量的影响

由表3可知，各处理对土壤有效磷的累积在玉米植株生长第40 d时，表现为F6、F7处理显著高于其他6个处理。在植株生长第60 d，除F3处理外，其他处理均显著高于F1处理。到植株生长第80 d，5个不同配比的炭基肥处理（F4、F5、F6、F7、F8）均较F1处理对土壤有效磷有显著促进，分别提高了20.8%、34.95%、24.04%、16.97%、14.55%；但仅F5、F6处理的土壤有效磷含量显著高于F2、F3处理。这说明合理的炭、肥配比制备而成的炭基肥对土壤中有效磷含量的积累有显著促进作用，远远优于单独施入复合肥料对土壤有效磷的影响。

表3 不同配比炭基肥料对土壤有效磷的影响（mg·kg-1）Table 3Effects of different ratio of carbon base fertilizer on soil available phosphorus

2.4 不同配比炭基肥料对土壤速效钾的影响

由表4可知，不同处理对土壤速效钾含量变化表现出随时间增长而增加的趋势。比较三个生长时期发现，F1处理与F2处理均无显著性差异，这说明施用生物炭对土壤中速效钾积累贡献很大，且与施用复合肥对速效钾的影响差别不大。在玉米植株生长40 d时，炭基复合肥F5、F6处理较单施生物炭F1、复合肥F2处理对土壤速效钾有显著性的提高；在植株生长60 d表现出F5、F6、F7处理的土壤速效钾含量显著高于F1、F2处理；到植株生长80 d，这种显著性促进作用在F5、F6、F7、F8处理中均有体现。这表明随着生育进程，炭基复合肥中生物炭含量越大对土壤速效钾促进作用越大，产生这种现象的原因可能是：（1）生物炭自身具有较高含量的钾，施入土壤增加了土壤中速效钾的含量[8]；（2）生物炭的施用改善了土壤性质，促进了土壤养分元素的循环能力，提高了土壤中速效钾的含量。

表4 不同配比炭基肥料对土壤速效钾的影响（mg·kg-1）Table 4Effects of different ratio of carbon base fertilizer on soil available K

2.5不同配比炭基肥料对土壤呼吸的影响

土壤呼吸是指土壤释放二氧化碳的过程，是土壤中输出土壤有机碳的一种方式，是农田生态系统碳循环的重要形式[9]。土壤呼吸可以反应土壤质地、土壤肥力、土壤通透性、土壤养分循环等性状[10]。

由表5可知，三个时期不同处理对土壤呼吸的影响均表现出F2、F3处理土壤呼吸较弱，而F1、F4、F5、F6、F7、F8处理的土壤呼吸无显著性差异，但都高于或显著高于F2、F3处理。这表明土壤中施入生物炭或炭基复合肥较单施复合肥对土壤呼吸速率有一定促进作用，这有可能是生物炭自身特殊的性质与结构发挥的作用。

表5 不同配比炭基肥料对土壤呼吸速率的影响（g CO2·m-2·h-1）Table 5Effects of different ratio of carbon base fertilizer on soil respiration rate

3 结论与讨论

生物炭具有较大的比表面积和发达的孔隙度，与肥料复配可吸附、存储养分离子，起到减缓肥料养分释放的作用[11-12]。刘新源等[13]的研究表明炭基肥料具有改善土壤质量、增加土壤温度、提高土壤保水保肥能力、延缓肥效、提高肥料利用率等优点。研究表明施入不同配比的生物炭基肥均较单施生物炭或者单施复合肥对玉米植株干物质积累、土壤全氮、有效磷、速效钾一定促进作用。近年，一些学者也有类似的研究，Lehmann等[14]研究生物炭与肥料混合配施可提高土壤中NH4+、NO3-的固持作用，促进土壤硝化速率，提高氮肥利用率。Laird等[15]研究在温带土壤中添加不同比例的有机肥和生物炭对营养元素的淋滤效果，发现滤液中氮、磷元素的量与生物炭施入量成反比。生物炭基肥在提高土壤全钾、速效钾含量方面效果优于有机肥与化肥配施[16]。

研究发现不同配比的炭基肥处理中，肥炭比为8∶2或7∶3对玉米植株生长及提高土壤性状较突出。刘晴等[17]也有类似的研究，甘薯地施加炭基肥料后，甘薯鲜重显著提高；当减少10%肥料用量，增加生物炭时，甘薯产量与正常施肥产量几乎无差异。吕一甲等[18]研究生物炭肥对河套灌区玉米生长的影响，研究发现生物炭肥对玉米地上部分干物质积累有促进作用；在减少30%养分投入条件下，玉米经济产量略微增加，而在等养分投入条件下玉米经济产量可增加20%左右。

研究还发现，生物炭和生物炭基肥对土壤呼吸均有一定促进作用，原因可能是生物炭发挥较大作用：（1）生物炭疏松多孔的特性，直接导致施入土壤后增加了土壤孔隙度，进而促进土壤呼吸；（2）生物炭含有较高的碳，可增加土壤有机质含量，提高土壤微生物丰度和活性，从而加快土壤呼吸；（3）生物炭施入后增加了土壤温度，促进土壤呼吸进行。但关于生物炭基肥对田间土壤呼吸、土壤养分变化的规律及机理还有待进一步研究。

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Effects of Different Ratio of Carbon Basal Fertilizer on Maize Growth，Soil Nutrient and Respiration

Wang Zhihui，Tang Chunshuang，Fan Bowen，Zhao Changjiang，Yang Kejun，Li Zuotong
（College of Agronomy，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqiing 163319）

In order to explore the function of biochar base fertilizer for planting maize，the influence of soil total nitrogen，total phosphorus，total potassium which biochar，compound fertilizer，different ratio of biochar basel fertilizer on maize was researched by the box-type experiment.Experimental results showed that there was significant effect by fertilizing different ratio of biochar base fertilizer than single biochar or single fertilizer on dry weight of maize，soil total nitrogen，total phosphorus，total potassium.Among different proportions of biochar base fertilizer，the ratio of biochar and fertilizer of 8∶2or7∶3 was better for maize plant growth and soil properties.Both biochar and biochar base fertilizer had a role on soil respiration，probably because of the biochar own special properties and structure.

biochar；carbon basal fertilizer;maize；soil respiration

S513

A

1002-2090（2017）03-0001-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.001

2016-03-21

大庆市指导性科技计划项目（szdfy-2015-18）；黑龙江省应用技术研究与开发计划项目（GZ13B018）；大庆市创新能力建设项目（SJH-2013-35）；国家科技计划课题（2013BAD07B01-02）。

王智慧（1984-），女，实验师，黑龙江八一农垦大学毕业，现主要从事土壤改良及玉米高产生理生态方面的研究工作。

杨克军，男，教授，博士研究生导师，E-mail:byndykj@163.com；李佐同，男，教授，博士研究生导师，E-mail: lxg6401999@163.com。