生物炭对土壤肥力及玉米产量的影响

韩翠莲　霍轶珍　朱冬梅

摘要：为研究施用生物炭对土壤肥力及玉米产量的影响，设置不施用生物炭（CK）以及生物炭施用量为15 t/hm2（ST1）、30 t/hm2（ST2）、45 t/hm2（ST3）、60 t/hm2（ST4）共5个处理，研究不同施炭量对玉米土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾含量及产量的影响。结果表明：施用生物炭可显著提高耕层土壤有机碳含量，在玉米全生育期内，各施用生物炭处理平均较对照（CK）处理高1946%～7456%，差異显著（P<005）；土壤碱解氮含量平均高1124%～5781%，差异显著（P<005），且以处理ST1增幅最明显；土壤速效磷含量平均高3510%～11137%，差异显著（P<005），以处理ST3增幅最明显；土壤速效钾含量平均高1401%～5142%，差异显著（P<005），以处理ST3增幅最明显；施用生物炭可显著提高玉米产量，且以处理ST3增产效果最为明显，平均较对照处理增产1709%。综合分析可知，施用生物炭可显著提升土壤养分含量及玉米产量，且施用量为45 t/hm2时效果更明显，较适宜在河套灌区玉米种植过程中加以推广应用。

关键词：生物炭；土壤肥力；玉米产量；河套灌区；绿色农业

中图分类号： S1582；S1562文献标志码：

文章编号：1002-1302（2017）16-0054-03

收稿日期：2017-01-12

基金项目：[JP3]内蒙古自治区高等学校创新团队发展计划（编号：NMGIRT-[JP]B1611）；“十三五”国家重点研发计划（编号：2016YFC0400205）；内蒙古自治区教育厅自然科学基金（编号：NJZY16335）。

作者简介：韩翠莲（1968—），女，内蒙古巴彦淖尔人，副教授，主要从事节水灌溉技术研究。E-mail：3346640049@qqcom。

通信作者：霍轶珍，教授，主要从事节水灌溉技术研究。E-mail：805296445@qqcom。

近些年来，随着对生物炭研究的深入，使其在农业生产过程中也得到了较好的应用和推广示范。土壤水热状况是影响作物生长发育、产量形成的重要因素。吕一甲等研究表明，土壤中施用生物炭后可显著提高土壤含水率[1-2]；李昌见等研究表明，土壤中施入生物炭可显著提高作物生育期耕层土壤温度[3]。同时有研究表明，生物炭可显著促进作物的生长发育和产量的形成。Cornelissen等研究发现，使用生物炭可显著提高作物的生物产量[4]；房彬等研究得出，施用生物炭可不同程度地提高玉米、油菜籽的产量[5]。

由此可见，以往关于生物炭对土壤水热、作物产量等方面的影响研究已经比较深入，而关于生物炭对土壤养分方面的研究较少，同时关于盐渍化土壤施用生物炭后对土壤肥力变化的影响就更鲜有报道。而多年来，由于肥料的不当施用，使得肥料利用率较低，土壤严重板结，耕地土质不断下降，同时在灌溉以及降水的淋洗作用下，使得土壤中残留的养分下渗到地下水中，造成了水体的严重污染，对环境及绿色农业的发展产生了巨大的威胁。而生物炭由于其自身特殊的结构，比表面积较大，吸附能力强，从而增加了对土壤中养分的吸持能力，这一特征也使得通过施用生物炭提高肥料利用率成为可能。同时生物炭本身也含有一定量的养分，对作物的生长具有一定的促进作用。

因此，本研究在前人研究基础上，以玉米为供试作物，研究不同生物炭施用量对土壤养分指标及产量的影响，旨在寻求较适宜河套灌区玉米种植的最佳生物炭施用量，同时为生物炭在河套灌区的应用和推广提供理论依据和技术支撑，对灌区绿色农业的发展具有一定的指导意义。

1试验设计与研究方法

11试验区概况

试验区位于内蒙古巴彦淖尔市临河区双河镇，该地区多年平均降水量140 mm，蒸发量2 3065 mm，平均气温68 ℃，平均日照时间3 2299 h，无霜期130 d左右，属典型的中温带干旱大陆性气候。试验区以沙质壤土为主，0～100 cm土壤平均容重145 g/cm3，田间持水量2053%，灌溉水源为黄河水，平均矿化度06～08 g/L之间。

12试验设计

试验所用生物炭为辽宁金和福农业开发有限公司生产的秸秆生物炭，生物炭基本理化性质：有机质含量92574 g/kg，碱解氮含量15915 g/kg，速效磷含量39418 g/kg，速效钾含量78398 g/kg。施用方法：春季播种前人工将生物炭均匀撒施到土壤表面，采用旋耕机将其翻耕混入作物耕层土壤中（一般深度为20 cm左右）。试验所用普通地膜为内蒙古华丰商贸有限责任公司生产的0008 mm厚聚乙烯吹塑农用地膜，膜宽70 cm。玉米品种选用当地常规品种西蒙6号。

试验采用小区试验，每个小区面积60 m2（10 m×6 m），试验设置不施生物炭（CK）以及生物炭施用量为15 t/hm2（ST1）、30 t/hm2（ST2）、45 t/hm2（ST3）、60 t/hm2（ST4）共5个处理，3次重复，各处理小区随机排列组合。施入生物炭后进行机械覆膜，人工点播玉米，[JP3]每垄种2行玉米，行距50 cm，株距28 cm。按当地玉米种植常规施肥量和灌[JP]水量进行施肥、灌溉。[JP]

13研究方法

玉米各生育期采用土钻取土，测定土壤养分指标，取样深度为表层0～20 cm。土壤有机碳含量用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤碱解氮含量用碱解蒸馏法测定；土壤速效磷含量用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量用NH4Ac浸提-火焰光度法测定。在玉米成熟期，各处理选取具有代表性的10株测定其产量指标。

14数据处理

采用Excel 2003进行数据处理并绘制图表，利用数据分析软件SPSS170进行试验数据的方差检验。

2结果与分析

21施用生物炭对土壤有机碳含量的影响

土壤中有机质含量是反映土壤肥力水平的重要指标，而有机碳的含量又是土壤有机质含量的最直接表现，土壤中有机碳含量越高，土壤肥力越好，越有利于作物的生长发育。由图1可知，土壤有机碳含量随生物炭施用量的增加呈上升趋势，且生物炭施用量越大，相应的土壤有机碳含量增幅越明显。在玉米拔节期，ST1～ST4处理土壤有机碳含量分别较不施用生物炭处理高1687%、3494%、5904%、8193%，差异显著（P<005），且各处理间差异均达到了显著水平（P<005）。在玉米抽雄期，ST1～ST4处理土壤有机碳含量分别较不施用生物炭处理高1481%、4938%、6667%、7654%，各处理间差异均达到了显著水平（P<005）。在玉米灌浆期，ST1～ST4处理土壤有机碳含量分别较不施用生物炭处理高2785%、3165%、6329%、8734%，且差异显著（P<005），但处理ST1、ST2间差异不显著。在玉米成熟期，ST1～ST4处理土壤有机碳含量分别较不施用生物炭处理高1829%、2317%、3049%、5244%，且差异显著（P<005），而处理ST1、ST2、ST3间差异不显著。由此可见，施用生物炭可有效提高土壤中有机碳含量，且生物炭施用量越多，对土壤有机碳含量的增效更为明显，这一研究结论与李昌见对番茄的研究成果较为一致。

[FK（W12][TPHCL1tif][FK）]

22施用生物炭对土壤碱解氮含量的影响

氮素是作物正常生长所必需的养分之一，而土壤中的碱解氮是最容易被作物吸收利用的部分，它能够有效反映土壤中氮素的动态变化。有研究发现，土壤中的碱解氮含量可直接反映土壤对作物的供氮能力[8]。

由图2可知，在不同生物炭施用量条件下，随生物炭施用量的增加，玉米各生育期土壤碱解氮含量呈现先增加后减少的趋势。在玉米拔节期，ST1～ST4处理土壤碱解氮含量分别较不施用生物炭处理高6667%、5490%、3529%、1961%，差异显著（P<005）。在玉米抽雄期，ST1～ST4处理土壤碱解氮含量分别较CK处理高6308%、4462%、3385%、1692%，差异显著（P<005）。在玉米灌浆期，ST1～ST4处理土壤碱解氮含量分别较CK处理高5455%、3506%、2208%、390%，部分差异达到了显著水平（P<005）。在玉米成熟期，ST1～ST4处理土壤碱解氮含量分别较CK处理高4697%、2576%、1970%、455%，部分差異达到了显著水平（P<005）。由此可见，施用生物炭可不同程度地提高土壤中碱解氮含量，且在低生物炭施用条件下提高效果更为明显，这可能是由于低生物炭条件可更有效地吸收土壤中的有机氮，从而减少氮的淋失[9]。

23施用生物炭对土壤速效磷含量的影响

磷是作物生长发育所必需的营养元素，土壤中磷元素的主要来源为施肥。然而有研究表明，土壤中施入磷肥后会迅速地生成磷酸盐而难以被作物吸收利用，吸收利用率仅有10%～25%[10]，这不仅造成肥料的浪费，而且磷元素在降水及灌溉的淋洗作用下会下渗到地下水体中，从而造成水体的富营养化，严重威胁地下水环境的安全。生物炭由于其特殊的结构，具有较大的比表面积，使其具有较强的吸附能力，从而能够有效吸附土壤中磷元素，减少流失。

由图3可知，在不同处理条件下，随着生物炭施用量的增加，玉米各生育期土壤速效磷含量呈现先增加后减少的趋势。在玉米拔节期，ST1～ST4处理土壤速效磷含量分别较不施用生物炭处理高2550%、6644%、9195%、6175%，且差异显著（P<005）。在玉米抽雄期，ST1～ST4处理土壤速效磷含量分别较CK处理高3333%、6867%、9867%、6267%，且差异显著（P<005）。在玉米灌浆期，ST1～ST4处理土壤速效磷含量分别较CK处理高4882%、8425%、12126%、7402%，且差异显著（P<005）。在玉米成熟期，ST1～ST4处理土壤速效磷含量分别较CK处理高3276%、11121%、13362%、8879%，且差异显著（P<005）。由此可见，在土壤中施入生物炭可显著提高土壤中有效磷含量，且在一定施用范围内更加明显，超过一定施用量后呈现下降趋势。

24施用生物炭对土壤速效钾含量的影响

钾元素在植物生长过程中发挥着不可替代的作用，它直接参与植物体的光合作用、蛋白质的合成以及酶系统的活化等生理过程， 土壤中含有足够的速效钾可以有效促进作物的

生长发育和产量形成。

由图4可知，在不同处理条件下，随生物炭施用量的增加，玉米各生育期土壤速效钾含量呈现先增加后减少的趋势。在玉米拔节期，ST1～ST4处理土壤速效钾含量分别较不施用生物炭处理高1486%、4514%、7429%、5029%，且差异显著（P<005）。在玉米抽雄期，ST1～ST4处理土壤速效钾含量分别较CK处理高1176%、2674%、5241%、2888%，且差异显著（P<005）。在玉米灌浆期，ST1～ST4处理土壤速效钾含量分别较CK处理高1969%、2487%、4456%、1865%，且差异显著（P<005）。在玉米成熟期，ST1～ST4处理土壤速效钾含量分别较CK处理高974%、1364%、3442%、1624%，大多数达到显著性水平（P<005）。而有研究发现，玉米生长过程中对钾的需求较其他元素多，且在生育后期对其吸收仍处于较高水平[11]，因此在生育后期土壤中充足的速效钾供应较有利于延缓根系、植株的衰老，从而提高产量[12]，从这一研究结果来看，ST3处理优势较为明显。综上可见，施用生物炭可不同程度地提高土壤中速效钾含量水平，且在一定施用范围内，增效更为明显。

25施用生物炭对玉米产量的影响

由表1可知，各处理玉米产量表现为ST3>ST4>ST2>ST1>CK，且各生物炭处理均显著高于CK处理（P<005）；各生物炭处理平均穗长、穗粗、穗粒数、百粒质量分别较CK处理高922%、827%、1014%、584%。就产量而言，处理ST1～ST4分别较不施用生物炭处理高893%、1414%、1709%、1543%，差异显著（P<005），这也说明在一定施用量范围内，生物炭可显著提高玉米的经济产量。

3讨论与结论

注：同列数据后标有不同小写字母表示差异显著（P<005）。[HT][FK）]

的生长、高产以及农业的可持续发展都具有重要的意义。由于生物炭本身含碳量较高，平均在40%～75%之间，这也使得土壤中施入生物炭后，在微生物的分解作用下，进一步提高了土壤中有机碳的含量。本研究发现，在施入生物炭后，玉米各生育期土壤中有机碳含量均显著高于不施用生物炭处理（P<005）；从全生育期来看，ST1、ST2、ST3、ST4处理土壤有机碳含量分别较不施用生物炭处理高1946%、3478%、5487%、7456%，且生物炭施用量越多，土壤有机碳含量越高。

由于生物炭具有较大的比表面积，这一特殊的结构也使其具有较强的吸附能力，增强了对土壤中氮、磷、钾等离子的吸附能力，使其较为稳定地存在于土壤中，减少了降水、灌水等因素对营养元素的淋洗而造成的流失。此外，生物炭本身含有一定量的氮、磷、钾，从而显著增加了土壤中的氮、磷、钾含量。分析发现，在玉米全生育期内，从土壤碱解氮含量看，ST1、ST2、ST3、ST4处理分别较不施用生物炭处理高5781%、4009%、2773%、1124%，差异显著（P<005），以处理ST1增幅最明显。从土壤速效磷含量看，ST1、ST2、ST3、ST4处理分别较不施用生物炭处理高3510%、8264%、11137%、7181%，差异显著（P<005），以ST3处理增幅最明显。从土壤速效钾含量看，ST1、ST2、ST3、ST4处理分别较不施用生物炭处理高1401%、2760%、5142%、2851%，差异显著（P<005），同样以ST3处理增幅最明显。通过对玉米产量的分析发现，各施用生物炭处理均可显著提高玉米的经济产量，且以ST3處理增产效果最明显，平均较对照处理增产1709%。因此，综合分析施用生物炭对土壤养分、玉米产量的影响可以得出，ST3处理较适宜在灌区玉米的种植过程中加以推广应用，即施用生物炭量为45 t/hm2较合适。

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