生物炭配施有机肥对菜田土壤水分及水分利用效率的影响*

王 湛，李银坤，王利春，郭文忠，徐志刚，杨子强，马 丽，李秋琛,4



生物炭配施有机肥对菜田土壤水分及水分利用效率的影响*

王 湛1,2，李银坤1**，王利春1，郭文忠1，徐志刚2，杨子强3，马 丽3，李秋琛1,4

（1．北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2．南京农业大学，南京 210095；3．宁夏吴忠国家农业科技园区管理委员会，吴忠 751100；4．宁夏大学，银川 750021）

2015年5月起在宁夏吴忠地区进行生物炭和有机肥单施与配施的定位试验，试验对象为有机菜心。每年种植3茬，本研究选取2016年5月13日播种、6月22日收获的第1茬有机菜心有关试验数据进行分析。试验共设置4个处理，单施有机肥（M，110t·hm-2）、单施生物炭（C，17t·hm-2）、施有机肥+生物炭（MC，110+17t·hm-2）以及不施有机肥和生物炭（CK），通过测定菜心生育期内0-70cm土层水分动态、菜心生长状况，以分析生物炭配施有机肥栽培模式在西北有机菜田中的作用效果。结果表明：生物炭配施有机肥处理（MC处理）可有效增加0-10cm土层的体积含水率，全生育期0-10cm土层平均含水率分别比CK、M和C处理增加12.4～29.2个百分点（P＜0.05）。MC处理能够改变土壤剖面水分分布，使更多的水分集中在0-30cm土层，增加作物可利用的水分含量，对水分的固持作用显著。MC处理促进菜心的生长，增加产量，提高水分利用率（WUE），与M处理相比，其收获期菜心株高、产量、生物量和WUE分别增加39.6%、63.0%、51.4%和64.0%（P＜0.01）。研究表明，生物炭配施有机肥处理蓄水保墒增收效应显著，可作为当地有机菜地优选栽培管理方式推广。

土壤水分；土壤贮水；菜心；生物量

宁夏深居内陆高原，该地区光照时间长，昼夜温差大，太阳辐射强，畜牧业发达，气候适宜，具有栽培有机蔬菜独特的自然条件，是有机蔬菜的重要生产区域，但当地多年平均蒸发量达1000～4100mm，而降水量仅180～200mm，且变化大，全年降水量的70%主要集中在7-9月[1]，存在水资源利用效率低，结构不合理[1]，供需矛盾日趋加剧[2]，山区引水成本高昂等一系列问题，因此，水资源短缺严重制约了该区农业生产力水平提高和经济发展[3-5]。研究发现[6-11]，将有机肥和生物炭单独施用到农田土壤中能够改善土壤理化性质，增加土壤水分库和降水入渗，并抑制蒸发，提升土壤有效水含量和作物水分利用效率，协调土壤供水和作物需水之间的矛盾，在节水农业中作用明显，对促进干旱区农业持续增长具有重要意义。王晓娟等[3]为期4a的定位试验表明，土壤中单施有机肥能够显著提高玉米产量，增加土壤供水的比例，减小作物对水分的亏缺，提高水分利用效率，且随着有机肥施用年限的延长，其效果越显著。同样，马晓丽[12]在渭北旱塬研究连续2a的有机培肥对土壤改良和冬小麦生长发育的影响时发现，有机肥单施在涵养土壤水分，促进作物干物质的积累和产量等方面有良好的作用。而生物炭作为一种新型的土壤改良剂因其能增加土壤肥力，提高作物产量和水分利用效率而备受关注[13-14]，生物炭的作用效果主要通过其自身的吸附作用和改变土壤理化性质而实现，如改变土壤容重、孔隙结构和持水能力[15]。研究显示[16]，将生物炭单独施用到农业土壤中田间持水量可增加20%左右。目前的研究主要集中在有机肥和生物炭单施对土壤水分含量变化的中短期试验，关于有机肥配施生物炭对旱区有机农田土壤水分动态变化及水分利用效率影响的研究鲜见报道。因此，本研究基于在宁夏吴忠的有机肥和生物炭配施定位试验，研究单独施用有机肥和生物炭，生物炭和有机肥配施下土壤水分动态变化特征和作物水分利用效率，旨在为完善旱区有机肥和生物炭培肥栽培模式以及为节水保墒综合技术的创立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验设在宁夏回族自治区吴忠市孙家滩国家现代农业示范园（106°6′26″E，37°57′10″N，海拔1130m），该地区属温带半干旱半湿润大陆性季风气候，是有机蔬菜的重要生产基地，其中叶菜（菜心）有较大的栽培面积。该站定位试验始于2015年，每年5-10月种植收获3茬菜心，品种为油绿702。试验在长100m、跨度10m、脊高1.3m、侧墙肩高2.2m、网孔60目的防虫网棚内进行，试验前将土样和腐熟牛粪风干后捡去石块和动植物残体，过2mm筛，测定基本性质（表1）。试验用生物炭是以玉米芯为原料，在360℃条件下不完全燃烧制成的黑色粉末，其比重为0.34g·cm-3，C含量为28.9%，N含量为0.40%，全磷0.97g·kg-1，全钾4.27g·kg-1。生物炭和有机肥在每年种植第一茬作物前一次性施入，均匀撒在土壤表面后翻入0-20cm土层，种植作物前翻地3次，使有机肥、生物炭与土壤混合均匀。

1.2 试验设计

2016年第1茬试验共设4个处理（表2），每个处理重复3次。种植前按2015年方法在同一处理中继续施入生物炭或有机肥并进行相应处理。每个小区面积仍为4.2m×1.4m，小区与小区间隔0.3m作为缓冲带。该试验为同一地块上的第4茬作物（即2016年第1茬）， 2016年5月13日播种，6月22日统一收获，播种行距15cm，两叶一心时进行间苗，间苗后的株距平均10cm，采收在基部以上3片绿叶处切割。

表1 试验前土壤及拟施入有机肥的基本性质

Note: OM is organic matter content, TN is total nitrogen content, AP is available potassium content, APH is available phosphorus content, BD is bulk density, FW is field water holding capacity(volume water content).

表2 试验处理设置

灌溉方式为滴灌，管道、水表和滴灌管（管径16mm，滴头间距10cm）为市场销售材料。CK、C、M和MC处理田间最大持水量（体积含水量）分别为18.0%、18.3%、22.6%和21.1%。当某个小区含水量降至田间最大持水量的80%时即灌溉。各处理灌水量（H）一致，每次灌溉量用水表准确计量，计算式为

式中，θf为田间最大持水量（质量百分比）；θi为各处理测定的实际含水量平均值（质量百分比），为TDR实际测量含水量与各处理容重的乘积；g为土壤容重，其中CK、C、M和MC处理分别为1.65、1.53、1.32和1.51g·cm-3；H为土层深度，本试验H为0.3m；p为滴灌水分利用效率0. 95[18]。

1.3 观测项目及方法

成熟后每小区随机取2m2用电子天平（精度0.1g）进行测产（鲜重），折合成公顷产量。

0-70cm土壤含水量由TDR（PICO-BT，由Andres Industries AG公司制造）测定。试验地势高，地下水位深，无地下水渗漏，因此，选测70cm以上土层，每10cm深度测定一次，分别在灌水前后1d和灌水后间隔2～3d测量。

平均风速、阵风速度、气温、地温（10cm）、太阳辐射和空气湿度（RH）等气候变化由网棚内中部的气象站（HOBO U30 station）监测。由图1可知，随着菜心生长季的延长，日辐射量呈波动式升高，其最大值为1008.1W·m-2，而RH呈波动式下降，变幅在9.2%～98.3%，全生育期平均太阳辐射和RH分别为198.2W·m-2和47.2%。气温和10cm地温呈波动性升高，且地温随着气温的升降而升降，气温的变幅明显大于地温，生育期内气温和10cm地温变幅分别为3.0～37.5℃和7.9～34.5℃，平均分别为20.3℃和21.8℃。平均风速和阵风速度呈无规则变化，常有阵风而平均风速较小，阵风最大为7.3m·s-1，平均风速最大为3.5m·s-1。整体而言，较为适宜的光照、RH、地温、气温、阵风速度和平均风速为菜心的正常生长发育提供了保证。

图1 全生育期气象因子变化

在菜心收获前1d测量生物量及生长指标。每小区取长势均匀一致的3株菜心在105℃杀青30min后80℃烘至恒重，精确至0.01g；株高和单株叶围面积（以单株菜心冠层最长处为长、与其垂直的冠层长度为宽，二者相乘）由直尺测量（精度1mm）。

试验地平整，土质均一，土层深，地势高且无地下水位渗漏和地表径流，因此，水分利用效率（WUE）和菜心的田间耗水量（ET）可计算为

式中，WUE为水分利用效率（kg·hm-3）；Y为菜心的产量，即鲜物质重量（kg·hm-2）；ET为田间耗水量（mm）。

式中，P为生育期灌水量（mm）；ΔH为菜心生育期前后0-70cm土壤储水量的变化（mm）。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2013进行数据整理，Origin93（2016）绘图，SPSS18.0统计分析软件进行方差分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 生物炭配施有机肥对不同土层含水率的影响

2.1.1 10cm土层

由图2可见，2016年第1茬菜心全生育期各处理累积灌水量均为430.49mm，各处理10cm表层土壤含水率随着灌水的进行均表现出一致的波动变化规律，其区别仅在于每个处理土壤含水率波峰、波谷数值的不同。

总体上看，CK处理（不施有机肥和生物炭）土壤含水率峰、谷均最低，每次灌水后达到的含水率仅为22.8%～27.2%，平均24.7%；而每次灌水前10cm土层含水率已降至11.0%～16.4%，平均13.8%；整个生育期平均土壤含水率为19.4%。单施生物炭（C处理）后，土壤持水能力明显增强，每次灌水后10cm土层含水率可达24.2%～28.2%，每次灌水前含水率降至12.7%～18.2%，平均15.7%，比CK增加了13.8个百分点。单施有机肥（M处理）后，每次灌水后10cm土层含水率可达到25.0%～29.0%，每次灌水前含水率降至15.0%～19.3%，平均17.3%，比CK增加25.4个百分点。当土壤中同时施入有机肥和生物炭（MC处理）后，土壤持水能力更强，每次灌水后10cm土层含水率可达到28.5%～31.6%，每次灌水前含水率降至15.6%～22.6%，平均19.8%，比CK增加43.5个百分点，比M或C处理分别增加14.5和26.1个百分点。可见，土壤中施用有机肥或生物炭对提高10cm土层水分含量有一定作用，两者同时施用10cm土层水分含量的增加更为显著。

图2 菜心生育期各处理灌水量及10cm土层体积含水率变化过程（2016-05-13—06-22）

2.1.2 土壤剖面含水率

生育期内有机肥、生物炭单施和生物炭配施有机肥处理下0-70cm土层水分分布见图3。由图可见，从整个生育期来看，不同处理土壤剖面水分分布不同。CK处理60cm以下水分含量最高，20cm以上次之，20-60cm土层随着生育期延长其水分含量呈现降低趋势。与CK相比，C处理土壤剖面水分分布明显上移，更接近表层，C处理水分主要集中在30-60cm土层。M和MC处理与C处理相比，其水分更接近上层土壤，呈上层土壤水分含量高，下层低的变化趋势。与M处理相比，MC处理水分分布更集中，MC处理水分主要集中在30cm以上表层，而M处理主要分布在40cm以上土层。由此表明，有机肥和生物炭单施均对土壤水分的下渗有一定的固持作用，而生物炭配施有机肥处理能够更好地将灌溉用水截获在土壤0-30cm表层土壤。

图3 菜心生育期各处理土壤剖面含水量的动态变化（2016-05-13—06-22）

2.2 生物炭配施有机肥对不同土层储水量的影响

从表3可以看出，收获后各处理0-40cm土壤储水量均呈增加趋势，MC处理储水量变化显著高于其它处理（P＜0.01）；0-70cm土壤储水量除C处理增加外，其它处理均降低。

与CK相比，有机肥和生物炭单施均能显著增加（C和M处理）收获后0-40cm土壤储水量（P＜0.01），分别增加180.2%和231.3%；而两者配施（MC处理）较CK、C和M处理0-40cm储水量显著增加（P＜0.01），增幅在23.5%～308.9%。表明生物炭和有机肥单施能够增加0-40cm土壤储水量，而配施效果更佳。C和M处理对收获后0-70cm储水量变化的作用则不同，与CK相比，C处理显著增加了收获后0-70cm土壤储水量（201.3%），而M处理储水量显著降低（降低了229.3%）；MC处理收获后土壤储水量降低作用显著，与处理CK、C和M相比，收获后储水量分别降低了2.9～28.5倍（P＜0.01）。

综上所述，生物炭配施有机肥能显著提高上层（0-40cm土层）土壤储水量，降低下层（0-70cm土层）土壤储水量，主要是MC处理将土壤含水量集中在0-30cm土层所致（图3），灌溉水分大多储存在土壤上层，作物可利用水分潜在含量增加。

表3 菜心收获前、后各处理不同土层土壤储水量比较（mm）

注：大写字母表示处理间在0.01水平上的差异显著性。下同。

Note: Capital letter indicates the difference significance among treatments at 0.01 level. The same as below.

2.3 生物炭配施有机肥对菜心生长及水分利用效率的影响

从表4可以看出，与CK相比，单施生物炭（C处理）除使菜心株高增加外，对其它生长性状无显著影响，单施有机肥（M处理）能够显著促进菜心生长，增加WUE，其中株高、单株叶围面积、叶片数、产量、生物量和WUE均显著增加（P＜0.01），分别增加123.1%、5125.2%、58.3%、1270.4%、1133.3%和1301.4%。与C和M相比，两者配施（MC处理）对促进菜心生长，提高WUE作用显著，其中MC处理较C处理株高、单株叶围面积、叶片数、产量、生物量和WUE分别增加112.0%、525.8%、71.8%、889.6%、1300%和984.0%（P＜0.01），较M处理株高、产量、生物量和WUE分别增加了39.6%、63.0%、51.4%和64.0%（P＜0.01）。由此可见，生物炭配施有机肥在促进菜心生长，增加菜心产量和提高水分利用效率方面作用显著。

表4 不同处理下菜心生长及水分利用效率的变化

Note: PH is plant height, LC is leaf circumference area, NL is number of leaves per plant, ET is water consumption.

3 结论与讨论

3.1 讨论

土壤水分是土壤肥力诸多因素中最活跃、最重要的因素之一，除被植物吸收利用外还影响土壤的肥力状况[19]。多数研究认为，生物炭能够增加砂质土壤含水量，对黏土含水量无显著影响[20]。本次试验中，生物炭配施有机肥（MC处理）较单施有机肥（M处理）10cm土层含水量有所增加。其中MC处理全生育期10cm土层含水量较M处理增加了12.6%（P＜0.05）。与王浩等[21]将生物炭单施在高粱作物上，王晓娟等[3,22-23]将有机肥单施在玉米和大豆作物上的研究结论一致。表层土壤水分含量的变化势必改变土壤剖面水分分布状况。试验发现，MC处理水分主要集中在0-30cm以上表层，而M处理主要分布在0-40cm以上土层，C处理水分主要集中在30-60cm，而CK处理60cm以下土层水分含量最高；收获时MC处理土壤储水量以0-40cm土层最高。有机肥和生物炭配施改变了收获期储水量的分布特征，增加上层土壤的储水量。可能是砂质土壤孔隙大，添加生物炭能够增加土粒之间的接触[24]，减少大孔隙度，增加小孔隙度，从而增加土壤的保水性能[25]，孔隙度的改变破坏了土壤原有的结构[26]，形成微孔结构，这种多微孔结构对提高土壤持水能力和增加灌水的入渗有重要影响，土壤入渗特征间接影响剖面水分分布[27]。

改良剂配施对土壤水分的作用并不仅仅是两者单独施用效果的叠加[11]。本试验中，生物炭和有机肥配施到土壤中水分含量的增加量大于两者单独施加时水分含量增加量之和。其中，生物炭和有机肥配施处理（MC）比不施生物炭和有机肥处理（CK）10cm土层含水量增加了29.2个百分点（P＜0.05），有机肥（M）和生物炭（C）单施比CK分别增加14.9和7.3个百分点（P＜0.05），MC处理比两者单施土壤含水量增加的和还高出7个百分点（P＜0.05）。可能是有机肥和生物炭配施对水分含量的增加呈交互作用[28]，生物炭具有的细粒子结构堵塞了有机肥添加到土壤中形成的大孔隙，阻止水分的下渗[29]。因此，相对于单施有机肥和生物炭土壤改良模式，有机肥配施生物炭在增加10cm表层土壤含水量方面有更佳的效果。

生物炭单施对作物的增产效果并不显著，而与氮肥配施能够显著促进作物增长[30]。在本试验条件下，将生物炭单独施用到土壤时，并不能促进菜心生长，而生物炭和有机肥配施到有机菜田中能显著促进菜心生长，增加产量和生物量，提高WUE。与M处理相比，MC处理株高、产量、生物量和WUE分别增加了39.6%、63.0%、51.4%和64.0%（P＜0.01）。Chan等[28]也发现，单施生物炭不添加氮肥时萝卜的产量也不会有明显增加，而生物炭和氮肥配合施用对萝卜干物质增加作用显著，本试验结论与其一致。这是由于生物炭与氮肥互作的结果[31]，土壤中施用的生物炭具有发达的孔隙结构，大的比表面积，高的碳氮比，有利于微生物生存繁衍[29]，从而增加与氮素代谢有关的微生物群落结构（促进有机肥中有机物质的分解）和丰度，增加土壤生态系统功能，为作物生长提供良好的生长环境[32]。因此，生物炭和有机肥配施添加到土壤中通过改变生物群落结构和丰度，改善土壤微生态环境从而间接促进作物生长，提高作物产量和水肥利用效率。

3.2 结论

（1）生物炭连续配施有机肥能够显著提高表层土壤含水量，降低土壤水分波动幅度。其中MC处理较M、C和CK处理生育期内0-10cm土壤含水量显著提高了124%、20.4%和29.2%（P＜0.05）。

（2）生物炭配施有机肥对灌溉用水的固持作用显著，使灌溉水分集中在上层土壤，提高作物利用的潜力。生育期内MC处理主要集中在0-30cm以上土层，M处理0-40cm含水量较高，C处理30-60cm含水量较高，而CK处理60cm以下土层具有较高的含水量。

（3）有机肥配施生物炭能够促进菜心的生长，增加产量，提高水分利用率。与单施有机肥相比，处理MC的收获期菜心株高、产量、生物量和WUE分别增加了39.6%、63.0%、51.4%和64.0%（P＜0.01）。

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Effects of Organic Fertilizer Combined with Biochar on Soil Moisture and Water Use Efficiency in Vegetable Field

WANG Zhan1, 2, LI Yin-kun1, WANG Li-chun1, GUO Wen-zhong1, XU Zhi-gang2, YANG Zi-qiang3, MA Li3, LI Qiu-chen1,4

(1．Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 2．Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095; 3．Wuzhong National Agricultural Science and Technology Park Management Committee, Wuzhong 751100; 4．Ningxia University, Yinchuan 750021)

Taking Chinese Flowering Cabbage as the experimental materal, the positioning experiment of single and combined fertilization of biochar and organic fertilizer was carried out in Wuzhong dry area in Ningxia. The research analyzed the experimental data about the first crop among three corps a year in total that planted on 13th May 2015, and harvested on 22nd June 2015. The experiment totally included four treatments as single organic fertilizer (M, 110t·ha-1), single biochar (C, 17t·ha-1), organic fertilizer combined with biochar (MC, 110+17t·ha-1) and no organic fertilizer and biochar (CK). Through testing the moisture dynamics and growing state of 0-70cm soil layer in growth period of Chinese Flowering Cabbage to analyze the role and effect of cultivation model of biochar combined with organic fertilizer in organic vegetable garden in northern of China. The results showed that the treatment MC could effectively increased the water content in 0-10cm soil layer. Compared with treatment CK, M and C, the average ratio of water content of 0-10cm soil layer in whole growth period increased by 12.4-29.2 percentage (P<0.05) respectively. Treatment MC changed the distribution of moisture in soil section profile, concentrate more moisture in 0-30cm soil layer and enhanced available water content for corps and had a remarkable role on water retention. Treatment MC could promote the growth of Chinese Flowering Cabbage and increase corps yield and water use efficiency (WUE). Compared with treatment M, the plant height of Chinese Flowering Cabbage, yield, biomass and WUE increased by 39.6%, 63.0%, 51.4% and 64.0% (P＜0.01) respectively in harvest season. The results indicated that treatment of biochar combined with organic fertilizer (MC) had remarkable role in water-storing and soil-maintenance and could be popularized as a preferential cultivation management model in local region.

Soil moisture; Soil water storage; Flowering Chinese Cabbage; Biomass

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.12.003

王湛,李银坤,王利春,等.生物炭配施有机肥对菜田土壤水分及水分利用效率的影响[J].中国农业气象,2017,38(12):771-779

2017-03-25

。E-mail：lykun1218@163.com

国家自然科学基金（青年）项目（41501312）；“十二五”科技支撑计划（2014BAD05B02）；农业部公益性行业科研项目（201303108）

王湛（1990-），博士生，主要从事作物水肥高效利用及水肥一体化技术研究。E-mail：wzyjsjt@163.com