施用生物炭对灰漠土养分及棉花生长的影响

侯艳艳，朱新萍，徐万里，顾美英，廖 娜，唐光木，王 旭

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；3. 河南工业职业技术学院机械工程学院，河南南阳 473000)

0 引 言

【研究意义】生物炭作为一类高度芳香化和富含碳、稳定性能高的有机物质在改善土壤性质和提高土壤肥力方面有着重要的作用。灰漠土是新疆主要农业土壤，其自身的障碍特性(白、板、干)限制了灰漠土的生产力；棉花是新疆主要的农作物，在农业秸秆中棉花秸秆约占三分之一，如果将其直接还田，棉秆中带的病虫害可能导致还田质量不稳定，对种子形成危害。棉花秸秆炭化还田为新疆棉花秸秆的利用提供新途径。【前人研究进展】生物炭(又称生物焦、生物质炭、生物黑炭等)是由植物或废弃物在高温缺氧或部分缺氧情况下产生的一种高度芳香化物质。生物炭具有改善土壤理化性质、保水保肥的特点。研究显示，生物炭能够保持土壤水分[1]，增加土壤的渗透性[2]。 Downiea等[3]发现富含生物炭的土壤中CEC值比周边土壤中高。也有研究认为土壤与生物质炭混合后，随着时间的推移，生物炭老化，土壤CEC的值显著增加[4]。也有研究表明，生物炭对肥力较高土壤的CEC影响不明显，而肥力较低的土壤CEC对生物炭的加入更为敏感[5]。大部分研究结果认为生物炭在一定程度上促进了作物的生长[6,7]，但也有研究认为添加高量生物炭会抑制作物的生长发育[8]，而生物炭对不同生长时期的作物在不同的土壤类型上的影响也各不相同[9]。在灰漠土上施用生物炭有效提高了作物生物量，并促进其生长[10]。也有研究显示施用生物炭抑制了玉米初期的生长，且添加量高的处理抑制作用最显著[11]。通常生物炭加入到土壤后主要是通过增加土壤的养分、改变土壤理化性能和微生物群落来影响作物生长发育，影响程度与生物炭自身性质及土壤质地有关[12]。【本研究切入点】近年来，生物炭成为各领域研究的热点，生物质炭对土壤肥力和作物生长影响的研究，主要集中在风化土、酸性土壤上[13]，不同的土壤质地对不同原料的生物质炭的响应也不同。【拟解决的关键问题】以新疆棉花秸秆为试材，典型的灰漠土为对象，研究棉秆炭对新疆灰漠土养分及棉花生长的影响，为棉花秸秆的资源化利用，以及生物质炭对灰漠土肥力的改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试生物炭来自棉花秸秆，将其剪成1～2 cm左右的短枝条，放在马弗炉中，450℃炭化1 h，制备试验所需棉秆炭。将棉秆炭自然风干，研磨过0.25 mm筛备用。

供试土壤灰漠土，采自国家灰漠土土壤肥力与肥料效益监测基地(N43°95′26″，E87°46′45″)。土壤质地为壤土。列出供试土壤基本理化性质。表1

表1 供试土壤和棉秆炭基本性质
Table 1 Basic properties of the soil and biochar in the pot experiment

pHEC(mS/cm)有机碳Organiccarbon(g/kg)全氮TotalN(g/kg)全磷TotalP(g/kg)全钾TotalK(g/kg)碱解氮AvailableN(mg/kg)速效磷AvailableP(mg/kg)速效钾AvailableK(mg/kg)CECcmol(+)(kg)灰漠土Graydesertsoil88502269104705916354884270110772384棉秆炭Cottonstalk-char9373704170421761058214553820094105221196

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

以棉秆炭为试验材料，灰漠土为研究对象，试验设计共设6个处理，空白对照处理、NPK处理、NPK+有机肥(1.5 t/667 m2，耕层土重的1%，每年施入)、NPK+棉秆炭(1.5 t/667 m2，1%耕层土重，一次施用)、NPK+生物质炭(3.0 t/667 m2，2%耕层土重，一次施用)、NPK+生物质炭(6.0 t/667 m2，4%耕层土重，一次施用)，分别以CK、NPK、NPKM、NPK 1.5Bc、NPK 3.0Bc、NPK 6.0Bc，3次重复，共18个小区。氮肥40%基施，60%追施，P2O5(9.2 kg/667 m2)，K2O (4 kg/667 m2)作为基肥一次性施入。种植作物为棉花，品种为新陆早45号，小区面积6.4 m×5 m。

1.2.2 样品采集

样品采集：于2014年9月棉花吐絮期，每处理采用3点法采集0～20 cm土层样品，共计6个处理，每处理3次重复。将采集的土壤样品混匀后风干过筛，测定土壤的全量氮、磷、钾、碱解氮、速效磷、速效钾、pH及阳离子交换量(CEC)等指标[15]。

每处理随机采集5株植物样，用于生长指标的测定。

测产：每个处理采用对角线法取2个样点，计算株数和铃数。 每个样点随机收取吐絮铃15个，晾晒干后称重量，计算平均单铃重； 根据株数和铃数算出平均单株成铃数；籽棉667 m2产量(kg/667 m2)=收获密度(株/667 m2)×平均单株成铃数(个/株)×单铃重(g/铃)/1 000×校正系数(85%)。

1.3 数据处理

Excel 2010进行平均值和标准差计算，SPSS17.0进行显著性分析 (P<0.05)，SigmaPlot 10.0进行制图。

2 结果与分析

2.1 棉秆炭对土壤养分的影响

2.1.1 棉秆炭对土壤全量养分含量的影响

研究表明，加入棉秆炭，土壤全氮含量随着棉秆炭施用量的增加而增加，相比CK处理增加的幅度在5.6%～18.7%、5.9%～18.9%，但不同处理间差异不显著(P>0.05)。施用有机肥可以土壤中全氮的含量增加0.929 g/kg，相比CK处理增加了13.9%，差异也不显著(P>0.05)。图1

研究表明，NPKM、NPK处理组相比CK全磷含量减少，减少在5.8%～8.8%，但差异不显著(P>0.05)；棉秆炭处理相较于对照CK，NPK1.5Bc、 NPK3.0Bc处理中土壤的全磷含量降低了，降低在15%～35%，而NPK6.0Bc处理增加了土壤全磷的含量，增幅为7.9%；在添加棉秆炭处理中，土壤全磷含量随着棉秆炭的增加而增加，NPK1.5Bc全磷的含量最低，为0.56 g/kg，NPK3.0Bc、NPK6.0Bc处理组土壤中全磷的含量相比NPK1.5Bc处理增加了17.3%～45.4%，但各处理组之间差异不显著(P>0.05)。图2

不同处理中，土壤中全钾的含量随着棉秆炭的施用量增加略微增加，各处理之间差异不显著(P>0.05)。图3

图1 施用棉秆炭灰漠土全量N养分变化
Fig.1 Changes of Total N Nutrients in gray desert soil of different amounts of BC

图2 施用棉秆炭灰漠土全量P养分变化
Fig.2 Changes of Total P Nutrients in gray desert soil of different amounts of BC

图3 施用棉秆炭灰漠土全量K养分变化
Fig.3 Changes of Total K Nutrients in gray desert soil of different amounts of BC

2.1.2 棉秆炭对土壤有效态养分含量的影响

研究表明，NPK和NPKM处理土壤碱解氮的含量显著高于对照CK处理 (P<0.05)，相比CK处理，碱解氮分别提高了75.37%和79.65%，说明常规施肥和有机肥施用能够显著提高土壤中碱解氮的含量，维持土壤相对稳定的肥力水平。添加棉秆炭，相比CK处理显著提高了土壤碱解氮含量，提高在31.27%～44.10%，但不同处理间差异不显著(P>0.05)；同时可以看出，添加棉秆炭处理土壤碱解氮含量显著低于NPK、NPKM处理(P<0.05)，降低在21.69%～36.86%，这可能是因为棉秆炭丰富的多孔结构和巨大的比表面积增加了氮素的固持和吸附作用。图4

不同处理间对速效磷的影响相差较大，不同处理间土壤速效磷的含量表现为NPKM>CK >NPK1.5Bc >NPK6.0Bc>NPK> NPK3.0Bc，NPKM处理相比CK和NPK处理提高了11.25%和57.63%，相比添加棉秆炭处理，提高在16.49%～86.52%；不同棉秆炭处理，土壤速效磷低于CK处理，相比CK处理，降低在4.7%～67.65%；棉秆炭处理间，土壤速效磷含量NPK1.5Bc处理最大，相比NPK6.0Bc和NPK3.0Bc提高了26.38%和60.10%。图5

相比CK处理，不同处理都显著增加了土壤速效钾的含量(P<0.05)。相比对照CK处理，NPK和NPKM处理速效钾分别提高了5.38%和29.49%；相比CK处理，添加棉秆炭处理，显著提高了土壤速效钾含量，提高在36.4%～98.5% (P>0.05)；同时可以看出，添加棉秆炭处理土壤速效钾含量高于NPK、NPKM处理(P<0.05)，分别提高在29.4%～88.3%和5.30%～53.29%。图6

图4 施用棉秆炭灰漠土速效N变化
Fig.4 Changes of available N in gray desert soil of different amounts of BC

图5 施用棉秆炭灰漠土速效P变化
Fig.5 Changes of available P in gray desert soil of different amounts of BC

图6 施用棉秆炭灰漠土速效K变化
Fig.6 Changes of available K in gray desert soil of different amounts of BC

2.1.3 棉秆炭对土壤pH、CEC的影响

研究表明，每个处理组相对于对照组CK来说，pH值都有所降低NPK、NPKM处理pH显著低于CK(P<0.05)，分别降低了0.17和0.28个单位；添加棉秆炭处理，相比CK，pH值也是降低的，降低了0.08～0.13个单位，NPK1.5Bc降低最显著(P<0.05)；棉秆炭处理间，随着棉秆炭的增加，pH值也随之增大，增加了0.05个单位；添加棉秆炭处理与NPK和NPKM相比分别增加了0.04～0.09和0.15～0.20个单位，差异性显著(P<0.05)，但从整体上来看pH是降低的。图7

研究表明，NPK和NPKM处理中，土壤CEC的含量低于对照CK处理 (P>0.05)，分别降低了15.05%和7.40%，差异不显著(P>0.05)；各处理组与NPK处理相比，CEC都是增加的，差异不显著(P>0.05)。添加棉秆炭处理中NPK3.0Bc处理，相对CK处理，土壤CEC的含量是降低的，降低了43.66%，而NPK1.5Bc、NPK6.0Bc处理，相对与CK土壤CEC的含量是增加的，分别增加了6.26%和22.3%；NPKM和棉秆炭处理组土壤CEC的含量都高于NPK处理，相比NPK，CEC分别增加了7.12%、22.26%、9.49%、40.71%。图8

图7 棉秆炭对土壤pH影响
Fig.7 Change of pH in gray desert soil of different amounts of cotton stalk -char

图8 棉秆炭对土壤CEC影响
Fig.8 Change of CEC in gray desert soil of different amounts of cotton stalk -char

2.2 棉秆炭对棉花生长和产量的影响

2.2.1 棉秆炭对棉花生长的影响

研究表明，NPKM处理组，棉花生长相较于CK和其他处理组，棉花长势较弱，茎粗和地上地下生物量都有所下降，可能是由于有机肥的持续缓效性，表现不显著(P>0.05)。随着棉秆炭的增加，棉花的茎粗、株高及生物量也随着增加，差异不显著(P>0.05)。添加棉秆炭处理，相比CK组，各生长指标都略有提高，提高幅度最大的是NPKBC6.0处理组，分别提高了1.98%、3.98%、4.06%、13.78%、5.44%，各处理间差异不显著(P>0.05)。表2

表2 棉秆炭下棉花生长变化
Table 2 Effect of cotton stalk on crop growth

处理Treatment茎粗Stemsthick(cm)株高Plantheight(cm)地上部Aboveground(g)地下部Underground(g)单株生物量Biomassperplant(g)CK967±141a6840±696a3219±1302a530±298a3749±1510aNPK976±220a6988±752a3150±1313a534±191a3684±1494aNPKM864±128a6993±675a2905±773a497±118a3402±896aNPKBC15962±069a7081±456a3494±676a572±123a4066±782aNPKBC30967±171a6997±1187a3320±1091a529±126a3850±1158aNPKBC60986±101a7112±486a3350±1093a603±126a3953±1200a

2.2.2 施用棉秆炭对棉花单株叶面积及产量的影响

研究表明，各处理间棉花单株叶面积表现为NPK6.0Bc>NPK1.5Bc > NPKM> NPK3.0Bc> NPK> CK。NPKM处理与CK、NPK相比，棉花单株叶面积显著增加，增幅分别为30.8%、27.4%；棉秆炭处理组中，相比CK组，NPK1.5Bc、NPK6.0Bc显著提高了单株叶面积，提高35.4%、39.5%，(P<0.05)，而NPK3.0Bc相比CK也提高了单株叶面积，但差异不显著(P>0.05)；在棉秆炭处理组间，NPK3.0Bc相较其他两组，降低了棉花单株叶面积，降幅分别为10.4%、13.8%。添加棉秆炭，相比NPKM，NPK1.5Bc、NPK6.0Bc提高了也棉花单株叶面积，但提高不显著(P>0.05)，而NPK3.0Bc棉花单株叶面积显著降低了，降幅为6.7%。

研究表明，NPK相比于CK，棉花产量略微提高，但不显著(P>0.05)，NPKM处理，相比CK显著提高了棉花的产量，提高了12.4%；添加棉秆炭，相比CK处理提高了棉花产量，提高在8.9%～21.3%；同时也可以看出，添加棉秆炭处理中NPK1.5Bc、NPK3.0Bc棉花产量低于NPKM处理，降低了3.1%，而NPK6.0Bc增加了棉花产量，增幅为 7.9% 。而在棉秆炭处理组间，NPK6.0Bc比其他两组显著提高了棉花产量，提高了11.4%。表3

表3 棉秆炭下棉花单株叶面积及产量变化
Table 3 Effect of cotton stalk on leaf area and yield of cotton

处理Treatment单株叶面积Leafareasperplant(104mm2)籽棉产量Theseedcottonyield(kg/667m2)CK990±116c31581±897cNPK1017±101c31948±1593cNPKM1296±098a35496±2313abNPK15Bc1341±082ab34412±2338bcNPK30Bc1214±070c34381±1139bcNPK60Bc1382±084ab38300±1700a

3 讨 论

3.1 棉秆炭对灰漠土养分的影响

棉秆炭的加入提高了灰漠土中养分的有效性。研究表明，土壤的全氮和碱解氮含量随着棉秆炭添加量的增加而增加。已有的研究证明[15]在不施肥的情况下，5和10 g/kg生物炭用量的土壤碱解氮含量与对照相比分别提高了30.9%和15.0%，但各处理间差异不显著(P>0.05)。其原因可能是由于棉秆炭含碳量达417.04 g/kg，施入到土壤中时，碳氮比提高，使得有效氮含量降低，从而降低土壤氮素利用率；另一个重要原因就是新疆土壤pH的背景值较高，再加上棉秆炭也是碱性，使其碱化程度加剧，降低了氮的有效性。

研究中，在灰漠土中加入棉秆炭提高了土壤中全磷含量，这与玉米秸秆炭加入到酸性红壤和碱性潮土[16]中的结果相一致，且土壤中全磷的含量随着生物炭添加量的增加而增加。土壤pH值也是影响土壤磷素有效态转化的重要因素，研究中，当土壤pH值降低时，土壤中速效磷的含量增加，pH值升高时，则相反，速效磷含量降低，这与Parvage[17、18]等的研究结果相似，但与Deluca等的研究发现相反[19]。也有研究发现，在碱性土壤中生物炭对有效磷的吸附率与pH值的变化趋势相同[20]。

研究中，在添加棉秆炭的灰漠土中全钾的含量与国内大多的研究相一致，对土壤中全钾的影响不大。而添加棉秆炭显著增加了土壤中速效钾的含量，而且随着用量增加而增加，这与前人研究一致[21]，究其原因在于生物炭一方面可以直接带入营养元素钾，另一方面生物炭促进土壤中养分的保留[22]。

3.2 棉秆炭对灰漠土pH、CEC的影响

不同生物质炭加入不同土壤中使土壤pH升高或降低一直是现在争议的问题，研究发现，以造纸废物为原料的生物炭，施在酸性铁质土上，土壤的pH值增加[5]，但对碱性钙质土壤pH的影响不明显[23]。试验结果中表明，施用生物炭后，土壤的pH值比对照组有所下降，NPK1.5Bc处理的生物炭，其pH值明显下降，降低了0.14个单位，添加生物炭使裸地土壤pH值降低，这可能给新疆碱性土壤的改良带来很大的帮助，土壤肥力也将改善。因此，加入棉秆炭后新疆土壤pH值升高和降低的具体机制还需进一步探讨。

土壤阳离子交换量(CEC)是土壤保肥能力的重要指标之一，土壤质地、生物炭类型以及生物炭的老化都对土壤的CEC有影响[11]。试验结果表明，加入棉秆炭可以提高土壤阳离子交换量，有研究表明生物炭的CEC越大，对土壤的作用效果越明显[24]。其次，生物炭的作用效果与土壤的类型密切有关，生物炭能显著提高酸性土壤的CEC，尤其是砂土和低有机质含量的土壤[5]，但对石灰性土壤作用不明显[23]。此外，土壤 CEC的值也会随着生物炭的老化而增加[4]。

3.3 棉秆炭对作物产量的影响

生物炭在一定程度上改善了土壤理化性质、提高土壤肥力，进而促进植物生长发育并提高产量。在试验中添加棉秆炭，棉花产量比对照组增加7.9%～21.3%。有机肥比对照增产12.4%。生物炭的种类、施用量、土壤质地和施肥状况等因素都对作物增产有影响[25]。有研究结果显示施用生物炭虽然促进了作物的生长、提高了产量，同时也降低了作物的营养品质[26]。张晗芝等[8]通过研究发现，加入生物炭会显著抑制在玉米苗期的生长，但随着玉米的生长这种作用会慢慢消失。也有研究证明[27]在土壤中加入氮肥和生物炭时，可以增加萝卜的干物质产量，由此可见生物炭和肥料协同作用能增加作物产量。而有一些报道说生物炭对植物生长起抑制作用，如Asai等[28]认为不加入外源氮肥，只是施加生物炭时作物的产量会降低，Jeffery[24]研究发现加入污泥生物炭则降低了作物的产量。因此，综合考虑生物炭类型、土壤质地、施肥状况等多方面的因素，正确的施用生物炭在改善土壤肥力，提高养分利用效率、作物生产力有重要作用[29]。

4 结 论

添加棉秆炭主要对棉田土壤速效养分影响较大。土壤中碱解氮含量随着棉秆炭的增加而增加，比对照组CK增加了31.27%～44.10%；加入棉秆炭也提高了灰漠土速效钾的含量，比CK组增加了36.4%～98.5% (P<0.05)，比NPK处理组相比，速效钾含量增加了29.4%～88.3%。由于棉秆炭经炭化后呈碱性，当施入土壤后会增加土壤的pH值，但随时间不断延长，其值有所下降。棉秆炭对灰漠土的阳离子交换量有一定的提升作用，但不显著，而其随时间的推移有增加效果。棉秆炭对棉花的生长影响程度并不显著，但对棉花产量有显著影响，NPK6.0Bc比对照CK增产21.3%，有机肥比CK增产12.4%。

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