生物炭对不同水氮条件下小麦产量的影响

李帅霖，上官周平

(中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100)

生物炭是生物质在限氧条件下热裂解、炭化产生的一类高度芳香化、难溶性的固态物质，具有比表面积大、孔隙结构好、吸附能力强和材料来源广等特性, 是理想的农用基质材料[1-2]。生物炭对土壤中氮、磷等养分的持留作用[3-4]和对土壤水分的固持作用[5-6]可有效提高土壤保肥蓄水能力[7-8]，增加作物产量。

目前生物炭对作物生长和土壤肥力的影响相关研究在风化土及典型热带贫瘠土壤地带开展较多[9]，由于生态条件、气候条件、生物炭类型及土壤质地等诸多试验环境因子的不同，生物炭对作物生长发育的影响仍存在一定的不确定性[10]。如Wang等[11]向盆栽平邑甜菜添加生物炭，发现添加量为20 g·kg-1和80 g·kg-1均可以显著提高甜菜叶片叶绿素含量，降低胞间二氧化碳浓度，增强气孔导度和光合效率；葛顺峰等[12]通过15N标记实验发现添加生物质炭可以有效促进苹果植株对氮肥的吸收，减少氮肥气态损失，提高氮肥利用率；而Van等[13]发现在施肥的碱性钙质土上，以造纸废物为原料的生物炭减少了小麦和萝卜的干质量；张晗芝等[14]发现生物质炭对玉米苗期的生长有显著抑制作用。因此，目前就生物炭对不同水肥条件下作物产量的影响效果及其变化机理有待进一步试验研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

表1 供试土壤与生物炭主要理化特性

1.2 试验设计

试验设置五个生物炭添加水平(B0，B1，B2，B4，B6)，分别为盆内所装干土质量的0%、1%、2%、4%和6%，对应田间应用水平分别为0、24、48、96 t·hm-2和144 t·hm-2。三个氮肥施用水平(N0，N1，N2),以纯N计分别为0、0.2 g·kg-1和0.4 g·kg-1。水分设置为土壤田间持水量的80%(W80)和50%(W50)两个水平(拔节期开始控制，苗期至拔节期水分条件均为田间持水量的80%)。各处理按照0.2 g·kg-1P2O5标准添加磷肥。共计30个处理，每个处理4次重复。

试验采用直径20 cm，高30 cm的塑料桶，底部铺有一层直径2～3 cm石子，桶壁固定内径2 cm PVC水管便于后期称重控水并防止因表面灌溉产生表层土壤板结。按照试验设计，控制每盆土与生物炭总质量为14 kg，单独称重并将对应氮肥(尿素)与磷肥(过磷酸钙)混匀，人工搅拌均匀后添加适量水，控制每盆含水量为田间持水量80%。

2015年10月15日播种，三叶期每盆定植10株，2016年5月26日收获。苗期至拔节期根据天气及作物生长状况采用称重法控制土壤含水量为田间持水量的80%，于2016年3月15日(拔节期)至2016年5月26日(成熟期)控制对应处理的土壤含水量。

1.3 测定指标及方法

小麦拔节期和抽穗期使用LI-6400XT便携式光合仪(LI-COR,USA)测定小麦旗叶光合参数，使用SPAD叶绿素含量测定仪(Minolta SPAD-502, Osaka, Japan)测定小麦旗叶叶绿素相对含量。小麦成熟后，用剪刀将穗剪下、植株沿茎基部剪下，带回实验室进行考种，并对每盆小麦产量，穗数，每穗粒数，千粒重，株高，穗长等进行统计分析。

1.4 数据处理

试验中所有数据均为平均值，采用Excel 2010进行数据处理SPSS 20.0软件进行统计分析，LSD多重比较处理间差异显著性(α=0.05)，SigmaPlot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对小麦产量的影响

生物炭对小麦产量的影响受生物炭用量，氮肥水平和水分条件共同制约。1%和2%生物炭用量表现出增产趋势，而4%和6%生物炭用量均表现出负面作用，在低等氮肥(N0)条件下，添加生物炭会不同程度提高小麦产量，而在中高氮肥(N1，N2)条件下，随着生物炭用量的提高，小麦产量出现先升高再降低的趋势(图1)。

注：生物炭施用量B0，B1，B2，B4和B6分别指在土壤中按照干土质量分数0，1%，2%，4%和6%添加生物炭。N0，N1和N2分别指按照0,0.2 g·kg-1和0.4 g·kg-1标准添加对应量氮素。W80和W50分别指在小麦拔节期至成熟期控制土壤含水量为田间持水量的80%和50%。不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note: The B0, B1, B2, B4 and B6 mean that biochar addition rate of 0, 1%, 2%, 4% and 6%(mass ratio), respectively. N0, N1 and N2 mean that adding N to soil with the dosage of 0, 0.2 g·kg-1and 0.4 g·kg-1, respectively. W80 and W50 refer to control soil water content is 80% and 50% of field capacity (wheat jointing stage to mature stage), respectively. Different lower-case letters in the same column mean significant difference at 0.05 level among treatments. The same below.

图1生物炭对不同水氮条件下小麦产量的影响

Fig.1 Effects of biochar on wheat yield under different soil water and nitrogen conditions

具体地，与不施生物炭处理相比，1%生物炭用量平均增产量达6.62%，在低氮肥(N0)水平下平均增产高达18.05%；2%生物炭用量平均增产量达11.01%，在N0水平下平均增产量达33.62%；4%生物炭用量在中高氮肥(N1，N2)水平下，减产量达6.88%，在低等氮肥(N0)水平下增产平均达9.81%。6%生物炭用量会造成严重减产，平均减产量达10.1%，在中高氮肥(N1，N2)条件下B6平均减产量高达19.21%，而在低氮肥条件下N0，B6则平均增产7.71%。

在正常水分(W80)条件下，各处理产量情况如图1(W80)所示。与B0N0处理产量(7.09±0.22 g)相比，中低生物炭用量(B1，B2)虽有增加小麦产量趋势，但均未达显著水平(P>0.05)，而高生物炭用量(B6)表现出减产作用；在中等氮肥(N1)水平下，B1N1和B2N1处理表现出一定增产趋势，B4处理表现出减产趋势，但都与B0N1处理产量(49.17±5.88 g)无显著差异(P>0.05)，而B6N1处理产量(37.17±1.03 g)下降，减产量达N0N1的25.23%(P<0.05)；在高量氮肥水平(N2)下，与B0N2处理产量(55.37±4.22 g)相比，B1N2与B2N2处理均表现出一定增产趋势，增量分别达B0N2处理的5.92%和1.90%，但差异均未达到统计学显著水平(P>0.05)，而B4N2和B6N2处理显著降低产量，减产量分别达B0N2处理的14.74%和21.06%(P<0.05)。

在干旱胁迫(W50)条件下，各处理产量情况如图1(W50)所示。在N0条件下，与B0N0处理产量(6.82±0.28 g)相比，B1，B2，B4和B6处理小麦产量均表现出一定的增加趋势但差异均未达显著水平(P>0.05)，另外在较低生物炭用量(B1和B2)条件下，产量随生物炭用量增加而呈上升趋势；在N1条件下，B0，B1，B2和B4处理产量之间差异不显著(P>0.05),B4N1处理表现出降低产量的趋势，减产量达B0N1产量(34.77±2.91 g)的6.67%。而B6N1处理产量显著低于B0N1处理，减少量达B0N1的21.63%(P<0.05)；在N2条件下，所有生物炭处理(B1，B2，B4和B6)产量均与未添加生物炭处理(B0)产量无显著差异(P>0.05)，但均表现出一定的减产作用。

2.2 氮肥对小麦产量的影响

小麦产量随氮肥施用量的增加而增加，N1和N2平均产量分别是N0处理平均产量的5.06倍和5.62倍，N2处理平均产量比N1处理平均产量提高11.09%。水分条件对氮肥增产效果影响较为明显，在正常水分条件下(W80)，与N0相比，N1和N2处理平均产量分别是N0处理平均产量的5.78倍和6.41倍。在干旱胁迫条件下(W50)，N1和N2处理平均产量分别是N0处理的4.29倍和4.78倍，与N1处理产量相比，N2处理平均增产11.46%。

如图1所示，在正常水分(W80)条件下，所有处理在N0条件下的产量均显著低于N1和N2处理产量(P<0.05)。在B0，B2和B4条件下，N1和N2处理之间差异均不显著(P>0.05)。B6条件下，N1和N2处理产量之间差异显著，N2产量比N1增加17.60%(P<0.05)。

在干旱胁迫情况下，与正常田间水分处理情况类似，所有处理在N0条件下的产量与N1和N2处理产量之间的差异均显著(P<0.05)；B0，B1和B2处理在N1和N2条件下的产量之间无显著差异(P>0.05)。B4N2比B4N1产量提高了18.77%(P<0.05)，B6N2比B6N1产量提高了29.03%(P<0.05)。

2.3 土壤水分含量对小麦产量的影响

如图2所示，干旱胁迫(W50)条件下各处理平均产量显著低于正常水分(W80)条件下各处理平均产量，W50处理平均产量为W80处理平均产量的70.79%(P<0.05)。在N0条件下，B2W80和B4W80处理产量分别显著高于B2W50和B4W50处理产量(P<0.05)，而B6W50处理产量显著高于B6W80处理(P<0.05)；在N1和N2条件下，同一生物炭处理，W80各处理产量均分别显著高于W50各处理产量(P<0.05)。

图2土壤水分含量对小麦产量的影响

Fig.2 Effects of soil water content on wheat yield

2.4 生物炭，氮肥和水分之间交互作用对小麦产量的影响

氮肥用量与土壤水分含量对小麦产量的影响明显强于生物炭处理，但它们之间存在复杂的交互作用(P<0.05)，共同影响小麦最终产量。如图3所示，在正常水分(W80)条件下，小麦产量随着生物炭用量增加呈先增后减的趋势，而在干旱胁迫(W50)条件下，小麦产量随生物炭用量变化受氮肥水平影响较大，在中等肥力(N1)条件下，小麦产量随着生物炭用量增加呈现先增后减的趋势，而在较低(N0)或较高(N2)氮肥水平下，未表现出明显变化趋势。

2.5 生物炭在不同氮肥和水分条件下对小麦农艺性状的影响

小麦的农艺性状受生物炭、氮肥和水分共同影响，在低氮肥(N0)水平下，添加生物炭部分处理可以显著增加小麦穗长，在高氮肥(N2)水平下，添加生物炭处理均会降低小麦株高，较高的生物炭(B4，B6)输入会导致小麦千粒重、穗粒数和株高的降低。在相同水分和氮肥条件下，大部分生物炭处理与未施生物炭处理(B0)相比，农艺性状无显著差异(表2)。

图3 生物炭、氮肥和土壤水分含量交互作用对小麦产量的影响

注：B0，B1，B2，B4和B6分别指在土壤中按照干土质量分数0，1%，2%，4%和6%添加生物炭。N0，N1和N2分别指按照0,0.2 g·kg-1和0.4 g·kg-1标准添加对应量氮素。W80和W50分别指在小麦拔节期至成熟期控制土壤含水量为田间持水量的80%和50%。“*”，“**”分别表示在同等水分和氮肥条件下，添加生物炭处理与未添加生物炭处理之间差异在5%，1%水平上显著。

Note：B0, B1, B2, B4 and B6 mean that biochar addition rate is 0, 1%, 2%, 4% and 6% (mass ratio) respectively. N0, N1 and N2 mean that adding N to soil with the dosage of 0, 0.2 g·kg-1and 0.4 g·kg-1, respectively. W80 and W50 refer to control soil water content is 80% and 50% of field capacity (wheat jointing stage to mature stage), respectively. “*” and “**” indicating that the differences between the value of biochar treatment and no biochar treatment (under the same condition of water and nitrogen fertilizer) in 5%, 1% significant level, respectively.

在W80水分条件下，生物炭与氮肥互作主要影响小麦千粒重、穗长和株高三个性状。B4N1W80和B6N1W80处理的千粒重均显著小于B0N1W80(P<0.05)，减少量分别达B0N1W80的8.19%和12.75%。在N0W80条件下，添加生物炭处理的穗长均高于未添加生物炭处理，其中B1和B2处理穗长分别显著高于B0的12.18%和11.32%(P<0.05)，同时，B2处理株高显著高于B0，增量达B0处理的7.44%。

在W50水分条件下，N0处理，添加生物炭有助于增加穗长，其中B1和B6处理穗长分别显著高于B0的7.16%和7.85%(P<0.05)；B6处理显著提高B0处理穗粒数达29.69%(P<0.05)。但在N1W50条件下，B2和B4则显著减少穗粒数，减少量分别达B0处理的15.88%和21.01%(P<0.05)。在N2W50条件下，添加生物炭处理均会不同程度降低株高，其中B1和B4处理株高显著低于B0，分别达8.31%和6.71%(P<0.05)。

2.6 生物炭对小麦旗叶光合速率的影响

生物炭对光合速率的影响同样受到生物炭用量、氮肥水平和土壤水分含量及其交互作用的共同制约(P<0.05)。如图4所示，与不施生物炭处理相比，生物炭处理在低氮肥(N0)条件下表现出提高小麦旗叶光合速率的作用，且在小麦营养生长阶段(拔节期)较生殖生长阶段(抽穗期)促进作用更加明显。在中等氮肥(N1)条件下，生物炭处理均表现出促进小麦抽穗期旗叶光合速率的趋势且在干旱胁迫条件下促进作用更为突出。在高等氮肥(N2)条件下，除B4N2W50外，生物炭处理均表现出一定降低小麦旗叶光合速率的作用。

注：子图A表示拔节期小麦旗叶光合速率，子图B和C分别表示抽穗期小麦旗叶在W80和W50条件下光合速率。

Note: Subgraph A shows the wheat flag leaf photosynthetic rate of jointing stage, subgraph B and C show wheat flag leaf photosynthetic rate of heading stage under the W80 and W50 water conditions respectively.

图4生物炭对小麦旗叶光合速率的影响

Fig.4 Effects of biochar on photosynthetic rate of wheat flag leaf

在小麦拔节期，所有处理都在W80水分条件下，低氮肥(N0)添加生物炭处理显著提高光合速率，如B1，B2，B4和B6处理分别提高B0处理光合速率的63.16%，50.53%，91.58%和101.05%(P<0.05)。在中等氮肥(N1)条件下，B2处理显著提高光合速率达B0处理的20.79%(P<0.05)，而B6处理光合速率则显著低于B0处理(P<0.05)。在高等氮肥(N2)条件下B6处理光合速率显著低于B0处理，减少量为B0处理的38.96%(P<0.05)。

在小麦抽穗期，生物炭处理对小麦旗叶光合速率的影响在正常水分处理和干旱胁迫条件下表现较为一致。在中低氮肥(N0，N1)条件下，生物炭处理不同程度提高小麦旗叶光合速率，其中B2处理作用最为明显。在高等氮肥(N2)条件下，除B4N2W50外，生物炭处理均在不同程度上降低光合速率，其中B1N2W80和B6N2W80光合速率分别显著低于B0N2W80的30.80%和14.44%(P<0.05)，B1N2W50和B6N2W50光合速率分别显著低于B0N2W50的24.55%和29.22%(P<0.05)。

3 讨 论

本研究结果显示，生物炭对小麦旗叶主要光合参数和产量的影响受生物炭用量，氮肥水平和水分条件共同制约。总体上，低量(1%，2%)生物炭表现出促进光合作用、增加产量的趋势。较高(4%，6%)生物炭用量对小麦生长表现出负面作用,其中4%和6%生物炭用量平均减产量分别达6.88%和10.1%。在低氮肥水平下，生物炭处理均表现出促进小麦光合速率并提高小麦产量的作用，增产幅度为6.62%～33.62%。而在中高氮肥(N1，N2)条件下过高生物炭输入会表现出负面效应，4%和6%生物炭用量处理平均减产量分别为6.88%和19.21%。

低氮肥(N0)条件下，生物炭表现出一定增产作用，营养生长阶段净光合速率和蒸腾速率同步提高，利于积累更多光合产物；生殖生长阶段，干旱胁迫条件使得小麦较低的蒸腾速率与光合速率协同，减少水分与产物消耗，最终增加作物产量。这是由于生物炭的灰分中含有的水溶性矿质元素能直接提高土壤中营养元素总量和作物可利用态含量[18]，加之提高土壤阳离子交换量、总磷、总氮含量等作用使土壤理化性质的改善，进一步提高土壤肥力[19]，从而提高小麦物质生产能力与最终产量。

在中高氮肥(N1，N2)条件下，适量生物炭输入促进小麦拔节期和抽穗期光合作用，加速营养和生殖生长过程，最终增加小麦产量。生物炭对作物生长的影响与生物炭种类和土壤质地密切相关，本试验选用碱性木质生物炭，此类生物炭拥有较高增产潜力，平均可以提高12.1%的作物生产能力[20]。而针对土壤质地而言，生物炭施用于砂质土壤往往具有较高的增产作用，在质地较细土壤中增产作用并不明显。如Jeffery等[21]指出，在中等质地土壤和粗质地土壤中施用生物炭，作物生产力分别平均提高12%和10%，而在细质地土壤中，生物炭施用并未表现出增产作用。本研究使用土壤为含黏粒16.81%的碱性粉黏壤土，由于生物炭的微孔丰富,碳架结构清晰稳固[22]，输入土壤后使其总孔隙度提高, 容重降低，透气通水性增强[23]，为作物生长尤其是根系生长提供良好的环境条件[3,24]，利于作物增产[25]，但生物炭提高土壤阳离子交换量和养分持留等作用并没有在粗质地土壤中明显[20]，这在一定程度上限制了生物炭最大增产效应的发挥。

本试验高量(4%，6%)生物炭输入土壤造成小麦光合速率、小麦千粒重、穗粒数和株高降低，最终产量下降。其主要原因是：(1) 供试土壤为质地较细的碱性土壤，使改良土壤和增产主要机理为石灰效应和提高土壤持水能力的生物炭有利功能受到限制[19]；(2) 生物炭的大量输入造成土壤pH进一步提高，从而大大降低了磷和某些微量元素的有效性；(3) 随着生物炭的大量输入，土壤碳氮比和生物炭中易降解的脂肪碳含量也随之升高，微生物会对氮素产生强烈的固定，降低根系的可利用性进而影响作物产量[26-27]。这与目前国内外研究结果较为一致，如Uzoma等[28]将生物炭应用在种植于沙质土壤的玉米中，结果发现15 t·hm-2处理的产量高于20 t·hm-2处理。Liu等[20]综合分析了2013年以来近10年生物炭还田相关试验对作物产量的影响，得出生物炭的施用平均可以提高11.0%的作物生产力，平均提高10.6%旱地作物生产力的结论，同时指出当生物炭用量超过40 t·hm-2时，其增产作用将受到限制。本试验4%和6%生物炭用量对应田间96 t·hm-2和144 t·hm-2用量，生物炭负增产效应开始展现。

在农业生产中，氮肥和水分是限制作物生产力的主要因素，光合作用是植物物质生产的基础，国内外研究表明生物炭对土壤氮和水分具有较好的固持作用，能有效提高土壤保水保肥能力[29-30]，促进作物光合作用[12]，增加作物产量[31-33]。在本文中，生物炭、氮肥和土壤水分含量之间存在复杂的交互作用，氮肥和水分条件起主导作用，但无论在正常水分还是干旱胁迫条件下，适量生物炭输入与一定氮肥水平之间均存在协同增产作用，这与Jeffery等[21]的研究结果较为一致。适量生物炭输入土壤，生物炭自身养分的带入、对土壤容重和孔隙度等物理性质的改良充分发挥作用，使作物根系水气状况得到改善，而微生物固持养分的激发效应不强烈，最终生物炭与氮肥的协同增产作用得到进一步体现。另外，本试验两种水分梯度之间差距较大，生物炭与氮肥协同增产作用并未突破干旱胁迫对作物生长的限制，但值得注意的是在干旱胁迫条件下，中低量氮肥与生物炭协作促进小麦光合作用，且B6N0处理产量显著高于正常水分条件下的产量，这说明在一定氮肥和水环境条件下，生物炭拥有提升作物抗旱能力的潜力。

本文研究了生物炭、氮肥和土壤水分及其交互作用对小麦产量、农艺性状和关键生育期旗叶光合速率的影响，并深入探讨生物炭适宜用量及内在机理，为在不同肥力和水分条件地区应用生物炭提升土壤质量和提高作物产量提供理论依据和技术支撑。本文采用盆栽种植小麦方法，其效果与大田实际应用存在一定差距，且在大田试验中，生物炭改良作用具有一定累加潜力，生物炭还田第二年起开始表现出越来越强的增产效应[20-21]。因此，生物炭、氮肥和水分交互的长期田间定位试验亟待开展。

4 结 论

1) 适宜生物炭用量(1%，2%)增加小麦产量，过高生物炭用量(4%，6%)显著降低小麦产量。低氮肥(N0)水平下，施用生物炭促进小麦光合作用，达到增产效果；中高氮肥(N1，N2)条件下产量随着生物炭用量增加呈先增后减趋势。

2) 生物炭对小麦光合作用及产量的影响受生物炭用量，土壤肥力和水分条件共同制约且存在复杂的交互作用，1%和2%生物炭用量与氮肥之间存在协同增产作用。干旱胁迫会限制生物炭与氮肥的协同增产作用

3) 在贫瘠土壤上应用生物炭效果较好，在改良质地较细且肥力良好的土壤时推荐48 t·hm-2(2%)生物炭用量。

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基肥撒施后经耕翻、旋耕，再起垄移栽，每小区5垄，辣椒育苗移栽，移栽密度为100株/小区。过磷酸钙和硫酸钾均一次基施，尿素按照3-3-4的运筹比例分别在基肥-盛花期-盛果期施用，追肥方式为穴施。除肥料外，其他浇水、施用农药等管理措施均一致，试验大棚于8月下旬因暴雨受淹一次。

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