生物质炭对玉米生长发育、产量及白浆土理化性状的影响

李传宝，孟雨田，李晓庆，陈 琳，徐晴晴，王宏燕

（东北农业大学，黑龙江哈尔滨150030）

白浆土作为一种典型的低产形土壤广泛分布于黑龙江省东北部，其中白浆层的平均厚度在20 cm左右［1］，白浆土的白浆层是由粉砂和黏粒形成的致密结构，其中砂黏比高达2.0左右，这一类型的体积比类似于混凝土状的最紧密填充比例，因此白浆层具有透水、透气困难，板结紧实，同时土壤中的微生物数量因养分贫瘠以及生存空间受限等影响，对于作物根系的生长以及肥料的利用上均有不同程度的影响［2－3］。据黑龙江省多年调查结果表明，白浆土地区大田作物产量比邻近的黑土低20%［4］，所以白浆土一直被列为区域性低产土壤，并受到人们的关注。生物质炭的出现为土壤改良及促进作物生长提供了新的思路。

生物质炭（biochar）是指将生物质原料（农作物秸秆、木材、畜禽粪便、生活垃圾等）在限氧或缺氧条件下，经高温热裂解所产生的一类具有高度芳香化、含碳丰富、孔隙度高、稳定的固态物质［5］。生物质炭特殊的理化性质具有固碳减排［6－7］、提高土壤肥力［8］等特性，其具有含碳丰富、pH值较高等特点，在土壤N、P等肥力的含量上，是周边其他类型土壤的3倍左右；在农作物产量上也是周边其他类型土壤作物产量的2倍左右［6］。生物质炭因其独特的理化性质而具有持水、透气、保肥、提高微生物活性及促进作物产量增长的作用，被学者所广泛研究。但是目前大多数学者对于生物质炭的应用研究多停留在室内阶段和盆栽试验等，对于大田试验的研究鲜有报道，因此本研究以2年田间定位试验开展生物质炭对于白浆土理化性状及玉米生长发育的研究，以期为区域性及整个东北地区中低产田土壤研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黑龙江省农垦总局红兴隆管理局曙光农场，地理位置为130°17～130°39′E，46°13′～46°23′N。农场属寒温带大陆性季风气候，四季分明，冬长夏短。年平均气温3.6℃，年平均降水量523.4 mm。

1.2 试验材料

（1）供试土壤：供试土壤类型为岗地白浆土，土壤基本理化指标：全氮含量 1.31 g／kg，全磷含量 2.82 g／kg，碱解氮含量94.27 mg／kg，速效磷含量 85.73 mg／kg，速效钾含量158 mg／kg，有 机 质 含 量 24.48 g／kg，CEC 含 量19.11 cmol／kg，pH值 6.17。

（2）生物质炭：本研究中田间试验所用的生物炭以玉米秸秆为原料制得，购自于江苏南京勤丰秸秆科技有限公司，在700℃左右温度下经高温热裂解制成。试验用生物炭基本理化性质指标：全氮含量为 0.65 g／kg，全磷含量为0.99 g／kg，有 机 碳 含 量 为 277.2 g／kg，比 表 面 积 为182.3 m2／g，阳离子交换量（CEC）为 21.25 cmol／kg，含水量为 22.94%，pH值为 10.4。

1.3 试验设计

本试验自2015年4月播种前通过旋耕机将生物质炭一次性深翻施入土壤中，深度为20 cm左右，为达到数据更加准确和监测、取样方便，每种处理进行3次重复；每个小区面积30 m2，长宽为5 m×6 m；生物质炭试验设4个处理，其中空白对照（CK）0 t／hm2、处理 1（B1）10 t／hm2、处理 2（B2）20 t／hm2、处理3（B3）30 t／hm2，每个处理进行3次重复。2年试验玉米大田施肥量为底肥（尿素）200 kg／hm2，磷酸二铵150 kg／hm2，钾肥50 kg／hm2，追肥（尿素120 kg／hm2）。2015、2016年分别于5月6日、5月10日播种，足墒播种，全生育期无人工灌溉，田间管理一致，按高产田水平进行管理，分别于10月9日、10月6日收获。

1.4 测定指标及计算方法

土壤样品测定：土壤和生物炭的基本理化性质参照鲍士旦主编的《土壤农化分析》（第3版）进行测定。植物样品测定：每个小区取6株，田间用皮尺进行株高、茎粗测量并记录。生物量测定：分别在拔节期、大喇叭口期、吐丝期、乳熟期、蜡熟期、成熟期每小区选取生长均匀一致的植株6株，将其地上部分茎叶和籽粒分别在105℃杀青30 min，80℃烘干箱进行烘干称质量，测定植株地上部分干物质量。产量测定：玉米成熟期每小区随机选取3行全部收获测产，并选取具有代表性的10株果穗，待风干后考种，测定产量（按14%折算含水率）；经济系数＝经济产量／生物产量。

1.5 数据处理

本试验所测数据采用Excel 2007、SPSS 17.0和OriginPro 8.0进行数据处理、统计分析和制作图表。

2 结果与分析

2.1 生物质炭施入对玉米株高及生物量的影响

由表1可知，2015年，除苗期生物质炭B3处理玉米株高显著低于CK处理外，其他生育期阶段生物质炭处理条件下玉米株高与对照相比均无明显差异。2016年，生物质炭处理对玉米各生育期株高影响趋势与2015年一致，均为在苗期生物质炭B3处理条件下与对照CK处理差异显著，其他生育期阶段均差异不显著。由此可知，向土壤中添加30 t／hm2生物质炭对玉米生长苗期株高产生一定的抑制作用，其中施入量30 t／hm2比 20 t／hm2抑制作用效果更大。

表1 生物质炭施入对玉米生长不同时期植株株高的影响

从地上部分生物量来看，2015年，在拔节期、大喇叭口期生物质炭B2、B3处理的玉米地上部分生物量显著低于CK处理，而生物质炭B1处理与CK之间无明显差异；而到玉米生长后期的吐丝期、乳熟期和蜡熟期，生物质炭B2处理条件下的玉米生物量显著高于CK处理，B1和B3处理与对照CK处理之间差异不显著。2016年，拔节期生物质炭各处理条件下与CK处理之间无明显差异；大喇叭口期至蜡熟期，B2和B3处理条件下的玉米生物量显著高于CK处理，B1处理与CK处理间差异不显著（表2）。

由此可知，2015年向土壤中添加 20 t／hm2和30 t／hm2生物质炭对玉米生长前期（拔节期、大喇叭口期）产生一定的抑制作用，进入生长后期（吐丝期、乳熟期、蜡熟期），玉米植株生物量在B2处理条件下显著高于CK处理，B1和B3处理间差异不显著。2016年，拔节期生物质炭各处理间与CK间不显著差异，大喇叭口期至蜡熟期B2和B3处理条件下玉米生物量显著高于CK处理。

2.2 生物质炭施入对玉米植株叶面积指数及叶绿素含量的影响

生物质炭对玉米生育期植株叶片叶绿素含量的影响如图1所示。2015年不同处理的玉米植株叶片叶绿素含量在整个生育期呈现先增加后降低的趋势，在乳熟期—蜡熟期达到最大值。其中，在拔节期，B1、B2、B3处理条件下的叶绿素含量显著低于CK处理；在大喇叭口期—吐丝期—乳熟期，不同处理间差异不显著；在蜡熟期，B1处理植株叶绿素含量显著高于CK，B2、B3处理与CK间差异不显著；成熟期B2处理植株叶绿素含量显著高于CK，B1和B3处理间差异不显著。2016年，不同处理的玉米植株叶片叶绿素含量在生育期内基本上呈现先增加后降低的趋势，与2015年保持一致。在拔节期—大喇叭口期—吐丝期—乳熟期生物质炭各处理间无显著差异，在蜡熟期B1和B2处理植株叶片叶绿素含量显著高于CK，B3处理与CK无显著差异；成熟期B2处理植株叶绿素含量显著高于CK，B1和B3处理间无显著差异。

生物质炭对玉米生育期植株叶片叶面积指数的影响如图2所示，2015年在拔节期和大喇叭口期，B1、B2、B3处理的玉米植株叶面积指数（LAI）与对照CK处理相比无显著差异；在吐丝期和乳熟期植株叶面积指数达到最大值，其中，B1处理的叶面积指数显著高于 CK处理，分别增加 7.74%和6.61%，B2和B3处理与CK无显著性差异；蜡熟期生物质炭各处理与CK无显著性差异；成熟期B1和B2处理叶面积指数显著高于CK，均增加4.03%。2016年在拔节期和大喇叭口期，生物质炭各处理的玉米植株叶面积指数（LAI）与2015年保持一致；在吐丝期和乳熟期植株叶面积指数达到最大值，其中，乳熟期B2和B3处理的叶面积指数显著高于CK处理，分别增加6.97%和7.41%，B1处理与CK无显著性差异；蜡熟期生物质炭B2处理与CK差异显著，B1和B3处理与CK无显著性差异；成熟期B1和B2处理叶面积指数显著高于CK，与2015年一致，分别增加6.53%和5.74%。

表2 生物质炭施入对玉米生长不同时期植株生物量的影响

2.3 生物质炭施入对玉米产量及构成因素的影响

由表3可以看出，2015年，与CK处理相比，生物质炭B1、B2和B3处理条件下玉米穗长、穗粗、穗粒数、千粒质量均有所增加，其中B1和B2处理穗粒数显著高于CK，与CK相比，B1、B2和B3处理的生物产量和经济产量没有显著性差异，不同处理间的经济系数在0.440～0.445变化，处理间差异不显著，B1、B2和B3处理与CK相比均有所提高，分别增加了 0.45%、0.68%、1.14%。

生物质炭处理对2016年的玉米产量构成因素的影响与2015年有所不同，与CK相比，B1、B2、B3处理玉米植株穗长、穗粗、穗粒数、千粒质量和有效穗数都有所增加，其中B3处理的千粒质量显著高于CK处理，B2和B3处理的穗粒数与CK相比达到差异显著水平；与CK处理相比，B1处理的生物产量和经济产量没有显著性差异，而B2和B3处理下显著提高了玉米的生物产量和经济产量，由此可以看出，经济产量的增加是以生物产量为基础的，为了达到高产稳产的效果必须保证玉米植株在各个阶段的正常生长；不同处理间的经济系数在0.440～0.469之间变化，处理间差异不显著。

表3 生物质炭施入对玉米产量及构成因素的影响

表4 生物质炭施入对土壤理化性状的影响

2.4 生物质炭施入对土壤理化性状的影响

添加生物质炭显著降低了土壤容重，提高了土壤的pH值、有机碳（SOC）、全氮含量，且随生物质炭添加量的增加而增加（表4）。与对照CK处理相比，2015年生物质炭B1、B2、B3处理下，土壤pH值分别提高了1.30%、2.27%和4.70%；在B3处理条件下，土壤SOC、总氮（TN）与CK相比增加达到显著差异水平，分别提高了 36.56%、8.46%；总磷（TP）、速效磷（AP）、碱解氮（AN）、有机质（SOM）与 CK相比无显著差异。土壤容重在B2和B3处理条件下，与CK相比达到显著差异水平，分别降低了8.82%和11.03%，B1处理与CK无显著差异。

施用生物质炭第2年后不同处理土壤的容重、pH、SOC、全氮的变化趋势基本上与第1年保持一致。与对照CK处理相比，2016年生物质炭B1、B2、B3处理下，土壤pH值分别提高了 0.98%、2.28%和 4.23%；在 B3处理条件下，土壤 SOC、TN、AP、AN和容重与 CK别提高了 38.57%、9.09%、13.32%、11.35%，增幅较第1年明显增加，说明该处理下土壤养分供应充足；TP和SOM与CK相比无显著差异。

3 讨论

3.1 生物质炭施入对玉米植株农艺性状的影响

生物质炭对作物生长及产量的影响受土壤类型、肥力状况及生物质炭用量的影响［9－10］。张晗芝等通过盆栽试验得出，在玉米苗期，生物质炭对玉米生长及养分吸收没有促进作用，反而随施炭量的增加其抑制作用增加，但是玉米整个生育期对生物质炭的响应机制尚不明确［11］。Asai等研究也表明，土壤含氮量较低的情况下，不配施氮肥的生物质炭处理降低作物叶片中叶绿素的含量，降低水稻的产量，这种减产效应易出现在有效养分低或低氮土壤上，这与生物质炭矿质养分含量低及土壤高的C／N易降低土壤有效养分有关［12］。本研究的供试土壤肥力一般，虽然生物质炭对玉米苗期生长产生了一定的抑制作用，但对玉米产量未造成明显影响。从本研究中生物质炭对玉米植株生长的影响来看，生物质炭的施用在玉米生长初期有一定的抑制作用，这与张晗芝等通过盆栽试验得到的结果一致，但是随着时间推移这种抑制作用逐渐降低，特别是拔节期以后，随着追肥（氮肥）的施入，到大喇叭口期（玉米养分临界期）时完全消除，这种抑制作用和抑制的消除过程可通过玉米植株的农艺性状如叶绿素、叶面积、干物质的积累等表现出来。这种抑制作用可能是因为大量生物质炭的施入，导致土壤C／N的提高，抑制了土壤中N素有效供应引起的，这也可以通过玉米植株后期的表现性状进一步得到说明，在玉米籽粒—成熟期，生物质炭处理下的玉米叶片的叶绿素含量较高，并且保持较高的叶面积指数，增加玉米后期的保绿度。虽然上述现象都表明，施入土壤的生物质炭调控了土壤N素供应，但其对前期植物生长的抑制作用以及后期的促进作用的形成机制还需要得到更多证据的支持。

3.2 生物质炭施入对玉米产量及其构成因素的影响

一些研究表明，生物质炭能促进玉米、水稻等作物增产，但对小麦和大豆无显著增产作用［9－13］。Baronti等通过沙壤土的盆栽试验指出，当生物质炭施用量为30、60 t／hm2时，黑麦草的生物量比对照增加20%、52%，当施用量增加到100、200 t／hm2时，黑麦草的生物量反而比对照降低 8%、30%［14］。本研究结果表明，添加生物质炭20 t／hm2时玉米生物产量和经济产量都增加，但是30 t／hm2时生物产量有所下降，而经济产量基本一致。与常规施肥相比，添加生物质炭对玉米的穗长、穗粗、穗粒数等性状有一定的促进作用，20 t／hm2处理的效果尤为明显，这说明生物质炭的施入与玉米产量并非呈正相关。施用生物质炭可提高土壤阳离子交换量［7］，增强土壤对氮素的吸附和固持作用，从而达到减少了土壤氮素的淋失［15］，这可能是本研究中施用生物炭玉米生物产量和经济产量高于对照的原因。

3.3 生物质炭施入对土壤理化性状的影响

施用生物质炭可改变土壤孔隙度、容重及养分水平，进而影响土壤肥力的状况［16］。本研究通过对比连续2年的生物质炭效应强度来评价生物质炭及对土壤理化特性的持续影响。生物质炭对改善土壤性质具有稳定的持续性，连续2年显著降低土壤的容重，提高了土壤的有机碳、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量和pH值，其中，有机碳、有机质、全氮、速效氮和速效磷含量均在B3处理条件下达到差异显著水平。在施用氮肥的情况下，连续2年的水稻生长季内，生物质炭对提高土壤有机碳、全氮含量和pH值并降低土壤容重具有稳定的持续效应［13］。施用生物质炭可以增加土壤有机碳的含量，这是因为添加到土壤中的生物质炭能吸附土壤有机分子，通过表面催化活性促进小的有机分子聚合形成土壤有机质［17］，因此生物质炭的施用可显著增加土壤有机碳的含量。生物质炭对土壤氮素含量的影响一方面与生物质炭本身养分含量有关，另一方面也与生物质炭改善了土壤的性质有关［18］。本研究所使用的生物质炭本身含氮量为0.65 g／kg，这对提高土壤全氮含量有一定贡献；同时，施用生物质炭可提高了土壤阳离子交换量（CEC）［7］，增强了土壤对氮素的吸附和固持作用，从而减少了土壤氮素的淋失［16］。土壤pH值与生物炭本身的pH值呈显著线性相关［19］，本研究所使用的生物质炭pH值为10.4，因此生物质炭的施用在一定程度上促进了土壤pH值的升高。施用生物质炭后土壤容重降低，其原因除了生物质炭的多孔性，对土壤容重具有一定的稀释作用外［17］，还与施用生物质炭后可能导致土壤微生物活性增加［20－21］、团聚性增强［22］使土壤结构得到改善有关。

4 结论

生物质炭的施入对于玉米植株性状及产量具有促进作用，可有效提高玉米生物量、叶面积指数、叶绿素含量，但是在苗期生物质炭的施入对于株高具有一定的抑制作用，且抑制作用效果随着施入量的增加而加大；施用生物质炭显著影响土壤特性，提高土壤有机碳、全氮含量、土壤的pH值，降低土壤容重。综合2年间结果使用生物质炭对于玉米增产具有稳定和持续性，且以高施入量30 t／hm2效果较佳。

参考文献：

［1］曾昭顺，庄季屏，李美平.论白浆土的形成和分类问题［J］.土壤学报，1963（2）：3－21.

［2］宋达泉，程伯容，曾昭服.东北及内蒙东部土壤区划［J］.土壤通报，1958（4）：1－9.

［3］张之一，张元福.黑江省白浆土形成机理及改良途径的研究报告［J］.黑龙江八一农垦大学学报，1987（2）：13－23.

［4］律兆松，徐 琪.中国白聚土的研究［J］.土壤，1996（3）：113－118.

［5］?zimen D，Ersoy－Meriboyu A.Characterization of biochar and bio－oil samples obtained from carbonization of various biomass materials［J］.Renewable Energy，2010，35（6）：1319－1324.

［6］袁金华，徐仁扣.稻壳制备的生物质炭对红壤和黄棕壤酸度的改良效果［J］.生态与农村环境学报，2010，26（5）：472－476.

［7］Liang B，Lehmann J，Solomon D，et al.Black carbon increases cation exchange capacity in soils［J］.Soil Science Society of America Journal，2006，70（5）：1719－1730.

［8］王 宁，侯艳伟，彭静静，等.生物炭吸附有机污染物的研究进展［J］.环境化学，2012，31（3）：287－295.

［9］Van Zwieten L，Kimber S，Morris S，etal.Effects of biochar from slow pyrolysis of papermillwaste on agronomic performance and soil fertility［J］.Plant and Soil，2010，327（1／2）：235－246.

［10］Zhao Y，ShiX，Weindorf DC，etal.Map scale effectson soilorganic carbon stock estimation in North China［J］.Soil Science Society of America Journal，2006，70（4）：1377－1386.

［11］张晗芝，黄 云，刘 钢，等.生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响［J］.生态环境学报，2010，19（11）：2713－2717.

［12］Asai H，Samson B K，Stephan H M，et al.Biochar amendment techniques forupland rice production in Northern Laos：soil physical properties，leaf SPAD and grain yield［J］.Field Crops Research，2009，111（1）：81－84.

［13］Zhang A F，Liu Y M，Pan G X，et al.Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain［J］.Plant and Soil，2012，351（1／2）：263－275.

［14］Baronti S，AlbertiG，Delle V G，etal.The biochar option to improve plant yields：first results from some field and potexperiments in Italy［J］.Italian Journal of Agronomy，2010，5（1）：3－12.

［15］Laird D，Fleming P，Wang B Q，et al.Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil［J］.Geoderma，2010，158（3／4）：436－442.

［16］Lehmann J，Rondon M.Biochar soil management on highly weathered soils in the humid tropics［M］／／Uphoff N.Biological approaches to sustainable soil systems.Boca Raton：CRC Press：517－530.

［17］Liang B Q，Lehmann J，Sohi S P，et al.Black Carbon affects the cycling of non－black carbon in soil［J］.Organic Geochemistry，2010，41（2）：206－213.

［18］Liu Y X，Yang M，Wu Y M，etal.Reducing CH4and CO2emissions from waterlogged paddy soil with biochar［J］.Journal of Soils and Sediments，2011，11（6）：930－939.

［19］Yuan J H，Xu R K.The amelioration effects of low temperature biochar generated from nine crop residues on an acidic Ultisol［J］.Soil Use and Management，2015，27（1）：110－115.

［20］Woods W I，Teixeira W G，Lehanmn J，et al.Amazonian dark earths：Wim sombroeks vision［M］.Netherlands：Springer，2009：209－324.

［21］刘丽珠，范如芹，卢 信，等.农业废弃物生物质炭在设施栽培中应用的研究进展［J］.江苏农业学报，2016，32（6）：1434－1440.

［22］Brodowski S，John B，Flessa H，et al.Aggregate－occluded black carbon in soil［J］.European Journal of Soil Science，2006，57（4）：539－546.