施用生物炭对膜下滴灌玉米土壤水肥热状况及产量的影响

胡 敏，苗庆丰，史海滨，于庆峰

(1.内蒙古农业大学职业技术学院， 内蒙古 包头 014109；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018)

随着我国农业生产实现集约化进程的加速发展，在农业生产活动中，化肥的施用量不断增加，造成了土壤的板结、酸化问题突出，严重制约了农业的健康和可持续发展，同时持续使用化肥带来的面源污染问题日益加重和恶化[1]。因此，在这样的现状下，如何缓解此类问题，改善土壤的水肥热条件和提高土地生产力是我们亟待解决的问题。近些年，随着人们对生物炭的深入研究发现，土壤中施入生物炭可显著改善土壤结构，从而达到改良土壤的效果[2,3]，为作物的生长提供了良好的水肥热条件[4,5]，作物增产效果显著[6,7]。

内蒙古河套灌区地处干旱半干旱地区，玉米是灌区主要的经济作物，但近些年随着灌区引黄水量的逐渐减少和土质的日益恶化，严重制约了玉米产业的发展，传统的种植灌溉模式已经逐渐难以适应灌区农业长足的发展。膜下滴灌是多年来得以实践证明的一种节水型灌溉技术，其较传统大水漫灌的灌溉模式可显著提高作物产量、水分利用效率和肥料利用率[8-11]，具有较好的应用前景。而针对玉米膜下滴灌施用生物炭的研究鲜有报道，本研究拟结合二者的优势，探索膜下滴灌条件下施用生物炭对玉米土壤水肥热效应和产量的影响，旨在寻求玉米膜下滴灌条件下的最适施炭量，从而为该种植管理模式在河套灌区的推广应用提供理论依据和技术支撑，对灌区玉米产业的发展具有重要意义。

1 试验设计与研究方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古河套灌区磴口县补隆淖镇夹道村，该地区多年干旱少雨，年平均降雨量139.8 mm，蒸发量2 374.6 mm；多年平均气温为7.6 ℃，平均日照时数3 183 h，年平均风速2.84 m/s，年平均无霜期在130 d左右。试验区0～20 cm为粉砂壤土，20～100 cm为粉砂质黏壤土，土壤平均密度为1.47 g/cm3；耕作层凋萎系数9.3%，田间持水量21.2%，灌溉水源为黄河水，作物全生育期地下水位平均在1.5～2.5 m。

1.2 试验材料

试验选用辽宁金和福农业开发有限公司生产的玉米秸秆生物炭，基本理化性质为：碳的质量分数为47.17%、氮为0.71%、氢为3.83%，pH值为9.04，有机质质量比为925.74 g/kg，碱解氮为159.15 g/kg，速效磷为394.18 g/kg，速效钾为783.98 g/kg；地膜采用0.008 mm聚乙烯吹塑农用地膜，膜宽70 cm；玉米品种为豫奥6号。

1.3 试验设计

玉米春播期，整地后，人工将生物炭均匀撒施于土壤表层，采用翻耕机翻耕，与土壤充分混匀，深度20 cm左右。试验设置小区试验，小区面积为60 m2(6 m×10 m)，共设置不施生物炭(CK)、施炭量为15 t/hm2(ST1)、30 t/hm2(ST2)、45 t/hm2(ST3)和60 t/hm2(ST4)5个处理，各处理3次重复，随机排列组合。采用机械覆膜、铺设滴灌带，种植模式为一膜一带、一膜2行，人工点播玉米，种植行距50 cm，株距28 cm。按当地常规种植管理模式，春玉米播种时施入磷酸二铵300 kg/hm2，尿素150 kg/hm2。按当地滴灌玉米常规灌溉施肥模式，玉米全生育期共灌溉10次，玉米拔节期、抽雄期、吐丝期、灌浆期和乳熟期分别灌溉2次、3次、1次、2次和2次，灌水定额为30 mm/次，灌溉定额300 mm；玉米拔节期和抽雄期采用施肥罐追施尿素225 kg/hm2。

1.4 研究方法

各生育期内，分别于各处理玉米行间0～10和10～20 cm取样，3次重复，采用烘干称重法测定土壤含水率。取表层0～20 cm土壤测定养分含量，其中土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定，土壤碱解氮含量采用碱解蒸馏法测定，土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾含量采用NH4OAC浸提-火焰光度法测定。土壤表层0～10 cm埋设直角地温计，各生育期连续3天自8∶00至20∶00每隔2 h读取一次。玉米收获期，各处理选取具有代表性的10株测定其生产性状指标和经济产量。

1.5 数据处理

采用Mircrosoft-Excel2003进行数据处理并绘制图表，利用数据分析软件SPSS17.0进行试验数据单因素方差检验，采用LSD法进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施炭量对土壤含水率的影响

图1(a)、图1(b)分别为不同处理条件下玉米各生育期0～10和10～20 cm土壤含水率变化情况，由图可知，各处理土壤含水率变化趋势一致，且随生物炭施用量的增加呈现先增加后减小的趋势。0～10 cm土壤含水率在玉米苗期内，处理ST2、ST3和ST4分别较CK处理高8.44%、14.15%和5.80%，差异性显著，而ST1与CK间差异性不显著；拔节期，处理ST2、ST3和ST4分别较CK处理高10.81%、19.54%和6.41%，差异性显著，而ST1与CK间差异性不显著；抽雄期，处理ST2、ST3分别较CK高8.29%和12.72%，差异性显著，处理ST1和ST4与CK差异不显著；灌浆期，ST3较CK高12.08%，差异性显著，而其余处理与CK间无显著性差异；成熟期，各处理间差异性均不显著。10～20 cm土壤含水率，玉米苗期，处理ST2、ST3和ST4分别较CK处理高7.77%、15.86%和6.27%，差异性显著，但ST1与CK间差异性不显著；拔节期处理ST2、ST3分别较CK高10.16%和19.66%，差异性显著，而ST1、ST4与CK差异性不显著；抽雄吐丝至灌浆期，ST2和ST3分别较CK高7.06%、13.51%和6.21%、10.04%，差异性显著，ST1和ST4与CK无显著性差异；成熟期，各处理间均无显著性差异。由此可知，在一定的施用量范围内，生物炭可显著提高玉米耕层土壤水分含量，且当施用量达到 45 t/hm2时，即处理ST3增幅最为明显。

图1 不同施炭量条件下玉米各生育期耕层土壤含水率变化

2.2 不同施炭量对土壤肥力指标的影响

由图2不同处理条件下玉米各生育期土壤肥力指标的变化可知，玉米苗期内，土壤有机炭含量随生物炭施用量的增加呈现持续增加趋势，且均高于对照处理CK，ST1、ST2、ST3和ST4平均较CK增加15.74%～87.81%，差异性显著；土壤速效磷、速效钾和碱解氮含量呈现先增加后减小的趋势，且均以处理ST3增幅最大，平均较对照处理高85.88%、49.15%和48.53%，差异性显著。拔节期，处理ST1、ST2、ST3和ST4土壤有机炭含量平均较CK增加18.08%～89.40%，差异性显著；土壤速效磷、速效钾和碱解氮含量均表现为处理ST3>ST2>ST4>ST1>CK，较CK处理最大增幅分别为101.29%、72.35%和64.31%，差异性显著。抽雄期，土壤有机碳和速效钾含量表现为处理ST4>ST3>ST2>ST1>CK，且最大增幅分别达到77.64%和59.73%，差异性显著；土壤速效磷和碱解氮含量为处理ST3>ST2>ST4>ST1>CK，较CK处理最大增幅达到74.49%和56.56%，差异性显著。灌浆期，土壤有机碳和速效钾含量均随施炭量的增加呈增加趋势，且最大增幅分别达到88.46%和53.14%，差异性显著，但此时ST3和ST4处理速效钾含量差异性不显著，而有研究表明，玉米生长中后期对钾的吸收利用较其他元素处于更高的水平，因此此阶段土壤中充足的钾含量将有助于延缓玉米根系和枝叶的衰老，从而为玉米的高产打下良好的基础[12,13]；土壤速效磷和碱解氮含量为处理ST3>ST2>ST4>ST1>CK，较CK处理最大增幅达到94.92%和50.70%，差异性显著。成熟期，处理ST1、ST2、ST3和ST4土壤有机炭含量平均较CK增加19.98%～64.26%，差异性显著；而速效磷、速效钾和碱解氮含量整体表现为随生物炭施用量的增加呈增加趋势，且各处理较CK最大增幅达到106.40%、42.08%和44.49%，差异性显著。

图2 不同施炭量条件下玉米各生育期耕层土壤养分指标变化

2.3 不同施炭量对土壤温度的影响

图3为玉米全生育期内不同时段各处理0～10 cm土壤平均温度日变化情况，整体来看随生物炭施用量的增加，土壤温度呈现增加趋势，整体表现为ST4>ST3>ST2>ST1>CK。且在玉米苗期内各处里间差异尤为显著，此阶段处理ST4各时段土壤温度显著高于处理ST1、ST2、ST3和CK，且各处里间差异性显著。拔节期以后，处理ST3和ST4间差异性不显著，但均显著高于其他各处理，且各施用生物炭处理明显高于处理CK。说明施用生物炭可显著提高耕层土壤温度，且当施用量达到一定值时增温效果减弱。

图3 不同施炭量条件下玉米各生育期耕层土壤温度变化

2.4 不同施炭量对玉米产量指标的影响

由表1可知，施用生物炭显著提高了玉米各产量指标，且以处理ST3增幅最为显著，玉米穗长、穗粗、穗粒数和百粒重平均较对照处理CK高16.75%、16.08%、13.89%和10.82%。但随施炭量的持续增加，增产幅度呈现先增加后减小的趋势，处理ST1、ST2、ST3和ST4分别较CK高11.05%、18.56%、22.46%和18.72%，差异性显著，这也说明，在一定的生物炭施用量范围内，可显著促进玉米产量的提高。

表1 不同生物炭施用量下玉米产量指标对比

3 讨 论

3.1 生物炭对玉米耕层土壤水分状况的影响

内蒙古河套灌区地处干旱半干旱地区，春季寒冷干旱，夏季高温少雨，而适宜的土壤水分条件是保证种子萌发和玉米正常生长的基础性条件[14]。本研究发现，土壤中施入一定量生物炭后有效提高了玉米耕层的土壤含水率，这在一定程度上缓解了玉米遭受干旱的胁迫，有利于玉米的生长发育，这一结论与吕一甲[15]和尚杰[16]等的研究结果相同。这一方面是由于生物炭本身具有多孔结构的特征，同时具有较强的吸水性和吸附性，土壤中施入生物炭后，增强了土壤的持水能力；另外一方面，土壤中施入生物炭后，有效减小了土壤的体积质量，增大了土壤的孔隙度，从而有利于土壤水分的保蓄。但研究发现，玉米全生育期内，当生物炭施用量达到一定值后，继续施加生物炭，土壤保水能力呈下降趋势，这一研究与李昌见[4]和高海英[17]等的研究结论相同，这可能是由于过多的施炭量使得土壤的通气孔隙增加过大，从而使得土壤蒸发强烈，持水保水能力减弱[18]。

3.2 生物炭对玉米耕层土壤肥力状况的影响

土壤中含碳有机物质含量越高则土壤越肥沃，这对于作物的生长和产量的提高具有重要意义。本研究发现，玉米全生育期内施用生物炭处理土壤有机碳含量显著高于对照处理，且随施炭量的增加而增加，这一结论与陈红霞[3]、勾芒芒[19]和周桂红[20]等的研究结果相同，这一方面是由于生物炭本身含碳量较高，平均在40%～75%，在微生物的分解作用下，增加了土壤有机质含量；另一方面由于生物炭中的碳主要是通过热解生成，且以惰性的芳香环状结构存在，因为比较稳定，难以分解，因此长期存在于土壤中。

氮、磷、钾是玉米正常生长所必需的营养元素，本研究发现，施用生物炭后，玉米全生育期土壤氮、磷、钾含量均明显高于对照处理，且大多达到了显著性差异。这是由于生物炭具有比表面积较大的结构特征，这也使得其具有较强的吸附能力，从而增强了对土壤中铵离子、钾离子和磷及水溶性盐离子等吸附能力，使其稳定存在于土壤中，增强了保肥性能[21]。此外，施用生物炭后，增大了土壤的阳离子交换量，减少了降雨和灌溉等因素造成的土壤氮、磷、钾的淋溶损失。但对比研究发现，整个生育期内，当生物炭施用量达到一定值后，土壤中氮、磷、钾含量大多显著降低，这一结果与李昌见[4]和高利华[18]等的研究结果相同，但具体原因有待于进一步研究。

3.3 生物炭对玉米耕层土壤温度的影响

适宜的土壤温度是保证作物正常生长和产量生成的重要因素，这主要是由于土壤温度影响着根系的生长发育以及根系的活动和新陈代谢，从而直接影响其对养分的吸收利用[22]，并有学者研究得出了玉米生长的最适宜土壤温度[23]。本研究发现，全生育期内随施炭量的增加，土壤温度越高，且均显著高于对照处理，这一研究结果与李昌见[4]和朱冬梅[24]等的研究结果相同。这一方面是由于生物炭呈黑色，施入土壤后使得土壤颜色加深，这将有利于土壤更多的吸收太阳辐射，从而使得表层土壤温度升高[25]；另一方面，由于生物炭具有多孔结构特征，为微生物的生存和繁殖提供了良好的环境，而微生物的生命活动会产生大量的热，从而一定程度上提高了土壤温度[18]。但对比发现，玉米拔节期以后，ST3和ST4处理间土壤温度达到相近水平，这可能是由于此阶段两处理植株生长状况相当，遮阴效果相近，土壤颜色对太阳辐射的吸收效果影响减弱所致。

3.4 生物炭对玉米产量的影响

有研究表明，在一定施用量范围内，土壤中施入生物炭可显著促进作物的生长发育，从而为作物的增产增收奠定基础[26]。吕一甲[15]和张文玲[21]等通过研究施用生物炭对玉米产量的影响研究发现，由于土壤中施入生物炭，提高了土壤中的养分含量，玉米增产显著。陈敏[27]等通过研究生物炭对烤烟种植的影响发现，施用生物炭显著提高了烤烟产量，同时品质也得到了很大程度的提高。本研究发现，施用生物炭后同样提高了玉米产量，但当施用量达到一定量后，增产效果呈减弱趋势，与前人的研究结果相同。

4 结 论

(1)施用生物炭显著提高了玉米全生育期耕层土壤含水率，但随施炭量的增加增幅呈先增加后减小的趋势，且当施炭量达到45 t/hm2，增幅最大。

(2)施用生物炭显著提高了玉米全生育期耕层土壤养分含量，随施炭量的增加，有机碳呈显著增加趋势，而速效磷、速效钾和碱解氮含量全生育期内大多随施炭量的增加呈先增加后减小的趋势，且施炭量达到45 t/hm2时效果最为显著。

( 3)施用生物炭显著提高了耕层土壤温度，且随施炭量的增加呈持续增加趋势，但当施炭量达到45 t/hm2后增温效果减弱。

(4)施用生物炭显著提高了玉米产量指标，但随施炭量的增加呈先增加后减小趋势，且施炭量为45 t/hm2增产效果最好，平均较CK增产22.46%。