生物炭与化肥互作对土壤含水率与番茄产量的影响

勾芒芒 屈忠义

(1.内蒙古机电职业技术学院水利与土木建筑工程系， 呼和浩特 010070；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；3.内蒙古农业大学寒旱区灌溉排水研究所， 呼和浩特 010018)

0 引言

番茄是内蒙古自治区中西部地区的重要蔬菜之一，番茄产业在农民增收和种植结构调整等方面举足轻重。长期以来，当地干旱少雨，降水时空分配不均，农业增收主要依靠大量化肥施入，而化肥利用率低也导致大量养分流失、土壤越来越贫瘠，特别是肥料中的氮、磷等化学养分流失到河流中，造成严重面源污染[1]。

生物炭是面向未来、低成本、可再生的生物质资源，被誉为“黑色黄金”[2]。生物炭是指农林废弃物在低氧或缺氧条件下高温裂解而形成富含碳的稳定物质。其组成主要包括碳、氢、氧等元素，剩下是灰分。生物炭性质稳定，比表面积大，孔隙结构丰富，表面高电荷密度和负电荷可以较多地吸附土壤阳离子，增加阳离子交换量。田丹等[3]、勾芒芒等[4]通过室内土柱实验发现，添加生物炭可以改善土壤理化性质，提高土壤保水持水能力，施加生物炭改善不同质地土壤结构差异显著。大量研究表明，添加生物炭可减轻土壤氮素淋洗，提高土壤含水率和养分利用率[5-8]。同时，研究者发现，单纯以生物炭代替化肥还存在一定难度，为了既发挥其自身优势又能减少肥料投入带来的负面影响，以达到作物增产增收目的，沈阳农业大学生物炭研究中心以生物炭为基质制造炭基缓释肥料施入土壤中，作物增产效果明显[9]。

近年来，国内外多家知名番茄加工企业进驻内蒙古，为当地农产品产业化发展注入生机。然而，如何缓解番茄需水与降水时空分布不均造成的番茄生长期需水矛盾是解决当前番茄种植技术问题关键所在。本文旨在探明生物炭与化肥互作对番茄土壤含水率与产量的影响，为内蒙古半干旱地区农业生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013年5月中旬—2014年10月上旬在内蒙古呼和浩特市和林县樊家夭乡家堡营村附近的内蒙古水利科技试验示范(和林)基地进行。该地属于中温带半干旱大陆性季风气候，风大气候干燥，降水时空分布不均，多年平均降雨量为417.5 mm，主要集中在7—8月，占全年降雨量的70%。昼夜温差大，多年平均气温为5.6℃，平均日照数为2 941.8 h，多年平均蒸发量为1 850 mm，是降雨量的4.3倍，多年平均风速2.2 m/s，土壤最大冻结深度为1.75 m。

1.2 供试材料

试验区土壤为砂壤土，经测定土壤基本性质为：砂粒质量分数64.15%、粉粒质量分数16.49%、粘粒质量分数19.36%。土壤容重1.39 g/cm3，孔隙度43.52%，田间持水率(体积分数)31%，pH值7.85，电导率141.8 μS/cm。有机质质量比6.66 g/kg，碱解氮质量比48.07 mg/kg，速效磷质量比为12.06 mg/kg，速效钾质量比146.98 mg/kg。

试验生物炭选用辽宁金和福农业开发有限公司的生物炭成品。生物炭主要性质：碳质量分数为47.17%、氮质量分数为0.71%、氢质量分数为3.83%，碳氮比67.03%，pH值9.04，有机质质量比925.74 g/kg，碱解氮质量比159.15 mg/kg，速效磷质量比394.18 mg/kg，速效钾质量比783.98 mg/kg。

试验用化肥为尿素(N质量分数为46%)，磷酸二胺(P2O5质量分数为46%)，氯化钾(KCl质量分数50%)。供试作物为番茄，品种为上海合作918。

1.3 试验设计

采用大田试验，随机区组试验设计。试验小区面积为15 m2(长5 m×宽3 m)。将生物炭均匀施于土壤表面，用旋耕机翻混入耕层土壤。化肥以底肥形式一次性施入。番茄种植密度为4.5万株/hm2，灌溉定额为1 575 m3/hm2(苗期-开花着果期675 m3/hm2、开花着果期-结果盛期600 m3/hm2、结果盛期-后期300 m3/hm2)。

试验设计为2个因素：生物炭和化肥。其中生物炭设计5个水平，分别为：生物炭B1(0 t/hm2)、生物炭B2(10 t/hm2)、生物炭B3(20 t/hm2)、生物炭B4(40 t/hm2)、生物炭B5(60 t/hm2)。化肥设计2个水平，分别为化肥1水平F1：尿素408 kg/hm2，磷酸二胺163 kg/hm2，氯化钾300 kg/hm2；化肥2水平F2：在化肥1各水平基础上减25%。试验设计为10个处理，每个处理3个重复，共计30个小区。具体情况见表1。

表1 大田试验方案设计代码Tab.1 Program design in field experiment

1.4 测定内容及方法

土壤含水率测定。采用铝盒干燥称量法，在番茄各生育阶段灌水后，在各小区每隔20 cm土层用土钻取土，测至80 cm。每层土样混合均匀，取适量装入铝盒称取湿质量，带回实验室放入干燥箱在105℃条件下干燥8 h，称取干质量，计算出土壤质量含水率。

番茄产量测定。从8月15日开始采摘，至10月1日结束，平均每4～5 d进行1次，共取11次。每个小区取3个重复，每个重复标记12株，每次收获时将各计产小区分别称量，计算产量。

1.5 数据分析

用Microsoft Excel 2010进行数据计算和作图；使用 SAS 9.0 进行单因素方差分析，采用LSD方法进行显著性检验(P<0.05)，采用Surfer 8.0制图软件绘制等值线图。

2 结果与分析

2.1 时间分布

图1为土层0～20 cm土壤含水率变化情况。结果表明，土壤含水率总体表现为随着生物炭施用量增加而增大。与对照相比，各处理差异显著(P<0.05)。整个生育阶段内土壤含水率表现为先增加后减少趋势。在苗期—开花着果期，与对照相比，B3F2、B4F1、B4F2、B5F1、B5F2土壤含水率分别增加了13.7%、40.5%、38.5%、19.3%和17.8%，其中B4F1增幅最大，增幅超过40%。随着作物生长，生育后期这种增幅趋势大体一致，其中B4F1增幅超过20%。

图1 全生育期内土壤0～20 cm土壤含水率变化Fig.1 Variation of soil water content in 0～20 cm within whole growth period

图2 全生育期内土壤20～40 cm土壤含水率变化Fig.2 Variation of soil water content in 20～40 cm within whole growth period

图2是土层20～40 cm土壤含水率变化。整体表现为随着番茄生长土壤含水率呈现先增加后减少趋势，低炭与高炭处理间差异显著(P<0.05)。在开花着果—结果盛期，与B1F1(对照)相比，施炭处理土壤含水率均呈下降趋势，其中B4F1和B4F2含水率最小，仅为B1F1的70%左右。分析可知，砂壤土中施加生物炭可有效降低土壤深层渗漏，有效提高土壤耕层持水蓄水能力，改善作物水土环境。土层40～60 cm、60～80 cm土壤含水率整体变化趋势与其一致，即生物炭处理的土壤含水率均小于对照。

2.2 土壤剖面土壤含水率变化

数理统计学中常用极值比Ka和变异系数Cv进行表征数值的变化程度，计算式为

Ka=Xmax/Xmin

(1)

(2)

式中Xmax——土壤含水率最大值

Xmin——土壤含水率最小值

Ka——土壤含水率的变化幅度

Cv——变异系数σ——均方差

在土壤垂直剖面上，耕层土壤受外界环境影响较大，随着土壤深度增加土壤受外界影响逐步减小。由于试验方案中生物炭和化肥混施在土壤耕层，与对照相比能够较好保持耕层土壤水分，防止水分渗漏，及时供给作物生长所需水分。从表2分析可知，随着土层深度增加，同一处理Ka和Cv总体上呈现减小趋势，B1F1(对照)的Ka值为1.645，B4F1、B4F2、B5F1和B5F2的Ka值均在1.2左右。这表明，施加生物炭后土壤含水率变化幅度和变异程度减弱。对于同一深度土壤而言，随着施炭量增加，Ka和Cv减小。与B1F1相比，较高施炭处理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)的土壤剖面土壤含水率变异系数Cv相对较小，表明生物炭具有稳定保水能力。

2.3 空间分布特征

土壤剖面含水率时空变化趋势通过土壤含水率等值线图来表征。等值线疏密程度和曲面图平缓曲折反映了不同处理间土壤含水率时空变化。在番茄生育期100 d内，0～80 cm土层土壤水分空间分布规律较为明显。尤其在开花结果期—结果盛期，施炭处理的土壤含水率与对照相比，差异显著，能有效保持作物耕层土壤水分。水分动态变化过程可以从图3清晰可见，B1F1(对照)在耕层土壤0～20 cm土壤含水率较低，且等值线较密，反映了其土壤含水率梯度较大，在空间上变化剧烈，水分垂直运移，土壤含水率增大。随着作物生长，水分需求增大，然而从图3可见，耕层土壤水分严重不足，这也说明，砂壤土水分渗漏比较严重，耕层持水能力差，番茄耕层供水能力不足。B1F2处理土壤含水率分布特征与B1F1大体一致。

表2 开花结果期—结果盛期土壤剖面含水率变化的统计学分析结果Tab.2 Statistical analysis result of soil moisture variation

图3 B1F1处理的土壤含水率等值线图Fig.3 Soil moisture contour map of B1F1 treatment

图4 B4F1处理的土壤含水率等值线图Fig.4 Soil moisture contour map of B4F1 treatment

图5 B5F1处理的土壤含水率等值线图Fig.5 Soil moisture contour map of B5F1 treatment

与B1F1(对照)相比，随着土壤施炭量增加，土壤耕层(0～20 cm)持水、保水能力增强，有限水分可以充分供给番茄生长所需，解决番茄生育阶段内水分时空分布不均匀导致的作物缺水问题。这种保水现象在较高施炭处理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)中更为显著(图4、5)。通过土壤含水率等值线图和曲面图可以直观发现，生物炭具有很好的保水、持水及减缓砂壤土水分快速渗漏作用。在我国干旱、半干旱地区土壤生产力和土壤肥力较差，降雨存在时空分布不均现象，水土流失比较严重。追其原因，大部分是因为土壤持水能力差，土壤有机质淋洗流失所致。砂壤土中施加生物炭可有效缓解这种矛盾。

2.4 对番茄产量的影响

从图6分析可知，与B1F1(对照)相比，随着施炭量的增加番茄产量增幅出现先升高后降低的趋势，但是整体增幅较对照相比差异显著。其中，与B1F1相比，不施炭减少化肥用量的B1F2处理出现减产；B2F1、B2F2、B3F1、B3F2、B4F1、B4F2、B5F1、B5F2分别增幅17.80%、18.03%、40.12%、44.01%、46.34%、58.61%、49.63%和39.18%。其中B4F2产量最高。同一施炭不同施肥处理间差异不显著，可考虑减少化肥用量，指导番茄田间种植达到增产增收的目的。产生这种结果的原因主要是施加生物炭后番茄土壤含水率有效提高，保证了番茄植株生长，提高光合和蒸腾速率，提高番茄植株干物质积累，从而提高产量。番茄生育阶段供水不足将直接影响植株生长发育。

图6 生物炭对番茄产量的影响Fig.6 Effect of biochar on tomato yield

3 讨论

生物炭通过改善土壤理化性质进而提高土壤含水率。前人的研究结果表明生物炭施入土壤中可以增大土壤孔隙度，有利于增加土壤含水率[10-11]。生物炭具有较大比表面积和多孔结构，具有亲水性、吸附力大等特点，可以使土壤保持更多水分，尤其能够提高砂质土壤持水能力，随着生物炭用量增加，持水能力增强。本研究表明，施入生物炭可有效提高砂壤土土壤含水率，与这些研究结论基本一致。随着生物炭施用量进一步增加，土壤含水率呈现下降趋势，可能是因为较大施用生物炭会导致土壤通气孔隙增加，毛细孔隙减小，吸水保水能力降低所致。对于质地较粘的土壤来说，生物炭增大了土壤通透性，促进土壤水分入渗，但对于质地较轻土壤可以抑制水分渗漏。随着生物炭施用量增大，不同质地土壤水分渗透率均出现逐渐减少趋势。本试验通过土壤0～80 cm垂直入渗剖面等值线分析可知，耕层土壤施入生物炭可以增强土壤持水能力，防止水分深层渗漏和流失。这与高海英等[12]的研究结论大体相同。

大量研究成果已经表明施用生物炭可以有效提高土壤中有机质含量[13-14]。生物炭本身碳含量较高，施入土壤中增加肥力。同时生物炭表面具有较丰富含氧官能团，其所带负电荷和复杂孔隙结构赋予其较大的阳离子交换量和强大吸附力，可以作为肥料缓释载体从而延缓肥料养分释放，保持和固定一部分肥料以免流失和淋洗，达到持肥保肥作用[15]。所以，炭肥耦合可以提高土壤肥料利用率，改善作物生长过程所需养分，达到增产增收目的。

近年来，国内有关施加生物炭增加作物产量报道逐渐增多。张伟明等[9]研究表明，以不同标准在砂壤土中施入生物炭，水稻产量均比对照平均提高21.98%。黄超等[16]在每千克红壤土中施用10、50、200 g生物炭种植黑麦草，产量可分别增加7%、27%和53%。唐光木等[17]在新疆灰漠土中添加生物炭种植玉米，结果表明施入40 t/hm2的生物炭玉米产量提高近50%，增产效果显著。然而，在生物炭对作物生长作用方面还存在一些不同观点。KISHIMOTO等[18]认为，壤土中施加生物炭(0.5 t/hm2)大豆产量可增加50%；然而，随着施用量增加产量出现减少趋势且15 t/hm2时减产近70%。张晗芝等[19]在中层砂浆水稻土中施加生物炭研究其对玉米影响，发现在玉米苗期生物炭抑制了植株生长发育，添加量越大抑制效果越明显，随着玉米生长这种抑制效应逐渐消失。沈阳农业大学生物炭研究中心以生物炭为基质制造炭基缓释肥料施入土壤中，作物增产效果明显且用量少，可以大幅度降低化肥使用量或不使用化肥，这也是生物炭应用的重要研究成果[20]。

前述学者们对生物炭在农作物生长影响方面研究已经具有一定学术成果，多数学者认为施用生物炭可以提高作物产量，但是施用量越大不一定作物产量增幅最大，有的甚至出现施用量增大产量反而降低现象；同时，通过生物炭在作物种植方面研究发现，贫瘠的砂质土壤上应用生物炭提高作物生物量效果最为明显。本研究中炭肥耦合对番茄产量影响显著，较高施炭量与低肥耦合(B4F2)综合作用效果较优。

4 结论

(1)0～20 cm土层土壤含水率均随生物炭施用量的增加呈增大的趋势。番茄生长初期，0～20 cm高炭处理增幅显著，其中B4F1处理增幅达40%；番茄生长后期，各处理土壤含水率增幅与早期规律基本一致，0～20 cm增幅超过20%(B4F1)。20～40 cm土层土壤含水率与0～20 cm的变化规律恰好相反，与对照相比，施炭处理的土壤含水率均呈现下降趋势，其中B4F1和B4F2含水率最小，仅为对照的70%。土层40～60 cm、60～80 cm的土壤含水率整体变化趋势与其一致，即生物炭处理的土壤含水率均小于对照。

(2)施加生物炭后土壤含水率的变化幅度和变异程度减弱。对于同一深度的土壤而言，随着施炭量的增加，Ka和Cv均减小，与对照相比，较高施炭处理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)的土壤剖面土壤含水率变异系数Cv相对较小。

(3)随着番茄的生长，土壤含水率在垂直剖面的影响表现为较高施炭量(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)处理的土壤含水率均高于对照，差异显著。

(4)随着施炭量的增加，番茄产量增幅出现先升高、后降低的趋势，且均高于对照。B4F1、B4F2、B5F1、B5F2分别增幅46.34%、58.61%、49.63%和39.18%，其中B4F2产量最高。同一施炭处理、不同施肥处理间差异不显著。