不同生物炭混施对土壤养分和蚕豆生长的影响

凌宏伟 李小英 周月惠

摘要：生物炭在农业生产和环境保护方面具有广泛的应用前景，生物炭在高海拔区的应用研究具有重要的现实意义。结合生物炭单独施用和混施2种方式，研究竹炭和木炭不同添加比例对蚕豆株高、生物量和土壤有机质、全磷和全氮含量的影响。结果表明：不同生物炭对土壤养分和蚕豆生长具有一定的促进作用。其中，就生物炭施加方式来看，混施优于单施;在对土壤养分和蚕豆生长的影响方面，木炭大于竹炭;WBC2处理（2%木炭、2%竹炭按质量比1 ∶ 1混施）对土壤有机质和全氮含量的影响显著;BC2处理（添加2%木炭）对全磷含量的影响显著。总体上看，WC3处理（添加3%木炭）对株高、生物量、有机质及全氮含量等指标的综合影响比较好。在大棚盆栽条件下，添加3%木炭有利于提高土壤养分和促进蚕豆生长。

关键词：生物炭;土壤改良;蚕豆生物量;昆明高海拔区

中图分类号： S156  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）17-0110-03

生物炭（biochar）通常是指将农作物秸秆、木屑、禽畜粪便等有机材料在缺氧或绝氧的条件下经热裂解而得到的一种具有细粒度、多孔性的碳质材料[1]。常见的生物炭包括秸秆炭、竹炭、木炭、稻壳炭等，它们拥有较大的孔隙度和比表面积，含有丰富的表面官能团[1-2]。国内外诸多研究表明，生物炭在改良土壤理化性质和提高作物产量方面具有广泛的应用前景。目前，生物炭的应用研究主要以玉米、辣椒、小麦、水稻、红薯、油菜、樱桃、萝卜、黄瓜、菠菜、白菜等为对象，且主要集中在南方较低海拔区域。

蚕豆生于温暖湿地，耐-4 ℃低温，但畏暑。云南是蚕豆种植面积最大的省份，占全国的23.7%。昆明地区2 500 m以上海拔土地撂荒现象严重，应用生物炭作用于蚕豆的试验研究具有重要的现实意义。目前，生物炭对云南昆明高海拔地区蚕豆生长的影响研究鲜见报道。本试验以云南红壤土上的蚕豆为研究对象，通过温室蚕豆盆栽试验，研究不同生物炭及不同生物炭施用量对土壤养分和蚕豆生长的影响，旨在为探寻更高效的生物炭用以改良昆明高海拔区土壤质量提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料取自云南省昆明市禄劝彝族苗族自治县则黑乡民安乐村（102°40′38″ E 、26°0′26″ N），海拔2 540 m，供試土壤类型为棕红壤，采样深度为0～30 cm，土样自然风干，供盆栽试验用，其基本性质如下：pH值6.62、有机质含量 51.20 g/kg、土壤全磷含量2.31 g/kg、全氮含量1.41 g/kg、全钾含量 10.10 g/kg。供试生物炭材料及基本性质见表1，木炭和竹炭来源于市场商品炭。

1.2 试验方法

本试验采用温室大棚栽培，共设8个处理：对照（CK）、2%木炭（WC2）、3%木炭（WC3）、2%竹炭（BC2）、3%竹炭（BC3）、2%木炭与2%竹炭按质量比1 ∶ 1混合（WBC2）、3%木炭与3%竹炭按质量比1 ∶ 1混合（WBC3）、1%菌肥（BM，用于与以上处理形成对比），添加量均为占土壤质量的百分比，每个处理设置5个重复，共40盆，每个重复随机放置。采用直径 12 cm、高14 cm的圆柱形塑料花盆。

盆栽时间为2017年12月至次年3月底。蚕豆播种于供试土壤后，每盆定期浇水200～300 mL，浇水量为不让水渗出花盆为限，在整个培养过程中保持每个盆内无杂草生长。株高观测自2018年1月20日开始，每隔7 d观测1次。试验结束收获蚕豆植株的整株样品，每个处理随机抽取5株，分别称取地上部分（茎、叶）和地下部分（根系）的鲜质量。盆栽结束后捣碎盆内土壤并倒出分成2份，1份自然风干用于测定土壤的基本性质，另外1份放置在冰箱中冷藏用于备份。土壤和生物炭的基本理化性质参照《土壤农化分析》常规方法测定[3]，其中，生物炭中C、N、H 和S含量采用元素分析仪（vario Macro CNSCNS;Elementar，Germany）测定;土壤总有机碳（total organic carbon，简称TOC）含量采用K2Cr2O7氧化-外加热法测定;土壤全氮（total nitrogen，简称TN）含量采用高氯酸-硫酸法测定。

1.3 统计分析

采用Excel 2016进行数据整理和图表绘制，采用SPSS 19.0统计软件对数据进行单因素方差分析（one-way ANOVA）和相关分析，多重比较采用最小显著差异法（LSD），显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同处理对蚕豆株高的影响

不同的处理方式对株高具有一定的促进作用。表2显示，WC3和WC2处理对蚕豆株高的影响显著，分别高出对照（CK）54.04%和29.26%。同一生物炭处理下，3%的施入量比2%的施入量更有利于促进蚕豆株高生长。同一添加量处理下，木炭较竹炭明显增加了株高，竹炭和木炭混施较竹炭单独施用显著增加了株高。

图1显示，各处理与对照（CK）相比，株高在不同时间段都呈逐渐增长趋势。其中，混施处理株高比单施处理增长更快且添加量为3%的混施处理更好;不同添加量竹炭对株高的影响不明显，添加3%竹炭比添加2%竹炭对株高的增长影响更明显;不同添加量木炭对株高的影响相对较大。在整个生长过程中，添加3%生物炭的株高比添加2%生物炭的株高大;添加2%木炭的株高比添加2%竹炭的株高大。WBC3处理株高最大，其次是WBC2处理，与对照（CK）相比，分别增加了29.35%、54.66%。

2.2 不同处理对蚕豆生物量的影响

不同处理对蚕豆的地上部分鲜质量和总鲜质量的影响具有很强的相似性。表3显示，地上鲜质量比较，WC3和BM处理较多，分别显著高出对照（CK）41.82%、78.09%（P<0.05）。添加量为2%的混施处理蚕豆的地上鲜质量均大于单施竹炭处理蚕豆的地上鲜质量。添加量为3%的混施处理蚕豆的地下鲜质量均大于单施处理蚕豆的地下鲜质量。从地下鲜质量来看，WC2处理高于其他处理，显著高出对照（CK）43.70%（P<0.05）。从总鲜质量来看，WC3处理和BM处理比较好，分别显著高出对照（CK）44.02%和41.29%（P<005）。在2%添加量处理下，地上、地下鲜质量比较，添加木炭较添加竹炭显著增加了鲜质量。总体看出，木炭较竹炭显著增加了生物量;添加量为3%较添加量为2%显著增加了生物量（P<0.05）;混施较单施显著增加了生物量。

2.3 不同处理对土壤养分的影响

不同处理均对土壤有机质、全氮和全磷含量有一定的促进作用。由表4看出，混施生物炭显著增加了有机质含量（P<0.05）;木炭较竹炭显著增加了有机质含量（P<0.05）;添加3%木炭较添加2%木炭显著增加了有机质含量（P<0.05）;与其他处理相比，WBC2处理明显增加了有机质含量，比对照（CK）显著增加126.08%（P<0.05）。土壤全氮含量在WBC2处理下最高，显著高出对照（CK）146.67%（P<005）。比较全磷含量，BC2和WBC2处理分别显著高出对照（CK）580.85%和204.96%（P<0.05）。

3 讨论

生物炭能够有效促进土壤对氮、磷等养分元素的吸收[4]，同时施用有机肥可提高土壤的生产能力[5]，能够有效地促进作物生物量的积累，增加有机质的含量，进一步促进产量的提高[6]。本研究结果表明， 添加适量的生物炭可以提高蚕豆的株高和生物量，这与车艳朋等的研究结果[7-9]一致。3%木炭与3%竹炭按质量比1 ∶ 1混合处理的株高一直较大，表明生物炭高比例投入对作物生物量及株高的影响明显优于单施处理，这与律其鑫等的研究结果[8]一致。在本试验中，生物炭对蚕豆地上部分生物量较蚕豆地下部分生物量的增长效果更突出，然而，高敬尧等的研究结果表明，生物炭对地下根系的生长发育效果更加突出[10]。

本研究结果显示，生物炭对云南红壤微酸性土壤蚕豆生长方面表现出一定的促进作用，在改良蚕豆的土壤环境、增加土壤养分、提高蚕豆生物量等方面均有重要的意义。生物炭混施、生物炭单施、不同生物炭、不同添加量对土壤养分和蚕豆生长表现出不同的响应效果。在本研究中，WC3处理与对照（CK）相比，蚕豆生物量增加了41.82%，可见施用生物炭较不施用生物炭显著增加了作物的生物量，因此生物炭可作为农业生产实践增产的有效途径之一。WBC2处理显著增加了土壤有机质和全氮含量，说明混施生物炭较单独施用生物炭更有利于提升土壤的肥力水平。BC2显著增加了全磷含量，其原因是竹炭为土壤提供了充足的微量元素，并间接改变了土壤的理化性质，减少了氮磷流失[11]。施加木炭较施加竹炭显著增加了土壤养分和蚕豆生物量，主要原因是木炭本身所携带的养分元素含量比竹炭高。添加3%生物炭和添加2%生物炭对土壤养分和蚕豆生长的影响结果并不完全统一，因此今后应该加强不同添加梯度生物炭对这方面的影响研究。

综上所述，生物炭对植物生长和土壤微环境的影响是一个复杂的过程[12]。由于生物炭的种类与添加量、土壤类型等因素对氮素的淋溶损失有很大的影响[13]。其中不仅与生物炭制备条件、方法、施用量、施用时间、施用方式、生物炭类型、土壤类型、土壤质地、土壤肥力、植物种类、植物的遗传特性、植物的生长习性有关，更与耕作制度和管理措施有关。本试验仅研究了盆栽蚕豆在不同生物炭、不同施用量条件下，其株高、生物量及土壤养分的变化。而关于生物炭对土壤质量及植物生长的影响机制还有待于进一步研究。通过长期的大田试验和短期的温室盆栽试验相结合，才能得出比较可靠研究成果。

4 结论

（1）生物炭添加于高海拔区土壤比不施生物炭更有利于提升土壤养分，对蚕豆生长均有一定的有利影响。

（2）木炭和竹炭混施比单独施用对土壤养分和蚕豆生长的影响更显著。在蚕豆整个生长过程中，3%木炭与3%竹炭1 ∶ 1混合处理的株高一直较大，2%木炭与2%竹炭 1 ∶ 1 混合处理有机质含量最高，为130.04 g/kg。

（3）总体看出，同一生物炭，添加3%比添加2%对土壤养分和蚕豆生长的影响更明显。添加2%生物炭更有利于蚕豆地下生物量的增加。

（4）土壤中添加木炭较添加竹炭显著增加了土壤中有机质、全氮的含量，然而竹炭显著增加了土壤的全磷含量。

参考文献：

[1]卜晓莉，薛建辉. 生物炭对土壤生境及植物生长影响的研究进展[J]. 生态环境学报，2014，23（3）：535-540.

[2]陈温福，张伟明，孟 军，等. 生物炭应用技术研究[J]. 中国工程科学，2011，13（2）：83-89.

[3]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 3版.北京：中国农业出版社，2000.

[4]Asai H，Samson B K，Stephan H M，et al. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos：soil physical properties，leaf SPAD and grain yield[J]. Field Crops Research，2009，111（1/2）：81-84.

[5]韓晓增，王凤仙，王凤菊，等. 长期施用有机肥对黑土肥力及作物产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2010，28（1）：66-71.

[6]崔文华，卢亚东. 化肥和有机肥对作物产量和土壤养分影响的研究[J]. 土壤通报，1993，24（6）：270-272.

[7]车艳朋，魏永霞. 生物炭对黑土区大豆节水增产及土壤肥力影响研究[J]. 中国农村水利水电，2016（1）：55-58.

[8]律其鑫，王桂君，夏 霜，等. 土壤炭改良剂对沙化土壤及作物生长的影响[J]. 湖南农业科学，2018（3）：53-56，62.

[9]王 静，范云慧，高丽丽，等. 市政污泥生物炭对大豆生长及重金属积累的影响[J]. 农产品质量与安全，2018（3）：30-34.

[10]高敬尧，王宏燕，许毛毛，等. 生物炭施入对农田土壤及作物生长影响的研究进展[J]. 江苏农业科学，2016，44（10）：10-15.

[11]周桂玉，窦 森，刘世杰. 生物质炭结构性质及其对土壤有效养分和腐殖质组成的影响[J]. 农业环境科学学报，2011，30（10）：2075-2080.

[12]乔 光，田 田，洪 怡，等. 生物炭对玛瑙红樱桃生长、果实品质及土壤矿质元素的影响[J]. 江苏农业学报，2017，33（4）：904-908.

[13]李卓瑞，韦高玲. 不同生物炭添加量对土壤中氮磷淋溶损失的影响[J]. 生态环境学报，2016，25（2）：333-338.