生物炭对宁夏干旱地区玉米生长及产量的影响

王志丹，代晓华，刘吉利，于祥，吴娜

(宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

宁夏地处从半湿润、半干旱过渡到干旱带的典型生态脆弱带，尤其宁夏南部干旱山区由于长期高强度的开发利用，以及重用轻养的管理方式，导致农田耕层出现基础地力下降、耕层结构恶化等问题，严重影响着旱区生态环境与社会经济可持续发展[1]。玉米是宁夏主要的栽培作物之一，占粮食播种面积的23.7%，占粮食总产量的45.7%，是宁夏粮食产量第一大作物[2]。当前在农业生产上，为了提高玉米产量，常投入大量或过量的肥料，这一现象已成为制约农业“低碳、绿色、可持续”发展的“瓶颈”。

生物炭是由生物残体在一定炭化温度条件下(<700 ℃)和限氧或缺氧条件下热解形成的富碳固体产物，原料来源丰富，不以消耗不可再生资源和损害生态环境为代价，具有低成本、可再生、可持续的突出优势[3]。生物炭具有富碳多微孔结构，可作为载体、基质等“构架性”功能材料，从而发挥稳定的“结构重建”或“构相改良”作用[4]，也会对土壤持水性产生影响[5-6]。生物炭可以通过静电作用、疏水作用、氢键、孔隙填充等作用过程来降低农药等污染物残留，减少土壤中过量化肥养分流失，减少面源污染[7-8]。总之，生物炭呈碱性，具有含碳量高，比表面积大，吸附力强，富含多种养分等多种特性，使其在固碳减排、改土培肥、防控污染、节肥增效、促长增产等方面发挥综合性“叠加”效应。生物炭独特的来源、结构、特性及功效优势，使其有别于其他同类材料，具有显著经济、生态和社会效益，发展潜力和应用空间巨大。因此，在宁夏干旱地区气候环境与土壤条件下，开展生物炭在玉米生产上的应用研究，对促进耕地可持续发展，提高作物生产能力具有重要的科学价值和现实意义。本试验采用大田试验，研究生物炭对玉米生长和产量的影响，旨在为宁夏干旱区玉米高产措施提供技术参考，同时也为宁夏南部玉米主产区提高农业资源利用效率和减少农业废弃物污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏自治区同心县王团镇旱作节水科技园区。该园区位于宁夏中部(N 35°51′，E 105°59′)，以山地为主，种植地为平地，属中温带干旱、半干旱大陆性气候，海拔1 200 m，干旱少雨，年降水量150～300 mm，年际变率大，无霜期约120～218 d，年平均气温8.6 ℃，≥10 ℃的积温约3 056.8 ℃，热量充足，昼夜温差大，水分蒸发强烈，土壤类型为淡灰钙土，土壤基础理化性质见表1。

1.2 试验区气温、降水

2020年玉米试验区生育期内的降雨量和气温变化如图1所示。整个生育期内月平均温度表现为先升高后下降的趋势，降水表现为先增多后减少的趋势，其中7月的平均温度最高，为23.40 ℃；8月的降雨量最高，为99.57 mm，比较干旱。

1.3 供试材料

供试品种：先玉335，属紧凑株型，株高286 cm左右，稳产性突出，适应性好，早熟抗倒。

供试生物炭：由平罗县三聚绿源生物质新材料有限公司提供，由农业生产的废弃秸秆在450～550 ℃炭化炉无氧炭化而成，孔隙度为92%，其性质见表2。

1.4 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，根据生物质炭施用量设置5个处理：0(CK)、7.5(T1)、15(T2)、22.5(T3)、30 t/hm2(T4)，每个处理3次重复。每小区长10 m，宽6 m。生物炭施用方法：在整地前以小区为单位均匀撒施，后旋耕深翻20 cm，使生物炭与土壤充分混合，各处理小区其他施肥管理为：纯氮225 kg/hm2、过磷酸钙120 kg/hm2、硫酸钾60 kg/hm2，其中纯N的60%和全部磷钾肥作为底肥一次性施入土壤，其余的氮肥于大喇叭口期追施。先玉335于2020年4月播种，10月初收获，宽窄行覆膜种植，宽行距为60 cm，窄行距为40 cm，播深4～5 cm，株距为22 cm，行距为50 cm，人工点播，分别在苗期、拔节期、大喇叭口期、开花期、灌浆期前期采用滴灌方式进行了5次灌水。其他管理与大田管理相同。

图1 玉米生育期内降雨量和平均温度Figure 1 Rainfall and average temperature during corn growth period

表2 供试生物炭的基本性质

1.5 测定项目与方法

于玉米的拔节期、大喇叭口期、开花期、灌浆期和成熟期，选择代表性的植株用卷尺和游标卡尺测量玉米株高和茎粗，用长宽系数法测定玉米叶面积，用烘干法测定玉米地上部分干物质，用SPAD-502 Plus便携式叶绿素测定仪测定SPAD值，用伤流法测定根系活力。

玉米成熟时，收获小区中间4行，在大田直接测定其果穗总鲜质量，并采用美国帝强MinIGAC水分仪对鲜玉米脱粒进行水分测定，折算成14%含水率的产量。按平均穗质量从所收获的玉米穗中取20穗带回实验室进行考种。

1.6 数据统计与分析

Excel 2016进行实验数据整理并作图，采用Origin进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭对玉米生长形态特性的影响

2.1.1 生物炭对株高的影响 作物的株高是反映作物生长发育的重要指标之一，从玉米的株高数值中能够直观体现出不同用量生物质炭施用对玉米的生长状况。由图2可知，玉米株高从拔节期到成熟期呈先增加后降低的趋势。拔节期，T2显著高于其他处理，分别较CK、T1、T3、T4分别显著提高13.23%、14.55%、4.38%和19.75%(P<0.05)，其次是T3，CK、T1、T4间无显著差异。大喇叭口期，T3显著高于其他处理，较CK、T1、T2和T4显著提高38.76%、29.13%、4.37%和7.99%(P<0.05)，T1和CK、T2和T4间无显著差异，大喇叭口期至成熟期的一致表现为生物质炭处理的株高均高于CK，且随生物质炭施用量的增加，株高呈先上升后降低的趋势。综合整个生育时期来看，生物质炭施用量22.5 t/hm2(T3)对玉米株高的提高作用最显著，在拔节期、大喇叭口期、开花期、灌浆期、成熟期较CK分别提高8.46%、38.75%、31.27%、17.29%和15.06%(P<0.05).综上，土壤中施入适量的生物质炭有助于提高玉米株高。

同一生育时期不同小写字母表示处理间差异达到显著水平(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among treatments during the same growth period(P<0.05).图2 不同处理对各生育时期玉米株高的影响Figure 2 The effects of different treatments on plant height of corn during the reproductive period

2.1.2 生物炭对茎粗的影响 由图3可知，茎粗随生育期推进呈先上升后降低的趋势，且随生物炭用量的增大表现出先增大后降低的变化趋势。拔节期、开花期和成熟期各处理的一致表现为，T1、T2、T3处理的茎粗显著高于CK和T4，但T1、T2、T33个处理之间无差异。大喇叭口期，T4处理茎粗值最小，为20.29 cm，且显著低于其他处理。灌浆期，生物炭处理的茎粗显著高于对照，T1、T2、T3、T4较CK分别显著提高10.11%、10.87%、11.99%、7.33%(P<0.05)。综上，生物炭能够显著提高玉米茎粗，其中当生物炭施用量为22.5 t/hm2(T3)时效果较好。

同一生育时期不同小写字母表示处理间差异达到显著水平(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference between treatments (P<0.05) during the same growth period.图3 不同处理对各生育时期玉米茎粗的影响Figure 3 The effect of different treatments on the coarse-ness of corn stems during each reproductive period

2.1.3 生物炭对玉米叶面积指数(LAI)的影响 由表3可见，各处理下的玉米的LAI随生育时期推进呈先增加后降低的趋势，在开花期均达到最大值，后又逐渐下降，这是由于玉米拔节后新生叶发育快，开花期叶片全部展开，LAI达到最大值，之后又随着玉米叶片的衰老，下部叶片相继死亡脱落，叶面积指数逐渐下降．全生育期生物炭施肥处理的LAI均高于对照。拔节期，各处理的LAI均较小，生物炭处理的LAI均高于CK，T1、T2、T3处理，较CK显著提高23.76%、21.34%、28.14%(P<0.05)，且三者间无显著差异，而T4与CK间无显著差异。大喇叭口期，T1、T2间无显著差异，但均显著高于T3、T4和CK，此三者之间无显著差异。至开花期，LAI在各处理下均达到最大值，T1和T2、CK和T4间无显著差异。灌浆期之后表现为T4显著低于CK。总之，低用量的生物炭更有助于提高玉米叶面积指数，延长叶片的活跃程度，而后期高生物炭处理较对照明显早衰，叶面积指数随生物炭用量的增加呈先增加后降低的变化。综上，生物炭能够提高玉米叶面积指数，其中当生物炭施用量为22.5 t/hm2(T3)时能显著提高玉米叶面积指数，延缓叶片衰老时间和速度，有利于防止光照损失，使玉米灌浆成熟期具有较大的叶面积进行光合作用，为玉米产量的增加奠定了基础。

表3 不同处理对各生育时期玉米叶面积指数的影响

2.1.4 生物炭对干物质累积量的影响 干物质量是对玉米生长情况的直接反映，玉米生长过程本质上也是干物质的累积过程，提高玉米干物质的累积有助于最终产量的形成。因此，利用玉米在生长过程中对地上部干物质积累进行采集称量，使用Logistic 方程进行S型曲线模拟，得到相对应的各处理的决定系数都在0.98以上，都呈S型曲线。

Logistic模型：y=a/(1+b×exp(-c×x))

由表4可知，a为玉米干物质积累的终极量，T3处理的特征参数值a最大，为21 228.97，CK处理下的a值最小，为14403.94。生长速率参数c，CK处理下为0.07，其他均为0.06。各处理下干物质积累达最大速率的天数(Tmax)，T3处理最大，为89 d，CK处理最小，为73 d。玉米总干物质积累速率最大时的生长量(Wmax)，不同处理表现为T3>T4>T2>T1>CK，各处理间差异性显著。总干物质最大积累速率(Gmax)，T3处理最大，为319.50 g/株。总干物质积累活跃天数表现为T3>T2>T1>T4>CK。综上，生物炭能显著提高玉米干物质累积量，其中当生物炭用量为22.5 t/hm2(T3)时能显著提高玉米干物质最大累积量和最大累积速率，延长干物质达到最大累积速率的时间，有利于满足玉米生育后期对养分的需求，延缓玉米后期衰老，有益于玉米地上部分干物质的积累。

表4 不同处理下玉米干物质积累特征参数

2.2 生物炭对玉米生理特性的影响

2.2.1 生物炭对功能叶片相对叶绿素含量的影响 相对叶绿素含量是玉米叶片生理活性变化的重要生理指标之一，是衡量光合特性作用的重要参数。不同生物炭施用量条件下玉米各生育时期相对叶绿素含量如图4所示。各处理相对叶绿素含量随生育期的推进呈先升高后降低的趋势，在各生育时期，各处理之间有不同表现。拔节期相对叶绿素含量在各处理间无显著差异；大喇叭口期施用生物炭处理的相对叶绿素含量均显著高于CK ，T1、T2、T3、T4较CK分别显著提高8.41%、14.72%、16.25%、13.42%(P<0.05)，其中T2、T3、T4之间无显著差异；开花期，T2处理的相对叶绿素含量最大，较CK、T1、T3、T4显著提高19.38%、12.63%、7.00%、8.24%(P<0.05)，其中施用生物炭处理显著高于CK，T1、T3、T4间无显著差异；灌浆期各处理下的相对叶绿素含量均达到最大，且生物炭各处理间无显著差异，但均显著高于CK。乳熟期和成熟期的一致表现最为T2、T3处理的相对叶绿素含量较高，且两者之间无显著差异，在乳熟期CK、T1、T4间无显著差异，而成熟期CK处理显著低于其他处理，T1、T4间无显著差异。综上，生物炭能够促进玉米叶绿素相对含量的增加，且随生物炭用量的增加呈先上升后降低的趋势，其中当生物炭施用量为22.5 t/hm2(T3)时效果较好。

同一生育时期不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among treatments during the same growth period(P<0.05).图4 不同处理对玉米叶片相对叶绿素含量的影响Figure 4 Effects of different treatments on corn leaf SPAD value

2.2.2 生物炭对根系活力的影响 不同处理在各时期根系活力的变化趋势如图5所示。拔节期各处理间无差异；大喇叭口期根系活力随生物炭施用量的增加根系活力逐渐增强，T1、T2、T3和T4较CK分别显著提高40.78%、45.63、70.87%和64.08%(P<0.05)，其中T3和T4及T1和T2之间无差异；开花期各处理下根系活力达到最大值，生物炭各处理的根系活力均显著高于对照，较CK增幅为22.22%～73.33%.灌浆期T3处理根系活力最大，较CK、T1、T2和T4分别显著提高64.47%、43.68%、26.26%和42.05%(P<0.05)。成熟期，玉米根系活力明显下降，T2处理的根系活力显著高于其他处理，而T4处理根系活力显著低于其他处理，CK、T1和T33者间无差异。综上，生物炭施用有利于提高玉米根系活力，其中生物炭施用量为15 t/hm2和22.5 t/hm2(T2和T3处理)效果较好。

同一生育时期不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among treatments during the same growth period(P<0.05).图5 不同处理对玉米根系活力的影响Figure 5 Effects of different treatments on the vitality of corn roots

2.3 生物炭对玉米产量的影响

由表5可知，生物炭处理下的玉米产量均显著高于CK，T1、T2、T3和T4较CK分别显著增产7.63%、8.88%、20.50%和16.29%(P<0.05)，T3和T4、T1和T2之间无差异。各处理在穗长、穗粗、行粒数、穗质量、穗粒质量等穗部指标有显著差异，随生物炭施用量的增大，穗长、穗粗、行粒数、穗质量和穗粒质量越大，穗数、穗行数和百粒质量在各处理间无差异，其中生物炭处理的穗长、行粒数、穗质量均显著高于CK，T3和T4处理的穗粒质量显著高于其他处理，CK、T1和T23个处理之间无差异。综上，施用生物炭能显著提高玉米的穗长、穗粗、行粒数、穗质量、穗粒质量，其中当生物炭施用量为22.5 t/hm2(T3)时效果较好。

表5 不同处理下玉米产量及构成因素

2.4 玉米生长指标及产量之间的主成分分析

玉米各生长指标及产量所发挥的作用不同，其纲量也不同，对不同处理下玉米农艺指标和产量进行主成分分析，按特征值1的原则，且通过图6 陡坡图，可以看出特征值在4个因素后趋于平缓，选取了4个主成分(表6)，4个主成分的累积贡献率达到93.89%，所以这四个主成分可以很好的代表不同处理下对玉米生长及产量的影响。

图7为玉米各生长指标及产量经主成分分析得出的载荷图。玉米各指标中，在第一主成分上除根系活力外，其他指标均为正值，并且干物质积累量和相对叶绿素含量有较高的载荷值，说明生物质炭对玉米干物质积累量和相对叶绿素含量的影响较大；在第二主成分上株高和干物质积累量有较高的正载荷值，说明生物炭能显著提高玉米株高和干物质积累量。6个与玉米生长和产量有关的指标中干物质积累量和株高两个因子在第一、第二主成分上均为正值，因此生物炭对提高玉米干物质积累量和株高的重要影响。

图6 陡坡图Figure 6 Scree plot

图7 玉米农艺指标及产量之间的主成分分析Figure 7 Principal component analysis of maize agronomic index and yield

表6 主成分分析的特征值与方差贡献率

为能够更直接反映生物炭对玉米生长及产量的影响，建立综合评价模型：F综=0.716×F1+0.488×F2+0.123×F3+0.036 7×F4。表7为5个处理下的玉米农艺指标及产量指标的各主成分下的得分值和综合得分值。生物炭处理的综合值均高于CK，T3处理下的综合值最高，其次为T2，说明用量生物质炭能够优化玉米的农艺指标，提高产量。

表7 不同处理各因子得分及综合得分

3 讨论

生物质炭对作物生长及产量的效应受生物质炭用量的影响[9]。本试验研究表明，当生物炭施用量为22.5 t/hm2时，能够最大程度地提高玉米株高、茎粗、干物质积累量、SPAD值和根系活力。生物炭具有比表面积大、高孔隙结构等特点，有利于提高土壤的结构性[10-11]。有研究表明，施用生物炭较不施生物炭处理使浅层土壤容重显著降低4.5%～6.0%，总孔隙度增加2.83%～5.56%[12]。生物炭可作为基质、载体或吸附剂材料，来吸附或固持氮、磷、钾等养分离子，减少养分流失，减轻水体富营养化以及提高作物养分利用效率等[13]，其吸附作用与生物炭多微孔构造、表面官能团、比表面积及离子交换性能等有关[14-15]。殷晓艳等[16]研究发现，施用生物炭使河西绿洲生态条件的0～20 cm土壤碱解氮、有机质含量较CK分别提高0.4%～5.5%、0.9%～1.4%，且对土壤的改良效果随施用量增大而增大。张玲等[17]研究发现，生物炭具有提高叶片氮、磷、钾含量的作用，经生物炭处理的叶片氮、磷、钾含量分别较对照提高了22.35%、30.14%、82.33%。生物炭是一种良好的土壤改良剂，土壤中腐殖酸等有机质含量增加，土壤微生物和土壤酶活性提高，利于根际土壤氮、钾养分释放，同时由于土壤疏松度的提高，降低了土壤对钾离子的吸附，使土壤养分对植株的有效性增加，促进植株对营养元素的吸收[18]。此外，生物质炭可产生正、负电荷，具有吸持土壤磷素养分的作用，还具有多孔性和巨大的阳离子交换能力，能够吸附土壤NH4+，减少了土壤氨挥发。同时，生物质碳在与肥料混合以后对肥料起到包衣效果，延长了养分的有效性，减少养分的淋溶损失，进而提高了土壤的保肥供肥能力以及肥料利用率[19]。

生物炭能够提高作物产量，主要就依赖于生物炭改善土壤环境，增加土壤养分，有利于作物吸收养分。已有研究表明生物炭能够提高玉米[20]、马铃薯[21]、番茄[22]、高粱[23]等作物的产量。苗智英等[24]研究结果表明，施加生物炭能改善水稻茎秆基部性状，还可通过改善水稻产量构成因子来实现增产。李建荣等[25]也研究发现，合理的生物炭施用量有利于玉米苗期的生长，促进吐丝期及成熟期干物质的积累，从而使玉米增产，但是也有施用生物炭对作物减产的现象。如张斌等[26]关于生物炭对成都平原水稻土壤的研究表明，单独施加高量生物炭40 t/hm2作用不明显。本研究结果显示，施用生物炭增加了玉米穗长、穗行数、穗质量和穗粒质量，且生物炭处理下的玉米产量较CK显著增产7.63%～20.50%，但随着生物炭用量增大呈先上升后降低的趋势，生物炭用量在22.5 t/hm2(T3)处理下的产量最高。

综上所述，生物炭能提高玉米株高、茎粗、叶面积指数、相对叶绿素含量、干物质积累量及根系活力，各指标均随生物炭施用量增大呈先升高后降低的趋势，以22.5 t/hm2处理最优。在产量方面，施用生物炭增加了穗长、穗粗、行粒数、穗质量、穗粒质量，产量较CK显著增加6.85%～18.40%。为能够更直接反映生物质炭对玉米生长及产量的影响，用主成分分析得出，生物炭处理的综合值均高于CK，T3处理下的综合值最高，其次为T2。因此生物炭用量在15～22.5 t/hm2范围内能显著促进宁夏干旱地区玉米生长及增产。