生物炭输入对土壤有机碳和玉米生长的影响

汪振国，马媛媛，王西娜，刘少泉，古超峰，姬 强

(1.宁夏大学农学院，银川 750021；2.宁夏农村科技发展中心，银川 750001)

0 引 言

【研究意义】玉米是我国粮饲兼用主要作物，全国种植面积 2 400 hm2[1]。废弃秸秆通常以焚烧的利用方式为主，会使土壤肥力单一、土壤紧实、板结、耕作层变浅，土壤透气性差、保墒保肥性低，降低土壤的生产能力，影响玉米稳产和高产[2]，提高废弃秸秆在宁夏砂质土壤地区的利用率，能够有效改善土壤的保水性、保肥性、增加土壤有机碳含量来提高玉米产量和品质[3]。针对宁夏引黄灌区土壤次生盐渍化和沙化严重和废弃秸秆的传统利用，土壤保水保肥性差等特征。使用生物炭可有效提高土壤的保水性、保肥性，对增加土壤有机碳含量提高玉米稳产高产具有重要意义。【前人研究进展】施用生物炭可以提高植物对土壤养分的吸收利用，提高土壤生产力[4]。施入生物炭基肥和无机化肥混合使用与单独施用相比，将会显著提高玉米品质和产量及籽粒饱满度，生物炭基肥和其他肥料组合施用可以提高碱性钙质土壤中玉米养分获取、生长及产量，20 t/hm2生物炭基肥与其他肥料配施，玉米产量增加6.06%，而将生物炭基肥施用量增加2倍[5]，玉米产量降低13.88%，并且抑制玉米灌浆后期干物质积累和籽粒干重。生物炭基肥与氮、磷和钾肥的联用可以提高玉米穗粒数，能够增加水稻产量，但并未显著增加水稻的生物量[6]。秸秆含有丰富的有机碳和大量的木质素、纤维素，还包含大量的氮、磷、钾等植物所必须的多种营养元素，可做有机肥使用[7]。是一种提高土壤肥力的农业技术措施之一[8-10]。生物炭(bio-char)是由植物(秸秆、垃圾、树木、粪肥等)等生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质[11-13]，施入土壤中的生物炭在土壤中保留时间长，生物炭有着较大的比表面积和较多的酸性官能团和碱性官能团，可以改善土壤的物理性质(孔隙状况)和化学性质(离子代换量、保肥性、缓冲性等)，生物炭在土壤中通过截获和质流的作用，可以疏松土壤，改善土壤结构，增加土壤中的微量元素[14-17]。【本研究切入点】针对宁夏地区使用化肥和废弃秸秆利用方式较单一，土壤质量有所下降，并且以往生物炭输入后土壤有机碳的研究还需加强。【拟解决的关键问题】以无外源碳输入处理为对照(CK)，研究不同外源碳(秸秆及其生物炭)等碳量输入条件下,对土壤含水率、土壤有机碳含量、玉米叶绿素度、净光合速率及产量的影响规律。

1 材料与方法

1.1 材 料

该试验位于宁夏大学智能温室(36°51′N、105°59′E)。宁夏大部分地区昼夜温差可达12～15℃，全年平均气温在5～9℃，蒸散量1 200 mm，年均降雨量210 mm，玉米生育期4～10月降雨量300.2 mm。质地为砂壤土，土壤养分含量偏低，属低等肥力水平，耕层0～20 cm土壤主要理化性状为容重1.55 g/cm3，总孔隙度41.4%，有机质8.3 g/kg，碱解氮38.5 mg/kg，全氮0.5 g/kg，速效钾131.2 mg/kg，速效磷16.2 mg/kg，pH 8.3。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验所用玉米秸秆收集于宁夏大学试验基地，秸秆基本理化性状为C，40.5%; N，1.4%; H，6.3%。试验生物炭委托河南商丘市三利能源有限公司利用收集的玉米秸秆在600℃下快速热解2 h制备，生物炭理化性质为C，5.1%; N，1.7%; H，3.1%; K，0.13%; Ca，1%; Mg，0.62%;比表面积86.7 m2/g。供试作物为当地研究区域常规玉米品种，供试品种为当地常规品种先玉335。样品采集在玉米4个不同生育期:抽叶期、拔节期、开花期、成熟期。定期每15 d采取土样1次，在玉米的4个生育期采集土壤鲜样，过2 mm 筛后保存于4℃冰箱中待测。在玉米关键生育期测定叶绿素度和净光合速率。玉米收获时期，采集玉米的籽粒测定千粒重、产量指标。

盆栽试验土壤过2 mm 筛，生物炭与秸秆粉末过0.15 mm筛，2种碳源材料与土壤充分混匀后装盆。试验共7个处理: BC0.8(0.8%-BC0.8) 、BC2.4(2.4%-BC2.40、BC8.0(8.0%-BC8.0) 、 Str1.0(1%-Str1.0)、Str3.0(3%-Str3.0)、Str10.0(10%-Str10.0)；CK(无外源输入)。其中，秸秆输入水平:1%、3%、10%( Str1.0，Str3.0，Str10.0)，生物炭添加水平为0.8%，2.4%，8%( BC0.8，BC2.4，BC8.0)，CK为无外源碳添加处理。为完全随机区组设计，各处理重复3次。定期浇水管理以防止水分胁迫。

1.2.2 指标测定

在玉米整个生长发育过程中，选主要生育期(抽叶期、拔节期、开花期、成熟期)测定玉米不同时期的土壤含水率、有机碳含量、叶绿素含量(SPAD)、净光合速率、玉米产量。土壤含水率，在玉米不同生育期从盆中取出鲜样，装入铝盒中称鲜重重量，记下重量，放入烘箱，烘24 h，烘干后称干土和铝盒的重量，计算干土重量和土壤含水率，土壤有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热氧化法，英国PP-system公司TPS-2便携式光合作用系统测定玉米幼苗叶片光合生理指标，SPAD-502叶绿素计用于测定叶绿素含量。植株光合生理指标采用Li-6400便携式光合仪测定净光合速率(μmol/(m2·s))。玉米成熟期测定玉米生物量，将处理盆栽玉米穗分别装袋风干，脱粒称重，计算玉米籽粒产量。

1.3 数据处理

采用SPSS18.0软件对数据统计分析，表和图中数据均为平均值±标准差，不同处理下土壤各变量之间的显著性检验采用单因子方差分析(ANOVA)和最小显著极差法(SSR)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤含水率的影响

研究表明，玉米4个生育期中，生物炭输入条件下，总体呈现出成熟期>拔节期>抽叶期>开花期，土壤含水率随生物炭量的增加呈增长的趋势，生物炭输入有利于提高土壤含水率，除开花期外，较CK分别提高了13.35%、11.90%、58.03%。成熟期BC8.0处理含水率最高，较CK处理提高了20.16%，成熟期：Str10.0>BC8.0>BC2.4>Str1.0>BC0.8>Str3.0>CK。抽叶期和拔节期BC8.0处理的含水率均比CK处理提高了26.67%和141.21%，差异性显著(P<0.05)，输入秸秆条件下，秸秆量的增加土壤含水率呈现增加趋势，4个生育期，处理Str1.0的含水率最高，较CK处理分别提高了119.47%、193.08%、29.19%、81.39%，同一处理不同时期达到显著水平(P<0.05)。表1

表1 玉米不同时期土壤含水率变化Table 1 Soil moisture content in different stages of maize (%)

2.2 输入不同处理生物炭对土壤有机碳影响

研究表明，随着生物炭输入增加土壤有机碳量呈上升的趋势，生物炭能够提高土壤中的有机碳含量，生物炭输入在玉米4个生育期有机碳含量均比CK处理分别提高了85.75%、76.37%、84.49%、87.47%，输入秸秆在玉米4个生育期有机碳量均比CK处理分别提高了30.80%、38.04%、39.40%、41.28%。各处理间差异性明显，在土壤中输入BC8.0时，有机碳(SOC)的含量最高，均比CK处理提高了164.81%、163.84%、184.09%、184.66%，与其他处理相比，提高最显著。输入生物炭比输入秸秆有机碳含量在4个生育期分别提高54.94%、38.33%、45.03%、46.19%。不同生物炭处理之间分布显著性明显，不同秸秆处理之间分布较为显著(P<0.05)，输入生物炭和秸秆成熟期有机碳高于其他处理，并高于CK处理87.47%和41.28%，增长最明显。图1

2.3 不同处理对叶绿素含量(SPAD)和净光合速率的影响

研究表明，除开花期外，不同生育期叶绿素含量生物炭输入比CK处理分别增加了0.28%、0.79%，而开花期比CK处理降低了0.83%，生物炭输入量与叶绿素含量不成正比，各处理间差异性不明显，BC8.0处理条件下，3个生育期的叶绿素含量依次呈降低趋势，而成熟期BC0.8较CK处理提高了2.1%，各处理间显著性不明显。不同生育期输入秸秆条件下，叶绿素含量均比CK处理分别提高了13.45%、0.73%、20.99%，开花期Str10.0处理最高，较CK处理提高了17.83%。同一处理不同时期具有极显著差异。 表2

图1 不同处理间有机碳含含量Fig.1 Organic carbon content of different treatments

生物炭输入在玉米不同生育期净光合速率比CK处理分别增加了15.99%、54.47%、29.11%，不同处理秸秆输入条件下除开花期外，其他生育期净光合速率分别增加了9.42%和13.23%，开花期输入BC8.0的净光合速率比CK处理显著提高了18.90%，BC2.4和BC0.8净光合速率比CK 处理分别显著提高了23.73%和5.34%。抽叶期，生物炭输入条件下，各处理较CK处理增加了5.4%～27.23%,增幅较明显，而秸秆输入增幅低于生物炭输入，生物炭输入优于秸秆。表3

表2 不同处理的叶绿素含量变化Table 2 Chlorophyll content of different treatments

表3 不同处理的净光合速率变化Table 3 Net photosynthetic rate of different treatments (μ mol/(m2·s))

2.4 不同处理对玉米产量的影响

研究表明，输入BC0.8玉米产量比CK增加了15.71%，输入BC2.4玉米产量提高了18.80%，输入BC8.0提高不显著，输入Str1.0玉米产量比CK提高了13.01%。BC2.4>BC0.8>BC8.0>Str1.0>CK>Str3.0>Str10.0,与对照(CK)相比，添加BC2.4玉米产量最高，添加Str10.0玉米产量最低，与对照(CK)相比较，添加生物质炭和粉碎秸秆与对照(CK)显著性不明显。图2

2.5 土壤指标与玉米指标之间的相关性

研究表明，各相关系数的绝对值介于0.015～0.955，土壤含水量与叶绿素的相关系数最大为0.155，第一贡献率为66.19%，第二贡献率为26.11%，各处理间由高到低，生物炭输入处理下BC0.8>BC8.0>BC2.4，秸秆输入条件下Str10.0>Str1.0>Str3.0，叶绿素含量(SPAD)与玉米产量的相关系数最低为-0.817，玉米产量与土壤含水量和叶绿素含量(SPAD)呈现出显著的负相关性，土壤含水量与叶绿素含量(SPAD)过高对玉米产量有影响，有机碳含量和净光合速率与玉米产量不存在相关性。在不同处理中，添加BC0.8和Str10.0的效果最好。表4，表5

图2 不同处理下玉米产量变化Fig.2 Maize yield in different treatments

表4 土壤指标与玉米指标之间相关性Table 4 correlation between soil index and Maize Index

表5 各处理间主成分Table 5 Principal component analysis of each treatment

3 讨 论

3.1 生物炭输入对土壤水分的影响

土壤含水率是反映土壤墒情的重要指标[18-20]，研究表明：生物炭输入过多会增加土壤容重，土壤中贮存的养分能够得到大量的释放，提高土壤疏松度，同时土壤水分显著增加[21]。研究发现，生物炭输入土壤含水率显著提高，尤其是土壤中输入8.0%-BC8.0的生物炭，土壤含水率的增幅更高，原因可能是生物炭本身具有比表积大和较多的官能团，施入土壤中可以固碳，减少碳的排放。并且在成熟期土壤含水率达到最大，这可能是生物炭经过一段时间之后，经过扩散作用和土壤各种元素充分混匀，进一步增加了土壤的透气性和保水能力，土壤水稳性越强，土壤的保水能力增强，与前人研究结论一致，主要由于生物炭输入后期有效促进水稳性较高的土壤团粒结构的形成[22-24]。

3.2 生物炭输入对土壤有机碳分布的影响

生物炭施入土壤中的微生物，通过螯合反应产生大量的有机分泌物，从而改善土壤结构，促进土壤团聚体的形成[22-28]，研究表明，有机碳含量与生物炭量的输入呈正相关，原因可能生物炭可以通过氢键、表面库仑力、分子间的范德华力等吸附在粘力表面、阻碍了在黏力之间的直接胶结。这与前人研究结论一致。

3.3 生物炭输入对玉米生长的影响

光合作用是植物生长发育的重要生理活动，光合生理特性和叶绿素含量可反映植物光合生产力和实际光合产量水平[27]，最终影响作物生长状况。在玉米苗期生物炭对玉米生长及养分吸收随输入炭量的增加具有抑制性[29，30]。试验表明，随着生物炭量的增多对玉米叶绿素含量有抑制作用，成熟期输入BC8.0玉米叶绿素含量降低，生物炭对玉米生长产生一定的抑制作用。这可能是因为生物炭本身 C/N 较高，过量输入后可能会引起微生物与作物争氮，造成土壤有效氮降低，对玉米植株的生长产生一定的抑制作用。Asai等[31]研究也表明，土壤含氮量较低的情况，不配施氮肥的生物炭处理的含量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氮土壤上，这与生物炭矿质养分含量低，易降低土壤有效养分有关。BC8.0均比BC0.8、BC2.4处理的净光合速率低，过量输入生物炭抑制净光合速率，玉米生育期，开花期和成熟期比抽叶期增加幅度较大，原因可能是生物炭越多存在与作物争氮，造成作物氮饥饿状态。

3.4 生物炭输入对作物产量的影响

生物炭能够促进玉米、水稻等作物增产，但对小麦和大豆无显著增产作用。相关研究通过砂壤土的盆栽试验指出[22]，当生物炭施用量为30、60 t/hm2时，黑麦草的生物量比CK增加20%、52%，当施用量增加到100和200 t/hm2时，黑麦草的生物量反而比对照降低8%和30%。生物炭输入对玉米的产量的影响，输入BC0.8和BC2.4玉米产量增加，反而输入BC8.0后玉米产量降低；输入秸秆，随着秸秆量的增加玉米产量反而降低，与(CK)处理相比较，输入BC0.8、BC2.4和Str1.0均高于(CK)处理，而BC8.0、Str3.0和Str10.0处理低于对照(CK)。生物炭过量输入对玉米的产量有抑制作用，与前人研究结论一致，这可能与生物炭本身的性质有关系，生物炭增加土壤有机碳一方面是由于生物炭能够吸附土壤有机分子[32-34]，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[25]；另一方面生物炭是具有多芳香环和非芳香环的复杂结构，使其表现出高度的化学和微生物惰性，施入土壤后难以被微生物利用，生物炭的施用可显著增加土壤有机碳的含量。此外，施入生物炭可以降低土壤体积质量，有效改善土壤通气状况。

各指标之间存在着一定的相关性，叶绿素含量(SPAD)与玉米产量的相关系数最低，可能原因是玉米茎叶和刚结的玉米有竞争营养的现象，造成茎叶长势好，不利于果实的营养补充，输入BC0.8和Str10.0效果最好，过量输入生物炭反而抑制作物增产，可能原因是生物炭本身具有固碳作用，输入前期在土壤中矿化不明显，在后期矿化分解显著，这与凌宏伟等[33]的结论基本一致。

4 结 论

适量输入不同处理的生物炭和粉碎秸秆，增加土壤的保水性、透气性、提高土壤疏松度、改善土壤墒情，有利于土壤理化性质的改变，通过对比输入生物炭对土壤改良和产量优于输入秸秆。输入生物炭超过阈值会减少作物产量，生物炭过量会抑制作物生长。输入BC0.8和Str10.0对土壤培肥，促进作物生长和提高产量效益最佳。