单季施用生物炭提高土壤肥力及小麦玉米轮作周年产量

郑云珠，孙树臣

(聊城大学地理与环境学院，山东聊城 252059)

我国作为世界上重要的农业大国之一，秸秆资源种类丰富、分布范围广，年产量约10亿t，且具有逐年增长的态势[1-2]。然而，秸秆还田率不足50%[3]，严重制约了农业发展的可持续性。因此，探寻合理的秸秆资源无害化利用一直是农业发展过程中关注的热点和难点问题。

秸秆中富含农作物生长所需的氮(N)、磷(P)、钾(K)等营养元素[4]，农作物光合作用的产物约有一半贮存于秸秆中[5]。秸秆还田作为提高秸秆资源综合利用的重要途径，不仅可以有效改善土壤环境、促进作物增产[4，6-7]，同时还可以减轻由于焚烧和丢弃导致的资源浪费及大气、水体等污染[8]，对于改善农村生态环境及秸秆资源的再利用具有重要意义。然而有研究指出，秸秆还田会加大下茬作物灌溉水量、农田病虫害发生率及农药使用量等不利影响，从而增加种植成本[9]。也有研究指出，秸秆还田虽然可以显著提高农田碳的固定，同时也增加了农田甲烷排放、氨挥发以及养分渗漏损失等负面影响[10]。因此，如何保证在秸秆还田效益最大化的同时降低其不利影响，不断增加农业收益成为当前秸秆资源无害化利用亟待解决的重要问题。

近几十年来，随着对生物炭认识的不断加深，秸秆炭化还田在实现作物增产、固碳减排、修复土壤污染等方面发挥巨大优势而日益成为国内外学者研究的热点[11-13]。生物炭是农林废弃物等生物质在厌氧条件下经高温裂解(一般<700 ℃)形成的高含碳量物质，具有丰富的营养物质、较大的比表面积、发达的孔隙结构以及丰富的含氧官能团等特性[14-15]。生物炭作为一种绿色土壤改良剂，可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度和持水能力[16]，同时有利于增加土壤养分含量[17-18]，进一步改善农作物生长所需的土壤环境，从而提高小麦[19]、玉米[20]、水稻[21]、大豆[22]等作物产量。在粉砂质黏壤土的麦玉轮作系统中，施用16 t/hm2生物炭并配施化肥，可以显著增加冬小麦、夏玉米地上生物量及籽粒产量，且促进效果优于8 t/hm2生物炭并配施化肥处理[23]。而在沙土的研究中发现，施用生物炭虽然可以提高土壤水分，但对大豆产量却没有影响[24]。生物炭对作物增产的效果具有一定范围，施用适量果树枝生物炭(5 t/hm2)可以更好地促进潮褐土中玉米增产以及对土壤养分的吸收利用，而过量施用生物炭则导致增产效果减弱[25]。在壤土中施用小麦秸秆生物炭，小麦产量对生物炭施用量也具有同样的响应，施用3 600 kg/hm2生物炭增产效果最好[26]。魏永霞等在黑土区一次性施用 75 t/hm2玉米秸秆生物炭后(后期不再施加)，研究发现4年研究期内的施炭处理可以提高土壤中有机质、铵态氮、速效钾含量，而随着时间的推移养分含量有所降低，但施炭处理仍高于对照[27]。因此，农作物产量及土壤肥力与生物炭施用量、土壤类型、施用方式及施用年限等因素密切相关，如何科学地利用生物炭资源以实现作物增产及土壤改良的双重效益至关重要。

鲁西平原作为华北平原的重要组成部分，冬小麦—夏玉米轮作是该地区主要的农业种植模式，同时也是我国重要的粮食生产区。然而该区域高强度的麦玉轮作，导致土壤肥力下降，为实现农作物增产而过度使用化学肥料，随之带来农作物品质降低、土壤酸化、环境污染等负面影响[28]。因此，进一步实现鲁西平原农作物的增产稳产对保障我国粮食安全具有重要意义。目前关于该地区麦玉轮作系统对秸秆生物炭还田的响应结论尚未统一，且关于单季施入生物炭对两季农作物的持续性影响尚不明确。因此，本研究通过盆栽试验，探讨冬小麦季一次施用不同水平玉米秸秆生物炭量对冬小麦—夏玉米产量及土壤肥力的影响，以明确玉米秸秆生物炭对土壤肥力的影响，对比分析单季施用玉米秸秆生物炭对冬小麦、夏玉米两季农作物产量的影响，揭示土壤肥力指标与作物产量之间的相互作用关系，从而为鲁西平原的农作物秸秆资源更加合理应用于麦玉轮作系统提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于山东省聊城市聊城大学土壤生态环境教学科研基地(36°43′N，116°01′E)进行。该区属温带大陆性季风气候，年平均气温约为13.5 ℃，年均降水量约为540.4 mm，夏季降水量约占全年降水量的60%。本试验研究期内的日均气温与日总降水量如图1所示，冬小麦季(2019年11月至2020年5月)的平均气温和总降水量分别为8.5 ℃和 145.6 mm，夏玉米季(2020年6—9月)的平均气温和总降水量分别为25.0 ℃和682.1 mm。

1.2 试验材料

供试土壤为石灰性潮土，pH值为8.81，有机质含量为10.87 g/kg，全氮含量为0.72 g/kg，有效磷含量为18.50 mg/kg，速效钾含量为100.44 mg/kg。生物炭为玉米秸秆在450 ℃条件下裂解2 h制成，pH值为7.44，全氮含量为15.45 g/kg，有效磷含量为1 151.85 mg/kg，速效钾含量为5 300.21 mg/kg。供试小麦品种为济麦22，玉米品种为郑单958。

1.3 试验设计

采用盆栽试验，以不施用生物炭作为对照(CK)，6种施用生物炭处理分别为B1(4 t/hm2)、B2(8 t/hm2)、B3(16 t/hm2)、B4(24 t/hm2)、B5(32 t/hm2)、B6(40 t/hm2)，每个处理3次重复，共计21个处理。盆栽桶选用内径为27 cm、高为30 cm的塑料花盆。盆栽土过5 mm筛并自然风干，每个盆栽桶风干土质量均为11 kg，冬小麦种植前各盆栽桶先装入风干土至5 cm高处并压实，再将剩余风干土与肥料、生物炭(过2 mm筛)充分混合后装入盆栽至25 cm高处。所有盆栽桶装填完成后灌溉相同量的水分，静置1周后于2019年11月6日在每个盆栽桶中部播种20粒小麦，冬小麦收获时间为2020年5月27日。夏玉米播种前将肥料与0～20 cm 土壤充分混合后，于2020年6月15日在盆栽桶中部播种2粒玉米，待出苗后定苗为1株，夏玉米于9月27日收获。冬小麦季N、P、K施用量分别为225、125、90 kg/hm2，夏玉米N、P、K施用量分别为225、150、150 kg/hm2，其他田间管理措施与当地大田一致。

1.4 测定项目与方法

分别于冬小麦、夏玉米成熟期测定二者株高及夏玉米穗位高，全部收获后于105 ℃杀青30 min，之后于75 ℃烘干至恒质量。冬小麦测定地上干物质量、有效穗数、穗长、穗粒数、百粒质量及籽粒产量。夏玉米测定地上干物质量、穗长、秃尖长、穗粒数、百粒质量及籽粒产量。轮作周年产量即冬小麦与夏玉米2种作物产量之和。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件对数据进行处理，用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析，多重比较采用Duncan’s新复极差法检测处理间的差异显著性，各测定指标间的相关性采用Pearson’s相关系数表示，用Origin 2017软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤pH值和电导率的影响

各生物炭处理下土壤pH值、电导率与对照相比均无显著差异(表1)。生物炭处理中除B2处理外，其余处理对土壤pH值均具有略微降低的影响。生物炭处理土壤电导率(EC)均高于对照，且随生物炭施用量的增加呈先增加后降低的趋势，B3处理下EC最大。

表1 不同生物炭施用量对土壤pH和电导率的影响

2.2 生物炭对土壤养分的影响

表2 不同生物炭施用量对土壤养分含量的影响

2.3 生物炭对冬小麦、夏玉米产量的影响

2.3.1 对冬小麦生长及产量的影响 不同生物炭施用量对冬小麦株高的影响各异，除B6处理外，其余生物炭处理均提高了冬小麦的株高，其中B1处理的株高显著比对照高8.98%(表3)。与对照相比，施用生物炭可以显著提高地上部干物质量19.93%～27.08%，而生物炭处理间无显著性差异。不同生物炭施用量均可以促进冬小麦的产量构成要素(有效穗数、穗长、穗粒数和百粒质量)的增加，从而实现冬小麦增产18.65%～50.82%，具体表现为B4>B3>B2>B5>B6>B1>CK，其中B4处理籽粒产量显著高于对照。

表3 不同生物炭施用量对冬小麦植株及籽粒产量的影响

2.3.2 对夏玉米生长及产量的影响 不同生物炭施用量对夏玉米生长、籽粒产量及产量构成要素的影响见表4。生物炭处理对夏玉米株高影响的变化规律与穗位高一致，施用生物炭均可以促进夏玉米株高及穗位高的提高，并均表现为随生物炭施用量的增加呈先增后减的趋势(B4处理达到最大值)。施用生物炭处理显著增高了夏玉米株高7.07%～12.75%，B3、B4处理的穗位高分别显著高于对照12.26%、13.07%。施炭处理均可促进夏玉米地上部干物质量的增加，但生物炭处理与对照之间未表现出显著性差异。生物炭施用在促进夏玉米穗长、穗粒数和百粒质量增加的同时，也促进了秃尖长的增加。夏玉米籽粒产量随生物炭施用量的增加而逐渐增加，且生物炭处理间无显著差异，B3、B4、B5、B6处理分别显著比对照高45.62%、54.69%、57.97%、65.24%。

2.3.3 生物炭对冬小麦—夏玉米周年产量的影响 由图2可以看出，施用生物炭可以增加冬小麦—夏玉米轮作的周年产量，并表现为随生物炭施用量的增加而逐渐增加，B2、B3、B4、B5、B6处理周年产量分别显著比对照高40.57%、45.00%、54.15%、54.50%、59.74%，施用生物炭处理间的作物周年产量无显著性差异。

2.4 冬小麦—夏玉米周年产量与土壤化学性质的相关分析

表4 不同生物炭施用量对夏玉米植株及籽粒产量的影响

表5 周年产量与土壤化学性质的相关性分析结果

3 讨论

土壤是农作物赖以生存的基础，适宜的土壤环境是农作物稳产增产的保证。大量研究表明，生物炭因其碱性特征及丰富的Ca2+、K+、Mg2+等盐离子施入土壤后，可以提高土壤pH值及电导率[30-31]。而本研究发现生物炭各处理对土壤pH值、电导率的影响与对照相比均未达到显著水平，其中生物炭处理(除B2处理外)均略微降低土壤pH值，这可能是由于本试验所施用的生物炭呈弱碱性且低于土壤pH值，施入土壤后对pH值具有一定的降低作用。有研究指出施用碱性生物炭可以显著提高酸性土壤的pH值[32]，而对本身呈碱性的土壤pH值影响不明显[19，33]。李传哲等通过在碱性土壤中施用酸改性生物炭(pH值为 7.12)研究发现，施用 15 t/hm2与30 t/hm2生物炭均可降低0～10 cm土层土壤的pH值，但降低程度均未达到显著水平，并提高了土壤肥力及作物产量[34]，本研究结果与之相似。本研究施用生物炭后土壤pH值略微降低，同时也提高了土壤的养分含量及作物产量，通过相关性分析发现，土壤pH值与作物周年产量之间呈负相关，说明施用弱碱性生物炭对土壤pH值的降低可能是作物周年产量增加的重要原因之一。

生物炭通过影响土壤的物理和化学性质[42-43]，进而影响农作物的生长与发育。生物炭施用量对作物产量的增加效果具有一定范围，过量施用生物炭对作物产量的增加效果减弱[44]，本研究亦得出类似的结果。本研究施用生物炭对冬小麦—夏玉米轮作系统中的冬小麦均具有增产作用，表现出随生物炭还田量的增加呈先增加后降低的变化趋势，B4(24 t/hm2)处理增产效果最佳，这可能是由于生物炭效应是有阈值的[45]，当施炭量较高时，土壤结构遭到破坏，还可能增加土壤的C/N，导致氮素利用率降低[33]，反而不利于作物生长。也有研究表明施用生物炭对作物产量无影响[46]，甚至减产的情况发生[47]。本研究未发现施用生物炭导致作物减产的现象，施用生物炭对冬小麦、夏玉米两季作物产量的增加均具有促进作用，夏玉米籽粒产量更是表现出随生物炭施用量的增加而逐渐增加，且增产效果整体上高于冬小麦，生物炭对作物产量的促进作用随时间推移具有一定累积效应[23]。在黏土中同样发现玉米产量随生物炭施用量的增加而逐渐增加，19 t/hm2木屑生物炭使玉米产量显著增产32%[48]。秦蓓等在盐渍土中一次性施入棉杆生物炭后发现，低量生物炭(1.5 t/667 m2)施用对作物增产主要表现在前2年，而高量生物炭(3.0 t/667 m2)对作物增产的效果主要表现在后2年[49]。谢迎新等在沙质潮土麦玉轮作系统中，从每季秸秆炭化还田角度出发研究发现，施用2.25～11.25 t/hm2生物炭对前3季小麦的地上生物量及籽粒产量均无显著性影响，但从第4季开始逐渐表现出显著性影响[50]。本研究在冬小麦种植前一次性施入不同水平的玉米秸秆生物炭量，可以不同程度地增加冬小麦、夏玉米两季的籽粒产量，但发现第1季冬小麦仅在 24 t/hm2生物炭处理下籽粒产量显著高于对照50.82%，第2季夏玉米施用16～40 t/hm2生物炭籽粒产量显著高于对照45.62%～65.24%，生物炭对作物增产的效果在第2季夏玉米表现更为突出，尤其越高生物炭施用量对夏玉米增产的效果更佳，可能是由于生物炭施用量、施用时间、农作物类型等原因导致两季作物增产效果的差异。

4 结论

虽然在研究中发现单季施用不同量的玉米秸秆生物炭可以促进冬小麦、夏玉米两季作物的生长、增产以及土壤肥力的提高，并初步得出石灰性潮土区适宜的生物炭施用量。然而，生物炭对冬小麦—夏玉米轮作系统土壤肥力及作物产量的影响受多种因素的综合作用，特别是生物炭还田后的长期影响可能更加复杂，同时田间的实际情况可能比盆栽环境更加复杂多变。因此，未来仍需要进一步加强生物炭还田的长期生态环境效应的田间定位研究。