油页岩半焦生物炭对玉米产量及土壤理化性状的影响

连彩云 马忠明 唐文雪 薛亮 王智琦 罗双龙

摘要：油页岩半焦含有丰富的有机质和无机营养物质，是复混肥理想的添加物料。为了提升油页岩半焦生物炭在农业生产中的利用价值，以玉米为指示作物，玉米品种先玉335为指示品种，设施油页岩半焦生物炭20、40、60、80 t/hm2，不施肥和仅施氮、磷肥（优化施肥）6個处理，采用随机区组设计，研究了不同油页岩半焦生物炭施用量对玉米产量及土壤养分状况的影响。结果表明，施用油页岩半焦生物炭后土壤性状发生显著变化，与播前相比，土壤容重下降了2.21%～8.82%，土壤孔隙度增加了-11.05%～4.08%，毛管孔隙度增加了-6.70%～3.74%，土壤pH下降了4.73%～7.84%。土壤储水量较对照不施肥处理增加了18.85%～30.57%。与优化施肥相比，土壤全氮增加了6.25%～20.83%，土壤全磷增加了0～25.51%，土壤全钾增加了0.92%～2.63%，土壤有机质增加了24.29%～88.26%，土壤碱解氮增加了-7.40%～14.21%，土壤速效磷增加了-30.27～80.37%，土壤速效钾增加了-12.87%～115.07%。在油页岩半焦生物炭投入量为60 t/hm2时，玉米产量最高，达17 681.4 kg/hm2，较对照不施肥处理增产20.10%。综合分析，施不同用量油页岩半焦生物炭均能明显改善土壤物理化学性状，显著提升土壤肥力，促进作物生长，进而提高作物产量。

关键词：油页岩半焦生物炭；玉米；产量；土壤理化性状

中图分类号：S513               文献标志码：A              文章编号：2097-2172（2023）12-1140-06

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.12.010

Effect of Oil Shale Semi-coke on Corn Yield and Soil Physical and

Chemical Properties

LIAN Caiyun 1， MA Zhongming 2， TANG Wenxue 1， XUE Liang 1， WANG Zhiqi 1， LUO Shuanglong 1

（1. Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： In order to further enhance the application value of oil shale semi-coke mineral biochar in agricultural production， the effects of oil shale semi-coke application on corn yield and soil nutrient status were studied with the indicator maize variety Xianyu 335. 6 treatments including 4 oil shale semi-coke biochar rates（20， 40， 60， 80 t/ha， respectively）， no fertilizer and N and P fertilizer only（optimized fertilization） were applied according to a randomized block design. The results showed that after applying oil shale semi-coke， the soil properties could be significantly changed， the soil bulk density was decreased by 2.21% to 8.82%， and soil porosity was increased by -11.05% to 4.08%， the capillary porosity was increased by -6.70% to 3.74%， the soil pH value was decreased by 4.73% to 7.84%. Soil water storage was increased by 18.85% to 30.57%. Contents of soil total nitrogen， soil total phosphorus， soil total potassium， soil organic matter， soil alkali-hydrolyzed nitrogen， soil available P， soil available K were increased by 6.25%to 20.83%， 0 to 25.51%， 0.92% to 2.63%， 24.29% to 88.26%， -7.40% to 14.21%， -30.27 to 80.37% and -12.87% to 115.07%， respectively， compared with the optimized fertilization. When the semi-coke input of oil shale was 60 t/ha， the corn yield， 17 681.4 kg/ha， was highest which was 20.10% higher than that of no fertilization. Comprehensive analysis showed that different rates of oil shale semi-coke biocharall had certain effects on corn growth and yield， and soil physicochemical properties which could significantly increase the soil fertility.

Key words： Oil Shale semi-coke biochar; Corn; Yield; Soil physical and chemical property

收稿日期：2023 - 05 - 23

基金项目：甘肃省农业科学院重点研发计划项目（2022GAAS14、2023GAAS17）。

作者简介：连彩云（1977 — ），女，甘肃民勤人，副研究员，主要从事作物节水高产栽培理论与技术研究工作。Email：liancy1998@sina.com。

通信作者：马忠明（1963 — ），男，甘肃民勤人，研究员，主要从事农业节水高产栽培理论与技术研究工作。Email：mazhming@163.com。

油页岩是一种由低等生物、水生及陆生植物残体经过腐解和淤泥沉积形成的含有大量有机质的沉积物质［1 ］。而这种固废没有被有效利用，多采用露天堆放的处理方式，既占用了大量土地，又对环境造成了危害，还制约了油页岩工业的发展。油页岩废渣按照不同的利用方式可分为油页岩灰渣和油页岩半焦。油页岩半焦的量占油页岩处理量的60%～80%［2 ］，含有丰富的有机质和无机营养物质，是复混肥理想的添加物料，通过添加这种半焦的复混肥，可以保水增肥、改善土壤特性、促进作物生长进而提高产量等特点［3 - 5 ］。目前，有关油页岩的研究多针对灰渣方面［6 - 10 ］，对油页岩半焦的研究主要集中于燃烧特性方面［11 - 16 ］，而在农业上的研究较少，并且对其物理、化学性状还不了解，尤其是在土壤中的变化、对土壤环境的影响以及是否对作物生长、产量和品质有积极作用尚不清楚。为此，我们通过在玉米田施用油页岩半焦生物炭研究其对玉米田土壤理化性状和玉米生长发育的影响，综合评定油页岩半焦生物炭在农业中利用的效果和可行性，以期为油页岩半焦生物炭进一步提升农业属性价值提供科学依据。

1   材料与方法

1.1   试验区概况

试验于2020年在甘肃省农业科学院张掖节水试验站（100° 26′ E，38° 56′ N）进行。该站海拔1 571 m，光热资源丰富，属于典型的西北内陆河灌溉区。降水量120～200 mm，蒸发量2 048 mm，地下水位100 m以下，年均气温7 ℃，年平均日照時数3 085 h，干旱指数达10.3，≥0 ℃积温      3 388 ℃，≥10 ℃积温1 963.4～4 032.3 ℃。试验区土壤质地为中壤灌溉土，耕层土壤含有机质18.03 g/kg、碱解氮54.63 mg/kg、速效磷12.13 mg/kg、速效钾223.17 mg/kg，0～160 cm土层平均容重1.43 g/cm3，pH 8.46。

1.2   供试材料

供试油页岩半焦生物炭（碱解氮为65.0 mg/kg，速效磷为6.22 mg/kg，速效钾为253.56 mg/kg，有机质为390.8 g/kg，pH 8.74）由窑街煤电集团有限公司生产提供。指示玉米品种为先玉335，由甘肃省农业科学院提供。

1.3   试验设计

试验共设6个处理：BC1，油页岩半焦生物炭20 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；BC2，油页岩半焦生物炭40 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；BC3，油页岩半焦生物炭60 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；BC4，油页岩半焦生物炭80 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；OP，不施油页岩半焦生物炭，施N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；CK，不施肥。100%油页岩半焦生物炭、100%磷肥、20%氮肥作为基肥一次性施入，其余的氮肥于拔节期、抽雄期、灌浆期分别随水滴施30%、30%、20%。试验采用随机区组设计，重复3次，小区面积42 m2（7 m×6 m）。采用膜下滴灌水肥一体化灌溉模式，全生育期滴水定额3 600 m3/hm2，滴水8次，分别在拔节期、大喇叭口期、抽雄后、灌浆期各滴2次，滴水量分别为滴水定额的10%、10%、15%、15%、15%、15%、10%、10%。各处理滴水时间、施肥时间以及氮、磷肥施用量均相同，其他田间管理同大田。

1.4   测定项目及方法

1.4.1    土壤容重    土壤容重采用环刀法取样测定。于玉米播种前（4月23日）、收获后（10月3日）测定0～20 cm、20～40 cm土层土壤容重，计算孔隙度，公式如下：

土壤孔隙度=［1-（容重/密度） ］×100%。

毛管孔隙度=［（充满毛管水的湿土重-同体积土壤干土重）/土壤体积］×100%

1.4.2    土壤养分    玉米收获后测定0～20 cm土层的土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、水溶性钙、水溶性镁、有效铁、有效锌、有效硼等土壤理化指标［16 ］。

1.4.3    土壤水分    在玉米各生育关键期（拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期、乳熟期、成熟期），采用烘干法测定玉米田0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm土层的土壤含水率，成熟期检测土壤剖面含水量，并计算土壤不同深度储水量，公式如下。

式中，Qi为第 i层土壤含水率；γi 为第 i 层土壤容重；hi为第 i 层土壤厚度；n为测土壤含水率时的层序。

1.4.4    玉米生长发育及产量指标    分别在苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期，每小区随机抽取10株样进行地上部植株测定。成熟后每小区随机抽取10株考种，小区单收计产。

1.5   数据处理与分析

数据采用Excel 2007和SPSS 16.0软件进行统计分析。

2   结果与分析

2.1   油页岩半焦生物炭对土壤物理性状的影响

由表1可知，随着油页岩半焦生物炭施入量的增加，土壤孔隙度和毛管孔隙度表现为先升后降的趋势。施入油页岩半焦生物炭各处理的土壤孔隙度较播前增加-11.05%～4.08%、较CK增加-10.87%～4.28%、较OP增加-10.61%～4.59%，其中处理BC2最高，为53.80%；其次是BC1，为52.90%；处理BC4最低，为45.98%。处理BC1和BC2与处理BC4差异显著，与其余处理差异不显著；BC4与BC3处理差异不显著，与其余处理差异显著。毛管孔隙度较播前增加-6.70%～3.74%、较CK增加-8.30%～1.97%、较OP增加-8.10%～2.19%，其中处理BC1最高，为47.68%；其次是BC3，为46.50%；处理BC4最低，为42.88%。处理BC1和BC3与处理BC4差异显著，与其余处理差异不显著。土壤容重较播前降低2.21%～8.82%、较CK降低0～6.77%、较OP降低1.48%～8.15%，其中处理BC4最高，为1.33 g/cm3；其次是BC3，为1.31 g/cm3；处理BC2最低，为1.24 g/cm3。处理间差异不显著。说明施入油页岩半焦生物炭20～40 t/hm2后可增加土壤孔隙度，能够保持作物对养分的摄取。

2.2   油页岩半焦生物炭对土壤养分含量的影响

由表2可知，施入不同量的油页岩半焦生物炭对土壤pH有显著的影响。随着油页岩半焦生物炭施用量的增加，土壤pH呈先降后升的趋势，施用油页岩半焦生物炭的4个处理较CK下降了4.73%～7.84%。BC1与BC2差异显著，与BC3、 BC4差异不显著。土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标之一，不同油页岩半焦生物炭施用量对土壤有机质含量有显著的影响，随着油页岩半焦生物炭施用量的增加，有机质含量显著上升（P < 0.05），土壤有机质较CK增加了20.78%～82.95%，较OP增加了24.29%～88.26%。收获后各处理的土壤全氮、全磷、全钾含量变化明显，总体上，施肥处理较CK有一定的增加，且施用油页岩半焦生物炭后土壤全氮、全磷、全钾显著增加。与处理OP相比，土壤全氮增加6.25%～20.83%、全磷增加0～25.51%、全钾增加0.92%～2.63%。土壤全氮、全磷、全钾含量变化较为明显，随着油页岩半焦生物炭施用量提高，全氮、全磷最高值均在生物炭用量最高的处理中获得。随着油页岩半焦生物炭的增加，土壤碱解氮、速效磷、速效钾表现为先升后降再升的趋势。总体而言，施用油页岩半焦生物炭后，土壤碱解氮含量较处理OP增加-7.40%～14.21%，土壤速效磷增加-30.27～80.37%，土壤速效钾增加-12.87%～115.07%。

2.3   油页岩半焦生物炭对土壤中微量元素的影响

油页岩半焦生物炭中含有少量的微量元素，在土壤中施用后也会对土壤微量元素含量产生一定的影响（表3）。与CK相比，施入油页岩半焦生物炭处理的土壤水溶性钙含量有所增加，水溶性镁含量变化不大，土壤有效铁含量、土壤有效锌含量（BC1除外）、土壤有效硼含量（BC2除外）均有所减少。与处理OP相比，随着油页岩半焦生物炭用量的增加，土壤中水溶性钙含量增加了61.11%～255.56%，土壤有效铁、有效锌分别增加-6.25%～6.51%、-1.23%～16.05%，水溶性镁和有效硼含量变化不大。

2.4   油页岩半焦生物碳对玉米产量及生长发育的影响

从表4看出，随着油页岩半焦生物碳施用量的增加，穗长、穗粒数呈先升后降的趋势，而秃顶长呈逐渐增加的趋势，株高和穗位高变化不明显。玉米产量以处理BC3最高，达17 681.40 kg/hm2，较CK增产20.10%；处理BC1最低，为15 048.00 kg/hm2，较CK增产2.21%。可见，在油页岩半焦生物炭施用量为60 t/hm2时，玉米产量最高；而施用量为20、80 t/hm2时，产量较低。进一步分析投入量与产量的关系，以油页岩半焦生物炭施用量为自变量，玉米产量为因变量的二次方程为y = -1.012x2+ 101.2x+14 281（R2=0.654），差異达显著水平，得出玉米最大产量为16 811.00 kg/hm2，油页岩半焦生物炭最佳投入量为50 t/hm2。从群体的角度看，由于穗粒数的增多，而使群体籽粒产量在一定的范围内随施用量的增加而增高。当施用量过高时，群体的籽粒产量又降低。原因是生物碳投入量过高时，群体内的出苗率降低，致使籽粒产量出现逐渐降低的现象。

2.5   油页岩半焦生物炭对土壤水分的影响

由图1可以看出，施用油页岩半焦生物炭对各处理玉米生育各关键期0～100 cm土层的土壤含水率的影响显著。其中，拔节期，处理BC1土壤含水率低于其他处理。大喇叭口期，处理BC1、处理BC2、处理BC4较CK分别增加4.74%、6.95%、12.40%，处理BC4较OP增加5.04%。抽雄期，处理BC1、处理BC2较CK分别增加3.69%、1.08%，较OP分别增加6.35%、4.04%。灌浆期，处理BC1较CK增加4.34%，处理BC1、处理BC2、处理BC3、处理BC4较OP分别增加15.54%、4.19%、11.19%、1.86%。乳熟期，处理BC1、处理BC2、处理BC4较CK分别增加13.19%、21.56%、0.94%，处理BC1、处理BC2较OP分别增加11.16%、19.38%。成熟期，处理BC3较CK增加0.88%。可见，各处理玉米生育各关键期0～100 cm土层的土壤含水率均较CK有不同程度的增加。

施用油页岩半焦生物炭后，0～100 cm土层土壤储水量有显著提升。施入生物炭的土壤储水量较CK增加18.85%～30.57%；较OP增加13.66%～24.87%（表5）。随着油页岩半焦生物炭施用量的增加，土壤储水量呈先升后降的趋势，处理BC2最高，为341.05 mm；处理BC3略有下降，施炭量最高的处理BC4下降明显。

3   讨论与结论

油页岩半焦是油页岩干馏提炼页岩油过程中产生的副产品，富含有机物质、植物所必需的微量元素和其他的有机养分，并且高温下形成了较高的孔隙度，能够保持作物对养分的摄取。有研究发现，将油页岩灰渣施入轻粘性土壤后，增加了土壤孔隙度，显著提高土壤中钾的含量［17 ］。周晓莹等［18 ］在分析油页岩在农业中的潜能中提出增施油页岩对土壤起到了保肥的作用，能够平衡土壤养分。周晓莹等［19 ］的研究表明，用油页岩与沙复配后，可以增加土壤孔隙度和土壤含水量，降低土壤容重。本研究结果也表明，施用油页岩半焦后土壤物理性状发生了显著的变化，相对于初始状态，土壤容重下降2.21%～8.82%、土壤孔隙度增加-11.05%～4.08%、毛管孔隙度增加-6.70%～3.74%。说明施用油页岩半焦改善了土壤的紧实度，降低了土壤容重，显著提升土壤肥力水平，并且施用量越大土壤有机质含量增加越显著。可以预见，在对较为瘠薄土壤进行改良时，油页岩半焦生物炭能够作为一个有效的添加剂可在短期内实现土壤有机质含量的提升。土壤0～100 cm 土层土壤储水量显著提升，施用油页岩半焦较不施肥处理增加了18.85%～30.57%，其原因一方面与灌溉方式、灌溉量不同有关，同时也与作物生长时吸收水分有联系，还与生物炭施用后土壤容重发生变化有关，说明施用油页岩半焦生物炭后增加了土壤的持水力，显著提高了土壤的含水量；土壤速效养分含量与土壤当季施肥状况有很大关系，施肥后，土壤速效养分均有较大幅度提升。同时油页岩半焦生物炭也会对其产生较大影响，一般而言，随着生物炭含量增加，土壤速效养分含量提高。本试验中施入油页岩半焦生物炭后，土壤全氮较施肥但不施油页岩半焦的处理增加6.25%～20.83%，土壤全磷增加0～25.51%，土壤全钾增加0.92%～2.63%，土壤有机质增加24.29%～88.26%，土壤碱解氮增加-7.40%～14.21%，土壤速效磷增加-30.27～80.37%，土壤速效钾增加了-12.87%～115.07%。综上所述，说明增施油页岩半焦可以显著提升土壤肥力水平，提高土壤持水性能，同时明显改善了土壤理化性质，促进作物生长。

油页岩中含有作物所必需的营养物质，前人将油页岩用于多种作物中结果表明，增施油页岩可促进小麦、玉米、高粱、大豆等作物生长，提高作物产量［17， 20 - 21 ］。关冰等［22 ］研究结果表明，油页岩添加在风沙中能够促进花生生长发育，产量增高。李杰颖［20 ］添加油页岩废渣2 250 kg/hm2时能够促进玉米的生长，并且效果最好。张亚建等［23 ］通过将油页岩加入生物有机肥中，能够提高作物产量、明显改善品质。刘晔等［23 ］研究发现，施用一定量的油页岩废渣后将促进大豆生长发育，提高产量，但随着施用量的增加，增产效果会下降。本研究结果表明，玉米产量在一定的范围内随油页岩半焦施用量的增加而增高，当施用量过高时，群体的籽粒产量又降低。玉米最高产量在油页岩半焦投入量为60 t/hm2时取得，产量达到17 681.4 kg/hm2，相对于不施油页岩的处理，增产20.10%。这与关冰等［20 ］、李杰穎［21 ］、张亚建等［22 ］、刘晔等［23 ］的研究结果一致。

综上所述，施用一定范围的油页岩半焦生物炭可以明显改善土壤物理化学性状，促进作物生长，进而提高作物产量。

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