生物炭对黑土区大豆节水增产及土壤肥力影响研究

车艳朋，魏永霞,2,3(. 东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 50030；2. 农业部农业水资源高效利用重点实验室，哈尔滨 50030；3. 黑龙江省高校节水农业重点实验室，哈尔滨 50030)

0 引 言

黑土主要分布在我国东北地区，北起黑龙江省龙镇、嫩江，南至吉林省怀德、四平，是世界三大黑土区之一，总面积515.3万hm2，其中耕地面积385.0万hm2。黑土土层松软，土层厚度一般为30～70 cm，肥力较高，理化性能良好，有“土中之王”的美誉[1]。对我国的粮食生产，起重要作用。

东北黑土区，处于半干旱区，干旱频发，近些年来受自然及人为因素影响，水土流失严重，黑土结构遭到破坏，土壤肥力明显下降，作物产量降低。东北黑土区是我国重要大豆产区，大豆是喜肥喜水作物，受水肥环境影响，大豆产量及经济效益都偏低，严重制约着当地农民生活水平的提高。所以，寻求东北黑土区水土资源的可持续高效利用方法十分必要。

近些年来，东北很多地区雾霾严重，秸秆焚烧是造成雾霾的重要原因之一，寻找合理利用大量的秸秆资源的方法十分必要。生物炭是生物残体在高温(通常<700 ℃)缺氧情况下产生的一种化合物，属于黑炭的一种。有研究表明，生物炭可对土壤物理及化学性质产生积极影响。土壤物理性质方面，生物炭可影响团聚体稳定性，减少土壤抗拉强度，增加土壤孔隙度并提高持水能力；化学性质方面，可改良土壤pH，提高CEC和养分停留时间，固碳，增加养分供给，提高土壤酶活性。生物炭能显著提高番茄、小麦、高粱、萝卜、水稻和辣椒的产量[2-6]。但是，针对东北黑土区，却鲜有研究。也有一些研究报道显示，生物炭改土增产作用不显著、不明确，甚至有负面效应[7]。所以针对东北地区的特殊环境，国内外学者对生物炭的研究，并非全部适用。必须基于东北地区特有的气候、土壤、植物和人为活动等的前提下，在前人研究基础上对生物炭进行研究。

通过在黑土中施加不同比例的生物炭，研究大豆生长指标、产量及土壤肥力的差异，为生物炭在东北地区大豆生产上的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验地点位于东北典型黑土带黑龙江省北安市红星农场，海拔高程在272～310 m之间,属于中温带湿润大陆性季风气候，多年平均气温0.8 ℃，10 ℃的有效积温2254.5 ℃，日照时数为2 364.2 h，无霜期110～115 d，多年平均降雨量为535.6 mm，降雨集中在7-9月份。土壤肥沃，呈中性，以种植大豆、玉米为主。

1.2 试验材料

试验于2013-2014 年在北安红星农场遮雨棚中进行。供试土壤为取自北安红星农场试验示范基地的草甸黑土，土壤的基本性质：田间持水量35%，有机质质量比70.8 g/kg，碱解氮 109 mg/kg，速效钾145.7 mg/kg，有效磷35.9 mg/kg，pH值7.3；所用塑料桶规格为高33 cm，下底直径25 cm，桶口直径29 cm；供试作物为大豆，品种为大豆1778；供试生物炭由辽宁金和福农业开发有限公司生产提供,生物炭粒径 1.5～2.0 mm，pH 9.23，含氮1.53%、磷0.78%、钾1.68%。

1.3 试验方法

采用盆栽试验方法，分别将供试土壤与生物炭过2 mm筛，均匀混合后装入供试塑料桶，静置，7天后进行播种，每盆播种6粒，保苗3株。本实验土样分6个处理，处理1为对照(CK)，不添加生物炭；处理2(C10)为每千克干土添加10 g生物炭；处理3(C20)为每千克干土添加20 g生物炭；处理4(C30)为每千克干土添加30 g生物炭；处理5(C40)为每千克干土添加40 g生物炭；处理6(C50)为每千克干土添加50 g生物炭。每个处理3次重复。

大豆生育期内，每天17∶00使用电子天平测定蒸发量，以田间持水量的85%为供水上限，苗期以田间持水量的75%为供水下限，花期、结荚期、鼓粒期以田间持水量的70%为供水下限。用卷尺测量株高，游标卡尺测量茎粗，用长宽系数法计算大豆叶面积。采用重铬酸钾滴定法测定土壤有机质，采用点位法测定土壤pH值，铵态氮、速效钾和有效磷由STCY-3型土壤氮磷钾养分肥力测定仪在大豆苗期测取。

1.4 数据处理

试数据应用EXCEL软件进行原始数据处理并作图，采用SPSS17.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

如图1，通过分析可知，生物炭对植物的生长发育影响显著。施入适量生物炭可以有效提高大豆株高、茎粗和叶面积，有利于大豆生长发育；而施入过量生物炭，则对大豆的株高、茎粗以及叶面积起抑制作用，不利于大豆生长发育。

图1 生物炭对大豆生长的影响

2.1 生物炭对大豆生长指标的影响

在苗期，与CK相比，C10、C20、C30、C40和C50株高分别为对照的122%、118%、112%、108%和88%；茎粗分别为对照的118%、115%、112%、107%和81%；叶面积分别为对照的129%、112%、80%、72%和61%。生物炭处理C10对株高、茎粗、叶面积的促进作用最大，C10、C20、C30和C40对株高、茎粗起促进作用，且促进作用逐渐减小，C50起抑制作用，C10和C20对叶面积起促进作用，C30、C40和C50对叶面积起抑制作用，且抑制作用逐渐增加。

在花期，C10、C20、C30、C40和C50株高分别为对照的111%、116%、106%、82%和88%；茎粗分别为对照的121%、120%、109%、99%和75%；叶面积分别为对照的107%、126%、90%、58%和59%。生物炭处理C10、C20和C30对株高、茎粗起促进作用，C40、C50对株高、茎粗起抑制作用；处理C10、C20对叶面积起促进作用，C30、C40和C50起抑制作用。C20对株高、叶面积的促进作用最大，对茎粗的促进作用仅次于C10，且差别不显著，而C40、C50对株高茎粗、叶面积都有较强的抑制作用。

在结荚期，C10、C20、C30、C40和C50株高分别为对照的108%、114%、102%、80%和73%；茎粗分别为对照的106%、108%、102%、86%和71%；叶面积分别为对照的107%、129%、85%、62%和56%。生物炭处理C10、C20和C30对株高、茎粗起促进作用，且C20的促进作用最大，C40和C50对株高、茎粗起抑制作用；C10和C20对叶面积起促进作用，C30、C40和C50起抑制作用。

在鼓粒期，C10、C20、C30、C40和C50株高分别为对照的105%、111%、100%、78%和71%；茎粗分别为对照的104%、107%、99%、88%和72%；叶面积分别为对照的108%、145%、85%、70%和61%。生物炭处理C10和C20对株高、茎粗起促进作用，C40和C50起抑制作用，C30与对照相近；C10和C20对叶面积起促进作用，且C20的促进作用效果更显著，C30、C40和C50对叶面积起抑制作用，且抑制作用逐渐增加。

2.2 对产量、经济系数及水分利用效率的影响

从表1可知，生物炭处理C20的产量最高，C10及C30的增产作用显著，较大施炭量(C40、C50)处理则出现减产，C10、C20和C30分别增产9.2%、24.6%和7.7%，C40、C50分别减产18.5%、42.6%。；各施入生物炭处理百粒重均有所增加， C30处理百粒重最大，且与CK处理差别显著；与CK相比，C10、C20处理的干物质分别增加13.1%、15.8%，C30、C40、C50分别减少8.2%、36.7%、57.8%。各生物炭处理经济系数均高于对照，C30、C40处理经济系数最大，均为0.33。在大豆产量增加的情况下，C30处理经济系数最大。与CK相比，C10、C20和C30处理水分利用效率均提高，C20增幅最大，C40和C50处理水分利用效率降低。

表1 生物炭施用量对大豆产量及经济系数的影响

注：同列方差分析比较，不同处理间不同字母表示差异显著，p<0.05。下同。

2.3 对土壤pH值及养分含量影响

2.3.1对苗期土壤pH值的影响

由于生物炭本身呈碱性，施入中性土壤后，pH值必然增大，从图2可知，在大豆苗期，各处理随着生物炭使用量的增大，pH值增大。王京元等研究表明：土壤pH为7.0～7.9时最适合大豆生长发育[8]。从图1可知，在苗期，CK相比，处理C10、C20株高、茎粗、叶面积显著提高，而C50处理的株高、茎粗、叶面积则显著降低。C10、C20、C30、C40处理的PH值均在7.0～7.9这一最适合大豆苗期生长的范围内，而C50则高于7.9，不利于苗期大豆的生长，过高的pH值，是造成C50处理大豆在苗期发育不良的原因之一。因此，可以通过使用生物炭，控制土壤pH值，进而影响大豆苗期的生长发育。

2.3.2对土壤养分的影响

土壤有机质影响土壤保水性、通气状况和保肥性等[9,10]，从表2可知，与CK相比，各处理均不同程度提高了土壤有机质含量，增幅为5%～35%，各处理有机质随着施入生物炭含量的增加而增加，C10、C20、C30处理与对照无显著差异，C40、C50处理与对照差异显著。

图2 苗期土壤pH

土壤碱解氮是反应土壤供氮能力的重要指标，各生物炭处理均不同程度提高了土壤碱解氮含量，增幅为2%～36%，大小顺序为C50、C40、C30、C10和C20，与对照相比，C10、C20处理无显著差异，C30、C40和C50处理差异显著， C10、C20之间无显著差异。

土壤有效磷可以反映当前土壤可供磷的能力，与CK相比，各处理均不同程度提高了土壤有效磷含量，增幅为40%～225%，各处理有机质随着施入生物炭含量的增加而增加，与CK相比，均差异显著，C50处理有效磷含量最大。

表2 不同施肥处理对土壤养分含量的影响

速效钾是判断钾元素丰富程度的重要指标，与CK相比，各处理均不同程度提高了土壤速效钾含量，增幅为9%～201%，C50处理增幅最大。可见增加生物炭施入量可以明显增加土壤养分含量，且随着生物炭含量的增加，土壤养分呈增加趋势。

2.4 产量影响因素分析

学者们通过大量观测，普遍认为生物炭可提高土壤肥力及作物产量，通过相关分析，当生物炭含量不高于最优施炭量时，大豆产量与土壤有机质、有效磷、速效钾相关性均超过95%，而碱解氮只有28%，可见黑土区大豆产量与土壤有机质、有效磷、速效钾密切相关，但产量并不完全随土壤有机质、有效磷、速效钾含量提高而提高，可见施入生物炭改变了土壤其他性质，有研究表明，生物炭对土壤CEC、微生物、土壤水分等因素有关，具体机理仍有待研究。

3 讨 论

物炭由于本身属于碱性物质，可提高酸性土壤pH值，与古思玉和李培培等研究一致[11,12]。在苗期生物炭能显著提高番茄土壤的有机质、碱解氮、有效磷、速效钾[13]。在本实验中，施入较低生物炭可以较显著提高速效磷、速效钾的含量，对有机质、碱解氮影响不显著，本实验所选择土壤为黑土，与勾芒芒实验所用沙壤土基础费力相比，黑土有机质、碱解氮、有效磷和速效钾分别为沙壤土的1063%、224%、298%和99%，黑土有机质含量远大于沙壤土；黑土碱解氮及有效磷含量为沙壤土的2至3倍,C50处理有效磷的增幅285%,远大于碱解氮的增幅45%,可见生物炭对速效磷的提高幅度大于对碱解氮的提高幅度,造成了在本实验中,施入较低生物炭量时,对碱解氮的影响不显著。

Haefele等研究发现，在土壤肥力高的土壤中，生物炭对作物没有起到增产作用，甚至出现减产，在肥力较低的土壤中施用时，则使作物产量提高了16%～35%[14]，本试验选用的黑土肥力较高，生物炭浓度较高时出现了减产现象，生物炭浓度较低时增产11%～28%，与Haefele 等的研究成果相似。

张涵芝等[15]研究发现，生物炭在玉米初期，一定程度上抑制了玉米生长，但随着玉米的生长，抑制逐渐减少，本研究中，在苗期，C30处理大豆的生长受到抑制，随着大豆生长，抑制作用逐渐消失，苗期C10处理大豆生长优于其他处理，但是苗期最有利于大豆生长的并不是最有利于大豆全生育期生长的施炭量，高生物炭浓度对作物初期生长起抑制作用，与张涵芝等研究一致。

生物炭可提高土壤肥力，影响大豆产量，但并不是土壤肥力越高，大豆生长状况越好，产量越高，由此可见，土壤肥力是大豆产量的决定因素之一，有研究表明，生物炭还有降低土壤容重[16]、提高盐基饱和度[17]等，生物炭对黑土区大豆生长的影响机理，还需进一步研究。

4 结 语

(1)适量生物炭可提高大豆水分利用效率，过量生物炭降低了大豆水分利用效率。以C20处理的水分利用效率最高。

(2)随着生物炭施用量的增加，土壤pH值呈增加趋势。

(3)土壤中适量添加生物炭，对大豆生长具有明显地促进作用，施加过量则会抑制大豆的生长。与对照相比，C20处理株高、茎粗、叶面积增幅分别为11%～19%、7%～20%、13%～45%。过量生物炭抑制大豆生长，C50处理株高、茎粗和叶面积减幅分别为11%～29%、19%～29%和39%～44%。

(4)施入生物炭可提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量。随着生物炭施入量的增加，有增加趋势。与CK相比，C50处理的增幅为42%、45%、285%和363%。

(5)施加适量生物炭可提高大豆产量，施加过量则会降低大豆产量。C10、C20和C30增幅分别为11%、28%和11%；C40、C50减产幅度分别为20%、34%。

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[1] 全国土壤普查办公室.中国土种志(第二卷)[M].北京:中国农业出版社,1994:276-329.

[2] Zwieten L V, Kimber S, Morris S, et al. Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J]. Plant & Soil, 2010,327(1-2):235-246.

[3] Graber E R, Harel Y M, Kolton M, et al. Biochar impact on development and productivity of pepper and tomato grown in fertigated soilless media [J]. Plant Soil, 2010,337 (1/2):481-496.

[4] Hossain M K, Strezov V, Chan K Y, et al. Nelsona agronomic properties of wastewater sludge biochar and bioavailability of metals in production of cherry tomato (Lycopersicon Esclentum) [J]. Chemosphere, 2010,78(9):1 167-1 171.

[5] Noguera D, Rondón M, Laossi K R, et al. Contrasted effect of biochar and earthworms on rice growth and resource allocation in different soils[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2010,42(7):1 017-1 027.

[6] Major J, Rondon, Molina D, et al. Maize yield and nutrition during 4 years after biochar application to a colombian savanna oxisol [J]. Plant Soil, 2010,333(1/2):117-128.

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

[8] 王京元, 阎俊崎, 陈霞等. 土壤pH值对盆栽大豆幼苗的影响[J]. 江西农业学报, 2012,24(2):96-97.

[9] 王清奎 汪思龙, 冯宗炜等.土壤活性有机质及其与土壤质量的关系[J]. 生态学报, 2005,25(3):513-519.

[10] Williams A, Veneman P. Effect of Cultivation on Soil Organic Matter and Aggregate Stability[J]. Pedosphere, 2005,15(2):255-262.

[11] 古思玉, 李欣洁, 魏 丹,等. 生物炭对大豆根际土壤养分含量及微生物数量的影响[J],大豆科学, 2014,33(3):393-397.

[12] 李培培, 韩燕来, 金修宽,等. 生物炭对砂质潮土养分及玉米产量的影响[J].土壤通报, 2014,45(5):1 164-1 169.

[13] 勾芒芒, 屈忠义, 杨 晓,等. 生物炭对砂壤土节水保肥及番茄产量的影响研究[J]. 农业机械学报, 2014,45(1):137-142.

[14] Haefele S, Konboon Y, Wongboon W, et al. Effects and fate of biochar from rice residues in rice-based systems[J]. Field Crops Research, 2011,121(3):430-440.

[15] 张晗芝, 黄 云, 刘钢,等. 生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响[J]. 生态环境学报, 2010,19(11):2 713-2 717.

[16] Oguntunde P G, Abiodun B J, Ajayi A E, et al. Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana[J]. Journal of Plant Nutrition & Soil Science, 2008,171(4):591-596.

[17] Yuan J H, Xu R K. The amelioration effects of low temperature biochar generated from nine crop residues on an acidic Ultisol[J]. Soil Use & Management, 2010,27(1):110-115.