生物炭提高花生干物质与养分利用的优势研究

徐晓楠，陈 坤，冯小杰，彭 靖，潘全良，王 月，李 娜，韩晓日，战秀梅

（沈阳农业大学土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110866）

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧和相对“较低”温度 (＜ 700℃) 条件下热解得到的炭质[1]。具有含碳量丰富、比表面积大、负电荷基团和碱性物质含量高等优点[2–3]，对提高土壤孔隙度，增强土壤保水保肥能力，增加有机质含量等土壤理化性质起重要作用，具有广泛的农业应用价值和环境效应[4]。而炭基肥是将生物质炭作为基本载体与化学肥料混合或复合造粒制成的一种新型缓释肥料[5]。近年来，有关生物炭和炭基肥在改善土壤肥力、提高作物产量方面有诸多报道，Lehmann等[6]早在2006年就发现热解后的生物炭还田相较于原始木质材料直接还田具有更强的固碳、贮存养分、提高土壤肥力的能力；Agegnehu等[7]在2017年对热带土壤的最新研究发现，相比单施化肥处理，不同用量 (2.5、10、25 t/hm2) 的生物炭施用均可显著提高土壤有机碳含量、含水量和阳离子交换量，提高养分的有效性，促进花生产量的大幅度提高。随着研究的深入，有学者逐渐开展生物炭大田连续定位试验，进一步验证生物炭的施用效果。Liu等[8]于2016年在对浙江典型冷渍型稻田连续两年施入等碳量 (C 4.5 t/hm2) 不同原料的生物炭的结果显示，与对照处理相比，稻草碳能显著提高土壤pH和有机碳含量，增强磷、钾的利用效率。作物的养分吸收能力提高13.6%～16.4%，产量提高8.5%～10.7%；Griffin等[9]通过连续4年的生物炭大田定位试验研究发现，施入胡桃壳生物炭第二年玉米产量比施化肥和粪肥处理增加8%，并提高了土壤中K+、PO43–和 Ca2+交换量。炭基肥作为生物炭农用的重要手段的相关试验效果也逐渐得到验证。施六八[10]的结果表明，施用炭基复合肥的大棚萝卜出苗率为86.7% ～88.3%，较施常规复合肥提高2% ～3%以上。虽然近年来相关学者对生物炭进行了大量的研究工作，也取得了较多的成果，但大部分研究还处于起步阶段，研究内容较为繁杂，针对一种生物炭的长期施用效果的研究较少，特别是有关生物炭及炭基肥在影响花生养分吸收利用、分配等增产机制上的研究较少，且目前针对生物炭的研究仅是简单地与不施肥或单施化肥处理作对比，对生物炭与传统有机物料之间的对比研究较少，不能更好地揭示生物炭本身的增产机制。本研究依托沈阳农业大学于2009年设置的生物炭棕壤改土定位试验，以传统有机物料 (秸秆和猪厩肥) 培肥土壤方式作为对照，探究生物炭及以生物炭为基质的炭基肥连续8年长期定位施用下的花生养分积累分配特征和增产机制，为生物炭高效施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间微区试验位于沈阳农业大学国家花生产业技术体系土壤肥料长期定位试验基地 (40°48′N，123°33′E)，属温带湿润–半湿润季风气候 (春季干旱，6～8月份湿润)，年平均气温7.0～8.1℃，年平均降水量为574～684 mm。土壤类型为砂质粘壤土，试验前砂粒含量510 g/kg，粉粒含量280 g/kg，粘粒 (＜ 2 μm) 含量 210 g/kg，土质较粘。

1.2 试验设计

定位试验开始于2009年，试验设4个处理：1)秸秆还田4500 kg/hm2+ NPK (CS)；2) 猪厩肥4000 kg/hm2+ NPK (PMC)；3) 生物炭 1500 kg/hm2+ NPK(BIO)；4) 炭基花生专用肥 (10–13–13) 750 kg/hm2(BF)。化肥种类为尿素 (N 46%)、过磷酸钙 (P2O516%) 和硫酸钾 (K2O 50%)；所有处理氮、磷、钾的总投入量均相等，即N、P2O5、K2O用量分别为75、97.5、97.5 kg/hm2；BIO处理和CS处理的有机物料一直依照试验布置之初设定量施用，PMC处理由于自身养分含量较高，施用量较往年适当减少。氮磷钾化肥用量的确定是在总养分用量基础上扣除每年有机物料中的氮磷钾量。生物炭 (辽宁省金和福农业开发有限公司提供) 为玉米芯450℃裂解并过80～100目筛后造粒；秸秆粉碎至2～3 cm长，秸秆和猪厩肥为干基重量。每年于播前将各有机物料、肥料均匀施在0—20 cm土层。本试验设3次重复，完全随机区组排列。试验的播种方式为大垄双行，株距11 cm左右，每穴3株。供试花生品种为‘阜花12号’。

1.3 样品采集及测定方法

各处理分别于2016年苗期、开花下针期、结荚期、饱果成熟期分茎叶、根、荚果采取植物样本，于105℃杀青，80℃烘干至恒重后称取干物质重并粉碎，备用。收获时取全微区共计2 m2计产、考种。

植物样品经H2SO4–H2O2消煮后，用凯氏定氮仪测定全氮，钒钼黄比色法测定全磷，火焰光度法测定全钾。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010整理数据；用SPSS 19.0对数据进行单因素方差分析和Duncan法显著性检验，显著水平为P＜ 0.05。各指标的计算方法[26]如下：

荚果氮 (磷、钾) 积累分配系数 (DI) = 荚果氮(磷、钾) 积累量/总氮 (磷、钾) 积累量 × 100%。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下花生干物质的积累分配特征

2.1.1 各生育期的干物质积累 由表1可以看出，各生育时期的干物质积累量变化明显，苗期积累量最低，所占比例仅为4.3%～6.9%，开花下针期以后积累量迅速增加，至结荚期时BF和PMC处理的干物质量达到最大值，分别为4529.5 kg/hm2和4878.5 kg/hm2，BIO和CS处理的积累量则在饱果成熟期时增加至6295.0 kg/hm2和4026.5 kg/hm2，在各时期中所占比例最高。各处理间的干物质积累量对比差异显著，BIO处理的积累量保持着持续较高的增长，特别是到饱果成熟期时达到最大值，并显著大于其它处理；BF处理在结荚期以前均保持较大的积累量，在饱果成熟期时，则与对照处理没有明显差异；CS处理从苗期到开花下针期的积累量增加速度最快，达到3041.6 kg/hm2，高于同时期其它处理，但在结荚期有所减小；PMC处理在苗期和结荚期的积累量均为最大，然而在另外两个时期却较小。

表 1 不同施肥处理下花生主要生育期的干物质积累量及其在总量中的比例Table 1 Dry matter accumulation (DMA) in main periods of peanut and their ratios in total under different treatments

2.1.2 中、后期的干物质分配 由表2可知，在结荚期以前，干物质主要在茎叶中进行积累，并随生育时期的推进逐渐降低，从开花下针期占比79.2% ～84.8%降至饱果成熟期的29.1%～35.8%；荚果的干物质积累趋势与茎叶正好相反，从开花下针期占比2.7%～7.1%增长至58.1%～61.7%；根的干物质积累占比则不断降低。各处理间干物质在不同器官中的分配有一定的差异，BIO处理的茎叶占比均较高，各时期依次为83.5%、64.9%和34.5%，与对照处理(CS和PMC) 相比，除开花下针期与PMC处理无明显差异之外，在其它生育期均有显著提高；而BF处理仅在饱果成熟期时相较CS和PMC处理有显著提高。各处理间干物质在荚果的分配整体与茎叶分配情况相反，BIO和BF处理相对较低，但BF处理在开花下针期有显著提高，分配占比为7.1%。

2.2 不同施肥处理下花生的氮、磷、钾养分积累分配特征

2.2.1 花生氮素的积累分配 由表3可知，除PMC处理外，花生整株的氮素积累总量随生育时期的推进不断增加，其中BIO处理增加效果更为明显，到饱果成熟期时达到236.4 kg/hm2，显著高于其它处理，此时期BF处理相比对照处理差异不明显。茎叶和根作为花生的营养器官，对花生的生长发育和产量的形成有重要影响，各处理在饱果成熟期积累分配量出现显著差异，BIO处理的茎叶分配量为29.8 kg/hm2，显著高于其它三个处理，根的分配量则以CS处理最高，BIO和BF处理较低，但均高于PMC处理。荚果作为花生生长的最终产物，其养分吸收积累和分配情况直接影响花生的生产效率。在花针期，BF处理的氮素积累量分别高出CS和PMC处理3.1 kg/hm2和5.9 kg/hm2，BIO处理相对较低。结荚期以后，荚果氮素积累量迅速增加，但各处理间差异不显著。到饱果成熟期时，BIO处理以196.5 kg/hm2的积累量迅速超越并远高于其它几个处理。从荚果的分配系数来看，花针期的花生氮素主要在茎叶和根系中积累，荚果中的分配系数较小。结荚期的荚果正处于膨大阶段，分配系数增大，但BIO处理仅有0.27，低于其他处理。饱果成熟期的荚果分配系数进一步增加，均为0.83以上，PMC和CS处理高于其他两个处理。

2.2.2 花生磷素的积累分配 由表4可知，随着生育时期的推进，各施肥处理的整株磷积累量整体上呈增加的趋势，特别是BIO处理至饱果成熟期时达到了21.7 kg/hm2，显著高于其它处理，生育前期，各处理整株积累量没有明显差异，至结荚期时，呈现出一定的差异，PMC处理最高，但与BIO和BF处理相比优势不明显，相较于CS处理则有显著提高。从茎叶的磷素积累情况看，BIO处理在各个时期的积累量均较高，虽然至饱果成熟期时出现了明显的下降，仅有1.5 kg/hm2，但显著高于其他处理，结荚期的CS处理为4.3 kg/hm2，与其他处理相比显著降低。荚果的磷素积累从花针期开始，此时期BF处理相比对照处理显著提高，至饱果成熟期则没有明显差异，而BIO处理在此时期则最高。从磷素在不同时期各器官的分配情况来看，结荚期以前，磷素积累量主要在营养器官茎叶和根中进行分配，其中花针期的分配系数在0.87～0.96之间。此后，荚果的磷素积累分配量快速上升，至饱果成熟期荚果分配系数最高达到0.92。

表 2 不同处理花生中后期干物质在茎叶、根和荚果中的分配 (%)Table 2 Distribution of dry matter in stem-leaf, root and pod at middle and late stage of peanut under different treatments

表 3 不同生育时期花生各器官氮素积累量及荚果氮素分配系数Table 3 N accumulation in different organs and N distribution index in pods at the main growing stages of peanut

2.2.3 花生钾素的积累分配 由表5可知，花生的钾素积累量在不同的施肥处理下有显著差异，并随生育时期的推进不断变化。从整株的积累量来看，BIO处理在各时期的积累量均有较大提高，BF处理在苗期和结荚期显著高于CS处理，在花针期和饱果期则高于PMC处理，总体上呈现为BIO ＞ BF ＞ PMC ＞CS。从茎叶的积累情况看，苗期BIO和BF处理仅比CS处理高，花针期和结荚期BIO仍保持较高，而BF处理与这两个处理相比差异不显著，至饱果成熟期积累量较之又有所提高，但不及BIO处理。荚果的钾积累量在花针期后迅速增大，BIO处理的积累量增加到最大的40.2 kg/hm2，CS处理的荚果积累量较少。从钾素的分配情况看，结荚期以前主要分布在花生的营养器官中，各处理中茎叶的最高分配系数为0.98，茎叶的分配量显著大于根系的分配量。荚果的分配系数随生育时期的推进不断增大，在花针期和结荚期，BF处理的分配系数显著高于其它处理；在饱果成熟期，CS和PMC处理的分配系数分别达到0.73和0.67，显著高于BIO和BF处理。

表 4 不同生育时期花生各器官磷素积累与荚果磷素分配系数Table 4 P accumulation in different organs and P distribution index in pods at the main growing stages of peanut

2.3 不同施肥处理下的花生产量

由表6可知，BIO处理的产量最高，达到7231.7 kg/hm2，显著高于其它处理，而BF和PMC处理的产量分别为5962.0 kg/hm2和6063.4 kg/hm2，CS处理最低，仅为5623.9 kg/hm2。由此可见，相较于传统有机物料，添加生物炭处理可显著提高花生产量，BF处理的产量虽然与PMC处理无明显差异，但仍显著高于CS处理。百果重、百仁重和出仁率是构成产量的重要因素，BF和BIO处理的百果重明显高于其它两个处理，百仁重表现为BF 、BIO ＞CS ＞ PMC，而出仁率则以PMC处理更有优势。

3 讨论

作物高产是以较高生物量为前提的，说明作物生物量与产量有密切关系[11]，即干物质积累越多，荚果产量也就越高[12]。本研究发现，BIO和BF处理能保证花生有持续较高的干物质积累量，特别是BIO处理在饱果成熟期的积累量达到6294.68 kg/hm2；BF处理在结荚期的干物质积累量达到最大值，虽然在饱果成熟期时有所下降，但仍然较高，有效保证了作物的高产。有研究表明，花生产量形成期的干物质占总干物质重的60%以上[13]，特别是果针入土24～54 d是干物质积累的关键时期[14]。张娜等[15]通过对夏玉米生长研究表明，生物炭 (1000 kg/hm2) 的施用相较于不施生物炭处理更有利于干物质的积累和后期叶片光合性能的维持，籽粒产量提高8.8%。干物质在各个器官的分配随生长发育中心转移而变化，进入开花下针期以后，花生的营养生长和生殖生长同时进行，作为营养器官的茎叶干物

质积累分配量达到最大值，并随生育时期推进逐渐向荚果中进行分配[16]，BF和BIO处理在花生生长的中、后期保持着较高的茎叶干物质量分配比例，特别是在饱果成熟期的茎叶占比分别达到35.8%和34.5%，显著高于其他两个处理。有效延缓了花生的衰老，保持了较高的叶源性能，促进荚果库容的增大。由于生物炭表面大量的负电荷使其具有较高的阳离子交换量，能提高土壤对养分的吸附作用[17]，保持土壤养分离子[15]，对养分的释放具有一定的缓释效果。本试验的前期研究结果也显示，连续6年施用生物炭可显著提高花生各生育时期的土壤蔗糖酶活性，提高生育后期的土壤可溶性有机碳含量，促进花生后期的生长。干物质的积累和分配特性显著影响花生的产量，BIO处理以其较高的生育后期干物质积累量和茎叶干物质分配量，使产量高达7232.0 kg/hm2，有效保证了花生的高产。而炭基肥由于含碳量较低等缘故，在生育后期的可溶性有机碳含量较低，对过氧化氢酶和蔗糖酶活性抑制作用明显[17]，生长发育动力不足，干物质积累量有所下降，从而导致花生产量仅为5962.0 kg/hm2，显著低于BIO处理。秸秆直接还田以后，微生物进行分解的同时要消耗大量的氮素[18]，导致花生生长前期的“启动氮”不足，影响干物量的积累，致使在苗期的干物质积累量仅有500.5 kg/hm2，低于其它处理。花生生长后期，由于作物的吸收利用，速效氮含量降低，减缓了抑制作用，脲酶分解物料或者土壤中有机氮活性增强，秸秆腐解过程中高分子化合物参与腐殖化作用，形成土壤有机胶体，另外有机物可以结合土壤酶，对其起到保护作用[19]，促进花生的后期生长，干物质积累量增加至饱果成熟期的4026.5 kg/hm2，但由于前期养分消耗过多，干物质积累量不足，导致产量较低，仅有5623.9 kg/hm2，为各处理最低。猪厩肥不仅含有氮、磷、钾元素，还有大量的氨基酸、水解酶等[20]，能显著提高土壤微生物种群数量多样性和土壤酶活性[21]。但大量的微生物活动自身也会损耗一定量的养分，导致花生后期生长缺乏动力，逐渐进入衰老阶段，光合器官老化，干物质大量向荚果中进行分配转移。花后的干物质分配比例与花后干物质积累量呈相反趋势[22]。PMC处理凭借生育前期良好的干物质积累量和中、后期较大的干物质荚果分配量保证了花生一定程度的高产，达到6063.4 kg/hm2，但仍不及BIO处理。

表 5 不同生育时期花生各器官钾素积累与荚果钾素分配系数Table 5 K accumulation in different organs and K distribution index in pods at the main growing stages of peanut

表 6 不同处理花生荚果产量及构成因素Table 6 Yield and yield component of peanut under different treatments

氮、磷、钾是作物生长发育所必需的三大营养元素，是干物质量积累的基础[23]，花生养分积累分配的变化对干物质有较大影响。大量研究表明，施肥可以调整氮、磷、钾在作物体内的积累与分配来影响产量的形成[24]。本试验条件下，不同生育时期的氮磷钾积累总量均表现为氮 ＞ 磷 ＞ 钾。房增国等[25]研究表明，不同生长时期的花生对氮素的吸收积累量明显高于磷、钾，本研究也证实了这一点。不同生育时期的氮、磷、钾整株积累量整体呈上升趋势，苗期花生的养分积累量较低，到开花下针期以后，养分积累量迅速增加，该阶段花生处在发棵长叶和开花结果最旺盛的时期，也是营养器官和生殖器官并行生长阶段，对养分需求量增大。饱果成熟期的花生主要以生殖生长为主，茎叶生长逐渐停滞，养分逐渐向荚果进行转移，茎叶的氮、磷、钾积累量平均减少至 77.1 kg/hm2、4.1 kg/hm2、69.5 kg/hm2，较结荚期分别减少71.7%、81.8%、52.1%。到饱果成熟期时，氮、磷、钾的荚果分配系数平均达到84.8%、90.2%、61.2%。

不同施肥处理对氮、磷、钾的积累分配情况也明显不同，BIO处理的氮、磷、钾积累总量分别为429.5 kg/hm2、39.8 kg/hm2和 206.1 kg/hm2，显著高于其它处理，BF和PMC处理的积累量没有明显差别，但高于CS处理。表明生物炭配施化肥可以明显提高花生氮磷钾养分的积累量，对养分的吸收能力较强。研究发现，生物炭所具有的良好的结构和性质基础，使其可以对土壤水肥气热等环境产生重要影响[26]，施入土壤后形成炭层起到蓄热能力，增加土温，促进花生的出苗和前期生长[26–27]，提高对养分的吸持量，延缓养分的释放，长期施用还可以有效降低土壤pH[28]。生物炭的施用进一步增强了作物的生理功能，促进作物对氮磷钾养分的吸收和积累。张伟明等[26]以东北地区广泛存在的主要农作物废弃物(玉米秸秆、花生壳、玉米芯、稻秆) 为原料制备的生物炭施用研究发现，生物炭配施化肥可以提高花生饱果成熟期的氮磷钾积累量，这与本研究结果一致。BIO处理下的花生以其高的养分吸收积累量，特别是生育后期仍能保持较强的生理功能为干物质的高积累量打下良好的基础。高海英等[29]研究发现，施用竹炭基氮肥和木炭基氮肥均可显著促进小麦、糜子的生长和增产，延长肥料养分在土壤中的存留期，减少养分淋失。本试验中，相较于BIO处理，炭基肥的含碳量低影响了对养分的吸收积累。秸秆作为传统的有机物料研究和应用比较广泛，但秸秆的施入会提高土壤C/N比，与作物争夺养分，不利于土壤速效养分的积累[18]，影响养分的吸收和在作物中的积累。不同施肥处理荚果的养分分配系数也不同，生物炭配施化肥和BF处理的荚果氮钾分配系数较低，磷分配系数各处理间无显著差别。生长前期养分主要在茎叶中积累，进行营养器官的生长，CS和PMC处理的积累量较低。这可能是由于施入土壤中的秸秆在分解过程中微生物对无机氮的竞争作用和腐熟的猪厩肥中大量微生物的消耗。氮磷钾养分在不同处理间积累与分配的差异也是造成干物质积累分配变化的重要原因，BF处理由于含碳量低等原因对养分的缓释效果有限，后期养分释放较少，干物质积累量降低；而CS处理下的高碳氮比造成与作物争夺养分，影响作物养分的吸收积累，从而对干物质积累量影响较大；PMC处理大量的微生物活动能较高地利用土壤养分，但自身的养分消耗对土壤养分含量也会造成一定影响，使花生对养分的吸收积累产生影响，也造成了干物质积累分配的差异。

4 结论

1) 生物炭直接与氮磷钾化肥配合施用，可有效提高花生各生育时期尤其是饱果成熟期的干物质和养分的积累量，在生育后期保持较高的干物质和养分的茎叶分配比例，进而提高花生的产量，是花生土壤培肥的重要手段和高产栽培措施之一。

2) 以生物炭为基础生产的炭基复合肥能显著提高花生生长发育前期的干物质和养分积累量，在结荚期以前保持了良好的荚果积累和分配特性，但由于炭的总投入不足，导致花生产量显著低于生物炭直接与氮磷钾化肥配合施用。

3) 在等氮磷钾养分投入量下，炭基肥与猪厩肥的效果相当，较秸秆还田对花生干物质和养分积累分配及产量都有明显优势。炭基花生专用肥作为生物炭简化施用的重要方式，施肥过程省工省时，劳动效率提高，因此在花生土壤培肥及生产上具有较好的应用前景。

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