秸秆生物炭对潮土区小麦产量及土壤理化性质的影响
2018-07-06刘宇娟谢迎新贺德先马冬云王晨阳郭天财
刘宇娟，谢迎新，董 成，贺德先，马冬云，王晨阳，郭天财
(1.河南农业大学 农学院，国家小麦工程技术研究中心，河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450046)
生物炭是生物质在完全或部分缺氧环境下经热解产生的一种固态难溶物质[1]，其制备材料丰富，一般包括农、林业废弃物、水生生物、人类及动物排泄物、工业废弃物等有机废弃物[2]，具有含碳量高、比表面积大、吸附性强、养分含量高及碳稳定性强等特点[3]。因其独特的理化性质，近几年来备受国内外学者关注[4]，被认为是一项有效的土壤培肥和固碳减排措施[5]。中国是农业大国，农作物秸秆产量大、种类多，年产量约7亿 t[6]，但秸秆资源利用途径相对单一、利用率较低。若能将作物秸秆炭化还田，不失为一种有效的资源可持续利用途径。
土壤添加生物炭对作物产量的影响因施用量、施用方式、作物种类、土壤类型而存在差异。多数研究认为，在适宜的施用范围内，生物炭能够促进作物生长[7]，但影响幅度各有不同。Getachew等[8]在热带土壤上的研究发现，施用生物炭可增加玉米产量10.0%～29.0%。Li 等[9]研究发现，施用小麦秸秆生物炭可增加蔬菜产量2.1%～47.1%。花莉等[10]研究发现，与对照相比，添加4%生物炭处理显著增加黑麦草生物量68%。但也有研究报道，施用600 kg/hm2的生物炭能够促进烤烟增产，而施用900 kg/hm2的生物炭则会造成烤烟减产[11]。范龙等[12]研究指出，施用生物炭由于显著降低早稻千粒质量和收获指数，从而导致早稻减产。Madari等[13]试验结果表明，在生物炭施用的前3年，大豆产量随生物炭用量呈线性增加，但在第4，5年对大豆产量无影响。Carvalho等[14]研究发现，单一施用32 t/hm2生物炭对水稻产量并无显著性影响。
生物炭对作物的影响须依附土壤而实现，大量研究表明，生物炭施入土壤能够在不同用量尺度和时间跨度上改变土壤的理化性质[15]。李程等[16]研究发现，10 g/kg生物炭用量能够提升土壤碳库。刘会等[17]研究发现，施用生物炭可增加土壤中碱解氮、速效磷钾含量，提高氮肥利用率。王智慧等[18]研究报道，生物炭与肥料配施较单施肥处理可提高土壤有机质、全氮含量，提高玉米各生育期干物质质量。Tian等[19]研究也证实，生物炭在提高土壤肥力的同时可减少硝态氮的淋洗，促进棉花产量提高。但也有研究报道，生物炭对水稻生产土壤化学性质的有益影响会被土壤水分滞留能力的降低和作物的氮素吸收所抵消[14]。尽管生物炭有较大的孔隙度，但Getachew等[8]研究发现，施用生物炭对土壤容重并无影响。
潮土是我国黄淮海平原分布面积最大主要土壤，生物炭施用对华北潮土土壤肥力、作物产量均有积极显著影响，生物炭翻耕还田可显著降低砂质潮土容重，增加土壤水分[20]。但目前关于生物炭应用效果的报道多为短期试验结果，而关于生物炭在潮土上连续多年连续施用的应用效果由于缺乏长期观测，目前尚未得出明确结论。本研究结合当前研究热点，以黄淮海平原潮土农田为研究对象，拟通过对生物炭连续施用9季后对小麦产量以及土壤理化性质影响进行调查研究，以期为秸秆生物炭在华北平原潮土上的合理利用提供部分理论依据。
1 材料和方法
1.1 供试土壤及生物炭
试验于河南省封丘县中国科学院封丘农业生态实验站(35°00′ N，114°24′ E)内进行。该地区属半干旱、半湿润的暖温带季风气候，年平均气温13.9 ℃，无霜期在220 d左右，为典型的小麦-玉米轮作区。试验土壤类型为潮土，发育于黄河冲积物。试验开始前土壤耕层(0～20 cm)基本理化性质分别为：有机质11.2 g/kg，全氮0.79 g/kg，pH值8.30。试验所用生物炭由水稻秸秆通过基于沼气为热解能源的炭化炉在500 ℃条件下制备[21]，其基本理化性质分别为：有机碳537 g/kg，全氮10.3 g/kg，pH值10.5，灰分含量371 g/kg，全量K、Ca、Na、Mg分别为26.0，8.61，5.24，3.99 g/kg；Mehlich Ⅲ提取有效态P、K、Na、Ca、Mg含量分别为0.99，13.3，3.83，3.07，1.45 g/kg。
1.2 试验设计
试验于2011年10月开始，至2016年6月小麦收获时，已完成9个作物种植季(10月-次年6月为小麦季，6-9月为玉米季)。本试验为单因素随机区组试验，共设置4个不同用量生物炭处理，分别为每季0(BC0、设为对照)，2.25 (BC2.25，为秸秆全量炭化还田量)，6.75 (BC6.75)，11.25 t/hm2(BC11.25)生物炭施用量。4个处理均重复3次，12个小区随机排列，小区面积为16 m2，四周以水泥浇筑，以防小区间水肥互串。每季各小区N、P、K肥用量及施用方法同当地农民习惯一致，分别为N(普通尿素，含氮量46.4%)：240 kg/hm2、P2O5(重过磷酸钙，46.0%)：150 kg/hm2、K2O(硫酸钾，51%)：90 kg/hm2。P、K肥作为基肥在播种前一次性施入，N肥分2次施入，基追比为6∶4，在拔节期追肥，追肥方式为撒施+灌水。播种前将生物炭和基肥均匀撒于已平整的小区，经人工翻地与0～20 cm土壤混合。小麦供试品种为豫麦49-198，其他田间栽培管理措施同当地农田。
1.3 测定指标与方法
1.3.1 小麦籽粒产量、生物量及产量构成因素 小麦收获时将1 m双行单独收获进行考种分析，记录穗数、穗粒数和千粒质量。除去1 m双行其余按小区单打单收，所有小区籽粒风干后称其质量并通过计算含水量(80 ℃下烘干48 h)计算籽粒产量和生物量。
收获指数=籽粒产量(kg/hm2)/生物量(kg/hm2)×100。
1.3.2 土壤样品采集与分析 在小麦生长关键生育期(苗期、越冬期、拔节期、开花期和收获期)，采用5点采样法取各小区0～20 cm土壤土样均匀混合为该小区土壤样品，将采集的新鲜土壤样品迅速带回实验室，用于物理和化学性质分析。土壤硝态氮(NO3--N)含量用2 mol/L KCL溶液按照土水质量体积比1∶5，振荡1 h，提取液用紫外分光光度法在双波长(220，275 nm)下直接测定硝态氮浓度。收获期土壤样品，全氮(TN)经浓H2SO4-H2O2混合催化剂消煮后，采用半微量凯氏蒸馏法测定。土壤有机碳(TOC)采用重铬酸钾和硫酸亚铁消煮法测定。土壤容重(SBD，Soil bulk density)在作物收获后用环刀取耕层原状土样，烘干法测定。土壤质量含水量(Soil moisture content)在105 ℃下烘干至恒重计算得到。
土壤质量含水量=(湿土质量(g)-干土质量(g))/干土质量(g)×100;
土壤总孔隙度=1-(容重(g/cm3)/2.65(g/cm3))，2.65为土壤颗粒密度[22]。
1.4 数据分析
所有数据采用Microsoft Excel 2016软件进行处理、SPSS 19.0软件进行数据统计分析、Origin 8.0软件进行绘图。
2 结果与分析
2.1 施用生物炭对小麦产量的影响
由表1可知，生物炭短期施用(1季)和长期连续施用(9季)对小麦产量影响效果不同。其中，第1季小麦产量在4个处理间无显著性差异，生物炭施用9季后，相较于不施生物炭处理，3个生物炭处理均显著增加小麦产量。
第1季，与BC0相比，BC2.25、BC6.75和BC11.25处理对小麦籽粒产量和生物量均无显著性影响(P>0.05)，仅BC2.25处理小麦收获指数显著增加0.4个百分点。与第1季结果不同，第9季，相较于不施生物炭，BC2.25、BC6.75、BC11.25处理小麦籽粒产量分别显著增加24.5%，8.8%，9.1%(P<0.05)，小麦生物量显著增加18.8%，8.1%，6.1%(P<0.05)，但仅BC2.25处理收获指数显著增加2.1个百分点(P<0.05)。此结果表明，生物炭短期施用，对小麦籽粒产量和生物产量影响甚微，长期连续施用后，对小麦籽粒产量和生物量具有明显提升作用。
表1结果表明，生物炭短期和长期施用对小麦产量三要素的影响效应不同。与不施生物炭相比，3个生物炭处理在第1季和第9季对小麦千粒质量均无显著性影响。第1季，与对照相比，仅BC6.75处理显著增加小麦穗数14.8%、穗粒数8.9%，其余生物炭处理对小麦穗数和穗粒数均无显著性影响。
第9季，相较于对照，BC2.25、BC6.75、BC11.25处理分别显著增加穗数22.9%，31.4%，32.1%(P<0.05)，BC6.75处理显著增加穗粒数9.6%。此结果表明，生物炭提高小麦籽粒产量主要通过增加小麦穗数和穗粒数两因素来实现，且生物炭的短期或长期施用对小麦千粒质量均无显著性影响，对穗粒数影响随施用季节长短变化甚微，而随施用季节的延续，生物炭对小麦穗数的增加作用愈加明显。
表1 不同生物炭处理对小麦产量的影响Tab.1 Effects of different biochar treatments on yield of wheat
注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图1-3同。
Note：Different letters after values indicate significant difference among treatments atP<0.05 level. The same as Fig.1-3.
图1 生物炭长期施用对土壤耕层(0～20 cm)容重、含水量和总孔隙度的影响Fig.1 Effects of long-term biochar application on soil bulk density，soil moisture content and total porosity in topsoil (0-20 cm)
2.2 施用生物炭对土壤物理特性的影响
容重是土壤重要的物理参数之一，是鉴定土壤颗粒间排列紧实度和土壤质地的重要参数[23]，与土壤质量和作物生长密切相关。由图1-A可知，生物炭连续施用9季后，使土壤耕层容重降低，表现为BC11.25
土壤水是作物吸收水分的主要来源，生物炭作为一种土壤外物质，其施加影响着土壤的水分环境。图1-B结果显示，生物炭连续施用9季后，耕层质量含水量在4个处理间表现为BC11.25>BC6.75>BC2.25>BC0。与不施生物炭处理相比，BC2.25、BC6.75、BC11.25处理耕层土壤含水量分别显著增加8.9%，34.4%，42.2%(P<0.05)。
土壤孔隙度的大小关系着土壤的透水性、透气性、导热性和紧实度。由图1-C可知，生物炭连续施用9季后，相较于对照，BC6.75、BC11.25处理耕层土壤总孔隙度分别显著增加14.1%，26.0%(P<0.05)。
2.3 施用生物炭对土壤肥力的影响
土壤有机碳含量和有机质含量存在显著正相关关系，反映土壤长期固碳能力。由图2-A可知，土壤有机碳含量随生物炭施用季节的延续和用量的累积呈现明显的增加趋势。其中，生物炭施用初期(第1季)，3个生物炭处理与对照相比，对耕层有机碳含量并无显著性影响。至第9季，与对照相比，BC6.75和BC11.25处理耕层有机碳含量显著增加127.9%和179.6%(P<0.05)。此结果表明，生物炭在潮土上短期施用对耕层有机碳含量无影响，长期连续施用可显著增加有机碳含量。
对于耕种土壤来说，土壤全氮含量受施肥及耕作制度等的影响，生物炭作为外源土壤添加物，土壤全氮含量对生物炭施用时间长短的响应不同。由图2-B可知，与原始值相比，BC0处理全氮含量在生物炭施用1季和9季后，变化较小。而BC6.75和BC11.25处理全氮含量在生物炭施用9季后，增加显著。与不施生物炭相比，第9季，BC6.75和BC11.25处理分别显著增加耕层全氮含量25.4%和30.5%(P<0.05)。
图2 生物炭长期施用对土壤耕层(0～20 cm)有机碳和全氮含量的影响Fig.2 Effects of long-term biochar application on total organic carbon and total nitrogen content in topsoil (0-20 cm)
耕层土壤硝态氮含量可在一定程度上反映土壤的供氮能力。由图3-A可知，小麦生长期间，土壤耕层硝态氮含量呈现逐渐降低的趋势，最大值出现在苗期。生物炭施用初期(第1季)，小麦主要生育期，3个生物炭处理较对照虽小幅增加耕层硝态氮含量，但均未达到显著水平。此结果表明，生物炭的短期施加对潮土小麦生育期耕层硝态氮含量并无显著性影响。
图3 施用生物炭对小麦生育期耕层(0～20 cm)硝态氮含量的影响Fig.3 Effects of biochar application on NO3--N content during wheat growth stage in topsoil (0-20 cm)
与第1季结果不同，第9季，3个生物炭处理在小麦不同生育期对耕层硝态氮含量增加幅度不尽相同。由图3-B可知，苗期-成熟期，较不施生物炭处理，BC2.25处理对硝态氮含量均无显著性影响。BC6.75和BC11.25处理在整个小麦生育期，均不同程度增加硝态氮含量。苗期，BC11.25处理较对照硝态氮含量显著增加44.0%(P<0.05)。越冬期，BC6.75和BC11.25处理硝态氮含量分别显著增加126.2%和243.6%(P<0.05)。拔节期，BC6.75和BC11.25处理硝态氮含量分别显著增加128.7%(P<0.05)和118.5%。开花期，BC6.75处理较BC0处理硝态氮含量显著增加9.0%(P<0.05)。收获期，与不施生物炭相比，BC6.75和BC11.25处理硝态氮含量分别显著增加41.9%和30.4%(P<0.05)。此结果表明，长期连续施用6.75，11.25 t/hm2生物炭9季后，可增加潮土小麦生育期耕层土壤硝态氮含量。
3 结论与讨论
作物产量是农业生产的重中之重，小麦产量的高低对我国粮食安全具有重要意义。本研究结果表明，与不施生物炭相比，生物炭在连续施用9季后，3个生物炭处理均表现出增加小麦籽粒产量和地上部生物量的效果，其中以2.25 t/hm2施用量提升效果最佳。在相同试验地区土壤上，Niu等[22]研究同样表明，生物炭处理可增加小麦籽粒产量，这与高生物炭施用量提高了可供利用的营养物质有关。试验地所属的华北平原属于典型的潮土旱作区，水分一直是影响该地区作物生长的主要因素[23]。本研究中，连续9季的6.75，11.25 t/hm2生物炭用量能够显著提升土壤耕层含水量，此结果说明随着生物炭用量的累积和季节的延续，其对土壤水分具有积极的保持作用。同时，生物炭提升田间持水量和饱和导水率可能也是其增加小麦籽粒产量和秸秆产量的原因之一[24]。一般而言，土壤容重较低，透水透气性能更好，对于改善土体孔隙结构和孔隙内的空气、水分流通具有积极作用[25]。本研究结果表明，生物炭连续长期施入土壤后，土壤耕层容重降低，这与魏永霞等[26]在黑龙江地区的研究结果相似。从小麦产量构成三要素结果分析，本研究中生物炭提高小麦籽粒产量主要通过提高穗数和穗粒数2个因素实现，而对千粒质量无显著影响，其原因可能是生物炭能够提高耕层土壤水分含量，增加土壤通气性，进而促进水分、营养的吸收，提高小麦根系生长和根系活力，最终有利于小麦分蘖成穗和成穗结实率的提高[27-28]。
土壤是复杂的有机和无机复合体，硝态氮积累是各种因素综合作用的结果。土壤氮素供应对小麦生长至关重要，小麦苗期生长主要依赖耕层硝态氮养分供应[29]。本研究结果显示，第9季苗期，与对照相比，BC11.25处理显著增加耕层硝态氮含量，此阶段是小麦营养生长阶段。拔节期-抽穗期，小麦进入旺盛生长阶段，对氮素需求增加，致使土壤耕层硝态氮含量持续降低，在此阶段，BC6.75和BC11.25处理的硝态氮含量均高出对照，这可能暗示小麦在此生育时期，因生物炭的施用增加土壤硝态氮积累，减少氮素在土壤中的流失[30]，从而使添加生物炭处理的土壤持续保持相对较高的氮素供应水平。随小麦生育期的推进，收获后耕层硝态氮含量较生育初期大幅下降。周阳雪[31]的研究也验证了这一发现，相对于不添加生物炭的土壤而言，添加生物炭能显著提高春季对土壤氮素的固持能力及作物的氮素吸收能力，这可能是生物炭促进小麦生长，最终增加产量的原因之一。
本研究结果显示，生物炭连续施用9季后，显著增加耕层有机碳含量，可能是由于生物炭本身含碳量高且具有强稳定性，不易被微生物降解[32]，施用生物炭能显著提高土壤有机碳和速效钾含量，从而有效改善灰潮土土壤理化性质[23]。土壤全氮含量与土壤有机质含量存在显著的正相关关系[33]，本研究发现，生物炭连续施用9季后，与不施生物炭土壤相比，耕层全氮含量在6.75～11.25 t/hm2的生物炭施用范围内显著增加，与刘术均等[34]研究结果相似。但值得引起注意的是，在生物炭施用9季后，BC6.75和BC11.25处理显著提高土壤肥力因子的前提下，BC6.75和BC11.25处理的小麦籽粒产量和生物量均显著低于BC2.25处理，这可能暗示产量与秸秆源生物炭用量之间并无线性关系，但是大田尺度的生物炭施用阈值还并未可知。推测其原因可能是在本地区外源氮肥长期供应充足(240 kg/hm2)的前提下，因生物炭添加提升的小麦根域更多的矿质氮营养并不能被小麦完全吸收，且长期大量施用生物炭造成土壤氮素固定[35]，同时可能与生物炭因带入易分解的碳组分而易引起微生物夺氮有关[36]。
本试验BC2.25处理下的生物炭施用量为此区域秸秆全量炭化还田量，长期施用后能够提升小麦产量和生物量，而BC6.75和BC11.25处理尽管较对照也显著提升土壤肥力和产量，但从生物炭制备成本和农田投入成本(1 800～2 400元/t)角度出发，高量的生物炭投入并未在此地区带来更高的产量回报。作物秸秆资源可持续利用是农业可持续发展的重要课题之一，综合考虑华北平原潮土小麦产量和土壤理化性质对生物炭在连续施用9季后的响应效果，认为当前秸秆源生物炭在华北平原潮土区的适宜施用量为2.25 t/hm2。
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