潮土长期施用生物炭提高小麦产量及氮素利用率

谢迎新，刘宇娟，张伟纳，董 成，赵 旭，贺德先， 王晨阳，郭天财，王慎强



潮土长期施用生物炭提高小麦产量及氮素利用率

谢迎新1，刘宇娟1，张伟纳1，董 成1，赵 旭2※，贺德先1， 王晨阳1，郭天财1，王慎强2

（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，郑州 450046；2. 中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008）

该文于2011年起在黄淮海典型潮土区建立的秸秆炭化还田定位试验的基础上，系统观测了2011至2017年时间段秸秆生物炭连续施用下小麦生长及氮吸收情况，分析了产量构成因素，地上干物质及氮累积，关键生育期叶面积指数（LAI）、叶绿素相对含量（SPAD值）和群体数量等与小麦增产的关系，并监测了长期生物炭施用下土壤有机碳（SOC）与全氮（TN）含量的变化。该试验采用小麦/玉米周年轮作，设每季0、2.25、6.75和11.25 t/hm2四个秸秆生物炭处理（分别表示为BC0（对照）、BC2.25（低）、BC6.75（中）和BC11.25（高））。结果表明，与BC0相比，BC2.25仅在2015/2016季提高小麦产量，对其他5季无明显效果；BC6.75则在2014/2015、2015/2016和2016/2017的后3季显著提高小麦产量；而BC11.25提高了2014/2015和2015/2016季小麦产量。尽管生物炭处理对各季小麦产量影响各异，但6季各处理平均产量数据显示低、中、高量生物炭处理均可提高小麦产量7.0%～8.5%、生物量5.2%～10.8%和氮肥偏生产力6.8%～8.6%，且3个处理间并无差异；中、高量生物炭处理还可提高小麦秸秆产量11.4%～12.6%、穗数10.1%～11.2%、籽粒氮积累量9.4%～11.2%、秸秆氮积累量17.4%～23.8%、地上部氮积累量13.3%～20.9%。生物炭施用在促进小麦生长和氮吸收利用的作用方面与其增加小麦生育期LAI和SPAD值一致，具体表现为低、中、高量生物炭处理均可明显增加2015/2016和2016/2017两季小麦主要生育期群体数量以及增加两季拔节期、抽穗期SPAD值和LAI值。3个生物炭处理对提高2011/2012土壤SOC含量和2011—2014年土壤TN含量无明显效果，中、高量生物炭处理可增加2012—2017年土壤SOC含量32.6%～215.6%和2014—2017年土壤TN含量20.0%～36.8%。研究表明，合理施用生物炭能够促进黄淮区潮土农田冬小麦籽粒产量和氮肥偏生产力以及促进小麦生长和地上部氮素吸收，进而起到提高土壤肥力和增加土壤固碳的作用。

氮；生物炭；潮土；冬小麦；籽粒产量

0 引 言

生物炭是一种生物质原料经气化或热裂解转化而来的含碳量高达60%以上[1]的固态难溶物质[2]，具有较大的比表面积和孔隙度[3]，一般呈碱性。施用生物炭能够显著改善土壤肥力，如降低酸性土壤的作物铝毒害[4]，改善土壤耕层结构、降低土壤容重[5]以及增大土壤孔隙度等。王艳阳等[6]在黑龙江黑土区的研究表明，添加生物炭可提高土壤饱和导水率14.3%～52.4%，促进作物生长并且减少地表径流和水土流失。张燕辉[7]连续4年施用生物炭的试验结果表明，土壤pH、全碳、全氮含量随着生物炭用量的增加而升高。另有研究报道，生物炭具有改善农田生态环境的效果，尤其在土壤固碳和温室气体减排方面发挥着重要作用[8-9]。李露等[10]研究报道，20、40 t/hm2的生物炭施用量均可降低稻麦轮作系统中CH4和N2O的排放。Warnock等[11]研究表明，施用生物炭可减少土壤硝化细菌和反硝化细菌的可用氮源，进而改变农田生态系统的氮循环，减少N2O的排放。

受制备生物炭的材料、生物炭施用量、生物炭施用年限以及土壤条件的影响，作物生长和产量对生物炭施用的响应效果不尽相同。叶英新[12]试验结果表明，与不施生物炭相比，20和40 t/hm2的生物炭在施用2 a后，对小麦和玉米的籽粒产量均无显著影响。Kerré等[13]研究表明，在施用生物炭的肥沃土壤上的玉米产量较相邻常规耕作土壤地块的玉米产量3 a平均增加23%。当前关于生物炭的报道多集中在其影响作物产量及固碳减排方面，而在黄淮海潮土农田多年连续施用生物炭对小麦产量及其生理机制方面的研究报道相对较少，缺乏长期的田间监测。鉴于上述，本文通过连续6 a小麦/玉米轮作种植下生物炭施用对冬小麦生长、产量、地上部干物质积累、氮素吸收利用及土壤有机碳和全氮含量影响的研究，探究生物炭施用影响小麦产量和氮素吸收的生理机制，以期为黄淮海潮土农田秸秆炭化还田可行性评估提供一定科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及生物炭

试验地位于河南省封丘县潘店乡中国科学院封丘农业生态实验站（35°00' N, 114°24' E），该站位于黄淮海平原中部，属暖温带大陆性季风气候，年均气温13.5～14.5 ℃，无霜期214 d，年均蒸发量1 860 mm，年均降水量625 mm，是典型的小麦/玉米轮作区。试验地耕层（0～20 cm）土壤质地为砂质潮土，土壤基础养分为有机质11.2 g/kg、全氮0.79 g/kg、有效磷10.5 mg/kg、速效钾92.1 mg/kg、pH值8.30。生物炭为水稻秸秆在500 ℃条件下，以沼气为能源的炭化炉下热解制备[14]，全碳含量为514.8 g/kg、全氮含量为10.3 g/kg、有效磷1.71 g/kg、速效钾49.2 mg/kg、灰分含量为37.1%，pH值10.5。

1.2 试验设计

试验于2011年10月开始，至2017年6月，已完成6 a小麦/玉米轮作种植。生物炭在农田的施用量目前并无统一标准。通常，中国小麦玉米秸秆每季产量约为7.5 t/hm2，如将每季秸秆在下季作物开始前全部炭化还田，按照秸秆炭化率30%计算得到的生物炭（500 ℃，8 h）还田量为2.25 t/hm2[15]。因此，本研究从秸秆炭化还田的角度出发，围绕每季秸秆全部炭化后还田的量（2.25 t/hm2）设置不施生物炭（对照0 t/hm2，BC0）、低量（秸秆全量炭化还田2.25 t/hm2，BC2.25）、中量（3倍量秸秆炭化还田6.75 t/hm2，BC6.75）和高量（5倍量秸秆炭化还田11.25 t/hm2，BC11.25）4个处理。各处理重复3次，随机排列，小区面积16 m2（4 m×4 m）。在小区四周水泥浇筑以防止小区间水肥互串。各小区N、P、K肥全生育期施用量保持一致，分别为N（常规尿素，含氮量46%）240 kg/hm2、P2O5（重过磷酸钙，P2O544%）150 kg/hm2和K2O（硫酸钾，K2O 50%）90 kg/hm2。P、K肥作为基肥在播种前随翻地一次性施用，N肥按照6∶4比例分别作为基肥和小麦拔节期追肥施用。生物炭与肥料在播种前均匀撒施在每个小区内，经人工翻地与耕层土壤（0～20 cm）充分混合。其他栽培管理措施同当地农田。

1.3 测定指标及计算方法

1.3.1 小麦籽粒产量及构成因素

成熟期整个小区小麦单打单收全部收获，充分风干后称质量，并测定含水量（105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量）计算籽粒产量、秸秆产量和生物量。并调查1 m双行（在小麦三叶期选取各处理均匀一致1 m双行作为定苗样点）计算单位面积成穗数，取20株小麦植株进行考种，记录穗粒数和千粒质量。

1.3.2 叶绿素相对含量（SPAD值）及叶面积指数（LAI）

在小麦越冬期和拔节期，于上午8:00-10:00，用SPAD–502 Chlorophyll Meter Model仪测定小麦最上部完全展开叶SPAD值。LAI与SPAD值测定同步，各处理随机选取10株生长一致的小麦植株，采用长宽系数法测定LAI。

1.3.3 群体动态

与SPAD值测定同步，调查1 m双行样点小麦群体数量变化情况。

1.3.4 氮素相关指标

将烘干籽粒、秸秆样品粉碎，采用H2SO4-H2O2催化剂消煮，半微量凯氏定氮法测定全氮含量。计算方法如下：

籽粒氮积累量(kg/hm2)=籽粒含氮量(%)/100×籽粒产量(kg/hm2)（1）

秸秆氮积累量(kg/hm2)=秸秆含氮量/100×秸秆产量(kg/hm2)（2）

地上部氮积累量(kg/hm2)=籽粒氮积累量+秸秆氮积累量(kg/hm2) （3）

氮素收获指数(%)=籽粒氮积累量(kg/hm2)/地上部氮积累量(kg/hm2)×100 （4）

氮肥偏生产力(kg/kg)=籽粒产量(kg/hm2)/施氮量(kg/hm2) （5）

1.3.5 土壤有机碳和全氮

在每季小麦收获后，采用五点取样法取每个小区0～20 cm混合土壤样品，风干后过0.15 mm筛，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定有机碳（SOC, Soil organic carbon）含量，采用浓硫酸-混合催化剂消煮后凯氏定氮法测定全氮（TN，total nitrogen）含量。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016处理和计算数据、SPSS 19.0统计软件进行多重比较（采用LSD法），显著性水平设定为=0.05，采用Origin 8.0制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对小麦籽粒产量、生物量及收获指数的影响

由表1可知，与对照相比，生物炭处理在前3季（2011/2012、2012/2013和2013/2014）对小麦籽粒产量、秸秆产量和生物量均无明显影响，但自第4季（2014/2015）始逐渐表现出显著性影响。其中，BC2.25处理籽粒产量、秸秆产量、生物量和收获指数在2015/2016分别较BC0处理显著（<0.05）提高24.5%、14.8%、18.8%和4.8%；与BC0处理比较，BC6.75处理，在2014/2015、2015/2016和2016/2017季，分别显著提高籽粒产量14.6%、8.8%和11.9%，显著提高秸秆产量14.9%、7.5%和33.3%，显著提高生物量14.8%、8.1%和24.7%。而对于BC11.25处理，在2014/2015和2015/2016季分别较BC0处理显著提高籽粒产量11.8%和9.1%，2014/2015季显著提高秸秆产量13.4%，2014/2015和2015/2016季显著提高生物量12.7%和6.1%。同时，通过对各处理6季平均值多重比较分析结果表明，低、中、高量生物炭处理分别较BC0处理显著提高籽粒产量7.0%、8.5%和8.6%，显著提高生物量5.2%，10.8%和9.5%。试验结果表明，连续施用生物炭具有提高小麦生物产量和籽粒产量的效果。

通过对产量构成分析发现，与BC0处理比较，连续6季施用生物炭处理对小麦千粒质量均无明显影响，而对成穗数和穗粒数的影响在不同年际间存在差异。如，低量生物炭BC2.25处理，在2011/2012和2015/2016年度，成穗数分别较BC0处理显著提高14.9%和22.9%，穗粒数在2011/2012季显著提高9.0%，而在其他季节BC2.25处理未对小麦成穗数和穗粒数产生显著影响。对于中量生物炭BC6.75处理，成穗数和穗粒数在2015/2016分别较BC0处理显著提高31.4%和9.7%。而对于高量生物炭BC11.25处理成穗数在2015/2016和2016/2017分别较BC0处理显著提高32.2%和12.3%。同时，通过连续6季生物炭处理产量构成平均值分析表明，BC6.75和BC11.25处理分别较对照显著提高成穗数10.1%和11.2%，而对穗粒数和千粒质量无显著影响。该结果表明，施用生物炭具有提高小麦成穗数和穗粒数的作用，但不同年际间可能存在差异，分析原因可能与不同年际间小麦生育期降雨量存在差异进而影响了小麦成穗数和穗粒数有关。

表1 不同生物炭施用量对小麦产量、生物量及收获指数的影响

注：BC0、BC2.25、BC6.75和BC11.25分别表示秸秆炭化还田量为0, 2.25, 6.75, 11.25 t×hm-2。多重比较分别在不同处理及同一年份间进行，不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同。

Note: BC0, BC2.25, BC6.75 and BC11.25 denote the amount of straw carbonization returning to the field were 0, 2.25, 6.75, 11.25 t×hm-2, respectively. Different letters in one column indicate significant difference among different treatments in the same year at 0.05 level, the same as below.

此外，通过对年份、生物炭处理两因素分析发现，生物炭处理、年份及二者的交互作用均显著影响小麦籽粒产量及生物量，年份显著影响小麦成穗数、穗粒数和千粒质量，而生物炭处理仅对成穗数有显著影响。该结果进一步表明，施用生物炭处理可影响小麦籽粒产量和生物量，而年份间存在差异可能与不同年份小麦生育期降雨量不同有关，施用生物炭主要是通过提高小麦成穗数进而实现产量提高的。

2.2 生物炭施用对小麦氮积累、吸收及利用的影响

由表2可知，与未施用生物炭BC0处理比较，试验开始后连续3个小麦生长季（2011/2012、2012/2013和2013/2014）生物炭处理均不能明显提高小麦氮素积累量、氮素收获指数及氮肥偏生产力，而自2014/2015年度开始，施用生物炭对提高小麦氮素积累、氮素收获指数及氮肥偏生产力才具有明显效果，特别是在生物炭施用量≧6.75 t /hm2时更是如此。同时，通过对6季施用生物炭对小麦氮积累、吸收及利用的平均值结果分析表明，BC6.75和BC11.25籽粒氮积累量分别较对照提高9.4%和11.2%，秸秆氮积累量分别提高17.4%和23.8%，地上部氮积累量分别提高20.9%和13.3%，低、中、高量生物炭处理氮肥偏生产力分别较BC0处理提高8.6%、8.3%和6.8%。通过对年份、生物炭处理两因素分析表明，年份和生物炭处理均显著影响小麦氮素积累和氮肥偏生产力，而年份与生物炭处理的交互作用则无明显效果。该试验结果表明，大田条件下，生物炭处理对提高作物氮素吸收具有明显的后效作用，而短期生物炭施用可能效果不理想，且生物炭处理存在明显的年际差异。

表2 生物炭对收获期氮素积累量、氮素收获指数及氮肥偏生产力的影响

注：NHI，氮素收获指数；NPP，氮肥偏生产力。

Note: NHI means nitrogen harvest index; NPP means nitrogen partial productivity.

2.3 生物炭对小麦叶片LAI、SPAD值及生育期群体动态的影响

叶面积指数（LAI）是反映植物群体生长状况的一个重要指标，其数值大小直接与最终产量高低密切相关。由图1可以看出，与BC0相比，在2015/2016和2016/2017小麦生长季，高量（11.25 t/hm2）生物炭处理可明显提高小麦越冬期LAI，中量（6.75 t/hm2）和高量（11.25 t/hm2）生物炭处理可显著提高小麦抽穗期LAI，而低、中、高量生物炭处理（2.25～11.25 t/hm2）均可明显提高小麦抽穗期LAI。该研究表明，施用生物炭在某种程度上具有提高小麦LAI的作用，进而可为籽粒产量的提高奠定基础。

图1 生物炭施用对小麦LAI的影响

叶绿素是植物进行光合作用的基础物质，而SPAD值是由SPAD-502叶绿素仪测定的小麦叶色值，即叶绿素相对含量，也是反映小麦生长状况和氮素吸收的重要指标[16]。图2表明，与BC0比较，低、中、高量生物炭处理均能显著提高小麦拔节期和抽穗期叶片SPAD值，但生物炭处理间越冬期SPAD值无明显差异。

此外，合理的群体结构是小麦夺取高产的重要保证，也是相关研究人员普遍关心的问题之一。由图3可以看出，与BC0对照相比，两年度施用低、中、高量生物炭处理均可明显增加小麦越冬期、拔节期、抽穗期及成熟期（该期群体数量也为成穗数）茎蘖群体数量，特别是BC6.75和BC11.25处理更是如此。试验结果表明，施用生物炭可在一定程度上提高小麦生育期茎蘖群体数量，进一步可提高最终成穗数，可为小麦籽粒产量的提高奠定基础。

图2 生物炭施用对小麦叶片SPAD值的影响

注：SS- 苗期；OS-越冬期；JS-拔节期；HS-抽穗期；MS-成熟期。

2.4 生物炭施用对土壤耕层有机碳和全氮含量的影响

由图4可知，生物炭持续施用可以稳定提高土壤耕层有机碳（SOC）含量。与对照相比，BC6.75处理耕层SOC含量在后5季分别显著增加32.6%、73.3%、126.9%、127.9%和169.1%。BC11.25耕层SOC含量在后5季分别显著增加62.0%、136.5%、200.7%、179.6%和215.6%。

图4 生物炭施用对小麦季土壤耕层有机碳含量的影响

同样，与土壤有机碳含量相似，土壤全氮含量也是反映土壤肥力的另一个重要理化指标。由图5可以看出，前3季，生物炭处理对耕层全氮（TN）含量无明显影响，但随生物炭施用季节的延续，BC6.75和BC11.25处理TN含量较对照显著增加。与BC0相比，BC6.75处理耕层土壤TN含量在后3季分别显著增加20.0%、25.4%和24.3%，BC11.25全氮含量在后3季分别显著增加36.8%、30.5%和36.4%。

图5 生物炭施用对小麦季土壤耕层全氮含量的影响

上述试验结果表明，短期施用生物炭在提高潮土地区土壤肥力方面效果不明显，至少需要连续施用3 a后才初具效果。因此，生物炭在提高土壤肥力方面的作用是一个漫长且复杂的过程，需要长期连续试验才能对生物炭的效果做出正确合理的评价。

3 讨 论

秸秆生物炭施用到土壤中势必会影响土壤理化性质从而影响作物生长[17]。Niu等[18]在与本研究相同土壤类型上的试验表明，3～12 t/hm2的生物炭处理可增加小麦籽粒产量16.6%～25.9%。赵进[19]研究表明，BC2.25生物炭处理可增加红壤小麦籽粒产量5.6%～174.0%，增加潮土小麦籽粒产量39.8%。本研究结果表明，低、中、高生物炭处理均可提高小麦籽粒产量，进一步分析发现，生物炭主要通过增加小麦单位面积成穗数进而实现小麦籽粒产量的提高。张燕辉等[7]研究表明，生物炭添加对小麦单株成穗数无显著影响，可通过提高小麦出芽率增加单位面积成穗数，这与本试验生物炭处理均可明显提高小麦主要生育期群体数量的研究结果不太一致。本研究认为，生物炭处理可通过增加小麦茎蘖群体数量从而增加单位面积成穗数，进而提高小麦籽粒产量。王勇等[20]研究报道返青期追肥可促进春季小麦分蘖，增加穗数。在本研究相同氮肥水平下，生物炭处理下的土壤供氮能力高于对照（生物炭处理硝态氮含量显著高出对照，未发表数据），可能是增加小麦群体的原因之一。张娜[21]研究结果则表明，生物炭对小麦穗数、穗粒数和千粒质量的提升作用均未达到显著性水平，与本研究结果略有差异差异原因可能在于土壤类型、施肥状况等因素的不同，导致生物炭的增产效应不同。

冬小麦叶片、茎秆等营养器官进行光合作用，合成有机物后向籽粒运转，是小麦产量形成的主要机制[22]。而生物炭具有较强的吸水能力，适量生物炭施用能够显著提高土壤含水量[5]，提高土壤热容[9]，为作物根系生长提供良好环境，有利于水分和营养物质向叶片输送，进而促进植株生长[23]。其中，干物质是是衡量植物有机物积累、营养成分多寡的一个重要指标[24]，小麦最终的籽粒产量受干物质积累、转运的重要影响[25]。有研究指出，开花期至成熟期是小麦籽粒产量形成的关键时期，小麦籽粒产量的高低取决于花后干物质的积累[26]。而施用生物炭基肥料可显著提高小麦干物质重[27]。在本研究中，生物炭处理可显著增加小麦秸秆产量11.4%～12.6%、生物量5.2%～10.8%，这可能由于生物炭具有良好的孔隙性，促进了作物根系生长，为地上部营养积累提供了保障[28]，进而增加同化作用[20]。然而生物炭处理下的小麦籽粒产量占生物量的比重较对照并未增加，说明生物炭尽管增加小麦干物质积累，但并未促进花后干物质向籽粒的转运。因此，干物质积累提高并不是生物炭提高小麦籽粒产量的主控因素，而小麦籽粒千粒质量主要依赖于花后至灌浆阶段，这可能也是各处理下小麦千粒质量无显著性差异的原因之一。故而在本研究中，小麦茎蘖群体数量的提高是生物炭提高小麦籽粒产量的主导原因。

有研究表明，施用生物炭具有提高氮肥利用率的作用[29-30]，主要原因得益于生物炭提高了潮土的保水性能和阳离子交换能力，进而促进地上部吸氮量的提高[31]。另外，生物炭因其较大的比表面积和孔隙度，可增加土壤中有益菌群数量[32]，且对土壤硝态氮具有较强的吸附作用，从而减少氮素在土壤中的损失[33]。Zhao等[34]研究发现，施用生物炭能够增加土壤全氮含量以及有效元素含量，进而增加作物对氮素营养的吸收利用。本研究结果表明，生物炭施用具有提高小麦叶片光合作用面积和叶绿素相对含量的积极作用。而小麦叶面积系数和叶绿素含量与氮效率存在显著正相关关系[35]，故而叶面积系数和叶绿素含量的增加可提高茎叶对氮的吸收利用。施用生物炭可提高小麦植株不同地上部位氮积累量，但氮素收获指数并未增加，此结果表明，中、高量生物炭处理下，6季平均籽粒氮积累量的增加则是由于生物炭处理增加籽粒产量，而未能增加秸秆中氮向籽粒中的转移和运输，而氮肥偏生产力提高的原因同样在于生物炭处理对小麦籽粒产量的提高。

生物炭具有较强的稳定性，不易被矿化和分解，在潮土上的年平均分解率为3.52%～5.68%[19]。本研究表明，生物炭在连续施用2 a后即可显著增加土壤SOC含量，迅速提升土壤碳库，进而改善土壤肥力。本研究中土壤耕层C/N比可达26.0，但较高的C/N比抑制小麦生长的现象在本研究中并未出现（2014/2015，BC11.25籽粒产量较BC0显著增加11.8%），生物炭依然保持小幅增产作用，与Lemann等[36]提出的过高的C/N比会引起氮素固定以及生物炭带入过多的碳组分会促使土壤中微生物产生固氮的现象[37]有所差异。当每季生物炭用量增加至6.75～11.25 t/hm2时，土壤SOC含量较对照最高增幅可达215.6%，生物炭6年累积用量为81～135 t/hm2，相当于450 t/hm2的秸秆消纳量，每年可消纳37.5 t/hm2秸秆，而当前秸秆每季产量约为7.5 t/hm2。相较于秸秆直接还田带来的整地质量差、病虫草害严重，进而影响下季作物种植等系列问题[38]，秸秆炭化还田不仅可以小幅增加籽粒产量，而且具有稳定持续增加土壤固碳的效果，为秸秆资源综合利用提供了新的有效途径。

4 结 论

通过6季连续施用生物炭对小麦生长发育、氮素吸收及土壤肥力等指标影响的研究，主要结论如下：

1）施用2.25～11.25 t/hm2生物炭，可起到提高小麦籽粒产量以及提高氮肥偏生产力的效果，但低、中、高量生物炭处理间无显著差异。同时2.25～11.25 t/hm2生物炭可提高小麦叶面积指数、叶绿素相对含量，进而起到提升小麦光合作用和增加小麦生物量的作用。

2）施用6.75～11.25 t/hm2生物炭可显著增加地上部氮素吸收量，明显提高耕层土壤有机碳和全氮含量，进而使研究地区土壤碳库显著增加，土壤肥力得到提升。

3）与未施用生物炭比较，生物炭在连续施用多年后对小麦籽粒产量、秸秆产量、生物量、氮素吸收以及土壤肥力的提升效果逐渐增强。

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Long-term application of biochar in fluvio-aquatic soil improving wheat yield and nitrogen utilization

Xie Yingxin1, Liu Yujuan1, Zhang Weina1, Dong Cheng1, Zhao Xu2※, He Dexian1, Wang Chenyang1, Guo Tiancai1, Wang Shenqiang2

(1.450046,; 2.210008,)

Biochar, which is produced by the thermochemical decomposition of organic material under a limited supply of oxygen at temperatures between 300 and 1000 ℃, has been the focus of researchers for the past several years. Each year straw of about 0.6-0.7 billion tons is produced in China, however less than half fails to reasonable use, which has resulted in a series of problems such as resource waste and environmental pollution. Converting cheap, abundant crop straw into biochar applied to soils may have significant agricultural and environmental benefits. Crop-straw biochar returned into soil not only can significantly increase carbon sequestration and reduce emission of greenhouse gases as well as protect soil quality, improve soil fertility, decrease soil bulk density and reduce the aluminum toxicity of crop in acid soil, but also provides effective way for comprehensive utilization of straw resource. In order to find out a rational solution for more and more straw in the farmland to provide scientific basis for comprehensive utilization of straw in the Huanghuai region, a field location experiment on straw biochar application was performed in the typical fluvio-aquatic soil of the Huanghuai region since 2011. Effects of continuous biochar application in 2011-2017 on growth and nitrogen absorption of winter wheat were studied. The yield components, accumulation of dry matter and nitrogen, LAI (leaf area index), chlorophyll relative content (SPAD (soil and plant analyzer development) value), and population number at the key growth stage of winter wheat, and the changes of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) under the long-term biochar application were also observed in the test. Four treatments in the experiment were set, including BC0 (control), BC2.25 (low), BC6.75 (middle) and BC11.25 (high), which were 0, 2.25, 6.75 and 11.25 t/hm2biochar added to the soil, respectively. The results showed that, compared with BC0, the BC2.25 increased grain yield of wheat only in 2011/2012, the BC6.75 increased grain yield in 2014/2015, 2015/2016 and 2016/2017, and the BC11.25 increased grain yield in 2014/2015 and 2015/2016. The average yield across 6 wheat seasons showed that 3 biochar application treatments markedly increased grain yield, biomass, and nitrogen partial productivity by 7.0%-8.5%, 5.2%-10.8%, and 6.8%-8.6%, respectively compared with the CK treatment, but no significant difference was found among 3 biochar treatments. In addition, biochar application treatments with middle and high addition amount also significantly increased straw yield, spike number, nitrogen accumulation of grain, straw nitrogen accumulation and plant nitrogen accumulation by 11.4%-12.6%, 10.1%-11.2%, 9.4%-11.2%, 17.4%-23.8% and 13.3%-20.9%, respectively. The roles of biochar in improving grain yield and nitrogen uptake were in accordance with response in increasing LAI and SPAD value of wheat leaves. We also found that 3 biochar application treatments increased population amount at the key growth stage of winter wheat in 2015/2016 and 2016/2017, and also increased the SPAD value and LAI at the jointing stage and heading stage in 2015/2016 and 2016/2017. Moreover, 3 biochar treatments also significantly increased SOC content in topsoil by 32.6%-215.6% in 2012-2017 and TN content by 20.0%-36.8% in 2014-2017. In conclusion, reasonable biochar application can increase grain yield and nitrogen partial productivity with promoting the growth and nitrogen absorption of winter wheat in the Huanghuai region, and also improve the soil fertility and carbon sequestration.

nitrogen; biochar; fluvio-aquatic soil; winter wheat; grain yield

谢迎新，刘宇娟，张伟纳，董 成，赵 旭，贺德先，王晨阳，郭天财，王慎强. 潮土长期施用生物炭提高小麦产量及氮素利用率[J].农业工程学报，2018，34(14)：115－123. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.015 http://www.tcsae.org

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2018-02-28

2018-06-05

国家自然科学基金（41771338）；国家科技支撑计划项目（2015BAD26B00）联合资助

谢迎新，博士，副研究员，主要从事植物营养与农业生态环境方面的研究。Email：xieyingxin@tom.com

赵 旭，研究员，博士，博士生导师，主要从事农业生态环境方面的研究。Email：zhaoxu@issas.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.015

S156

A

1002-6819(2018)-14-0115-09