黑土夏玉米施用生物质炭最佳施用时期和最佳用量

韩晓亮，王秀茹，侯 琨，贾芳芳，孙 妍，赵 森，王铭浩，阎世煜，马景行

（北京林业大学 水土保持学院，北京100083）

水分和养分是影响作物生长发育各项生理指标的重要环境因子，合理的灌溉制度及肥料补给是作物高效生产的重要保障［1－2］。作物对于土壤养分的吸收主要是依赖于其根系活性，适宜的土壤环境能够有效促进根系对于土壤氮、磷、钾元素的吸收，从而保证作物果实的积累和有效物质的生成［3－5］。生物质炭作为一种新型的土壤改良剂，具有孔隙度高、表面积大，并且聚集大量负电荷的性能［6－7］。生物质炭的施入可以有效地改善农田土壤的颗粒结构组成，调节土壤的酸碱平衡［8］，提高土壤的保水效果［9］，吸附养分并提高其利用效率［10］，为作物生长提供良好的环境，提高水肥利用效率，确保粮食的稳定增产。学者们针对生物质炭的调节改良作用进行了大量研究，表明生物质炭有极强的吸附性及抗氧化性，对于土壤理化改良、土壤养分状况改善具显著的效果［11］。生物质炭提升了土壤的通透性［12］、持水性以及渗透性［13－14］，进而调节了土壤的水热特征参数，有效地减小了土壤的地表径流和土壤侵蚀过程，提升了水土保持效果。生物质炭具有较大的比表面积、较强的表面负电荷量以及较高的电子密度等特点［15］，这些性质增强了土壤的吸附和金属固持能力。生物质炭能够有效调节土壤的酸碱性，为作物生长提供良好的土壤环境［16］。同时，生物质炭与肥料施配能够显著提高肥料利用效率，进而改善玉米Zea mays产量构成因素，提升玉米产量［17－18］。大量研究大多侧重于土壤的结构以及养分的调节效应，对于植株根系的养分吸收以及呼吸代谢效应研究较少。本研究立足于东北松嫩平原黑土耕作区，探究不同生物质炭施入方式对于夏玉米植株的根系生长状况、氮素利用效率以及根系的呼吸作用的影响，旨在探索黑土区生物质炭对于植株生物性状的改善以及氮素利用效率的提升，为提升黑土区生物质炭还田技术及水土资源的高效利用提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区域概况

该试验区位于哈尔滨市水利科学研究院万家试验站（45°53′～45.13′N， 123°45′～124°13′E）， 黑龙江省南部，地处松嫩平原腹地，平均海拔为134 m。该区域四季分明，冬季寒冷漫长，夏季高温多雨。全年平均降水量为578.4 mm，受温带大陆性季风气候的影响，降水主要集中在夏季的7－8月，约占全年降水量的60%，为夏季作物生长提供了充足的水分补给。该区域的主要土壤类型为黑色壤土，经取样分析（表1）可知，土壤的平均干容重为1.28 g·cm-3，饱和含水率为46.92%，田间持水率为36.88%。另外，通过NKT 6100-C型激光粒度仪检测土壤中的颗粒机械组成成分，其中黏粒（＜0.002 mm）占19.58%，粉粒（0.002～0.020 mm）占33.21%，砂粒（≥0.020 mm）占47.21%。土壤颗粒结构空隙相对较大，持水性较强。区域土壤养分较为丰富，经取样分析可知，土壤有机质为3.44 g·kg-1，速效磷为25.90 mg·kg-1，速效钾为 251.80 mg·kg-1， 碱解氮为 69.60 mg·kg-1。

表1 试验区土壤物理参数Table 1 Soil physical parameters

1.2 试验布置

该试验于2017年4-11月之间进行，夏玉米的品种选用 ‘郑单958’ ‘Zhengdan 958’。该品种适合于东北地区砂质壤土，具有明显的高产抗旱优势。试验共设置30个试验小区，各小区大小为6 m×8 m。结合区域的土壤结构状况以及养分指标水平，试验区的生物质炭施入量共设置3个水平：C5（5 t·hm-2），C10（10 t·hm-2）和 C15（15 t·hm-2）。 同时， 各水平生物质炭的施加时期为前 1 年秋季（F1）和春秋两季各施一半（F2）和春季（F3）等3种方式。另外，设置1个对照处理（BL），重复3次·处理-1。供试土壤类型为黑色壤土，生物质炭的类型为玉米秸秆生物质炭，采购于辽宁金和福农业开发有限公司。制备方式为在无氧条件下450℃高温裂解。经检验可知：生物质炭的总有机碳为702.10 g·kg-1，全氮为 12.76 g·kg-1， 全磷为 2.54 g·kg-1。在播种前期，统一施加肥料，肥料类型选用尿素，施肥方式采用开沟填埋，并且在玉米大喇叭口期进行相同剂量的追加施肥。在作物全生育过程中，土壤含水率保持在70%～100%田间持水率。夏玉米植株的行间距为30 cm（具体布置方式如图1）。

图1 土壤取样方式Figure 1 Soil sampling method

1.3 指标测量

根系特征参数：在作物生长的不同时期内，按照土壤剖面法，以植株茎秆为中心，以30 cm为半径，用根钻在植株根系的下方位置分层取样至50 cm处，将根系装入尼龙网中，在水中浸泡30 min，用清水将其冲洗干净。采用HP Scanjet 8200扫描仪对不同土层处植株根系进行图片扫描，最后用软件（Delta-T Area Meter Type AMB2,Delta-T Devices,Cambridge）分析植株根系的长度（cm）， 根表面积（cm2）和根体积（cm3），同时采用烘干法测定植株根质量（g）。

土壤硝态氮空间分布：以植株根系为中心，在根系分布区域内，设置3个分布均匀的取样点，并且取样的层面分别为10，20，30，40，50 cm。在各个取样点分别称取12 g的新鲜土壤样品，采用流动分析仪器（BRAN＋LUEBBE）测定土壤硝态氮。

空间吻合度计算：根据根密度与土壤硝态氮质量分数的乘积来计算空间吻合度［19-20］。种植行根长密度与土壤硝态氮空间吻合度（RLD-N）=种植行根长密度×土壤硝态氮质量分数；种植行根干质量密度与土壤硝态氮空间吻合度（RWD-N）=种植行根干质量密度×土壤硝态氮质量分数。

根系呼吸：采用LICOR公司生产的LI-8100型土壤呼吸仪测定土壤呼吸效率，研究中利用根系排除法来计算根系的呼吸强度，即用根区土壤呼吸强度减去非根区土壤的呼吸强度［21-22］。

植株氮素积累：将不同生育时期获取的植株样品烘干、称量、粉碎，采用硫酸-过氧化氢（H2SO4-H2O2）对样品进行联合消煮，进而采用Bran＋Luebbe AA3型号流动分析仪测定植株氮素，生育期氮素积累量某生育期各器官含氮量（mg·kg-1）×干物质积累量（g）/1 000。

植株产量测定：在成熟期各个试验小区随机取30个果穗，装入尼龙网袋中，晒干后进行脱粒称量，得到籽粒产量。

氮素利用效率（kg·kg-1）：作物经济产量/植株氮素累积量。作物收获指数：产量/生物量。

1.4 数据处理方法

在研究过程中，采用Excel 2013进行数据的统计整理，采用SPSS 19.0进行试验数据统计分析，同时采用软件Origin 8.0和SigmaPlot 12.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 生物质炭对植株根系特征的影响

不同生物质炭调控模式下夏玉米根系的特征参数如表2所示。总体分析可知：施炭量对玉米的各个拔节期、抽穗期和灌浆期各项生理指标的影响均达到了极显著水平（P＜0.01），生物质炭施加时间在各个生育期对于拔节期植株的根长影响不显著，而两者的交叉作用对于抽穗期植株的根表面积和根质量影响不显著。

表2 不同生物质炭调控模式下夏玉米根系特征Table 2 Characteristics of root systems of summer maize under different biological charcoal regulation modes

在拔节期内，C5F1处理下，植株根系的总长为5 476.22 cm，由于生物质炭施入量的差异，C10F1和C15F1处理下的总根长分别相对于C5F1处理增加了630.95和261.14 cm，表明在F1方案处理下（前1年秋季施加生物质炭），随着生物质炭施入量的增加，生物质炭对于土壤的空隙结构及养分供应具有较好的调节作用，并且C10F1处理下根系的生长优势显著，能够有效促进根系的生长。与此同时，对比F2时期下的3种生物质炭调控模式可知，C5F2，C10F2和C15F3调控模式下的玉米根系长度总体水平上相对于F1时期有所降低，同时，C10F2处理下总长分别相对于C5F2和C15F2条件增加了8.17%和2.14%。此外，C5F3，C10F3，C15F3处理下根系的总长分别相对于F1和F2时期施加生物质炭处理有所降低。由此可以发现：从生物质炭施加方案角度分析，F1方案要优于F2和F3，而从有机碳施入量的角度分析，随着生物质炭施入量的增加，C10处理要优于C5和C15，表明在一定范围内增加生物质炭的施入量可有效促进根系的生长，而过量的生物质炭对于玉米植株根系的发育影响不显著。

抽穗期内，植株对于土壤养分的吸收能力不断增强，根系总长度也在不断的增加。具体分析可知：C5F1处理条件下植株根系总长达到6 832.23 cm，而C10F1和C15F1处理分别相对于C5F1处理增加了1 335.08和699.30 cm，随着植株生育期的进行，根系总长的差异显著。与拔节期变化趋势相似，在F2方案模式下，其根系的整体长势相对于F1方案有所减弱，但随着施入量的增加，C10F2处理下植株根系长势突出，根系长度从高到低依次为C10F2，C15F2，C5F2。而在F3时期施加生物质炭，植株根系的总长度整体水平弱于F1和F2水平，但是其根系生长水平均优于对照处理（BL）。

在灌浆期内，植株个体基本发育成熟，因此，植株根系之间的差异逐渐减弱。比较分析可知：C10（10 t·hm－2）施入水平条件下植株根系的长势具有较强的优势，并且在C10F1处理下最为明显。由此可知，在F1，F2和F3这3种施肥方案下，F1方案能够较好地满足作物根系生长的需要，同时，适量的施加生物质炭可以有效促进根系的生长。

在此基础之上，分析植株根系的表面积、根体积和根系质量可知，在各个生育期内生长趋势与总根长相似。可知：在3种不同时期施入生物质炭具有不同的调节效果，其中，前1年秋季施加生物质炭，土壤经历了冬季的冻融循环作用，土壤的通透性、养分含量得到良好的休整，能够为植株的生长提供适宜的水肥环境，有效提升了植株根系的生长优势，而在秋季和春季各施加一半、春季施加2种方案的作用效果有所减弱。随着生物质炭的施入量增加，适量的生物质炭补给能够提高土壤的保水保肥效果，而过量的生物质炭补给对于植株分析的长势效果差异影响减弱。

2.2 生物质炭对土壤硝态氮空间变异影响

在夏玉米生育过程中，按照上述图1示例进行土壤取样，图1中北方向代表1号点位，东北方向代表2号点位，东方向代表3号点位，其他点位依次排列。研究中取各个点位土壤硝态氮平均值代表不同处理条件下土壤硝态氮的空间变异状况。

由图2可知：在拔节期，C5F1，C10F1，C15F1处理下的土壤硝态氮质量分数分别为22.34，25.61和223.56 mg·kg－1，分别相对于BL处理提升了5.52，8.70和6.65 mg·kg－1。由于生物质炭具有一定的吸附效果，减弱了土壤受雨水冲刷以及水土流失所导致的氮素消耗，固氮能力显著增强，在F1方案条件下，C10F1调控模式效果最为明显。同时，比较F2方案下土壤硝态氮的空间变异状况可知，C5F2，C10F2和C15F2处理下土壤硝态氮分别相对于BL处理提升了4.20，6.39和5.78 mg·kg－1，其质量分数的提升水平相对于F1方案下的3种处理作用效果有所减弱。此外，在F3方案下，C5F3，C10F3和C15F3处理下土壤硝态氮分别相对于BL处理提升了8.92%，21.57%和14.13%，其质量分数整体相对F1和F2方案均呈现出不同程度的降低，同时，C10F3处理下的土壤固氮效果明显。

图2 不同生物质炭调控模式下夏玉米根区硝态氮分布状况Figure 2 Nitrate-N distribution in the root region of summer maize under different biological charcoal regulation modes

随着生育期的进行，由于在玉米大喇叭口期进行了追肥处理，因此，在抽穗期，土壤的硝态氮出现了大幅度的增加，而该时期氮素的有效供应直接影响植株的干物质积累及果实的形成。对比不同处理条件下土壤硝态氮的水平可知：C5F1处理下，土壤硝态氮的为34.69 mg·kg－1，在F1方案下，随着生物质炭施入量的增加，C10F1和C15F1处理下的质量分数分别相对于C5F1增加了1.70和0.69 mg·kg－1，C10F1处理下土壤硝态氮的水平较高，为植株的生长提供充足的氮素补给。此外，在F2和F3方案下，其土壤硝态氮相对于F1有所降低，但其整体水平均优于BL，并且在C10F2和C10F3处理下表现出明显的优势。

在灌浆期内，作物生长基本趋于成熟，土壤硝态氮水平将影响第2年春季播种期土壤氮素的供应。比较分析可知：该时期土壤硝态氮水平与拔节期和抽穗期的变化趋势相似，在秋季施加生物质炭，经过冬季冻融循环作用，生物质炭与土壤进行了较好地融合，并且营造了良好的土壤生态环境，对于土壤氮素的截留具有很好的作用，使得氮素能够稳定地储存在耕层土壤中。因此，F1方案要优于F2和F3方案，并且随着生物质炭施入量的增加，在C10水平下达到最佳效果。

2.3 生物质炭对植株根系呼吸强度影响

整体分析植株根系呼吸强度的变化趋势可知：不同处理条件下的根系呼吸速率均呈现单峰型变化。由于植株长势以及养分供应的差异，在一定程度上影响着植株根系的呼吸代谢作用。由图3A可知：研究期内 C5F1， C10F1和 C15F1处理下植株根系的平均呼吸速率分别为 257.45， 296.98， 266.54 mg·m－2·h－1，植株根系平均呼吸速率从大到小依次为C10F1，C15F1，C5F1，分别比BL增加了 33.42%，19.72%和15.66%，并且这种差异性在植株生长的抽穗期表现最为明显。

图3 不同生物质炭调控模式下植株根系呼吸强度Figure 3 Respiration intensity of plant root systems under different biological charcoal control modes

分析F2方案下3种调控模式状况，其中，在C5F2处理下，拔节期根系的呼吸速率为186.35 mg·m－2·h－1。随着生育期的进行，抽穗期根系的呼吸速率变为324.74 mg·m－2·h－1，灌浆期时，植株各项生理活动进一步减弱，其呼吸速率减小为231.37 mg·m－2·h－1，其呼吸速率经历先增加后减小的变化趋势。在C10F2和C15F2处理下，其植株根系的呼吸速率与C5F2的整体变化趋势一致，但是C10F2处理下的植株根系呼吸效果明显增强，而C15F2处理下植株的呼吸强度介于C5F2和C10F2之间。

在农田土壤生态体系中，土壤的呼吸作用主要由植株的根系呼吸和微生物的呼吸组成，因而，在上述分析植株根系呼吸强度的基础上探索根系对于土壤呼吸的贡献度。分析图4A可知：在拔节期，植株根系呼吸作用所占比例为45%～65%，并且生物质炭调控处理下的植株根系呼吸比例均高于BL处理。其中，C5F1处理下，植株根系呼吸所占比例为62.35%，而随着生物质炭施入量的增加，在C10F1和C15F1处理下，其呼吸比例依次增长为65.89%和63.77%，C10F1处理下根系呼吸的比例最大，表明其根系呼吸代谢能力显著。同样，在C5F2，C10F2和C15F2处理下，其根系呼吸强度比例相对于F1方案下的3种处理有所降低，但是变化趋势上仍然表现为C10F2最强。

在作物抽穗期内，植株发育以及各项生理活动处于快速发展阶段，因此，其植株根系的呼吸强度比例也有所增强，约占土壤呼吸的70%～90%。在C5F1处理下，植株根系呼吸所占比例为81.21%，而在C10F1和C15F1处理下，植株根系呼吸强度所占比例分别为89.34%和85.27%。由此可知：该时期内植株根系呼吸对于土壤呼吸贡献最为显著。而在F2和F3方案下，各处理条件下植株根系的呼吸作用所占比例相对于F1方案有所降低，但相对于BL处理提升幅度较大，其整体仍处于较高的水平，表明生物质炭有效促进了植株根系的呼吸代谢效果，而抑制了微生物生命活动，有利于作物的各项生命活动的运行。

图4 不同生物质炭调控下根系呼吸比例变化Figure 4 Respiration intensities of plant root systems under different biological charcoal control modes

植株根系呼吸是土壤孔隙结构、氮素供应以及根系长势等因素共同作用的结果，而生物质炭的调控作用改善了土壤的物理结构，加之充足的养分供给，极大程度促进了植株根系的呼吸代谢作用，也因此为植株地上部分的各项生命代谢活动提供了能量支持。综合上述分析可知：在前1年秋季施加生物质炭（F1）对于植株根系呼吸作用的影响较为明显，此外，过量施用生物质炭，土壤结构对于植株根系的呼吸影响效果减弱。

2.4 生物质炭对植株氮素利用效率影响

在植株生长过程中，其根系具有一定的向水性和向肥性，其生长分布对于土壤水分和肥力具有一定的适应性和趋向性。植株吸收养分的能力一方面取决于根系的长度及根表面积，另一方面取决于根系分布与土壤的养分空间分布的吻合程度。在研究中，计算植株根系的根长密度与硝态氮空间吻合度如图5A所示。

拔节期，在C5F1处理条件下，植株根长密度与土壤硝态氮的吻合度为0.898，而在C10F1和C15F1处理下，二者的吻合度分别为1.091和0.961，分别比C5F1处理提升了21.46%和7.14%，C10F1处理下两者的吻合度较高。同理，在F2和F3方案下，由于生物质炭的施加时期不同，对于土壤养分的空间分布调控能力有所差异，这2种条件下植株根系的根长密度与土壤硝态氮之间的吻合度有所减低。在抽穗期，上述提到在玉米大喇叭口期追施肥料，因此，该时期植株根系根长密度与土壤硝态氮的吻合度大幅度提升，但是它在整体变化趋势上仍然呈现出随着生物质炭的施用量增加，其吻合度呈现先增加后减小的趋势。分析图5B可知：针对于植株根干质量密度与土壤硝态氮的空间吻合度，其变化过程与根长密度在空间上的吻合度效果相似，而这种良好的吻合效果对于植株生长过程的养分吸收和运输提供了坚实的保障，进而促进了作物果实的形成。

通过上述对于植株根系特征参数、根系呼吸代谢效果以及氮素空间分布特征的分析，适当施加生物质炭对玉米植株的生理过程具积极作用。在此基础之上，进一步分析不同处理下植株氮素生产效率的差异。通过图6A可知：C5F1处理条件下作物的产量为9 579.25 kg·hm－2，而在相同生物质炭施入水平下，C5F2和C5F3处理下作物产量分别相对于C5F1处理降低了6.51%和9.54%。另外，在C10生物质炭施入水平的条件下，C10F1处理下的产量更为显著，并且C10F1，C10F2和C10F3条件下的作物产量分别相对于C5F1，C5F2和C5F3呈现不同水平的升高。当生物质炭的施用量增加为C15水平时，其作物产量则介于C5和C10之间，表明适量增加生物质炭的使用量可以有效提升作物的生产效果。同理，植株对于氮素的吸收效果与作物的产量变化趋势相一致。

进一步探究不同处理条件下植株的氮素利用效率和收获指数的变异规律可知（图6B），在F1方案下，生物质炭的适用量与植株氮素利用效率之间呈现出显著的二次函数关系，拟合抛物线的决定系数R2=0.887。基于这种二次函数关系可以发现，随着生物质炭施入量的增加，植株的氮素利用效率呈现出先增加后减小的趋势，因此证明生物质炭施入量与植株氮素利用效率之间的数值关系存在一个峰值最优解，在适量的生物质炭施入水平时最大限度地提升植株氮素的利用效率。对比F1，F2和F3施加生物质炭的方案，其效果的优劣水平从高到低依次为F1，F2，F3。生物质炭的施入量与植株的收获指数之间，同样体现出显著的二次相关关系。

图5 植株根系与土壤硝态氮的空间吻合度Figure 5 Spatial consistency of plant roots and nitrate nitrogen in soil

3 讨论

根系生长状况是作物对水肥利用重要体现，受到土壤颗粒结构、孔隙度以及持水性的直接影响，随着生物质炭的施入量以及施入时期的调整，其根系体现出一定的趋向性。F3方案下的植株根系生长效果相对于F1和F2显著，冻结过程对于碳-土复合系统水养环境调节效果较好。正如王丽学等［23］研究提出的在前1年进行生物质炭翻耕覆盖处理能够有效调节土壤的水热状况和养分，进而提升土壤生产能力。另外，随着生物质炭施入量增加，作物生长优势体现出先增加后减小的过程，生物质炭的施入量也在很大程度上影响植株根系生长状态。正如刘超等［24］发现的适量的生物质炭可以有效地促进玉米生长发育，也增加了玉米的日耗水量，而过量施入生物质炭反而会抑制其影响效果。

图6 不同生物质炭调控下氮素利用效率Figure 6 Nitrogen use efficiency under the control of different biological charcoal

植株根系的呼吸强度在一定程度上体现了其养分吸收能力和代谢强度，而适宜的土壤空隙结构和水养环境能够较大程度地促进植株的呼吸效果。在本研究中，随着生物质炭施入量增加，C10处理植株呼吸强度效果要优于C15和C5处理。正如田冬等［25］总结得出的，生物质炭还田对土壤温度具有“削高填低”效应，平缓了土壤水分和温度的变化幅度，促进植株根系的呼吸效果。同时，F3处理方案下，碳-土复合体经历冻融循环作用，生物质炭与土壤能够进行较好融合，土壤空隙结构得到良好调节，进而也提升了植株的适应性和活动性。该发现也验证了张晗芝等［26］提出的生物质炭与土壤充分的混合能够有效提升土壤的理化性状，极大程度促进植株根系的呼吸代谢和养分吸收。

充足的氮素补给对作物的产量具有显著的影响，而生物质炭的调节作用影响土壤有机碳和氮素的组成与数量，进而改变土壤供氮能力。比较分析C5F1，C10F1和C15F1这3种生物质炭施入量水平条件下土壤硝态氮质量分数可知，分别相对于BL处理提升了5.52，8.70和6.65 mg·kg－1，这与宋大利等［27］研究结果相似，即生物质炭能够较好地调节土壤硝态氮与铵态氮的比例平衡，并且适宜的生物质炭对于土壤氮素的调节的效果显著，能够有效促进植株的生长和粮食产量的提升。此外，植株氮素的利用效率与生产指数与土壤氮素质量分数具有显著的正相关性。因此，生物质炭通过激发土壤微生物活性促进氮素循环以及良好的氮素固持效应，对作物产量起间接作用。

4 结论

作物生长发育过程中，生物质炭的大空隙性和养分吸附性影响着植株根系的长势，而不同时期、不同用量施加生物质炭也会改善根系生长特征。随着生物质炭施入量的增加，在C5F1，C10F1和C15F1处理下，植株根系的长度、根质量和体积分别表现为先增大后减小的趋势，在一定范围内适量增加生物质炭施入量可以显著提升根系生长状况。此外，F1方案处理效果较为明显，冬季冻融循环能够最大限度的改良土壤环境状况。

植物的呼吸效果、氮素累计体现了植株的代谢能力，旺盛的呼吸能力以及充足的氮素积累为生物体的各项生理过程提供了物质基础。生物质炭的施入改善了植株根系的呼吸强度及氮素的吸收效果，并且在C10水平下，植株根系的呼吸效果最强。另外，植株的吸氮量变异规律和根系呼吸强度能够较好吻合，并且同样在C10水平下达到最佳效果。

生物质炭的施加影响作物产量的积累，进而改善氮素的生产效率以及收获指数。适宜时期生物质炭调节可以有效提升作物的产量，从施加时期角度分析，F1方案施加生物质炭的调控效果更为显著。而从生物质炭的施入量角度分析，随着生物质炭施入量的增加，在C10水平下达到最佳水平。氮素的利用效率以及收获指数表现出相同的效果，并且与生物质炭施入量之间具有显著的二次相关关系。