施用小麦秸秆炭对灌耕风沙土土壤养分含量及玉米产量的影响

张云舒，唐光木，龙晓双，葛春辉，徐万里

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.和田地区农业技术推广中心，新疆和田 848000)

0 引 言

【研究意义】灌耕风沙土作为新疆主要低产土壤之一，它具有养分贫瘠，有机质含量低，保水保肥性能差等特点。生物质是指生物质原料在完全或部分缺氧条件下经高温热解产生的一类高度芳香化、稳定性高的富碳有机物质[1]。生物炭是一种富含碳的外源有机质，具有比容重小、比表面积大、吸附性强的等特性。生物炭作为一种土壤改良剂，已经广泛应用于农业生产与环境等领域。研究生物炭对于灌耕风沙土改良效果，对于生物炭的农用具有重要的现实意义[2-3]。【前人研究进展】黄超等[4]研究结果显示，红壤施用生物炭可提高土壤土壤水稳定性团聚体的数量，提高碳库，增加土壤速效磷、速效钾和碱解氮的含量，而且还可降低土壤的酸度，增加土壤pH值和盐基饱和度。 张宏等[5]研究结果表明,连续两年施用生物炭后,可显著降低灰漠土的土壤容重,增加土壤全氮、全磷、有机质和土壤速效养分的含量。【本研究切入点】生物炭输入对土壤影响是多方面的，有正效应也会有负效应，这与土壤类型、生物炭材料等存在显著的相关性，而生物炭输入对灌耕风沙土土壤性质影响鲜见报道。研究生物炭对灌耕风沙土改良效果。【拟解决的关键问题】定位田间小区试验，研究小麦秸秆炭施用7 a后对灌耕风沙土土壤养分含量和作物产量的影响，为生物炭农用提供技术和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

田间微区定位试验的地点在和田地区农技推广中心下属的农科所，属于暖温带极端干旱荒漠气候，年均气温为12.5℃，年均降水量为36.4 mm，年均蒸发量为2 618 mm。该田间微区定位试验于2010年整地，2011年春季开始试验，微区试验面积为2 m2。供试土壤质地为风沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分别为39.1%、54.0%和6.9%。生物炭是河南三利新能源有限公司提供的小麦秸秆炭。列出试验开始前土壤和小麦秸秆炭理化性质。表1

表1 供试土壤和小麦秸秆炭理化性质

Table 1 The physical and chemical properties of tested soil and wheat biochar

项目SubjectpH值全氮TotalN(g/kg)有机质Organicmatter(g/kg)速效氮AvailableN(mg/kg)速效磷AvailableP(mg/kg)速效钾AvailableK(mg/kg)阳离子代换量CEC(cmol/kg)土壤8.280.7613.4958.28.31342.08小麦秸秆炭8.28—388.63—82.2159062.6

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

按照耕层0～20 cm土壤，质量150 t/667m2来计算，试验共4个处理：(1)不施炭(CK)；(2)67.5 t/hm2生物炭(3%BC)；(3)112.5 t/hm2生物炭(5%BC)；(4)225.0 t/hm2生物炭(10%BC)。每个处理每年化肥施用量相同，小麦秸秆炭于2011年春季定位试验开始前一次性施入，开始后不再施入。

1.2.2 样品采集

于2017年玉米采收后，将每个微区分成三块区域，每块区域采用5点法，分层采集0～20 cm、20～40 cm的土壤样品，混匀后仔细去除植物残体及其他杂物，土壤在通风处阴干过筛后，测定其养分指标。

土壤基本理化性质测定：pH值采用土水比为1∶2.5 pH计法；全氮采用凯氏定氮法；有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法；速效氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.5 mol/L 碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法；速效钾采用1 mol/L 乙酸铵浸提-火焰光度法。

1.3 数据处理

Excel 2007和DPS 7.05版软件对数据进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 小麦秸秆炭施用对土壤pH值的影响

研究表明,经过7 a的定位试验，不同用量生物炭处理对不同土层灌耕风沙土土壤pH值影响不显著。0～20 cm土层试验后耕层土壤pH值为8.30～8.35，与初始pH值相比变化幅度较小。图1

2.2 小麦秸秆炭施用对土壤全氮、有机质的影响

研究表明,经过7 a的定位试验，施用生物炭对灌耕风沙土土壤有机质、全氮产生了一定的影响。无论是0～20 cm还是20～40 cm土层，与对照相比，施用生物炭可以明显增加灌耕风沙土土壤有机质含量，分别增加了48.9%～89.5%，24.9%～40.1%。与对照相比，生物炭施用后可以明显增加灌耕风沙土土壤全氮的含量，分别增加了14.5%～29.6%，38.1%～56.0%。随着生物炭施用量的增加，土壤有机质、全氮含量呈上升趋势。0～20 cm土层的有机质和全氮含量明显高于20～40 cm土层的。表2

注：图中不同小写字母表示5%显著水平。下同

Note: Different letters in the fig.represented significant atP﹤0.05.The same as below

图1 不同处理土壤pH变化

Fig.1 Changes of soil pH with treatments

表2 不同处理土壤全氮和有机质变化

Table 2 Changes of soil total N and organic matter with treatments (g/kg)

处理Treatments有机质Organicmatter全氮TotalN0^20cm20^40cm0^20cm20^40cmCK12.38±0.23d6.62±0.18c0.72±0.01c0.34±0.02c3%生物炭3%BC18.44±0.41c8.27±0.05b0.82±0.02b0.48±0.01b5%生物炭5%BC21.62±0.47b8.93±0.98ab0.85±0.05b0.49±0.01b10%生物炭10%BC23.46±0.32a9.27±0.07a0.93±0.06a0.54±0.02a

2.3 小麦秸秆炭施用对土壤速效养分含量影响

研究表明,经过7 a的定位试验，施用生物炭对土壤速效氮、速效磷和速效钾产生了一定的影响。无论是0～20 cm还是20～40 cm土层，与对照相比，施用生物炭可以明显增加灌耕风沙土土壤速效氮含量，分别增加了28.7%～93.5%，30.8%～68.1%。与对照相比，施用生物炭可以明显增加灌耕风沙土土壤速效钾含量，分别增加了6.9%～31.3%，15.6%～45.2%。随着生物炭施用量的增加，土壤速效钾含量呈上升趋势。0～20 cm土层的速效氮和速效钾含量明显高于20～40cm土层的。施用生物炭后降低了0～20 cm和20～40 cm土层速效磷含量，有一定的负效应。表3

表3 不同处理土壤速效养分变化

Table 3 Changes of available soil nutrition with treatments (mg/kg)

处理Treatments速效氮AvailableN速效磷AvailableP速效钾AvailableK0^20cm20^40cm0^20cm20^40cm0^20cm20^40cmCK87.8±3.73c64.3±2.39d88.4±1.39a43.5±0.83a303±3.61d135±3.00d3%生物炭3%BC117.5±3.09b90.3±3.43b81.7±2.72b36.6±0.41b324±0.58c156±0.58c5%生物炭5%BC169.9±4.45a108.1±0.86a73.8±4.08c35.6±0.40b384±1.00b163±0.58b10%生物炭10%BC113.0±3.09b84.1±3.35c70.3±3.59c31.9±1.49c398±1.53a196±1.73a

2.4 小麦秸秆炭施用对玉米产量的影响

研究表明,与对照相比，生物炭施用后可显著增加玉米产量，增加了28.7%～49.2%，其中以生物炭处理(3% BC)的玉米产量最高。图2

图2 不同处理玉米产量变化

Fig.2 Changes of corn yield with treatments

3 讨 论

研究结果表明，生物炭施入到灌耕风沙土土壤后，对土壤pH值影响不显著，可能与小麦秸秆炭本身pH值不高有关。施入的土壤生物炭种类和土壤的pH值是否产生变化有很密切的关系。研究显示，生物炭施用后能增加土壤的pH值和EC值，但对于碱性效果并不明显[6]。Chintala[7]将玉米秸秆施用到酸性土壤和碱性土壤后，结果显示，将3种生物炭施用到酸性土壤后，土壤pH值增加，但施用到碱性土壤后，影响不明显。试验也得到了相同的试验结果。

生物炭可通过吸附营养物质来改善土壤环境[8]，影响营养物质的循环及土壤结构，进而影响作物的产量[9]。房彬等[10]研究表明，生物炭可增加土壤有机质的含量，减少氮、磷和有机碳淋失，进而增加土壤中全氮和有机质的含量。Lgchuk等[11]也研究表明生物炭可以增加土壤中全氮和有机质含量。研究结果表明，小麦秸秆炭施用7 a后，可显著增加灌耕风沙土土壤全氮、有机质的含量。随着生物炭用量的增加，土壤全氮、有机质的含量也随之增加。张晗芝等[12]通过盆栽试验表明，随着生物炭施用量增加，土壤中的有机碳含量也随之增加。张宏等[5]研究结果显示，生物炭能显著增加土壤中全氮和有机质的含量，与研究结果相同。施用生物炭到土壤后有机质含量增加，可能是因为一方面生物炭有着较强的吸附能力，能够吸附土壤中的有机分子，然后通过表面催化活性，可促使小有机分子聚合成为土壤有机质，另一方面生物炭有着自身缓慢的分解能力也能形成腐殖质，提高土壤肥力。

生物炭具有改善土壤理化性状、降低肥料损失等特点[13-14]。Quilliam等[15]研究显示，连续两年施用生物炭后，可显著增加土壤中碱解氮、速效磷和速效钾的含量[16-17]。研究表明，施用生物炭7 a后，可以显著增加0～20 cm和20～40 cm土层土壤速效氮和速效钾含量，该结果与前人研究结果相一致，可能是因为生物炭本身含有较高的速效氮和速效钾含量。Xu等[18]研究表明，在碱性土壤中随着生物炭施入量的增加，土壤对磷的吸附能力变小，速效磷含量随之增加。研究结果与之相反，可能是石灰性土壤中生物炭施用后，土壤对磷的吸附能力会增加，降低了磷的有效性[19]。研究中0～20 cm土层中养分含量高于20～40 cm土层的，其主要原因是玉米根系主要分布在0～20 cm土壤中，玉米收获后，残渣和根系的养分主要存在于0～20 cm土壤中。

4 结 论

4.1 在0～20 cm和20～40 cm土层，与对照相比，施用小麦秸秆炭对灌耕风沙土土壤pH值影响不明显。

4.2 在0～20 cm和20～40 cm土层，与对照相比，施用生物炭后能够显著增加灌耕风沙土土壤全氮、有机质、速效氮及速效钾的含量，在0～20 cm土层分别增加了14.5%～29.6%、48.9%～89.5%、28.7%～93.5%、6.9～31.3%。与对照相比，在20～40 cm土层分别增加了38.1%～56.0%、24.9%～40.1%、30.8%～68.1%、15.6%～45.2%。

4.3 施用生物炭处理能够明显增加玉米产量，增产了28.7%～49.2%。