小麦秸秆生物炭对冬小麦生长及土壤水分的影响

郑云珠 田晓飞 翟胜 白广坤 孙晓萱 王雅冉 王昌泓 孙树臣

摘要：为探明小麦秸秆生物炭对冬小麦生长及土壤水分的影响，通过冬小麦盆栽试验，研究7种生物炭施用量：0（CK）、10（B10）、20（B20）、30（B30）、40（B40）、50（B50）、60（B60）t/hm2对北方潮土区冬小麦株高、生物量及土壤含水量的影响。结果表明，与对照（CK）相比，B10、B30、B40、B60处理下的株高分别显著增加10.01%、14.99%、9.38%、18.94%，B20和B50处理对冬小麦株高提升效果不显著。施用生物炭可分别提高冬小麦的地上干物质量18.97%～34.29%、地下干物质量6.07%～59.62%、总干物质量16.02%～39.89%，但对根冠比没有显著影响。B10处理可以增加冬小麦苗期、拔节期、开花期和灌浆期的土壤含水量，其他生物炭处理下土壤含水量在不同时期均低于对照（CK）。因此，在肥力较高的潮土中，施用低量的小麦秸秆生物炭可以促进冬小麦的生长并增加土壤水分。

关键词：生物炭;冬小麦;小麦秸秆;生长;土壤含水量

中图分类号：S512.1+10.6  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）23-0084-05

生物质炭是生物质原料（包括农业秸秆、林业废弃物、水生植物、禽畜粪便以及工业残留物等生物质[1-2]）在完全缺氧或限氧条件下，通过高温热裂解而形成的一类稳定难溶、具有高度芳香化结构及富含碳的固态物质[3-4]。生物炭一般呈碱性，具有较大的阳离子交换量（CEC）和吸附能力，可以提高土壤的保肥能力[5-6]，同时生物炭比表面积较大、容重小、孔隙结构发达，施入土壤可以改善土壤结构等[7-8]。生物炭生产是废弃物资源得到合理利用、减少环境污染以及改善土壤理化性质的一种有效可行的方式，近年来得到国内外众多学者的关注，被广泛应用于农业领域中[9]。越来越多的研究表明，施用生物炭可以改善土壤环境，增加土壤中有机碳、全氮、速效磷、速效钾等含量，促进作物生长，增加作物产量[10-11]。代快等在赤红壤中研究发现，与对照相比，施用4%生物炭的烤烟产量和水分利用效率分别显著提高46.2%和68.8%[12]。陈芳等研究发现，秸秆炭和谷壳炭对水稻株高、生物量增加的效果比木炭明显[13]。Jones等通过3年的试验研究发现，前2年施用生物炭对作物的株高和生物量没有显著影响，但在第3年作物株高和生物量显著增加[14]。但也有研究发现，施用中、高量生物炭会降低夏玉米的周年产量[15]。因此，因生物炭材料、施炭量、作物种类以及土壤类型等因素不同，生物炭添加后对作物生长的效用还存在一定的差异。

小麥在我国粮食生产中占有重要的地位，是我国重要的粮食作物之一。目前，针对潮土区的多数研究，施用的生物炭多以小麦秸秆以外的材料制作，且对于生物炭是否能够促进作物生长的结论还不一致，而将小麦秸秆炭化后回归冬小麦种植中的研究报道较少。为此，本试验以冬小麦为研究对象，通过盆栽试验，探讨潮土区不同小麦秸秆生物炭施加量对冬小麦生长以及土壤水分的影响，以期为生物炭更好地服务于农业生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2019年在聊城大学土壤生态环境教学科研基地（36°43′ N，116°01′ E）进行。该区位于山东省聊城市，属温带大陆性季风气候，年平均气温约为13.5 ℃，无霜期208 d，年均降水量约为540.4 mm，主要集中在夏季，年内降水季节分配不均。图1反映了研究期内的平均气温和降水量，冬小麦生育期内（2018年11月至2019年6月）的平

均气温为10.2 ℃，总降水量为98.1 mm。

1.2 供试材料

供试土壤为潮土，质地为壤质土，基本理化性质：pH值为8.59，有机质含量为9.220 g/kg、全氮含量为0.568 g/kg、全磷含量为0.411 g/kg、全钾含量为18.987 g/kg、速效磷含量为3.857 mg/kg、速效钾含量为64.820 mg/kg。供试小麦秸秆生物炭由南京智融联科技有限公司提供，裂解温度为500 ℃，基本理化性质：pH值10.20，全碳含量549.06 g/kg，全氮含量11.54 g/kg，阳离子交换量40 cmol/kg，全磷含量2.42 g/kg，全钾含量34.53 g/kg，速效磷含量386.46 mg/kg，速效钾含量20 625.00 mg/kg。供试小麦品种为济麦22。

1.3 试验设计

试验于2018年11月10日冬小麦播种起至2019年6月10日收获止。采用盆栽试验，盆栽桶选用内径为20 cm，高为50 cm的聚氯乙烯（PVC）管，底部用挡板密封，防止水分渗漏。本试验生物炭施用量分别为0、10、20、30、40、50、60 t/hm2共7个处理水平（分别记作CK、B10、B20、B30、B40、B50、B60），每个处理重复5次。盆栽用土全部过 5 mm 筛并自然风干，每个盆栽桶装风干土17 kg，风干土分3次填装，首先装风干土至25 cm处并压实，再装入混合均匀的土壤、肥料和生物炭至盆栽桶 40 cm 高处，播种20粒小麦，盆栽桶中部播种一行，边缘播种2粒，最后覆盖混合均匀的风干土与生物炭5 cm。各盆栽施肥量相同，分别为氮肥（尿素，含氮46%，225 kg/hm2）、磷肥（磷酸二铵，含P2O5 46%，125 kg/hm2）、钾肥（氯化钾，含K2O 60%，90 kg/hm2），50%的氮肥和全部钾肥、磷肥在盆栽时一次性施入作为底肥，50%氮肥在冬小麦拔节期和灌浆期采用水肥一体化技术等量追施，其他管理措施同当地大田。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 植物指标测定 冬小麦株高采用卷尺进行测量，自2018年12月12日至试验结束，每月测定1次，每个盆栽内的株高用全部冬小麦株高的平均值表示。试验结束后，采集所有盆栽全部的整株新鲜冬小麦样品（包括地上部分的茎、叶和地下部分的根系），带回实验室称鲜质量，采用烘干法于 105 ℃ 杀青30 min，之后于75 ℃条件下烘干至恒质量，并计算干物质量和根冠比。

孙海妮等研究发现，添加生物炭处理的小麦地上生物量比对照增加13.3%～21.3%[23]。本试验中，施用生物炭对冬小麦的地上干物质量、地下干物质量和总干物质量均具有促进作用，可提高冬小麦总干物质量16.02%～39.89%。这说明施用生物炭能促进地下根系生长，能够为冬小麦植株提供所需要的水分、养分等，从而提高冬小麦生物量。但代红翠等研究碱性沙土发现，小麦株高、地上部生物量、根质量均随生物炭施用量的增加而呈降低趋势[24]。这与本试验结果不一致，本试验发现B60处理对冬小麦的株高、地下和总干物质量效果最好，没有发现生物炭施用量增加导致生物量降低的现象。谢迎新等研究与本试验相同类型的潮土发现，连续施用生物炭可以增加小麦的生物量[25]。

生物炭本身具有疏松多孔、比表面积大的特性，可以改善土壤的结构性状，增加土壤的持水性和水分利用效率，从而减少水土流失[26-27]。张娜研究发现，当土壤含水量整体水平较低时，施用少量的生物炭可以促进土壤水分的保持[28]。本试验结果与之相似，在冬小麦的拔节期和灌浆期主要依靠降水，土壤含水量整体较低，与对照相比，仅B10处理可以增加土壤含水量，其他生物炭处理土壤含水量均低于对照，这可能是由于生物炭施加量过高，导致土壤孔隙增大，加大了土壤水分的损失。

本试验通过对比分析不同小麦秸秆生物炭施用量对冬小麦生长及土壤含水量的影响，主要得出以下结论：（1）添加生物炭可促进冬小麦株高的生长，冬小麦施用生物炭的株高表现为B60>B30>B10>B40>B50>B20>CK，其中，B10、B30、B40、B60处理下的株高分别比对照显著增加10.01%、14.99%、9.38%、18.94%。（2）与不施加生物炭相比，施用生物炭处理均可提高冬小麦的地上和地下生物量，总干物质量提高16.02%～39.89%，大小表现为B60>B20>B40>B30>B50>B10>CK，对冬小麦的地上秸秆含水量和根冠比的增加也有一定的促进作用，但影响不显著。（3）B10处理土壤含水量在冬小麦的苗期、拔节期、开花期和灌浆期均高于对照，其他生物炭处理均能在冬小麦的4个时期不同程度地降低土壤含水量。

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