生物炭在马铃薯生产中的应用研究

汤云川，陈 涛，桑有顺，冯 焱，淳 俊，李 倩，杨 洪

(成都市农林科学院,成都 温江 611130)

中国是农业大国，也是秸秆生产大国，随着粮食产量的稳步增长，农作物秸秆广泛分布在农村地区。据统计，截止2015年，我国主要农作物秸秆资源量为7.19亿t[1]，富含氮、磷、钾大量元素以及中微量元素，同时也是重要的碳素储备库。但由于缺乏切实可行的处理技术，我国农作物秸秆资源利用效率较低、经济效益差。每年通过焚烧处理的秸秆超过2亿t，损失的氮、磷、钾资源量相当于全国化肥总产量的60%左右[2]，不仅造成秸秆资源的大量浪费，也引发严重的环境污染，如何提高农作物秸秆综合利用率愈发受到人们关注。

近年来，利用高温厌氧热裂解技术处理秸秆废弃物，制备生物炭及其衍生物的秸秆资源化利用方法，因其突出的生态环境效应和增产作用，受到业内广泛关注。生物炭是秸秆等农林副产物在厌氧条件下，经高温热裂解产生的富炭固体[3]。因其富含有机碳和一定的矿质养分，具有疏松孔隙结构和较大比表面积，吸附能力强，施用于土壤可有效改善土壤理化性质，提高土壤肥力、增加作物产量。

目前成都市马铃薯播种面积常年稳定在4～5.3万hm2左右，已经涌现了一批适度规模化经营业主[4]。但由于化肥连年过量施用，造成土壤板结、酸化，马铃薯增产提质面临较大阻力。许多文献资料已经显示，施用生物炭后，水稻、小麦、玉米、大豆增产效果明显[5-7]。但在成都范围内，未见生物炭施用后，对马铃薯产量影响方面的报道。生物炭的农业应用效果多集中为正面效应，在成都平原特定耕种条件下，生物炭的施用效果值得探索。为此，笔者通过设置生物炭用量试验，以期为生物炭在马铃薯生产中的应用推广提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于崇州市羊马镇福田村成都市农林科学院羊马农林科技创新基地，海拔420m，年均降雨量880 mm，地势平坦，水旱轮作，前茬休耕，肥力均匀。试验地土壤为水稻土，质地为中壤。pH值为5.81，全氮1.83 g/kg，全磷1.37 g/kg，全钾25.77g/kg。

表1 生物炭基本性质

1.2 试验设计

供试品种为费乌瑞它，用种量为400kg/667m2，播种密度为4000株/667m2；生物炭生产原料为烟秆，裂解温度为580～680℃；试验所用肥料为常规复合肥，总养分含量为51%，氮磷钾养分配比为N-17、P2O5-17、K2O-17。生物炭基本性质见表1。

表2 各处理试验设计

表3 马铃薯产量构成因素与叶绿素相对含量联合方差分析

注：*表示差异达到显著性水平P<0.05。

试验共设置6个处理(表2)，每个处理重复3次，小区面积为13.34m2，相邻小区间隔1m，采用两因素随机区组设计，其中复合肥用量2水平、生物炭用量3水平。每小区4垄，垄距85cm。肥料与生物炭人工掺混后，于播种时一次性条施，不进行追肥，与大面积生产相同。

1.3 试验实施及田间管理

试验于2018年12月15日深翻旋耕平整后，12月20日平作起垄，采用双行错窝播种。播种后及时喷施芽前除草剂，并覆膜抗冻。进入翌年惊蛰后，及时揭膜，根据土壤墒情进行灌溉，做好晚疫病防控。待田间马铃薯茎叶50%黄化后及时收获。本试验于2019年4月28日进行收获。

1.4 数据采集及测算方法

马铃薯现蕾期利用手持叶绿色测定仪，测定叶片倒4叶顶小叶的SPAD值；收获后，每小区采集10株调查单株结薯数、单株薯重、单薯重等产量构成因素指标；每小区单独进行称重测产，并统计商品薯率(50g以上的薯块计入商品薯重量)。

2 结果与分析

2.1 产量构成因素和叶绿素相对含量的联合方差分析

马铃薯叶绿素相对含量与产量构成因素联合方差分析结果显示(表3)，除单株结薯数外，复合肥对各指标均有显著性影响；生物炭对单株薯重、单株结薯数有显著性影响。复合肥与生物炭互作均未对上述指标产生显著效应。

2.2 添加生物炭对叶绿素相对含量的影响

在复合肥和生物炭的双重影响下，各处理间叶片SPAD值有显著差异(图1)。具体来看，施肥水平对叶绿素相对含量有较大影响，随着肥料施入，叶绿素含量显著高于相同生物炭用量水平的不施肥处理。在相同施肥水平条件下，随着生物炭用量的增加，叶片SPAD值呈略微下降趋势，但未达到显著性差异，显示提高生物炭用量会降低叶绿素相对含量。

注：不同字母表示有显著性差异(P<0.05)

2.3 添加生物炭对产量构成因素的影响

由表4可知，施肥与否显著影响单薯重，生物炭从低到高3个用量水平，施肥处理单薯重较不施肥处理分别提高34.68%、42.49%、38.84%；从表中数据来看，相同施肥水平，随着生物炭用量的增加，单薯重先增加后降低，但添加生物炭后，单薯重均高于不添加生物炭的处理；施肥量为零时，添加生物炭后，单薯重分别提高6.47%和2.83%；施肥量为80kg/667m2时，添加生物炭后，单薯重分别提高12.64%和5.99%。当生物炭用量为100kg/667m2时，不施肥和施肥处理的单薯重均达到最大值，分别为87.37g和124.49g。

表4 添加生物炭对产量构成因素的影响

注：不同字母表示有显著性差异(P<0.05)

表5 各处理产量情况

施肥后，单株结薯数普遍下降，不同处理间单株结薯数受生物炭用量水平呈现显著性差异。在同一施肥水平，单株结薯数随着生物炭用量的增加而大幅减少。生物炭用量为100kg/667m2时，单株结薯数比未添加生物炭的处理分别下降14.00%(不施肥)和16.66%(复合肥用量80kg/667m2)；当生物炭用量达到200kg/667m2后，单株结薯数分别较未施用生物炭的处理下降22.00%(不施肥)和27.08%(复合肥用量80kg/667m2)。

单株薯重在施肥后显著提升，但受单薯重和单株结薯数变化规律的影响，相同施肥水平情况下，随着生物炭用量的增加，单株薯重逐渐降低，当生物炭用量达到200kg/667m2时，与未施用生物炭的处理有显著性差异。

施用生物炭后，大中薯率有小幅提升，但在相同施肥水平，大中薯率未随生物炭用量的变化出现显著性差异。

2.4 各处理产量情况

添加生物炭后，无论施肥与否，产量呈下降趋势，且随生物炭用量的增加，逐渐减少。总体来看，施肥后，产量较不施肥处理提升18.17%～31.27%，差异显著。复合肥用量为零的条件下，不施用生物炭的折合产量达到1764.17kg/667m2，当生物炭用量增至200kg/667m2时，产量降到最低，且与不施用生物炭的处理间产生显著性差异，产量下降幅度为11.94%；在复合肥用量为80kg/667m2的情况下，生物炭用量从100kg/667m2增至200kg/667m2，产量下降幅度从14.36%增至20.73%，产生显著性差异。

3 讨论

该试验验证了生物炭在马铃薯生产中的实际应用效果，生物炭在作物增产、改善品质等方面的促进作用已有大量报道。任少勇研究表明，添加生物炭后，马铃薯单薯重、单株结薯数、大中薯率、最终产量均有大幅提升，且上述指标随生物炭用量的增加依次递增[8]。本试验研究结果表明，无论施肥与否，添加生物炭后，单薯重均有一定幅度提升，这可能与生物炭提高了马铃薯生长后期同化产物的积累，从而增加了单薯重。但与任少勇研究结果不同的是，单薯重并未随生物炭用量的增加而依次提高，反而随生物炭用量增加而有所减少。

单株结薯数在添加生物炭后明显降低，结合SPAD值可以看出，添加生物炭后叶片相对叶绿素含量均有所降低，这有可能是生物炭施入土壤后，生物炭因其高强度的吸附性能，固定了一部分养分。其次生物炭提高了碳氮比，造成土壤中的微生物与植株争氮，植株氮素供应不足，从而在前期影响块茎形成，单株结薯数大幅减少。在以上2个方面原因的综合作用下，添加生物炭后，造成单株薯重均显著减少，且随生物炭用量水平提升而递减，导致最终产量也出现类似演变规律。

4 结论

该试验结果表明，无论施肥与否，添加生物炭后，单株薯重、大中薯率均有所增加，但随生物炭用量增加而降低。低剂量生物炭(100kg/667m2)施用后，单薯重分别提高6.47%(不施肥)和12.64%(复合肥用量80kg/667m2)，大中薯率分别提高2.33%(不施肥)和2.98%(复合肥用量80kg/667m2)；高剂量生物炭(200kg/667m2)施用后，单薯重分别提高6.47%(不施肥)和12.64%(复合肥用量80kg/667m2)，大中薯率分别提高2.83%(不施肥)和5.99%(复合肥用量80kg/667m2)。单株结薯数在添加生物炭后均明显减少，且生物炭用量越多，对结薯数的抑制愈发明显。从而导致最终产量与未添加生物炭的处理明显下降，生物炭用量越高，下降幅度越大。低剂量生物炭(100kg/667m2)，最终产量分别降低6.62%(不施肥)和11.94%(复合肥用量80kg/667m2)；高剂量生物炭(200kg/667m2)，最终产量分别降低14.36%(不施肥)和20.73%(复合肥用量80kg/667m2)，差异达到显著。

由此可见，添加生物炭对提高马铃薯单薯重、大中薯率有一定的促进作用，但随生物炭用量的增加，土壤碳氮比提高，土壤微生物与植株争氮竞争加剧，影响块茎形成，对单株结薯数有显著抑制的负面效应，并导致最终产量随生物炭剂量的增加而大幅下降。因此，在生产中应考虑将生物炭施入时间后移，并建议采用螯合制备工艺，将生物炭与肥料制备成炭基肥，以进一步探明施用效果。