生物炭对夏玉米农田土壤有效养分垂直分布及作物利用的影响

俞若涵，姚 奇，杨明晓，王殿武，王 洋

（河北农业大学资源与环境科学学院，河北 保定 071000）

华北平原是我国重要的粮食生产基地，冬小麦-夏玉米轮作是该地区的主要种植方式。目前，由于华北平原地区土壤肥力低、施肥不当导致养分比例失调、作物产量不稳等问题［1］。生物炭作为土壤改良剂，吸附养分离子以减少土壤有效态氮、磷、钾的流失，并通过解析作用缓慢释放养分从而更好地供给作物生长所需［2］。在提升土壤质量，保持土壤肥力等诸多方面可发挥积极作用，室内研究发现生物炭能够解析18%～31%的NH4+［3-8］，且降低养分淋溶［9-10］，本文是在田间条件下加以验证。

夏玉米地上部氮、磷养分累积量在其全生育期持续增加，主要累积阶段在抽雄期，成熟期达到最大［11］。前人研究大多针对成熟期一个时期得出整个玉米季作物及土壤养分变化情况，未能反映出夏玉米养分的动态累积过程。且有关生物炭对土壤养分的影响研究多集中在耕层土壤［12］，而0～100 cm土层深度的养分垂直分布及运移研究尚少。为此，本研究通过无机肥与不同水平的生物炭配施，以揭示其对夏玉米农田土壤0～100 cm有效养分垂直分布及作物吸收利用的影响，旨在探明我国华北农田生物炭的合理施用量，为实现作物高产高效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试 验 区 位 于 河 北 省宁 晋县（114 °59′E，37°36′N），该区属于暖温带大陆性气候区，年平均温度和年平均降水量分别为13℃和501 mm，年均无霜期约200 d。夏玉米田间试验开展于2017年6月20日至9月30日，气温与降水情况见图1。

1.2 供试材料

1.2.1 供试土壤

供试土壤为中壤质潮褐土，表层土壤容重为1.5 g/cm3，pH为8.0，有机质含量为15.8 g/kg，供试土壤0～100 cm土层的化学性质见表1。

表1 供试土壤基本化学性质

1.2.2 供试生物炭

供试生物炭以果木废弃枝条为原料，在600℃高温厌氧条件下热解制备，全氮含量为0.5 g/kg，全磷含量为0.9 g/kg，有效磷含量为89.3 mg/kg，有效钾含量为251.0 mg/kg。

1.2.3 供试作物

供试夏玉米品种为伟科966。

1.2.4 供试肥料

采用掺混肥作基肥于种植玉米前一次性施入，折合成纯养分用量N、P2O5和K2O分别为156、30和54 kg/hm2。

1.3 方案设计

田间试验共设4个处理，在化肥施用量一致前提下，添加0（B0F）、5（B5F）、10（B10F）和20 t/hm2（B20F）生物炭，各处理设置4次重复，采用随机区组排列，每小区面积34.2 m2（9.5 m×3.6 m）。生物炭于2017年夏玉米播前一次性撒施于土壤表层并通过翻耕使生物炭与耕层（0～20 cm）土壤混匀，玉米季浇水两次，压苗水一次灌水量450 m3/hm2，拔节水一次灌水量600 m3/hm2，田间管理按当地常规管理方法进行。

于抽雄期和成熟期在每个小区按五点采样法分层（0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm）采集土壤样品，相同层次的土壤混合为一个样品后一部分于4℃冰箱保存，剩余部分风干过筛保存。

抽雄期和成熟期采集植物样品，每小区随机选取3株有代表性的夏玉米植株，自基部剪下，抽雄期分成茎、叶、苞叶、籽粒4部分，成熟期分成茎、叶、苞叶、轴、籽粒5部分，烘干后称重，用于分器官测定植株全氮、全磷、全钾养分含量和地上生物量。另外，每小区随机采集3个沿玉米种植行2 m长度地上部植株样品，分别装入网兜用于测定产量及产量相关指标。

1.4 测试项目及方法

生物炭和土壤样品的硝态氮、铵态氮含量用连续流动分析仪测定；全氮含量采用凯氏法测定；全磷含量采用钼锑抗比色法测定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用1 mol/L NH4OAC浸提，火焰光度法测定。

植物样品的全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；全磷含量采用钼锑抗比色法测定；全钾含量采用火焰分光光度法测定。土壤养分累积量计算公式为：

式中：A为土壤养分累积量（kg/hm2）；h为土层厚度（cm）；ρ为土壤容重（g/cm3）；C为养分浓度（mg/kg）。

1.5 统计方法

采用Excel 2010进行数据处理和制图，采用SPSS 19.0进行数据的正态分布检验和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤有效养分垂直分布的影响

2.1.1 生物炭对硝态氮和铵态氮垂直分布的影响

随生物炭施用量的增加，0～100 cm各土层土壤硝态氮含量整体表现为B5F＞B10F＞B0F＞B20F的趋势，各处理土壤剖面的硝态氮含量均随土层深度的增加而减小，并于40～60 cm出现累积峰（图2）。在抽雄期，0～20 cm土壤硝态氮含量介于6.3～10.5 mg/kg，B5F显著高于B0F、B10F和B20F，分别显著增高46.8%、18.2%和67.1%；在40～60 cm的累积峰层，B0F、B5F、B10F、B20F处理硝态氮含量分别为2.6、4.6、4.1和3.0 mg/kg，B5F处理硝态氮含量显著高于B0F、B10F和B20F，分别显著增高75.6%、13.1%和51.5%（P＜0.05）。在成熟期，土壤硝态氮0～100 cm的累积量于B5F达到最大值51.9 kg/hm2。

土壤铵态氮含量在夏玉米不同生育期均表现为施用生物炭后显著提高，各处理呈现B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趋势，土壤铵态氮0～100 cm剖面分布在40～60 cm处出现累积峰（图3）。与B0F相比，B5F处理0～20、20～40和40～60 cm土层铵态氮含量在两个时期平均分别显著升高36.3%、47.4%和37.1%，60 cm以下土层铵态氮浓度维持在小于3.6 mg/kg的较低水平且各处理无显著差异。成熟期土壤铵态氮在0～100 cm的累积量于B5F达到最大值52.2 kg/hm2，较B0F、B10F和B20F分别显著提高37.3%、18.0%和33.1%（表2）。

表2 夏玉米成熟期0～100 cm土壤有效态养分累积量（kg/hm2）

2.1.2 生物炭对有效磷垂直分布的影响

随生物炭施用量的增加，土壤有效磷含量呈现B5F＞B10F＞B0F＞B20F的趋势（图4）。在0～100 cm土壤剖面上，表层（0～20 cm）土壤有效磷含量最高，占剖面有效磷总含量的56.6%～73.5%，20 cm以下土壤有效磷含量迅速下降，除成熟期40～60 cm处出现累积峰外，土壤有效磷含量均维持在小于5.0 mg/kg水平。与B0F相比，B5F处理0～20和40～60 cm土壤有效磷含量在抽雄期分别显著升高32.3%和44.5%，并在成熟期分别显著升高43.2%和66.4%。成熟期土壤有效磷在0～100 cm的累积量于B5F达到最大值121.2 kg/hm2，且显著高于其他处理，较B0F、B10F和B20F分别显著提高43.5%、25.7%和16.4%（表2）。

2.1.3 生物炭对速效钾垂直分布的影响

在抽雄期和成熟期，土壤速效钾含量整体呈 现B5F＞B20F＞B0F＞B10F的 趋 势（图5），土壤速效钾在20 cm土层以下迅速下降，土壤剖面40～60 cm处出现累积峰。抽雄期，与B0F相比，B5F处理在0～20、20～40和40～60 cm土层速效钾含量平均升高3.6%，60 cm以下土层速效钾含量维持在小于126.3 mg/kg的较低水平。成熟期，与B0F相比，B5F处理0～60 cm土层速效钾含量平均升高15.3%，60 cm以下土层速效钾含量维持在小于62.7 mg/kg的较低水平，表明土壤速效钾主要淋溶至60 cm土层。成熟期0～100 cm土层土壤速效钾累积量在B5F达到最大值（1184.3 kg/hm2）且显著高于其他处理，较B0F、B10F和B20F分别显著提高17.6%、19.2%和33.7%（表2）。

2.2 生物炭对夏玉米养分吸收及产量的影响

与B0F相比，B5F可以显著提高抽雄期和成熟期夏玉米氮、磷累积量（表3）。抽雄期内，与B0F相比，B5F和B10F的地上部生物量显著增加，B5F的氮、磷累积量分别显著提高58.2%和42.5%，B10F和B5F的钾累积量分别显著升高36.0%和67.6%，B20F、B10F和B5F的籽粒含氮量和含钾量分别显著提高20.9%、36.6%、49.5%和17.9%、33.3%、56.0%，但只有B10F和B5F的籽粒含磷量显著提高，分别显著提高了21.6%和29.7%；成熟期内，与B0F相比，B5F的地上部生物量、籽粒氮、磷含量及氮、磷累积量分别显著提高13.5%、28.6%、33.3%、44.3%和40.8%，B10F、B20F未表现出显著差异。

表3 生物炭对玉米成熟期各器官养分吸收的影响

B5F比B0F的籽粒产量显著增加24.1%，但随着生物炭施用量的增加并未达到持续提升作物产量的目的，B10F、B20F与B0F相比未表现出显著差异，说明夏玉米产量构成因素（穗数、百粒重和穗粒数）受不同水平生物炭施用影响并不显著（表4）。

表4 不同处理对夏玉米产量和产量要素的影响

3 讨论与结论

在土壤有效养分垂直分布上，不同水平生物炭处理于抽雄期和成熟期均在40～60 cm处出现累积峰，说明在该季节的降雨和灌溉作用下，有效养分集中迁移到40～60 cm土层。

在0～60 cm土层，B5F、B10F和B20F处理各有效养分含量均高于B0F处理，可见，生物炭对土壤速效养分有吸附作用，并缓慢释放，可以减少由于降水灌溉对土壤养分的流失，增加土壤中速效养分含量。然而，B5F处理的有效养分含量高于B10F和B20F处理，这说明中高量生物炭施入土壤导致土壤高C/N，加剧了土壤中有效态养分的微生物固定［13-14］，引发微生物与作物对氮养分的竞争，从而减少地上部生物量和吸氮量。此外，Yao等［15］指出中高量生物炭施用会引入大量的碱金属离子到土壤中，特别是Ca2+，促进磷酸根沉降反应从而引起土壤有效磷的化学固定［16］，这可能是中高量生物炭施用降低土壤中有效磷含量的原因。

生物炭具有缓控作用，在一次性施用大量化肥情况下，通过生物炭的吸附-解吸过程，使肥料的释放过程更加符合作物养分吸收变化，使作物养分吸收累积得到了增强。本研究发现，向土壤中施入一定范围内生物炭可显著促进作物的生长发育，从而为作物的增产增收奠定基础。但当施用量达到一定量后，增产效果呈减弱趋势，与前人的研究结果相同［17-20］。这可能是由于过量生物炭施用下，提高土壤中的C/N，加剧了速效养分的生物固定，土壤微生物与作物竞争有效态养分，进而抑制作物生长发育，减弱产量的增加［15］。

在施用化肥一致的情况下，低量生物炭（5 t/hm2）施用显著提高夏玉米抽雄期和成熟期土壤0～100 cm氮、磷和钾有效养分垂直分布和氮、磷、钾养分吸收量，并显著提高产量24.1%；而高量生物炭抑制夏玉米养分的吸收，也不能增加产量。因此，华北地区夏玉米单季生物炭施用量以5 t/hm2为宜。