水稻秸秆生物炭对江汉平原麦区小麦养分吸收和产量的影响

刘美玲，刘 悦，陈婷婷，邹 娟，史文琦，曾凡松，龚双军，黄振余，刘 威，杨立军，喻大昭

（1农业农村部华中作物有害生物综合治理重点实验室，农作物重大病虫草害防控湖北省重点实验室，湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉 430064；2湖北省农业科学院粮食作物研究所，武汉 430064；3钟祥市石牌镇农业技术服务中心，湖北钟祥 431922）

0 引言

生物炭是由作物秸秆、颖壳、树枝和木屑等农业废弃物在缺氧或少氧条件下高温裂解炭化形成的黑色细小颗粒固体物质[1]。生物炭具有含碳率高、比表面积大、多孔隙、理化性质稳定等特性，能够增加土壤的通气性和持水量[2-3]，提高土壤中氮、磷、钾养分含量[4]，参与土壤环境中磷素循环、影响土壤磷素物质转化和一定程度缓解或改善土壤板结[5]。自20世纪末“生物炭”概念提出以来，各国学者研究普遍认为生物炭在改善土壤理化性质、促进植物养分吸收、提高作物产量，治理环境污染以及增加“农业碳汇”、减少温室气体排放等方面具有重要的作用[6]。

由于生态条件、气候条件以及土壤类型等区域差别，生物炭对作物养分吸收和产量的影响国内外报道不一，但总体上以正向效应居多[6]。Li[7]以及刘欢欢等[8]对小麦、王典等[9]对油菜的试验结果表明，施用生物炭对小麦和油菜分别有明显增产作用；但Zwieten等[10]、Kloss等[11]研究发现施用生物炭造成小麦、芥菜、大麦减产。生物炭施用量的多少、施用年限与产量相关。薛超群等[12]研究显示，施用600 kg/hm2的生物炭能够促进烤烟增产，而施用900 kg/hm2的生物炭则会造成烤烟减产；阚正荣等[13]研究表明，施用生物炭可以减弱冬小麦开花期和灌浆期的光合“午休”，增强光合性能和潜力，提高籽粒产量，但年施用7200 kg/hm2生物炭较施用3600 kg/hm2光合性能有所降低；Madari等[14]试验表明，在生物炭施用的前3年，大豆产量随生物炭用量呈线性增加，但在第4、5年对大豆产量无影响。因此，生物炭对不同作物养分吸收和产量的影响是个复杂过程，受生物炭材料来源的性质、施用量、土壤质地、土壤肥力等多种因素综合影响。钟祥地处江汉平原地区中部，常年稻-麦轮作、土壤类型属中国典型的潮土区。为明确施用生物炭后对小麦营养元素吸收和土壤养分的影响，本研究拟在基施化肥的基础上，采取基施、追施或同时施用生物炭不同剂量，比较该区域土壤不同生物炭处理对小麦籽粒和茎叶养分吸收、土壤养分含量以及对小麦产量的影响，以期为秸秆生物炭在江汉平原稻茬麦潮土区合理利用提供一定科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2018年10月至2019年6月在湖北省钟祥市石牌镇三喜村（北纬112.50°N，东经30.97°E）进行。该点属于亚热带季风性湿润气候，四季分明、降雨充足。土壤类型为潮土，质地为粘壤。种植模式为水稻-小麦轮作，水稻、小麦秸秆全量还田。土壤基本理化性质如下：pH 6.7，有机质含量为44.23 g/kg，全氮为2.92 g/kg，速效钾为216.77 mg/kg，速效磷为20.62 mg/kg。

供试生物炭由湖北金日能源股份有限公司生产，制备原料为水稻秸秆，原料经粉碎过20目筛及木醋液消毒后，在裂解炉、厌氧环境下热裂解所得。供试生物炭有机质为644.67 g/kg、全氮为13.65 g/kg、全磷为6.39 g/kg、全钾为6.14 g/kg、碱解氮为14.50 mg/kg、速效磷152.47 mg/kg、速效钾为4511.33 mg/kg，pH 7.95。供试化肥由武汉合缘绿色生物股份有限公司生产，氮磷钾总用量为267 kg/hm2（N-P2O5-K2O:15-7-8）；小麦品种‘郑麦9023’，为当前湖北省主推品种。

1.2 试验设计和实施

所有处理均在播种期基施化肥的基础上进行设置，包括生物炭不同剂量在播种前基施、在小麦返青拔节期追施、或在两个时期同施以及设置不施生物炭等共计7个处理（表1）。每个处理4次重复，小区面积414 m2（长23 m×宽18 m），随机区组排列。对于基施生物炭处理，在播种的前一天先按设计用量进行人工均匀撒施，播种当日所有处理再采用种肥一体播种机进行旋耕条播（2018年10月27日），播种量为225kg/hm2；对于追施生物炭处理，在返青拔节期（2019年4月11日）按设计用量人工均匀撒施。其余田间操作均按当地大田生产进行。

表1 试验田处理设置

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 植株养分的测定 小麦腊熟期，每小区三点随机采取单行30 cm长度的小麦整株样（齐土表剪下），脱粒后分别将籽粒和茎叶混匀装袋，置于恒温烘箱105℃，30 min杀青后85℃烘至恒重，测定小麦籽粒和秸秆茎叶中氮、磷、钾含量。全氮采用H2SO4-H2O2消煮奈氏比色法，全磷采用钒钼黄比色法，全钾采用火焰光度计法测定[15]。

1.3.2 土壤养分含量 小麦收获后，每小区随机5点取0～25 cm土层样，混合铺平阴干后，测定土壤全氮、速效磷、速效钾、有机质含量及pH，测定方法参照鲍士旦[15]方法进行。

1.3.3 小麦产量测定 小麦腊熟期，每小区采用“1米双行法”[16]随机收取小麦穗头进行室内考种，调查总穗数、穗粒数和千粒重；每小区采用大型收割机实收测鲜重产量，并随机选择3个小区称量1 kg小麦籽粒，去杂、晒干后计算矫正系数，计算各小区实际产量。

1.4 统计分析

参照刘红恩等[17]方法计算各元素积累量、各元素总吸收量、生物学产量和收获指数，其中：

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0进行统计分析，用Duncan氏新复极差法进行处理间差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对小麦氮素吸收和累积的影响

生物炭对小麦籽粒、茎叶中氮含量，氮积累量以及氮总积累量的影响结果见表2。从表2可看出，施生物炭各处理籽粒和茎叶内的氮含量和氮积累量均较不施生物炭处理有所增高，其中氮总积累量各施生物炭处理均显著高于不施生物炭处理(P＜0.05)；基施及追施生物炭13500 kg/hm2处理(A2+B2)的小麦籽粒、茎叶氮积累量以及氮总积累量最高，分别为221.5 kg/hm2、70.4 kg/hm2和291.9 kg/hm2，分别较不施生物炭处理增加了20.3%、11.9%和18.2%。同一时期生物炭不同施用量处理之间相比，随着生物炭用量增大，籽粒和茎叶植株内氮含量、氮积累量之间有增高的趋势，但差异未达显著水平(P＞0.05)。

表2 施用不同量生物炭处理小麦氮含量和积累量

2.2 施用生物炭对小麦磷素吸收和累积的影响

生物炭对小麦籽粒、茎叶中磷含量、磷积累量以及磷总积累量的影响见表3。从表3可看出，各施生物炭处理小麦籽粒内磷含量有所升高，茎叶内磷含量略有升高，但均未达显著水平(P＞0.05)。对于小麦籽粒中磷积累量，以追施生物炭9000 kg/hm2处理(B1)最高(47.1 kg/hm2)，比不施生物炭(CK)提高了19.8%，且生物炭基施13500 kg/hm2(A2)、追施9000 kg/hm2(B1)以及基施和追施13500 kg/hm2(A2+B2)三个处理磷积累量均显著高于不施生物炭处理(P＜0.05)；对于茎叶内磷积累量，施生物炭处理较不施生物炭处理均有所升高，以基施和追施生物炭13500 kg/hm2处理(A2+B2)最高(14.8 kg/hm2)，较CK增加了34.5%，但施生物炭与不施生物炭间差异不显著(P＞0.05)；对于总积累磷量，以基施和追施生物炭13500 kg/hm2处理(A2+B2)最高(62.5 kg/hm2)，较CK显著增加了24.0%(P＜0.05)。同一时期施用不同量生物炭处理之间相比，随着生物炭用量增大，籽粒和茎叶植株内磷含量、磷积累量之间有增高的趋势，但各处理间差异不显著(P＞0.05)。

表3 施用不同量生物炭后小麦磷含量和积累量

2.3 施用生物炭对小麦钾素吸收和累积的影响

生物炭对小麦籽粒、茎叶中钾含量、钾积累量以及钾总积累量的影响见表4。从表4可看出，各施生物炭处理小麦籽粒内钾含量略有升高，但未达显著水平(P＞0.05)；茎叶内钾含量有明显升高，生物炭基施9000 kg/hm2(A1)、追施9000 kg/hm2(B1)以及基施和追施13500 kg/hm2(A2+B2)三个处理均显著高于不施生物炭对照(P＜0.05)；施生物炭后，小麦籽粒、茎叶内钾积累量以及钾总积累量明显升高，生物炭基施13500 kg/hm2(A2)、基施和追施13500 kg/hm2(A2+B2)两个处理积累量均显著高于不施生物炭处理(P＜0.05)。所有处理中，以基施及追施生物炭13500 kg/hm2处理(A2+B2)小麦籽粒中钾积累量最高(54.2 kg/hm2)，比CK提高了12.4%；总吸钾积累量最高为280.4 kg/hm2，较CK增加了13.7%；以追施生物炭9000 kg/hm2处理小麦茎叶中钾积累量最高为1.55%，较CK增加26.0%。同一时期施用不同量生物炭处理之间相比，籽粒和茎叶植株内钾含量、钾积累量之间没有明显的变化规律。

表4 施用不同量生物炭后小麦钾含量和积累量

2.4 生物炭对土壤有机质及养分的影响

生物炭对土壤pH、有机质含量以及土壤养分的影响见表5。结果表明，土壤的pH随生物炭的施用有所升高，且生物炭施用量越多和施用时间越迟，土壤pH提高越多。土壤有机质含量与生物炭的施用量呈正相关趋势，生物炭的施用量越大，土壤有机质含量越高。基施及追施13500 kg/hm2生物炭处理(A2+B2)土壤有机质含量和速效磷最高，较对照处理(CK)分别显著提高45.0%和26.0%；基施及追施9000 kg/hm2生物炭处理(A1+B1)次之，分别显著提高了27.7%和25.7%(P＜0.05)。施用生物炭后，土壤速效钾含量均有所升高，但都均未达显著水平；全氮含量各处理间基本没有变化。

表5 施用不同量生物炭下土壤有机质及养分状况

2.5 生物炭对小麦农艺和产量性状的影响

室内考种调查农艺和产量性状数据见表6。结果表明，与不施生物炭处理相比，生物炭对小麦的株高、结实率有正向促进作用，施用生物炭的各处理株高均有所增高，结实率更高，但均未达到显著水平；对小麦穗长有抑制作用，穗长显著降低。在产量性状方面，施用生物炭处理公顷穗数、穗粒数与不施生物炭处理之间无明显变化规律，但施用生物炭各个处理千粒重均显著增加(P＜0.05)，且基施及追施13500 kg/hm2生物炭处理(A2+B2)千粒重增加最多，增重8.8 g，增重率26.1%。各生物炭处理的株高、穗长、结实率、公顷穗数、穗粒数和千粒重各项指标间，无明显变化规律且差异不显著(P＞0.05)。

表6 不同处理对小麦农艺及产量性状的影响

2.6 生物炭对小麦产量的影响

室内考种测定籽粒产量、生物学产量、收获指数以及田间实际测产数据结果见表7。从表7可看出，各施生物炭处理的籽粒产量均高于不施生物炭处理籽粒产量，且基施 13500 kg/hm2(A2)、追施9000 kg/hm2(B1)、基施并追施13500 kg/hm2(A2+B2)三个处理小麦籽粒产量显著高于不施生物炭籽粒产量(P＜0.05)；各处理生物学产量之间变化不明显；各施生物炭处理的收获指数较不施生物炭处理有所提高，但差异均不显著(P＞0.05)；对于田间实际测产，各生物炭处理均显著增高了小麦实际产量(P＜0.05)，其中以基施并追施13500kg/hm2处理(A2+B2)提高最多，提高了1164.0kg/hm2，增幅达29.5%；基施13500 kg/hm2处理(A2)次之，提高760.6 kg/hm2，增幅19.3%，均达到显著水平(P＜0.05)。

表7 不同处理对小麦产量的影响

3 讨论与结论

多数研究显示，施用生物炭可提高作物对氮、磷、钾等元素的吸收。Mohan等[18]研究表明施用生物炭有助于提高土壤肥力和碳固存；姜佰文等[19]研究显示施用生物炭同时减少肥料能提高玉米籽粒中氮、磷、钾的积累量；张宏等[20]研究表明，有机肥和配施生物炭比单独施用有机肥小麦植株中氮、磷、钾的总积累量显著提高。但也有研究表明，施用生物炭不能提高作物对营养元素的吸收反而有抑制作用。潘复燕等[21]发现施用生物炭后小麦磷含量和积累量下降，磷元素的吸收被抑制；陈心想[22]研究显示高剂量60000 kg/hm2生物炭降低了小麦对土壤中磷元素的吸收。造成以上结果的差异可能与土壤类型、生物炭制炭材料不同以及生物炭用量有关[6]。本研究结果支持秸秆生物炭促进了小麦植株对氮、磷、钾元素吸收的结论。

生物炭因其固有的多微孔结构、较大的比表面积以及施入土壤后表面带有大量阳离子交换基团等特性，能够抑制土壤氮磷养分淋失，能够改善土壤性质、提高肥料利用率，从而促进了植物生长和增加作物产量。Niu等[23]在潮土中施用3～12 t/hm2的生物炭可增加小麦籽粒产量16.6%～25.9%；与单独使用肥料相比，微酸性的土壤中添加生物炭可使小麦产量增加20%～30%[24]。Lehmann等[25]在总结全球各地开展的相关研究时发现，当生物炭施用量在50 t/hm2以下时，对作物产量的作用基本都是正向的。本研究设置的基施、追施或者基追同施等处理生物炭的施用量为9～27 t/hm2，可提高小麦产量11.2%～29.5%，支持了以上结论。但本试验显示，最终产量与生物炭施用量和施用时间没有明显规律性，这可能与生物炭只施用了一个生长季节年限太短以及试验地本身的土壤肥力较高有关，下一步需在江汉平原稻茬麦区选择不同的土壤肥力水平配施不同剂量生物炭进一步加以研究。

生物炭的施用可改善土壤理化性质、增加土壤有机质含量，且有机质含量的提升与生物炭施用量多少呈正相关[26-28]。生物炭具有较强的稳定性，不易被矿化和分解，在潮土中的年平均分解率为3.52%～5.68%[29]，其提高土壤有机质机理在于生物炭能在表面吸附土壤中不稳定有机碳抑制其矿化，并促进吸附的有机分子聚合形成有机质有关[30]。本实验中，基施及追施13500 kg/hm2生物炭处理土壤有机质、速效磷含量最高，且随生物炭量的增加，有机质含量增高，支持了以上结论。土壤是复杂的有机和无机复合体，土壤养分变化是各种因素综合作用的结果。有研究显示，生物炭能缓慢释放自身营养元素补充土壤养分含量，疏松结构有利于土壤肥力保持[31]、生物炭可提高土壤中速效磷、速效钾含量，且生物炭的施用量与速效磷、速效钾含量正相关[32]。本研究结果中，施用生物炭后土壤速效磷、速效钾的含量均有所提升，但速效钾的含量提升都没有达到显著水平，具体原因亦尚需进一步研究。

本研究结果表明，施用生物炭促进了小麦植株对氮、磷、钾元素的吸收，提高了土壤有机质和速效磷含量，且随生物炭施用量增大，小麦植株的氮磷钾养分总吸收积累量、土壤pH、土壤有机质以及速效磷含量增高；施用生物炭对小麦株高、结实率、千粒重、收获指数有正向促进作用。本研究结果为湖北江汉平原潮土区施用生物炭对小麦营养元素吸收以及土壤营养变化提供了数据信息。