不同类型生物质炭基肥对玉米增产效应研究

杨丽 刘元生 卜通达 陈祖拥

摘 要：在盆栽条件下通过对黄砂土、黄泥土、大泥土三种种植玉米的旱地土壤，施用不同数量的生物质炭及适量的肥料，探讨生物质炭与肥料配合对玉米产量的影响。试验结果表明：在旱地上生物质炭配合复合肥施用后，黄砂土、黄泥土、大泥土上玉米的产量提高了20.7%～61.2%;而生物质炭配合有机肥施用后玉米的产量则提高了21.0%～94.8%。黄砂土、黄泥土、大泥土上生物质炭附着营养液施用也能显著地提高玉米产量，比对照增加了10.4%～81.0%。生物质炭与肥料配合施用可以明显地提高玉米产量，特别是与有机肥配施。

关键词：黄壤;玉米;生物质炭;施肥;产量

中图分类号：S688.4

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2021）02-0009-07

国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.02.002

Abstract：A pot experiment was conducted to investigate effects of different biomass carbon and fertilizerapplication on the maize yield，by applying different amounts of biomass charcoal and appropriate amount of fertilizer to three dryland soils of yellow sandy soil，yellow soil and the lime soil for growing maize.The results showed that the yield of maize in yellow sand soil，yellow soil and lime soil increased by 20.7% ～ 61.2% after biomass charcoal combined with compound fertilizer on dry land.The yield of maize increased by 21.0% ～ 94.8% after biomass charcoal combined with organic fertilizer.The application of biomass carbon attached nutrient solution on yellow sand soil，yellow soil and lime soil could also significantly improve the maize yield，which increased by 10.4% ～ 81.0% compared with the control.The combination of biomass charcoal and fertilizer could obviously improve the yield of maize，especially the combinationwith organic fertilizer.

Keywords：yellow soil;maize;biomass charcoal;fertilization;production

我国是一个农业大国，目前已成为农业废弃物产出率最大的国家[1]，传统农业长期以来直接将农业废弃物通过焚烧或直接就地还田等粗放的方式处理，不仅不利于资源的有效利用，还严重污染空气，对生态环境造成极大影响。将农业废弃物在高温厌氧环境下转化为生物质炭施入土壤的研究逐渐增多。而在此基础上进一步优化将生物质炭与肥料结合制成生物质炭基肥更是近年来的研究热点。生物质炭含有大量稳定芳香族结构及丰富孔隙度，具有较强的吸附性及大的表面积，之所以能作为肥料载体，其机理可能为：（1）生物质炭表面具有一些能够电离产生电荷的化学官能团，从而使其具有较高的离子吸附交换量，这能够让它通过静电作用吸附养分离子;（2）生物质炭具有比表面积大、孔隙度高的特点，这让它具有较大的吸附能力，能够使其在表面吸持一定的养分;（3）生物质炭表面含有一些官能团，如羟基、羧基等，它们都较为活跃，能够和肥料发生化学反应从而负载一定的养分[2];此外，其本身也含有较均衡的养分元素，施入土壤也会提高土壤养分含量，所以生物炭作为肥料增效载体，能有效缓解肥料养分在土壤中释放速率、降低养分淋溶损失、提高植物养分的有效性及肥料利用率，也能促进作物生长及改善作物品质[3]。生物质炭基肥虽增产效果明显，但研究起步较晚，加之生产成本高，现阶段应用较少，随着研究与开发的不断深入，及其具备的良好社会、环境和经济效益，生物质炭基肥将得到更为广泛的认可和大面积的应用推广，是农业废弃物资源优化利用的重要方式。

近年来，广大学者就生物质炭对玉米生长和产量方面的研究如下：卢广远等[4]大田施用生物质炭基肥对提高玉米籽粒产量效果明显，增产率达6.52%～10.94%，土壤有机碳增加了44.93%，土壤含水率增加了40%左右。王粟等[5]大田试验研究表明，施用生物质炭基肥可有效促进玉米的生长发育，缩短生育周期，改善玉米产量性状，玉米增产率达8.48%。李传宝等[6]白浆土的大田试验结果表明，施用生物质炭玉米产量的提高幅度2015年和2016年分别为0.53%～1.73%和2.82%～7.58%。解秋等[7]利用玉米秸秆炭、木醋液与化肥等原料制成生物质炭基肥，通过盆栽试验研究生物质炭与木醋液复配肥对玉米苗期农艺性状、氮素利用率的影响。结果表明，与常规炭基肥比较，添加20%、40%木醋液的炭基肥氮素利用率分别提高13.87%和23.49%。炭基肥处理对玉米苗期各農艺性状有显著提高作用，其中木醋液添加量在40%的炭基肥处理最大叶面积较常规炭基肥显著提高10.24%，地下部生物量比其他处理提高9.16%～22.76%。可见，生物质炭施用能明显促进玉米的生长及产量[8-11]。

关于生物质炭的研究大多以单纯地施入生物质炭且只选择一种土壤类型作为研究对象，忽视了生物质炭本身养分含量低的特点，而且，生物质炭的土壤改良及增产效果受气候条件、土壤类型及作物种类等的影响，目前对生物质炭在不同类型旱地上的施用对玉米生长及产量影响的对比研究还相对较少，玉米是贵州省中西部主要的粮食作物，因此，本研究以贵州中部种植玉米的主要旱作土类型为研究对象，探讨不同碳比例生物质炭基肥施用对玉米产量及其增产效应的影响，为贵州山区玉米种植及土壤培肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽供试土壤采自贵阳市花溪区黔陶乡周边种植玉米的旱作土，选择砂岩发育的黄砂土、页岩发育的黄泥土、石灰岩发育的大泥土，取表层土壤（0～20 cm）均匀混合过5 mm筛备用。用马尾松锯末并添加平菇菌渣为炭化原料，使用微波炉炭化得到试验用的生物质炭;玉米品种为金白单3号，复合肥为市售产品（养分≥45%，N-P2O5-K2O 15-15-15），有机肥采用腐熟的油菜籽饼。生物质炭基肥由一定比例的复合肥及有机肥制成，生物质炭浸营养液：每公斤生物质炭浸500 mL、20倍休伊特营养液[12]，浸泡20 h后取出晾干备用。采用高约40 cm，直径约30 cm的塑料盆钵进行盆栽试验。

1.2 盆栽试验

盆栽试验于2018年3月下旬至7月中旬在贵州大学实验农场进行。盆栽试验分3类：①生物质炭与复合肥配施试验，采用土壤+复合肥+生物质炭（不同比例组合）进行试验设计，试验设4个处理，每盆分别将不同比例的生物质炭量（按土壤质量的0%、10%、15%、20%）、10 g复合肥与10 kg土壤混合均匀后装入塑料钵中;②生物质炭与有机肥配施试验，采用土壤+有机肥+生物质炭（不同比例组合）进行试验设计，试验设4个处理，每盆分别将不同比例的生物质炭量（按土壤质量的0%、10%、15%、20%）、100 g有机肥与10 kg土壤混合均匀后装入塑料钵中;③生物质炭与营养液配施试验，采用土壤+营养液+生物质炭（不同比例组合）进行试验设计，试验设4个处理，每盆分别将0%、10%、15%、20%比例的生物质炭量（饱和吸附营养液的生物质炭）与10 kg土壤混合均匀后装入塑料钵中。一种土壤类型设置12个处理，试验共采用3种土壤（分别是黄砂土、黄泥土、大泥土），本试验共计36个处理，采用随机区组的方法摆放盆钵，每个处理重复3次。每盆播种4粒，出苗后保留生长良好的2株，试验过程中时常浇水，待玉米成熟后收获果实部分，带回实验室以65℃烘至恒重（干穗含水量约为6%），并通过称重测其实际产量，包括：干穗重、籽粒重;并计算穗增产率和籽粒增产率。公式如下：穗增产率（%）=处理干穗重-对照干穗重对照干穗重;

粒增产率（%）=处理籽粒重-对照籽粒重对照籽粒重

1.3 数据处理

试验数据采用DPS软件进行数理统计分析，计算每处理三个重复测定值的平均值及标准差，采用LSD法进行多重比较及显著性检验。

2 结果与分析

2.1 生物质炭与复合肥配施对玉米产量的影响

在施用复合肥的基础上，黄砂土、黄泥土及大泥土施用5%～15%的生物质炭后，玉米穗增产率比对照处理（未施用炭）分别增加25.6%～49.6%、20.7%～61.2%、23.9%～55.6%，出籽增产率则分别比对照增加28.8%～56.4%、24.9%～79.4%、24.5%～69.4%。三种土壤在不同生物质炭施用量处理间，玉米出籽率没有明显差异。施用生物质炭有利于促进玉米植株生长及产量的提高，其中生物质炭施用量在15%时与复合肥配合施用，玉米的增产效果最好。

从三种土壤类型来看，多重比较结果表明（图1），生物质炭和复合肥配施后，三种土壤种植的试验玉米干穗重、籽粒重均显著优于复合肥单施的效果。施用10%的生物质炭后，黄泥土种植玉米的干穗重显著高于黄砂土和大泥土，而大泥土也显著高于黄砂土;黄泥土种植玉米的籽粒重也显著高于黄砂土和大泥土，但大泥土和黃砂土之间没有明显差别。施用15%的生物质炭后，玉米的干穗重和籽粒重均表现为大泥土>黄泥土>黄砂土，且均达到显著差异水平。施用20%的生物质炭后，玉米的干穗重和籽粒重均表现为大泥土明显高于黄泥土和黄砂土，黄泥土和黄砂土之间籽粒重表现出明显差异，但干穗重未表现出明显的区别。结合穗增产率和籽粒增产率可见，黄泥土在10%的生物质炭施用效果显著优于黄砂土和大泥土，黄砂土和大泥土增幅效果较好的生物质炭施用量为15%的处理，当生物质炭施用增加到20%后，三种土壤种植的玉米干穗重和籽粒重均出现了下降趋势，其中黄泥土降幅最明显，黄砂土次之，大泥土最小，这可能与三种土壤养分库容量及生物质炭与植物形成养分争夺有关。综上可见，总体上黄泥土施用生物质炭的增产效果明显较好，大泥土次之，黄砂土相对略差。

2.2 生物质炭与有机肥配施对玉米产量的影响

在施用有机肥的基础上，黄砂土、黄泥土及大泥土施用5%～15%的生物质炭后，玉米穗增产率比对照处理（未施用炭）分别增加61.8%～92.0%、46.0%～94.8%、21.0%～75.0%，出籽增产率则分别比对照增加66.0%～92.5%、66.4%～97.9%、29.8%～88.2%;三种土壤在不同生物质炭施用量处理间，玉米出籽率也没有明显差异。与复合肥配施的处理效果相近，施用生物质炭也有利于促进玉米植株生长及产量的提高，仍为生物质炭施用量在15%时与有机肥配合施用后，玉米的增产效果最好。

从三种土壤类型来看，多重比较结果表明（图2），生物质炭和有机肥配施后，三种土壤种植的试验玉米干穗重、籽粒重同样均显著优于有机肥单施的效果。施用10%的生物质炭后，黄砂土种植玉米的干穗重显著高于黄泥土和大泥土，而黄泥土和大泥土之间没有显著差别。黄砂土种植玉米的籽粒重也显著高于大泥土，但黄泥土和大泥土之间没有明显差别。施用15%的生物质炭后，玉米的干穗重和籽粒重均表现为大泥土>黄泥土>黄砂土，且大泥土与黄泥土及黄砂土均达到显著差异水平，黄泥土和黄砂土之间没有明显差异。施用20%的生物质炭后，玉米的干穗重和籽粒重却均表现为大泥土>黄砂土>黄泥土，大泥土和黄泥土之间均表现出明显差异，但黄砂土与大泥土及黄泥土之间，均未表现出明显的区别。结合穗增产率和籽粒增产率可见，与有机肥配施后大泥土、黄泥土均在15%的生物质炭施用效果明显最优，而黄砂土则是在10%的生物质炭施用效果较好。当生物质炭施用增加到20%后，三种土壤种植的玉米干穗重和籽粒重均出现了显著的下降趋势，其中大泥土降幅最明显，黄泥土次之，黄砂土最小。由此可见，在生物质炭与有机肥配施的前提下，黄泥土相对不施炭处理增产效果明显，但仍是养分库相对充足的大泥土产量较高。

2.3 生物质炭附载营养液对玉米产量的影响

黄砂土、黄泥土及大泥土施用5%～15%附载营养液的生物质炭后，玉米穗增产率比对照处理（未施用炭）分别增加34.4%～70.3%、10.4%～52.7%、33.9%～81.0%，出籽增产率则分别比对照增加44.4%～86.5%、12.1%～57.1%、36.6%～96.5%;三种土壤在不同生物质炭施用量处理间，玉米出籽率也没有明显差异。

从三种土壤类型来看，多重比较结果表明（图3）：生物质炭载营养液施用后，三种土壤种植的试验玉米干穗重、籽粒重同样均优于对照。其中，黄砂土施用10%的载营养液生物质炭增效明显，而黄泥土、大泥土则均为施用15%的载营养液生物质炭增效更明显。施用10%的载营养液生物质炭，大泥土种植玉米的干穗重和籽粒重都显著高于黄砂土，而黄砂土显著高于黄泥土。施用15%的载营养液生物质炭后，玉米的干穗重和籽粒重均表现为大泥土>黄泥土>黄砂土，且大泥土与黄砂土均达到显著差异水平。施用20%的载营养液生物质炭后，玉米的干穗重和籽粒重在三种土壤中较施用15%的载营养液生物质炭处理，有明显的下降趋势。

综上可见，载营养液生物质炭施用后，三种土壤均在15%的生物质炭施用效果明显最好。黄泥土施用生物质炭有利于促进玉米植株生长及产量的提高，其中，生物质炭与有机复合肥配合施用的增产效果优于复合肥。生物质炭对作物生长的促进作用主要是改善土壤结构以及提高土壤持水性能和养分供应能力[10]，生物质炭施用不仅增加土壤碳库，有利于微生物的生长[13]，而且通过调节土壤酸碱度，直接提升磷、钾、镁和钙的生物有效性[14-16]。因而，适量的生物质炭施用有利于玉米对土壤养分的吸收，不仅提高玉米产量，还能改善玉米营养的吸收。

3 结论与讨论

生物质炭作为化学肥料的缓释载体，对肥料的肥效具有一定的影响。本次研究发现，生物质炭作为基肥与适量的肥料配合施用，玉米穗增产率较对照处理（未施用炭）增加最高达94%，出籽增产率比对照增加最高达97.9%。这与许多研究者的结论相似，万纪红[17]发现施用生物质炭基肥增产效果显著优于常规施肥，而且随着生物质炭基肥料用量的增加，增产效果更明显;刘明等[16]通过盆栽试验发现施用炭基肥较普通化肥对穗重、穗粗、千粒重、理论产量增加的促进作用更明显;唐光木等[18]在新疆灰漠土中施用40 t/hm2生物炭后，玉米产量提高了50%;蒋健等[19]研究发现，施用生物炭对玉米根系的总根长、根体积、根干重、玉米根系总吸收面积均有显著提高的作用，同时可一定程度上延缓玉米生育后期根系的衰老，维持较为适宜的根冠比，并提高穗长、穗行数、行粒数和百粒重等产量构成因素指标;以上研究结果均与本研究结果保持一致[17-19]。由于研究条件受限，未进行机理的探索，但通过前人的研究，总结出产生这一现象的原因可能有以下几点：生物炭可显著提高玉米叶面积指数和叶绿素含量，从而提高其产量[20];生物质炭与肥料混合或复合，肥料消除了生物炭养分低的缺陷，而生物炭赋予肥料养分缓释性能的互补和协同作用，生物炭延缓肥料在土壤中的养分释放，降低养分损失，提高肥料养分利用率[21]。此外，研究发现，随着生物碳施入量的增加，产量逐渐增加，当生物质炭施用量在15%时，与复合肥、有机肥配合施用玉米增产率达到最大，当生物质碳增加至20%时增产率出现下降。程效义等[22]研究同样发现，适量的生物炭与肥料配施可促进玉米的干物质积累，提高产量，优于单施化肥;但是过量的生物炭用量会抑制玉米生长，导致产量下降;唐春双等[23]通过田间施用不同量生物质炭发现，随着生物炭施用量增加对玉米产量的影响表现出先增加后降低的趋势。其原因可能是由于过多地施入生物质炭使得土壤的C/N比值升高，影响土壤中微生物的活性，从而影响养分的分解，导致速效氮含量下降，限制了植物对氮的吸收;也可能因为生物炭呈碱性，降低了磷和某些微量元素的有效性[13];还可能是因为过多的生物质炭对氮、磷等养分离子的吸附能力增强[24]，导致其与植物之间形成养分争夺，释放有效养分的能力减弱。因此，施用生物质炭应首先明确其用量，使土壤养分固定与释放达到相对协调，避免过量施用，不仅造成资源的浪费，还会使得土壤对于养分的吸附能力超过植物的吸收，反而不利于作物的生长。

黄超等[25]研究发现生物质炭的改善作用在肥力水平较低的土壤上明显高于肥力水平较高的土壤。本次研究三种土壤类型多重比较结果表明，施用生物质炭的增产效果黄泥土明显优于黄砂土，同时总体上优于大泥土，另外大泥土優于黄砂土，单从供试土壤养分含量（表1）来看，似乎与黄超等[25]的研究结果存在分歧。但肥力是一个综合性的指标，是土壤对于水、肥、气、热的协调能力。生物质炭具有多孔、质轻的特点，施用生物质炭可明显降低土壤容重，增加土壤的透气性及田间持水量，且作用效果随生物质炭用量的增加而增加[26]，使得其在质地较为黏重的土壤中增产效果较好;这可能是黄泥土的增产效果优于大泥土和黄砂土的原因之一;另一方面可能是本次研究选用的黄沙土养分过于贫瘠，植物的生长除受氮、磷、钾影响外，还受其他养分元素的限制，生物质炭有很强的吸附性能，被认为可以吸附和保持土壤矿质营养元素[27]，质地偏砂的黄砂土相较于质地偏黏的黄泥土及大泥土养分更易被碳吸附存储，影响植物的吸收利用，其本身虽含有较均衡的养分，但其分解缓慢，短时间内能供给植物吸收的较少，造成养分含量较低的黄砂土增产效果不如黄泥土和大泥土，导致其在简单地施入常量元素时增产效果不明显，应补充适量的微量元素，更有利于作物养分吸收的平衡，实现作物优质高产的栽培。

黄泥土、黄砂土、大泥土施用生物质炭有利于促进玉米植株生长，玉米穗增产率比对照处理（未施用炭）分别增加10.4%～94.8%，出籽增产率则分别比对照增加12.1%～97.9%。生物质炭施用量在15%时，与复合肥、有机肥配合施用均有利于提高玉米产量，特别是生物质炭与有机肥的配合施用。

三种土壤类型多重比较结果表明，施用生物质炭的增产效果黄泥土明显优于黄砂土，同时总体上优于大泥土，另外大泥土优于黄砂土。其增产效果与土壤性质及炭用量密切相关。

生物质炭作为土壤调理剂，与氮、磷、钾肥配合施用有利于促进玉米植株生长，从而提高玉米的产量。另外还需要补充适量的微量元素，才能有利于作物养分吸收的平衡，实现作物优质高产的栽培，这方面还值得深入研究。

参 考 文 献：

[1] 刘玲，刘长江.农作物秸秆的利用现状及发展前景[J].农业科技与装备，2008（2）： 123-124.

[2] 何绪生，张树清，余雕，等.生物炭对土壤肥料的作用及未来研究[J].中国农学通报，2011，27（15）：16-23.

[3] 刘方，陈祖拥，刘元生，等.炭基肥在贵州山地特色高效农业发展中的应用及其效益分析[J].山地农业生物学报，2016，35（2）：1-6.

[4] 卢广远，张艳，王祥福，等.炭基肥料种类对土壤物理性质及玉米产量的影响[J].河北农业科学，2011，15（5）：50-53.

[5] 王粟，张楠，钟鹏，等.生物质炭基肥对玉米生长发育及产量的影响[J].黑龙江农业科学，2017，28（3）：41-44.

[6] 李传宝，孟雨田，李晓庆，等.生物质炭对玉米生长发育、产量及白浆土理化性状的影响[J].江苏农业科学，2018，46（8）：56-60.

[7] 解秋，王敏，张旭辉，等.木醋液—生物质炭基肥对玉米苗期生长及氮素利用率的影响[J].土壤通报，2018，49（5）：1165-1169.

[8] 张影，刘星，焦瑞锋，等.生物质炭与有机物料配施的土壤培肥效果及对玉米生长的影响[J].中国生态农业学报，2017，25（9）：1287-1297.

[9] 孟颖，王宏燕，于崧，等.生物黑炭对玉米苗期根际土壤氮素形态及相关微生物的影响[J].中国生态农业学报，2014，22（3）：270-276.

[10] 彭辉辉，刘强，荣湘民，等.生物炭、有机肥与化肥配施对春玉米养分利用及产量的影响[J].南方农业学报，2015，46（8）：1396-1400.

[11] 李晓，张吉旺，李恋卿，等.施用生物质炭对黄淮海地区玉米生长和土壤性质的影响[J].土壤，2014，46（2）：269-274.

[12] 申建波，毛达如.植物营养研究方法[M].3版.北京：中国农业大学出版社，2011，129-142.

[13] 张晗芝，黄云，刘钢，等.生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响[J].生态环境学报，2010，19（11）：2713-2717.

[14] 韩晓亮，王秀茹，侯琨，等.黑土夏玉米施用生物质炭最佳施用时期和最佳用量[J].浙江农林大学学报，2019，36（1）：96-106.

[15] 张娜，李佳，刘学欢，等.生物炭对夏玉米生长和产量的影响[J].农业环境科学学报，2014，33（8）：1569-1574.

[16] 刘明，来永才，李炜，等.生物炭对玉米物质生产及产量的影响[J].作物杂志，2015，1（3）：133-138.

[17] 万纪红.玉米应用生物质炭基肥料肥效对比试验总结[J].农业开发与装备，2018（12）：128-129.

[18] 唐光木，葛春辉，徐万里，等.施用生物黑炭对新疆灰漠土肥力与玉米生长的影响[J].农业环境科学学报，2011，30（9）：1797-1802.

[19] 蒋健，王宏伟，刘国玲，等.生物炭对玉米根系特性及产量的影响[J].玉米科学，2015，23（4）：62-66.

[20] 刘国玲，王宏伟，蒋健，等.生物炭对郑单958生理生化指标及产量的影响[J].玉米科学，2016，24（4）：105-109.

[21] 陈芳，张康康，谷思诚，等.不同种类生物质炭及施用量对水稻生长及土壤养分的影响[J].华中农业大学学报，2019，38（5）：57-63.

[22] 程效義，张伟明，孟军，等.玉米秸秆炭对玉米物质生产及产量形成特性的影响[J].玉米科学，2016，24（1）：117-122，129.

[23] 唐春双，杨克军，李佐同，等.生物炭对玉米茎秆性状及产量的影响[J].中国土壤与肥料，2016（3）：93-97，133.

[24] KEI M，TOSHITATSU M，YASUO H，et al.Removal of nitrate-nitrogen from drinking water using bamboo powder charcoal[J].Bioresource Technology，2004，95（3）：255-257.

[25] 黄超，刘丽君，章明奎.生物质炭对红壤性质和黑麦草生长的影响[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2011，37（4）：439- 445.

[26] 吴崇书，吴耀，季淑枫，等.施用生物质炭对土壤肥力和作物生长的影响[J].中国园艺文摘，2014，30（12）：207-209.

[27] 王丽渊，丁松爽，刘国顺.生物质炭土壤改良效应研究进展[J].中国土壤与肥料，2014（3）：1-6.