生物炭一次性施入对灌耕风沙土土壤性质及玉米产量的影响

张云舒，唐光木，龙晓双，葛春辉，徐万里

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2.和田地区农业技术推广中心，新疆 和田 848000)

灌耕风沙土是人为耕种形成的一类土壤，它具有养分贫瘠，有机质含量低，保水保肥性能差等特点，是新疆主要的低产土壤之一。增施有机肥是目前改良灌耕风沙土最有效的措施之一，但干旱区有机肥源少，腐殖化系数低，土壤有机碳矿化率高，改良效果慢。因此，秸秆等农业废弃物生物质炭化技术的出现为改良灌耕风沙土提供了新思路。

生物炭是农作物秸秆、稻壳、畜禽粪便等生物质材料在缺氧条件下进行高温热解而成的富含碳且性质稳定的固体产物[1]。生物炭本身疏松多孔，施入土壤中，一方面可以改变土壤理化性质[2-3]，提高土壤肥力，另一方面可以增强土壤的通气性能和持水性能[4]，增加土壤的比表面积和孔隙度，降低土壤容重[5]，改善土壤结构[6]。张祥等[7]研究表明，施用生物炭对红壤和黄棕壤速效钾含量影响最大，相同用量的生物炭对红壤的改良效果好于黄棕壤。赵飞等[8]研究表明，施用生物炭能在一定程度上提高滨海盐土的有机碳、碱解氮、有效磷含量。Steiner等[9]对巴西亚马逊河流域土壤中施生物炭(施用量11 t·hm-2)，经过4个生长季，发现高粱和水稻累计增加产量达到75%。Uzoma等[10]在日本研究结果显示，生物炭可以改善砂质土壤的理化性质，玉米产量增加了150%；而在芬兰的田间试验表明，生物炭对砂质土壤上小麦的氮吸收和籽粒产量没有显著影响[11]。目前，关于生物炭研究多为室内培养试验或连续多年施入的田间试验，缺乏长期的田间研究分析生物炭一次施入后对土壤性质的影响。因此，本文以新疆灌耕风沙土为研究对象，通过2015—2018年的田间定位试验，研究了生物炭不同施用量一次性施入后对灌耕风沙土土壤性质及产量的影响，为生物炭合理使用提供理论依据和技术资料。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间定位试验开始于2011年4月，位于新疆和田地区农技推广中心。该地区属于暖温带极端干旱荒漠气候，年均气温12.5℃，年均降水量为36.4 mm，年均蒸发量为2 618 mm。土壤类型为风沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分别为39.06%、54.00%和6.94%。供试灌耕风沙土基本理化性质：pH值8.28，有机质13.49 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，速效氮58.2 mg·kg-1，速效磷8.3 mg·kg-1，速效钾134 mg·kg-1，阳离子代换量(CEC)2.08 cmol·kg-1。

1.2 试验设计

按照耕层(0～20 cm)土壤质量2 250 t·hm-2计算，田间试验共设5个处理：不施炭(CK)；22.5 t·hm-2(1%BC)；67.5 t·hm-2(3%BC)；112.5 t·hm-2(5%BC)；225.0 t·hm-2(10%BC)。小区面积2 m2，每个处理设3次重复，完全随机区组排列。生物炭为河南三利新能源有限公司提供的小麦秸秆炭，特性为：pH值9.90，有机碳670 g·kg-1，速效磷82.2 mg·kg-1，速效钾1 590 mg·kg-1，热解温度为350℃～550℃，裂解时间4～8 h。每个处理化肥施用量相同，氮肥总用量为N 213 kg·hm-2，磷肥总用量为P2O5103.5 kg·hm-2，钾肥总用量为K2O 38.25 kg·hm-2。投入的化肥分别为尿素(46% N)、磷酸二铵(18% N，46% P2O5)和硫酸钾(51% K2O)。其中磷肥和钾肥全部基施，而氮肥总用量的35%基施，65%追施。灌溉为地面灌，每个处理灌水量相同，总灌水量为5 400 m3·hm-2，共灌水5次。生物炭为定位试验开始前一次施入，试验开始后不再施入。

1.3 样品采集与分析方法

2015—2018年玉米采收后采集土壤样品，在每个小区内按照五点法采集土壤样品，混合均匀并剔除植物残体及其他杂物，土壤放置实验室通风处阴干过筛，测定理化指标。

土壤理化性质测定参照鲍士旦[12]方法。土壤容重采用环刀法测定； pH值采用pH计按土水比1∶2.5测定；全氮采用凯氏定氮法；有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.5NNaHCO3浸提—钼锑抗比色法；速效钾采用1NNH4OAc浸提—火焰光度法。

玉米收获期，选取能代表该小区的15个穗棒作为代表样，带回实验室，经过前期处理和风干过程，考种后计算籽粒产量。

1.4 数据处理及统计分析

采用Excel 2007和DPS7.05版软件对数据进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 小麦秸秆炭施入对土壤容重的影响

土壤容重是反映土壤紧实状况的主要物理指标，通过2015—2018年的定位试验表明，与试验初始土壤容重1.48 g·cm-3相比，随着定位试验的延续，土壤容重在年际间有波动，整体呈下降的趋势。施用小麦秸秆炭能够显著降低土壤容重(图1)，与对照处理相比，2015年1%BC、3%BC、5%BC和10%BC处理土壤容重分别降低了5.13%、5.69%、6.76%、12.59%；2016年分别降低了10.40%、11.90%、12.33%、14.27%；2017年分别降低了2.90%、3.93%、4.73%、8.89%；2018年分别降低了4.58%、5.62%、6.23%、8.90%。土壤容重随着生物炭用量的增加而降低，生物炭对土壤的改良效果在生物炭施用6 a(2016年)后达到最大，随后逐年减弱。

注：CK—0 t·hm-2生物炭；1%BC—22.5 t·hm-2生物炭；3%BC—67.5 t·hm-2生物炭；5%BC—112.5 t·hm-2生物炭；10%BC—225.0 t·hm-2生物炭。不同小写字母表示年际间差异达5%显著水平，下同。Note: CK—0 t·hm-2 biochar；1%BC—22.5 t·hm-2 biochar；3%BC—67.5 t·hm-2 biochar；5%BC—112.5 t·hm-2 biochar；10%BC—225.0 t·hm-2 biochar. Different letters represented significant differences at P<0.05 within different years. The same below.图1 不同小麦秸秆炭处理下土壤容重的变化Fig.1 Change of bulk density in soil under differenttreatments of wheat straw carbon

2.2 小麦秸秆炭施入对土壤全氮、有机质含量的影响

2015—2018年的定位试验表明，与试验初始土壤全氮含量(0.76 g·kg-1)相比，随着定位试验的延续，各处理土壤全氮含量在年际间波动变化，总体呈增加的趋势。施用小麦秸秆炭能够提高土壤全氮含量(图2)，与对照处理相比，2015年1%BC、3%BC、5%BC和10%BC处理土壤全氮含量分别提高了5.86%、7.14%、8.07%、27.73%，2016年分别提高了11.77%、22.54%、24.19%、37.24%，2017年分别提高了5.32%、8.89%、11.97%、23.23%，2018年分别提高了14.42%、24.12%、36.24%、49.43%。土壤全氮含量随着生物炭用量的增加而增加。

图2 不同小麦秸秆炭处理下土壤全氮含量的变化Fig.2 Change of total N content in soil underdifferent treatments of wheat straw carbon

与试验初始土壤有机质含量(13.49 g·kg-1)相比，随着定位试验的延续，生物炭处理土壤有机质含量在年际间呈现先升高后降低的趋势。施用小麦秸秆炭能够提高土壤有机质含量(图3)，与对照处理相比，2015年1%BC、3%BC、5%BC和10%BC处理有机质含量分别提高了43.56%、47.15%、49.14%、148.23%，2016年分别提高了48.67%、52.89%、57.96%、120.78%，2017年分别提高了32.05%、42.05%、59.26%、85.18%，2018年分别提高了22.02%、31.13%、54.84%、74.25%。土壤有机质含量随着生物炭用量的增加而增加，生物炭在土壤中的增碳效应在生物炭施用6 a(即2016年)后达到最大，随后逐年减弱。

图3 不同小麦秸秆炭处理下土壤有机质含量的变化Fig.3 Change of organic matter content in soil underdifferent treatments of wheat straw carbon

2.3 小麦秸秆炭施入对土壤速效养分含量的影响

2015—2018年的定位试验表明，随着定位试验的延续，生物炭处理土壤速效氮、速效磷含量在年际间变化不明显(表1)。与CK处理相比，施用小麦秸秆炭处理对土壤碱解氮含量影响不明显；速效磷含量产生了一定的负效应，4 a的降低幅度分别为0.88%～18.54%、18.77%～35.89%、3.09%～20.52%、12.53%～29.72%。

表1 不同小麦秸秆炭处理下土壤速效养分含量

与试验初始土壤速效钾含量(134 mg·kg-1)相比，随着定位试验的延续，生物炭处理土壤速效钾含量在年际间呈现先升高后降低的趋势。施用小麦秸秆炭能够提高土壤速效钾的含量(表1)，与CK处理相比，4 a的增加幅度为8.91%～29.64%、6.93%～28.75%、4.58%～28.32%、1.27%～18.64%，生物炭在土壤中增钾效应在生物炭施用6 a(即2016年)后达到最大，随后逐年减弱。

2.4 小麦秸秆炭施入对玉米产量的影响

由2015—2018年玉米产量数据可以看出(图4)，与CK处理相比，添加小麦秸秆炭显著提高了玉米产量，分别提高了9.7%～33.7%、9.4%～26.2%、11.2%～29.2%、10.1%～35.5%。与不施炭处理相比，2015年玉米产量表现为3%BC>5%BC>10%BC>1%BC>CK，2016年表现为5%BC>3%BC>10%BC>1%BC>CK，2017年表现为3%BC>5%BC>10%BC>1%BC>CK，2018年表现为5%BC>3%BC>10%BC>1%BC>CK。

图4 不同小麦秸秆炭处理下玉米产量的变化Fig.4 Change of corn yield under differenttreatments of wheat straw carbon

3 讨 论

3.1 生物炭施入对土壤理化性质的影响

生物炭表面多孔性特征显著[13]，吸附能力较强，土壤中施用后可改善土壤结构[14]。本研究结果显示，灌耕风沙土土壤容重随着生物炭用量的增加呈下降的趋势，这与张宏等[15]、房彬等[16]研究结果相一致。小麦秸秆炭2011年一次性施入后，与初始土壤容重1.48 g·cm-3相比，8 a后土壤容重降低至1.18～1.24 g·cm-3，土壤容重的降低会造成土壤孔隙度增加，改善了土壤通气状况和持水能力，有利于作物的生长。

作物收获带走土壤生态系统中大量的营养物质，如果不及时补充会带来一系列土壤退化的现象，这种现象会导致土壤结构退化、土壤有机质含量减少、土壤保水保肥能力下降、土壤生产力下降等问题[17]。生物炭作为一种富碳物质，土壤施用后会通过物理作用或生物作用来影响土壤肥力，进而改变养分的有效性[18]。张进红等[19]研究发现，在盐渍化土壤中施用生物炭后，可以增加土壤中全氮和有机质的含量。Lgchuk等[20]研究显示，土壤中施用生物炭后可以增加土壤全氮和有机质的含量。本研究也得到了基本一致的研究结果，通过2015—2018年的定位试验，一次性施用生物炭后，土壤全氮、有机质含量会随着生物炭用量的增加而增加。生物炭由于其富含官能团、带有正负电荷等特性[21]，可通过吸附、螯合等作用，降低养分淋失[22]，土壤中添加生物炭减少了氮素的淋溶，从而增加了土壤中全氮的含量[23]。本研究显示，土壤有机质含量随着生物炭施用量增加而增加，一方面是因为生物炭作为一种富碳物质，施入土壤中能提高土壤有机质含量；另一方面，生物炭能促进土壤形成有机-矿质复合体，通过提高土壤团聚体稳定性来减少有机质的淋失[24]。

张宏等[15]研究结果显示，生物炭能显著增加土壤中碱解氮、速效磷及速效钾的含量。张祥等[7]研究显示，红壤施用生物炭后，可以增加土壤中碱解氮、速效磷及速效钾的含量。这与本研究结果有所不同，通过4 a的定位试验表明，生物炭一次性施入土壤后，可以增加土壤中速效钾的含量，对土壤速效氮的含量影响不明显；土壤速效磷的含量有一定降低，产生了一定的负效应。可能与前人研究在土壤中施用的都是新鲜的生物炭，而本研究的生物炭是2011年一次性施用到土壤中的，研究年限是2015—2018年，与生物炭已经老化有关。本研究中，生物炭能提高土壤中速效钾的含量，可能是由于生物炭能改善土壤结构，增强土壤的持水能力，而影响土壤钾素释放和固定的重要因素是土壤持水状况[25]。

本研究中土壤有机质、速效钾含量年际间均表现为随着定位试验的延续，生物炭在土壤中增肥效应在生物炭施用6 a后达到最大，随后逐年减弱。可能与生物炭的孔隙结构可以延长肥料养分释放，降低养分损失等有关[26]，间接说明生物炭对土壤碳、钾元素有一定的固持作用[27]。生物炭一次性施入6 a后，生物炭会发生老化，一方面可能因为添加到土壤里的生物炭分布着大量的孔隙，在长期灌溉或者降雨后，孔隙的内、外部会形成较大的水势梯度差，土壤水会通过毛细管作用携带细小的矿物和有机质到孔隙内部，从而造成生物炭孔隙的堵塞和比表面积的下降[28]；另一方面可能因为土壤pH值、矿质组分以及机械扰动等都会在不同程度上造成生物炭老化。综上所述，6 a后需要重新施入生物炭来提高土壤肥力。

3.2 生物炭施入对作物产量的影响

生物炭施入土壤，对植物生长是正效应还是负效应，许多研究表明，生物炭能促进作物增产[20，29-30]。但张晗芝等[31]研究结果显示，添加生物炭对玉米苗期植株生长有明显的抑制作用，而随着玉米的生长发育，这种抑制效果逐渐减弱。而本研究显示，生物炭能显著提高玉米的产量，从2015—2018年的玉米产量结果来看， 67.5 t·hm-2、112.5 t·hm-2是提高灌耕风沙土土壤肥力和玉米产量的最佳施肥量，其中以67.5 t·hm-2处理较为经济，因此67.5 t·hm-2生物炭施用量是最适宜。

4 结 论

生物炭一次性施入后可明显降低土壤的容重，与初始土壤容重1.48 g·cm-3相比，8 a后土壤容重降低至1.18～1.24 g·cm-3；可以明显增加土壤中全氮、有机质及速效钾的含量，对土壤碱解氮的含量影响不明显。与不施肥相比，8 a后全氮、有机质及速效钾含量分别增加了14.42%～49.43%、22.02%～74.25%、1.27%～18.64%。随着定位试验的延续，一次性施用生物炭6 a后，土壤增碳、钾效应达到最大，随后逐年减弱， 67.5 t·hm-2的生物炭施用量最适宜。施用生物炭可以明显提高玉米产量，提高了9.4%～35.5%。因此，生物炭可以作为改善灌耕风沙土土壤肥力和玉米产量的一种有效措施。