生物炭对土壤理化性质和玉米生长的影响

纪立东，柳骁桐，司海丽，孙 权，王 锐

(1.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川 750002；2. 宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

我国用占全球9%的土地消耗了占世界总量32%的化肥[1]，化肥(含农药)占农业成本的20%以上，已成为世界上最大的化肥生产国和消费国[2]。但目前，我国肥料的利用率氮肥仅为30%～35%，磷肥仅为 10%～25%，钾肥仅为 35%～50%。长期施用化肥使土壤有机质含量降低，土壤团粒稳定性和保水保肥能力变差[3]，由于肥料利用率较低，其中氮肥通过挥发、淋溶和径流等途径损失数量巨大[4]，随之又带来土壤肥力下降、农作物品质降低、环境污染严重等后果。如何改善土壤性质、提高土壤保水保肥性能，在化肥减施的条件下实现作物的产量不变或者增产是一个亟待解决的问题。另外我国又是一个农业生产大国，作物秸秆资源丰富，每年产生的秸秆总量不少于7亿t，秸秆作为农业生产的废弃物，还残留着丰富的有机碳和氮、磷、钾养分[5]。将这些农牧废弃物作为生物质改良剂施入土壤，可有效改善土壤理化性质，提升土壤肥力，增加土壤微生物活性，最终达到土壤培肥、增产增收的效果，可为资源的可持续利用做出贡献[6-9]。

而生物质炭是在厌氧或无氧条件下，经高温热解(350℃～600℃)产生的一种多孔富碳、高度芳香化难溶性的固态物质，具有稳定性强、比表面积大、吸附能力强的特点[10]。近几年因其独特的结构特征和理化性状而被广泛应用于农业生产中。有研究表明生物炭能够增加土壤有机物质含量，提高土壤保肥、持水能力[11-12]，促进作物对营养物质的吸收。相关研究证明，在一定范围内生物炭的添加量和土壤微生物的数量以及土壤酶活性呈正相关[13]。Uzoma等[14]研究表明在土壤中施加15 t·hm-2生物炭时，其提升的产量比率为150%，当生物炭施加量为20 t·hm-2时，其提升产量比率仅为98%。而相比单独施用生物炭，生物炭作为基肥混施其他肥料可放大生物炭的保肥能力，这既可以提高肥料的利用率，又能促进作物生长、提高作物产量，相关研究在水稻、玉米等作物上已有报道[15-17]。有研究表明，通过掺混法制备炭基复合肥，可以显著延长氮素的供应时间，增加土壤总氮量及有效磷含量[18]。

生物炭作为基肥施用虽然有诸多优点，但目前只停留在生物炭基施对作物具有促进作用的基础研究阶段，如生物炭配施 AM 真菌或者氮肥对促进植物生长、改良土壤方面的研究[19-20]，而有关于生物炭基施配施化肥的研究鲜见报道。本研究拟通过基施不同倍量的生物炭结合当地农技推广部门推荐的测土配方施肥方案来研究其对土壤理化性质和玉米生长的影响，探讨玉米生物炭基肥养分比例的最佳配方，旨在深入和系统地诠释生物炭和炭基肥对作物和土壤的作用机理，探究高效高产的生物炭和炭基肥施肥技术，提高人们对生物炭和炭基肥的接受程度，促进炭基肥的商品化推广应用，从而通过生物炭和炭基肥的施用实现化肥高效利用，为秸秆的大面积还田提供理论依据，实现土地和资源的可持续利用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于宁夏回族自治区同心县丁塘镇李家岗子村(106°27′07″～106°31′15″ E，37°10′58″～37°17′00″ N)，供试土壤为普通灰钙土，质地为壤质土，0～40 cm土壤养分含量为pH值8.28、有机质9.03 g·kg-1、碱解氮58.5 mg·kg-1、速效磷10.72 mg·kg-1、速效钾232.89 mg·kg-1。试验地为温带大陆性气候，海拔1 000～2 000 m，年平均气温8.8℃，年平均降水量240 mm，年均蒸发量2 300 mm以上，日温差13.8℃，全年≥10℃积温可达3 200℃。

1.2 供试材料

供试炭基肥为宁夏荣华生物质新材料有限公司生产(pH 7.88，生物炭60%，总养分40%)(N∶P2O5∶K2O=22∶12∶6)；控释肥料为宁夏荣和绿色科技有限公司生产，总养分42%(N∶P2O5∶K2O=14∶14∶14)；有机肥为宁夏顺宝现代农业股份有限公司生产，其中总养分N+P2O5+K2O≥5%，有机质≥45%；秸秆生物质炭(pH 9.38，N 0.6%、P2O50.3%、K2O 1.5%)；供试玉米品种为‘利禾1号’，种植密度为60 000株·hm-2。

1.3 试验设计

试验于2018年4月布设，2019年为定位试验第2年。于2019年4月1日机械开沟播种，5月6日定苗，9月30日收获。试验在宁夏同心县丁塘镇李家岗子村进行，以玉米为供试作物，以不施肥和当地农技推广部门推荐的测土配方施肥方案(N∶P2O5∶K2O=27∶12∶6)为对照，并以此配方施肥方案为基础减氮20%后再以不同生物炭施用量为因子，共设6个处理，3次重复，每个小区面积为4 m×4.5 m=18 m2，采用完全随机区组排布。各处理施肥方案分别为：(1)CK，不施肥；(2)T1，常规施肥，即当地农技推广部门推荐测土配方施肥方案(N∶P2O5∶K2O=27∶12∶6)，尿素701.25 kg·hm-2，磷酸二铵315 kg·hm-2，氯化钾150 kg·hm-2；(3)T2，施用生物炭2.25 t·hm-2；化肥以常规施肥减氮20%配施(N∶P2O5∶K2O=21.6∶12∶6)，其中尿素561 kg·hm-2，磷酸二铵315 kg·hm-2，氯化钾150 kg·hm-2；(4)T3，施用生物炭4.50 t·hm-2，化肥施用量同T2；(5)T4，施用生物炭6.75 t·hm-2，化肥施用量同T2； (6)T5，施用生物炭9.00 t·hm-2，化肥施用量同T2。

磷肥、钾肥全部基施，氮肥基施70%，剩下30% 在玉米拔节期、大喇叭口期分2次行间开沟追施，生物炭全部基施。试验期间灌水采用漫灌方式，灌溉定额2 775 m3·hm-2，分别在种植前、拔节期、大喇叭口期、灌浆期灌溉4次，单次40～50 m3·hm-2。病虫害防治及其他田间管理措施同当地生产一致。

1.4 测定项目及方法

玉米收获后，在各处理小区分别以“S”型多点混合法采集土壤 0～20 cm与20～40 cm层土样，混合样品后装于保鲜箱内迅速带回实验室分析测定。

1.4.1 土壤理化性质测定 土壤pH值用精密酸度计测定(水土比 5∶1)；全盐采用电导率仪测定；有机质采用重铬酸钾 - 硫酸亚铁滴定法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；有效磷用钼锑抗比色法测定；速效钾用火焰光度法测定。

1.4.2 土壤微生物区系特征及土壤酶活性测定

(1)土壤三大类群微生物数量。细菌、放线菌、真菌三大类群均采用稀释平板法分离计数，结果以每克干土所含菌落数(CFU)表示。细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；放线菌采用高氏1号培养基，临用前每300 mL培养基加入灭菌的3%重铬酸钾溶液1 mL；真菌采用马丁氏孟加拉红培养基。接种后，细菌于37℃培养 3～5 d，放线菌于28℃培养 5～7 d，真菌于28℃培养3～5 d，计数后计算每克干土中的微生物数量。

(2)土壤酶活性。土壤蔗糖酶活性、脲酶活性、碱性磷酸酶活性、过氧化氢酶活性分别采用3，5-二硝基水杨酸比色法、靛酚蓝比色法、磷酸苯二钠比色法、高锰酸钾滴定法测定[21]。

1.4.3 玉米相关指标测定

(1)生长指标：每个处理选3株用标签标记，收获期用卷尺测定植株株高，用游标卡尺测定茎粗。

(2)根系特性：作物收获期，各处理选取长势一致、有代表性的3株植株，采用完全采样法采集完整根系，根系样本冲洗干净后，用WinRHIZO根系图像分析系统来计算、分析根系长度、直径、面积、体积、根尖记数等指标。之后，在105℃杀青30 min，于70℃烘干至恒重，分析天平称量，测得根干质量。

(3)产量：对作物产量构成指标进行采样检测。

1.5 相关计算公式

氮肥利用率=(施氮区吸氮量-不施氮区吸氮量)/施氮量×100%

氮肥农学效率(kg·kg-1)=(施氮区作物产量-不施氮区作物产量)/ 施氮量

肥料偏生产力(kg·kg-1)=施肥区产量/施氮量

1.6 数据分析

试验数据以Excel 2010软件整理，采用SPSS 21.0软件进行统计分析，用LSD法进行显著性检验，显著性水平P<0.05(n=5)，结合权重、隶属函数法进行相关值的评价。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭施用量对土壤理化性质的影响

2.1.1 土壤化学性质 如表1所示，与T1相比，在减氮20%基础上，土壤pH值除不施肥处理显著低于其他处理，T5处理显著高于其他处理外，各处理间的差异均未达到显著水平。土壤的全盐含量除不施肥的CK处理显著低于其他处理外(P<0.05)，各处理间均无显著差异。施生物炭处理的有机质、速效钾含量均随着施用量的增加而增大，与T1相比，T2、T3、T4、T5处理的有机质含量分别显著增加27.06%、30.59%、37.65%、48.24%，速效钾含量分别显著增加10.84%、11.82%、20.20%、43.84%(P<0.05)；碱解氮含量随着生物炭施用量的增加呈先增加后减小的趋势，且在T3处理处达到峰值，T3处理的碱解氮含量与T1相比显著提高58.85%(P<0.05)，但不同增氮处理间差异不显著。各处理有效磷含量较常规施肥均显著增加，但不同生物质炭增量处理间无显著差异。这表明在减氮20%基础上，与常规施肥相比，添加生物质炭具有显著增加土壤有机质及速效养分、提高土壤肥力的作用；但随着生物质炭施用量的增加，土壤全盐、碱解氮和有效磷含量无明显差异；土壤速效钾表现出逐渐增加的趋势，这主要由于生物质炭富含水溶性碳酸钾。

表1 不同处理的土壤化学性质Table 1 Soil chemical properties under different treatments

2.1.2 土壤物理性质 如表2所示，与T1相比，在减氮20%基础上，土壤水稳性大团聚体(>0.25 mm)的数量随着生物质炭施用量的增加呈增加趋势，T3、T4、T5较T1处理分别显著增加55.35%，128.49%和133.50%(P<0.05)，T4、T5处理的微团聚体(0.25～0.053 mm)数量较T1相比分别显著降低59.08%和36.59%，T3、T4、T5处理的土壤黏粒(<0.053 mm)数量与T1相比分别显著降低17.02%、16.32%，32.58%(P<0.05)，而T1、T2与CK处理间差异不显著。这表明在减氮20%基础上，随着生物质炭施用量的增加，土壤稳定性显著增强。

表2 不同处理的土壤水稳性团聚体含量/%Table 2 Soil water-stable aggregate content under different treatments

2.1.3 土壤微生物数量 如表3所示，与T1相比，在减氮20%基础上，随着生物炭施用量的增加，土壤微生物总数和细菌数表现出先升高后降低的趋势，当生物炭施用量为4.50 t·hm-2(T3)时，细菌数和总菌数达到最大值，分别较T1显著增加了162.50%和136.67%，但细菌数和总菌数在处理T3、T4、T5间无显著差异；在生物炭施用量达9.00 t·hm-2时(T5)的土壤真菌数量显著高于其他处理(P<0.05)，生物炭处理间无显著差异。放线菌数量随着生物炭施用量的增加呈现出增加的趋势，且T3、T4、T5处理的放线菌数量显著高于T1，且在T5处理处达到最大值。这表明在减氮20%基础上(T1)，生物质炭施用量的增加对放线菌和真菌及细菌都具有明显的促进作用，同时生物炭对细菌的促进作用存在阈值。

表3 不同处理的土壤微生物数量Table 3 Number of soil microorganisms under different treatments

2.1.4 土壤酶活性 如表4所示，在化肥施用量相同的条件下，磷酸酶活性随着生物炭施用量的增加而增加，且各处理均显著高于T1处理(P<0.05)；其中过氧化氢酶活性在施用生物炭的各个处理间均无显著差异，但均显著高于CK和T1处理。当生物炭施用量达6.75 t·hm-2(T4)时，蔗糖酶活性与T1处理相比显著增加，增加了140.24%(P<0.05)；而脲酶活性随着生物炭施用量的增加呈先增加后降低趋势，在生物炭施用量达到4.50 t·hm-2时，脲酶活性达到最大值，较T1相比显著增加了87.1%(P<0.05)。可见施用生物炭处理的酶活性均显著高于T1处理，这表明生物炭对酶活性有促进作用，但不同生物炭施用量对不同酶有不同的影响。

表4 不同处理的土壤酶活性Table 4 Soil enzyme activity content under different treatments

2.2 不同生物炭施用量对玉米生长的影响

2.2.1 农艺性状、产量及效益 如表5所示，在减氮20%基础上，随着生物质炭施用量的增加，玉米的株高和茎粗呈先升高后降低规律，当生物炭施用量达到6.75 t·hm-2(T4)时出现最大值，T4处理的株高和茎粗与T1相比分别显著增加了16.4%和31.2%(P<0.05)。通过以上分析可知，在减氮20%基础上，当生物炭基施的施用量为6.75 t·hm-2时，对玉米植株的生长发育影响最为明显。施用生物炭各处理的玉米百粒重均显著高于常规施肥(T1)，而各施用生物炭处理间的百粒重均无显著差异。玉米的产量随着生物炭施用量的增加呈现出先增加后减小的规律，当生物炭施用量为6.75 t·hm-2时达最大值，与常规施肥(T1)处理相比显著增加了41.4%(P<0.05)。综上所述，当生物炭的施用量达到6.75 t·hm-2时可以显著提高玉米的株高、茎粗以及产量，但由于生物质炭的投入，玉米经济效益与常规施肥(T1)处理相比有所下降。

表5 不同处理玉米的农艺性状、产量及效益Table 5 Agronomic traits, yield, and benefits under different treatments of corn

2.2.2 根系生长 如表6所示，与常规施肥(T1)相比，在减氮20%基础上，随着生物质炭施用量的增加，玉米根系生长指标均呈现出先增加后减小的趋势，当生物炭的施用量达到6.75 t·hm-2(T4)时鲜根重、根尖数、分枝数、总根长、根表面积、总根体积显著高于其他处理， T4处理玉米的鲜根重、根尖数、分支数、总根长、根表面积和总根体积比T1处理分别显著增加了62.3%、87.6%、69.9%、45.5%、47.6%、63.1%(P<0.05)。由以上分析可知，在减氮20%基础上，施用生物炭可以促进玉米根系的生长发育，当生物炭施用量达到6.75 t·hm-2时对玉米根系的促进作用最大。

表6 不同处理下单株玉米的根系生长特性Table 6 Growth characteristics of corn root system per plant under different treatments

2.2.3 氮肥利用率及农学效率 如表7所示，与常规施肥(T1)相比，T2、T3、T4和T5处理的氮肥利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力显著提高。其中T2、T3、T4和T5处理的氮肥利用效率分别显著提高了17.99%、31.95%、38.02%、26.57%；氮肥农学效率分别显著提高了9.57、14.35、18.79、12.93 kg·kg-1；氮肥偏生产力分别显著提高了14.31、19.09、23.54、17.68 kg·kg-1；另外T4处理的氮肥利用效率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力均显著高于其他处理(P<0.05)。以上分析整体表明，施用生物炭对氮肥的利用效率均有所提升，其中施用6.75 t·hm-2时对氮肥的利用效率提升最大。

3 讨 论

3.1 生物炭的施用对土壤质量及结构的影响

生物炭作为土壤调理剂，可改善土壤理化性质，提高土壤肥力，提升作物产量[22-24]，前人研究表明，施用生物炭可改善土壤微生物的生存环境，增加土壤水稳性大团聚体比例，改善土壤的水稳性结构[25]，本研究也发现，土壤水稳性大团聚体的数量随着生物炭施用量的增加而显著增加，其中T3、T4、T5较常规施肥处理分别显著增加55.35%，128.49%和133.50%，这与前人的研究结果一致[20]。

不同生物炭对改善土壤质量的效果不同，主要体现在土壤的pH值及土壤养分含量上，Nelson等[26]研究表明施加生物炭能够提高土壤中有效磷的含量。而本研究结果表明，土壤pH值在生物炭施用量达到9.00 t·hm-2时较常规施肥(T1)显著升高；土壤中的有机质、速效钾和速效磷含量随着生物炭施用量的增加而增加，且各处理的养分含量均显著高于常规施肥(T1)处理；但土壤中的碱解氮含量随着生物炭施用量的增加呈先增加后减小趋势，并在生物炭施用量为4.50 t·hm-2时达到最大值，这表明生物碳本身具有优秀的改土能力，且适量生物炭更有益于土壤质量的改善。

3.2 生物炭的施用对土壤微生物活性的影响

前人研究结果表明，施用生物炭可以激发土壤的酶活性，同时改变根际微生物群落组成。土壤酶活性在一定程度上可反映土壤肥力水平，有研究结果表明施用适量的生物炭可以显著提高土壤的酶活性[27]，这与本研究所证实的施用生物炭主要通过提高土壤磷酸酶和脲酶活性从而提高土壤酶活性的结果一致，但不同生物炭施用量对不同酶有着不同的影响，土壤脲酶活性在生物炭施用量超过4.50 t·hm-2时开始减小，这可能是因为过量生物炭的施用影响了土壤pH值，进而增加了土壤氮素的流失。

本研究发现0～20 cm土层中的土壤细菌数在生物炭施用量为4.50 t·hm-2时有最大值，这可能是因为施用过多的生物炭反而造成土壤适合的微生物生长所需碳氮比失衡，而土壤中的真菌数和放线菌数在生物炭施用量为9.00 t·hm-2时有最大值，这可能是因为真菌和放线菌与细菌对土壤有机物的分解转化途径不同，所以对土壤碳氮比的敏感程度低于细菌，但大量的多孔空隙生物炭为微生物的生存提供了有利的空间，从而促进了微生物活性的提高[28]。

3.3 生物炭对玉米产量的影响

有研究表明，施用适量生物炭对农作物的生长有一定的促进作用[15-16]，但也有研究者发现施用生物炭会造成作物减产[29]。Uzoma等[14]发现当生物炭施用量为15 t·hm-2时玉米的产量比对照增加150%，但当生物炭的施用量为20 t·hm-2时产量仅增加98%。本研究与前人研究结果相似，研究表明生物炭对作物的增产存在阈值，而不是随着生物炭施用量的增加一直呈增加趋势，与常规施肥相比，施用生物炭均可以促进玉米和玉米根系的生长发育，提高玉米产量和经济效益，但当生物炭的施用量达到4.50 t·hm-2时，对玉米生长发育和产量影响最为显著，玉米产量达到最大值。

3.4 生物炭的施用对氮肥利用率的影响

4 结 论

1)在减氮20%的基础上，与常规施肥(T1)相比，生物炭基施可显著提高土壤有机质、速效养分、大团聚体以及微生物数量，其中土壤理化性质随着施用量的增加呈增加趋势，而土壤的细菌数、过氧化氢酶活性、脲酶活性在生物炭施用量为4.50 t·hm-2(T3)时取得最大值，蔗糖酶活性在生物炭施用量为6.75 t·hm-2(T4)时取得最大值。

2)在减氮20%的基础上，与常规施肥(T1)相比，基施生物炭用量为6.75 t·hm-2(T4)时，玉米的农艺性状、产量以及氮肥利用效率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力最高，其中各项作物根系指标增幅达到45.0%～63.1%，增产41.4%。

3)由于生物炭的投入，玉米经济效益与常规施肥相比有所下降，另外过量基施生物炭会对玉米根系分枝数、总根长和根表面积等产生抑制作用，从而对玉米的根系发育造成一定的负面影响。

综合分析，常规施肥减氮20%配施生物炭6.75 t·hm-2(T4)可作为扬黄灌区玉米生物炭基施配施化肥的最佳方案。