生物炭与秸秆还田对潮土区夏玉米产量及土壤水分的影响

郑云珠，孙树臣，翟胜

（聊城大学地理与环境学院，山东 聊城 252059）

我国农作物秸秆年产量7亿～10亿t，秸秆资源十分丰富，但还田率不足二分之一，秸秆丢弃、焚烧等不合理利用仍是农村生态文明建设及农业可持续发展面临的重要问题［1，2］。秸秆含有丰富的矿质营养元素［3］，在改善土壤环境、提高土壤肥力及作物增产等方面具有重要作用［4，5］。

近几十年来，农作物秸秆还田（秸秆粉碎还田、秸秆炭化还田、覆盖还田、过腹还田等）在农业领域得到广泛关注［6-9］，特别是秸秆炭化（生物炭）还田已成为当前研究的热点［10-12］。秸秆直接还田作为主要的还田方式，可有效改善土壤养分含量，并有效调节土壤水、肥、气、热状况，促进作物增产［13，14］。但秸秆直接还田会造成出苗率降低、病虫害发生几率增加等风险，影响作物产量，同时还会导致温室气体排放量增加等负效应［15，16］。生物炭还田为秸秆资源化高效利用提供了一种新的方法和途径。

生物炭起源于对亚马逊流域黑土的认识，之后利用各种有机物料制备生物炭并将其作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂等应用于农业备受关注［10-12］。生物炭具有巨大的比表面积、丰富的孔隙度和矿质营养元素等特征，施入农田后可有效改善土壤孔隙状况、提高土壤保水保肥能力，从而有利于促进作物生长发育并实现增产［17-20］。研究表明，施用生物炭能促进夏玉米生长发育及增产，有效提高土壤含水量及水资源利用效率［21-23］。作物产量和水分利用效率随施炭量的增加呈先增加后减少的变化趋势，而秸秆还田对水分利用效率的影响并不显著，适宜的施炭量比秸秆还田更能促进作物产量的提高［16，21，24］。然而也有研究指出，施用生物炭对作物产量及水分利用效率无明显影响，过量施用生物炭还会导致作物产量、水分利用效率降低［25-27］。因此，受生物炭原料、施用量及土壤条件等因素的影响，有关提高玉米产量及水分利用效率的适宜生物炭施用量的结论不一，且当前的研究大多基于单一生物炭或秸秆还田对玉米产量的影响，而将二者进行对比分析的研究报道较少。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省聊城市，试验在聊城大学土壤生态环境教学科研基地（36°43′N，116°01′E）进行。该区属温带大陆性季风气候，年均气温约为13.5℃，无霜期约为208 d，年均降水量为540.4 mm，年际和年内降水分配不均，全年降水量主要集中于夏季。试验期内（2020年6—9月）日均气温与降水量如图1所示，观测期内平均气温和总降水量分别为25.0℃和682.1 mm，降水量高于多年平均值。

图1 试验期内日均气温和降水量

1.2 供试材料

试验地为石灰性潮土，其基本理化性质为：容重1.48 g/cm3、田间持水量26.79%，pH值8.81、电导率215.07μS/cm、有机质含量10.87 g/kg、全氮0.72 g/kg、有效磷18.50 mg/kg和速效钾100.44 mg/kg。生物炭为玉米秸秆生物炭，裂解温度为450℃，其基本理化性质为：pH值7.44、电导率2 470μS/cm、全氮含量15.45 g/kg、有效磷1 151.85 mg/kg和速效钾5 300.21 mg/kg。供试玉米品种为郑单958。

1.3 试验设计

田间小区试验中，定位试验为第一年第二季夏玉米季，设置不同生物炭还田量和秸秆还田量。其中，生物炭施用量按照小区内实际平均秸秆生产量（玉米秸秆干物质量）全部转化为生物炭（平均转化率约为30%）进行倍数施用，还田量分别为50%（B0.5，1.14 t/hm2）、1.0倍（B1.0，2.28 t/hm2）、1.5倍（B1.5，3.42 t/hm2）和2.0倍（B2.0，4.56 t/hm2）；秸秆直接还田量按照小区内实际平均秸秆生产量（玉米秸秆干物质量）进行倍数施用，还田量为50%（S0.5，3.80 t/hm2）、1.0倍（S1.0，7.60 t/hm2）、1.5倍（S1.5，11.40 t/hm2）和2.0倍（S2.0，15.20 t/hm2）；以无生物炭和秸秆还田处理为对照（CK），共计9个处理。随机区组排列，重复3次。小区面积为8 m2。

生物炭和秸秆采用冬小麦季还田—夏玉米季不还田的单季还田模式，生物炭过2 mm筛，秸秆粉碎至5 cm，于冬小麦播种前均匀撒施在土壤表面并翻入耕层土壤中充分混匀。各小区施肥量一致，分别为氮肥（尿素，N 46%）225 kg/hm2、磷肥（磷酸二铵，P2O542%、N 18%）150 kg/hm2、钾肥（氯化钾，K2O 51%）150 kg/hm2，50%的氮肥和全部钾肥、磷肥在夏玉米播种前一次性施入作为底肥，50%氮肥在拔节期追施。试验期为2020年6月14日夏玉米种植至9月23日收获。株距为25 cm，行距为50 cm，种植密度8万株/hm2。试验未使用农药，其它管理措施同当地农田。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 植株性状及产量 于拔节期、小喇叭口期、开花期和灌浆期，每个小区选取3株长势均匀的玉米植株，测其各生育期的株高、茎粗，灌浆期另测穗位高。于成熟期取各小区中间两行测量植株鲜重、穗鲜重和穗粒数，并随机选取10株将茎、叶、穗轴和籽粒分开，于105℃杀青30 min后75℃烘干至恒重，计算地上干物质量、千粒重和籽粒产量。

1.4.2 土壤含水量 于玉米拔节期、小喇叭口期、开花期、灌浆期和成熟期，使用土钻取0～100 cm土样，每10 cm分为一层，于105℃烘干至恒重，计算土壤含水量。

1.4.3 水分利用效率 计算公式为：

式中，WUE为水分利用效率［kg/（hm2·mm）］，Y为籽粒产量（kg/hm2），ET为夏玉米生育期内的总耗水量（mm）。

3.创办“优秀作文”专刊。如我校初一年段就创办了“优秀作文”专刊《春草园》，它主要的作用是将每月的写作主题中比较优秀的作文（指导教师给予适当的点评）进行选编，以供同年级的学生学习和交流。让同年级的学生看同年级的作文，别有一番滋味。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理，SPSS26.0软件进行差异显著性分析（LSD，P＜0.05）和相关分析（Spearman），Origin 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 生物炭和秸秆还田对夏玉米生长发育的影响

2.1.1 对株高的影响 各处理下玉米株高随生育期的推进呈先增加后趋于稳定的变化趋势（图2）。生物炭和秸秆还田处理有利于增加玉米拔节期株高，且生物炭还田优于秸秆还田，但仅B2.0处理与对照差异显著。小喇叭口期，各处理对株高的促进作用与对照相比无显著差异，B1.0和S0.5处理对植株增高有所抑制。各处理下开花期玉米株高达到最大值，B0.5、S2.0处理分别显著高于对照4.45%、4.66%。灌浆期，整体上生物炭处理株高随还田量的增加逐渐降低，而秸秆还田处理随还田量的增加而增加，B0.5、S1.5和S2.0处理显著提升夏玉米株高。生育期内，B0.5、S1.0、S1.5和S2.0处理始终能够促进玉米植株生长，提升株高。

图2 生物炭和秸秆还田对夏玉米株高的影响

2.1.2 对茎粗的影响 由图3可以看出，玉米茎粗随生育期的推进不断提高并呈单峰曲线变化，小喇叭口期达到最大值后有所下降。与对照相比，拔节期生物炭处理对茎粗的影响除B1.5表现为抑制外，其余处理均表现为促进；其它生育期内，仅B2.0在小喇叭口期、B0.5在开花期和灌浆期表现为促进，其余生物炭处理则表现为抑制。与生物炭不同，秸秆还田对茎粗生长的影响在拔节期S0.5、S1.0处理表现为抑制，S1.5、S2.0处理表现为促进，但随着生育期的推进秸秆还田处理对茎粗生长均表现为促进，S1.5处理促进效果最佳，S2.0处理次之。

图3 生物炭和秸秆还田对夏玉米茎粗的影响

2.2 生物炭和秸秆还田对夏玉米地上干物质量及产量的影响

不同生物炭和秸秆还田量对玉米地上干物质量和产量的影响有一定差异（表1）。生物炭处理中B0.5更有利于促进地上干物质量、穗位高、穗粒数、千粒重和籽粒产量的增加。籽粒产量随生物炭还田量的增加呈先降低后有所增加的变化趋势，B0.5处理显著增产，为10.86%，B1.5和B2.0减产但与对照无显著差异。

表1 生物炭和秸秆还田对夏玉米地上干物质量及产量的影响

与对照相比，秸秆还田处理地上干物质量、穗位高、穗粒数、千粒重和籽粒产量分别增加4.80%～13.15%、0.28%～8.77%、2.00%～4.57%、3.02%～5.54%、5.44%～12.22%，并均表现为随还田量的增加呈逐渐增加的趋势。其中S1.5、S2.0处理地上干物质量较对照分别提高10.96%和13.15%，籽粒产量分别提高10.89%和12.22%。秸秆还田各处理虽可以更好地提高玉米地上干物质量及籽粒产量，但收获指数均低于生物炭还田。

对玉米籽粒产量与生育指标进行相关性分析，结果（表2）表明，籽粒产量与株高、茎粗、地上干物质量、穗位高和穗粒数均呈显著或极显著相关，与地上干物质量的相关性最强，而与千粒重的相关性未达到显著水平。

表2 夏玉米籽粒产量与生育指标的相关分析

2.3 生物炭和秸秆还田对土壤含水量的影响

由图4看出，夏玉米不同生育期0～100 cm土层土壤含水量垂直分布特征差异较大。总体上，B1.5处理土壤含水量最高，分别在拔节期0～40 cm、小喇叭口期0～70 cm、开花期0～30 cm和灌浆期0～60 cm土层的土壤含水量保持较高水平。从拔节期到成熟期，各处理平均土壤含水量表现为B1.5＞CK＞B1.0＞B2.0＞S2.0＞B0.5＞S0.5＞S1.0＞S1.5；随生物炭还田量的增加呈先增加后降低的趋势（B1.5最大），随秸秆还田量的增加呈先降低后增加的趋势（S1.5最小），整体上生物炭还田对土壤水分的保持效果优于秸秆还田。

图4 生物炭和秸秆还田对土壤含水量的影响

2.4 生物炭和秸秆还田对夏玉米水分利用效率的影响

由图5可知，玉米水分利用效率随生物炭还田量的增加逐渐降低，B0.5、B1.0处理有利于促进水分利用效率的提高，B0.5处理高于对照12.14%，而B1.5、B2.0则不同程度地降低水分利用效率。与对照相比，秸秆还田各处理均有利于促进水分利用效率的提高，表现为随秸秆还田量的增加呈先增加后降低的变化趋势，其中S1.5处理水分利用效率最高，但仍低于B0.5处理。

图5 生物炭和秸秆还田对夏玉米水分利用效率的影响

3 讨论

农作物秸秆自身养分含量丰富，其炭化之后还田和直接还田均可以有效改善土壤肥力［7，28］，从而有利于夏玉米根系从土壤中吸收丰富的养分为其生长发育和产量的形成提供支持。本研究结果表明，不同生物炭和秸秆还田量对夏玉米生长发育表现出一定的差异，整体上秸秆还田S2.0处理对株高、穗位高以及S1.5处理对茎粗的促进作用最优。

籽粒产量受植株性状的影响，株高、茎粗和穗位高是影响籽粒产量的重要指标。有研究发现玉米株高、茎粗和穗位高均与单株鲜穗产量呈极显著相关性［29］，本研究相关分析也表明灌浆期株高、茎粗和穗位高与籽粒产量之间均表现为显著或极显著相关（相关系数分别为0.591、0.729和0.448）。

夏玉米地上干物质量与株高、茎粗密切相关，B0.5、B1.0处理和秸秆还田各处理均能够促进地上干物质量的增加，而B1.5和B2.0处理则降低地上干物质量。相关分析表明，地上干物质量与籽粒产量之间的相关系数达0.834，因而B1.5和B2.0处理籽粒产量相应出现减产，但与对照无显著差异。

也有研究发现，玉米产量随施炭量和秸秆还田量的增加而增加［30，31］，仅与本研究秸秆还田试验结果一致，即籽粒产量随其还田量的增加而增加。这可能由于本试验采用的是冬小麦季还田夏玉米季不还田的单季还田模式：冬小麦季气温较低影响秸秆的腐解，而雨热同期的夏玉米季则可以促进秸秆腐解［32］；秸秆还田量的增加可以为作物生长提供更多的养分支持，从而实现麦季还田夏玉米增产的效果。本研究中，生物炭还田并未表现出随还田量的增加而逐渐增加的趋势，B0.5和B1.0处理可以较好地实现玉米增产，过量生物炭（B1.5和B2.0）还田对其生长发育和产量的促进效果减弱甚至产生抑制作用。其原因可能是，施高含碳量的生物炭导致土壤C/N比值提高，使微生物对氮元素产生固定作用，降低氮肥利用效率［33］，影响夏玉米生长发育和干物质积累，进而影响籽粒产量；另外研究期内较多的降水可能降低了生物炭改善土壤肥力的有效性。阚正荣等［34］研究也指出，生物炭施用量对玉米产量的促进作用具有一定范围，中低量施用可以实现夏玉米增产，而过高施用则降低其花后干物质量和产量。

生物炭还田和秸秆还田能够改善土壤原有物理结构、降低土壤容重、增加土壤孔隙度，同时适宜的还田量还可以促进土壤团聚体的形成，进而引起土壤水分的变化［19，20，35］。在夏玉米生育期内生物炭还田对土壤水分保持的效果优于秸秆还田，可能是由于生物炭丰富的孔隙结构、较大的比表面积和较强的吸附力等特殊性质使其具有较好的持水保水能力［36］。有研究指出塿土土壤含水量随生物炭施用量的增加呈先降低后升高的趋势［37］；而孟繁昊等［38］研究表明，土壤持水性随施炭量的增加呈先增后减的变化规律。本研究中，夏玉米生育期内平均土壤含水量具有随生物炭还田量的增加呈先增加后减少的变化趋势，B1.5处理土壤含水量达到最大值后有所下降，其原因可能是生物炭本身持水保水能力具有有限性。

生物炭处理籽粒产量随还田量的增加呈先减少后增加的变化，B1.5处理达到最小值后有所提高，与平均土壤含水量表现出完全相反的变化趋势。这可能是由于生物炭还田对土壤水具有较强的吸持力，生物炭还田量的增加则影响玉米根系对土壤水分的吸收利用，从而影响籽粒产量和水分利用效率。刘超等［39］研究指出，过量施用生物炭会降低夏玉米产量和水分利用效率。本研究中，B1.5和B2.0处理降低夏玉米籽粒产量和水分利用效率。而夏玉米生育期内平均土壤含水量随秸秆还田量的增加呈先降低后增加的趋势，S1.5达到最小值后有所上升，但各处理均低于对照。这可能是由于秸秆还田处理夏玉米生长表现出明显优势，需要吸收更多的土壤水分供其生长发育和增产，提高其水分利用效率。水分利用效率表现为，随秸秆还田量的增加呈先增加后降低的变化趋势，S1.5处理达到最大值后有所降低。本研究与刁生鹏等［40］的研究结果一致，即水分利用效率随秸秆还田量的增加先增加后减小，适宜的还田量可以更好地提高水分利用效率，同时指出秸秆还田增加土壤中矿质营养浓度，作物得到所需营养元素后促进植株气孔开放，增强其有效蒸腾，从而改善对土壤水分的有效利用。

4 结论

4.1 不同生物炭和秸秆还田量对夏玉米各生育期株高、茎粗的影响各有差异，B0.5、S1.0、S1.5和S2.0处理均可促进各生育期的平均株高和茎粗提高。S1.5、S2.0处理地上干物质量显著高于对照，分别增10.96%、13.15%。

4.2 夏玉米籽粒产量与株高、茎粗、地上干物质量、穗位高和穗粒数呈显著或极显著相关性，而与千粒重相关不显著。与对照相比，B0.5、S1.0、S1.5和S2.0处理显著增产，分别增10.86%、8.72%、10.89%和12.22%。

4.3 夏玉米生育期内生物炭还田整体上比秸秆还田能够更好地保持土壤水分，其中B1.5处理持水效果最佳。玉米水分利用效率随生物炭还田量的增加逐渐降低，随秸秆还田量的增加呈先增加后降低的变化趋势（S1.5处理最大），B0.5处理对提高水分利用效率效果最好，高于对照12.14%。