生物炭对轻度盐渍化棉田土壤及棉花生长的影响研究*

张磊，王国栋，石磊，戴煜余

（1.塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆农垦科学院）

生物炭作为一种新型技术产品，近年来成为土壤学等领域研究的热点，其构成和功能基础主要是富含稳定的碳元素、具有丰富的微孔结构，比表面积大，吸附能力强、含有植物生长所需的大量元素和中微量元素。生物炭对土壤物理和化学性质具有明显的改良作用，其多孔特性和比表面积有利于土壤聚集水分、提高孔隙度、降低容重，从而为植物生长提供良好的环境[1]。目前，多数生物炭改良土壤理化性质的研究集中在酸性土壤中，而新疆棉田土壤主要呈碱性[2]，在碱性土壤上生物炭对土壤的改良作用目前报道较少[3-4]。本研究针对轻度盐渍化棉田土壤，通过添加生物炭处理和添加外源氮肥，探索生物炭添加对盐渍化土壤以及棉花生长的影响，以期为生物炭改良盐渍化土壤，提升盐渍化土壤养分利用效率提供科学依据与支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设在新疆农垦科学院试验基地农田水利与土壤肥料研究所试验地，土壤为灰漠土，肥力中，前茬为棉花，耕层土壤pH为8.89，电导率EC25为344 μs/cm,耕层0～ 60 cm有机质含量7.58 g/kg、碱解氮34.91 mg/kg、速效磷（P2O5）11.52 mg/kg、速效钾（K2O）192.25 mg/kg、土壤容重1.17 g/cm3。

1.2 供试材料

供试棉花品种为新陆早45号，供试肥料为尿素（N46%）、三料磷肥（P2O546%）、硫酸钾（K2O60%）。生物炭采用新疆炮台试验站出品的棉花秸秆生物炭。棉秆生物炭pH为10.20，电导率EC25=5 400 μs/cm。

1.3 试验设计

试验采用大田微区设计，选用直径和高度均为60 cm无底圆桶埋入各相应小区正中位置，小区面积50 m2，微区面积0.29 m2，微区内棉花株数经人工清理保持一致，各处理施用生物炭的量为0 g/kg、10 g/kg、15 g/kg、25 g/kg、40 g/kg、60 g/kg，换算后施用量为0、1.50 t/667 m2、2.25 t/667 m2、3.75 t/667 m2、6.00 t/667 m2、9.00 t/667 m2。施肥量：氮肥（N）用量18 kg/667 m2，磷肥（P2O5）用量7 kg/667 m2，钾肥（K2O）用量4 kg/667 m2，全部做追肥。灌水量：280 m3/667 m2，重复3次，共18个处理，全生育期施等量的氮、磷、钾。

1.4 测定项目

收获后测定不同处理土壤紧实度，苗期、蕾期、花铃期每个处理选择长势良好均一的棉花作为观测对象，对棉花不同生育期内出苗率、株高、株径、叶片数、花铃数、棉桃数进行跟踪观测。测定棉花净光合速率、SPAD值等生理指标，并于收获期进行小区测产。

1.5 数据处理

采用WPS2019和ORIGIN9.0软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对棉田土壤紧实度的影响

土壤紧实度是土壤重要的物理性状，是衡量土壤中三相物质存在状态和容积比例的重要指标，对土壤的水、肥、气、热及其物理化学和生物学过程等因素具有调控作用，进而会对植物养分吸收和根、叶等器官和植株的生长发育产生重要影响。由图1可知，添加不同量生物炭对土壤紧实度有一定的影响，其中40 g/kg和60 g/kg处理各土层紧实度变化不大，从2.5 cm至42.5 cm均在500 kPa左右，均低于其他生物炭施用量处理，其他4个处理，土壤紧实度均表现出抛物线型变化，土壤紧实度在0～10 cm随着土层深度的增加而增加，在10～ 20 cm随着土层深度的增加土壤紧实度逐渐降低，这可能与表层土壤含水量低有关，而在20～ 30 cm后随着土层深度的增加土壤紧实度呈逐渐上升的趋势，在30 cm后随着土层深度的增加土壤紧实度呈降低趋势。从整体来看，生物炭的添加对土壤紧实度影响较大，40 g/kg处理和60 g/kg处理有相同的变化趋势，生物炭具有较好的保水性能，可能与土壤含水量有一定的关系。

图1 施用生物炭后对盐渍化土壤紧实度的影响

2.2 施用生物炭后对棉花生育各时期SPAD的影响

叶片是植物进行光合作用的主要器官，其叶绿素含量可以反映出植物光合生产潜力，由于植物叶片SPAD值与叶绿素含量具有显著相关性，因而叶片SPAD值常被用来表征植物体叶绿素含量。由图2可知，各施用生物炭处理的棉花叶片SPAD值基本呈现相同的变化规律，蕾期、初花期>盛铃期、吐絮期>盛花期、铃期，其中蕾期和初花期以10 g/kg处理叶绿素含量最高，盛花期和铃期以不施用生物炭处理最高，在盛铃期和吐絮期以15 g/kg处理叶绿素含量最高同时各处理SPAD值较为接近。

图2 施用生物炭对棉花生育期SPAD值的影响

2.3 施用生物炭对棉花蕾期光合特性的影响

生物炭处理可显著提高棉花叶片的净光合速率、气孔导度、光合能力以及棉花产量等参数[5]。图3表明不同处理在同一生育时期净光合速率（Pn）10 g/kg处理蕾期高于现蕾期，其它处理净光合速率现蕾期均高于蕾期，呈现出相同的变化趋势；各处理蕾期蒸腾速率（Tr）均呈现先升高后降低的趋势，且其蒸腾速率蕾期均高于现蕾期，其中10 g/kg处理显著低于其他处理；各处理气孔导度（Gs）变化趋势大致相同；各处理间胞间浓度（Ci）与气孔导度变化趋势相似，均随着生物炭施用量的增加呈现降低趋势。

图3 不同生物炭施用量对棉花叶片光合参数的影响

2.4 施用生物炭对棉花产量的影响

根据产量的计算结果，其中产量最高的为15 g/kg处理，较对照增产46%，其次为40 g/kg处理，较对照增产36%，其次分别为25 g/kg处理和10 g/kg处理，60 g/kg处理增产最少，较对照增产5%。由产量结果可以得出，15～ 40 g/kg处理可以达到较高产量，施用量较大的60 g/kg处理产量最低，因此，在轻度盐渍化土壤上生物炭的施用量在15～ 40 g/kg较适宜。关于生物炭和施氮量对棉花生长及产量的影响，研究结果表明，在灰漠土上生物炭和氮肥的合理配施，有助于促进棉花生长、提高产量[6]。同时，盐渍化土壤上最佳的生物炭施用量还需要更多的田间试验研究确定。

3 讨论与结论

生物炭作为一种土壤改良剂，由于其自身的结构特点，对于土壤物理化学性质的影响，以及对土壤养分的持留均有一定的作用。氮肥作为盐渍化土壤上损失最为严重的养分，主要通过氨挥发损失，如何提高盐渍化土壤的保氮能力，是减少氮肥损失的主要途径。施用生物炭改善了盐渍化土壤的理化性质，促进了作物生长，生物炭用量0.5%时施用效果最优[7]。说明生物炭对盐渍化土壤有一定改良效果。国内外很多学者针对生物炭对氮素淋洗损失展开了一系列的研究，通过测定氨挥发研究发现，生物炭可使2种酸性土壤pH升高，氨挥发量分别增加7.8倍和1.7倍[8]。同时研究发现，在北疆棉田上，不同类型生物炭对棉花产量影响显著，其中鸡粪生物炭有较好的增产效果[9]。可见生物炭在土壤改良以及提高养分利用效率及作物产量方面均有较为积极的作用。本研究结果表明，由于生物炭多孔疏松的特性，添加生物炭有利于降低土壤紧实度，同时适量的生物炭施用，可提高轻度盐渍化土壤棉花产量。