施用生物炭对玉米田土壤呼吸及水分利用效率的影响

2022-03-03于玲玲赵贵元崔婧婧

江苏农业科学 2022年3期

于玲玲，赵贵元，崔婧婧，郭强

(1.河北省唐山市农作物种子站，河北唐山 063000； 2.河北省农林科学院棉花研究所，河北石家庄 050051；3. 唐山市农业科学研究院，河北唐山 063001)

生物炭因具有丰富的孔隙度、巨大的比表面积以及大量的表面负电荷，可以有效改善土壤的理化特性，是一种优良的土壤改良剂。近年来，前人关于生物炭输入对土壤理化特性以及作物产量改良效果进行了大量研究。高惠敏等在河套灌区研究了不同改良剂对土壤指标及向日葵产量的影响，结果表明，生物炭处理可以降低土壤 pH 值、土壤总碱度，增加向日葵产量。侯新村等在唐山市曹妃甸区滨海盐碱地研究发现，添加生物炭会使土壤容重降低3.9%以上，有机碳含量、毛管孔隙度、田间持水量分别提高68.3%、4.0%、7.4%，柳枝稷存活率提高了18.4%。施用生物炭主要通过增加有效穗数和提高结实率来提高水稻产量，同时，施用生物炭可以提高稻米的碾磨品质、糙米率、整精米率、精米率以及食味评分值。施用生物炭可以增加土壤中速效氮、有效磷、有效钾和有机碳含量，提高脲酶、蔗糖酶和蛋白酶活性，但土壤pH值随生物炭施用量的增加而升高。张娜等研究表明，施用生物炭可以提高夏玉米的干物质积累量，较低的生物炭施用量有利于玉米生育后期光合作用的维持以及产量的提高。

由以上可知，添加生物炭对作物产量以及土壤理化特性等方面的影响已见诸多报道，而添加生物炭对土壤呼吸速率、水分利用效率以及春玉米产量等方面的影响鲜有报道。为此，本研究针对冀东沿海地区土壤肥力差、水分利用效率低和作物产量不高等现状，通过施用不同量的生物炭，研究其对土壤呼吸速率、养分含量、含水率、玉米产量以及土壤水分利用效率的影响，以期为该区域生物炭适量施入和玉米高产、水分高效利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2019年5月至2020年9月在唐山市农业科学研究院玉米新品种示范基地进行。该基地位于唐山市海港开发区王滩镇(118°97′E、39°28′N)，属暖温带半湿润大陆性季风气候，海拔约30 m。该区域春季风多雨少，蒸发量大，易旱；夏季高温高湿，雨水集中，多暴雨、冰雹、大风等灾害性气候；秋季气温变化较大，降温较快。年降水量500～700 mm，年际间变化较大，无霜期180～190 d，年均气温12.5 ℃。2019年和2020年整个玉米生长季(5—9月)降水量分别为462.2、506.9 mm(图1)。试验区土壤属沙土，0～40 cm土层土壤有机质含量为7.1 g/kg，碱解氮含量为36.4 mg/kg，有效磷含量为15.9 mg/kg，速效钾含量为180.4 mg/kg，pH 值为8.5，属低肥力水平土壤。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组试验设计，参照文献[12-13]结合试验地地力情况，生物炭施用量设T(2 000 kg/hm)、T(7 000 kg/hm)和T(12 000 kg/hm)3个水平，以不施生物炭为对照(CK)，每个处理3次重复，共12个小区，小区面积为30 m(5 m×6 m)。所有生物炭均在2019年播种前随着翻地一次性全部施入。供试玉米品种为君辉521，播种密度为3 500株/667 m。供试肥料为尿素(N 质量分数为46%)、过磷酸钙(PO质量分数为 12%)和氯化钾(KO质量分数为60%)。磷、钾肥作为基肥一次性施入，氮肥总量的40%作为基肥，其余部分在大喇叭口期追施。2019年5月15日播种，9月10日收获；2020年5月20日播种，9月15日收获，各小区的田间管理方式基本相同。试验用生物炭购自辽宁金和福农业科技股份有限公司，它以玉米秸秆为原料，经450 ℃厌氧热解生产。基本含量：有机碳含量为651 mg/g，总氮含量为19.6 mg/g，有效磷含量为0.54 mg/g，速效钾含量为22 mg/g，C/N为79.2，pH值为9.2。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤呼吸速率于玉米播种期(2019年5月15日、2020年5月20日)、苗期(2019年6月2日、2020年6月8日)、拔节期(2019年6月20日、2020年6月25日)、大喇叭口期(2019年7月7日、2020年7月11日)、灌浆期(2019年8月13日、2020年8月18日)和成熟期(2019年9月7日、2020年9月11日)，采用LI-8100(LI-COR，Lincon，NE，USA)开路式土壤碳通量测定系统测定不同处理下玉米田土壤呼吸速率。

1.3.2 土壤水分测定土壤呼吸速率的同时，采用TDR中子仪(型号为6050XI，生产商为Soil Moisture Equipment Corp.，Santa Barbara，CA，USA)，原位测定0～100 cm土层的土壤含水量，每间隔20 cm土层进行测定，结合降水量、田间灌水量以及水分蒸散量，计算作物的耗水量(mm)。

1.3.3 土壤养分含量和pH值 2019年4月下旬玉米播种前以及2019年和2020年玉米收获后，每个处理小区内随机选取5点，测定0～40 cm土层的碱解氮、有效磷、速效钾、有机碳含量以及pH值。土壤养分指标的测定参照《土壤农业化学分析方法》，其中，碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定；有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定；pH值采用复合电极法测定。

1.3.4 水分利用效率计算方法土壤贮水量(mm)=土壤含水量(%)×土层深度(mm)×土壤容重(g/cm)；作物耗水量(mm)=生育期内灌水量(mm)+生育期内降水量(mm)+作物利用的地下水量(mm)-地表径流量(mm)-土壤渗漏量(mm)-种前和收获后土壤贮水的变化量(mm)；水分利用效率[kg/(hm·mm)]=作物产量(kg/hm)/作物耗水量(mm)。

整个试验期间不进行人工灌溉，因此玉米生育期灌水量为0；试验区域地下水深约7 m，因此整个作物生育期地下水利用量为0；由于试验地平坦，降雨较少，蒸发作用强烈，因此地表径流量和土壤渗漏量为0。

1.3.5 产量测定成熟期，调查每个处理小区的实有株数、空杆数和双穗数。每个小区果穗全部收获称质量，依据平均单穗质量，称取10个具有代表性的果穗进行室内考种，调查记载项目包括穗粒数和百粒质量，根据10穗质量，折算出小区籽粒产量(籽粒含水量折合成14%)。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010进行数据整理；用SAS 9.0进行方差分析，运用法(<0.05)进行多重比较；用SigmaPlot 14.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对土壤呼吸速率的影响

由图2可知，在整个测定期间，土壤呼吸速率具有明显的季节变化特征。播种期各处理土壤呼吸速率最小，随着生育进程的推进，不同处理的土壤呼吸速率呈现出递增趋势，灌浆期各处理土壤呼吸速率达到最大值，随后逐渐减小。土壤呼吸速率的年季间变化趋势基本相同。整个测定期间，CK的土壤呼吸速率变化范围为50.4～295.6 mg/(m·h)，T处理为162.9～432.5 mg/(m·h)，T处理为222.7～521.7 mg/(m·h)，T处理为221.4～574.6 mg/(m·h)。CK的土壤呼吸速率均低于同期其他处理，说明添加生物炭对土壤呼吸速率有明显影响。由图3可知，2年平均土壤呼吸速率表现为T[361.4 mg/(m·h)]>T[335.2 mg/(m·h)]>T[285.8 mg/(m·h)]>CK[127.9 mg/(m·h)]；2020年，T、T和T处理的土壤呼吸速率平均值均大于2019年，分别增加7.6%、8.3%、16.9%。可见，随着生物炭添加量的增加，土壤呼吸速率逐渐增大；伴随着时间的推移，不同生物炭添加量对土壤呼吸速率造成的影响不同。

2.2 施用生物炭对土壤水分的影响

由图4可知，玉米生长前期(苗期—拔节期)，2019年各处理土壤含水率随着土层深度的加深呈逐渐增加的趋势，但各处理之间差异不明显；2020年各处理土壤含水率随着土层加深呈逐渐降低的趋势，T、T、T处理0～100 cm土层平均含水率较CK分别提高了9.8%、9.3%、10.0%。玉米生育中期(小喇叭口期—吐丝期)，此阶段为玉米需水旺期，且此阶段降水量较少，因此各处理2年的土壤含水率均有所降低。2019年，T、T、T处理0～100 cm 土层平均含水率较CK分别提高了4.0%、20.2%、24.6%；2020年各处理0～100 cm土层平均含水量均高于2019年，分别提高了33.1%、35.3%、28.1%；2020年CK处理0～100 cm土层平均含水量最低，T处理最高。玉米生育后期(灌浆期—成熟期)，此阶段玉米需水量减少，降雨较多，因此各处理0～100 cm土层含水率均有所上升。T和T处理0～100 cm土层平均含水率明显高于CK和T处理。2019年各处理80～100 cm土层平均含水率明显回升。2020年各处理0～40 cm土层含水率逐渐上升，40～100 cm土层含水率逐渐下降，T和T处理间差异不明显。可见，T和T处理较CK和T处理增加了0～100 cm土层的含水率，且T和T处理间差异不明显。

2.3 施用生物炭对土壤养分的影响

由表1可知，施用生物炭可增加土壤(0～40 cm)有机碳和碱解氮含量。与试验处理前相比，2年玉米收获后，T、T、T处理有机碳含量均显著增加，增幅达10.7%～45.9%。2019年T、T、T处理下土壤有机碳含量较CK显著增加(<0.05)，增幅分别为11.2%、19.5%、20.0%，T和T处理间差异不显著，T、T与T、CK之间差异显著(<0.05)。2020年各处理间有机碳含量差异均达到显著水平(<0.05)，且2020年T、T、T处理下有机碳含量均高于2019年。添加生物炭可以调节土壤中碱解氮含量，与试验处理前相比，玉米成熟期，T、T、T处理下碱解氮含量均显著增加，增幅达19.7%～38.7%，且显著高于CK，但T与T处理间差异不显著。

表1 不同生物炭施用量对0～40 cm土层土壤肥力的影响

由表1可知，施用生物炭可增加土壤(0～40 cm)有效磷和速效钾含量。2年玉米成熟期，T、T、T处理土壤有效磷和速效钾含量均显著高于处理前(<0.05)。玉米成熟期有效磷含量2019年以T处理最高，2020年以T处理最高。T、T、T处理2年平均有效磷含量分别较CK增加39.7%、50.7%、47.8%。2019年T、T和T处理速效钾含量显著高于CK(<0.05)，以T处理增幅最大，为55.3%，其次为T、T处理；2020年以T处理增幅最大，为64.2%，其次为T和T处理，增幅分别为56.6%、44.9%；T、T和T处理2年平均速效钾含量较CK分别增加了43.0%、55.5%、59.8%。

由表1可知，使用生物炭可增加土壤(0～40 cm)pH值。玉米成熟期，T和T处理土壤pH值均显著高于处理前(<0.05)，T和T处理间差异未达到显著水平。T、T和T处理2年平均pH值较CK分别增加了0.59%、1.05%和1.25%。由以上可知，施用生物炭可以显著增加耕层(0～40 cm)土壤养分，提高土壤肥力，同时，施用生物炭可以提高土壤pH值。

2.4 施用生物炭对玉米产量以及水分利用效率的影响

不同生物炭施用量对玉米产量、耗水量和水分利用效率的影响不同。由表2可知，施用生物炭可以增加玉米产量。2019年T、T、T处理籽粒产量分别较CK增加9.2%、13.8%、9.8%。2020年T、T、T处理籽粒产量分别较CK增加11.3%、17.4%、13.3%。综合2年试验结果，T处理2年平均产量最高，较CK增加了15.6%。穗粒数和百粒质量是影响玉米籽粒产量的主要因子，2年试验结果表明，T和T处理下玉米穗粒数显著高于CK和T处理(<0.05)；不同处理间百粒质量差异显著(<0.05)，2年平均百粒质量表现为T>T>CK>T，T处理2年平均百粒质量较CK增加了11.0%。2020年降水量(506.9 mm)略高于2019年(462.2 mm)，2020年玉米耗水量明显高于2019年，而且2020年玉米产量高于2019年，因此2020年玉米水分利用效率高于2019年。2019年施用生物炭，玉米耗水量较对照显著增加(<0.05)，其中T、T和T处理玉米耗水量分别较CK增加3.9%、5.0%、4.7%；2020年各处理间玉米耗水量差异显著，其中T、T和T处理玉米耗水量分别较CK增加3.4%、5.1%、4.3%；T、T和T处理2年平均耗水量分别较CK分别增加3.7%、5.1%、4.5%。不同处理间水分利用效率差异显著(<0.05)，2年玉米水分利用效率均以T处理最高，分别较CK增加23.1%(2019年)和25.2%(2020年)。