生物炭施用对冬小麦农田土壤养分及作物产量的影响

姚 奇，俞若涵，张洪宇，秦 凯，张 培，彭正萍，王 洋，王殿武*

（1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北 保定 071000；2.河北农业大学国土资源学院，河北 保定 071000；3.海兴县农业农村局，河北 沧州 061200；4.南皮县农业农村局，河北 沧州 061500；5.河北省耕地质量监测保护中心，河北 石家庄 050000）

华北平原拥有我国18.1%的耕地面积，是重要的冬小麦生产基地，然而其水肥投入已远远超过当前作物产量的水肥需求量[1-2]，不合理的农业管理措施造成土壤板结、有机质含量降低、土壤肥力下降等问题[3]，严重破坏华北平原的农业可持续发展。生物炭的高孔隙度和多微孔结构特征有助于改善土壤结构，提高土壤保肥蓄水能力[4-5]，这对修复华北平原的土壤问题具有积极作用。生物炭也称为生物质炭、生物碳或生物黑炭，是将废弃的生物质资源在无氧或少氧条件下高温热解炭化后形成的固体产物[6]。探究生物炭施用对华北农田土壤养分及冬小麦生长情况的影响对于维持该地区土壤肥力、提高作物产量具有重要意义。

生物炭直接或间接参与农田生态系统土壤养分循环，并通过自身理化特性或与土壤相互作用对土壤养分产生重要影响，进而影响作物产量[7]。但由于土壤类型、作物种类等差异，以及制备生物炭时的温度和原料不同，生物炭作为土壤改良剂提高小麦产量的合理施用量尚存争议[8-10]。在土壤中添加生物炭可起到一定的保水效果，其高比表面积具有的吸附性能可减少土壤水分的渗漏流失，从而减少土壤养分的淋溶损失；同时，生物炭表面高浓度的负电荷对带电荷有机质的吸附使土壤具有更强的养分持留能力，抑制土壤养分淋溶[11]。然而，在不同气候、土壤条件和人为管理方式下，生物炭施用水平对土壤养分的提升效应尚未得到一致的结论。王耀等[12]研究发现在东北黑土地菜田施用30 t/hm2生物炭可显著提高土壤铵态氮含量，而郭碧林等[13]发现在湖南红壤性水稻土生物炭施用量为10～40 t/hm2时，土壤铵态氮含量在生物炭施用量达到30 t/hm2时开始显著下降。不同土壤条件与生物炭施入量对冬小麦生长也会造成不同影响，Zhao等[14]和刘园[15]研究发现，在生物炭施用量为4.5～9和2.25～11.25 t/hm2时，土壤养分、植物养分和地上部生物量均随着生物炭的施入明显增加。然而阚正荣等[16]研究发现，7.2 t/hm2的生物炭施用水平即已超过对冬小麦产量产生积极影响的用量。前人虽对生物炭影响冬小麦生长开展了相关研究，但华北平原冬小麦生产的合理生物炭施用量有待进一步明确。

本研究针对华北平原北部潮土区冬小麦农田，从土壤有机质、全量和速效氮、磷、钾养分含量，以及冬小麦产量等变化情况揭示一次性施入低、中、高3种不同用量的生物炭对冬小麦生产的影响，以期为生物炭在华北农田冬小麦生产的应用以及确定最优施用量方面提供技术参考，为实现作物高产高效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于河北省宁晋县（114°53′E，37°37′N）。该区属于暖温带大陆性气候，四季分明，年平均温度12.8℃，年平均降水量501 mm，年平均总日照时数2538.1 h，无霜期约200 d。

1.2 供试材料

供试土壤类型为中壤质潮褐土，耕层（0～20 cm）土壤基础理化性质：pH值为8.0、容重为1.5 g/cm3，其他化学性质见结果与分析。供试生物炭所用原料为果木废弃枝条，在600℃高温缺氧条件下热解制备。该生物炭全氮含量为0.5 g/kg，全磷含量为0.9 g/kg，全钾含量为10.4 g/kg，有效磷含量为89.3 mg/kg，速效钾含量为251.0 mg/kg。供试小麦品种为藁优2018。供试肥料为复合肥（N-P2O5-K2O：6.4-9-7）、尿素（N 46%）。种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟，冬小麦田间试验开展于2018年10月13日到2019年6月6日。

1.3 试验设计

田间试验共设置4个处理，在化肥施用量相同的基础上，一次性施入0（B0F）、5（B5F）、10（B10F）和20（B20F）t/hm2生物炭，每个处理设置4次重复，采用随机区组排列，每小区面积34.2 m2（9.5 m×3.6 m）。生物炭于2017年6月夏玉米播前撒施于土壤表层并通过翻耕使生物炭与耕层（0～20 cm）土壤混匀，采集施用生物炭前的土壤样品作为基础土。2018年冬小麦播种于10月13日，上茬玉米秸秆全部粉碎还田，旋耕至25 cm，冬小麦播种量为262.5 kg/hm2，施肥两次，第1次撒施复合肥N-P2O5-K2O为96-135-105 kg/hm2，第2次为拔节期追肥，撒施尿素144 kg/hm2，于2019年6月6日收获。种子的播种方式为机施，其他田间管理与当地常规管理方法一致且各处理均保持相同耕作管理措施。

土壤样品采用五点取样法，分别于2018年小麦季拔节期、开花期、成熟期采集，分为0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm 5个土层。植物样品于成熟期采集，每个小区随机选取6行（避开边行）2 m长度的小麦穗，用于测定小麦产量。

1.4 测定指标及方法

土壤样品硝态氮、铵态氮含量用连续流动分析仪测定。生物炭和土壤样品有机质含量采用K2Cr2O7外加热法测定；全氮含量采用凯氏法测定；全磷含量采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度法测定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定。

小麦产量通过考种分析测定公顷穗数、穗粒数、千粒重。

1.5 计算公式与数据统计

1.5.1 计算公式

土壤养分累积量计算公式为：

式中：A为土壤养分累积量（kg/hm2）；h为土层厚度（cm）；ρ为土壤容重（g/cm³）；C为养分浓度（mg/kg）。

1.5.2 数据统计

采用Excel 2010对试验数据进行处理和作图，采用SPSS 22.0进行差异显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用对耕层土壤全量养分的影响

冬小麦成熟期耕层土壤有机质和全钾含量随生物炭施用量增加而增加，土壤全氮含量随生物炭施用量增加呈上升趋势，而全磷含量受不同生物炭施用水平影响不大（图1）。不同生物炭施用水平下，土壤有机质含量介于16.22～22.23 g/kg之间，与B0F相比，B10F、B20F分别显著（P＜0.05）提高20.59%、37.05%。中、高量生物炭施用显著提升土壤全钾含量，与B0F相比，B10F、B20F分别显著（P＜0.05）提高7.78%、11.86%。土壤全氮含量介于1.09～1.41 g/kg之间，随生物炭施用量增加呈上升的趋势。未施用和施用低、中、高量生物炭对冬小麦成熟期耕层土壤全磷含量无显著影响，其范围介于0.96～1.03 g/kg之间。

图1 冬小麦成熟期耕层土壤（0～20 cm）有机质及全量养分含量

2.2 生物炭施用对土壤有效养分垂直分布的影响

2.2.1 生物炭施用对土壤硝态氮、铵态氮垂直分布的影响

华北平原北部潮土区土壤硝态氮含量在冬小麦拔节期、开花期和成熟期主要呈现B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趋势（图2）。在拔节期，0～20 cm土层土壤硝态氮含量介于11.69～17.06 mg/kg之间，B5F处理为最大值，较B0F处理显著提高29.93%。在40～60 cm土层出现累积峰，B5F处理为最大值（7.98 mg/kg），B0F、B10F、B20F处理土壤硝态氮含量分别为5.61、7.59、6.00 mg/kg。在开花期，0～20 cm土层土壤硝态氮含量介于21.57～30.01 mg/kg之间，B5F处理较B0F、B10F、B20F处理分别显著提高39.13%、12.44%、24.99%。在40～60 cm土层出现累积峰，B5F处理显著高于B0F处理39.88%。在成熟期，0～20 cm土层土壤硝态氮含量介于10.23～14.80 mg/kg之 间，B5F处理较B0F处理显著提高22.31%。B5F处理于40～60 cm土层出现累积峰，其他处理未出现累积峰。

图2 冬小麦不同生育时期0～100 cm土层硝态氮含量

华北平原北部潮土区土壤铵态氮含量在冬小麦拔节期、开花期和成熟期主要呈现B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趋势（图3）。在拔节期，0～20 cm土层土壤铵态氮含量介于1.82～2.68 mg/kg之间，与B0F比，B5F、B10F处理分别显著提高47.25%、36.81%。在0～100 cm土体内，各处理并未出现累积峰。在开花期，0～20 cm土层土壤铵态氮含量介于6.31～8.48 mg/kg之间，在40～60 cm土层出现累积峰，土壤铵态氮含量介于2.74～3.87 mg/kg之间，B5F处理均显著高于B0F处理。在成熟期，0～20 cm土层土壤铵态氮含量介于2.16～3.13 mg/kg之间，与B0F处理比，B5F、B10F、B20F处理分别显著提高44.91%、43.98%、30.56%。在0～100 cm土体内，各处理并未出现累积峰。

图3 冬小麦不同生育时期0～100 cm土层铵态氮含量

2.2.2 生物炭施用对土壤有效磷垂直分布的影响

华北平原北部潮土区耕层土壤有效磷含量在冬小麦拔节期、开花期和成熟期大致相同，整体呈现B5F＞B20F＞B10F＞B0F的趋势（图4）。在拔节期，0～20 cm土层土壤有效磷含量介于28.70～33.78 mg/kg之间，于B5F处理达到最大值。B20F处理于40～60 cm土层出现累积峰，而B0F、B5F、B10F处理于60～80 cm土层出现累积峰，在60～80 cm土层，B5F处理土壤有效磷含量分别显著高于B0F、B10F、B20F处理54.06%、34.02%、18.32%。在开花期，0～20 cm土层土壤有效磷含量介于27.84～31.26 mg/kg之间，于B5F处理达到最大值。在60～80 cm土层出现累积峰，施炭处理（B5F、B10F、B20F）土壤有效磷含量均显著高于未施炭处理（B0F），土壤有效磷含量分别提高60.71%、41.68%、70.37%。在成熟期，0～20 cm土层土壤有效磷含量最高，B5F处理于60～80 cm土层出现累积峰，B20F处理于40～60 cm土层出现累积峰，其他处理随着土层深度的加深，土壤有效磷含量逐渐下降。

图4 冬小麦不同生育时期0～100 cm土层有效磷含量

2.2.3 生物炭施用对土壤速效钾垂直分布的影响

华北平原北部潮土区土壤速效钾含量在冬小麦拔节期、开花期和成熟期主要呈现B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趋势（图5）。在拔节期，0～20 cm土层土壤速效钾含量介于292.64～341.60 mg/kg之间，施炭处理（B5F、B10F、B20F）土壤速效钾含量均显著高于未施炭处理（B0F），分别提高16.73%、14.77%、11.61%，20 cm以下土壤速效钾含量缓慢下降，于80～100 cm土层大幅下降。在开花期，0～20 cm土层土壤速效钾含量介于235.16～270.72 mg/kg之间，于B5F处理达到最大值，与拔节期相同，20 cm以下土壤速效钾含量缓慢下降，于80～100 cm土层大幅下降。在成熟期，0～20 cm土层土壤速效钾含量最高，随着土层深度的加深，土壤速效钾含量逐渐下降，于40～60 cm土层出现累积峰，该土层B20F处理土壤速效钾含量显著高于B0F、B5F、B10F处理，分别提高22.20%、80.41%、23.05%。

图5 冬小麦不同生育时期0～100 cm土层速效钾含量

2.2.4 生物炭施用对0～100 cm土壤有效养分累积量的影响

由表1可知，华北平原北部潮土区冬小麦成熟期0～100 cm土壤有效态养分含量的整体趋势表现为施生物炭处理高于未施碳处理。在0～100 cm土体内，土壤硝态氮累积量于B5F处理达到最大值，为114.6 kg/hm2，其次是B10F处理，为108.1 kg/hm2，显著高于B0F和B20F处理（P＜0.05）。土壤铵态氮累积量于B10F处理达到最大值，为21.7 kg/hm2，B5F处理几乎与之相同，达到21.6 kg/hm2，B20F处理为19.9 kg/hm2，显著高于B0F处理（P＜0.05）。土壤有效磷累积量于B5F处理达到最大值，为197.3 kg/hm2，其次是B20F处理，显著高于B0F和B10F处理（P＜0.05）。土壤速效钾累积量于B20F处理达到最大值，为2052.9 kg/hm2，显著高于B0F、B5F、B10F处理23.08%、29.33%、6.54%（P＜0.05），说明对保持土壤速效钾而言，施用20 t/hm2生物炭最合适。

表1 冬小麦成熟期0～100 cm土壤有效态养分累积量 （kg/hm2）

2.3 生物炭施用对冬小麦产量及构成要素的影响

由表2可知，生物炭施用对冬小麦籽粒产量、穗数、千粒重和穗粒数均产生积极影响。冬小麦籽粒产量于B5F处理达到最大值（8222.0 kg/hm2），显著高于B0F、B10F、B20F处理，分别提高17.02%、11.20%、15.51%。冬小麦穗数于B5F处理达到最大值，为632 × 104个/hm2，显著高于B0F、B10F、B20F处理，分别提高11.66%、9.91%、14.49%。从冬小麦籽粒产量角度看，施用5 t/hm2生物炭最合适。

表2 冬小麦产量及构成要素

3 讨论

本研究发现，生物炭施用可以显著提高土壤有机质和全钾含量，这与段春燕等[17]的研究结果一致。随着施用生物炭量的增多，土壤有机质含量的递增幅度最高，其主要原因为生物炭施用量增加，大幅提升了输入土壤的碳源数量，尤其试验中添加的生物炭原料为废弃果木枝条，碳和挥发性物质含量一般高于农业废弃物制备的生物炭[18]。杨劲峰等[19]指出随生物炭施用量增加，土壤C/N增加，利于提高土壤对氮素的吸持，本试验中也得到了同样的土壤全氮含量上升的趋势。土壤全磷含量与生物炭的关系并不显著，可能是因为随着土壤有机质含量升高，固磷作用减弱[20]，最终使土壤全磷含量维持在1.00 g/kg附近。

本研究中施生物炭处理（B5F、B10F、B20F）耕层有效态养分含量多高于未施炭处理（B0F），说明施用生物炭可以提高土壤有效态养分含量，一方面是因为生物炭本身就富含多种矿质营养元素，另一方面是因为其有利于降低养分的淋失[13-14，21-22]。而各施炭处理间B5F处理有效态养分含量最高，可能的原因是中、高量生物炭使土壤C/N提高，进而使微生物固定作用加强导致其固定了更多的土壤有效态养分[23-24]。本研究发现有效态养分多在40～60和60～80 cm土层出现累积峰，说明在小麦生育期内，降水和灌溉使有效态养分多集中向40～60和60～80 cm土层迁移。

各施生物炭处理间B5F处理冬小麦籽粒产量最高，这与张文玲等[25]和陈敏等[26]研究结果相同，主要原因是生物炭对土壤养分有缓控作用，其吸附-解吸过程能使冬小麦生长得到更合理的养分供应，同时，中、高量生物炭施用提高土壤C/N，土壤微生物与植物争夺有效态养分资源，进而造成植物可吸收利用的养分减少。因此，相比于低量生物炭处理，施用中、高量生物炭对作物产量提升的幅度大大减缓。冬小麦产量构成结果表明，生物炭施用主要增加了冬小麦的有效穗数，但对粒重无显著影响，这与夏璐[27]和代镇[28]的研究结果相似。此外，B5F处理产量达到最大值也是因为其穗数显著高于其他处理，这说明施用生物炭通过提高冬小麦的穗数来提高产量。

4 结论

生物炭可以提高0～20 cm土壤有机质、全氮、全钾含量，有效减少降水和灌溉对土壤养分的淋溶，对土壤肥力的保持有积极意义。同时，低量生物炭（B5F）施用显著提高冬小麦拔节期、开花期和成熟期0～100 cm土壤有效养分的垂直分布与累积，且显著提高冬小麦籽粒产量17.02%。而中、高量生物炭施用对土壤有效养分的累积和冬小麦产量的提升效果并不明显。因此，根据土壤养分分布以及冬小麦产量的变化，华北平原施用5 t/hm2生物炭较为合适。