施用生物炭5年后对夏玉米田土壤理化性质及产量的影响

郭书亚，尚 赏，王 坤，张 艳，汤其宁，卢广远

(1.商丘市农林科学院，河南商丘 476000；2.北京联创种业有限公司，北京 100018)

生物炭作为土壤改良剂，在农业生产上已广泛应用，具有含碳量高、孔隙度高、吸附力强、营养丰富等特点。土壤施入生物炭，能够显著降低土壤容重、改善土壤通气和水分条件、提高土壤供水保水能力；由于生物炭具有巨大的比表面积能够强烈吸附并固定氮(N)、磷(P)等营养元素，减少养分的流失，保肥效果好，但是施用的产量结果不一致。土壤施入生物炭后，对土壤是一个长期的影响，并随着时间的推移而变化，有学者指出，生物炭施入后短期内对土壤影响明显，长时间影响有限。前人研究也指出，开展生物炭对土壤的长期影响研究具有重要的意义。前人研究生物炭对土壤容重、团聚体组成及稳定性的影响仍存在争议，并且对生物炭的研究多集中在干旱与半干旱地区以及酸性土壤地区，在以河南省商丘市为代表的豫东平原地区的研究鲜有报道。因此本研究设置一次性添加生物炭5年后，研究其对夏玉米田土壤理化性质和玉米产量的影响，以期为豫东地区玉米田生物炭施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验共设5个处理：CK(不施生物炭也不施生物有机肥)，T1(施生物炭10 t/hm)，T2(施生物炭 15 t/hm)，T3(施生物炭20 t/hm)，T4(施生物炭25 t/hm)。以上全部处理均常规施肥，其中复合肥(N、PO、KO含量均为17%)用量为600 kg/hm，尿素用量为300 kg/hm。随机区组排列，重复3次。试验所用生物炭购自河南众信蓝天环保装备有限公司，采用玉米秸秆在厌氧环境中烧制，温度为450～500 ℃，烧制时间为2 h左右，其碳含量为 437.82 g/kg，pH值为9.0，全氮含量为16.31 g/kg，全磷含量为8.19 g/kg，全钾含量为27.56 g/kg。试验于2016年在商丘市农林科学院薛庄试验基地(34°31′ N，115°42′ E)进行，每个小区的生物炭添加在小麦季一次性完成，生物炭与 0～20 cm土层土壤机械翻耕混合均匀，每年小麦季施用史丹利第四元素复合肥(N、PO、KO含量分别为26%、12%、9%)525 kg/hm，栽培管理同当地大田措施。供试玉米品种为成玉788，种植密度为75 000株/hm。于2020 年玉米收获后，每个小区采用“S” 形取样法取 0～20 cm 土层土壤样品，测定土壤理化性质。

1.2 测定项目和方法

土壤紧实度：采用杭州绿博仪器有限公司生产的土壤紧实度测量仪(LJSD-3)测定。

土壤容重和孔隙度：采用环刀法测定，土壤孔隙度=(1-容重/比重)×100%。

土壤团聚体比例：采用干筛法和湿筛法测定。干筛法参照江春玉等的方法，湿筛法参照Elliott的方法。

土壤有机碳、碱解氮、速效磷含量的测定参照鲍士旦的方法进行；速效钾含量测定参照陈红霞等的方法进行。

玉米产量及其构成因素：收获期，每个小区收获中间2行进行测产。

1.3 数据处理

采用Excel对数据进行处理，用SPSS 24.0对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 对土壤物理性质的影响

2.1.1 不同处理对土壤容重、土壤孔隙度、土壤紧实度的影响 从表1可以看出，和CK相比，施用生物炭5年后，土壤紧实度和土壤容重显著降低，并随着施用量的增加而降低，降幅分别为13.68%～25.43%、3.50%～9.79%；不同处理显著提高了土壤孔隙度，T1、T2、T3、T4处理的土壤孔隙度分别较CK高4.08%、5.73%、7.36%、11.47%。

表1 不同处理对土壤紧实度、土壤容重、土壤孔隙度的影响

2.1.2 对土壤团聚体分布特征的影响 从表2可以看出，和CK相比，不同处理均显著增加了 2.000 mm 以上粒级团聚体的比例，增幅达到47.33%～106.30%；不同处理间不同程度增加，>1.000～2.000、>0.500～1.000 mm 粒级团聚体比例，增幅分别为17.61%～48.65%、6.99%～39.41%；T3、T4处理能够增加>0.250～0.500 mm 粒级团聚体比例，而T1、T2处理则降低了>0.250～0.500 mm粒级团聚体比例，与CK相比差异不显著。不同处理均能显著降低>0.053～0.250、0.053 mm及以下粒级团聚体比例，降幅分别为13.38%～37.55%、21.89%～63.88%。

表2 不同处理对土壤各粒级团聚体比例的影响

2.1.3 对团聚体稳定性的影响 从表3可以看出，不同处理0.250 mm以上干筛团聚体比例高于CK处理，较CK增加1.88%～6.35%，T3和T4处理显著高于CK处理；不同处理0.250 mm以上湿筛团聚体比例均显著高于CK处理，随着生物炭施用量的增加而增加，增幅为19.49%～56.27%；和CK相比，不同处理均能显著降低土壤破坏度，降幅为19.57%～56.71%，且不同处理之间差异显著。说明土壤施入生物炭以后，能够促进土壤大团聚体形成，从而提高土壤稳定性。

表3 不同处理对土壤团聚体稳定性的影响

2.2 对土壤化学性质的影响

从表4可以看出，T1、T2、T3、T4处理下土壤有机碳含量显著高于CK处理，增幅为18.87%～32.06%，T4处理显著高于T1、T2处理，与T3处理差异不显著；不同处理能够增加土壤速效磷含量，增幅为3.45%～20.56%，T4处理显著高于其他处理；不同处理均能够显著增加土壤速效钾的含量，增幅为5.53%～14.85%，T4处理显著高于T1、T2处理，与T3处理差异不显著；而不同处理对土壤碱解氮含量影响不大，T3、T4处理较CK分别增加0.96%、3.34%，而T1、T2处理较CK分别降低1.43%、0.82%，不同处理间差异均不显著。

表4 不同处理对土壤化学性质的影响

2.3 对产量的影响

从图1可以看出，T1、T2、T3、T4处理下玉米产量显著高于CK处理，随着生物炭施用量的增加而增加，T1、T2、T3、T4处理分别较CK增加8.85%、14.53%、22.23%、30.13%，不同处理之间差异显著。

3 讨论与结论

3.1 施用生物炭5年后对土壤物理性质的影响

生物炭的比重远低于土壤的比重，施用生物炭后可以降低土壤容重，前人的许多研究都支持此结论。陈红霞等在砂姜黑土中研究发现，施用生物炭后，土壤容重降低4.5%～6.0%。Laird等研究指出，施用生物炭能够显著降低土壤容重。Eastman在粉砂土中研究发现，施用生物质炭，土壤容重显著降低，降幅达 14.3%。房彬等在石灰土中研究发现，施用生物炭使土壤容重显著降低14.6%～32.5%。孟繁昊等的研究表明，在 0～20 cm 施炭土层，生物炭可使土壤容重降低1.19%～12.09%，21～40 cm 土层土壤容重变化不显著。而战秀梅等研究4年棕壤生物炭定位试验表明，生物炭虽然能够降低土壤容重，但与对照差异不显著。本试验研究表明，连续施用生物炭和生物有机肥5年，能够显著降低土壤容重，降幅为3.50%～9.79%，土壤紧实度降低13.68%～25.43%，这与前人的研究结果基本一致。

前人研究指出，施用生物炭能够改善土壤结构，增加土壤孔隙度。孟繁昊等研究指出，施用生物炭能够显著增加土壤孔隙度，本研究也得出相似结论，施用生物炭5年后显著提高了土壤孔隙度，增幅为4.08%～11.47%。

土壤团粒结构可以表征土壤肥力，也是作物取得高产的重要肥力条件。0.250 mm以上水稳定性团聚体比例的高低决定土壤结构的好坏，生物炭施入土壤后对土壤团聚体的影响得出的结论不一。Sun等研究指出，稻草生物炭显著增加了土壤大团聚体的含量；悦飞雪等研究小麦秸秆施用5年后，得出相似结论。本研究也得出相似结果，和CK相比，不同处理能够增加0.250 mm以上干筛团聚体比例和0.250 mm以上湿筛团聚体比例，随着生物炭施用量的增加而增加，增幅分别为1.88%～6.35%、19.49%～56.27%。这是因为生物炭为多孔结构，施入土壤后，土壤微生物、生物活动增强，产生大量的分泌物，和土壤团聚体黏在一起，形成大团聚体。而Kelly等的研究表明，不同的生物炭用量(0、25、50、100g/kg)处理，对土壤团聚体无显著影响。王富华等的研究也表明，生物炭未能显著增加大团聚体的含量，甚至降低大团聚体的含量。这可能是因为生物炭是惰性物质，不同的土壤类型、环境、时间会影响土壤微生物对生物炭的分解造成的。

本研究发现，和CK相比，不同处理均能显著降低土壤破坏度，降幅为19.57%～56.71%，且不同处理之间差异显著。表明施用生物炭5年后有利于土壤团聚体稳定。这与前人的研究结果基本一致，生物炭施入土壤后有利于土壤微生物的繁殖生长，分泌大量的微生物菌丝和有机物，能够把微团聚体结合成大的团聚体，从而提高土壤稳定性。

3.2 施用生物炭5年后对土壤化学性质的影响

本研究发现，施用生物炭5年后，土壤有机碳含量显著增加，生物炭施用量越高，增加越显著，增幅为18.87%～32.06%，这与前人的研究结果基本一致。这主要是因为一方面本试验所用生物炭本身含碳量高达437.82 g/kg，另一方面生物炭能够提供充足的碳源和养分，有利于微生物的繁殖和活动，并且有利于腐殖质和生物大分子形成，从而能够显著提高土壤有机碳含量。

张瑞等研究发现，施用生物炭显著降低了土壤速效氮含量。王昆艳等的研究得出相似结论。郭伟等施用生物炭3年的定位试验研究表明，土壤施入生物炭以后，土壤速效氮含量无明显变化。本研究得出相似结论，不同处理对土壤碱解氮含量影响不大，T3、T4处理较CK分别增加0.96%、3.34%，而T1、T2处理较CK分别降低1.43%、0.82%，4个处理与CK差异均不显著。这与陈山等研究的施用生物炭可以显著增加土壤速效氮含量；张祥等在红壤地研究的生物炭施加量为2.0% 时，红壤碱解氮含量提高了约30%的结果不一致。施用生物炭对土壤速效磷和速效钾的含量也有显著影响。赵殿峰等研究发现，施用生物炭可显著提高速效磷含量；朱克亚通过短期室内培养试验发现，施用生物炭后，土壤速效钾含量显著增加9%以上；高利华等研究发现，高的生物炭施用量，可以使土壤有效磷、速效钾含量增加48%以上；郑慧芬等研究指出，生物炭通过改善土壤pH值和磷酸酶活性，增加土壤速效磷含量；高天一等研究指出，生物炭可以增加土壤全磷和速效磷的养分含量；石晓宇等研究指出，生物炭能够提高土壤速效磷、速效钾的含量。本研究得出相似结论，施用生物炭5年后，不同处理能够显著增加土壤速效磷、速效钾的含量，并随着生物炭施用量的增加而增加，增幅分别为3.45%～20.56%、5.53%～14.85%，这与前人的研究基本一致。

3.3 施用生物炭5年后对玉米产量的影响

Major等研究玉米施用生物炭4年，除第1年外，其他均能够增加玉米产量；Uzoma等研究发现，生物炭能够显著提高玉米产量；生物炭对大豆、水稻、番茄等作物的产量也有积极的影响。本研究表明，施用生物炭5年后，不同处理能够显著增加玉米产量，T1、T2、T3、T4处理分别较CK增加8.85%、14.53%、22.23%、30.13%，处理之间差异显著。