生物炭對土壤水熱及玉米生長發育的影響

朱冬梅，霍軼珍，韓翠蓮

(內蒙古河套學院土木工程系，內蒙古 巴彥淖爾 015000)

近些年，生物炭受到越來越多研究者們的關注，從而也成了農林、能源以及環境等諸多領域的研究熱點[1]。在農業生產方面，由于生物炭具有特殊的孔隙結構以及較大的吸持容量，使得其可顯著改善土壤的持水能力，從而有力地改善了土壤的水分條件。TAMIC[2]等研究表明，施用生物炭后改變了土壤的原有結構，從而使得土壤水分在土壤中的運動以及停留時間發生改變，使得土壤含水率顯著增加。武玉[3]等通過研究發現，土壤中施入生物炭后，顯著提高了土壤的持水能力，從而提高了土壤水分的保蓄能力。由于生物炭顏色呈黑色，生物炭施入后增加了土壤的顏色，從而有效增加了土壤的吸熱能力，對于表層土壤溫度的提高具有明顯的促進作用，這也將有助于作物的生長發育。李昌見[4]等通過研究施用生物炭對番茄土壤溫度的影響發現，生物炭可顯著提高耕層土壤溫度，不同生物炭施用量處理較不施用生物炭處理耕層土壤溫度最高相差58.1%。同時有研究表明，生物炭可顯著促進作物的生長發育和產量的形成，Glaser[5]等研究發現，在適宜的生物炭施用量下，作物的生物量可較不施用生物炭處理增加2倍。李昌見[4]等研究發現，施用生物炭后，番茄產量可較不施用生物炭處理最高增產56.1%。房彬[6]等研究得出，施用生物炭處理可較不施用生物炭處理玉米增產7.6%～20.3%，油菜籽增產15.7%～35.4%，增產增收效果顯著。

由此可見，生物炭在農業生產中收獲了較好的應用效果，但對于河套灌區這樣典型的鹽漬化灌區來說，關于玉米的應用效果還鮮有報道。而玉米作為河套灌區主要的糧食作物，種植面積較大，因此本研究旨在研究施用生物炭對河套灌區玉米種植土壤水分、土壤溫度以及生長狀況和產量的綜合影響，以尋求一個較為合理的施炭量，從而為其在河套灌區的大面積推廣提供理論依據和技術支撐，對灌區農業的可持續發展具有重要意義。

1 試驗設計與研究方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古巴彥淖爾市臨河區雙河鎮，該地區多年平均降雨量140 mm，蒸發量2 306.5 mm，平均氣溫6.8 ℃，平均日照時數3 229.9 h，無霜期130 d左右，屬典型的中溫帶干旱大陸性氣候。試驗區以砂質壤土為主，0～100 cm土壤平均密度1.45 g/cm3，田間持水量20.53%，灌溉水源為黃河水，平均礦化度0.6～0.8 g/L，灌溉水源為黃河水，作物全生育期地下水位平均在1.5～2.5 m。

1.2 試驗設計

試驗所用生物炭為遼寧金和福農業開發有限公司生產的秸稈生物炭，生物炭基本理化性質為：碳的質量分數為47.17%、氮為0.71%、氫為3.83%，pH值為9.04，有機質質量比為925.74 g/kg，堿解氮為159.15 g/kg，速效磷為394.18 g/kg，速效鉀為783.98 g/kg[7]。施用方法為：春季播種前人工將生物炭均勻撒施到土壤表面，采用旋耕機將其翻耕混入作物耕層土壤中(一般深度為20 cm左右)。試驗所用普通地膜為內蒙古華豐商貿有限責任公司生產的0.008 mm厚聚乙烯吹塑農用地膜，膜寬70 cm。玉米品種選用當地常規品種西蒙6號。

試驗采用小區試驗，每個小區面積60 m2(6 m×10 m)，試驗設置不施生物炭(CK)、生物炭施用量為15 t/hm2(ST1)、30 t/hm2(ST2)、45 t/hm2(ST3)和60 t/hm2(ST4)共5個處理，3次重復，各處理小區隨機排列組合。施入生物炭后進行機械覆膜，人工點播玉米，每壟種2行玉米，行距50 cm，株距28 cm；按當地玉米種植常規施肥量，玉米播種時施底肥450 kg/hm2(磷酸二銨)，灌第一水時施尿素450 kg/hm2，灌第二水時施尿素300 kg/hm2，玉米全生育期共灌水3次，按當地常規灌溉制度進行灌溉。

1.3 研究方法

每隔7 d左右在玉米行間用土鉆取土，采用烘干稱重法測定土壤含水率，每個處理取3次重復，取樣深度0～100 cm，每20 cm為一層。在各處理玉米行間埋設直角地溫計，埋深分別為5、10、15、20、25 cm，每個生育期連續3 d自8∶00至20∶00每隔2 h讀取一次。各生育期內在各小區選取具有代表性的3株植物樣用鋼尺定株測量其株高。玉米成熟期，各處理選取具有代表性的10株測定其生產性狀指標和產量。

1.4 數據處理

采用Mircrosoft-Excel2003進行數據處理并繪制圖表，利用數據分析軟件SPSS17.0進行試驗數據的方差檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭施用量對土壤含水率的影響

由圖1不同生物炭施用量下玉米各生育期0～100 cm土壤平均含水率變化可知，全生育期內均表現為土壤含水率隨施炭量的增加呈現先增加后減小的趨勢。玉米生育初期(苗期至拔節期)，處理ST2和ST3各土層平均含水率差異性顯著(P<0.05)，ST3平均較ST2高5.60%和7.13%，且兩處理均顯著高于處理CK、ST1、ST4，處理ST2和ST3分別較其他處理高6.96%、5.89%、5.38%和14.83%、10.99%、10.07%。玉米進入抽雄期以后，處理ST2和ST3差異性不顯著(P>0.05)，但均顯著高于其他3個處理(P<0.05)。由此可見，施用適量的生物炭，可顯著提高玉米全生育期土壤平均含水率，而過高或過低的生物炭施用量對土壤含水率影響不顯著。

圖1 不同生物炭施用量下玉米各生育期土壤含水率

2.2 不同生物炭施用量對土壤溫度的影響

土壤溫度是影響作物出苗率和生長的關鍵性的因素，在適宜的土壤水分條件下，一定范圍內，土壤溫度越高將越有利于作物種子萌發和后期的生長發育，過高或過低的溫度都將抑制作物的正常生長，從而影響到作物產量的形成。由圖2可知，生物炭對玉米耕層土壤溫度影響顯著，且隨生物炭施用量的增加，表層0～25 cm土壤平均溫度呈遞增趨勢。玉米苗期至拔節期不同處理土壤溫度差異性顯著(P<0.05)，且不同生物炭施用量處理條件下土壤溫度均顯著高于CK處理(P<0.05)，兩個生育期內處理ST1、ST2、ST3、ST4分別較CK高9.21%、13.69%、19.09%、28.92%和6.71%、13.32%、18.67%、23.83%。玉米抽雄期至成熟期，均表現出處理ST4顯著高于其他各處理，而此階段ST1、ST2和ST3三個施用生物炭處理間差異性逐漸減小，但均顯著高于不適用生物炭處理CK(P<0.05)。

圖2 不同生物炭施用量下玉米各生育期土壤溫度

2.3 不同生物炭施用量對玉米株高的影響

由圖3可知，生育期內各處理玉米株高變化趨勢一致，自苗期開始，生長速率較快，至灌漿期達到全生育期的峰值，而后隨生育期的結束植株開始枯萎，植株高度有減小趨勢。整體來看，全生育期內玉米株高隨生物炭施用量的增加呈現先增大后減小的變化規律。玉米苗期，施用生物炭各處理玉米株高均明顯高于CK處理，處理ST3平均較CK高18.45%，差異性達到了顯著性水平(P<0.05)，而其他各處理之間無顯著性差異(P>0.05)。玉米拔節期開始，在適宜的水熱條件下，玉米進入快速生長階段，此時玉米株高表現為處理ST3最高，之后依次為ST2、ST4、ST1和CK，且各處理之間差異均達到了顯著性水平(P<0.05)。可見，適量施用生物炭可有效顯著促進玉米的生長發育，但超過一定量時這種效應逐漸減弱甚至抑制玉米的生長。

圖3 不同生物炭施用量下玉米各生育期株高

2.4 不同生物炭施用量對玉米產量的影響

由圖4可知，玉米產量隨生物炭施用量的增加同樣呈現出先增加后減小的趨勢，整體變化趨勢經回歸分析，可擬合為具有較高精度的多項式方程y=-0.621 5x2+59.001x+8 345，相關系數R2=0.998 5。同時研究發現，不同生物炭施用量處理均較不施用生物炭處理CK顯著提高了玉米產量，處理ST1、ST2、ST3、ST4分別較CK產量提高8.93%、14.14%、17.09%和15.43%，差異性顯著(P<0.05)，這也說明在一定施用量范圍內，生物炭對玉米增產具有較好的促進作用。

圖4 不同生物炭施用量下玉米產量

3 討 論

(1)施用生物炭對玉米土壤含水率和土壤溫度的影響。河套灌區屬于典型的干旱半干旱地區，春季干旱寒冷，夏季高溫少雨，而適宜的土壤水熱條件又是影響作物生長和產量形成的重要因素[8,9]。針對土壤水分對玉米種子萌發以及后期生長的影響，侯玉虹[10]、孟憲新[11]和范雅君[12]等做了相關研究，并得出了適宜玉米生長的最佳土壤水分條件。為了探究施用生物炭對玉米土壤水分的影響，通過設置不同施炭量研究發現，施用生物炭后，可顯著提高玉米各生育期土壤平均含水率，且含水率值均在適宜玉米正常生長所需土壤水分條件范圍內，但過高或過低的生物炭施用量對土壤含水率影響不顯著。這一結論與呂一甲[13]在河套灌區玉米應用效果的試驗成果以及李昌見等[4]關于生物炭對番茄土壤水分的影響研究中所得結論相同，這也進一步說明生物炭同樣適宜在河套灌區玉米的種植中加以應用。

土壤溫度與作物的正常生長和產量的形成關系密切，過高或過低的土壤溫度都會對玉米的萌發、出苗以及后期生長產生不良影響，從而直接影響玉米產量的形成。一般來說，土壤溫度一方面影響作物根系的生長發育，樂章燕等[14]也針對土壤溫度對玉米根系生長進行了細致的研究，并得出了最適宜玉米根系生長的土壤溫度為20～24 ℃。另一方面，土壤溫度通過影響根系中酶的活性來影響根系的活動和新陳代謝，從而影響作物根系對土壤養分的吸收利用[7]。本研究發現，生物炭對玉米耕層土壤溫度影響顯著，且隨生物炭施用量的增加，表層0～25 cm土壤平均溫度呈遞增趨勢，但溫度值均在適宜的范圍內，同時在生育前期(苗期-拔節期)各處理差異較為顯著，而生育后期差異性逐漸減弱，這也使得高生物炭施用量的處理在生育前期較低環境溫度下為玉米的生長提供了更適宜的土壤溫度條件，有利于玉米的生長發育，這一結論與李昌見等[4]在番茄的研究成果上具有一定的一致性。

(2)施用生物炭對玉米生長及產量的影響。作物的生長發育受土壤、氣候等多種因素的影響，同時作物生長狀況也是對這些條件適應性的一種整體表現形式。有研究表明[5]，生物炭能夠有效促進作物的生長發育，但當生物炭施用量過高時將會抑制作物的生長發育。本研究發現，全生育期內玉米株高隨生物炭施用量的增加呈現先增大后減小的變化規律，同時也說明，適量施用生物炭可有效顯著促進玉米的生長發育，但超過一定量時這種效應逐漸減弱甚至抑制玉米的生長，與前人研究結論相同。

近些年，專家學者們通過大量研究表明，生物炭可顯著提高作物產量，張文玲[15]、呂一甲[13]等研究表明，施用生物炭可有效增加土壤中養分含量，從而使得玉米增產。陳敏[16]等通過研究發現，施用生物炭顯著增加了烤煙產量，同時使得品質得以提升。本研究通過研究發現，在一定的施用量下，生物炭對玉米增產具有較好的促進作用，與前人研究成果具有相同之處。

4 結 語

(1)不同生物炭施用量可顯著提高玉米全生育期土壤平均含水率(P<0.05)，而過高或過低的生物炭施用量對土壤含水率的影響不顯著(P>0.05)。本試驗研究得出，處理ST3，即在生物炭施用量為45 t/hm2時對玉米土壤含水率增幅最為顯著，各生育期平均較對照處理CK高12.95%、14.83%、11.06%、8.86%和10.40%，為玉米的生長發育提供了良好的土壤水分條件。

(2)生物炭對玉米耕層土壤溫度影響顯著，且隨生物炭施用量的增加，表層0～25 cm土壤平均溫度呈遞增趨勢。全生育期內，不同生物炭施用量處理土壤溫度均顯著高于對照處理CK(P<0.05)，且以處理ST4，即生物炭施用量為60 t/hm2時土壤增溫效果最為顯著。

(3)全生育期內玉米株高隨生物炭施用量的增加呈現先增大后減小的變化規律，說明適量施用生物炭可有效促進玉米的生長發育，但超過一定量時這種效應逐漸減弱甚至抑制玉米的生長。本研究發現，在生物炭施用量為45 t/hm2時對玉米的生長發育促進效果最優。

(4)施用生物炭可顯著提高玉米的經濟產量，但過高或過低的生物炭施用量對于玉米的增產效應減弱，本研究得出，在生物炭施用量為45 t/hm2時玉米增產效應最為明顯，平均較不施用生物炭處理CK增產17.09%。

[1] 何緒生,張樹清,佘 雕,等.生物炭對土壤肥料的作用及未來研究[J].中國農學通報,2011,(15):16-25.

[2] Bond T C,Sun H.Can reducing black carbon emissions counteract global warming? [J]. Environmental Science & Technology,2005,39(16):5 921-5 926.

[3] 武 玉,徐 剛,呂迎春,等.生物炭對土壤理化性質影響的研究進展[J].地球科學進展,2014,(1):68-79.

[4] 李昌見,屈忠義,勾芒芒,等.生物炭對土壤水肥熱效應的影響試驗研究[J].生態環境學報,2014,(7):1 141-1 147.

[5] Glaser B, Kukulska Z, Kalaitzidis S, et al.Relations between environmental black carbon sorption and geochemical sorbent characteristics[J].Environmental Science & Technology,2004,38(13):3 632-3 640.

[6] 房 彬,李心清,趙 斌,等.生物炭對旱作農田土壤理化性質及作物產量的影響[J].生態環境學報,2014,(8):1 292-1 297.

[7] 李昌見.生物炭對砂壤土理化性質及番茄生長性狀的影響及其關鍵應用技術研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學, 2015.

[8] 倪東寧,史海濱,李瑞平,等.春玉米覆膜壟作溝灌條件下土壤水熱效應及對產量的影響[J].水土保持研究,2016,23(2):89-94.

[9] Ramakrishna A, Tam H M, Wani S P, et al. Effect of mulch on soil temperature, moisture,weed infestation and yield of groundnut in northern Vietnam[J]. Field Crops Research,2006,95(2/3):115-125.

[10] 侯玉虹,尹光華,劉作新,等.土壤含水量對玉米出苗率及苗期生長的影響[J].安徽農學通報,2007,13(1):70-73.

[11] 孟憲欣,王洪剛,方仁柱,等.水分對玉米種子發芽及苗期生長的影響[J].安徽農學通報,2008,14(4):40,52.

[12] 范雅君,呂志遠,田德龍,等.河套灌區玉米膜下滴灌灌溉制度研究[J].干旱地區農業研究,2015,33(1):123-129.

[13] 呂一甲.生物炭肥對土壤性質、玉米生長及水肥利用效率影響試驗研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學, 2014.

[14] 樂章燕,劉晶淼,廖榮偉,等.土壤溫濕度對玉米根系的影響[J].玉米科學,2013,(6):68-72.

[15] 張文玲,李桂花,高衛東.生物質炭對土壤性狀和作物產量的影響[J].中國農學通報,2009,(17):153-157.

[16] 陳 敏,杜相革.生物炭對土壤特性及煙草產量和品質的影響[J].中國土壤與肥料,2015,(1):80-83.