生物質炭對玉米生長發育、產量及白漿土理化性狀的影響

李傳寶，孟雨田，李曉慶，陳 琳，徐晴晴，王宏燕

（東北農業大學，黑龍江哈爾濱150030）

白漿土作為一種典型的低產形土壤廣泛分布于黑龍江省東北部，其中白漿層的平均厚度在20 cm左右［1］，白漿土的白漿層是由粉砂和黏粒形成的致密結構，其中砂黏比高達2.0左右，這一類型的體積比類似于混凝土狀的最緊密填充比例，因此白漿層具有透水、透氣困難，板結緊實，同時土壤中的微生物數量因養分貧瘠以及生存空間受限等影響，對于作物根系的生長以及肥料的利用上均有不同程度的影響［2－3］。據黑龍江省多年調查結果表明，白漿土地區大田作物產量比鄰近的黑土低20%［4］，所以白漿土一直被列為區域性低產土壤，并受到人們的關注。生物質炭的出現為土壤改良及促進作物生長提供了新的思路。

生物質炭（biochar）是指將生物質原料（農作物秸稈、木材、畜禽糞便、生活垃圾等）在限氧或缺氧條件下，經高溫熱裂解所產生的一類具有高度芳香化、含碳豐富、孔隙度高、穩定的固態物質［5］。生物質炭特殊的理化性質具有固碳減排［6－7］、提高土壤肥力［8］等特性，其具有含碳豐富、pH值較高等特點，在土壤N、P等肥力的含量上，是周邊其他類型土壤的3倍左右；在農作物產量上也是周邊其他類型土壤作物產量的2倍左右［6］。生物質炭因其獨特的理化性質而具有持水、透氣、保肥、提高微生物活性及促進作物產量增長的作用，被學者所廣泛研究。但是目前大多數學者對于生物質炭的應用研究多停留在室內階段和盆栽試驗等，對于大田試驗的研究鮮有報道，因此本研究以2年田間定位試驗開展生物質炭對于白漿土理化性狀及玉米生長發育的研究，以期為區域性及整個東北地區中低產田土壤研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于黑龍江省農墾總局紅興隆管理局曙光農場，地理位置為130°17～130°39′E，46°13′～46°23′N。農場屬寒溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬長夏短。年平均氣溫3.6℃，年平均降水量523.4 mm。

1.2 試驗材料

（1）供試土壤：供試土壤類型為崗地白漿土，土壤基本理化指標：全氮含量 1.31 g／kg，全磷含量 2.82 g／kg，堿解氮含量94.27 mg／kg，速效磷含量 85.73 mg／kg，速效鉀含量158 mg／kg，有 機 質 含 量 24.48 g／kg，CEC 含 量19.11 cmol／kg，pH值 6.17。

（2）生物質炭：本研究中田間試驗所用的生物炭以玉米秸稈為原料制得，購自于江蘇南京勤豐秸稈科技有限公司，在700℃左右溫度下經高溫熱裂解制成。試驗用生物炭基本理化性質指標：全氮含量為 0.65 g／kg，全磷含量為0.99 g／kg，有 機 碳 含 量 為 277.2 g／kg，比 表 面 積 為182.3 m2／g，陽離子交換量（CEC）為 21.25 cmol／kg，含水量為 22.94%，pH值為 10.4。

1.3 試驗設計

本試驗自2015年4月播種前通過旋耕機將生物質炭一次性深翻施入土壤中，深度為20 cm左右，為達到數據更加準確和監測、取樣方便，每種處理進行3次重復；每個小區面積30 m2，長寬為5 m×6 m；生物質炭試驗設4個處理，其中空白對照（CK）0 t／hm2、處理 1（B1）10 t／hm2、處理 2（B2）20 t／hm2、處理3（B3）30 t／hm2，每個處理進行3次重復。2年試驗玉米大田施肥量為底肥（尿素）200 kg／hm2，磷酸二銨150 kg／hm2，鉀肥50 kg／hm2，追肥（尿素120 kg／hm2）。2015、2016年分別于5月6日、5月10日播種，足墑播種，全生育期無人工灌溉，田間管理一致，按高產田水平進行管理，分別于10月9日、10月6日收獲。

1.4 測定指標及計算方法

土壤樣品測定：土壤和生物炭的基本理化性質參照鮑士旦主編的《土壤農化分析》（第3版）進行測定。植物樣品測定：每個小區取6株，田間用皮尺進行株高、莖粗測量并記錄。生物量測定：分別在拔節期、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期、蠟熟期、成熟期每小區選取生長均勻一致的植株6株，將其地上部分莖葉和籽粒分別在105℃殺青30 min，80℃烘干箱進行烘干稱質量，測定植株地上部分干物質量。產量測定：玉米成熟期每小區隨機選取3行全部收獲測產，并選取具有代表性的10株果穗，待風干后考種，測定產量（按14%折算含水率）；經濟系數＝經濟產量／生物產量。

1.5 數據處理

本試驗所測數據采用Excel 2007、SPSS 17.0和OriginPro 8.0進行數據處理、統計分析和制作圖表。

2 結果與分析

2.1 生物質炭施入對玉米株高及生物量的影響

由表1可知，2015年，除苗期生物質炭B3處理玉米株高顯著低于CK處理外，其他生育期階段生物質炭處理條件下玉米株高與對照相比均無明顯差異。2016年，生物質炭處理對玉米各生育期株高影響趨勢與2015年一致，均為在苗期生物質炭B3處理條件下與對照CK處理差異顯著，其他生育期階段均差異不顯著。由此可知，向土壤中添加30 t／hm2生物質炭對玉米生長苗期株高產生一定的抑制作用，其中施入量30 t／hm2比 20 t／hm2抑制作用效果更大。

表1 生物質炭施入對玉米生長不同時期植株株高的影響

從地上部分生物量來看，2015年，在拔節期、大喇叭口期生物質炭B2、B3處理的玉米地上部分生物量顯著低于CK處理，而生物質炭B1處理與CK之間無明顯差異；而到玉米生長后期的吐絲期、乳熟期和蠟熟期，生物質炭B2處理條件下的玉米生物量顯著高于CK處理，B1和B3處理與對照CK處理之間差異不顯著。2016年，拔節期生物質炭各處理條件下與CK處理之間無明顯差異；大喇叭口期至蠟熟期，B2和B3處理條件下的玉米生物量顯著高于CK處理，B1處理與CK處理間差異不顯著（表2）。

由此可知，2015年向土壤中添加 20 t／hm2和30 t／hm2生物質炭對玉米生長前期（拔節期、大喇叭口期）產生一定的抑制作用，進入生長后期（吐絲期、乳熟期、蠟熟期），玉米植株生物量在B2處理條件下顯著高于CK處理，B1和B3處理間差異不顯著。2016年，拔節期生物質炭各處理間與CK間不顯著差異，大喇叭口期至蠟熟期B2和B3處理條件下玉米生物量顯著高于CK處理。

2.2 生物質炭施入對玉米植株葉面積指數及葉綠素含量的影響

生物質炭對玉米生育期植株葉片葉綠素含量的影響如圖1所示。2015年不同處理的玉米植株葉片葉綠素含量在整個生育期呈現先增加后降低的趨勢，在乳熟期—蠟熟期達到最大值。其中，在拔節期，B1、B2、B3處理條件下的葉綠素含量顯著低于CK處理；在大喇叭口期—吐絲期—乳熟期，不同處理間差異不顯著；在蠟熟期，B1處理植株葉綠素含量顯著高于CK，B2、B3處理與CK間差異不顯著；成熟期B2處理植株葉綠素含量顯著高于CK，B1和B3處理間差異不顯著。2016年，不同處理的玉米植株葉片葉綠素含量在生育期內基本上呈現先增加后降低的趨勢，與2015年保持一致。在拔節期—大喇叭口期—吐絲期—乳熟期生物質炭各處理間無顯著差異，在蠟熟期B1和B2處理植株葉片葉綠素含量顯著高于CK，B3處理與CK無顯著差異；成熟期B2處理植株葉綠素含量顯著高于CK，B1和B3處理間無顯著差異。

生物質炭對玉米生育期植株葉片葉面積指數的影響如圖2所示，2015年在拔節期和大喇叭口期，B1、B2、B3處理的玉米植株葉面積指數（LAI）與對照CK處理相比無顯著差異；在吐絲期和乳熟期植株葉面積指數達到最大值，其中，B1處理的葉面積指數顯著高于 CK處理，分別增加 7.74%和6.61%，B2和B3處理與CK無顯著性差異；蠟熟期生物質炭各處理與CK無顯著性差異；成熟期B1和B2處理葉面積指數顯著高于CK，均增加4.03%。2016年在拔節期和大喇叭口期，生物質炭各處理的玉米植株葉面積指數（LAI）與2015年保持一致；在吐絲期和乳熟期植株葉面積指數達到最大值，其中，乳熟期B2和B3處理的葉面積指數顯著高于CK處理，分別增加6.97%和7.41%，B1處理與CK無顯著性差異；蠟熟期生物質炭B2處理與CK差異顯著，B1和B3處理與CK無顯著性差異；成熟期B1和B2處理葉面積指數顯著高于CK，與2015年一致，分別增加6.53%和5.74%。

表2 生物質炭施入對玉米生長不同時期植株生物量的影響

2.3 生物質炭施入對玉米產量及構成因素的影響

由表3可以看出，2015年，與CK處理相比，生物質炭B1、B2和B3處理條件下玉米穗長、穗粗、穗粒數、千粒質量均有所增加，其中B1和B2處理穗粒數顯著高于CK，與CK相比，B1、B2和B3處理的生物產量和經濟產量沒有顯著性差異，不同處理間的經濟系數在0.440～0.445變化，處理間差異不顯著，B1、B2和B3處理與CK相比均有所提高，分別增加了 0.45%、0.68%、1.14%。

生物質炭處理對2016年的玉米產量構成因素的影響與2015年有所不同，與CK相比，B1、B2、B3處理玉米植株穗長、穗粗、穗粒數、千粒質量和有效穗數都有所增加，其中B3處理的千粒質量顯著高于CK處理，B2和B3處理的穗粒數與CK相比達到差異顯著水平；與CK處理相比，B1處理的生物產量和經濟產量沒有顯著性差異，而B2和B3處理下顯著提高了玉米的生物產量和經濟產量，由此可以看出，經濟產量的增加是以生物產量為基礎的，為了達到高產穩產的效果必須保證玉米植株在各個階段的正常生長；不同處理間的經濟系數在0.440～0.469之間變化，處理間差異不顯著。

表3 生物質炭施入對玉米產量及構成因素的影響

表4 生物質炭施入對土壤理化性狀的影響

2.4 生物質炭施入對土壤理化性狀的影響

添加生物質炭顯著降低了土壤容重，提高了土壤的pH值、有機碳（SOC）、全氮含量，且隨生物質炭添加量的增加而增加（表4）。與對照CK處理相比，2015年生物質炭B1、B2、B3處理下，土壤pH值分別提高了1.30%、2.27%和4.70%；在B3處理條件下，土壤SOC、總氮（TN）與CK相比增加達到顯著差異水平，分別提高了 36.56%、8.46%；總磷（TP）、速效磷（AP）、堿解氮（AN）、有機質（SOM）與 CK相比無顯著差異。土壤容重在B2和B3處理條件下，與CK相比達到顯著差異水平，分別降低了8.82%和11.03%，B1處理與CK無顯著差異。

施用生物質炭第2年后不同處理土壤的容重、pH、SOC、全氮的變化趨勢基本上與第1年保持一致。與對照CK處理相比，2016年生物質炭B1、B2、B3處理下，土壤pH值分別提高了 0.98%、2.28%和 4.23%；在 B3處理條件下，土壤 SOC、TN、AP、AN和容重與 CK別提高了 38.57%、9.09%、13.32%、11.35%，增幅較第1年明顯增加，說明該處理下土壤養分供應充足；TP和SOM與CK相比無顯著差異。

3 討論

3.1 生物質炭施入對玉米植株農藝性狀的影響

生物質炭對作物生長及產量的影響受土壤類型、肥力狀況及生物質炭用量的影響［9－10］。張晗芝等通過盆栽試驗得出，在玉米苗期，生物質炭對玉米生長及養分吸收沒有促進作用，反而隨施炭量的增加其抑制作用增加，但是玉米整個生育期對生物質炭的響應機制尚不明確［11］。Asai等研究也表明，土壤含氮量較低的情況下，不配施氮肥的生物質炭處理降低作物葉片中葉綠素的含量，降低水稻的產量，這種減產效應易出現在有效養分低或低氮土壤上，這與生物質炭礦質養分含量低及土壤高的C／N易降低土壤有效養分有關［12］。本研究的供試土壤肥力一般，雖然生物質炭對玉米苗期生長產生了一定的抑制作用，但對玉米產量未造成明顯影響。從本研究中生物質炭對玉米植株生長的影響來看，生物質炭的施用在玉米生長初期有一定的抑制作用，這與張晗芝等通過盆栽試驗得到的結果一致，但是隨著時間推移這種抑制作用逐漸降低，特別是拔節期以后，隨著追肥（氮肥）的施入，到大喇叭口期（玉米養分臨界期）時完全消除，這種抑制作用和抑制的消除過程可通過玉米植株的農藝性狀如葉綠素、葉面積、干物質的積累等表現出來。這種抑制作用可能是因為大量生物質炭的施入，導致土壤C／N的提高，抑制了土壤中N素有效供應引起的，這也可以通過玉米植株后期的表現性狀進一步得到說明，在玉米籽粒—成熟期，生物質炭處理下的玉米葉片的葉綠素含量較高，并且保持較高的葉面積指數，增加玉米后期的保綠度。雖然上述現象都表明，施入土壤的生物質炭調控了土壤N素供應，但其對前期植物生長的抑制作用以及后期的促進作用的形成機制還需要得到更多證據的支持。

3.2 生物質炭施入對玉米產量及其構成因素的影響

一些研究表明，生物質炭能促進玉米、水稻等作物增產，但對小麥和大豆無顯著增產作用［9－13］。Baronti等通過沙壤土的盆栽試驗指出，當生物質炭施用量為30、60 t／hm2時，黑麥草的生物量比對照增加20%、52%，當施用量增加到100、200 t／hm2時，黑麥草的生物量反而比對照降低 8%、30%［14］。本研究結果表明，添加生物質炭20 t／hm2時玉米生物產量和經濟產量都增加，但是30 t／hm2時生物產量有所下降，而經濟產量基本一致。與常規施肥相比，添加生物質炭對玉米的穗長、穗粗、穗粒數等性狀有一定的促進作用，20 t／hm2處理的效果尤為明顯，這說明生物質炭的施入與玉米產量并非呈正相關。施用生物質炭可提高土壤陽離子交換量［7］，增強土壤對氮素的吸附和固持作用，從而達到減少了土壤氮素的淋失［15］，這可能是本研究中施用生物炭玉米生物產量和經濟產量高于對照的原因。

3.3 生物質炭施入對土壤理化性狀的影響

施用生物質炭可改變土壤孔隙度、容重及養分水平，進而影響土壤肥力的狀況［16］。本研究通過對比連續2年的生物質炭效應強度來評價生物質炭及對土壤理化特性的持續影響。生物質炭對改善土壤性質具有穩定的持續性，連續2年顯著降低土壤的容重，提高了土壤的有機碳、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量和pH值，其中，有機碳、有機質、全氮、速效氮和速效磷含量均在B3處理條件下達到差異顯著水平。在施用氮肥的情況下，連續2年的水稻生長季內，生物質炭對提高土壤有機碳、全氮含量和pH值并降低土壤容重具有穩定的持續效應［13］。施用生物質炭可以增加土壤有機碳的含量，這是因為添加到土壤中的生物質炭能吸附土壤有機分子，通過表面催化活性促進小的有機分子聚合形成土壤有機質［17］，因此生物質炭的施用可顯著增加土壤有機碳的含量。生物質炭對土壤氮素含量的影響一方面與生物質炭本身養分含量有關，另一方面也與生物質炭改善了土壤的性質有關［18］。本研究所使用的生物質炭本身含氮量為0.65 g／kg，這對提高土壤全氮含量有一定貢獻；同時，施用生物質炭可提高了土壤陽離子交換量（CEC）［7］，增強了土壤對氮素的吸附和固持作用，從而減少了土壤氮素的淋失［16］。土壤pH值與生物炭本身的pH值呈顯著線性相關［19］，本研究所使用的生物質炭pH值為10.4，因此生物質炭的施用在一定程度上促進了土壤pH值的升高。施用生物質炭后土壤容重降低，其原因除了生物質炭的多孔性，對土壤容重具有一定的稀釋作用外［17］，還與施用生物質炭后可能導致土壤微生物活性增加［20－21］、團聚性增強［22］使土壤結構得到改善有關。

4 結論

生物質炭的施入對于玉米植株性狀及產量具有促進作用，可有效提高玉米生物量、葉面積指數、葉綠素含量，但是在苗期生物質炭的施入對于株高具有一定的抑制作用，且抑制作用效果隨著施入量的增加而加大；施用生物質炭顯著影響土壤特性，提高土壤有機碳、全氮含量、土壤的pH值，降低土壤容重。綜合2年間結果使用生物質炭對于玉米增產具有穩定和持續性，且以高施入量30 t／hm2效果較佳。

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