潮土長期施用生物炭提高小麥產量及氮素利用率

謝迎新，劉宇娟，張偉納，董 成，趙 旭，賀德先， 王晨陽，郭天財，王慎強

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潮土長期施用生物炭提高小麥產量及氮素利用率

謝迎新1，劉宇娟1，張偉納1，董 成1，趙 旭2※，賀德先1， 王晨陽1，郭天財1，王慎強2

（1. 河南農業大學農學院/國家小麥工程技術研究中心/河南糧食作物協同創新中心，鄭州 450046；2. 中國科學院南京土壤研究所/土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，南京 210008）

該文于2011年起在黃淮海典型潮土區建立的秸稈炭化還田定位試驗的基礎上，系統觀測了2011至2017年時間段秸稈生物炭連續施用下小麥生長及氮吸收情況，分析了產量構成因素，地上干物質及氮累積，關鍵生育期葉面積指數（LAI）、葉綠素相對含量（SPAD值）和群體數量等與小麥增產的關系，并監測了長期生物炭施用下土壤有機碳（SOC）與全氮（TN）含量的變化。該試驗采用小麥/玉米周年輪作，設每季0、2.25、6.75和11.25 t/hm2四個秸稈生物炭處理（分別表示為BC0（對照）、BC2.25（低）、BC6.75（中）和BC11.25（高））。結果表明，與BC0相比，BC2.25僅在2015/2016季提高小麥產量，對其他5季無明顯效果；BC6.75則在2014/2015、2015/2016和2016/2017的后3季顯著提高小麥產量；而BC11.25提高了2014/2015和2015/2016季小麥產量。盡管生物炭處理對各季小麥產量影響各異，但6季各處理平均產量數據顯示低、中、高量生物炭處理均可提高小麥產量7.0%～8.5%、生物量5.2%～10.8%和氮肥偏生產力6.8%～8.6%，且3個處理間并無差異；中、高量生物炭處理還可提高小麥秸稈產量11.4%～12.6%、穗數10.1%～11.2%、籽粒氮積累量9.4%～11.2%、秸稈氮積累量17.4%～23.8%、地上部氮積累量13.3%～20.9%。生物炭施用在促進小麥生長和氮吸收利用的作用方面與其增加小麥生育期LAI和SPAD值一致，具體表現為低、中、高量生物炭處理均可明顯增加2015/2016和2016/2017兩季小麥主要生育期群體數量以及增加兩季拔節期、抽穗期SPAD值和LAI值。3個生物炭處理對提高2011/2012土壤SOC含量和2011—2014年土壤TN含量無明顯效果，中、高量生物炭處理可增加2012—2017年土壤SOC含量32.6%～215.6%和2014—2017年土壤TN含量20.0%～36.8%。研究表明，合理施用生物炭能夠促進黃淮區潮土農田冬小麥籽粒產量和氮肥偏生產力以及促進小麥生長和地上部氮素吸收，進而起到提高土壤肥力和增加土壤固碳的作用。

氮；生物炭；潮土；冬小麥；籽粒產量

0 引 言

生物炭是一種生物質原料經氣化或熱裂解轉化而來的含碳量高達60%以上[1]的固態難溶物質[2]，具有較大的比表面積和孔隙度[3]，一般呈堿性。施用生物炭能夠顯著改善土壤肥力，如降低酸性土壤的作物鋁毒害[4]，改善土壤耕層結構、降低土壤容重[5]以及增大土壤孔隙度等。王艷陽等[6]在黑龍江黑土區的研究表明，添加生物炭可提高土壤飽和導水率14.3%～52.4%，促進作物生長并且減少地表徑流和水土流失。張燕輝[7]連續4年施用生物炭的試驗結果表明，土壤pH、全碳、全氮含量隨著生物炭用量的增加而升高。另有研究報道，生物炭具有改善農田生態環境的效果，尤其在土壤固碳和溫室氣體減排方面發揮著重要作用[8-9]。李露等[10]研究報道，20、40 t/hm2的生物炭施用量均可降低稻麥輪作系統中CH4和N2O的排放。Warnock等[11]研究表明，施用生物炭可減少土壤硝化細菌和反硝化細菌的可用氮源，進而改變農田生態系統的氮循環，減少N2O的排放。

受制備生物炭的材料、生物炭施用量、生物炭施用年限以及土壤條件的影響，作物生長和產量對生物炭施用的響應效果不盡相同。葉英新[12]試驗結果表明，與不施生物炭相比，20和40 t/hm2的生物炭在施用2 a后，對小麥和玉米的籽粒產量均無顯著影響。Kerré等[13]研究表明，在施用生物炭的肥沃土壤上的玉米產量較相鄰常規耕作土壤地塊的玉米產量3 a平均增加23%。當前關于生物炭的報道多集中在其影響作物產量及固碳減排方面，而在黃淮海潮土農田多年連續施用生物炭對小麥產量及其生理機制方面的研究報道相對較少，缺乏長期的田間監測。鑒于上述，本文通過連續6 a小麥/玉米輪作種植下生物炭施用對冬小麥生長、產量、地上部干物質積累、氮素吸收利用及土壤有機碳和全氮含量影響的研究，探究生物炭施用影響小麥產量和氮素吸收的生理機制，以期為黃淮海潮土農田秸稈炭化還田可行性評估提供一定科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及生物炭

試驗地位于河南省封丘縣潘店鄉中國科學院封丘農業生態實驗站（35°00' N, 114°24' E），該站位于黃淮海平原中部，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫13.5～14.5 ℃，無霜期214 d，年均蒸發量1 860 mm，年均降水量625 mm，是典型的小麥/玉米輪作區。試驗地耕層（0～20 cm）土壤質地為砂質潮土，土壤基礎養分為有機質11.2 g/kg、全氮0.79 g/kg、有效磷10.5 mg/kg、速效鉀92.1 mg/kg、pH值8.30。生物炭為水稻秸稈在500 ℃條件下，以沼氣為能源的炭化爐下熱解制備[14]，全碳含量為514.8 g/kg、全氮含量為10.3 g/kg、有效磷1.71 g/kg、速效鉀49.2 mg/kg、灰分含量為37.1%，pH值10.5。

1.2 試驗設計

試驗于2011年10月開始，至2017年6月，已完成6 a小麥/玉米輪作種植。生物炭在農田的施用量目前并無統一標準。通常，中國小麥玉米秸稈每季產量約為7.5 t/hm2，如將每季秸稈在下季作物開始前全部炭化還田，按照秸稈炭化率30%計算得到的生物炭（500 ℃，8 h）還田量為2.25 t/hm2[15]。因此，本研究從秸稈炭化還田的角度出發，圍繞每季秸稈全部炭化后還田的量（2.25 t/hm2）設置不施生物炭（對照0 t/hm2，BC0）、低量（秸稈全量炭化還田2.25 t/hm2，BC2.25）、中量（3倍量秸稈炭化還田6.75 t/hm2，BC6.75）和高量（5倍量秸稈炭化還田11.25 t/hm2，BC11.25）4個處理。各處理重復3次，隨機排列，小區面積16 m2（4 m×4 m）。在小區四周水泥澆筑以防止小區間水肥互串。各小區N、P、K肥全生育期施用量保持一致，分別為N（常規尿素，含氮量46%）240 kg/hm2、P2O5（重過磷酸鈣，P2O544%）150 kg/hm2和K2O（硫酸鉀，K2O 50%）90 kg/hm2。P、K肥作為基肥在播種前隨翻地一次性施用，N肥按照6∶4比例分別作為基肥和小麥拔節期追肥施用。生物炭與肥料在播種前均勻撒施在每個小區內，經人工翻地與耕層土壤（0～20 cm）充分混合。其他栽培管理措施同當地農田。

1.3 測定指標及計算方法

1.3.1 小麥籽粒產量及構成因素

成熟期整個小區小麥單打單收全部收獲，充分風干后稱質量，并測定含水量（105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒質量）計算籽粒產量、秸稈產量和生物量。并調查1 m雙行（在小麥三葉期選取各處理均勻一致1 m雙行作為定苗樣點）計算單位面積成穗數，取20株小麥植株進行考種，記錄穗粒數和千粒質量。

1.3.2 葉綠素相對含量（SPAD值）及葉面積指數（LAI）

在小麥越冬期和拔節期，于上午8:00-10:00，用SPAD–502 Chlorophyll Meter Model儀測定小麥最上部完全展開葉SPAD值。LAI與SPAD值測定同步，各處理隨機選取10株生長一致的小麥植株，采用長寬系數法測定LAI。

1.3.3 群體動態

與SPAD值測定同步，調查1 m雙行樣點小麥群體數量變化情況。

1.3.4 氮素相關指標

將烘干籽粒、秸稈樣品粉碎，采用H2SO4-H2O2催化劑消煮，半微量凱氏定氮法測定全氮含量。計算方法如下：

籽粒氮積累量(kg/hm2)=籽粒含氮量(%)/100×籽粒產量(kg/hm2)（1）

秸稈氮積累量(kg/hm2)=秸稈含氮量/100×秸稈產量(kg/hm2)（2）

地上部氮積累量(kg/hm2)=籽粒氮積累量+秸稈氮積累量(kg/hm2) （3）

氮素收獲指數(%)=籽粒氮積累量(kg/hm2)/地上部氮積累量(kg/hm2)×100 （4）

氮肥偏生產力(kg/kg)=籽粒產量(kg/hm2)/施氮量(kg/hm2) （5）

1.3.5 土壤有機碳和全氮

在每季小麥收獲后，采用五點取樣法取每個小區0～20 cm混合土壤樣品，風干后過0.15 mm篩，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定有機碳（SOC, Soil organic carbon）含量，采用濃硫酸-混合催化劑消煮后凱氏定氮法測定全氮（TN，total nitrogen）含量。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2016處理和計算數據、SPSS 19.0統計軟件進行多重比較（采用LSD法），顯著性水平設定為=0.05，采用Origin 8.0制圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭對小麥籽粒產量、生物量及收獲指數的影響

由表1可知，與對照相比，生物炭處理在前3季（2011/2012、2012/2013和2013/2014）對小麥籽粒產量、秸稈產量和生物量均無明顯影響，但自第4季（2014/2015）始逐漸表現出顯著性影響。其中，BC2.25處理籽粒產量、秸稈產量、生物量和收獲指數在2015/2016分別較BC0處理顯著（<0.05）提高24.5%、14.8%、18.8%和4.8%；與BC0處理比較，BC6.75處理，在2014/2015、2015/2016和2016/2017季，分別顯著提高籽粒產量14.6%、8.8%和11.9%，顯著提高秸稈產量14.9%、7.5%和33.3%，顯著提高生物量14.8%、8.1%和24.7%。而對于BC11.25處理，在2014/2015和2015/2016季分別較BC0處理顯著提高籽粒產量11.8%和9.1%，2014/2015季顯著提高秸稈產量13.4%，2014/2015和2015/2016季顯著提高生物量12.7%和6.1%。同時，通過對各處理6季平均值多重比較分析結果表明，低、中、高量生物炭處理分別較BC0處理顯著提高籽粒產量7.0%、8.5%和8.6%，顯著提高生物量5.2%，10.8%和9.5%。試驗結果表明，連續施用生物炭具有提高小麥生物產量和籽粒產量的效果。

通過對產量構成分析發現，與BC0處理比較，連續6季施用生物炭處理對小麥千粒質量均無明顯影響，而對成穗數和穗粒數的影響在不同年際間存在差異。如，低量生物炭BC2.25處理，在2011/2012和2015/2016年度，成穗數分別較BC0處理顯著提高14.9%和22.9%，穗粒數在2011/2012季顯著提高9.0%，而在其他季節BC2.25處理未對小麥成穗數和穗粒數產生顯著影響。對于中量生物炭BC6.75處理，成穗數和穗粒數在2015/2016分別較BC0處理顯著提高31.4%和9.7%。而對于高量生物炭BC11.25處理成穗數在2015/2016和2016/2017分別較BC0處理顯著提高32.2%和12.3%。同時，通過連續6季生物炭處理產量構成平均值分析表明，BC6.75和BC11.25處理分別較對照顯著提高成穗數10.1%和11.2%，而對穗粒數和千粒質量無顯著影響。該結果表明，施用生物炭具有提高小麥成穗數和穗粒數的作用，但不同年際間可能存在差異，分析原因可能與不同年際間小麥生育期降雨量存在差異進而影響了小麥成穗數和穗粒數有關。

表1 不同生物炭施用量對小麥產量、生物量及收獲指數的影響

注：BC0、BC2.25、BC6.75和BC11.25分別表示秸稈炭化還田量為0, 2.25, 6.75, 11.25 t×hm-2。多重比較分別在不同處理及同一年份間進行，不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。

Note: BC0, BC2.25, BC6.75 and BC11.25 denote the amount of straw carbonization returning to the field were 0, 2.25, 6.75, 11.25 t×hm-2, respectively. Different letters in one column indicate significant difference among different treatments in the same year at 0.05 level, the same as below.

此外，通過對年份、生物炭處理兩因素分析發現，生物炭處理、年份及二者的交互作用均顯著影響小麥籽粒產量及生物量，年份顯著影響小麥成穗數、穗粒數和千粒質量，而生物炭處理僅對成穗數有顯著影響。該結果進一步表明，施用生物炭處理可影響小麥籽粒產量和生物量，而年份間存在差異可能與不同年份小麥生育期降雨量不同有關，施用生物炭主要是通過提高小麥成穗數進而實現產量提高的。

2.2 生物炭施用對小麥氮積累、吸收及利用的影響

由表2可知，與未施用生物炭BC0處理比較，試驗開始后連續3個小麥生長季（2011/2012、2012/2013和2013/2014）生物炭處理均不能明顯提高小麥氮素積累量、氮素收獲指數及氮肥偏生產力，而自2014/2015年度開始，施用生物炭對提高小麥氮素積累、氮素收獲指數及氮肥偏生產力才具有明顯效果，特別是在生物炭施用量≧6.75 t /hm2時更是如此。同時，通過對6季施用生物炭對小麥氮積累、吸收及利用的平均值結果分析表明，BC6.75和BC11.25籽粒氮積累量分別較對照提高9.4%和11.2%，秸稈氮積累量分別提高17.4%和23.8%，地上部氮積累量分別提高20.9%和13.3%，低、中、高量生物炭處理氮肥偏生產力分別較BC0處理提高8.6%、8.3%和6.8%。通過對年份、生物炭處理兩因素分析表明，年份和生物炭處理均顯著影響小麥氮素積累和氮肥偏生產力，而年份與生物炭處理的交互作用則無明顯效果。該試驗結果表明，大田條件下，生物炭處理對提高作物氮素吸收具有明顯的后效作用，而短期生物炭施用可能效果不理想，且生物炭處理存在明顯的年際差異。

表2 生物炭對收獲期氮素積累量、氮素收獲指數及氮肥偏生產力的影響

注：NHI，氮素收獲指數；NPP，氮肥偏生產力。

Note: NHI means nitrogen harvest index; NPP means nitrogen partial productivity.

2.3 生物炭對小麥葉片LAI、SPAD值及生育期群體動態的影響

葉面積指數（LAI）是反映植物群體生長狀況的一個重要指標，其數值大小直接與最終產量高低密切相關。由圖1可以看出，與BC0相比，在2015/2016和2016/2017小麥生長季，高量（11.25 t/hm2）生物炭處理可明顯提高小麥越冬期LAI，中量（6.75 t/hm2）和高量（11.25 t/hm2）生物炭處理可顯著提高小麥抽穗期LAI，而低、中、高量生物炭處理（2.25～11.25 t/hm2）均可明顯提高小麥抽穗期LAI。該研究表明，施用生物炭在某種程度上具有提高小麥LAI的作用，進而可為籽粒產量的提高奠定基礎。

圖1 生物炭施用對小麥LAI的影響

葉綠素是植物進行光合作用的基礎物質，而SPAD值是由SPAD-502葉綠素儀測定的小麥葉色值，即葉綠素相對含量，也是反映小麥生長狀況和氮素吸收的重要指標[16]。圖2表明，與BC0比較，低、中、高量生物炭處理均能顯著提高小麥拔節期和抽穗期葉片SPAD值，但生物炭處理間越冬期SPAD值無明顯差異。

此外，合理的群體結構是小麥奪取高產的重要保證，也是相關研究人員普遍關心的問題之一。由圖3可以看出，與BC0對照相比，兩年度施用低、中、高量生物炭處理均可明顯增加小麥越冬期、拔節期、抽穗期及成熟期（該期群體數量也為成穗數）莖蘗群體數量，特別是BC6.75和BC11.25處理更是如此。試驗結果表明，施用生物炭可在一定程度上提高小麥生育期莖蘗群體數量，進一步可提高最終成穗數，可為小麥籽粒產量的提高奠定基礎。

圖2 生物炭施用對小麥葉片SPAD值的影響

注：SS- 苗期；OS-越冬期；JS-拔節期；HS-抽穗期；MS-成熟期。

2.4 生物炭施用對土壤耕層有機碳和全氮含量的影響

由圖4可知，生物炭持續施用可以穩定提高土壤耕層有機碳（SOC）含量。與對照相比，BC6.75處理耕層SOC含量在后5季分別顯著增加32.6%、73.3%、126.9%、127.9%和169.1%。BC11.25耕層SOC含量在后5季分別顯著增加62.0%、136.5%、200.7%、179.6%和215.6%。

圖4 生物炭施用對小麥季土壤耕層有機碳含量的影響

同樣，與土壤有機碳含量相似，土壤全氮含量也是反映土壤肥力的另一個重要理化指標。由圖5可以看出，前3季，生物炭處理對耕層全氮（TN）含量無明顯影響，但隨生物炭施用季節的延續，BC6.75和BC11.25處理TN含量較對照顯著增加。與BC0相比，BC6.75處理耕層土壤TN含量在后3季分別顯著增加20.0%、25.4%和24.3%，BC11.25全氮含量在后3季分別顯著增加36.8%、30.5%和36.4%。

圖5 生物炭施用對小麥季土壤耕層全氮含量的影響

上述試驗結果表明，短期施用生物炭在提高潮土地區土壤肥力方面效果不明顯，至少需要連續施用3 a后才初具效果。因此，生物炭在提高土壤肥力方面的作用是一個漫長且復雜的過程，需要長期連續試驗才能對生物炭的效果做出正確合理的評價。

3 討 論

秸稈生物炭施用到土壤中勢必會影響土壤理化性質從而影響作物生長[17]。Niu等[18]在與本研究相同土壤類型上的試驗表明，3～12 t/hm2的生物炭處理可增加小麥籽粒產量16.6%～25.9%。趙進[19]研究表明，BC2.25生物炭處理可增加紅壤小麥籽粒產量5.6%～174.0%，增加潮土小麥籽粒產量39.8%。本研究結果表明，低、中、高生物炭處理均可提高小麥籽粒產量，進一步分析發現，生物炭主要通過增加小麥單位面積成穗數進而實現小麥籽粒產量的提高。張燕輝等[7]研究表明，生物炭添加對小麥單株成穗數無顯著影響，可通過提高小麥出芽率增加單位面積成穗數，這與本試驗生物炭處理均可明顯提高小麥主要生育期群體數量的研究結果不太一致。本研究認為，生物炭處理可通過增加小麥莖蘗群體數量從而增加單位面積成穗數，進而提高小麥籽粒產量。王勇等[20]研究報道返青期追肥可促進春季小麥分蘗，增加穗數。在本研究相同氮肥水平下，生物炭處理下的土壤供氮能力高于對照（生物炭處理硝態氮含量顯著高出對照，未發表數據），可能是增加小麥群體的原因之一。張娜[21]研究結果則表明，生物炭對小麥穗數、穗粒數和千粒質量的提升作用均未達到顯著性水平，與本研究結果略有差異差異原因可能在于土壤類型、施肥狀況等因素的不同，導致生物炭的增產效應不同。

冬小麥葉片、莖稈等營養器官進行光合作用，合成有機物后向籽粒運轉，是小麥產量形成的主要機制[22]。而生物炭具有較強的吸水能力，適量生物炭施用能夠顯著提高土壤含水量[5]，提高土壤熱容[9]，為作物根系生長提供良好環境，有利于水分和營養物質向葉片輸送，進而促進植株生長[23]。其中，干物質是是衡量植物有機物積累、營養成分多寡的一個重要指標[24]，小麥最終的籽粒產量受干物質積累、轉運的重要影響[25]。有研究指出，開花期至成熟期是小麥籽粒產量形成的關鍵時期，小麥籽粒產量的高低取決于花后干物質的積累[26]。而施用生物炭基肥料可顯著提高小麥干物質重[27]。在本研究中，生物炭處理可顯著增加小麥秸稈產量11.4%～12.6%、生物量5.2%～10.8%，這可能由于生物炭具有良好的孔隙性，促進了作物根系生長，為地上部營養積累提供了保障[28]，進而增加同化作用[20]。然而生物炭處理下的小麥籽粒產量占生物量的比重較對照并未增加，說明生物炭盡管增加小麥干物質積累，但并未促進花后干物質向籽粒的轉運。因此，干物質積累提高并不是生物炭提高小麥籽粒產量的主控因素，而小麥籽粒千粒質量主要依賴于花后至灌漿階段，這可能也是各處理下小麥千粒質量無顯著性差異的原因之一。故而在本研究中，小麥莖蘗群體數量的提高是生物炭提高小麥籽粒產量的主導原因。

有研究表明，施用生物炭具有提高氮肥利用率的作用[29-30]，主要原因得益于生物炭提高了潮土的保水性能和陽離子交換能力，進而促進地上部吸氮量的提高[31]。另外，生物炭因其較大的比表面積和孔隙度，可增加土壤中有益菌群數量[32]，且對土壤硝態氮具有較強的吸附作用，從而減少氮素在土壤中的損失[33]。Zhao等[34]研究發現，施用生物炭能夠增加土壤全氮含量以及有效元素含量，進而增加作物對氮素營養的吸收利用。本研究結果表明，生物炭施用具有提高小麥葉片光合作用面積和葉綠素相對含量的積極作用。而小麥葉面積系數和葉綠素含量與氮效率存在顯著正相關關系[35]，故而葉面積系數和葉綠素含量的增加可提高莖葉對氮的吸收利用。施用生物炭可提高小麥植株不同地上部位氮積累量，但氮素收獲指數并未增加，此結果表明，中、高量生物炭處理下，6季平均籽粒氮積累量的增加則是由于生物炭處理增加籽粒產量，而未能增加秸稈中氮向籽粒中的轉移和運輸，而氮肥偏生產力提高的原因同樣在于生物炭處理對小麥籽粒產量的提高。

生物炭具有較強的穩定性，不易被礦化和分解，在潮土上的年平均分解率為3.52%～5.68%[19]。本研究表明，生物炭在連續施用2 a后即可顯著增加土壤SOC含量，迅速提升土壤碳庫，進而改善土壤肥力。本研究中土壤耕層C/N比可達26.0，但較高的C/N比抑制小麥生長的現象在本研究中并未出現（2014/2015，BC11.25籽粒產量較BC0顯著增加11.8%），生物炭依然保持小幅增產作用，與Lemann等[36]提出的過高的C/N比會引起氮素固定以及生物炭帶入過多的碳組分會促使土壤中微生物產生固氮的現象[37]有所差異。當每季生物炭用量增加至6.75～11.25 t/hm2時，土壤SOC含量較對照最高增幅可達215.6%，生物炭6年累積用量為81～135 t/hm2，相當于450 t/hm2的秸稈消納量，每年可消納37.5 t/hm2秸稈，而當前秸稈每季產量約為7.5 t/hm2。相較于秸稈直接還田帶來的整地質量差、病蟲草害嚴重，進而影響下季作物種植等系列問題[38]，秸稈炭化還田不僅可以小幅增加籽粒產量，而且具有穩定持續增加土壤固碳的效果，為秸稈資源綜合利用提供了新的有效途徑。

4 結 論

通過6季連續施用生物炭對小麥生長發育、氮素吸收及土壤肥力等指標影響的研究，主要結論如下：

1）施用2.25～11.25 t/hm2生物炭，可起到提高小麥籽粒產量以及提高氮肥偏生產力的效果，但低、中、高量生物炭處理間無顯著差異。同時2.25～11.25 t/hm2生物炭可提高小麥葉面積指數、葉綠素相對含量，進而起到提升小麥光合作用和增加小麥生物量的作用。

2）施用6.75～11.25 t/hm2生物炭可顯著增加地上部氮素吸收量，明顯提高耕層土壤有機碳和全氮含量，進而使研究地區土壤碳庫顯著增加，土壤肥力得到提升。

3）與未施用生物炭比較，生物炭在連續施用多年后對小麥籽粒產量、秸稈產量、生物量、氮素吸收以及土壤肥力的提升效果逐漸增強。

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Long-term application of biochar in fluvio-aquatic soil improving wheat yield and nitrogen utilization

Xie Yingxin1, Liu Yujuan1, Zhang Weina1, Dong Cheng1, Zhao Xu2※, He Dexian1, Wang Chenyang1, Guo Tiancai1, Wang Shenqiang2

(1.450046,; 2.210008,)

Biochar, which is produced by the thermochemical decomposition of organic material under a limited supply of oxygen at temperatures between 300 and 1000 ℃, has been the focus of researchers for the past several years. Each year straw of about 0.6-0.7 billion tons is produced in China, however less than half fails to reasonable use, which has resulted in a series of problems such as resource waste and environmental pollution. Converting cheap, abundant crop straw into biochar applied to soils may have significant agricultural and environmental benefits. Crop-straw biochar returned into soil not only can significantly increase carbon sequestration and reduce emission of greenhouse gases as well as protect soil quality, improve soil fertility, decrease soil bulk density and reduce the aluminum toxicity of crop in acid soil, but also provides effective way for comprehensive utilization of straw resource. In order to find out a rational solution for more and more straw in the farmland to provide scientific basis for comprehensive utilization of straw in the Huanghuai region, a field location experiment on straw biochar application was performed in the typical fluvio-aquatic soil of the Huanghuai region since 2011. Effects of continuous biochar application in 2011-2017 on growth and nitrogen absorption of winter wheat were studied. The yield components, accumulation of dry matter and nitrogen, LAI (leaf area index), chlorophyll relative content (SPAD (soil and plant analyzer development) value), and population number at the key growth stage of winter wheat, and the changes of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) under the long-term biochar application were also observed in the test. Four treatments in the experiment were set, including BC0 (control), BC2.25 (low), BC6.75 (middle) and BC11.25 (high), which were 0, 2.25, 6.75 and 11.25 t/hm2biochar added to the soil, respectively. The results showed that, compared with BC0, the BC2.25 increased grain yield of wheat only in 2011/2012, the BC6.75 increased grain yield in 2014/2015, 2015/2016 and 2016/2017, and the BC11.25 increased grain yield in 2014/2015 and 2015/2016. The average yield across 6 wheat seasons showed that 3 biochar application treatments markedly increased grain yield, biomass, and nitrogen partial productivity by 7.0%-8.5%, 5.2%-10.8%, and 6.8%-8.6%, respectively compared with the CK treatment, but no significant difference was found among 3 biochar treatments. In addition, biochar application treatments with middle and high addition amount also significantly increased straw yield, spike number, nitrogen accumulation of grain, straw nitrogen accumulation and plant nitrogen accumulation by 11.4%-12.6%, 10.1%-11.2%, 9.4%-11.2%, 17.4%-23.8% and 13.3%-20.9%, respectively. The roles of biochar in improving grain yield and nitrogen uptake were in accordance with response in increasing LAI and SPAD value of wheat leaves. We also found that 3 biochar application treatments increased population amount at the key growth stage of winter wheat in 2015/2016 and 2016/2017, and also increased the SPAD value and LAI at the jointing stage and heading stage in 2015/2016 and 2016/2017. Moreover, 3 biochar treatments also significantly increased SOC content in topsoil by 32.6%-215.6% in 2012-2017 and TN content by 20.0%-36.8% in 2014-2017. In conclusion, reasonable biochar application can increase grain yield and nitrogen partial productivity with promoting the growth and nitrogen absorption of winter wheat in the Huanghuai region, and also improve the soil fertility and carbon sequestration.

nitrogen; biochar; fluvio-aquatic soil; winter wheat; grain yield

謝迎新，劉宇娟，張偉納，董 成，趙 旭，賀德先，王晨陽，郭天財，王慎強. 潮土長期施用生物炭提高小麥產量及氮素利用率[J].農業工程學報，2018，34(14)：115－123. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.015 http://www.tcsae.org

Xie Yingxin, Liu Yujuan, Zhang Weina, Dong Cheng, Zhao Xu, He Dexian, Wang Chenyang, Guo Tiancai, Wang Shenqiang. Long-term application of biochar in fluvio-aquatic soil improving wheat yield and nitrogen utilization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 115－123. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.015 http://www.tcsae.org

2018-02-28

2018-06-05

國家自然科學基金（41771338）；國家科技支撐計劃項目（2015BAD26B00）聯合資助

謝迎新，博士，副研究員，主要從事植物營養與農業生態環境方面的研究。Email：xieyingxin@tom.com

趙 旭，研究員，博士，博士生導師，主要從事農業生態環境方面的研究。Email：zhaoxu@issas.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.015

S156

A

1002-6819(2018)-14-0115-09