施用小麥秸稈炭對灌耕風沙土土壤養分含量及玉米產量的影響

張云舒，唐光木，龍曉雙，葛春輝，徐萬里

(1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091；2.和田地區農業技術推廣中心，新疆和田 848000)

0 引 言

【研究意義】灌耕風沙土作為新疆主要低產土壤之一，它具有養分貧瘠，有機質含量低，保水保肥性能差等特點。生物質是指生物質原料在完全或部分缺氧條件下經高溫熱解產生的一類高度芳香化、穩定性高的富碳有機物質[1]。生物炭是一種富含碳的外源有機質，具有比容重小、比表面積大、吸附性強的等特性。生物炭作為一種土壤改良劑，已經廣泛應用于農業生產與環境等領域。研究生物炭對于灌耕風沙土改良效果，對于生物炭的農用具有重要的現實意義[2-3]。【前人研究進展】黃超等[4]研究結果顯示，紅壤施用生物炭可提高土壤土壤水穩定性團聚體的數量，提高碳庫，增加土壤速效磷、速效鉀和堿解氮的含量，而且還可降低土壤的酸度，增加土壤pH值和鹽基飽和度。 張宏等[5]研究結果表明,連續兩年施用生物炭后,可顯著降低灰漠土的土壤容重,增加土壤全氮、全磷、有機質和土壤速效養分的含量。【本研究切入點】生物炭輸入對土壤影響是多方面的，有正效應也會有負效應，這與土壤類型、生物炭材料等存在顯著的相關性，而生物炭輸入對灌耕風沙土土壤性質影響鮮見報道。研究生物炭對灌耕風沙土改良效果。【擬解決的關鍵問題】定位田間小區試驗，研究小麥秸稈炭施用7 a后對灌耕風沙土土壤養分含量和作物產量的影響，為生物炭農用提供技術和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

田間微區定位試驗的地點在和田地區農技推廣中心下屬的農科所，屬于暖溫帶極端干旱荒漠氣候，年均氣溫為12.5℃，年均降水量為36.4 mm，年均蒸發量為2 618 mm。該田間微區定位試驗于2010年整地，2011年春季開始試驗，微區試驗面積為2 m2。供試土壤質地為風沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為39.1%、54.0%和6.9%。生物炭是河南三利新能源有限公司提供的小麥秸稈炭。列出試驗開始前土壤和小麥秸稈炭理化性質。表1

表1 供試土壤和小麥秸稈炭理化性質

Table 1 The physical and chemical properties of tested soil and wheat biochar

項目SubjectpH值全氮TotalN(g/kg)有機質Organicmatter(g/kg)速效氮AvailableN(mg/kg)速效磷AvailableP(mg/kg)速效鉀AvailableK(mg/kg)陽離子代換量CEC(cmol/kg)土壤8.280.7613.4958.28.31342.08小麥秸稈炭8.28—388.63—82.2159062.6

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

按照耕層0～20 cm土壤，質量150 t/667m2來計算，試驗共4個處理：(1)不施炭(CK)；(2)67.5 t/hm2生物炭(3%BC)；(3)112.5 t/hm2生物炭(5%BC)；(4)225.0 t/hm2生物炭(10%BC)。每個處理每年化肥施用量相同，小麥秸稈炭于2011年春季定位試驗開始前一次性施入，開始后不再施入。

1.2.2 樣品采集

于2017年玉米采收后，將每個微區分成三塊區域，每塊區域采用5點法，分層采集0～20 cm、20～40 cm的土壤樣品，混勻后仔細去除植物殘體及其他雜物，土壤在通風處陰干過篩后，測定其養分指標。

土壤基本理化性質測定：pH值采用土水比為1∶2.5 pH計法；全氮采用凱氏定氮法；有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；速效氮采用堿解擴散法；速效磷采用0.5 mol/L 碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法；速效鉀采用1 mol/L 乙酸銨浸提-火焰光度法。

1.3 數據處理

Excel 2007和DPS 7.05版軟件對數據進行整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 小麥秸稈炭施用對土壤pH值的影響

研究表明,經過7 a的定位試驗，不同用量生物炭處理對不同土層灌耕風沙土土壤pH值影響不顯著。0～20 cm土層試驗后耕層土壤pH值為8.30～8.35，與初始pH值相比變化幅度較小。圖1

2.2 小麥秸稈炭施用對土壤全氮、有機質的影響

研究表明,經過7 a的定位試驗，施用生物炭對灌耕風沙土土壤有機質、全氮產生了一定的影響。無論是0～20 cm還是20～40 cm土層，與對照相比，施用生物炭可以明顯增加灌耕風沙土土壤有機質含量，分別增加了48.9%～89.5%，24.9%～40.1%。與對照相比，生物炭施用后可以明顯增加灌耕風沙土土壤全氮的含量，分別增加了14.5%～29.6%，38.1%～56.0%。隨著生物炭施用量的增加，土壤有機質、全氮含量呈上升趨勢。0～20 cm土層的有機質和全氮含量明顯高于20～40 cm土層的。表2

注：圖中不同小寫字母表示5%顯著水平。下同

Note: Different letters in the fig.represented significant atP﹤0.05.The same as below

圖1 不同處理土壤pH變化

Fig.1 Changes of soil pH with treatments

表2 不同處理土壤全氮和有機質變化

Table 2 Changes of soil total N and organic matter with treatments (g/kg)

處理Treatments有機質Organicmatter全氮TotalN0^20cm20^40cm0^20cm20^40cmCK12.38±0.23d6.62±0.18c0.72±0.01c0.34±0.02c3%生物炭3%BC18.44±0.41c8.27±0.05b0.82±0.02b0.48±0.01b5%生物炭5%BC21.62±0.47b8.93±0.98ab0.85±0.05b0.49±0.01b10%生物炭10%BC23.46±0.32a9.27±0.07a0.93±0.06a0.54±0.02a

2.3 小麥秸稈炭施用對土壤速效養分含量影響

研究表明,經過7 a的定位試驗，施用生物炭對土壤速效氮、速效磷和速效鉀產生了一定的影響。無論是0～20 cm還是20～40 cm土層，與對照相比，施用生物炭可以明顯增加灌耕風沙土土壤速效氮含量，分別增加了28.7%～93.5%，30.8%～68.1%。與對照相比，施用生物炭可以明顯增加灌耕風沙土土壤速效鉀含量，分別增加了6.9%～31.3%，15.6%～45.2%。隨著生物炭施用量的增加，土壤速效鉀含量呈上升趨勢。0～20 cm土層的速效氮和速效鉀含量明顯高于20～40cm土層的。施用生物炭后降低了0～20 cm和20～40 cm土層速效磷含量，有一定的負效應。表3

表3 不同處理土壤速效養分變化

Table 3 Changes of available soil nutrition with treatments (mg/kg)

處理Treatments速效氮AvailableN速效磷AvailableP速效鉀AvailableK0^20cm20^40cm0^20cm20^40cm0^20cm20^40cmCK87.8±3.73c64.3±2.39d88.4±1.39a43.5±0.83a303±3.61d135±3.00d3%生物炭3%BC117.5±3.09b90.3±3.43b81.7±2.72b36.6±0.41b324±0.58c156±0.58c5%生物炭5%BC169.9±4.45a108.1±0.86a73.8±4.08c35.6±0.40b384±1.00b163±0.58b10%生物炭10%BC113.0±3.09b84.1±3.35c70.3±3.59c31.9±1.49c398±1.53a196±1.73a

2.4 小麥秸稈炭施用對玉米產量的影響

研究表明,與對照相比，生物炭施用后可顯著增加玉米產量，增加了28.7%～49.2%，其中以生物炭處理(3% BC)的玉米產量最高。圖2

圖2 不同處理玉米產量變化

Fig.2 Changes of corn yield with treatments

3 討 論

研究結果表明，生物炭施入到灌耕風沙土土壤后，對土壤pH值影響不顯著，可能與小麥秸稈炭本身pH值不高有關。施入的土壤生物炭種類和土壤的pH值是否產生變化有很密切的關系。研究顯示，生物炭施用后能增加土壤的pH值和EC值，但對于堿性效果并不明顯[6]。Chintala[7]將玉米秸稈施用到酸性土壤和堿性土壤后，結果顯示，將3種生物炭施用到酸性土壤后，土壤pH值增加，但施用到堿性土壤后，影響不明顯。試驗也得到了相同的試驗結果。

生物炭可通過吸附營養物質來改善土壤環境[8]，影響營養物質的循環及土壤結構，進而影響作物的產量[9]。房彬等[10]研究表明，生物炭可增加土壤有機質的含量，減少氮、磷和有機碳淋失，進而增加土壤中全氮和有機質的含量。Lgchuk等[11]也研究表明生物炭可以增加土壤中全氮和有機質含量。研究結果表明，小麥秸稈炭施用7 a后，可顯著增加灌耕風沙土土壤全氮、有機質的含量。隨著生物炭用量的增加，土壤全氮、有機質的含量也隨之增加。張晗芝等[12]通過盆栽試驗表明，隨著生物炭施用量增加，土壤中的有機碳含量也隨之增加。張宏等[5]研究結果顯示，生物炭能顯著增加土壤中全氮和有機質的含量，與研究結果相同。施用生物炭到土壤后有機質含量增加，可能是因為一方面生物炭有著較強的吸附能力，能夠吸附土壤中的有機分子，然后通過表面催化活性，可促使小有機分子聚合成為土壤有機質，另一方面生物炭有著自身緩慢的分解能力也能形成腐殖質，提高土壤肥力。

生物炭具有改善土壤理化性狀、降低肥料損失等特點[13-14]。Quilliam等[15]研究顯示，連續兩年施用生物炭后，可顯著增加土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀的含量[16-17]。研究表明，施用生物炭7 a后，可以顯著增加0～20 cm和20～40 cm土層土壤速效氮和速效鉀含量，該結果與前人研究結果相一致，可能是因為生物炭本身含有較高的速效氮和速效鉀含量。Xu等[18]研究表明，在堿性土壤中隨著生物炭施入量的增加，土壤對磷的吸附能力變小，速效磷含量隨之增加。研究結果與之相反，可能是石灰性土壤中生物炭施用后，土壤對磷的吸附能力會增加，降低了磷的有效性[19]。研究中0～20 cm土層中養分含量高于20～40 cm土層的，其主要原因是玉米根系主要分布在0～20 cm土壤中，玉米收獲后，殘渣和根系的養分主要存在于0～20 cm土壤中。

4 結 論

4.1 在0～20 cm和20～40 cm土層，與對照相比，施用小麥秸稈炭對灌耕風沙土土壤pH值影響不明顯。

4.2 在0～20 cm和20～40 cm土層，與對照相比，施用生物炭后能夠顯著增加灌耕風沙土土壤全氮、有機質、速效氮及速效鉀的含量，在0～20 cm土層分別增加了14.5%～29.6%、48.9%～89.5%、28.7%～93.5%、6.9～31.3%。與對照相比，在20～40 cm土層分別增加了38.1%～56.0%、24.9%～40.1%、30.8%～68.1%、15.6%～45.2%。

4.3 施用生物炭處理能夠明顯增加玉米產量，增產了28.7%～49.2%。