施用生物炭對灌漠土理化性質及洋蔥產量的影響

殷曉燕，程志國，馮 濤，孫向春，鄧喜明

(酒泉市農業科學研究院，甘肅 酒泉 735000)

位于河西走廊的酒泉市是中國第二大制種基地，玉米年制種面積最高時達到10萬hm2，隨著玉米制種面積的擴大，玉米秸稈造成的面源污染也日益嚴重。生物質炭化還田有效銜接農業循環鏈條首尾兩端，為廢棄生物質資源化高效利用、土壤改良培肥、農業固碳減排等提供了有效解決方案。針對不同自然區劃、耕作制度和不同土壤類型，深入開展生物炭改土培肥研究，對提升中低產田的生產潛力，確保國家糧食安全，實現農業可持續發展，具有重要的現實意義[1]。

生物炭，是由生物質在完全或部分缺氧的情況下經炭化產生的一類高度芳香化難溶性固態物質[2]。研究表明，生物炭施入土壤，能夠提高田間持水量，增加土壤肥力，提高作物產量，改善土壤性質(如提高土壤pH值和陽離子交換量等)[3]。此外生物炭對重金屬離子(Cd2+、Pb2+、Cu2+等)有較好的吸附固定作用，可降低土壤中重金屬的遷移性和有效性，從而降低植物體內重金屬含量[4-7]。

1 試驗區概況

試驗地位于酒泉市農業科學研究院試驗基地，地理位置為北緯39°75′、東經98°51′，海拔1 439 m，年均日照時數3 174 h，年均氣溫7.5 ℃，年均日較差14.4 ℃，年均降水量僅85.3 mm，年均水面蒸發量2 261.3 mm,平均無霜期150 d。該區降雨稀少，蒸發量大，光照充足，氣候干燥，夏季酷熱，冬季嚴寒，晝夜溫差大，屬溫帶干旱的灌溉農業區。試驗地土壤類型為灌漠土，試驗前測定基礎土壤(0～20 cm)性質，有機質含量為13.2 g/kg，堿解氮含量為29.2 mg/kg，速效磷含量為26.3 mg/kg，速效鉀含量為109 mg/kg，pH值為8.48。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料和試驗設計

本試驗供試生物炭屬遼寧金和福農業科技股份有限公司生產，含有機碳400 g/kg、全氮8.69 g/kg、全磷1.33 g/kg、全鉀11.12 g/kg。常規施肥用的尿素含氮46%，磷酸二銨含氮18%、五氧化二磷46%。

常規施肥施用磷酸二銨525 kg/hm2、尿素900 kg/hm2，磷肥作為基肥一次性施入，尿素分4次施入，分別為基肥施入30%、緩苗期追施20%、旺長期追施35%、膨大期追施15%。

試驗地面積666.7 m2，分4個處理，3次重復，每小區面積33 m2，隨機區組排列。處理1為常規施肥(CK)，處理2為常規施肥+生物炭5 000 kg/hm2，處理3為常規施肥+生物炭10 000 kg/hm2，處理4為常規施肥+生物炭15 000 kg/hm2。生物炭在覆膜前人工撒施，然后耙耱、鋪膜，其他管理與大田相同。

2.2 樣品采集和分析方法

在作物收獲后測定作物產量。按小區S形取0～20 cm耕層土樣，測定土壤理化性狀、重金屬含量。容重分析采用環刀法，pH值測定采用酸度計法(水土比為2.5∶1)，土壤有機質測定采用外加熱重鉻酸鉀容量法，堿解氮測定采用堿解擴散法，有效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計法，重金屬有效態的測定采用DTPA浸提-原子吸收分光光度計法。

2.3 數據處理

采用Excel 2016軟件進行數據整理和圖形的繪制，采用SPSS 16.0軟件進行分析處理，采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較(0.05水平)。

3 結果與分析

3.1 施用生物炭對土壤pH值的影響

施用生物炭后，各處理的土壤pH值隨施炭量的增加而增大(圖1)。處理4、3、2土壤pH值分別比處理1(CK)增加了3.7%、2.5%、2.1%，均顯著高于處理1(CK)；處理2和3間差異不顯著，二者均顯著低于處理4。說明施用生物炭對堿性土壤pH值影響明顯。

圖1 不同施炭量對土壤pH值的影響

3.2 施用生物炭對土壤容重的影響

試驗結果表明，隨著生物炭施用量的增加，土壤容重在減小(圖2)。處理4、3和2的土壤容重分別比處理1(CK)降低了7.2%、6.6%和3.9%，均顯著低于處理1(CK)；處理3和4間差異不顯著，均顯著低于處理2。

圖2 不同施炭量對土壤容重的影響

3.3 施用生物炭對土壤養分的影響

施用生物炭后，土壤有機質含量隨生物炭施用量的增加而增加(圖3)，處理4比處理1(CK)增加了11.4%，處理3和2比處理1(CK)分別增加了2.8%和0.9%，但各處理間差異不顯著。

圖3 不同施炭量對土壤有機質含量的影響

由圖4可看出，隨著生物炭施用量的增加，土壤堿解氮含量增加，處理4、3、2分別比處理1(CK)增加了5.5%、1.5%、0.4%，各處理間差異不顯著。隨著生物炭施用量的增加，土壤速效磷的含量也呈增加趨勢，處理4、3、2分別比處理1(CK)增加了32.6%、20.2%、15.3%，各處理間差異也不顯著。隨著生物炭施用量的增加，土壤速效鉀的含量顯著增大，處理4、3、2分別比處理1(CK)增加了42.0%、37.2%、31.7%，均顯著高于處理1(CK)；處理3與處理2、4間差異不顯著，處理4顯著高于處理2。

圖4 不同施炭量對土壤速效養分的影響

3.4 施用生物炭對洋蔥產量的影響

從圖5可知，不同量的生物炭施入均可提高洋蔥產量。試驗結果表明，處理4的洋蔥產量達92 691.0 kg/hm2，比處理1(CK)增產8.2%，處理2和3較處理1(CK)分別增產2.8%和4.1%，各處理間差異不顯著。

圖5 不同施炭量對洋蔥產量的影響

3.5 施用生物炭對土壤重金屬生物有效性的影響

施入不同量的生物炭，對土壤0～20 cm耕層重金屬生物有效性影響明顯，重金屬生物有效性總體隨生物炭施入量的增加而呈下降趨勢(圖6、7)。試驗結果表明，土壤中有效鉛的含量隨生物炭施入量的增加而遞減，處理4、3和2分別比處理1(CK)減少42.4%、28.6%和21.4%，均顯著低于處理1(CK)，處理2、3、4間差異不顯著；土壤中有效鋅的含量隨生物炭施入量的增加而遞減，處理4、3和2分別比處理1(CK)減少22.9%、22.7%和21.1%，均顯著低于處理1(CK)，處理2、3、4間差異不顯著；土壤中有效銅的含量隨生物炭施入量的增加而遞減，處理4、3和2分別比處理1(CK)減少19.9%、16.0%和7.8%，處理4與處理2、3間差異不顯著，與處理1(CK)差異顯著，處理2、3與處理1(CK)間差異不顯著；土壤中有效鎘的含量隨生物炭施入量的增加而遞減，處理4、3和2分別比處理1(CK)減少41.9%、12.9%和9.7%，處理4與處理2、3間差異不顯著，與處理1(CK)間差異顯著，處理2、3與處理1(CK)間差異不顯著。

圖6 不同施炭量對土壤重金屬生物有效性的影響

圖7 不同施炭量對土壤重金屬鎘生物有效性的影響

4 討 論

4.1 施用生物炭對土壤容重和pH值的影響

本研究表明，施用生物炭可降低灌漠土土壤容重，提高土壤pH值。侯建偉等[8]通過試驗研究也得出，添加生物炭降低了土壤容重，使土壤pH值明顯增大。

4.2 施用生物炭對土壤有機質和速效養分的影響

玉米秸稈生物炭的加入，提高了灌漠土中有機質的含量，其提升幅度隨施用量的增加而增大。生物炭的含碳量高、穩定性強，能夠穩定地保存在土壤中，有利于土壤中有機碳的積累[3]。

施用生物炭后，土壤堿解氮含量均比對照有所提高，施用15 000 kg/hm2時，堿解氮含量比對照提高了5.5%。侯艷艷等[9]研究表明，添加棉稈炭對全量養分影響不明顯，但提高了灰漠土堿解氮的含量。

隨著生物炭施用量的增加，本試驗土壤速效磷的含量提高了15.3%～32.6%，但均未達到顯著差異。蘇倩等[10]通過兩年溫室盆栽試驗表明，添加生物炭可顯著提高土壤磷素含量及有效性。

隨著生物炭施用量的增加，本試驗土壤速效鉀的含量提升了31.7%～42.0%，達到顯著差異水平。生物炭本身包含大量的可提取性鉀，施入土壤后增加了鉀的輸入，可能有助于速效鉀含量的提高[11]。

4.3 施用生物炭對洋蔥產量的影響

施用生物炭改善了土壤理化性質，提高了土壤肥力，進而促進了植物生長發育并提高了其產量。常規施肥配施適量的生物炭對洋蔥具有增產作用，施用15 000 kg/hm2時比對照增產8.2%。

4.4 生物炭施用量對土壤重金屬生物有效性的影響

隨生物炭施用量的增加，土壤重金屬生物有效性呈下降趨勢。生物炭在改善土壤肥力質量的同時，對降低耕作土壤重金屬生物有效性，限制重金屬在作物可食用部位的積累同樣具有重要潛力[12]。當pH值繼續升高(>7)時，重金屬離子與土壤溶液中的OH-等形成金屬氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽沉淀，使土壤溶液中可移動的重金屬離子濃度下降，從而達到鈍化土壤重金屬和改變土壤重金屬離子移動性的效果，降低了土壤重金屬的生物有效性[13]。

5 結 論

研究結果表明，在河西走廊堿性土壤灌漠土中施用生物炭，可降低土壤容重，提高土壤pH值，不同程度提高土壤有機質、堿解氮、速效磷的含量，顯著增加速效鉀的含量。施用生物炭提高了土壤養分的有效性，洋蔥增產效果明顯。同時，施用生物炭降低了土壤中重金屬鉛、隔、鋅、銅的生物有效性。

因此，玉米秸稈炭化還田，有利于土壤質量和作物產量的提高，在秸稈資源化利用的同時減少了秸稈對農業環境的面源污染，可促進當地農業的可持續發展。