生物炭對(duì)夏玉米農(nóng)田土壤有效養(yǎng)分垂直分布及作物利用的影響

俞若涵，姚 奇，楊明曉，王殿武，王 洋

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000）

華北平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，冬小麥-夏玉米輪作是該地區(qū)的主要種植方式。目前，由于華北平原地區(qū)土壤肥力低、施肥不當(dāng)導(dǎo)致養(yǎng)分比例失調(diào)、作物產(chǎn)量不穩(wěn)等問題［1］。生物炭作為土壤改良劑，吸附養(yǎng)分離子以減少土壤有效態(tài)氮、磷、鉀的流失，并通過解析作用緩慢釋放養(yǎng)分從而更好地供給作物生長(zhǎng)所需［2］。在提升土壤質(zhì)量，保持土壤肥力等諸多方面可發(fā)揮積極作用，室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)生物炭能夠解析18%～31%的NH4+［3-8］，且降低養(yǎng)分淋溶［9-10］，本文是在田間條件下加以驗(yàn)證。

夏玉米地上部氮、磷養(yǎng)分累積量在其全生育期持續(xù)增加，主要累積階段在抽雄期，成熟期達(dá)到最大［11］。前人研究大多針對(duì)成熟期一個(gè)時(shí)期得出整個(gè)玉米季作物及土壤養(yǎng)分變化情況，未能反映出夏玉米養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)累積過程。且有關(guān)生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響研究多集中在耕層土壤［12］，而0～100 cm土層深度的養(yǎng)分垂直分布及運(yùn)移研究尚少。為此，本研究通過無機(jī)肥與不同水平的生物炭配施，以揭示其對(duì)夏玉米農(nóng)田土壤0～100 cm有效養(yǎng)分垂直分布及作物吸收利用的影響，旨在探明我國(guó)華北農(nóng)田生物炭的合理施用量，為實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試 驗(yàn) 區(qū) 位 于 河 北 省寧 晉縣（114 °59′E，37°36′N），該區(qū)屬于暖溫帶大陸性氣候區(qū)，年平均溫度和年平均降水量分別為13℃和501 mm，年均無霜期約200 d。夏玉米田間試驗(yàn)開展于2017年6月20日至9月30日，氣溫與降水情況見圖1。

1.2 供試材料

1.2.1 供試土壤

供試土壤為中壤質(zhì)潮褐土，表層土壤容重為1.5 g/cm3，pH為8.0，有機(jī)質(zhì)含量為15.8 g/kg，供試土壤0～100 cm土層的化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)

1.2.2 供試生物炭

供試生物炭以果木廢棄枝條為原料，在600℃高溫厭氧條件下熱解制備，全氮含量為0.5 g/kg，全磷含量為0.9 g/kg，有效磷含量為89.3 mg/kg，有效鉀含量為251.0 mg/kg。

1.2.3 供試作物

供試夏玉米品種為偉科966。

1.2.4 供試肥料

采用摻混肥作基肥于種植玉米前一次性施入，折合成純養(yǎng)分用量N、P2O5和K2O分別為156、30和54 kg/hm2。

1.3 方案設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，在化肥施用量一致前提下，添加0（B0F）、5（B5F）、10（B10F）和20 t/hm2（B20F）生物炭，各處理設(shè)置4次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，每小區(qū)面積34.2 m2（9.5 m×3.6 m）。生物炭于2017年夏玉米播前一次性撒施于土壤表層并通過翻耕使生物炭與耕層（0～20 cm）土壤混勻，玉米季澆水兩次，壓苗水一次灌水量450 m3/hm2，拔節(jié)水一次灌水量600 m3/hm2，田間管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方法進(jìn)行。

于抽雄期和成熟期在每個(gè)小區(qū)按五點(diǎn)采樣法分層（0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm）采集土壤樣品，相同層次的土壤混合為一個(gè)樣品后一部分于4℃冰箱保存，剩余部分風(fēng)干過篩保存。

抽雄期和成熟期采集植物樣品，每小區(qū)隨機(jī)選取3株有代表性的夏玉米植株，自基部剪下，抽雄期分成莖、葉、苞葉、籽粒4部分，成熟期分成莖、葉、苞葉、軸、籽粒5部分，烘干后稱重，用于分器官測(cè)定植株全氮、全磷、全鉀養(yǎng)分含量和地上生物量。另外，每小區(qū)隨機(jī)采集3個(gè)沿玉米種植行2 m長(zhǎng)度地上部植株樣品，分別裝入網(wǎng)兜用于測(cè)定產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目及方法

生物炭和土壤樣品的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；全氮含量采用凱氏法測(cè)定；全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用1 mol/L NH4OAC浸提，火焰光度法測(cè)定。

植物樣品的全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量采用火焰分光光度法測(cè)定。土壤養(yǎng)分累積量計(jì)算公式為：

式中：A為土壤養(yǎng)分累積量（kg/hm2）；h為土層厚度（cm）；ρ為土壤容重（g/cm3）；C為養(yǎng)分濃度（mg/kg）。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤有效養(yǎng)分垂直分布的影響

2.1.1 生物炭對(duì)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮垂直分布的影響

隨生物炭施用量的增加，0～100 cm各土層土壤硝態(tài)氮含量整體表現(xiàn)為B5F＞B10F＞B0F＞B20F的趨勢(shì)，各處理土壤剖面的硝態(tài)氮含量均隨土層深度的增加而減小，并于40～60 cm出現(xiàn)累積峰（圖2）。在抽雄期，0～20 cm土壤硝態(tài)氮含量介于6.3～10.5 mg/kg，B5F顯著高于B0F、B10F和B20F，分別顯著增高46.8%、18.2%和67.1%；在40～60 cm的累積峰層，B0F、B5F、B10F、B20F處理硝態(tài)氮含量分別為2.6、4.6、4.1和3.0 mg/kg，B5F處理硝態(tài)氮含量顯著高于B0F、B10F和B20F，分別顯著增高75.6%、13.1%和51.5%（P＜0.05）。在成熟期，土壤硝態(tài)氮0～100 cm的累積量于B5F達(dá)到最大值51.9 kg/hm2。

土壤銨態(tài)氮含量在夏玉米不同生育期均表現(xiàn)為施用生物炭后顯著提高，各處理呈現(xiàn)B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趨勢(shì)，土壤銨態(tài)氮0～100 cm剖面分布在40～60 cm處出現(xiàn)累積峰（圖3）。與B0F相比，B5F處理0～20、20～40和40～60 cm土層銨態(tài)氮含量在兩個(gè)時(shí)期平均分別顯著升高36.3%、47.4%和37.1%，60 cm以下土層銨態(tài)氮濃度維持在小于3.6 mg/kg的較低水平且各處理無顯著差異。成熟期土壤銨態(tài)氮在0～100 cm的累積量于B5F達(dá)到最大值52.2 kg/hm2，較B0F、B10F和B20F分別顯著提高37.3%、18.0%和33.1%（表2）。

表2 夏玉米成熟期0～100 cm土壤有效態(tài)養(yǎng)分累積量（kg/hm2）

2.1.2 生物炭對(duì)有效磷垂直分布的影響

隨生物炭施用量的增加，土壤有效磷含量呈現(xiàn)B5F＞B10F＞B0F＞B20F的趨勢(shì)（圖4）。在0～100 cm土壤剖面上，表層（0～20 cm）土壤有效磷含量最高，占剖面有效磷總含量的56.6%～73.5%，20 cm以下土壤有效磷含量迅速下降，除成熟期40～60 cm處出現(xiàn)累積峰外，土壤有效磷含量均維持在小于5.0 mg/kg水平。與B0F相比，B5F處理0～20和40～60 cm土壤有效磷含量在抽雄期分別顯著升高32.3%和44.5%，并在成熟期分別顯著升高43.2%和66.4%。成熟期土壤有效磷在0～100 cm的累積量于B5F達(dá)到最大值121.2 kg/hm2，且顯著高于其他處理，較B0F、B10F和B20F分別顯著提高43.5%、25.7%和16.4%（表2）。

2.1.3 生物炭對(duì)速效鉀垂直分布的影響

在抽雄期和成熟期，土壤速效鉀含量整體呈 現(xiàn)B5F＞B20F＞B0F＞B10F的 趨 勢(shì)（圖5），土壤速效鉀在20 cm土層以下迅速下降，土壤剖面40～60 cm處出現(xiàn)累積峰。抽雄期，與B0F相比，B5F處理在0～20、20～40和40～60 cm土層速效鉀含量平均升高3.6%，60 cm以下土層速效鉀含量維持在小于126.3 mg/kg的較低水平。成熟期，與B0F相比，B5F處理0～60 cm土層速效鉀含量平均升高15.3%，60 cm以下土層速效鉀含量維持在小于62.7 mg/kg的較低水平，表明土壤速效鉀主要淋溶至60 cm土層。成熟期0～100 cm土層土壤速效鉀累積量在B5F達(dá)到最大值（1184.3 kg/hm2）且顯著高于其他處理，較B0F、B10F和B20F分別顯著提高17.6%、19.2%和33.7%（表2）。

2.2 生物炭對(duì)夏玉米養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量的影響

與B0F相比，B5F可以顯著提高抽雄期和成熟期夏玉米氮、磷累積量（表3）。抽雄期內(nèi)，與B0F相比，B5F和B10F的地上部生物量顯著增加，B5F的氮、磷累積量分別顯著提高58.2%和42.5%，B10F和B5F的鉀累積量分別顯著升高36.0%和67.6%，B20F、B10F和B5F的籽粒含氮量和含鉀量分別顯著提高20.9%、36.6%、49.5%和17.9%、33.3%、56.0%，但只有B10F和B5F的籽粒含磷量顯著提高，分別顯著提高了21.6%和29.7%；成熟期內(nèi)，與B0F相比，B5F的地上部生物量、籽粒氮、磷含量及氮、磷累積量分別顯著提高13.5%、28.6%、33.3%、44.3%和40.8%，B10F、B20F未表現(xiàn)出顯著差異。

表3 生物炭對(duì)玉米成熟期各器官養(yǎng)分吸收的影響

B5F比B0F的籽粒產(chǎn)量顯著增加24.1%，但隨著生物炭施用量的增加并未達(dá)到持續(xù)提升作物產(chǎn)量的目的，B10F、B20F與B0F相比未表現(xiàn)出顯著差異，說明夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素（穗數(shù)、百粒重和穗粒數(shù)）受不同水平生物炭施用影響并不顯著（表4）。

表4 不同處理對(duì)夏玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量要素的影響

3 討論與結(jié)論

在土壤有效養(yǎng)分垂直分布上，不同水平生物炭處理于抽雄期和成熟期均在40～60 cm處出現(xiàn)累積峰，說明在該季節(jié)的降雨和灌溉作用下，有效養(yǎng)分集中遷移到40～60 cm土層。

在0～60 cm土層，B5F、B10F和B20F處理各有效養(yǎng)分含量均高于B0F處理，可見，生物炭對(duì)土壤速效養(yǎng)分有吸附作用，并緩慢釋放，可以減少由于降水灌溉對(duì)土壤養(yǎng)分的流失，增加土壤中速效養(yǎng)分含量。然而，B5F處理的有效養(yǎng)分含量高于B10F和B20F處理，這說明中高量生物炭施入土壤導(dǎo)致土壤高C/N，加劇了土壤中有效態(tài)養(yǎng)分的微生物固定［13-14］，引發(fā)微生物與作物對(duì)氮養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，從而減少地上部生物量和吸氮量。此外，Yao等［15］指出中高量生物炭施用會(huì)引入大量的堿金屬離子到土壤中，特別是Ca2+，促進(jìn)磷酸根沉降反應(yīng)從而引起土壤有效磷的化學(xué)固定［16］，這可能是中高量生物炭施用降低土壤中有效磷含量的原因。

生物炭具有緩控作用，在一次性施用大量化肥情況下，通過生物炭的吸附-解吸過程，使肥料的釋放過程更加符合作物養(yǎng)分吸收變化，使作物養(yǎng)分吸收累積得到了增強(qiáng)。本研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中施入一定范圍內(nèi)生物炭可顯著促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，從而為作物的增產(chǎn)增收奠定基礎(chǔ)。但當(dāng)施用量達(dá)到一定量后，增產(chǎn)效果呈減弱趨勢(shì)，與前人的研究結(jié)果相同［17-20］。這可能是由于過量生物炭施用下，提高土壤中的C/N，加劇了速效養(yǎng)分的生物固定，土壤微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)有效態(tài)養(yǎng)分，進(jìn)而抑制作物生長(zhǎng)發(fā)育，減弱產(chǎn)量的增加［15］。

在施用化肥一致的情況下，低量生物炭（5 t/hm2）施用顯著提高夏玉米抽雄期和成熟期土壤0～100 cm氮、磷和鉀有效養(yǎng)分垂直分布和氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量，并顯著提高產(chǎn)量24.1%；而高量生物炭抑制夏玉米養(yǎng)分的吸收，也不能增加產(chǎn)量。因此，華北地區(qū)夏玉米單季生物炭施用量以5 t/hm2為宜。