牛糞生物質炭基肥對青稞生長、產量及氮素利用的影響

孫全平，彭 君，索朗措姆，秦基偉，譚海運，楊素濤，普布貴吉

（1省部共建青稞和牦牛種質資源與遺傳改良國家重點實驗室，拉薩 850000；2西藏自治區農牧科學院農業資源與環境研究所，拉薩 850000）

0 引言

生物質炭是生物質在無氧或缺氧條件下緩慢高溫分解得到的一類穩定的富含碳素的有機物質，近年來作為土壤改良劑、碳源及肥料緩釋載體[1-2]。炭基肥是一種以生物質炭為基質，根據不同區域土地特點、不同作物生長特點以及科學施肥原理，添加有機質或/和無機質配制而成的生態環保型肥料[3]。研究表明，生物質炭化后所具有的多孔隙度和大的比表面積有利于土壤保水[4]、提高土壤有機碳含量[5]、減少養分淋失[6]、提高氮素利用[7]、提升幼苗生物量[8]等，進而改善土壤養分狀況[9]，為植物生長提供良好的環境，從而促進作物生長。同時生物炭在對重金屬的吸附方面扮演著重要角色[10-11]。農牧區群眾一般都是將牛糞經自然風干成牛糞餅后作燃料燒茶做飯，或者是簡單堆漚后直接施用到農田，資源的利用效率偏低。據測算，一頭成年牦牛一年可產生糞便在2.65 t左右（平均一天產生7.25 kg牛糞計算）[12]。當前，在自然條件較好的農牧結合區，存在大量牛糞剩余未被利用的情況，在田間地頭和道路兩旁隨處可見。將牛糞制備成生物炭可實現牛糞無害化、資源化利用[13]。從而減少化肥投入，提高肥料利用率，促進土壤的修復改良，實現青稞綠色增產。

青稞作為廣大藏區的主要糧食作物，保證其持續生產對該地區的糧食安全尤為重要[14]。過量的化肥施用不僅會影響到土壤質量，還會威脅到高原地區的生態安全[15]。因此，在如何通過技術措施減少化肥用量，提高肥料的利用率，保證青稞產量基本維持現有水平不降低的問題上急需進行技術研究。所以，本課題以牛糞為原料，將其制備成生物炭，將生物炭與化肥以不同比例混合配制成炭基肥，并與生物有機肥、牛糞草木灰與化肥不同配比的處理作比較，研究不同施肥處理對青稞（‘藏青2000’）生長、產量及氮素利用的影響，探索牛糞肥料化利用新技術，實現化肥減量增效，形成青稞種植業與牦牛養殖業循環發展的格局，為青稞綠色增產提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

供試青稞品種為‘藏青2000’，目前為西藏全區主栽青稞品種；牛糞采自拉薩市堆龍區郊區農田；牛糞生物質炭基肥是由取自拉薩市堆龍德慶區的牛糞充分晾曬風干后用自行設計制作的試驗裝置在350～450℃溫度下限氧熱裂解炭化制成。牛糞草木灰是在室外將牛糞完全燃燒制得。牛糞、牛糞生物質炭、牛糞草木灰的基本性質見表1。

表1 牛糞生物質不同狀態下的養分含量

1.2 試驗設計

試驗設8個處理，各施肥處理分別為（1）常規復合化肥（簡稱NF，N 90 kg/hm2，P45 kg/hm2，K 45 kg/hm2）；（2）20%生物質炭基肥+80%化肥（簡稱B2C8）；（3）30%生物質炭基肥+70%化肥（簡稱B3C7）；（4）40%生物質炭基肥+60%化肥（簡稱B4C6）；（5）30%有機肥+70化肥配施（簡稱O3C7）；（6）100 kg/666.7 m2牛糞草木灰+70%化肥配施（簡稱CAC7）；（7）1500 kg/666.7 m2羊糞；（8）不施肥（簡稱CK）。每個處理3次重復，采用完全隨機區組設計，小區面積25 m2(5 m×5 m)。四周設置保護行，各小區其他田間管理措施均一致。小區面積25 m2，播量15 kg/666.7 m2，行距25 cm。試驗設在西藏自治區農牧科學院4號試驗地，播種時間2020年4月25日，成熟時間2020年8月19日，生育期共計116天。

1.3 測定項目與數據分析

1.3.1 田間試驗測定內容 在青稞出苗后的兩葉一心期隨機選取1 m2樣點數基本苗，重復3次；成熟期每小區隨機選取植株10株量株高、穗長，數穗粒數；收獲脫粒后，稱量各小區籽粒產量和秸稈產量；將清理后的種子數千粒重。青稞生育期各處理葉片葉綠素含量用葉綠素儀(CCM-200)。統計籽粒產量數據，用SPSS statistics 19軟件對各處理的產量做方差分析。

1.3.2 土壤樣品的測定 分別于播種前、各生育期、收獲后按“S”型采樣法在每小區內用土鉆取0～20 cm土層樣品，混合均勻后用四分法留樣備用。土壤銨態氮采用靛酚藍比色法；銷態氮采用紫外分光光度計-雙波長法；土壤常規項均用國標方法測定。

2 結果與分析

2.1 不同肥料配比施用后土壤銨態氮、硝態氮含量的動態變化

由圖1可見，隨著生育期的進行，土壤銨態氮含量整體上呈現出逐漸下降的趨勢。處理3、5、6的銨態氮含量先升高后降低，而對照組變化幅度較小且一直處在較高水平。處理6、7降低的最為明顯。成熟后土壤銨態氮含量最高的是對照組。

圖1 不同處理下青稞各生育期的銨態氮含量變化

草木灰與化肥配施和施用純羊糞的處理可以促進作物對土壤中銨態氮的利用。成熟后的不同施肥處理的土壤銨態氮含量表現為對照組＞生物質炭基肥＞有機肥＞草木灰＞羊糞，這是因為施用生物質炭基肥、有機肥、草木灰、羊糞等堿性物質后，容易造成土壤中的氨的揮發損失，還可能與生物質炭吸附養分緩慢釋放有關。

由圖2可見，與土壤銨態氮含量變化相比，土壤硝態氮含量變化更為明顯。不同處理苗期的硝態氮含量均較高，且各處理間差距較大，添加牛糞生物炭后，土壤硝態氮含量提高，處理4的土壤硝態氮含量最高，為54.10 mg/kg，比處理1的24.96 mg/kg高53.86%，而成熟后的差距較小。可能主要與硝態氮的存在狀態有關，NO3-不能被土壤膠體吸附，容易被灌水和降雨溶淋損失。

圖2 不同處理下青稞各生育期的硝態氮含量變化

2.2 牛糞生物質炭基肥對青稞生長、產量的影響

2.2.1 牛糞生物質炭基肥對青稞農藝性狀的影響 由表2可知，處理1、4、5、6基本苗較對照增加，而處理7的基本苗較對照減少，處理5的基本苗最高，說明牛糞生物炭與化肥、有機肥與化肥、草木灰與化肥合理配施可以提高青稞的田間基本苗，可能是施用不同類型的肥料后，改變了土壤的理化性質有關，從而影響了種子的萌發狀況。化肥施入量減少至70%，牛糞生物炭施入量30%，株高最高103 cm（比對照高13.88%）。牛糞生物炭、有機肥和草木灰配施化肥都能提高青稞的千粒重。化肥施入量減少至80%，牛糞生物炭施入量20%，千粒重較高，與只施羊糞后的千粒重相當。

表2 不同施肥處理對青稞農藝性狀的影響

2.2.2 牛糞生物質炭基肥施用對青稞生長期葉片葉綠素含量的影響 如圖3所示，青稞葉片中葉綠素含量從苗期到分蘗期的變化較小，乳熟期成倍增長，試驗組均高于對照。處理2、3、4，隨著化肥用量的減少，牛糞生物炭用量的增加，葉綠素含量升高。草木灰與化肥配施的葉綠素含量最高。

圖3 不同生長時期青稞葉片葉綠素含量的變化

可見，牛糞生物炭可以促進青稞的生長，這是對土壤養分高效利用的結果，與陳盈等[16]通過添加適量生物炭可以提高PSⅡ反應中心的光能轉換效率，以增強光合系統反應中心的穩定性，從而改善和提高了作物的光合能力的研究結果相一致。

2.2.3 牛糞生物質炭基肥施用對青稞產量的影響 不同施肥處理對青稞產量的影響見表3，處理3化肥施入量減少至70%，牛糞生物炭施入量30%時，籽粒產量最高，為4830.75 kg/hm2（比對照高13.88%）。處理3、5、6，化肥施入量都減少至70%，施入相同量牛糞生物炭、有機肥、草木灰后，牛糞生物炭的籽粒產量較高。不同處理籽粒產量之間的差異達到極顯著；青稞生長后期，處理7成熟最晚，營養生長過于旺盛，導致出現了倒伏（倒伏率8%），但其秸稈產量最高，達到8221.95 kg/hm2。

表3 不同施肥處理對青稞產量的影響

2.3 牛糞生物質炭基肥對青稞氮素利用的影響

同等氮輸入條件下，施用常規化肥的氮素利用率最高；減少化肥施用量，增加生物炭，氮素利用效率提高，40%牛糞生物質炭基肥與60%化肥配施的氮素利用率為23.1%；商品有機肥和草木灰與化肥配施，氮素利用率最低，只有0.6%（圖4），可見，相比常規施用化肥，牛糞生物質炭基肥與化肥配施，青稞的氮素利用率降低，但隨著牛糞生物質炭基肥用量的增加，氮素利用率逐步升高。因此，牛糞生物炭可以作為土壤氮素遷移的載體，實現氮素高效利用。

圖4 不同施肥處理下的青稞氮素利用率

3 討論

3.1 生物質炭對土壤理化性質及微生物的影響

生物炭具有多孔結構且密度較低、容重小于土壤容重，施入農田后對土壤有一定的稀釋作用[17]。生物炭的高孔隙度和表面面積，可以增加砂性土壤的田間持水量，抑制土壤氮磷養分淋失，提高肥料利用率[18-19]。在一定量下，施炭可增加土壤陰、陽離子交換量，減少養分損失，土壤的有機碳、全氮也會相應增加[20]。生物炭吸附土壤中有機分子，通過表面催化活性促進小分子聚合從而形成土壤有機質，延長有機質分解時間，從而有助于腐殖質的形成，改善土壤肥力[21]。生物炭對于酸化土壤改良具有重要價值，其含有的養分元素可直接輸入土壤，其表面電荷和官能團有利于土壤養分的保留[22-23]。

生物炭的施用會刺激氮細菌活性，其多孔性和巨大表面積能為微生物提供棲息地，有效吸附微生物，為其提供附著載體，從而改變土壤系統氮循環過程，土壤三大類微生物的數量隨生物炭用量的增加而顯著增加，在土壤溫度和含水量較高的條件下，微生物代謝活躍[24-25]。細菌多樣性顯著提升，尤其是增加了芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和變形菌門(Proteobacteria)等促生菌的豐度；減少酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)的豐度[26]。生物炭的施用還能促進土壤中脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脫氫酶5種酶的活性[27]。高水平添加量對土壤蔗糖酶和脲酶的促進作用顯著高于中低水平添加量[28]。因此，施用生物炭可顯著改善土壤微生物和酶活性[29]。

3.2 生物質炭對植物生長和作物產量的影響

添加生物炭等外源物質可有效改良土壤環境，平衡鹽與水分，促進根系生長，從而促進作物生長，是實現氮肥減施的重要途徑之一。

對于生物質炭對植物生長的影響主要集中在玉米、小麥、水稻等大宗作物，在青稞上的應用效果還未見報道。闞正榮等[30]研究結果顯示，施用生物炭顯著降低夏玉米全生育期的耗水量，提高水分利用效率。在施加氮肥情況下，生物炭高量炭處理較不施炭處理可顯著提高灌淤土全氮、全磷和速效鉀含量，但對速效磷含量沒有影響，生物炭和氮肥配施可以顯著增加水稻籽粒產量，水稻籽粒產量與生物炭用量呈顯著正相關關系(r=0.962)[31]。張偉明等[32]研究表明，土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根長、根體積和根鮮重，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積，在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延緩了根系衰老。高溫生物炭納米顆粒對水稻可能更重要的是減輕藥害，增加生物量、根系活力、葉綠素含量，降低MDA含量和相對電導率，能誘導水稻植株發生氧化應激[33]。這些都與本研究中所得出的的生物質炭與化肥合理配施可以提高青稞的田間基本苗，提高青稞乳熟期葉片中葉綠素含量從而促進青稞生長的研究結論相一致。

研究發現，施用15 t/hm2稻稈生物炭可以在穩定水稻產量的同時減少20%～40%的化學氮肥施用量，實現水稻氮肥管理的“減量增效”[34]。中量(6.75 t/hm2)生物炭處理下小麥-玉米輪作試驗中第四季玉米產量增加8.43%；中、高量(6.75 t/hm2)生物炭處理下四季作物總產量提高4.54%、4.92%[35]。劉悅等[36]研究表明，施用生物炭后小麥穗層赤霉病菌孢子的數量顯著降低，赤霉病病情指數降低，生物炭的處理較對照處理增產29.5%。本研究中牛糞生物炭配施化肥后青稞增產，比對照高13.88%，也達到了增產的效果。

由此可以看出，生物炭產品所具有的保水保肥、改良土壤和促進作物生長的效果是由于生物炭所固有的性質所決定的。施用生物質炭基肥后，可減少化學氮肥施用量，提高作物生育期的水分利用效率，促進根系和葉的生長，減輕病害等對作物生長發揮正向調控作用。對目前我區土壤面臨的鹽堿化、板結、肥料利用率低、重金屬污染風險問題上，特別是化肥撿施增效，增施有機肥的大前景下，生物炭肥料產品將會發揮重要的作用。

3.3 生物質炭在西藏農田土壤中的應用前景分析

本研究結果顯示，牛糞經過高溫碳化后，氮和有機質含量降低，而磷、鉀含量和pH升高。針對目前西藏農田土壤中普遍存在的養分缺乏、土壤透氣性和持水性差的現狀，長期持續施用生物質炭基肥后，通過生物質碳對土壤理化性狀及微生物、土壤酶的作用，改善近些年因養分配比不合理、化肥過量施用和有機肥施用不足而引起的土壤問題，促進作物穩產增產，為高原特色農產品的綠色生產奠定基礎。

4 結論

施用牛糞生物炭基肥后，青稞苗期的土壤硝態氮含量提高，草木灰與化肥配施和只施用羊糞可以促進作物對土壤中銨態氮的利用。減少化肥施入，增加牛糞生物質炭基肥，青稞的株高、千粒重增加；隨牛糞生物質炭基肥用量的增加，青稞乳熟期的葉綠素含量升高，從而促進青稞的生長；增加生物質炭基肥用量，氮素利用效率提高；較常規施用化肥，牛糞生物質炭基肥和化肥合理配施可以提高青稞的籽粒產量和秸稈產量。從生產投入到籽粒、秸稈產出綜合對比，30%牛糞生物質炭基肥替代化肥施入的處理效果最佳，青稞籽粒產量最高，為4830.75 kg/hm2。