生物黑炭對馬鈴薯塊莖形成期根際物理性狀及速效養(yǎng)分的影響

劉志華，李曉梅，蓋兆雪，張少良，馬麗，李通，叢聰，王宏燕

（東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，黑龍江哈爾濱150030)

生物黑炭對馬鈴薯塊莖形成期根際物理性狀及速效養(yǎng)分的影響

劉志華，李曉梅，蓋兆雪，張少良，馬麗，李通，叢聰，王宏燕*

（東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，黑龍江哈爾濱150030)

本研究以兩個馬鈴薯品種為試驗材料，采用大田試驗，設6個處理：對照（未施化肥和生物黑炭）、F（單施常規(guī)肥，尿素10 kg∕667m2、二銨20 kg∕667m2、硫酸鉀10 kg∕667m2）、B1（2 t∕hm2生物黑炭）、B1F（2 t∕hm2生物黑炭+常規(guī)肥）、B2（4 t∕hm2生物黑炭）及B2F（4 t∕hm2生物黑炭+常規(guī)肥），研究生物黑炭對馬鈴薯塊莖形成期土壤物理性狀及速效養(yǎng)分的影響，為馬鈴薯的栽培管理和生物黑炭的應用提供理論依據(jù)。結果表明，低量生物黑炭處理（2 t∕hm2）對土壤pH、容重和總孔隙度無顯著性影響；高量生物黑炭處理（4 t∕hm2）顯著增加土壤pH值和有機碳含量，降低土壤容重，增加土壤總孔隙度，降低土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量?？偟膩碚f，生物黑炭改善馬鈴薯塊莖形成期土壤物理性狀，影響速效養(yǎng)分含量。

生物黑炭；容重；速效氮；速效磷；速效鉀；有機碳

生物黑炭（Biochar，BC）是有機質經(jīng)過高溫熱解而成的一種高度碳化的多孔物質，其施入土壤能夠提高土壤肥力并能減少溫室氣體排放[1,2]。國內外研究認為，施用生物炭對土壤理化性質和不同作物生長發(fā)育與產(chǎn)量提高有著積極作用：增加土壤碳庫、改善土壤持水性、改變土壤容積、增加酸性土壤pH等作用，進而通過影響營養(yǎng)物質轉化影響土壤肥力[3-5]。關于生物黑炭對土壤理化性狀的研究多集中于玉米[6,7]、小麥[8]、蔬菜[9,10]等作物，對馬鈴薯施用生物黑炭后土壤物理性質、速效養(yǎng)分的研究較少?，F(xiàn)有研究表明，生物黑炭施用對土壤性狀的影響因作物種類不同而產(chǎn)生不同的結論，有必要開展針對多種作物的生物黑炭研究以揭示生物黑炭影響作物生長的內在機制。

黑龍江省是我國主要的馬鈴薯種薯和商品薯生產(chǎn)基地，年種植面積40×104hm2，但產(chǎn)量不高[11]。馬鈴薯種植過程中需要大量的養(yǎng)分，由于黑龍江省馬鈴薯生長季多雨澇，造成馬鈴薯產(chǎn)量較低。生物黑炭因其自身特性具有吸水能力強的特點，應用在馬鈴薯生產(chǎn)過程中可能會改善馬鈴薯生長環(huán)境進而增產(chǎn)，需要開展實驗對此加以研究。因此，試驗采用黑龍江省兩個馬鈴薯品種為研究對象，探討生物黑炭施用對馬鈴薯塊莖形成期根際物理性狀及速效養(yǎng)分的影響，為生物黑炭的農(nóng)用和馬鈴薯高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究地點位于黑龍江省阿城市東北農(nóng)業(yè)大學試驗基地，屬黑鈣土，其理化性質如下：pH 6.39，堿解氮118.13 mg∕kg，有機質34.34 g∕kg，全氮1.70 g∕kg，全磷0.025 mg∕kg，速效磷3.8 mg∕kg，速效鉀158.443 mg∕kg。

供試材料為兩個馬鈴薯品種：‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)311’。每個小區(qū)行長6 m，0.7 m×10(壟)=7 m寬，即小區(qū)面積42 m2。3次重復，隨機區(qū)組設計。試驗設6個處理，各處理代號及施用量如表1所示。

生物黑炭購買于遼寧省金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，是經(jīng)450℃條件下無氧干餾制備而成，基本化學性質為pH 9.81，全氮8.31 g∕kg，全碳803.42 g∕kg，全磷80.95 g∕kg，添加5%膨潤土制成顆粒狀。試驗于2013年進行，5月31日播種，7月11日開花，試驗于7月18日取樣測定，每個處理隨機取樣，采用抖落法收集根際土壤。將根際土壤約1 kg用無菌塑封袋封好放入冰盒內帶回實驗室，4℃保存待分析。

表1 試驗設計各處理代號及施用量Table 1Treatment code and application rate

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤理化指標的測定

容重、孔隙度、毛管孔隙度和土壤通氣度采用環(huán)刀法測定；土壤pH采用pH計測定。

1.2.2 土壤速效養(yǎng)分的測定

堿解氮采用擴散法測定，速效磷采用0.5 M NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用1 M乙酸銨浸提-火焰光度計法測定，有機碳采用重鉻酸鉀氧化法測定，參照魯如坤[12]的方法。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及柱狀圖的繪制采用Excel 2003軟件進行。試驗數(shù)據(jù)差異顯著性分析采用SPSS Statistics 17統(tǒng)計軟件進行，采用單因素方差分析法，多個均數(shù)間的差異性比較采用Duncan新復極差法。

2 結果與分析

2.1 生物黑炭對馬鈴薯根際pH的影響

圖1 生物黑炭對馬鈴薯根際土壤pH值的影響Figure 1Effects of biochar on soil pH value in potato's rhizosphere

生物黑炭施用對馬鈴薯塊莖形成期土壤pH值存在影響，但因生物黑炭施用量不同存在一定差異（圖1）。與對照相比，B1處理對pH值無顯著性影響，但較F處理顯著增加根際pH值；與CK和F處理相比，B2處理和B2F處理顯著提高馬鈴薯根際pH值，兩個品種表現(xiàn)一致；與單獨施用生物黑炭處理相比較，生物黑炭與化肥配施對根際pH值不存在顯著性影響（P＞0.05）。上述結果說明，少量生物黑炭添加（如2 t∕hm2生物黑炭施用量）對根際pH值不存在顯著性影響，高量生物黑炭處理（4 t∕hm2）顯著增加根際pH值。

2.2 生物黑炭對馬鈴薯根際物理性狀的影響

生物黑炭施用對馬鈴薯塊莖形成期根際土壤容重有影響，但因施用量的不同存在差異（圖2）。與對照和單獨施用化肥處理相比，B1和B1F處理對土壤容重不存在顯著性影響，B2和B2F處理顯著降低根際土壤容重（P＜0.05）；與單獨施用生物黑炭處理相比較，生物黑炭與化肥配施對根際土壤容重不存在顯著性影響（P＞0.05）。上述結果說明生物黑炭的施用效果受施用量的影響較大，高量生物黑炭處理（4 t∕hm2）顯著降低土壤容重。

生物黑炭施用對馬鈴薯塊莖形成期根際土壤總孔隙度有顯著增加趨勢，兩個馬鈴薯品種表現(xiàn)較為一致（圖3）。與CK比較，低量生物黑炭處理（B1、B1F處理）對馬鈴薯根際總孔隙度無顯著性影響；B2F處理顯著增加土壤總孔隙度，‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)311’分別較對照增加9.1%和9.4%；從兩個品種的平均水平上看，B2處理較對照總孔隙度顯著增加（P＜0.05）；單獨施用生物黑炭處理與相應水平的配施常規(guī)肥處理間無顯著性差異。從兩個品種平均水平上看，生物黑炭對土壤總孔隙度有一定促進作用，4 t∕hm2處理總孔隙度從51.2%增加到57.5%。

2.3 生物黑炭對馬鈴薯根際速效養(yǎng)分的影響

圖2 生物黑炭對馬鈴薯根際土壤容重的影響Figure 2Effects of biochar on soil bulk density in potato's rhizosphere

圖3 生物黑炭對馬鈴薯根際總孔隙度的影響Figure 3Effects of biochar on soil total porosity in potato's rhizosphere

生物黑炭施用對馬鈴薯根際速效氮含量存在影響，但因施用量的不同存在差異，供試馬鈴薯品種趨勢大致相同（圖4）。與CK相比，B1和B1F處理對根際速效氮含量無顯著性影響；B2和B2F處理對根際速效氮含量有一定抑制作用，兩個品種平均水平速效氮含量分別降低11.5%和10.0%（P＜0.05）；B1處理與B1F處理對根際速效氮含量無顯著性差異，B2處理與B2F處理比較也是如此，說明根際速效氮含量變化受生物黑炭的影響較大。與F處理比較，B1處理、B1F處理對‘東農(nóng)310’根際速效氮含量有顯著促進作用，但對‘東農(nóng)311’根際堿解氮含量無顯著性影響；B2處理和B2F處理對兩個品種根際速效氮含量影響未達到顯著性水平。從兩個品種的平均水平上看，生物黑炭施用對根際堿解氮含量有一定的抑制作用，但這種作用與生物黑炭施用量有關，在本研究范圍內，2 t∕hm2生物黑炭施用量對堿解氮含量無顯著性影響。

圖4 生物黑炭對馬鈴薯根際速效氮含量的影響Figure 4Effects of biochar on soil available nitrogen contents in potato's rhizosphere

生物黑炭施用對馬鈴薯根際速效磷含量存在影響，但因施用量的不同存在差異（圖5）。與CK相比，生物黑炭對根際速效磷含量呈現(xiàn)不同程度的抑制作用。從‘東農(nóng)311’平均水平上看，高量生物黑炭處理根際速效磷含量略高于低量生物黑炭處理，但未達到顯著性水平（P＞0.05）。與F處理比較，生物黑炭對根際速效磷含量的影響因馬鈴薯品種的不同出現(xiàn)差異，生物黑炭處理對‘東農(nóng)310’根際速效磷含量無顯著性影響，但‘東農(nóng)311’B1處理和B1F處理根際速效磷含量較F處理顯著降低，與B2和B2F處理無顯著性差異（P＞0.05）。從兩個品種的平均水平上看，生物黑炭對馬鈴薯根際速效磷含量有抑制作用，其中，4 t∕hm2生物黑炭施用量條件下速效磷含量‘東農(nóng)310’和‘東農(nóng)311’分別降低21%和26%。

圖5 生物黑炭對馬鈴薯根際速效磷含量的影響Figure 5Effects of biochar on soil available phosphorus contents in potato's rhizosphere

生物黑炭對馬鈴薯根際速效鉀的影響因品種的不同而不同（圖6）。從圖中可以看出，與對照相比，B1F處理對‘東農(nóng)310’根際速效鉀有顯著促進作用，其余處理間無顯著性差異（P＞0.05）；與對照相比，施用生物黑炭處理‘東農(nóng)311’根際速效鉀含量顯著降低，降低幅度在12.1%～32.6%之間，其中B2F處理根際速效鉀含量從對照的33.3 mg∕kg降低到23.7 mg∕kg。與單獨施用生物黑炭處理比較，生物黑炭與常規(guī)肥配施處理‘東農(nóng)311’根際速效鉀含量顯著降低（P＜0.05）。

生物黑炭施用對根際有機碳含量有一定促進作用，兩個品種略有不同（圖7）。從兩個品種的平均水平上看，與CK比較，B1、B1F、B2、B2F處理有機碳含量分別增加4.7%、2%、24.4%和16.9%，說明生物黑炭對有機碳的影響隨著生物黑炭施用量的增加而增加；有機碳含量從對照的9.20 g∕kg增加為9.63，9.37，11.40和10.70 g∕kg。

圖6 生物黑炭對馬鈴薯根際速效鉀含量的影響Figure 6Effects of biochar on soil available potassium contents in potato's rhizosphere

圖7 生物黑炭對馬鈴薯根際有機碳含量的影響Figure 7Effects of biochar on soil organic carbon contents in potato's rhizosphere

3 討論

生物黑炭具有表面積大、結構疏松、質量較輕等特點，因此對土壤理化性質產(chǎn)生重要影響。有研究表明，施用生物炭可使土壤容重降低9%,而總孔隙率則從45.7%增加到50.6%[13]，這與本研究結果一致。本研究結果表明，生物黑炭添加使土壤容重降低，從兩個品種的平均水平上看，B2處理和B2F處理較對照的1.79 g∕cm3分別降低為1.67和1.69 g∕cm3，總孔隙度則從對照的51.2%分別增加到55.8%和57.5%。潘潔等[9]研究結果表明，設施土壤施用生物黑炭與習慣處理相比，能顯著降低土壤容重2.65%～15.73%，這與本研究的結果一致。土壤容重降低和孔隙度提高為作物根系提供了良好生長空間；研究中生物黑炭施用量為4 t∕hm2條件下對根際pH顯著提高，這與Laird等[14]及Yuan和Xu[15]的研究結果一致，說明生物黑炭可以通過調節(jié)根際物理性狀和pH影響根際環(huán)境進而促進作物生長，其機理，還有待于進一步研究。

生物黑炭具有一定的吸附特性，可吸附銨[16]、硝酸鹽[17]、磷[18]等可溶性物質，具有一定的保肥能力。Ding等[19]采用室內培養(yǎng)試驗結果表明，生物質炭能通過陽離子交換而達到對土壤中NO3-、NH4+的吸附，從而使土壤中有效氮含量大幅增加。本研究采用大田試驗，結果表明生物黑炭使土壤速效氮含量下降，這與郭偉等[20]的研究結果一致。其可能的原因在于兩方面，一是研究測定的時間為馬鈴薯旺盛生長時期，大量的速效氮被馬鈴薯吸收；另一方面可能在于生物黑炭的添加加速土壤氮素轉化，促進氨的揮發(fā)[21]，造成土壤速效氮含量降低。潘潔等[9]研究表明，設施土壤施用生物黑炭與習慣處理相比，增加土壤速效鉀含量19.06%～168.5%，施用量越大效果越明顯。本研究結果表明，施用生物黑炭對土壤速效鉀含量有一定的抑制作用，存在差異的原因可能是采用的土壤及黑炭的來源類型不同所致。黃超等[22]研究生物黑炭對紅壤性質的影響時發(fā)現(xiàn)，一年的培養(yǎng)時間后生物黑炭促進土壤速效磷的含量，這與本研究的結果不同，說明生物黑炭對土壤的影響存在一定的后效性，Vaccari等[23]也發(fā)現(xiàn)生物黑炭的影響存在滯后效應，其機制有待于進一步研究。

秸稈進入土壤會促進土壤有機碳的分解進而影響土壤養(yǎng)分轉化，但生物黑炭對土壤有機碳的影響尚未有一致的結論，如尹云峰等[24]研究表明土壤中添加生物黑炭顯著增高土壤有機碳含量，但Jones等[25]卻發(fā)現(xiàn)生物質炭添加抑制了土壤原有機碳的分解。本研究結果表明，生物黑炭對馬鈴薯根際有機碳含量有促進作用。尹云峰等[24]利用同位素示蹤的方法發(fā)現(xiàn)，生物黑炭引起土壤有機碳含量增加的主要原因在于生物黑炭引起的新炭，對原有有機碳的影響不大。Xu等[26]研究表明生物黑炭對土壤有效養(yǎng)分存在直接和間接的影響，但其機理有待于進一步研究。

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辰翔礦業(yè)有限公司專業(yè)生產(chǎn)馬鈴薯育種——膨脹蛭石

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Effects of Biochar on Rhizospheric Physical Properties and Available
Nutrients in Potato's Tuber Formation Stage

LIU Zhihua,LI Xiaomei,GAI Zhaoxue,ZHANG Shaoliang,MA Li,LI Tong,CONG Cong,WANG Hongyan＊
(College of Resources and Environment,Northeast Agricultural University,Harbin,Heilongjiang 150030,China)

The experiment using two potato cultivars as plant materials was carried out in the field with six treatments, control(no fertilizer and biochar),F(traditional fertilizer,i.e.urea 10 kg,diammonium phosphate 20 kg and potassium sulphate 10 kg based on 667m2),B1(2 t/ha biochar),B1F(2 t/ha biochar plus traditional fertilizer),B2(4 t/ha biochar)and B2F(4 t/ha biochar plus traditional fertilizer).The purpose of this research was to provide basic information for potato cultivation and biochar's application.Samples were taken in the stage of tuber formation to determine the physical properties and available nutrients.Low rate of biochar(2 t/ha)had no effects on pH value,bulk density and total porosity.High rate of biochar(4 t/ha)increased pH value,organic carbon contents and total porosity,while bulk density was decreased.The available nitrogen,phosphorus and potassium contents were decreased at high rate of biochar.In general,biochar improved thephysicalpropertiesandinfluencedtheavailablenutrients'contents.

biochar;bulk density;available nitrogen;available phosphorus;available potassium；organic carbon

S532

B

1672－3635（2014）03-0159-07

2014-01-06

國家自然基金（41301316）；黑龍江省科技攻關項目（GZ11B105）；黑龍江省博士后科研啟動基金。

劉志華（1979-），女，講師，博士，主要從事生物黑炭應用研究。

王宏燕，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)研究，E-mail:why220@126.com。