生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)及春小麥產(chǎn)量的影響研究*

張 宏，李俊華*，高麗秀，褚貴新，羅 彤，李 博

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000）

生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)及春小麥產(chǎn)量的影響研究*

張 宏，李俊華*，高麗秀，褚貴新，羅 彤，李 博

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000）

為探索生物炭短期施用對(duì)滴灌春小麥產(chǎn)量及土壤肥力的影響，本試驗(yàn)通過田間試驗(yàn)對(duì)土壤容重、養(yǎng)分及春小麥產(chǎn)量等進(jìn)行了研究，并利用主成分分析將14個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的綜合指標(biāo)，對(duì)各處理提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，與不施肥相比，生物炭對(duì)土壤肥力的影響不顯著。通過主成分分析，處理NP +B6的綜合評(píng)價(jià)值最大，為0.805，說(shuō)明處理NP+B6在短期內(nèi)提高土壤肥力和小麥產(chǎn)量的能力最強(qiáng)。

生物炭；滴灌春小麥；產(chǎn)量；土壤肥力；主成分分析

土壤的理化性狀和土壤中養(yǎng)分與水分的運(yùn)移決定土壤供給作物養(yǎng)分的能力和作物產(chǎn)量的形成[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的施肥、耕作等措施直接改變了土壤肥力，影響農(nóng)田的生產(chǎn)力及穩(wěn)定性[2]。因此，加強(qiáng)土壤理化性狀的研究不僅是學(xué)科發(fā)展的需要，也是保持和提高土壤質(zhì)量、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康、穩(wěn)定和協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)。

滴灌水肥一體化是一項(xiàng)環(huán)境友好的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，其可以控制灌水量、施肥量和灌溉施肥時(shí)間，利用滴灌系統(tǒng)把肥料輸送到作物根部周圍，可以提高肥料利用率并減少化肥消耗量[3]。生物炭（Biochar）一般指生物質(zhì)在缺氧和相對(duì)“較低”（＜700℃）溫度條件下熱解而形成的具有減緩?fù)寥浪峄?、減少土壤中無(wú)機(jī)態(tài)氮的淋溶及為土壤微生物提供營(yíng)養(yǎng)元素和棲居場(chǎng)所的潛能的固體產(chǎn)物[4]。

生物炭可以增加土壤pH值、陽(yáng)離子交換量（CEC）和土壤有機(jī)碳（SOC），減少土壤容重，增強(qiáng)土壤對(duì)碳的固定，減緩CH4和NH3的釋放和揮發(fā)，增加作物產(chǎn)量[5-7]。也有研究表明，生物炭對(duì)促進(jìn)作物增產(chǎn)并沒有顯著的影響[8-9]。Marcus[10]研究結(jié)果表明，生物炭對(duì)土壤含水量、孔隙度、田間持水量、植株可利用的有效水分、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和永久凋萎點(diǎn)沒有顯著的影響。

目前，在國(guó)外關(guān)于生物炭的研究很多，但在國(guó)內(nèi)還很缺乏，并且關(guān)于生物炭的研究結(jié)果仍存在著爭(zhēng)議，同時(shí)，對(duì)于生物炭的施用量和滴灌條件下生物炭的研究甚少。為此，本文在研究滴灌春小麥產(chǎn)量及0～40 cm土壤肥力的基礎(chǔ)上，采用主成分分析和隸屬函數(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)各施肥方式提高滴灌春小麥產(chǎn)量和土壤肥力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，旨在尋求生物炭短期施用對(duì)提高作物產(chǎn)量和培肥地力的影響，以及較佳的生物炭施用量，以提高土壤肥力，維持土壤的持續(xù)生產(chǎn)力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)始于2013年，在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站進(jìn)行。土壤類型為灌溉灰漠土，質(zhì)地為壤土。采集土壤深度為0～40 cm。土壤經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過2 mm篩后備用。土壤基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)13.35 g/kg，有效磷7.62 mg/kg，堿解氮55.89 mg/kg，pH值為7.88。生物炭以棉花秸稈在高溫（550～600℃）厭氧條件下熱解制備。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理：（1）不施肥處理（CK）：不施基肥和追肥；（2）常規(guī)施肥（NP）：純氮270 kg/hm2，氮肥為尿素120 kg/hm2，磷肥為磷酸一銨；（3）常規(guī) +精制有機(jī)肥6 t/hm2（NP+M6）；（4）常規(guī)+生物炭3 t/hm2（NP+B3）；（5）常規(guī)+生物炭 6 t/hm2（NP+ B6）；（6）常規(guī)+生物炭18 t/hm2（NP+B18）。每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)小區(qū)寬2.4 m，長(zhǎng)6 m，采用隨機(jī)區(qū)組排列。氮肥和磷肥隨水滴施，有機(jī)肥和生物炭均作基肥一次性施用。

1.3 土壤處理與作物管理

試驗(yàn)地在秋季采用傳統(tǒng)的旋耕機(jī)翻耕，春季播種前進(jìn)行人工翻地。灌溉方式為滴灌，種植作物為新春6號(hào)。試驗(yàn)期間根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行施肥。20%的氮肥作為基肥施入土壤，根據(jù)小麥不同生育期對(duì)肥料的需求情況，將80%的氮肥和全部磷肥按比例作為追肥滴灌施入。春小麥于2013年3月26日播種，7月15日收獲。

1.4 調(diào)查內(nèi)容與方法

1.4.1 土壤養(yǎng)分含量

小麥?zhǔn)斋@后（2013年7月15日），于各小區(qū)選取5個(gè)樣點(diǎn)，分別取0～20 cm和20～40 cm土層土樣，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮和有效磷的含量[11]。

1.4.2 小麥產(chǎn)量構(gòu)成

小麥成熟后，每個(gè)小區(qū)選取代表樣點(diǎn)，連續(xù)取20株小麥和1 m×1 m樣方，分別進(jìn)行考種和測(cè)定小麥有效穗數(shù)，人工脫粒，籽粒風(fēng)干，水分控制在10%左右，測(cè)定小麥產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行單因素方差（ANOVA）分析，用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（p＜0.05），Excel 2007作圖。

各處理綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值計(jì)算[12-13]式中，Zj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)；Zmin表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值；Zmax表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最大值。

各綜合指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算如下式中，Wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重；Pj為各處理第j個(gè)綜合指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率。

各處理綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算如下式中，D值為各處理的綜合評(píng)價(jià)值。采用SPSS 13.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行主成分分析。

表1 不同處理0～40 cm土層土壤養(yǎng)分 g/kg

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的土壤養(yǎng)分

由表1可知，0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量隨著生物炭施用量的增加而增加；20～40 cm土層，NP+ B6處理有機(jī)質(zhì)含量最高。0～20 cm土層，NP+B6處理全氮含量最高；20～40 cm土層，NP處理和NP +M6處理全氮最高。與CK相比，各處理兩土層的全磷含量均增加，而NP+B6處理土層的全磷含量最高，說(shuō)明土壤中全磷含量并不隨生物炭施用量的增加而增加，生物炭6 t/hm2的施用量更有利于提高土壤全磷含量。各處理有效磷含量均比CK高。0～20 cm土層，NP+M6處理的有效磷含量最高，處理間差異不顯著。20～40 cm土層處理NP有效磷含量最高，處理間差異不顯著?？梢?，與CK相比，雖然各處理有效磷含量差異不顯著，但在不同程度上提高了土壤有效磷的含量。0～20 cm土層，堿解氮含量隨著生物炭施用量的增加而減少，NP+B3處理含量最高；20～40 cm土層，NP處理堿解氮含量最高。不同施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量和有效磷含量的影響見表1。

2.2 不同施肥方式下滴灌春小麥產(chǎn)量及構(gòu)成

表2 春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

不同施肥方式對(duì)滴灌春小麥產(chǎn)量及構(gòu)成影響不同（見表2）。除CK外產(chǎn)量隨著有效穗數(shù)的增加而增加。與CK相比，其他處理的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量均與CK存在顯著差異性（p＜0.05），處理NP+ B3的穗粒數(shù)最多，處理NP+B18次之，分別較CK增加55.2%和43.2%。處理NP+M6的產(chǎn)量最高，處理NP+B3次之，分別較CK高39.2%和33.0%，以處理NP+M6增產(chǎn)效果最佳。

2.3 各指標(biāo)的相關(guān)性

從各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣（表3）得知，各指標(biāo)間存在著顯著或極顯著的相關(guān)性，說(shuō)明所提供的信息之間易發(fā)生重疊，因此，直接利用這些信息不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各施肥方式對(duì)滴灌春小麥產(chǎn)量和土壤肥力的影響需進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2.4 最優(yōu)化的施肥處理的篩選

表3 各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

表4 方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

表5 4個(gè)主成分的系數(shù)矩陣

對(duì)14個(gè)篩選指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，前4個(gè)綜合指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率分別為 43.785%、24.368%、18.847%和9.634%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為96.634%（表4），故其余可忽略不計(jì)，因此，原來(lái)的14個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)可以轉(zhuǎn)化為4個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，分別定義為第1、2、3、4主成分。由載荷矩陣中的數(shù)據(jù)得到對(duì)應(yīng)的4個(gè)主成分的系數(shù)矩陣，見表5。

在第一主成分中，20～40 cm土層的全氮和穗粒數(shù)的特征向量最大，為0.38，依次是20～40 cm土層的全磷、有效磷和產(chǎn)量，20～40 cm土層的有機(jī)質(zhì)和0～20 cm土層的堿解氮，以及0～20 cm土層的全磷，所以，此主成分可以歸納為0～20 cm土層的全磷、堿解氮，20～40 cm土層的有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷、全氮以及穗粒數(shù)和產(chǎn)量。

第二主成分中，0～20 cm土層的全氮的特征向量最大，為0.52，依次為20～40 cm土層的堿解氮，0～20 cm土層的全磷以及20～40 cm土層的有機(jī)質(zhì)，故此主成分可以歸納為0～20 cm土層的全氮和全磷，20～40 cm土層的堿解氮和有機(jī)質(zhì)。

在第三主成分中，千粒重的特征向量最大，為0.55，其次是0～20 cm土層的有效磷，而有效穗數(shù)的特征向量最小，為-0.39，說(shuō)明植株通過減少有效穗數(shù)來(lái)增加千粒重，此主成分可歸為植株地上部的適應(yīng)性和0～20 cm土層的有效磷。

第四主成分中，0～20 cm土層的有機(jī)質(zhì)的特征向量最大，為0.63，其次是0～20 cm土層的全磷和有效穗數(shù)，此主成分歸為0～20 cm土層的有機(jī)質(zhì)和全磷以及有效穗數(shù)。

2.5 各施肥方式的綜合評(píng)價(jià)

2.5.1 隸屬函數(shù)分析

根據(jù)公式（1）計(jì)算每個(gè)處理各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，即u值（表6）。對(duì)于第一綜合指標(biāo)，處理NP +B6的u值最大，為1.000，處理CK的u值最小，為0.000，說(shuō)明處理NP+B6在第一綜合指標(biāo)上更能提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力，CK提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力最弱。同理，在第二綜合指標(biāo)中，處理NP+B6提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力最強(qiáng)；第三綜合指標(biāo)中處理NP+B18最強(qiáng)；第四綜合指標(biāo)中處理NP+B6最強(qiáng)。

2.5.2 權(quán)重的確定

根據(jù)各綜合指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率的大小 （分別為43.785%、24.368%、18.847%、9.634%），用公式（2）計(jì)算權(quán)重（表6）。

2.5.3 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)公式（3）計(jì)算各處理的綜合評(píng)價(jià)值，即D值（表6），并根據(jù)D值的大小進(jìn)行排序，由表6得知，處理NP+B6的D值最大，為0.805，CK的D值最小，說(shuō)明處理NP+B6提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力最強(qiáng)，CK的提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力最弱。

表6 各處理的綜合指標(biāo)值(Fi)、指標(biāo)權(quán)重、U值、D值及排名

3 小結(jié)

就短期而言，生物炭對(duì)滴灌春小麥產(chǎn)量和0～40 cm土壤肥力沒有顯著影響。通過主成分分析，處理NP+B6的綜合評(píng)價(jià)值，即D值最大，為0.805，說(shuō)明處理NP+B6為較佳施肥方式。

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2015—05—05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD42B02），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31360501）和石河子大學(xué)高層次人才項(xiàng)目（RCZX201132）

*

：李俊華（1972-），男，陜西漢中人，教授，研究方向?yàn)樾滦头柿吓c現(xiàn)代施肥技術(shù)。E-mail：ljh630703@163.com。