生物炭對黑土區(qū)大豆節(jié)水增產(chǎn)及土壤肥力影響研究

車艷朋，魏永霞,2,3(. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 50030；2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室，哈爾濱 50030；3. 黑龍江省高校節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，哈爾濱 50030)

0 引 言

黑土主要分布在我國東北地區(qū)，北起黑龍江省龍鎮(zhèn)、嫩江，南至吉林省懷德、四平，是世界三大黑土區(qū)之一，總面積515.3萬hm2，其中耕地面積385.0萬hm2。黑土土層松軟，土層厚度一般為30～70 cm，肥力較高，理化性能良好，有“土中之王”的美譽[1]。對我國的糧食生產(chǎn)，起重要作用。

東北黑土區(qū)，處于半干旱區(qū)，干旱頻發(fā)，近些年來受自然及人為因素影響，水土流失嚴(yán)重，黑土結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤肥力明顯下降，作物產(chǎn)量降低。東北黑土區(qū)是我國重要大豆產(chǎn)區(qū)，大豆是喜肥喜水作物，受水肥環(huán)境影響，大豆產(chǎn)量及經(jīng)濟效益都偏低，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)民生活水平的提高。所以，尋求東北黑土區(qū)水土資源的可持續(xù)高效利用方法十分必要。

近些年來，東北很多地區(qū)霧霾嚴(yán)重，秸稈焚燒是造成霧霾的重要原因之一，尋找合理利用大量的秸稈資源的方法十分必要。生物炭是生物殘體在高溫(通常<700 ℃)缺氧情況下產(chǎn)生的一種化合物，屬于黑炭的一種。有研究表明，生物炭可對土壤物理及化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生積極影響。土壤物理性質(zhì)方面，生物炭可影響團聚體穩(wěn)定性，減少土壤抗拉強度，增加土壤孔隙度并提高持水能力；化學(xué)性質(zhì)方面，可改良土壤pH，提高CEC和養(yǎng)分停留時間，固碳，增加養(yǎng)分供給，提高土壤酶活性。生物炭能顯著提高番茄、小麥、高粱、蘿卜、水稻和辣椒的產(chǎn)量[2-6]。但是，針對東北黑土區(qū)，卻鮮有研究。也有一些研究報道顯示，生物炭改土增產(chǎn)作用不顯著、不明確，甚至有負面效應(yīng)[7]。所以針對東北地區(qū)的特殊環(huán)境，國內(nèi)外學(xué)者對生物炭的研究，并非全部適用。必須基于東北地區(qū)特有的氣候、土壤、植物和人為活動等的前提下，在前人研究基礎(chǔ)上對生物炭進行研究。

通過在黑土中施加不同比例的生物炭，研究大豆生長指標(biāo)、產(chǎn)量及土壤肥力的差異，為生物炭在東北地區(qū)大豆生產(chǎn)上的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗地點位于東北典型黑土帶黑龍江省北安市紅星農(nóng)場，海拔高程在272～310 m之間,屬于中溫帶濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫0.8 ℃，10 ℃的有效積溫2254.5 ℃，日照時數(shù)為2 364.2 h，無霜期110～115 d，多年平均降雨量為535.6 mm，降雨集中在7-9月份。土壤肥沃，呈中性，以種植大豆、玉米為主。

1.2 試驗材料

試驗于2013-2014 年在北安紅星農(nóng)場遮雨棚中進行。供試土壤為取自北安紅星農(nóng)場試驗示范基地的草甸黑土，土壤的基本性質(zhì)：田間持水量35%，有機質(zhì)質(zhì)量比70.8 g/kg，堿解氮 109 mg/kg，速效鉀145.7 mg/kg，有效磷35.9 mg/kg，pH值7.3；所用塑料桶規(guī)格為高33 cm，下底直徑25 cm，桶口直徑29 cm；供試作物為大豆，品種為大豆1778；供試生物炭由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)提供,生物炭粒徑 1.5～2.0 mm，pH 9.23，含氮1.53%、磷0.78%、鉀1.68%。

1.3 試驗方法

采用盆栽試驗方法，分別將供試土壤與生物炭過2 mm篩，均勻混合后裝入供試塑料桶，靜置，7天后進行播種，每盆播種6粒，保苗3株。本實驗土樣分6個處理，處理1為對照(CK)，不添加生物炭；處理2(C10)為每千克干土添加10 g生物炭；處理3(C20)為每千克干土添加20 g生物炭；處理4(C30)為每千克干土添加30 g生物炭；處理5(C40)為每千克干土添加40 g生物炭；處理6(C50)為每千克干土添加50 g生物炭。每個處理3次重復(fù)。

大豆生育期內(nèi)，每天17∶00使用電子天平測定蒸發(fā)量，以田間持水量的85%為供水上限，苗期以田間持水量的75%為供水下限，花期、結(jié)莢期、鼓粒期以田間持水量的70%為供水下限。用卷尺測量株高，游標(biāo)卡尺測量莖粗，用長寬系數(shù)法計算大豆葉面積。采用重鉻酸鉀滴定法測定土壤有機質(zhì)，采用點位法測定土壤pH值，銨態(tài)氮、速效鉀和有效磷由STCY-3型土壤氮磷鉀養(yǎng)分肥力測定儀在大豆苗期測取。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試數(shù)據(jù)應(yīng)用EXCEL軟件進行原始數(shù)據(jù)處理并作圖，采用SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

如圖1，通過分析可知，生物炭對植物的生長發(fā)育影響顯著。施入適量生物炭可以有效提高大豆株高、莖粗和葉面積，有利于大豆生長發(fā)育；而施入過量生物炭，則對大豆的株高、莖粗以及葉面積起抑制作用，不利于大豆生長發(fā)育。

圖1 生物炭對大豆生長的影響

2.1 生物炭對大豆生長指標(biāo)的影響

在苗期，與CK相比，C10、C20、C30、C40和C50株高分別為對照的122%、118%、112%、108%和88%；莖粗分別為對照的118%、115%、112%、107%和81%；葉面積分別為對照的129%、112%、80%、72%和61%。生物炭處理C10對株高、莖粗、葉面積的促進作用最大，C10、C20、C30和C40對株高、莖粗起促進作用，且促進作用逐漸減小，C50起抑制作用，C10和C20對葉面積起促進作用，C30、C40和C50對葉面積起抑制作用，且抑制作用逐漸增加。

在花期，C10、C20、C30、C40和C50株高分別為對照的111%、116%、106%、82%和88%；莖粗分別為對照的121%、120%、109%、99%和75%；葉面積分別為對照的107%、126%、90%、58%和59%。生物炭處理C10、C20和C30對株高、莖粗起促進作用，C40、C50對株高、莖粗起抑制作用；處理C10、C20對葉面積起促進作用，C30、C40和C50起抑制作用。C20對株高、葉面積的促進作用最大，對莖粗的促進作用僅次于C10，且差別不顯著，而C40、C50對株高莖粗、葉面積都有較強的抑制作用。

在結(jié)莢期，C10、C20、C30、C40和C50株高分別為對照的108%、114%、102%、80%和73%；莖粗分別為對照的106%、108%、102%、86%和71%；葉面積分別為對照的107%、129%、85%、62%和56%。生物炭處理C10、C20和C30對株高、莖粗起促進作用，且C20的促進作用最大，C40和C50對株高、莖粗起抑制作用；C10和C20對葉面積起促進作用，C30、C40和C50起抑制作用。

在鼓粒期，C10、C20、C30、C40和C50株高分別為對照的105%、111%、100%、78%和71%；莖粗分別為對照的104%、107%、99%、88%和72%；葉面積分別為對照的108%、145%、85%、70%和61%。生物炭處理C10和C20對株高、莖粗起促進作用，C40和C50起抑制作用，C30與對照相近；C10和C20對葉面積起促進作用，且C20的促進作用效果更顯著，C30、C40和C50對葉面積起抑制作用，且抑制作用逐漸增加。

2.2 對產(chǎn)量、經(jīng)濟系數(shù)及水分利用效率的影響

從表1可知，生物炭處理C20的產(chǎn)量最高，C10及C30的增產(chǎn)作用顯著，較大施炭量(C40、C50)處理則出現(xiàn)減產(chǎn)，C10、C20和C30分別增產(chǎn)9.2%、24.6%和7.7%，C40、C50分別減產(chǎn)18.5%、42.6%。；各施入生物炭處理百粒重均有所增加， C30處理百粒重最大，且與CK處理差別顯著；與CK相比，C10、C20處理的干物質(zhì)分別增加13.1%、15.8%，C30、C40、C50分別減少8.2%、36.7%、57.8%。各生物炭處理經(jīng)濟系數(shù)均高于對照，C30、C40處理經(jīng)濟系數(shù)最大，均為0.33。在大豆產(chǎn)量增加的情況下，C30處理經(jīng)濟系數(shù)最大。與CK相比，C10、C20和C30處理水分利用效率均提高，C20增幅最大，C40和C50處理水分利用效率降低。

表1 生物炭施用量對大豆產(chǎn)量及經(jīng)濟系數(shù)的影響

注：同列方差分析比較，不同處理間不同字母表示差異顯著，p<0.05。下同。

2.3 對土壤pH值及養(yǎng)分含量影響

2.3.1對苗期土壤pH值的影響

由于生物炭本身呈堿性，施入中性土壤后，pH值必然增大，從圖2可知，在大豆苗期，各處理隨著生物炭使用量的增大，pH值增大。王京元等研究表明：土壤pH為7.0～7.9時最適合大豆生長發(fā)育[8]。從圖1可知，在苗期，CK相比，處理C10、C20株高、莖粗、葉面積顯著提高，而C50處理的株高、莖粗、葉面積則顯著降低。C10、C20、C30、C40處理的PH值均在7.0～7.9這一最適合大豆苗期生長的范圍內(nèi)，而C50則高于7.9，不利于苗期大豆的生長，過高的pH值，是造成C50處理大豆在苗期發(fā)育不良的原因之一。因此，可以通過使用生物炭，控制土壤pH值，進而影響大豆苗期的生長發(fā)育。

2.3.2對土壤養(yǎng)分的影響

土壤有機質(zhì)影響土壤保水性、通氣狀況和保肥性等[9,10]，從表2可知，與CK相比，各處理均不同程度提高了土壤有機質(zhì)含量，增幅為5%～35%，各處理有機質(zhì)隨著施入生物炭含量的增加而增加，C10、C20、C30處理與對照無顯著差異，C40、C50處理與對照差異顯著。

圖2 苗期土壤pH

土壤堿解氮是反應(yīng)土壤供氮能力的重要指標(biāo)，各生物炭處理均不同程度提高了土壤堿解氮含量，增幅為2%～36%，大小順序為C50、C40、C30、C10和C20，與對照相比，C10、C20處理無顯著差異，C30、C40和C50處理差異顯著， C10、C20之間無顯著差異。

土壤有效磷可以反映當(dāng)前土壤可供磷的能力，與CK相比，各處理均不同程度提高了土壤有效磷含量，增幅為40%～225%，各處理有機質(zhì)隨著施入生物炭含量的增加而增加，與CK相比，均差異顯著，C50處理有效磷含量最大。

表2 不同施肥處理對土壤養(yǎng)分含量的影響

速效鉀是判斷鉀元素豐富程度的重要指標(biāo)，與CK相比，各處理均不同程度提高了土壤速效鉀含量，增幅為9%～201%，C50處理增幅最大。可見增加生物炭施入量可以明顯增加土壤養(yǎng)分含量，且隨著生物炭含量的增加，土壤養(yǎng)分呈增加趨勢。

2.4 產(chǎn)量影響因素分析

學(xué)者們通過大量觀測，普遍認為生物炭可提高土壤肥力及作物產(chǎn)量，通過相關(guān)分析，當(dāng)生物炭含量不高于最優(yōu)施炭量時，大豆產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)、有效磷、速效鉀相關(guān)性均超過95%，而堿解氮只有28%，可見黑土區(qū)大豆產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)、有效磷、速效鉀密切相關(guān)，但產(chǎn)量并不完全隨土壤有機質(zhì)、有效磷、速效鉀含量提高而提高，可見施入生物炭改變了土壤其他性質(zhì)，有研究表明，生物炭對土壤CEC、微生物、土壤水分等因素有關(guān)，具體機理仍有待研究。

3 討 論

物炭由于本身屬于堿性物質(zhì)，可提高酸性土壤pH值，與古思玉和李培培等研究一致[11,12]。在苗期生物炭能顯著提高番茄土壤的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀[13]。在本實驗中，施入較低生物炭可以較顯著提高速效磷、速效鉀的含量，對有機質(zhì)、堿解氮影響不顯著，本實驗所選擇土壤為黑土，與勾芒芒實驗所用沙壤土基礎(chǔ)費力相比，黑土有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀分別為沙壤土的1063%、224%、298%和99%，黑土有機質(zhì)含量遠大于沙壤土；黑土堿解氮及有效磷含量為沙壤土的2至3倍,C50處理有效磷的增幅285%,遠大于堿解氮的增幅45%,可見生物炭對速效磷的提高幅度大于對堿解氮的提高幅度,造成了在本實驗中,施入較低生物炭量時,對堿解氮的影響不顯著。

Haefele等研究發(fā)現(xiàn)，在土壤肥力高的土壤中，生物炭對作物沒有起到增產(chǎn)作用，甚至出現(xiàn)減產(chǎn)，在肥力較低的土壤中施用時，則使作物產(chǎn)量提高了16%～35%[14]，本試驗選用的黑土肥力較高，生物炭濃度較高時出現(xiàn)了減產(chǎn)現(xiàn)象，生物炭濃度較低時增產(chǎn)11%～28%，與Haefele 等的研究成果相似。

張涵芝等[15]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭在玉米初期，一定程度上抑制了玉米生長，但隨著玉米的生長，抑制逐漸減少，本研究中，在苗期，C30處理大豆的生長受到抑制，隨著大豆生長，抑制作用逐漸消失，苗期C10處理大豆生長優(yōu)于其他處理，但是苗期最有利于大豆生長的并不是最有利于大豆全生育期生長的施炭量，高生物炭濃度對作物初期生長起抑制作用，與張涵芝等研究一致。

生物炭可提高土壤肥力，影響大豆產(chǎn)量，但并不是土壤肥力越高，大豆生長狀況越好，產(chǎn)量越高，由此可見，土壤肥力是大豆產(chǎn)量的決定因素之一，有研究表明，生物炭還有降低土壤容重[16]、提高鹽基飽和度[17]等，生物炭對黑土區(qū)大豆生長的影響機理，還需進一步研究。

4 結(jié) 語

(1)適量生物炭可提高大豆水分利用效率，過量生物炭降低了大豆水分利用效率。以C20處理的水分利用效率最高。

(2)隨著生物炭施用量的增加，土壤pH值呈增加趨勢。

(3)土壤中適量添加生物炭，對大豆生長具有明顯地促進作用，施加過量則會抑制大豆的生長。與對照相比，C20處理株高、莖粗、葉面積增幅分別為11%～19%、7%～20%、13%～45%。過量生物炭抑制大豆生長，C50處理株高、莖粗和葉面積減幅分別為11%～29%、19%～29%和39%～44%。

(4)施入生物炭可提高土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。隨著生物炭施入量的增加，有增加趨勢。與CK相比，C50處理的增幅為42%、45%、285%和363%。

(5)施加適量生物炭可提高大豆產(chǎn)量，施加過量則會降低大豆產(chǎn)量。C10、C20和C30增幅分別為11%、28%和11%；C40、C50減產(chǎn)幅度分別為20%、34%。

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