生物炭對土壤水熱及玉米生長發(fā)育的影響

朱冬梅，霍軼珍，韓翠蓮

(內(nèi)蒙古河套學(xué)院土木工程系，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

近些年，生物炭受到越來越多研究者們的關(guān)注，從而也成了農(nóng)林、能源以及環(huán)境等諸多領(lǐng)域的研究熱點[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，由于生物炭具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)以及較大的吸持容量，使得其可顯著改善土壤的持水能力，從而有力地改善了土壤的水分條件。TAMIC[2]等研究表明，施用生物炭后改變了土壤的原有結(jié)構(gòu)，從而使得土壤水分在土壤中的運動以及停留時間發(fā)生改變，使得土壤含水率顯著增加。武玉[3]等通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤中施入生物炭后，顯著提高了土壤的持水能力，從而提高了土壤水分的保蓄能力。由于生物炭顏色呈黑色，生物炭施入后增加了土壤的顏色，從而有效增加了土壤的吸熱能力，對于表層土壤溫度的提高具有明顯的促進作用，這也將有助于作物的生長發(fā)育。李昌見[4]等通過研究施用生物炭對番茄土壤溫度的影響發(fā)現(xiàn)，生物炭可顯著提高耕層土壤溫度，不同生物炭施用量處理較不施用生物炭處理耕層土壤溫度最高相差58.1%。同時有研究表明，生物炭可顯著促進作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成，Glaser[5]等研究發(fā)現(xiàn)，在適宜的生物炭施用量下，作物的生物量可較不施用生物炭處理增加2倍。李昌見[4]等研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，番茄產(chǎn)量可較不施用生物炭處理最高增產(chǎn)56.1%。房彬[6]等研究得出，施用生物炭處理可較不施用生物炭處理玉米增產(chǎn)7.6%～20.3%，油菜籽增產(chǎn)15.7%～35.4%，增產(chǎn)增收效果顯著。

由此可見，生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中收獲了較好的應(yīng)用效果，但對于河套灌區(qū)這樣典型的鹽漬化灌區(qū)來說，關(guān)于玉米的應(yīng)用效果還鮮有報道。而玉米作為河套灌區(qū)主要的糧食作物，種植面積較大，因此本研究旨在研究施用生物炭對河套灌區(qū)玉米種植土壤水分、土壤溫度以及生長狀況和產(chǎn)量的綜合影響，以尋求一個較為合理的施炭量，從而為其在河套灌區(qū)的大面積推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 試驗設(shè)計與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)，該地區(qū)多年平均降雨量140 mm，蒸發(fā)量2 306.5 mm，平均氣溫6.8 ℃，平均日照時數(shù)3 229.9 h，無霜期130 d左右，屬典型的中溫帶干旱大陸性氣候。試驗區(qū)以砂質(zhì)壤土為主，0～100 cm土壤平均密度1.45 g/cm3，田間持水量20.53%，灌溉水源為黃河水，平均礦化度0.6～0.8 g/L，灌溉水源為黃河水，作物全生育期地下水位平均在1.5～2.5 m。

1.2 試驗設(shè)計

試驗所用生物炭為遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的秸稈生物炭，生物炭基本理化性質(zhì)為：碳的質(zhì)量分數(shù)為47.17%、氮為0.71%、氫為3.83%，pH值為9.04，有機質(zhì)質(zhì)量比為925.74 g/kg，堿解氮為159.15 g/kg，速效磷為394.18 g/kg，速效鉀為783.98 g/kg[7]。施用方法為：春季播種前人工將生物炭均勻撒施到土壤表面，采用旋耕機將其翻耕混入作物耕層土壤中(一般深度為20 cm左右)。試驗所用普通地膜為內(nèi)蒙古華豐商貿(mào)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的0.008 mm厚聚乙烯吹塑農(nóng)用地膜，膜寬70 cm。玉米品種選用當?shù)爻Ｒ?guī)品種西蒙6號。

試驗采用小區(qū)試驗，每個小區(qū)面積60 m2(6 m×10 m)，試驗設(shè)置不施生物炭(CK)、生物炭施用量為15 t/hm2(ST1)、30 t/hm2(ST2)、45 t/hm2(ST3)和60 t/hm2(ST4)共5個處理，3次重復(fù)，各處理小區(qū)隨機排列組合。施入生物炭后進行機械覆膜，人工點播玉米，每壟種2行玉米，行距50 cm，株距28 cm；按當?shù)赜衩追N植常規(guī)施肥量，玉米播種時施底肥450 kg/hm2(磷酸二銨)，灌第一水時施尿素450 kg/hm2，灌第二水時施尿素300 kg/hm2，玉米全生育期共灌水3次，按當?shù)爻Ｒ?guī)灌溉制度進行灌溉。

1.3 研究方法

每隔7 d左右在玉米行間用土鉆取土，采用烘干稱重法測定土壤含水率，每個處理取3次重復(fù)，取樣深度0～100 cm，每20 cm為一層。在各處理玉米行間埋設(shè)直角地溫計，埋深分別為5、10、15、20、25 cm，每個生育期連續(xù)3 d自8∶00至20∶00每隔2 h讀取一次。各生育期內(nèi)在各小區(qū)選取具有代表性的3株植物樣用鋼尺定株測量其株高。玉米成熟期，各處理選取具有代表性的10株測定其生產(chǎn)性狀指標和產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Mircrosoft-Excel2003進行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表，利用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS17.0進行試驗數(shù)據(jù)的方差檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭施用量對土壤含水率的影響

由圖1不同生物炭施用量下玉米各生育期0～100 cm土壤平均含水率變化可知，全生育期內(nèi)均表現(xiàn)為土壤含水率隨施炭量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。玉米生育初期(苗期至拔節(jié)期)，處理ST2和ST3各土層平均含水率差異性顯著(P<0.05)，ST3平均較ST2高5.60%和7.13%，且兩處理均顯著高于處理CK、ST1、ST4，處理ST2和ST3分別較其他處理高6.96%、5.89%、5.38%和14.83%、10.99%、10.07%。玉米進入抽雄期以后，處理ST2和ST3差異性不顯著(P>0.05)，但均顯著高于其他3個處理(P<0.05)。由此可見，施用適量的生物炭，可顯著提高玉米全生育期土壤平均含水率，而過高或過低的生物炭施用量對土壤含水率影響不顯著。

圖1 不同生物炭施用量下玉米各生育期土壤含水率

2.2 不同生物炭施用量對土壤溫度的影響

土壤溫度是影響作物出苗率和生長的關(guān)鍵性的因素，在適宜的土壤水分條件下，一定范圍內(nèi)，土壤溫度越高將越有利于作物種子萌發(fā)和后期的生長發(fā)育，過高或過低的溫度都將抑制作物的正常生長，從而影響到作物產(chǎn)量的形成。由圖2可知，生物炭對玉米耕層土壤溫度影響顯著，且隨生物炭施用量的增加，表層0～25 cm土壤平均溫度呈遞增趨勢。玉米苗期至拔節(jié)期不同處理土壤溫度差異性顯著(P<0.05)，且不同生物炭施用量處理條件下土壤溫度均顯著高于CK處理(P<0.05)，兩個生育期內(nèi)處理ST1、ST2、ST3、ST4分別較CK高9.21%、13.69%、19.09%、28.92%和6.71%、13.32%、18.67%、23.83%。玉米抽雄期至成熟期，均表現(xiàn)出處理ST4顯著高于其他各處理，而此階段ST1、ST2和ST3三個施用生物炭處理間差異性逐漸減小，但均顯著高于不適用生物炭處理CK(P<0.05)。

圖2 不同生物炭施用量下玉米各生育期土壤溫度

2.3 不同生物炭施用量對玉米株高的影響

由圖3可知，生育期內(nèi)各處理玉米株高變化趨勢一致，自苗期開始，生長速率較快，至灌漿期達到全生育期的峰值，而后隨生育期的結(jié)束植株開始枯萎，植株高度有減小趨勢。整體來看，全生育期內(nèi)玉米株高隨生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。玉米苗期，施用生物炭各處理玉米株高均明顯高于CK處理，處理ST3平均較CK高18.45%，差異性達到了顯著性水平(P<0.05)，而其他各處理之間無顯著性差異(P>0.05)。玉米拔節(jié)期開始，在適宜的水熱條件下，玉米進入快速生長階段，此時玉米株高表現(xiàn)為處理ST3最高，之后依次為ST2、ST4、ST1和CK，且各處理之間差異均達到了顯著性水平(P<0.05)?？梢?，適量施用生物炭可有效顯著促進玉米的生長發(fā)育，但超過一定量時這種效應(yīng)逐漸減弱甚至抑制玉米的生長。

圖3 不同生物炭施用量下玉米各生育期株高

2.4 不同生物炭施用量對玉米產(chǎn)量的影響

由圖4可知，玉米產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加同樣呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，整體變化趨勢經(jīng)回歸分析，可擬合為具有較高精度的多項式方程y=-0.621 5x2+59.001x+8 345，相關(guān)系數(shù)R2=0.998 5。同時研究發(fā)現(xiàn)，不同生物炭施用量處理均較不施用生物炭處理CK顯著提高了玉米產(chǎn)量，處理ST1、ST2、ST3、ST4分別較CK產(chǎn)量提高8.93%、14.14%、17.09%和15.43%，差異性顯著(P<0.05)，這也說明在一定施用量范圍內(nèi)，生物炭對玉米增產(chǎn)具有較好的促進作用。

圖4 不同生物炭施用量下玉米產(chǎn)量

3 討 論

(1)施用生物炭對玉米土壤含水率和土壤溫度的影響。河套灌區(qū)屬于典型的干旱半干旱地區(qū)，春季干旱寒冷，夏季高溫少雨，而適宜的土壤水熱條件又是影響作物生長和產(chǎn)量形成的重要因素[8,9]。針對土壤水分對玉米種子萌發(fā)以及后期生長的影響，侯玉虹[10]、孟憲新[11]和范雅君[12]等做了相關(guān)研究，并得出了適宜玉米生長的最佳土壤水分條件。為了探究施用生物炭對玉米土壤水分的影響，通過設(shè)置不同施炭量研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，可顯著提高玉米各生育期土壤平均含水率，且含水率值均在適宜玉米正常生長所需土壤水分條件范圍內(nèi)，但過高或過低的生物炭施用量對土壤含水率影響不顯著。這一結(jié)論與呂一甲[13]在河套灌區(qū)玉米應(yīng)用效果的試驗成果以及李昌見等[4]關(guān)于生物炭對番茄土壤水分的影響研究中所得結(jié)論相同，這也進一步說明生物炭同樣適宜在河套灌區(qū)玉米的種植中加以應(yīng)用。

土壤溫度與作物的正常生長和產(chǎn)量的形成關(guān)系密切，過高或過低的土壤溫度都會對玉米的萌發(fā)、出苗以及后期生長產(chǎn)生不良影響，從而直接影響玉米產(chǎn)量的形成。一般來說，土壤溫度一方面影響作物根系的生長發(fā)育，樂章燕等[14]也針對土壤溫度對玉米根系生長進行了細致的研究，并得出了最適宜玉米根系生長的土壤溫度為20～24 ℃。另一方面，土壤溫度通過影響根系中酶的活性來影響根系的活動和新陳代謝，從而影響作物根系對土壤養(yǎng)分的吸收利用[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對玉米耕層土壤溫度影響顯著，且隨生物炭施用量的增加，表層0～25 cm土壤平均溫度呈遞增趨勢，但溫度值均在適宜的范圍內(nèi)，同時在生育前期(苗期-拔節(jié)期)各處理差異較為顯著，而生育后期差異性逐漸減弱，這也使得高生物炭施用量的處理在生育前期較低環(huán)境溫度下為玉米的生長提供了更適宜的土壤溫度條件，有利于玉米的生長發(fā)育，這一結(jié)論與李昌見等[4]在番茄的研究成果上具有一定的一致性。

(2)施用生物炭對玉米生長及產(chǎn)量的影響。作物的生長發(fā)育受土壤、氣候等多種因素的影響，同時作物生長狀況也是對這些條件適應(yīng)性的一種整體表現(xiàn)形式。有研究表明[5]，生物炭能夠有效促進作物的生長發(fā)育，但當生物炭施用量過高時將會抑制作物的生長發(fā)育。本研究發(fā)現(xiàn)，全生育期內(nèi)玉米株高隨生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，同時也說明，適量施用生物炭可有效顯著促進玉米的生長發(fā)育，但超過一定量時這種效應(yīng)逐漸減弱甚至抑制玉米的生長，與前人研究結(jié)論相同。

近些年，專家學(xué)者們通過大量研究表明，生物炭可顯著提高作物產(chǎn)量，張文玲[15]、呂一甲[13]等研究表明，施用生物炭可有效增加土壤中養(yǎng)分含量，從而使得玉米增產(chǎn)。陳敏[16]等通過研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著增加了烤煙產(chǎn)量，同時使得品質(zhì)得以提升。本研究通過研究發(fā)現(xiàn)，在一定的施用量下，生物炭對玉米增產(chǎn)具有較好的促進作用，與前人研究成果具有相同之處。

4 結(jié) 語

(1)不同生物炭施用量可顯著提高玉米全生育期土壤平均含水率(P<0.05)，而過高或過低的生物炭施用量對土壤含水率的影響不顯著(P>0.05)。本試驗研究得出，處理ST3，即在生物炭施用量為45 t/hm2時對玉米土壤含水率增幅最為顯著，各生育期平均較對照處理CK高12.95%、14.83%、11.06%、8.86%和10.40%，為玉米的生長發(fā)育提供了良好的土壤水分條件。

(2)生物炭對玉米耕層土壤溫度影響顯著，且隨生物炭施用量的增加，表層0～25 cm土壤平均溫度呈遞增趨勢。全生育期內(nèi)，不同生物炭施用量處理土壤溫度均顯著高于對照處理CK(P<0.05)，且以處理ST4，即生物炭施用量為60 t/hm2時土壤增溫效果最為顯著。

(3)全生育期內(nèi)玉米株高隨生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，說明適量施用生物炭可有效促進玉米的生長發(fā)育，但超過一定量時這種效應(yīng)逐漸減弱甚至抑制玉米的生長。本研究發(fā)現(xiàn)，在生物炭施用量為45 t/hm2時對玉米的生長發(fā)育促進效果最優(yōu)。

(4)施用生物炭可顯著提高玉米的經(jīng)濟產(chǎn)量，但過高或過低的生物炭施用量對于玉米的增產(chǎn)效應(yīng)減弱，本研究得出，在生物炭施用量為45 t/hm2時玉米增產(chǎn)效應(yīng)最為明顯，平均較不施用生物炭處理CK增產(chǎn)17.09%。

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