不同配比炭基肥對玉米生長、土壤養(yǎng)分及呼吸的影響

王智慧，唐春雙，范博文，趙長江，楊克軍，李佐同

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，大慶 163319）

不同配比炭基肥對玉米生長、土壤養(yǎng)分及呼吸的影響

王智慧，唐春雙，范博文，趙長江，楊克軍，李佐同

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，大慶 163319）

為了探索適合種植玉米施用的生物炭基肥料，采用箱式試驗(yàn)研究了生物炭、復(fù)合肥料及不同配比的炭基肥對玉米生長、土壤全氮、有效磷、速效鉀、土壤呼吸的影響。結(jié)果表明：不同配比的生物炭基肥均較單施生物炭或單施復(fù)合肥對玉米植株干物質(zhì)積累、土壤全氮、有效磷、速效鉀有一定促進(jìn)作用。不同配比的炭基肥處理中，肥炭比為8∶2或7∶3對玉米植株生長及提高土壤性狀較突出，為較優(yōu)炭基肥比例。生物炭和生物炭基肥對土壤呼吸均有一定促進(jìn)作用，這可能是生物炭自身特殊的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)發(fā)揮的作用。

生物炭；炭基肥；玉米；土壤養(yǎng)分

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中單位面積肥料施用量是世界平均水平的1.6倍，全年總施肥量高達(dá)1.23億t以上[1]。化肥施用量逐年增加，但作物產(chǎn)量卻不見顯著增長，氮磷鉀肥料利用率很低，僅為10%～50%。這不僅導(dǎo)致了種植成本增加，還造成了土壤性質(zhì)惡化，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展危害極大[2]。

生物炭是由農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)（如秸稈、玉米芯）在缺氧或少氧條件下熱裂解產(chǎn)生的含碳量高、穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)[3]。生物炭直接施入土壤，可改良土壤性質(zhì)。且生物炭特殊的多孔隙結(jié)構(gòu)，可以吸附和負(fù)載肥料養(yǎng)分，延緩肥料在土壤中的釋放，降低養(yǎng)分淋失[4]。因此，將生物炭與肥料混合利用，制備生物炭基肥，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢是十分有價(jià)值的研究。

生物炭基肥是一種新型的肥料，不僅為廢棄能源再利用提供了新途徑，而且減少了化肥的施用量，提高了肥料利用率，促進(jìn)了作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)減輕了因肥料過量適用帶來的土壤環(huán)境污染[5]。因此試驗(yàn)研究不同配比的生物炭與肥料復(fù)混制備的炭基肥對玉米生長、土壤養(yǎng)分、土壤呼吸的影響。旨在為制備適合玉米施用的生物炭基肥料的生產(chǎn)與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和支撐。

1 材料和方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地盆栽場進(jìn)行。供試土壤為草甸黑鈣土，含有機(jī)質(zhì)21.6 g·kg-1、堿解氮160.65 mg·kg-1、速效磷9.74 mg·kg-1、速效鉀245.6 mg·kg-1、pH值7.72。供試材料生物炭為玉米秸稈炭，購于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，基本理化性質(zhì)為pH值7.94，含碳（C）44.06%、氮（N）1.53%，磷（P）0.78%，鉀（K）1.68%。

供試玉米品種為鄭單958。試驗(yàn)采用箱式栽培，箱子大小為65 cm×44 cm×40 cm，每箱定植3株。試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理（見表1），每個(gè)處理4次重復(fù)。試驗(yàn)所需配方肥根據(jù)土壤地力情況、玉米需肥特點(diǎn)及規(guī)律，利用氮、磷、鉀肥及Ca、Mg、B、Zn、Mn、Cu、Fe等微量元素復(fù)混而成。播種前以基肥形式按360 kg·hm-2一次性施入。覆土?xí)r將直徑為10 cm，高度為6 cm的PVC管插入試驗(yàn)箱中心的土壤中，穩(wěn)定數(shù)周后用于測定土壤呼吸。

表1 各處理施肥方式Table 1The processing of fertilizing

1.2 樣品采集與測定

在玉米出苗后40 d（拔節(jié)期）、60 d（抽雄期）、80 d（灌漿期）三個(gè)關(guān)鍵生育期測定土壤呼吸速率，采用LI-6400（LI-COR，Lincoln，USA）測定系統(tǒng)[6]。同時(shí)每個(gè)處理每盆取一株帶回實(shí)驗(yàn)室。取地上部稱重，裝袋，于105℃條件下殺青30 min，然后在80℃條件下烘干至恒重，以測定植株地上干物質(zhì)積累。土壤樣品取植株根際土，裝入布袋風(fēng)干后用于測定。土壤全氮采用H2SO4加速劑消煮，SKD-2000全自動(dòng)凱氏定氮儀測定；土壤有效磷測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤速效鉀的測定采用1mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法測定[7]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2015軟件和Spss21.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性測驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比炭基肥料對玉米植株地上干物質(zhì)積累的影響

由圖1可知，各處理對玉米出苗后40、60、80 d植株干物質(zhì)積累均表現(xiàn)為F1處理植株干物質(zhì)最小，低于F2、F3、F4處理，顯著低于F5、F6、F7處理。這說明單施生物炭對玉米植株干物質(zhì)積累不及單施肥料或炭基肥對干物質(zhì)積累的作用。其中F4、F5、F6、F7、F8處理的植株干物質(zhì)量均大于F2、F3處理，說明炭基肥對玉米植株干物質(zhì)積累的作用優(yōu)于單施肥料。5個(gè)不同配比的炭基肥中，F(xiàn)5、F6處理干物質(zhì)累積量最大，表明二者的炭-肥配比對玉米植株生長具有良好的促進(jìn)作用。

圖1 不同配比炭基肥料對玉米植株地上干物質(zhì)積累的影響（g）Fig.1Effects of different ratio of carbon base fertilizer on dry matter accumulation

2.2不同配比炭基肥料對土壤全氮含量的影響

由表2可知，隨著生育進(jìn)程各處理對土壤全氮含量的積累逐漸增加。在玉米出苗后40 d，除F3處理外，其他處理對土壤全氮的影響均表現(xiàn)出顯著高于F1處理；且F4、F5、F6、F7處理顯著高于F2、F3處理。整株生長60 d時(shí)，F(xiàn)5、F6、F7處理的土壤全氮含量仍顯著高于其它處理。而到植株生長80 d時(shí)，僅F6表現(xiàn)出土壤全氮含量顯著高于其他處理的優(yōu)勢，但炭基肥的另外4個(gè)處理，F(xiàn)4、F5、F7、F8處理均顯著高于F2、F3、F1處理對土壤全氮的作用。這表明炭基肥料對提高土壤氮含量，促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)化、利用有一定作用，而單施生物炭或者單施復(fù)合肥對土壤氮的利用有一定局限性。

表2 不同配比炭基肥料對土壤全氮含量的影響（mg·kg-1）Table 2Effects of the ratio of different carbon base fertilizer on soil total nitrogen

2.3 不同配比炭基肥料對土壤有效磷含量的影響

由表3可知，各處理對土壤有效磷的累積在玉米植株生長第40 d時(shí)，表現(xiàn)為F6、F7處理顯著高于其他6個(gè)處理。在植株生長第60 d，除F3處理外，其他處理均顯著高于F1處理。到植株生長第80 d，5個(gè)不同配比的炭基肥處理（F4、F5、F6、F7、F8）均較F1處理對土壤有效磷有顯著促進(jìn)，分別提高了20.8%、34.95%、24.04%、16.97%、14.55%；但僅F5、F6處理的土壤有效磷含量顯著高于F2、F3處理。這說明合理的炭、肥配比制備而成的炭基肥對土壤中有效磷含量的積累有顯著促進(jìn)作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單獨(dú)施入復(fù)合肥料對土壤有效磷的影響。

表3 不同配比炭基肥料對土壤有效磷的影響（mg·kg-1）Table 3Effects of different ratio of carbon base fertilizer on soil available phosphorus

2.4 不同配比炭基肥料對土壤速效鉀的影響

由表4可知，不同處理對土壤速效鉀含量變化表現(xiàn)出隨時(shí)間增長而增加的趨勢。比較三個(gè)生長時(shí)期發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1處理與F2處理均無顯著性差異，這說明施用生物炭對土壤中速效鉀積累貢獻(xiàn)很大，且與施用復(fù)合肥對速效鉀的影響差別不大。在玉米植株生長40 d時(shí)，炭基復(fù)合肥F5、F6處理較單施生物炭F1、復(fù)合肥F2處理對土壤速效鉀有顯著性的提高；在植株生長60 d表現(xiàn)出F5、F6、F7處理的土壤速效鉀含量顯著高于F1、F2處理；到植株生長80 d，這種顯著性促進(jìn)作用在F5、F6、F7、F8處理中均有體現(xiàn)。這表明隨著生育進(jìn)程，炭基復(fù)合肥中生物炭含量越大對土壤速效鉀促進(jìn)作用越大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是：（1）生物炭自身具有較高含量的鉀，施入土壤增加了土壤中速效鉀的含量[8]；（2）生物炭的施用改善了土壤性質(zhì)，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分元素的循環(huán)能力，提高了土壤中速效鉀的含量。

表4 不同配比炭基肥料對土壤速效鉀的影響（mg·kg-1）Table 4Effects of different ratio of carbon base fertilizer on soil available K

2.5不同配比炭基肥料對土壤呼吸的影響

土壤呼吸是指土壤釋放二氧化碳的過程，是土壤中輸出土壤有機(jī)碳的一種方式，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要形式[9]。土壤呼吸可以反應(yīng)土壤質(zhì)地、土壤肥力、土壤通透性、土壤養(yǎng)分循環(huán)等性狀[10]。

由表5可知，三個(gè)時(shí)期不同處理對土壤呼吸的影響均表現(xiàn)出F2、F3處理土壤呼吸較弱，而F1、F4、F5、F6、F7、F8處理的土壤呼吸無顯著性差異，但都高于或顯著高于F2、F3處理。這表明土壤中施入生物炭或炭基復(fù)合肥較單施復(fù)合肥對土壤呼吸速率有一定促進(jìn)作用，這有可能是生物炭自身特殊的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)發(fā)揮的作用。

表5 不同配比炭基肥料對土壤呼吸速率的影響（g CO2·m-2·h-1）Table 5Effects of different ratio of carbon base fertilizer on soil respiration rate

3 結(jié)論與討論

生物炭具有較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙度，與肥料復(fù)配可吸附、存儲養(yǎng)分離子，起到減緩肥料養(yǎng)分釋放的作用[11-12]。劉新源等[13]的研究表明炭基肥料具有改善土壤質(zhì)量、增加土壤溫度、提高土壤保水保肥能力、延緩肥效、提高肥料利用率等優(yōu)點(diǎn)。研究表明施入不同配比的生物炭基肥均較單施生物炭或者單施復(fù)合肥對玉米植株干物質(zhì)積累、土壤全氮、有效磷、速效鉀一定促進(jìn)作用。近年，一些學(xué)者也有類似的研究，Lehmann等[14]研究生物炭與肥料混合配施可提高土壤中NH4+、NO3-的固持作用，促進(jìn)土壤硝化速率，提高氮肥利用率。Laird等[15]研究在溫帶土壤中添加不同比例的有機(jī)肥和生物炭對營養(yǎng)元素的淋濾效果，發(fā)現(xiàn)濾液中氮、磷元素的量與生物炭施入量成反比。生物炭基肥在提高土壤全鉀、速效鉀含量方面效果優(yōu)于有機(jī)肥與化肥配施[16]。

研究發(fā)現(xiàn)不同配比的炭基肥處理中，肥炭比為8∶2或7∶3對玉米植株生長及提高土壤性狀較突出。劉晴等[17]也有類似的研究，甘薯地施加炭基肥料后，甘薯鮮重顯著提高；當(dāng)減少10%肥料用量，增加生物炭時(shí)，甘薯產(chǎn)量與正常施肥產(chǎn)量幾乎無差異。呂一甲等[18]研究生物炭肥對河套灌區(qū)玉米生長的影響，研究發(fā)現(xiàn)生物炭肥對玉米地上部分干物質(zhì)積累有促進(jìn)作用；在減少30%養(yǎng)分投入條件下，玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量略微增加，而在等養(yǎng)分投入條件下玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量可增加20%左右。

研究還發(fā)現(xiàn)，生物炭和生物炭基肥對土壤呼吸均有一定促進(jìn)作用，原因可能是生物炭發(fā)揮較大作用：（1）生物炭疏松多孔的特性，直接導(dǎo)致施入土壤后增加了土壤孔隙度，進(jìn)而促進(jìn)土壤呼吸；（2）生物炭含有較高的碳，可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤微生物豐度和活性，從而加快土壤呼吸；（3）生物炭施入后增加了土壤溫度，促進(jìn)土壤呼吸進(jìn)行。但關(guān)于生物炭基肥對田間土壤呼吸、土壤養(yǎng)分變化的規(guī)律及機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

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Effects of Different Ratio of Carbon Basal Fertilizer on Maize Growth，Soil Nutrient and Respiration

Wang Zhihui，Tang Chunshuang，F(xiàn)an Bowen，Zhao Changjiang，Yang Kejun，Li Zuotong
（College of Agronomy，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqiing 163319）

In order to explore the function of biochar base fertilizer for planting maize，the influence of soil total nitrogen，total phosphorus，total potassium which biochar，compound fertilizer，different ratio of biochar basel fertilizer on maize was researched by the box-type experiment.Experimental results showed that there was significant effect by fertilizing different ratio of biochar base fertilizer than single biochar or single fertilizer on dry weight of maize，soil total nitrogen，total phosphorus，total potassium.Among different proportions of biochar base fertilizer，the ratio of biochar and fertilizer of 8∶2or7∶3 was better for maize plant growth and soil properties.Both biochar and biochar base fertilizer had a role on soil respiration，probably because of the biochar own special properties and structure.

biochar；carbon basal fertilizer;maize；soil respiration

S513

A

1002-2090（2017）03-0001-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.001

2016-03-21

大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目（szdfy-2015-18）；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GZ13B018）；大慶市創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目（SJH-2013-35）；國家科技計(jì)劃課題（2013BAD07B01-02）。

王智慧（1984-），女，實(shí)驗(yàn)師，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事土壤改良及玉米高產(chǎn)生理生態(tài)方面的研究工作。

楊克軍，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail:byndykj@163.com；李佐同，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail: lxg6401999@163.com。