生物炭與化肥互作對土壤含水率與番茄產量的影響

勾芒芒 屈忠義

(1.內蒙古機電職業(yè)技術學院水利與土木建筑工程系， 呼和浩特 010070；2.內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018；3.內蒙古農業(yè)大學寒旱區(qū)灌溉排水研究所， 呼和浩特 010018)

0 引言

番茄是內蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)的重要蔬菜之一，番茄產業(yè)在農民增收和種植結構調整等方面舉足輕重。長期以來，當地干旱少雨，降水時空分配不均，農業(yè)增收主要依靠大量化肥施入，而化肥利用率低也導致大量養(yǎng)分流失、土壤越來越貧瘠，特別是肥料中的氮、磷等化學養(yǎng)分流失到河流中，造成嚴重面源污染[1]。

生物炭是面向未來、低成本、可再生的生物質資源，被譽為“黑色黃金”[2]。生物炭是指農林廢棄物在低氧或缺氧條件下高溫裂解而形成富含碳的穩(wěn)定物質。其組成主要包括碳、氫、氧等元素，剩下是灰分。生物炭性質穩(wěn)定，比表面積大，孔隙結構豐富，表面高電荷密度和負電荷可以較多地吸附土壤陽離子，增加陽離子交換量。田丹等[3]、勾芒芒等[4]通過室內土柱實驗發(fā)現，添加生物炭可以改善土壤理化性質，提高土壤保水持水能力，施加生物炭改善不同質地土壤結構差異顯著。大量研究表明，添加生物炭可減輕土壤氮素淋洗，提高土壤含水率和養(yǎng)分利用率[5-8]。同時，研究者發(fā)現，單純以生物炭代替化肥還存在一定難度，為了既發(fā)揮其自身優(yōu)勢又能減少肥料投入帶來的負面影響，以達到作物增產增收目的，沈陽農業(yè)大學生物炭研究中心以生物炭為基質制造炭基緩釋肥料施入土壤中，作物增產效果明顯[9]。

近年來，國內外多家知名番茄加工企業(yè)進駐內蒙古，為當地農產品產業(yè)化發(fā)展注入生機。然而，如何緩解番茄需水與降水時空分布不均造成的番茄生長期需水矛盾是解決當前番茄種植技術問題關鍵所在。本文旨在探明生物炭與化肥互作對番茄土壤含水率與產量的影響，為內蒙古半干旱地區(qū)農業(yè)生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013年5月中旬—2014年10月上旬在內蒙古呼和浩特市和林縣樊家夭鄉(xiāng)家堡營村附近的內蒙古水利科技試驗示范(和林)基地進行。該地屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，風大氣候干燥，降水時空分布不均，多年平均降雨量為417.5 mm，主要集中在7—8月，占全年降雨量的70%。晝夜溫差大，多年平均氣溫為5.6℃，平均日照數為2 941.8 h，多年平均蒸發(fā)量為1 850 mm，是降雨量的4.3倍，多年平均風速2.2 m/s，土壤最大凍結深度為1.75 m。

1.2 供試材料

試驗區(qū)土壤為砂壤土，經測定土壤基本性質為：砂粒質量分數64.15%、粉粒質量分數16.49%、粘粒質量分數19.36%。土壤容重1.39 g/cm3，孔隙度43.52%，田間持水率(體積分數)31%，pH值7.85，電導率141.8 μS/cm。有機質質量比6.66 g/kg，堿解氮質量比48.07 mg/kg，速效磷質量比為12.06 mg/kg，速效鉀質量比146.98 mg/kg。

試驗生物炭選用遼寧金和福農業(yè)開發(fā)有限公司的生物炭成品。生物炭主要性質：碳質量分數為47.17%、氮質量分數為0.71%、氫質量分數為3.83%，碳氮比67.03%，pH值9.04，有機質質量比925.74 g/kg，堿解氮質量比159.15 mg/kg，速效磷質量比394.18 mg/kg，速效鉀質量比783.98 mg/kg。

試驗用化肥為尿素(N質量分數為46%)，磷酸二胺(P2O5質量分數為46%)，氯化鉀(KCl質量分數50%)。供試作物為番茄，品種為上海合作918。

1.3 試驗設計

采用大田試驗，隨機區(qū)組試驗設計。試驗小區(qū)面積為15 m2(長5 m×寬3 m)。將生物炭均勻施于土壤表面，用旋耕機翻混入耕層土壤?；室缘追市问揭淮涡允┤搿７逊N植密度為4.5萬株/hm2，灌溉定額為1 575 m3/hm2(苗期-開花著果期675 m3/hm2、開花著果期-結果盛期600 m3/hm2、結果盛期-后期300 m3/hm2)。

試驗設計為2個因素：生物炭和化肥。其中生物炭設計5個水平，分別為：生物炭B1(0 t/hm2)、生物炭B2(10 t/hm2)、生物炭B3(20 t/hm2)、生物炭B4(40 t/hm2)、生物炭B5(60 t/hm2)?；试O計2個水平，分別為化肥1水平F1：尿素408 kg/hm2，磷酸二胺163 kg/hm2，氯化鉀300 kg/hm2；化肥2水平F2：在化肥1各水平基礎上減25%。試驗設計為10個處理，每個處理3個重復，共計30個小區(qū)。具體情況見表1。

表1 大田試驗方案設計代碼Tab.1 Program design in field experiment

1.4 測定內容及方法

土壤含水率測定。采用鋁盒干燥稱量法，在番茄各生育階段灌水后，在各小區(qū)每隔20 cm土層用土鉆取土，測至80 cm。每層土樣混合均勻，取適量裝入鋁盒稱取濕質量，帶回實驗室放入干燥箱在105℃條件下干燥8 h，稱取干質量，計算出土壤質量含水率。

番茄產量測定。從8月15日開始采摘，至10月1日結束，平均每4～5 d進行1次，共取11次。每個小區(qū)取3個重復，每個重復標記12株，每次收獲時將各計產小區(qū)分別稱量，計算產量。

1.5 數據分析

用Microsoft Excel 2010進行數據計算和作圖；使用 SAS 9.0 進行單因素方差分析，采用LSD方法進行顯著性檢驗(P<0.05)，采用Surfer 8.0制圖軟件繪制等值線圖。

2 結果與分析

2.1 時間分布

圖1為土層0～20 cm土壤含水率變化情況。結果表明，土壤含水率總體表現為隨著生物炭施用量增加而增大。與對照相比，各處理差異顯著(P<0.05)。整個生育階段內土壤含水率表現為先增加后減少趨勢。在苗期—開花著果期，與對照相比，B3F2、B4F1、B4F2、B5F1、B5F2土壤含水率分別增加了13.7%、40.5%、38.5%、19.3%和17.8%，其中B4F1增幅最大，增幅超過40%。隨著作物生長，生育后期這種增幅趨勢大體一致，其中B4F1增幅超過20%。

圖1 全生育期內土壤0～20 cm土壤含水率變化Fig.1 Variation of soil water content in 0～20 cm within whole growth period

圖2 全生育期內土壤20～40 cm土壤含水率變化Fig.2 Variation of soil water content in 20～40 cm within whole growth period

圖2是土層20～40 cm土壤含水率變化。整體表現為隨著番茄生長土壤含水率呈現先增加后減少趨勢，低炭與高炭處理間差異顯著(P<0.05)。在開花著果—結果盛期，與B1F1(對照)相比，施炭處理土壤含水率均呈下降趨勢，其中B4F1和B4F2含水率最小，僅為B1F1的70%左右。分析可知，砂壤土中施加生物炭可有效降低土壤深層滲漏，有效提高土壤耕層持水蓄水能力，改善作物水土環(huán)境。土層40～60 cm、60～80 cm土壤含水率整體變化趨勢與其一致，即生物炭處理的土壤含水率均小于對照。

2.2 土壤剖面土壤含水率變化

數理統計學中常用極值比Ka和變異系數Cv進行表征數值的變化程度，計算式為

Ka=Xmax/Xmin

(1)

(2)

式中Xmax——土壤含水率最大值

Xmin——土壤含水率最小值

Ka——土壤含水率的變化幅度

Cv——變異系數σ——均方差

在土壤垂直剖面上，耕層土壤受外界環(huán)境影響較大，隨著土壤深度增加土壤受外界影響逐步減小。由于試驗方案中生物炭和化肥混施在土壤耕層，與對照相比能夠較好保持耕層土壤水分，防止水分滲漏，及時供給作物生長所需水分。從表2分析可知，隨著土層深度增加，同一處理Ka和Cv總體上呈現減小趨勢，B1F1(對照)的Ka值為1.645，B4F1、B4F2、B5F1和B5F2的Ka值均在1.2左右。這表明，施加生物炭后土壤含水率變化幅度和變異程度減弱。對于同一深度土壤而言，隨著施炭量增加，Ka和Cv減小。與B1F1相比，較高施炭處理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)的土壤剖面土壤含水率變異系數Cv相對較小，表明生物炭具有穩(wěn)定保水能力。

2.3 空間分布特征

土壤剖面含水率時空變化趨勢通過土壤含水率等值線圖來表征。等值線疏密程度和曲面圖平緩曲折反映了不同處理間土壤含水率時空變化。在番茄生育期100 d內，0～80 cm土層土壤水分空間分布規(guī)律較為明顯。尤其在開花結果期—結果盛期，施炭處理的土壤含水率與對照相比，差異顯著，能有效保持作物耕層土壤水分。水分動態(tài)變化過程可以從圖3清晰可見，B1F1(對照)在耕層土壤0～20 cm土壤含水率較低，且等值線較密，反映了其土壤含水率梯度較大，在空間上變化劇烈，水分垂直運移，土壤含水率增大。隨著作物生長，水分需求增大，然而從圖3可見，耕層土壤水分嚴重不足，這也說明，砂壤土水分滲漏比較嚴重，耕層持水能力差，番茄耕層供水能力不足。B1F2處理土壤含水率分布特征與B1F1大體一致。

表2 開花結果期—結果盛期土壤剖面含水率變化的統計學分析結果Tab.2 Statistical analysis result of soil moisture variation

圖3 B1F1處理的土壤含水率等值線圖Fig.3 Soil moisture contour map of B1F1 treatment

圖4 B4F1處理的土壤含水率等值線圖Fig.4 Soil moisture contour map of B4F1 treatment

圖5 B5F1處理的土壤含水率等值線圖Fig.5 Soil moisture contour map of B5F1 treatment

與B1F1(對照)相比，隨著土壤施炭量增加，土壤耕層(0～20 cm)持水、保水能力增強，有限水分可以充分供給番茄生長所需，解決番茄生育階段內水分時空分布不均勻導致的作物缺水問題。這種保水現象在較高施炭處理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)中更為顯著(圖4、5)。通過土壤含水率等值線圖和曲面圖可以直觀發(fā)現，生物炭具有很好的保水、持水及減緩砂壤土水分快速滲漏作用。在我國干旱、半干旱地區(qū)土壤生產力和土壤肥力較差，降雨存在時空分布不均現象，水土流失比較嚴重。追其原因，大部分是因為土壤持水能力差，土壤有機質淋洗流失所致。砂壤土中施加生物炭可有效緩解這種矛盾。

2.4 對番茄產量的影響

從圖6分析可知，與B1F1(對照)相比，隨著施炭量的增加番茄產量增幅出現先升高后降低的趨勢，但是整體增幅較對照相比差異顯著。其中，與B1F1相比，不施炭減少化肥用量的B1F2處理出現減產；B2F1、B2F2、B3F1、B3F2、B4F1、B4F2、B5F1、B5F2分別增幅17.80%、18.03%、40.12%、44.01%、46.34%、58.61%、49.63%和39.18%。其中B4F2產量最高。同一施炭不同施肥處理間差異不顯著，可考慮減少化肥用量，指導番茄田間種植達到增產增收的目的。產生這種結果的原因主要是施加生物炭后番茄土壤含水率有效提高，保證了番茄植株生長，提高光合和蒸騰速率，提高番茄植株干物質積累，從而提高產量。番茄生育階段供水不足將直接影響植株生長發(fā)育。

圖6 生物炭對番茄產量的影響Fig.6 Effect of biochar on tomato yield

3 討論

生物炭通過改善土壤理化性質進而提高土壤含水率。前人的研究結果表明生物炭施入土壤中可以增大土壤孔隙度，有利于增加土壤含水率[10-11]。生物炭具有較大比表面積和多孔結構，具有親水性、吸附力大等特點，可以使土壤保持更多水分，尤其能夠提高砂質土壤持水能力，隨著生物炭用量增加，持水能力增強。本研究表明，施入生物炭可有效提高砂壤土土壤含水率，與這些研究結論基本一致。隨著生物炭施用量進一步增加，土壤含水率呈現下降趨勢，可能是因為較大施用生物炭會導致土壤通氣孔隙增加，毛細孔隙減小，吸水保水能力降低所致。對于質地較粘的土壤來說，生物炭增大了土壤通透性，促進土壤水分入滲，但對于質地較輕土壤可以抑制水分滲漏。隨著生物炭施用量增大，不同質地土壤水分滲透率均出現逐漸減少趨勢。本試驗通過土壤0～80 cm垂直入滲剖面等值線分析可知，耕層土壤施入生物炭可以增強土壤持水能力，防止水分深層滲漏和流失。這與高海英等[12]的研究結論大體相同。

大量研究成果已經表明施用生物炭可以有效提高土壤中有機質含量[13-14]。生物炭本身碳含量較高，施入土壤中增加肥力。同時生物炭表面具有較豐富含氧官能團，其所帶負電荷和復雜孔隙結構賦予其較大的陽離子交換量和強大吸附力，可以作為肥料緩釋載體從而延緩肥料養(yǎng)分釋放，保持和固定一部分肥料以免流失和淋洗，達到持肥保肥作用[15]。所以，炭肥耦合可以提高土壤肥料利用率，改善作物生長過程所需養(yǎng)分，達到增產增收目的。

近年來，國內有關施加生物炭增加作物產量報道逐漸增多。張偉明等[9]研究表明，以不同標準在砂壤土中施入生物炭，水稻產量均比對照平均提高21.98%。黃超等[16]在每千克紅壤土中施用10、50、200 g生物炭種植黑麥草，產量可分別增加7%、27%和53%。唐光木等[17]在新疆灰漠土中添加生物炭種植玉米，結果表明施入40 t/hm2的生物炭玉米產量提高近50%，增產效果顯著。然而，在生物炭對作物生長作用方面還存在一些不同觀點。KISHIMOTO等[18]認為，壤土中施加生物炭(0.5 t/hm2)大豆產量可增加50%；然而，隨著施用量增加產量出現減少趨勢且15 t/hm2時減產近70%。張晗芝等[19]在中層砂漿水稻土中施加生物炭研究其對玉米影響，發(fā)現在玉米苗期生物炭抑制了植株生長發(fā)育，添加量越大抑制效果越明顯，隨著玉米生長這種抑制效應逐漸消失。沈陽農業(yè)大學生物炭研究中心以生物炭為基質制造炭基緩釋肥料施入土壤中，作物增產效果明顯且用量少，可以大幅度降低化肥使用量或不使用化肥，這也是生物炭應用的重要研究成果[20]。

前述學者們對生物炭在農作物生長影響方面研究已經具有一定學術成果，多數學者認為施用生物炭可以提高作物產量，但是施用量越大不一定作物產量增幅最大，有的甚至出現施用量增大產量反而降低現象；同時，通過生物炭在作物種植方面研究發(fā)現，貧瘠的砂質土壤上應用生物炭提高作物生物量效果最為明顯。本研究中炭肥耦合對番茄產量影響顯著，較高施炭量與低肥耦合(B4F2)綜合作用效果較優(yōu)。

4 結論

(1)0～20 cm土層土壤含水率均隨生物炭施用量的增加呈增大的趨勢。番茄生長初期，0～20 cm高炭處理增幅顯著，其中B4F1處理增幅達40%；番茄生長后期，各處理土壤含水率增幅與早期規(guī)律基本一致，0～20 cm增幅超過20%(B4F1)。20～40 cm土層土壤含水率與0～20 cm的變化規(guī)律恰好相反，與對照相比，施炭處理的土壤含水率均呈現下降趨勢，其中B4F1和B4F2含水率最小，僅為對照的70%。土層40～60 cm、60～80 cm的土壤含水率整體變化趨勢與其一致，即生物炭處理的土壤含水率均小于對照。

(2)施加生物炭后土壤含水率的變化幅度和變異程度減弱。對于同一深度的土壤而言，隨著施炭量的增加，Ka和Cv均減小，與對照相比，較高施炭處理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)的土壤剖面土壤含水率變異系數Cv相對較小。

(3)隨著番茄的生長，土壤含水率在垂直剖面的影響表現為較高施炭量(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)處理的土壤含水率均高于對照，差異顯著。

(4)隨著施炭量的增加，番茄產量增幅出現先升高、后降低的趨勢，且均高于對照。B4F1、B4F2、B5F1、B5F2分別增幅46.34%、58.61%、49.63%和39.18%，其中B4F2產量最高。同一施炭處理、不同施肥處理間差異不顯著。