棉稈炭施用方式對新疆灰漠土棉花生長及土壤性質的影響

馮 雷，唐光木，徐萬里，耿增超，孫寧川，廖 娜

(1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100；2.新疆農業(yè)科學院 土壤肥料與農業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830092)

生物炭是由生物質(生物體及其排泄物)在缺氧或無氧的條件下，經過緩慢高溫熱解產生的一類難熔的、穩(wěn)定的、高度芳香化的、富含碳素的固態(tài)物質，屬于廣義概念上黑炭的一種類型[1]，在改善土壤結構[2-5]、防止土地質量下降[6-9]及作物增產[10-12]等方面已表現出可觀潛力。越來越多的證據表明，生物炭施于土壤后可以顯著提高土壤有機碳含量[13-14]，有利于土壤團聚體的形成并降低土壤容重[15-17]，同時可增加N、P等營養(yǎng)元素的轉化速率，而且能夠促進作物對P的吸收[18]。已有研究表明：生物炭顯著提高了小麥、玉米、高粱和水稻等作物的產量及生物量。馬莉等[19]的盆栽試驗表明，生物炭可以提高灰漠土小麥的干物質量。陳心想等[20]以新積土為供試土壤，指出20 t/hm2生物炭輕微抑制了小麥和糜子的產量，但與對照相比仍提高了二者產量。唐光木等[21]以玉米為材料，通過控制生物炭輸入，證實生物炭可以增加玉米生物量累積。盡管生物炭在提高土壤肥力和增加作物產量方面已被大量報道，但因土壤質地、生物炭和作物類型等的不同，耕地所需生物炭適用量及生物炭對作物影響仍存在差異，因而多數研究結論適用區(qū)域有一定局限。新疆灰漠土更是有別于目前研究的土壤。棉稈炭及施用方式也有別于其他類型生物炭，其輸入對灰漠土性質和作物又會產生何種影響，也需進一步探究。

分布于干旱荒漠地帶的灰漠土，是新疆主要農業(yè)生產區(qū)之一，直到2013年種植了全國棉花播種總面積的39.54%，棉花秸稈資源非常豐富，為棉稈炭生產及利用提供了有利條件。已有研究表明：棉稈炭影響作物產量、生物量和部分形態(tài)特征，形態(tài)特征主要集中在株高、莖粗兩方面[22-23]，然而，棉稈炭施用方式影響干旱區(qū)灰漠土棉田棉花葉片及根冠比等形態(tài)學特征的研究卻鮮有報道。

本研究通過完全隨機設計，比較分析不同處理下，棉稈炭輸入對灰漠土理化性質和棉花形態(tài)的影響，從而為提高灰漠土耕地地力和棉稈廢棄資源的合理循環(huán)利用提供科學指導。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗地位于國家灰漠土肥力與肥料效益野外科學觀測臺站，N: 43°95′26″，E:87°46′45″，海拔高度 680～920 m，年均氣溫 5～7 ℃，年降水量 180～250 mm，年蒸發(fā)量1 600～2 200 mm，屬干旱半干旱荒漠氣候[24]。試驗地土壤為灰漠土，土壤基本理化性質如表1所示。

表1 試驗地土壤理化性質Tab.1 Physical and chemical characteristics of soil in experimental field

1.2 試驗設計及測定指標

試驗運用完全隨機設計，設計 6個處理，每一處理3個重復，共計18個小區(qū)。分別為CK為常規(guī)施肥處理(NPK)，施純氮 0.3 t/hm2；棉花秸稈每年炭化還田+常規(guī)施肥(NPKC)，每年施棉稈炭2.625 t/hm2(按棉花秸稈7.5 t/hm2，炭化出炭率35%計算)；棉稈炭22.5 t/hm2+氮磷鉀(NPKBc1.5)，棉稈炭施入量為耕層土壤重量的1%計算；棉稈炭22.5 t/hm2+氮低磷鉀(N低PKBc1.5)；棉稈炭45 t/hm2+氮磷鉀(NPKBc3.0)，棉稈炭施入量為耕層土壤重量的2%計算；棉稈炭45 t/hm2+氮低磷鉀(N低PKBc3.0)；純氮施入量為0.3 t/hm2，基施40%，追施60%，磷鉀肥作為基肥一次性施入，磷肥施入量為0.013 8 kg/m2(P2O5)，鉀肥施入量為0.006 kg/m2(K2O)。采用膜下滴灌栽培模式，棉花品種為新陸早41號。

本試驗使用生物炭(BC)是棉花秸稈炭化后所得，炭化溫度為450 ℃，其化學性質如表2所示。測定指標選擇棉花植株單株葉面積、根冠比、花蕾花鈴數，土壤有機碳、土壤含水量、容重、電導率和pH等指標，采用常規(guī)方法測定。

表2 450 ℃下棉秸稈生物炭化學性質Tab.2 Elementary chemical properties and element contents of cotton straw biochar under 450 ℃

1.3 研究方法

試驗數據利用 SPSS v17.0 統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比較采用新復極差法(Duncan)，顯著性水平設定為 0.05，用 Origin 8.5 作圖。

2 結果與分析

2.1 棉稈炭輸入對植株形態(tài)特征的影響

棉稈炭施用方式明顯影響棉花單株葉面積，但作用效果有一定差異(圖1)。施用NPK肥(CK)時，平均單株葉面積最小為101 916.22 mm2，與 CK 相比，NPKC 處理組單株葉面積增加5.54%，但二者差異不顯著(P>0.05)。在 CK 基礎上，成倍增加棉稈炭的輸入量，單株葉面積并沒有完全隨著棉稈炭輸入的增加而增大，當每公頃添加 22.5 t棉稈炭，單株葉面積最大達到133 659.16 mm2，平均單株葉面積增加了 31.15%；隨著每公頃棉稈炭增加至 45 t，平均單株葉面積反而減小了 11.84%，說明在施用棉稈炭時存在一個最佳施用量，可能在 22.5 t/hm2左右。

在N低PKBc1.5和N低PKBc3.0基礎上增加相同施氮量，單株葉面積分別增加1.41%和7.26%。對比較低水平施氮量和正常水平施氮量，無論是施用較低水平還是正常水平N肥，施用棉稈炭且施用量大于等于 22.5 t/hm2，單株葉面積均減小，分別減小了8.10% 和 13.11%；無論是施用較低水平還是正常水平N肥，施用棉稈炭且施用量小于 22.5 t/hm2，單株葉面積均增加，分別增加22.54%和 24.27%；同時增加棉稈炭和N肥施用量，單株葉面積減小了 6.80%。幾種處理下，單獨有限度地增加棉稈炭可以達到最大程度增加單株葉面積目標。

棉稈炭輸入導致棉花植株根冠比表現不同。幾組處理中，對照處理 CK 的根冠比與NPKC處理差異顯著 (P<0.05)，與其他各組處理均不顯著(P>0.05)。與CK相比，NPKC中植株根冠比增加了19.8%。NPKC處理根冠比顯著大于其他處理 (P<0.05)，比最小的根冠比增大了34.7%。較低施氮水平下，在施用22.5 t/hm2棉稈炭基礎上增加一倍棉稈炭，根冠比增加11.6%，但差異不顯著 (P>0.05)。在正常施氮水平下，施用45.0 t/hm2棉稈炭與施用22.5 t/hm2棉稈炭的根冠比差異不顯著，但是增加了13.3%，比低氮水平的根冠比略大。

a、 b、 c表示P<0.05不同處理差異顯著性分析。a, b and c represent P<0.05 for the significant analysis of different treatment differences.

棉稈炭對于棉花植株單株葉面積和根冠比影響不同，最顯著的特點是正常施氮量下，單株葉面積達到最大，而此時的根冠比卻最小(圖1)。在正常施氮水平下，施用22.5 t/hm2的棉稈炭，使得單株葉面積比值與根冠比(β)接近于1；NPKC和N低PKBc3.0處理下，β遠大于1；其他幾組處理的β值均小于1(圖2)?？梢姡煌┑亢兔薅捥刻幚斫M合，棉花葉片在植株整體中所占比例差別極大。

圖2 棉稈炭輸入對植株不同部分活力的影響Fig.2 The energy of different part of plant influenced by biochar processing

2.2 棉稈炭輸入對作物花蕾花鈴數的影響

不同施用量的棉稈炭棉花花蕾花鈴數有明顯差異，如(圖3)。連續(xù)施用棉稈炭(NPKC)與對照CK之間的花蕾花鈴數存在顯著差異(P<0.05)，NPKC的花蕾花鈴數減少了12.18%。從NPKC到N低PKBc1.5，減少施氮量同時增加棉稈炭施用量，花蕾花鈴數增加(P<0.05)，增加了45.67%。處理NPKBc1.5與N低PKBc1.5之間的花蕾花鈴數差異顯著(P<0.05)，增加了7.48%。與處理N低PKBC1.5相比，施用棉稈炭45.0 t/hm2低氮水平的花蕾花鈴數顯著減少(P<0.05)，減少29.25%；施用棉稈炭45.0 t/hm2，同時增加施氮量至正常水平，花蕾花鈴數顯著增加。增加N，同時增加棉稈炭施用量會導致花蕾花鈴數一定程度減少。

圖3 不同棉秸稈棉稈炭處理下的花蕾花鈴數變化特征Fig.3 The rule of numbers of bud and bell under different cotton biochar

2.3 棉稈炭輸入對土壤屬性的影響

2.3.1 不同棉稈炭輸入對土壤有機碳影響 隨棉稈炭輸入增加，有機碳含量明顯增加趨勢(圖4)。不同施氮量當施入大于等于45 t/hm2的足量棉稈炭，土壤有機碳含量達到試驗最大值17.23 g/kg，與NPK處理相比增加79.72%。棉稈炭增量小于22.5 t/hm2，NPKC處理組與NPK處理相比增加8.54%。增加22.5 t/hm2棉稈炭，土壤有機碳含量增加64.71%。N低PKBc1.5基礎上增加1倍的棉稈炭，土壤有機碳含量增加10.29%；正常水平施N量，NPKBc1.5增加1倍的棉稈炭，土壤有機碳含量平均增加10.2%。

圖4 不同棉稈炭處理下的有機碳變化規(guī)律Fig.4 Variation of the organic carbon with cotton biochar

2.3.2 不同棉稈炭輸入后土壤電導率和pH值的變化特征 土壤電導率和pH值變化如圖5所示，施N同時棉稈炭施用量≤22.5 t/hm2時，土壤電導率和pH值呈現相似的變化，都是隨著棉稈炭施用量增加，呈現增加趨勢，當棉稈炭施用量大于 45 t/hm2，電導率仍增加，但土壤pH值明顯降低。NPKC處理與NPK處理相比，土壤電導率突然增大，隨后又有所降低，后逐漸變大。與僅施用NPK肥相比，施用足量 45 t/hm2棉稈炭，土壤pH值降到7.09，降低1.16%，電導率增加到7.00 mS/cm，增加了22.09%。由此可看出，棉秸稈碳一定程度上降低了土壤酸堿度。

圖5 不同棉稈炭處理下土壤電導率和pH值的變化規(guī)律Fig.5 Variation of the soil electric conductivity and pH with cotton biochar

2.3.3 不同棉稈炭輸入對土壤含水量及容重的影響 土壤含水量的變化對于植物的生存至關重要，因而有必要仔細探究土壤的含量變化規(guī)律。土壤含水量的變化規(guī)律如圖6所示，自然含水量、田間持水量和飽和含水量均隨著棉稈炭輸入量的增加而增加，但當施用量增加至45 t/hm2后，要減少施N量才能增加土壤的含水量。土壤容重與含水量呈現相反的變化趨勢，即隨著棉稈炭施用量增加其明顯減小。

NPKC與僅施用NPK肥相比較，土壤自然含水量、田間持水量和飽和含水量分別增加0.53，2.50，2.40百分點。分別在N低PKBc1.5和NPKBc1.5基礎上各增加1倍的棉稈炭，自然含水量分別增加1.7,0.3百分點；田間持水量分別增加3.5,2.4百分點；飽和含水量分別增加6.2,1.6百分點。

圖6 不同棉稈炭處理下自然含水量、田間持水量、飽和含水量和容重的變化規(guī)律Fig.6 Variation of the natural moisture content, field capacity, saturation moisture content and soil bulk density with cotton biochar

2.4 植株形態(tài)特征與土壤理化性質相關性

由表3可知，花蕾花鈴數和單株葉面積之間存在極顯著正相關，隨著單株葉面積增加，花蕾花鈴數逐漸增大如(圖7)，根冠比與花蕾花鈴數和單株葉面積存在顯著或極顯著負相關關系。花蕾花鈴數和單株葉面積受到有機碳和容重的影響較大，但未達到顯著影響 (P>0.05)，有機碳促進二者生長，而容重抑制二者生長。含水量對于花蕾花鈴數有一定正向影響，但相關性不顯著(P>0.05)。自然含水量與土壤容重呈顯著負相關，田間持水量和飽和含水量與容重呈極顯著負相關。

注：在P<0.01，**代表極顯著；P<0.05，*代表顯著。PLA.單株葉面積；BBN.花蕾花鈴數；R/S.根冠比；NMC.自然含水量；FC.田間持水量；SMC.飽和含水量；OC.有機碳；EC.電導率；BW.容重。

Note：**. Represents extremely significant (P<0.01),*. Significant difference(P<0.05). PLA. Leaf-area per plant; BBN. Bud and bell; R/S. Root shoot ratio; NMC. Natural moisture content; FC. Field capacity; SMC. Saturation moisture content; OC. Organic carbon; EC. Electrical conductivity; BW. Bulk weight.

圖7 花蕾花鈴數與單株葉面積回歸分析(n=11)Fig.7 Regression analysis with leaf area per plant flower and number bud and boll (n=11)

3 結論與討論

作物葉片特征和花蕾花鈴數在棉稈炭的影響下都發(fā)生了變化，單株葉面積明顯增加；但花蕾花鈴數具有一定差異，從NPKC到N低PKBc1.5，減少施氮量同時增加棉稈炭施用量，花蕾花鈴數增加(P<0.05)。與處理N低PKBc1.5相比，施用棉稈炭45 t/hm2低氮水平的花蕾花鈴數顯著減少(P<0.05)；施用棉稈炭45 t/hm2，同時增加施氮量至正常水平，花蕾花鈴數顯著增加。增加N，同時增加棉稈炭施用量會導致花蕾花鈴數一定程度減少。陳心想等[20]研究生物炭對塿土糜子和小麥產量影響時，發(fā)現20 t/hm2生物炭輕微抑制了2作物產量，同時指出生物炭對產量影響并非持續(xù)穩(wěn)定。與前人研究相比，本次研究也出現了同樣的生物碳效應。然而，此次研究發(fā)現，棉稈炭超過45 t/hm2，棉稈炭開始同時限制棉花地下及地上部分生長。Zhang等[8]研究認為，生物炭施用后，土壤容重降低和氮素利用率增加是作物產量增加的主要原因，本次研究發(fā)現了相似的規(guī)律，然而隨著增加大量的棉稈炭，產量的不穩(wěn)定性逐步顯現，這可能是由于施用過量的棉稈炭，其吸附性超出了作物根部吸收營養(yǎng)的能力，抑制了元素的活性，作物產量反而較低[25]。有學者認為，添加棉稈炭后，作物形態(tài)與產量發(fā)生變化是作物本身對外部環(huán)境做出的特殊響應[26]，棉稈炭通過改善土壤微環(huán)境，同時積極作用于作物根系結構，改善后的根際微環(huán)境和根系結構反過來協(xié)同促進作物的地上部分生長；當棉稈炭增加至過量甚至大量，會消耗植物運輸養(yǎng)分的部分能量，阻礙了某些元素的運移，所以作物并不能吸收充足的養(yǎng)分，因而從形態(tài)上表現出單株葉面積降低、花蕾花鈴數明顯減少[27]。另一些學者認為，作物形態(tài)以及產量變化的原因也可能是根際微環(huán)境被打破[28]，導致作物地上地下部分對與物質與能量需求不協(xié)調，從而在宏觀上表現出了上述特征。此次研究表明，適量施用棉稈炭可以促進根際微環(huán)境的修復，在一定程度協(xié)調了土壤養(yǎng)分與作物生長之間的關系。

為了證實棉稈炭輸入加速土壤作物系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展，本研究通過定義單株葉面積與根冠比β，以說明棉稈炭對地上葉片和植株整體的影響，從而解釋其協(xié)同發(fā)展。Lehmann等[28]研究表明，根冠結構處于均衡狀態(tài)時，其資源利用效率最高，但環(huán)境改變時即被打破。試驗表明，正常施氮水平，棉稈炭輸入會改變根部—土壤微環(huán)境平衡，植株為了能夠獲取更多養(yǎng)分，提高自身的光合作用，單株葉面積和根冠比對此做出最顯著的反應，葉片面積平均增大31.15%，根冠比增加11.6%～13.3%，此時β最接近于1。這有利于植株處于更加均衡的生長模式。

試驗另一結果表明，棉稈炭添加對棉花生長及灰漠土理化性質產生了顯著影響。未添加棉稈炭前，灰漠土pH、電導率和有機碳分別為8.35、0.22 mS/cm、6.91 g/kg。且棉稈炭具有較高pH (9.21) 以及電導率(5.47 mS/cm)。添加棉稈炭后，不同處理的效果不同。施用大于等于45 t/hm2棉稈炭配施N，土壤有機碳含量達到試驗最大值17.23 g/kg，與NPK處理相比增加79.72%。棉稈炭增量小于22.5 t/hm2，NPKC處理組與NPK處理相比增加8.54%。增加22.5 t/hm2棉稈炭，土壤有機碳含量增加64.71%。N低PKBc1.5基礎上增加1倍的棉稈炭，土壤有機碳含量增加10.29%；正常水平施N量，NPKBc1.5增加1倍的棉稈炭，土壤有機碳含量平均增加10.20%。土壤電導率和自然含水量、飽和含水量、田間持水量之間呈現顯著正相關。分別在N低PKBC1.5和NPKBC1.5基礎上各增加1倍的棉稈炭，田間持水量分別增加3.5，2.4百分點；飽和含水量分別增加6.2,1.6百分點，自然含水量分別增加1.7,0.3百分點，容重顯著減小，這與前人的研究基本一致[13,29]。不同之處在于本研究中施用22.5 t/hm2棉秸炭，土壤田間持水量提高了3.5百分點，比之前的報道要低6百分點，這可能與土壤質地、管理水平有關。由于干旱區(qū)農田土壤—作物系統(tǒng)是一種收不抵支的平衡系統(tǒng)，通過適時增加外部物質和能量供應才能達到微平衡，顯然這種平衡不是真正意義的動態(tài)平衡，然而這種微平衡對于干旱區(qū)農田土壤—作物系統(tǒng)意義重大。微平衡在一定程度上滿足了作物部分生長周期特點的需求，短期優(yōu)化了土壤結構，使得系統(tǒng)接近了平衡收支[29]。這將為干旱區(qū)農田系統(tǒng)精細化管理提供一定的思路。

灰漠土棉田增施22.5 t/hm2生物炭并配施低量氮肥顯著提高土壤有機碳含量，降低土壤容重。增施22.5 t/hm2生物炭配施低量氮肥增加單株葉面積，顯著提高根冠比。因而，研究認為，干旱區(qū)農田土壤—作物系統(tǒng)在棉稈炭和低氮調控下更容易均衡發(fā)展，對于作物產量提升和土壤屬性改良均有積極作用，這將為豐富農田養(yǎng)分循環(huán)過程、認知不同時空尺度上的生物協(xié)同結構和作用機制提供指導，從而為干旱區(qū)農田系統(tǒng)優(yōu)化管理提供科學指導。

致謝：感謝新疆農業(yè)科學院土壤肥料與農業(yè)節(jié)水研究所張云舒副研究員在土壤樣品分析時給予的幫助，感謝園藝所劉會芳助理研究員在樣品采集中付出辛的勤汗水。