小麥秸稈生物炭對(duì)冬小麥生長(zhǎng)及土壤水分的影響

鄭云珠 田曉飛 翟勝 白廣坤 孫曉萱 王雅冉 王昌泓 孫樹(shù)臣

摘要：為探明小麥秸稈生物炭對(duì)冬小麥生長(zhǎng)及土壤水分的影響，通過(guò)冬小麥盆栽試驗(yàn)，研究7種生物炭施用量：0（CK）、10（B10）、20（B20）、30（B30）、40（B40）、50（B50）、60（B60）t/hm2對(duì)北方潮土區(qū)冬小麥株高、生物量及土壤含水量的影響。結(jié)果表明，與對(duì)照（CK）相比，B10、B30、B40、B60處理下的株高分別顯著增加10.01%、14.99%、9.38%、18.94%，B20和B50處理對(duì)冬小麥株高提升效果不顯著。施用生物炭可分別提高冬小麥的地上干物質(zhì)量18.97%～34.29%、地下干物質(zhì)量6.07%～59.62%、總干物質(zhì)量16.02%～39.89%，但對(duì)根冠比沒(méi)有顯著影響。B10處理可以增加冬小麥苗期、拔節(jié)期、開(kāi)花期和灌漿期的土壤含水量，其他生物炭處理下土壤含水量在不同時(shí)期均低于對(duì)照（CK）。因此，在肥力較高的潮土中，施用低量的小麥秸稈生物炭可以促進(jìn)冬小麥的生長(zhǎng)并增加土壤水分。

關(guān)鍵詞：生物炭;冬小麥;小麥秸稈;生長(zhǎng);土壤含水量

中圖分類號(hào)：S512.1+10.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）23-0084-05

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)原料（包括農(nóng)業(yè)秸稈、林業(yè)廢棄物、水生植物、禽畜糞便以及工業(yè)殘留物等生物質(zhì)[1-2]）在完全缺氧或限氧條件下，通過(guò)高溫?zé)崃呀舛纬傻囊活惙€(wěn)定難溶、具有高度芳香化結(jié)構(gòu)及富含碳的固態(tài)物質(zhì)[3-4]。生物炭一般呈堿性，具有較大的陽(yáng)離子交換量（CEC）和吸附能力，可以提高土壤的保肥能力[5-6]，同時(shí)生物炭比表面積較大、容重小、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，施入土壤可以改善土壤結(jié)構(gòu)等[7-8]。生物炭生產(chǎn)是廢棄物資源得到合理利用、減少環(huán)境污染以及改善土壤理化性質(zhì)的一種有效可行的方式，近年來(lái)得到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中[9]。越來(lái)越多的研究表明，施用生物炭可以改善土壤環(huán)境，增加土壤中有機(jī)碳、全氮、速效磷、速效鉀等含量，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量[10-11]。代快等在赤紅壤中研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，施用4%生物炭的烤煙產(chǎn)量和水分利用效率分別顯著提高46.2%和68.8%[12]。陳芳等研究發(fā)現(xiàn)，秸稈炭和谷殼炭對(duì)水稻株高、生物量增加的效果比木炭明顯[13]。Jones等通過(guò)3年的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，前2年施用生物炭對(duì)作物的株高和生物量沒(méi)有顯著影響，但在第3年作物株高和生物量顯著增加[14]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，施用中、高量生物炭會(huì)降低夏玉米的周年產(chǎn)量[15]。因此，因生物炭材料、施炭量、作物種類以及土壤類型等因素不同，生物炭添加后對(duì)作物生長(zhǎng)的效用還存在一定的差異。

小麥在我國(guó)糧食生產(chǎn)中占有重要的地位，是我國(guó)重要的糧食作物之一。目前，針對(duì)潮土區(qū)的多數(shù)研究，施用的生物炭多以小麥秸稈以外的材料制作，且對(duì)于生物炭是否能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)的結(jié)論還不一致，而將小麥秸稈炭化后回歸冬小麥種植中的研究報(bào)道較少。為此，本試驗(yàn)以冬小麥為研究對(duì)象，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，探討潮土區(qū)不同小麥秸稈生物炭施加量對(duì)冬小麥生長(zhǎng)以及土壤水分的影響，以期為生物炭更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018—2019年在聊城大學(xué)土壤生態(tài)環(huán)境教學(xué)科研基地（36°43′ N，116°01′ E）進(jìn)行。該區(qū)位于山東省聊城市，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫約為13.5 ℃，無(wú)霜期208 d，年均降水量約為540.4 mm，主要集中在夏季，年內(nèi)降水季節(jié)分配不均。圖1反映了研究期內(nèi)的平均氣溫和降水量，冬小麥生育期內(nèi)（2018年11月至2019年6月）的平

均氣溫為10.2 ℃，總降水量為98.1 mm。

1.2 供試材料

供試土壤為潮土，質(zhì)地為壤質(zhì)土，基本理化性質(zhì)：pH值為8.59，有機(jī)質(zhì)含量為9.220 g/kg、全氮含量為0.568 g/kg、全磷含量為0.411 g/kg、全鉀含量為18.987 g/kg、速效磷含量為3.857 mg/kg、速效鉀含量為64.820 mg/kg。供試小麥秸稈生物炭由南京智融聯(lián)科技有限公司提供，裂解溫度為500 ℃，基本理化性質(zhì)：pH值10.20，全碳含量549.06 g/kg，全氮含量11.54 g/kg，陽(yáng)離子交換量40 cmol/kg，全磷含量2.42 g/kg，全鉀含量34.53 g/kg，速效磷含量386.46 mg/kg，速效鉀含量20 625.00 mg/kg。供試小麥品種為濟(jì)麥22。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年11月10日冬小麥播種起至2019年6月10日收獲止。采用盆栽試驗(yàn)，盆栽桶選用內(nèi)徑為20 cm，高為50 cm的聚氯乙烯（PVC）管，底部用擋板密封，防止水分滲漏。本試驗(yàn)生物炭施用量分別為0、10、20、30、40、50、60 t/hm2共7個(gè)處理水平（分別記作CK、B10、B20、B30、B40、B50、B60），每個(gè)處理重復(fù)5次。盆栽用土全部過(guò) 5 mm 篩并自然風(fēng)干，每個(gè)盆栽桶裝風(fēng)干土17 kg，風(fēng)干土分3次填裝，首先裝風(fēng)干土至25 cm處并壓實(shí)，再裝入混合均勻的土壤、肥料和生物炭至盆栽桶 40 cm 高處，播種20粒小麥，盆栽桶中部播種一行，邊緣播種2粒，最后覆蓋混合均勻的風(fēng)干土與生物炭5 cm。各盆栽施肥量相同，分別為氮肥（尿素，含氮46%，225 kg/hm2）、磷肥（磷酸二銨，含P2O5 46%，125 kg/hm2）、鉀肥（氯化鉀，含K2O 60%，90 kg/hm2），50%的氮肥和全部鉀肥、磷肥在盆栽時(shí)一次性施入作為底肥，50%氮肥在冬小麥拔節(jié)期和灌漿期采用水肥一體化技術(shù)等量追施，其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 植物指標(biāo)測(cè)定 冬小麥株高采用卷尺進(jìn)行測(cè)量，自2018年12月12日至試驗(yàn)結(jié)束，每月測(cè)定1次，每個(gè)盆栽內(nèi)的株高用全部冬小麥株高的平均值表示。試驗(yàn)結(jié)束后，采集所有盆栽全部的整株新鮮冬小麥樣品（包括地上部分的莖、葉和地下部分的根系），帶回實(shí)驗(yàn)室稱鮮質(zhì)量，采用烘干法于 105 ℃ 殺青30 min，之后于75 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，并計(jì)算干物質(zhì)量和根冠比。

孫海妮等研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭處理的小麥地上生物量比對(duì)照增加13.3%～21.3%[23]。本試驗(yàn)中，施用生物炭對(duì)冬小麥的地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量和總干物質(zhì)量均具有促進(jìn)作用，可提高冬小麥總干物質(zhì)量16.02%～39.89%。這說(shuō)明施用生物炭能促進(jìn)地下根系生長(zhǎng)，能夠?yàn)槎←溨仓晏峁┧枰乃?、養(yǎng)分等，從而提高冬小麥生物量。但代紅翠等研究堿性沙土發(fā)現(xiàn)，小麥株高、地上部生物量、根質(zhì)量均隨生物炭施用量的增加而呈降低趨勢(shì)[24]。這與本試驗(yàn)結(jié)果不一致，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)B60處理對(duì)冬小麥的株高、地下和總干物質(zhì)量效果最好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)生物炭施用量增加導(dǎo)致生物量降低的現(xiàn)象。謝迎新等研究與本試驗(yàn)相同類型的潮土發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用生物炭可以增加小麥的生物量[25]。

生物炭本身具有疏松多孔、比表面積大的特性，可以改善土壤的結(jié)構(gòu)性狀，增加土壤的持水性和水分利用效率，從而減少水土流失[26-27]。張娜研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤含水量整體水平較低時(shí)，施用少量的生物炭可以促進(jìn)土壤水分的保持[28]。本試驗(yàn)結(jié)果與之相似，在冬小麥的拔節(jié)期和灌漿期主要依靠降水，土壤含水量整體較低，與對(duì)照相比，僅B10處理可以增加土壤含水量，其他生物炭處理土壤含水量均低于對(duì)照，這可能是由于生物炭施加量過(guò)高，導(dǎo)致土壤孔隙增大，加大了土壤水分的損失。

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)比分析不同小麥秸稈生物炭施用量對(duì)冬小麥生長(zhǎng)及土壤含水量的影響，主要得出以下結(jié)論：（1）添加生物炭可促進(jìn)冬小麥株高的生長(zhǎng)，冬小麥?zhǔn)┯蒙锾康闹旮弑憩F(xiàn)為B60>B30>B10>B40>B50>B20>CK，其中，B10、B30、B40、B60處理下的株高分別比對(duì)照顯著增加10.01%、14.99%、9.38%、18.94%。（2）與不施加生物炭相比，施用生物炭處理均可提高冬小麥的地上和地下生物量，總干物質(zhì)量提高16.02%～39.89%，大小表現(xiàn)為B60>B20>B40>B30>B50>B10>CK，對(duì)冬小麥的地上秸稈含水量和根冠比的增加也有一定的促進(jìn)作用，但影響不顯著。（3）B10處理土壤含水量在冬小麥的苗期、拔節(jié)期、開(kāi)花期和灌漿期均高于對(duì)照，其他生物炭處理均能在冬小麥的4個(gè)時(shí)期不同程度地降低土壤含水量。

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