寧夏引黃灌區(qū)生物炭配施氮肥對春小麥產(chǎn)量的影響

祿興麗

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】全球氣候、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展變化，對環(huán)境與資源造成了嚴(yán)重挑戰(zhàn)和新的發(fā)展機(jī)遇。寧夏引黃灌區(qū)是西北地區(qū)主要的商品糧基地之一，小麥?zhǔn)窃搮^(qū)優(yōu)勢特色作物之一，對保障全自治區(qū)糧食安全具有非常重要的貢獻(xiàn)[1]。然而該區(qū)域追求糧食高產(chǎn)要以大量投入水肥為必要條件，雖然化肥施用是作物增產(chǎn)的重要措施[2]。然而受特殊的氣候制約，傳統(tǒng)的過量施肥方式和不合理的施肥結(jié)構(gòu)造成了化肥利用率低下，農(nóng)業(yè)面源污染加重[3-4]，嚴(yán)重影響區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，探索在“用地”的同時可以“養(yǎng)地”的施肥方式，是滿足不斷增長的糧食需求和保護(hù)環(huán)境的關(guān)鍵所在。【前人研究進(jìn)展】據(jù)報(bào)道，中國近10年來糧食作物秸稈年均露天焚燒量為1.13×108t，約占年均作物秸稈產(chǎn)量的21.6 %[5]。這不僅造成資源浪費(fèi)且污染環(huán)境，引起了全社會的廣泛關(guān)注。將秸稈在厭氧下進(jìn)行熱解碳化后，可制作成一類高度芳香化且富含碳的固態(tài)物質(zhì)，叫做生物炭(biochar)[6]。生物炭不僅能夠提高作物的產(chǎn)量，而且可實(shí)現(xiàn)碳固存，現(xiàn)已成為當(dāng)今國內(nèi)外農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7-8]。大量研究表明，生物炭配施化肥不僅能夠顯著增加作物產(chǎn)量[9-10]、氮肥利用效率和玉米經(jīng)濟(jì)效益而且還能夠降低碳排放[11]。然而，也有研究結(jié)果顯示生物炭對作物生長及產(chǎn)量沒有影響或者具有降低作用[12-13]。生物炭對作物產(chǎn)量影響的差異報(bào)道，可能是由于與不同試驗(yàn)中生物炭性狀、施炭量、土壤類型、年際效應(yīng)和環(huán)境條件等不同而導(dǎo)致的?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前國內(nèi)外關(guān)于生物炭配施氮肥對作物產(chǎn)量的研究很多，但研究結(jié)果仍然存在著爭議?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此本文在寧夏引黃灌區(qū)通過設(shè)置不同的施肥類型(不施氮肥、氮肥單施、氮肥配施生物炭和氮肥+秸稈還田)，探究生物炭配施氮肥對引黃灌區(qū)春小麥作物產(chǎn)量、氮肥利用效率及0～20和20～40 cm土壤肥力的影響，從而為有助于該區(qū)環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的施肥類型提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)介紹

試驗(yàn)在寧夏回族自治區(qū)銀川市賀蘭縣立崗鎮(zhèn)(N38°33′、E106°21′，海拔1108 m)進(jìn)行。該地區(qū)地處西北內(nèi)陸，屬中溫帶干旱氣候區(qū)，年均≥10 ℃積溫3281.6 ℃，無霜期140～160 d，平均日照時數(shù)2935.5 h，日溫差13.4 ℃，年降水量138.8 mm，年均氣溫9.7 ℃。試驗(yàn)地土壤為灌淤土，耕層土壤(0～20 cm)有機(jī)質(zhì)含量為8.5 g/kg，全氮含量為0.88 g/kg，全磷(P)含量為0.98 g/kg，有效磷含量為18.5 mg/kg，pH為7.6。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

處理方式設(shè)置：擬考慮設(shè)置4個不同的施肥處理，依次分別為不施氮肥(N0)、單施氮肥(N)、秸稈+氮肥(NS)、生物炭+氮肥(NB)。本研究采用的生物炭是玉米秸稈在600 ℃高溫鏈接30 min獲得，秸稈還田處理采用粉碎玉米稈5000 kg/hm2進(jìn)行還田，生物炭和秸稈均在耕作前以撒施方式施入土壤。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)置，每個處理3次重復(fù)，共為12個小區(qū)，小區(qū)面積為4 m×8 m(32 m2)，試驗(yàn)處理見表1。

各處理春小麥采用條播，于3月8號播種，7月6號收獲，品種為寧春55號，行距為22 cm，播種量為272 kg/hm2；各處理磷肥和鉀肥一致，均為P2O5224 kg/hm2，K2O 10 kg/hm2，全部以基肥的形式施用，田間其他管理方式與當(dāng)?shù)叵嗤２捎么笏嗟姆绞竭M(jìn)行灌溉，灌溉日期分別為4月26日、5月16日和6月7日。

1.3 測試指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤性狀 土壤性狀的測定利用鮑士旦[14]的方法進(jìn)行。土壤有機(jī)質(zhì)含量：重鉻酸鉀容量法——外加熱法；土壤全氮：凱氏定氮法；土壤pH：用pH計(jì)測定；土壤全磷鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀：火焰光度法測定；電導(dǎo)率：電導(dǎo)法測定；土壤脲酶活性：苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；土壤蔗糖酶活性：3,5-二硝基水楊酸比色法。

1.3.2 產(chǎn)量構(gòu)成因素及氮素利用效率 ①在作物收獲期收獲1 m2小麥進(jìn)行產(chǎn)量測定。②氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NUE)和氮肥生產(chǎn)效率(NPE)的計(jì)算公式如下[15]。

NUE=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-氮空白區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量

(1)

NPE=籽粒產(chǎn)量/施氮量

(2)

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用SPSS和GraphPad Prism 6.0軟件對土壤性狀、作物產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥生產(chǎn)效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和作圖。

表1 試驗(yàn)不同處理肥料用量

表2 生物炭肥對土壤性狀影響的F值

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭配施化肥對土壤性狀的影響

不同化肥類型和取樣土層顯著影響土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和pH值(表2和圖1)。單施氮肥、氮肥配施生物炭肥和氮肥+秸稈還田措施較無氮肥處理顯著依次分別增加有機(jī)碳含量3.2 %、6.9 %和1.1 %，并且0～20 cm土層有機(jī)碳含量較20～40 cm土層有機(jī)碳含量顯著增加3.0 %(表2)。0～20 cm土層有機(jī)碳結(jié)果顯示，NB處理下土壤有機(jī)碳含量最高，為8.48 g/kg，N、NB和NS分別較N0處理增加土壤有機(jī)碳含量2.7 %、8.7 %和4.5 %。20～40 cm土壤有機(jī)碳結(jié)果顯示，N和NB處理較N0分別增加土壤有機(jī)碳含量3.5 %和5.0 %，而NS卻較N0處理減少SOC含量2.6 %(圖1-a)。

對土壤全氮進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明：氮肥配施生物炭肥和氮肥+秸稈還田措施較無氮肥處理顯著依次分別增加全氮含量3.8 %和3.0 %，并且0～20 cm土層全氮含量較20～40 cm土層顯著增加3.0 %(表2)?；暑愋秃腿由疃冉换プ饔媒Y(jié)果顯示，0～20 cm土層下，NS和NB分別較N0處理增加全氮含量5.0 %和4.0 %，而N和N0處理下全氮含量卻沒有顯著差異。20～40 cm土層全氮含量結(jié)果顯示，NB較N0處理增加全氮含量4.0 %(圖1-b)。

土壤全磷的方差分析結(jié)果顯示，氮肥配施生物炭肥較無氮肥處理顯著增加全磷含量5.2 %，并且0～20 cm土層全磷含量較20～40 cm土層全磷含量增加8.5 %(表1)?；屎腿由疃冉换バ?yīng)結(jié)果顯示，0～20 cm NB處理下全磷含量最高為1.06 g/kg，較N0處理增加全磷含量5.0 %。20～40 cm全磷結(jié)果顯示，NB和N處理較N0處理增加全磷含量5.4 %和1.1 %(圖1-c)。

pH的方差分析結(jié)果顯示，氮肥+秸稈還田處理較不施氮肥處理pH增加1.3 %，而土壤pH值在NB處理和N0處理下卻沒有顯著差異?；屎腿由疃鹊慕换バ?yīng)顯著影響土壤pH值(表2)，0～20 cm土層下，NS處理下土壤pH值最高，為8.47，而20～40 cm土層下，NB、NS和N0處理下土壤pH值卻沒有顯著差異(圖1-d)。

2.2 生物炭配施氮肥對土壤速效鉀和電導(dǎo)率的影響

土壤速效鉀含量受取樣土層和生物炭配施氮肥的影響，N、NB和NS處理下土壤速效鉀含量較無氮肥處理依次分別增加6.2 %、28.0 %和2.2 %，并且0～20 cm土層較20～40 cm土層增加速效鉀含量17.4 %(表2)。交互效應(yīng)結(jié)果顯示：0～20 cm土層下，N、NB和NS較N0增加速效鉀含量依次分別為10.5 %、25.7 %和11.4 %。20～40 cm土層下，NB較N0處理增加速效鉀含量30.5 %，而N和N0處理間速效鉀含量卻沒有顯著差異(圖2-a)。

化肥類型和取樣土層顯著影響土壤電導(dǎo)率，單施氮肥較無氮肥處理增加電導(dǎo)率12.3 %，而氮肥配施生物炭肥卻較無氮肥處理降低電導(dǎo)率5.5 %，氮肥+秸稈還田處理下電導(dǎo)率與無氮肥處理卻沒有顯著差異。此外，0～20 cm土層較20～40 cm土層增加電導(dǎo)率29.4 %(表2)。交互效應(yīng)結(jié)果顯示：0～20 cm土層下，N、NB和NS較N0降低電導(dǎo)率依次分別為3.6 %、11.6 %和23.4 %。20～40 cm土層下，N、NB和NS較N0增加電導(dǎo)率依次分別為39.8 %、5.0 %和40.1 %(圖2-a)。

2.3 生物炭配施氮肥對土壤酶活性的影響

化肥類型和取樣土層顯著影響土壤尿酶和蔗糖酶活性(表2和圖3)，與無氮肥處理相比，單施氮肥、氮肥配施生物炭和氮肥+秸稈還田增加土壤尿酶活性依次分別為24.6 %、18.9 %和16.4 %，0～20 cm土層尿酶活性較20～40 cm高7.3 %?；适┯妙愋秃屯翆尤咏换バ?yīng)結(jié)果顯示，0～20 cm土層N、NB和NS處理較N0處理增加尿酶活性依次分別為25.6 %、29.4 %和16.0 %；20～40 cm土層，增加百分率卻依次為23.6 %、8.2 %和6.9 %(圖3)。

對于蔗糖酶來說，單施氮肥、氮肥配施生物炭和氮肥+秸稈還田增加土壤蔗糖酶活性依次分別為12.5 %、10.4 %和14.6 %，0～20 cm土層蔗糖酶活性較20～40 cm高10.0 %。0～20 cm土層，NB和NS處理較N0增加土壤蔗糖酶活性依次分別為18.4%和18.4%，而N和N0處理下土壤蔗糖酶活性卻沒有顯著差異，而20～40 cm土層各個處理間土壤蔗糖酶活性卻沒有顯著差異(表2和圖3)。

表3 生物炭肥對作物產(chǎn)量、NUE和NCE影響的方差分析

2.4 生物炭配施氮肥對作物產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

化肥類型顯著影響作物產(chǎn)量、N肥農(nóng)學(xué)利用效率(表3)，NB處理下小麥產(chǎn)量最高，為7705.96 kg/hm2，其次為N和NS處理，NB、N和NS處理較N0分別增加小麥產(chǎn)量依次分別為35.2 %、15.8 %和18.2 %。NB處理下NUE最大，分別較N和NS顯著增加122.8 %和92.9 %。

3 討 論

3.1 土壤性狀

本研究比較了施用不同肥料類型對土壤性狀、春小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響。結(jié)果表明，NB能較N0處理顯著提高0～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量、0～20 cm全氮含量和0～40 cm全磷含量。這與以往的研究結(jié)果比較相似[16]。生物炭作為土壤改良劑能夠提高土壤肥力和碳庫存[17-19]，如增加土壤有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳含量，提高土壤中的碳氮比和提高土壤對氮、磷、鉀等元素的吸持容量[20-21]。也有些研究顯示，生物炭對土壤肥力參數(shù)和碳庫存潛力有抑制作用或沒有影響[22-23]。這些差異性結(jié)果可能與土壤類型、生物炭種類及用量等因素有關(guān)系[24]。

NB處理顯著增加了土壤速效鉀含量，主要原因是生物炭中含有大量的可提取性鉀元素，因此，生物炭施入土壤中會增加鉀的輸入，進(jìn)而增加土壤速效鉀含量[25]。此外，生物炭是具有較大的比表面積和孔隙度[26]，施入土壤后，釋放一定的K+、Ca2+等鹽基離子，能夠提高土壤陽離子交換性能，促進(jìn)土壤保肥能力[27]。

NB處理較N0處理降低0～20 cm電導(dǎo)率11.6 %，由于生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)、大表面積和較強(qiáng)的陽離子互相交換能力，因此，應(yīng)用生物炭能緩解土壤鹽分表聚，有助于降低土壤含鹽量，最終減緩鹽脅迫[28-29]。

N、NB和NS較N0處理均顯著增加了土壤尿酶活性，陳心想等[30]的研究結(jié)果也表明生物炭的施用一方面能夠增加土壤肥力、提高土壤質(zhì)量，從而有利于微生物的繁殖，進(jìn)而增加酶活性；另一方面，生物炭的施用能夠促進(jìn)脲酶水解過程，進(jìn)而增加脲酶的活性。

蔗糖酶有利于加速分解糖類，促進(jìn)土壤碳循環(huán)。本試驗(yàn)中，NB和NS處理較N0處理能顯著增加0～20 cm土層蔗糖酶活性，然而對于20～40 cm土層，各個處理間蔗糖酶活性差異卻不顯著，李娜等[31]的研究表明生物碳配施氮磷鉀肥提高了34.2 %的蔗糖酶活性。袁晶晶等[32]的研究生物炭-氮肥配施對土壤微生物學(xué)活性的影響發(fā)現(xiàn)總體上生物炭對土壤中蔗糖酶沒有顯著影響。也有研究表明生物炭的施入會降低蔗糖酶活性[33]。因此，生物炭對蔗糖酶活性的影響結(jié)果并不一致。

3.2 作物產(chǎn)量和氮肥利用率

本試驗(yàn)結(jié)果表明，NB處理較N和NS提高了春小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率，這與前人的研究結(jié)果比較一致[34]。生物炭可以減少土壤容重，增加土壤pH值、有機(jī)碳，最終提高作物產(chǎn)量[35-37]。Zheng等[11]研究也表明生物炭配施化肥能夠增加氮肥利用效率、作物經(jīng)濟(jì)效益以及降低碳排放。施用生物炭可以提高與土壤C、N循環(huán)有關(guān)的土壤酶活性，促進(jìn)植株對土壤養(yǎng)分的吸收[38]，進(jìn)而增加作物氮肥利用效率。然而，也有研究表明，生物炭對促進(jìn)增產(chǎn)并沒有顯著的影響[39-40]。Lehmann等[6]卻表明生物炭的施用能否增加作物產(chǎn)量和土壤自身的養(yǎng)分供應(yīng)有關(guān)。Tammeorg[41]研究結(jié)果表示，生物炭減輕了短暫的水分虧缺，因此增加了作物的產(chǎn)量組成，但是并沒有起到增產(chǎn)和促進(jìn)氮的更新的作用。因此，生物炭對作物產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響可能受土壤類型、氣候條件等因素影響，還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

(1)生物炭配施氮肥、秸稈還田配施氮肥較無氮肥處理均能增加土壤有機(jī)碳和全氮含量，其中生物炭配施氮肥效果最佳。生物炭配施氮肥能顯著增加土壤全磷含量、20～40 cm土壤pH值、土壤速效鉀含量，并降低土壤電導(dǎo)率含量。

(2)與無氮肥處理相比，單施氮肥、生物炭配施氮肥、秸稈配施氮肥較無氮肥均能不同程度提高0～40 cm 土壤尿酶活性，而對于蔗糖酶活性，生物炭配施氮肥和秸稈+氮肥能較無氮肥處理顯著增加0～20 cm土層活性。

(3)單施氮肥、生物炭配施氮肥、秸稈配施氮肥較無氮肥均能顯著增加春小麥產(chǎn)量15.8 %～35.2 %，其中生物炭配施氮肥增加效果最為顯著；生物炭配施氮肥能較單施氮肥和氮肥+秸稈還田顯著增加作物氮肥利用效率。