水稻秸稈生物炭對江漢平原麥區(qū)小麥養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響

劉美玲，劉 悅，陳婷婷，鄒 娟，史文琦，曾凡松，龔雙軍，黃振余，劉 威，楊立軍，喻大昭

（1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華中作物有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)作物重大病蟲草害防控湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064；2湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，武漢 430064；3鐘祥市石牌鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，湖北鐘祥 431922）

0 引言

生物炭是由作物秸稈、穎殼、樹枝和木屑等農(nóng)業(yè)廢棄物在缺氧或少氧條件下高溫裂解炭化形成的黑色細(xì)小顆粒固體物質(zhì)[1]。生物炭具有含碳率高、比表面積大、多孔隙、理化性質(zhì)穩(wěn)定等特性，能夠增加土壤的通氣性和持水量[2-3]，提高土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分含量[4]，參與土壤環(huán)境中磷素循環(huán)、影響土壤磷素物質(zhì)轉(zhuǎn)化和一定程度緩解或改善土壤板結(jié)[5]。自20世紀(jì)末“生物炭”概念提出以來，各國學(xué)者研究普遍認(rèn)為生物炭在改善土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收、提高作物產(chǎn)量，治理環(huán)境污染以及增加“農(nóng)業(yè)碳匯”、減少溫室氣體排放等方面具有重要的作用[6]。

由于生態(tài)條件、氣候條件以及土壤類型等區(qū)域差別，生物炭對作物養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響國內(nèi)外報(bào)道不一，但總體上以正向效應(yīng)居多[6]。Li[7]以及劉歡歡等[8]對小麥、王典等[9]對油菜的試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭對小麥和油菜分別有明顯增產(chǎn)作用；但Zwieten等[10]、Kloss等[11]研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭造成小麥、芥菜、大麥減產(chǎn)。生物炭施用量的多少、施用年限與產(chǎn)量相關(guān)。薛超群等[12]研究顯示，施用600 kg/hm2的生物炭能夠促進(jìn)烤煙增產(chǎn)，而施用900 kg/hm2的生物炭則會造成烤煙減產(chǎn)；闞正榮等[13]研究表明，施用生物炭可以減弱冬小麥開花期和灌漿期的光合“午休”，增強(qiáng)光合性能和潛力，提高籽粒產(chǎn)量，但年施用7200 kg/hm2生物炭較施用3600 kg/hm2光合性能有所降低；Madari等[14]試驗(yàn)表明，在生物炭施用的前3年，大豆產(chǎn)量隨生物炭用量呈線性增加，但在第4、5年對大豆產(chǎn)量無影響。因此，生物炭對不同作物養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的影響是個復(fù)雜過程，受生物炭材料來源的性質(zhì)、施用量、土壤質(zhì)地、土壤肥力等多種因素綜合影響。鐘祥地處江漢平原地區(qū)中部，常年稻-麥輪作、土壤類型屬中國典型的潮土區(qū)。為明確施用生物炭后對小麥營養(yǎng)元素吸收和土壤養(yǎng)分的影響，本研究擬在基施化肥的基礎(chǔ)上，采取基施、追施或同時施用生物炭不同劑量，比較該區(qū)域土壤不同生物炭處理對小麥籽粒和莖葉養(yǎng)分吸收、土壤養(yǎng)分含量以及對小麥產(chǎn)量的影響，以期為秸稈生物炭在江漢平原稻茬麥潮土區(qū)合理利用提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2018年10月至2019年6月在湖北省鐘祥市石牌鎮(zhèn)三喜村（北緯112.50°N，東經(jīng)30.97°E）進(jìn)行。該點(diǎn)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明、降雨充足。土壤類型為潮土，質(zhì)地為粘壤。種植模式為水稻-小麥輪作，水稻、小麥秸稈全量還田。土壤基本理化性質(zhì)如下：pH 6.7，有機(jī)質(zhì)含量為44.23 g/kg，全氮為2.92 g/kg，速效鉀為216.77 mg/kg，速效磷為20.62 mg/kg。

供試生物炭由湖北金日能源股份有限公司生產(chǎn)，制備原料為水稻秸稈，原料經(jīng)粉碎過20目篩及木醋液消毒后，在裂解爐、厭氧環(huán)境下熱裂解所得。供試生物炭有機(jī)質(zhì)為644.67 g/kg、全氮為13.65 g/kg、全磷為6.39 g/kg、全鉀為6.14 g/kg、堿解氮為14.50 mg/kg、速效磷152.47 mg/kg、速效鉀為4511.33 mg/kg，pH 7.95。供試化肥由武漢合緣綠色生物股份有限公司生產(chǎn)，氮磷鉀總用量為267 kg/hm2（N-P2O5-K2O:15-7-8）；小麥品種‘鄭麥9023’，為當(dāng)前湖北省主推品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施

所有處理均在播種期基施化肥的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)置，包括生物炭不同劑量在播種前基施、在小麥返青拔節(jié)期追施、或在兩個時期同施以及設(shè)置不施生物炭等共計(jì)7個處理（表1）。每個處理4次重復(fù)，小區(qū)面積414 m2（長23 m×寬18 m），隨機(jī)區(qū)組排列。對于基施生物炭處理，在播種的前一天先按設(shè)計(jì)用量進(jìn)行人工均勻撒施，播種當(dāng)日所有處理再采用種肥一體播種機(jī)進(jìn)行旋耕條播（2018年10月27日），播種量為225kg/hm2；對于追施生物炭處理，在返青拔節(jié)期（2019年4月11日）按設(shè)計(jì)用量人工均勻撒施。其余田間操作均按當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)田處理設(shè)置

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 植株養(yǎng)分的測定 小麥臘熟期，每小區(qū)三點(diǎn)隨機(jī)采取單行30 cm長度的小麥整株樣（齊土表剪下），脫粒后分別將籽粒和莖葉混勻裝袋，置于恒溫烘箱105℃，30 min殺青后85℃烘至恒重，測定小麥籽粒和秸稈莖葉中氮、磷、鉀含量。全氮采用H2SO4-H2O2消煮奈氏比色法，全磷采用釩鉬黃比色法，全鉀采用火焰光度計(jì)法測定[15]。

1.3.2 土壤養(yǎng)分含量 小麥?zhǔn)斋@后，每小區(qū)隨機(jī)5點(diǎn)取0～25 cm土層樣，混合鋪平陰干后，測定土壤全氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量及pH，測定方法參照鮑士旦[15]方法進(jìn)行。

1.3.3 小麥產(chǎn)量測定 小麥臘熟期，每小區(qū)采用“1米雙行法”[16]隨機(jī)收取小麥穗頭進(jìn)行室內(nèi)考種，調(diào)查總穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重；每小區(qū)采用大型收割機(jī)實(shí)收測鮮重產(chǎn)量，并隨機(jī)選擇3個小區(qū)稱量1 kg小麥籽粒，去雜、曬干后計(jì)算矯正系數(shù)，計(jì)算各小區(qū)實(shí)際產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

參照劉紅恩等[17]方法計(jì)算各元素積累量、各元素總吸收量、生物學(xué)產(chǎn)量和收獲指數(shù)，其中：

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行處理間差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭對小麥氮素吸收和累積的影響

生物炭對小麥籽粒、莖葉中氮含量，氮積累量以及氮總積累量的影響結(jié)果見表2。從表2可看出，施生物炭各處理籽粒和莖葉內(nèi)的氮含量和氮積累量均較不施生物炭處理有所增高，其中氮總積累量各施生物炭處理均顯著高于不施生物炭處理(P＜0.05)；基施及追施生物炭13500 kg/hm2處理(A2+B2)的小麥籽粒、莖葉氮積累量以及氮總積累量最高，分別為221.5 kg/hm2、70.4 kg/hm2和291.9 kg/hm2，分別較不施生物炭處理增加了20.3%、11.9%和18.2%。同一時期生物炭不同施用量處理之間相比，隨著生物炭用量增大，籽粒和莖葉植株內(nèi)氮含量、氮積累量之間有增高的趨勢，但差異未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。

表2 施用不同量生物炭處理小麥氮含量和積累量

2.2 施用生物炭對小麥磷素吸收和累積的影響

生物炭對小麥籽粒、莖葉中磷含量、磷積累量以及磷總積累量的影響見表3。從表3可看出，各施生物炭處理小麥籽粒內(nèi)磷含量有所升高，莖葉內(nèi)磷含量略有升高，但均未達(dá)顯著水平(P＞0.05)。對于小麥籽粒中磷積累量，以追施生物炭9000 kg/hm2處理(B1)最高(47.1 kg/hm2)，比不施生物炭(CK)提高了19.8%，且生物炭基施13500 kg/hm2(A2)、追施9000 kg/hm2(B1)以及基施和追施13500 kg/hm2(A2+B2)三個處理磷積累量均顯著高于不施生物炭處理(P＜0.05)；對于莖葉內(nèi)磷積累量，施生物炭處理較不施生物炭處理均有所升高，以基施和追施生物炭13500 kg/hm2處理(A2+B2)最高(14.8 kg/hm2)，較CK增加了34.5%，但施生物炭與不施生物炭間差異不顯著(P＞0.05)；對于總積累磷量，以基施和追施生物炭13500 kg/hm2處理(A2+B2)最高(62.5 kg/hm2)，較CK顯著增加了24.0%(P＜0.05)。同一時期施用不同量生物炭處理之間相比，隨著生物炭用量增大，籽粒和莖葉植株內(nèi)磷含量、磷積累量之間有增高的趨勢，但各處理間差異不顯著(P＞0.05)。

表3 施用不同量生物炭后小麥磷含量和積累量

2.3 施用生物炭對小麥鉀素吸收和累積的影響

生物炭對小麥籽粒、莖葉中鉀含量、鉀積累量以及鉀總積累量的影響見表4。從表4可看出，各施生物炭處理小麥籽粒內(nèi)鉀含量略有升高，但未達(dá)顯著水平(P＞0.05)；莖葉內(nèi)鉀含量有明顯升高，生物炭基施9000 kg/hm2(A1)、追施9000 kg/hm2(B1)以及基施和追施13500 kg/hm2(A2+B2)三個處理均顯著高于不施生物炭對照(P＜0.05)；施生物炭后，小麥籽粒、莖葉內(nèi)鉀積累量以及鉀總積累量明顯升高，生物炭基施13500 kg/hm2(A2)、基施和追施13500 kg/hm2(A2+B2)兩個處理積累量均顯著高于不施生物炭處理(P＜0.05)。所有處理中，以基施及追施生物炭13500 kg/hm2處理(A2+B2)小麥籽粒中鉀積累量最高(54.2 kg/hm2)，比CK提高了12.4%；總吸鉀積累量最高為280.4 kg/hm2，較CK增加了13.7%；以追施生物炭9000 kg/hm2處理小麥莖葉中鉀積累量最高為1.55%，較CK增加26.0%。同一時期施用不同量生物炭處理之間相比，籽粒和莖葉植株內(nèi)鉀含量、鉀積累量之間沒有明顯的變化規(guī)律。

表4 施用不同量生物炭后小麥鉀含量和積累量

2.4 生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分的影響

生物炭對土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤養(yǎng)分的影響見表5。結(jié)果表明，土壤的pH隨生物炭的施用有所升高，且生物炭施用量越多和施用時間越遲，土壤pH提高越多。土壤有機(jī)質(zhì)含量與生物炭的施用量呈正相關(guān)趨勢，生物炭的施用量越大，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高?；┘白肥?3500 kg/hm2生物炭處理(A2+B2)土壤有機(jī)質(zhì)含量和速效磷最高，較對照處理(CK)分別顯著提高45.0%和26.0%；基施及追施9000 kg/hm2生物炭處理(A1+B1)次之，分別顯著提高了27.7%和25.7%(P＜0.05)。施用生物炭后，土壤速效鉀含量均有所升高，但都均未達(dá)顯著水平；全氮含量各處理間基本沒有變化。

表5 施用不同量生物炭下土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分狀況

2.5 生物炭對小麥農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀的影響

室內(nèi)考種調(diào)查農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀數(shù)據(jù)見表6。結(jié)果表明，與不施生物炭處理相比，生物炭對小麥的株高、結(jié)實(shí)率有正向促進(jìn)作用，施用生物炭的各處理株高均有所增高，結(jié)實(shí)率更高，但均未達(dá)到顯著水平；對小麥穗長有抑制作用，穗長顯著降低。在產(chǎn)量性狀方面，施用生物炭處理公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)與不施生物炭處理之間無明顯變化規(guī)律，但施用生物炭各個處理千粒重均顯著增加(P＜0.05)，且基施及追施13500 kg/hm2生物炭處理(A2+B2)千粒重增加最多，增重8.8 g，增重率26.1%。各生物炭處理的株高、穗長、結(jié)實(shí)率、公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重各項(xiàng)指標(biāo)間，無明顯變化規(guī)律且差異不顯著(P＞0.05)。

表6 不同處理對小麥農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀的影響

2.6 生物炭對小麥產(chǎn)量的影響

室內(nèi)考種測定籽粒產(chǎn)量、生物學(xué)產(chǎn)量、收獲指數(shù)以及田間實(shí)際測產(chǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表7。從表7可看出，各施生物炭處理的籽粒產(chǎn)量均高于不施生物炭處理籽粒產(chǎn)量，且基施 13500 kg/hm2(A2)、追施9000 kg/hm2(B1)、基施并追施13500 kg/hm2(A2+B2)三個處理小麥籽粒產(chǎn)量顯著高于不施生物炭籽粒產(chǎn)量(P＜0.05)；各處理生物學(xué)產(chǎn)量之間變化不明顯；各施生物炭處理的收獲指數(shù)較不施生物炭處理有所提高，但差異均不顯著(P＞0.05)；對于田間實(shí)際測產(chǎn)，各生物炭處理均顯著增高了小麥實(shí)際產(chǎn)量(P＜0.05)，其中以基施并追施13500kg/hm2處理(A2+B2)提高最多，提高了1164.0kg/hm2，增幅達(dá)29.5%；基施13500 kg/hm2處理(A2)次之，提高760.6 kg/hm2，增幅19.3%，均達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。

表7 不同處理對小麥產(chǎn)量的影響

3 討論與結(jié)論

多數(shù)研究顯示，施用生物炭可提高作物對氮、磷、鉀等元素的吸收。Mohan等[18]研究表明施用生物炭有助于提高土壤肥力和碳固存；姜佰文等[19]研究顯示施用生物炭同時減少肥料能提高玉米籽粒中氮、磷、鉀的積累量；張宏等[20]研究表明，有機(jī)肥和配施生物炭比單獨(dú)施用有機(jī)肥小麥植株中氮、磷、鉀的總積累量顯著提高。但也有研究表明，施用生物炭不能提高作物對營養(yǎng)元素的吸收反而有抑制作用。潘復(fù)燕等[21]發(fā)現(xiàn)施用生物炭后小麥磷含量和積累量下降，磷元素的吸收被抑制；陳心想[22]研究顯示高劑量60000 kg/hm2生物炭降低了小麥對土壤中磷元素的吸收。造成以上結(jié)果的差異可能與土壤類型、生物炭制炭材料不同以及生物炭用量有關(guān)[6]。本研究結(jié)果支持秸稈生物炭促進(jìn)了小麥植株對氮、磷、鉀元素吸收的結(jié)論。

生物炭因其固有的多微孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積以及施入土壤后表面帶有大量陽離子交換基團(tuán)等特性，能夠抑制土壤氮磷養(yǎng)分淋失，能夠改善土壤性質(zhì)、提高肥料利用率，從而促進(jìn)了植物生長和增加作物產(chǎn)量。Niu等[23]在潮土中施用3～12 t/hm2的生物炭可增加小麥籽粒產(chǎn)量16.6%～25.9%；與單獨(dú)使用肥料相比，微酸性的土壤中添加生物炭可使小麥產(chǎn)量增加20%～30%[24]。Lehmann等[25]在總結(jié)全球各地開展的相關(guān)研究時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭施用量在50 t/hm2以下時，對作物產(chǎn)量的作用基本都是正向的。本研究設(shè)置的基施、追施或者基追同施等處理生物炭的施用量為9～27 t/hm2，可提高小麥產(chǎn)量11.2%～29.5%，支持了以上結(jié)論。但本試驗(yàn)顯示，最終產(chǎn)量與生物炭施用量和施用時間沒有明顯規(guī)律性，這可能與生物炭只施用了一個生長季節(jié)年限太短以及試驗(yàn)地本身的土壤肥力較高有關(guān)，下一步需在江漢平原稻茬麥區(qū)選擇不同的土壤肥力水平配施不同劑量生物炭進(jìn)一步加以研究。

生物炭的施用可改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，且有機(jī)質(zhì)含量的提升與生物炭施用量多少呈正相關(guān)[26-28]。生物炭具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，不易被礦化和分解，在潮土中的年平均分解率為3.52%～5.68%[29]，其提高土壤有機(jī)質(zhì)機(jī)理在于生物炭能在表面吸附土壤中不穩(wěn)定有機(jī)碳抑制其礦化，并促進(jìn)吸附的有機(jī)分子聚合形成有機(jī)質(zhì)有關(guān)[30]。本實(shí)驗(yàn)中，基施及追施13500 kg/hm2生物炭處理土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷含量最高，且隨生物炭量的增加，有機(jī)質(zhì)含量增高，支持了以上結(jié)論。土壤是復(fù)雜的有機(jī)和無機(jī)復(fù)合體，土壤養(yǎng)分變化是各種因素綜合作用的結(jié)果。有研究顯示，生物炭能緩慢釋放自身營養(yǎng)元素補(bǔ)充土壤養(yǎng)分含量，疏松結(jié)構(gòu)有利于土壤肥力保持[31]、生物炭可提高土壤中速效磷、速效鉀含量，且生物炭的施用量與速效磷、速效鉀含量正相關(guān)[32]。本研究結(jié)果中，施用生物炭后土壤速效磷、速效鉀的含量均有所提升，但速效鉀的含量提升都沒有達(dá)到顯著水平，具體原因亦尚需進(jìn)一步研究。

本研究結(jié)果表明，施用生物炭促進(jìn)了小麥植株對氮、磷、鉀元素的吸收，提高了土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷含量，且隨生物炭施用量增大，小麥植株的氮磷鉀養(yǎng)分總吸收積累量、土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)以及速效磷含量增高；施用生物炭對小麥株高、結(jié)實(shí)率、千粒重、收獲指數(shù)有正向促進(jìn)作用。本研究結(jié)果為湖北江漢平原潮土區(qū)施用生物炭對小麥營養(yǎng)元素吸收以及土壤營養(yǎng)變化提供了數(shù)據(jù)信息。