施用生物炭對玉米田土壤呼吸及水分利用效率的影響

于玲玲， 趙貴元， 崔婧婧， 郭 強

(1.河北省唐山市農(nóng)作物種子站，河北唐山 063000； 2.河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所，河北石家莊 050051；3. 唐山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，河北唐山 063001)

生物炭因具有豐富的孔隙度、巨大的比表面積以及大量的表面負(fù)電荷，可以有效改善土壤的理化特性，是一種優(yōu)良的土壤改良劑。近年來，前人關(guān)于生物炭輸入對土壤理化特性以及作物產(chǎn)量改良效果進行了大量研究。高惠敏等在河套灌區(qū)研究了不同改良劑對土壤指標(biāo)及向日葵產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，生物炭處理可以降低土壤 pH 值、土壤總堿度，增加向日葵產(chǎn)量。侯新村等在唐山市曹妃甸區(qū)濱海鹽堿地研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭會使土壤容重降低3.9%以上，有機碳含量、毛管孔隙度、田間持水量分別提高68.3%、4.0%、7.4%，柳枝稷存活率提高了18.4%。施用生物炭主要通過增加有效穗數(shù)和提高結(jié)實率來提高水稻產(chǎn)量，同時，施用生物炭可以提高稻米的碾磨品質(zhì)、糙米率、整精米率、精米率以及食味評分值。施用生物炭可以增加土壤中速效氮、有效磷、有效鉀和有機碳含量，提高脲酶、蔗糖酶和蛋白酶活性，但土壤pH值隨生物炭施用量的增加而升高。張娜等研究表明，施用生物炭可以提高夏玉米的干物質(zhì)積累量，較低的生物炭施用量有利于玉米生育后期光合作用的維持以及產(chǎn)量的提高。

由以上可知，添加生物炭對作物產(chǎn)量以及土壤理化特性等方面的影響已見諸多報道，而添加生物炭對土壤呼吸速率、水分利用效率以及春玉米產(chǎn)量等方面的影響鮮有報道。為此，本研究針對冀東沿海地區(qū)土壤肥力差、水分利用效率低和作物產(chǎn)量不高等現(xiàn)狀，通過施用不同量的生物炭，研究其對土壤呼吸速率、養(yǎng)分含量、含水率、玉米產(chǎn)量以及土壤水分利用效率的影響，以期為該區(qū)域生物炭適量施入和玉米高產(chǎn)、水分高效利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2019年5月至2020年9月在唐山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院玉米新品種示范基地進行。該基地位于唐山市海港開發(fā)區(qū)王灘鎮(zhèn)(118°97′E、39°28′N)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，海拔約30 m。該區(qū)域春季風(fēng)多雨少，蒸發(fā)量大，易旱；夏季高溫高濕，雨水集中，多暴雨、冰雹、大風(fēng)等災(zāi)害性氣候；秋季氣溫變化較大，降溫較快。年降水量500～700 mm，年際間變化較大，無霜期180～190 d，年均氣溫12.5 ℃。2019年和2020年整個玉米生長季(5—9月)降水量分別為462.2、506.9 mm(圖1)。試驗區(qū)土壤屬沙土，0～40 cm土層土壤有機質(zhì)含量為7.1 g/kg，堿解氮含量為36.4 mg/kg，有效磷含量為15.9 mg/kg，速效鉀含量為180.4 mg/kg，pH 值為8.5，屬低肥力水平土壤。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計，參照文獻[12-13]結(jié)合試驗地地力情況，生物炭施用量設(shè)T(2 000 kg/hm)、T(7 000 kg/hm)和T(12 000 kg/hm)3個水平，以不施生物炭為對照(CK)，每個處理3次重復(fù)，共12個小區(qū)，小區(qū)面積為30 m(5 m×6 m)。所有生物炭均在2019年播種前隨著翻地一次性全部施入。供試玉米品種為君輝521，播種密度為3 500株/667 m。供試肥料為尿素(N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%)、過磷酸鈣(PO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 12%)和氯化鉀(KO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)。磷、鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥總量的40%作為基肥，其余部分在大喇叭口期追施。2019年5月15日播種，9月10日收獲；2020年5月20日播種，9月15日收獲，各小區(qū)的田間管理方式基本相同。試驗用生物炭購自遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，它以玉米秸稈為原料，經(jīng)450 ℃厭氧熱解生產(chǎn)?；竞浚河袡C碳含量為651 mg/g，總氮含量為19.6 mg/g，有效磷含量為0.54 mg/g，速效鉀含量為22 mg/g，C/N為79.2，pH值為9.2。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 土壤呼吸速率 于玉米播種期(2019年5月15日、2020年5月20日)、苗期(2019年6月2日、2020年6月8日)、拔節(jié)期(2019年6月20日、2020年6月25日)、大喇叭口期(2019年7月7日、2020年7月11日)、灌漿期(2019年8月13日、2020年8月18日)和成熟期(2019年9月7日、2020年9月11日)，采用LI-8100(LI-COR，Lincon，NE，USA)開路式土壤碳通量測定系統(tǒng)測定不同處理下玉米田土壤呼吸速率。

1.3.2 土壤水分 測定土壤呼吸速率的同時，采用TDR中子儀(型號為6050XI，生產(chǎn)商為Soil Moisture Equipment Corp.，Santa Barbara，CA，USA)，原位測定0～100 cm土層的土壤含水量，每間隔20 cm土層進行測定，結(jié)合降水量、田間灌水量以及水分蒸散量，計算作物的耗水量(mm)。

1.3.3 土壤養(yǎng)分含量和pH值 2019年4月下旬玉米播種前以及2019年和2020年玉米收獲后，每個處理小區(qū)內(nèi)隨機選取5點，測定0～40 cm土層的堿解氮、有效磷、速效鉀、有機碳含量以及pH值。土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》，其中，堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定；有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；pH值采用復(fù)合電極法測定。

1.3.4 水分利用效率計算方法 土壤貯水量(mm)=土壤含水量(%)×土層深度(mm)×土壤容重(g/cm)；作物耗水量(mm)=生育期內(nèi)灌水量(mm)+生育期內(nèi)降水量(mm)+作物利用的地下水量(mm)-地表徑流量(mm)-土壤滲漏量(mm)-種前和收獲后土壤貯水的變化量(mm)；水分利用效率[kg/(hm·mm)]=作物產(chǎn)量(kg/hm)/作物耗水量(mm)。

整個試驗期間不進行人工灌溉，因此玉米生育期灌水量為0；試驗區(qū)域地下水深約7 m，因此整個作物生育期地下水利用量為0；由于試驗地平坦，降雨較少，蒸發(fā)作用強烈，因此地表徑流量和土壤滲漏量為0。

1.3.5 產(chǎn)量測定 成熟期，調(diào)查每個處理小區(qū)的實有株數(shù)、空桿數(shù)和雙穗數(shù)。每個小區(qū)果穗全部收獲稱質(zhì)量，依據(jù)平均單穗質(zhì)量，稱取10個具有代表性的果穗進行室內(nèi)考種，調(diào)查記載項目包括穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量，根據(jù)10穗質(zhì)量，折算出小區(qū)籽粒產(chǎn)量(籽粒含水量折合成14%)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理；用SAS 9.0進行方差分析，運用法(<0.05)進行多重比較；用SigmaPlot 14.0進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭對土壤呼吸速率的影響

由圖2可知，在整個測定期間，土壤呼吸速率具有明顯的季節(jié)變化特征。播種期各處理土壤呼吸速率最小，隨著生育進程的推進，不同處理的土壤呼吸速率呈現(xiàn)出遞增趨勢，灌漿期各處理土壤呼吸速率達到最大值，隨后逐漸減小。土壤呼吸速率的年季間變化趨勢基本相同。整個測定期間，CK的土壤呼吸速率變化范圍為50.4～295.6 mg/(m·h)，T處理為162.9～432.5 mg/(m·h)，T處理為222.7～521.7 mg/(m·h)，T處理為221.4～574.6 mg/(m·h)。CK的土壤呼吸速率均低于同期其他處理，說明添加生物炭對土壤呼吸速率有明顯影響。由圖3可知，2年平均土壤呼吸速率表現(xiàn)為T[361.4 mg/(m·h)]>T[335.2 mg/(m·h)]>T[285.8 mg/(m·h)]>CK[127.9 mg/(m·h)]；2020年，T、T和T處理的土壤呼吸速率平均值均大于2019年，分別增加7.6%、8.3%、16.9%?？梢?，隨著生物炭添加量的增加，土壤呼吸速率逐漸增大；伴隨著時間的推移，不同生物炭添加量對土壤呼吸速率造成的影響不同。

2.2 施用生物炭對土壤水分的影響

由圖4可知，玉米生長前期(苗期—拔節(jié)期)，2019年各處理土壤含水率隨著土層深度的加深呈逐漸增加的趨勢，但各處理之間差異不明顯；2020年各處理土壤含水率隨著土層加深呈逐漸降低的趨勢，T、T、T處理0～100 cm土層平均含水率較CK分別提高了9.8%、9.3%、10.0%。玉米生育中期(小喇叭口期—吐絲期)，此階段為玉米需水旺期，且此階段降水量較少，因此各處理2年的土壤含水率均有所降低。2019年，T、T、T處理0～100 cm 土層平均含水率較CK分別提高了4.0%、20.2%、24.6%；2020年各處理0～100 cm土層平均含水量均高于2019年，分別提高了33.1%、35.3%、28.1%；2020年CK處理0～100 cm土層平均含水量最低，T處理最高。玉米生育后期(灌漿期—成熟期)，此階段玉米需水量減少，降雨較多，因此各處理0～100 cm土層含水率均有所上升。T和T處理0～100 cm土層平均含水率明顯高于CK和T處理。2019年各處理80～100 cm土層平均含水率明顯回升。2020年各處理0～40 cm土層含水率逐漸上升，40～100 cm土層含水率逐漸下降，T和T處理間差異不明顯?？梢?，T和T處理較CK和T處理增加了0～100 cm土層的含水率，且T和T處理間差異不明顯。

2.3 施用生物炭對土壤養(yǎng)分的影響

由表1可知，施用生物炭可增加土壤(0～40 cm)有機碳和堿解氮含量。與試驗處理前相比，2年玉米收獲后，T、T、T處理有機碳含量均顯著增加，增幅達10.7%～45.9%。2019年T、T、T處理下土壤有機碳含量較CK顯著增加(<0.05)，增幅分別為11.2%、19.5%、20.0%，T和T處理間差異不顯著，T、T與T、CK之間差異顯著(<0.05)。2020年各處理間有機碳含量差異均達到顯著水平(<0.05)，且2020年T、T、T處理下有機碳含量均高于2019年。添加生物炭可以調(diào)節(jié)土壤中堿解氮含量，與試驗處理前相比，玉米成熟期，T、T、T處理下堿解氮含量均顯著增加，增幅達19.7%～38.7%，且顯著高于CK，但T與T處理間差異不顯著。

表1 不同生物炭施用量對0～40 cm土層土壤肥力的影響

由表1可知，施用生物炭可增加土壤(0～40 cm)有效磷和速效鉀含量。2年玉米成熟期，T、T、T處理土壤有效磷和速效鉀含量均顯著高于處理前(<0.05)。玉米成熟期有效磷含量2019年以T處理最高，2020年以T處理最高。T、T、T處理2年平均有效磷含量分別較CK增加39.7%、50.7%、47.8%。2019年T、T和T處理速效鉀含量顯著高于CK(<0.05)，以T處理增幅最大，為55.3%，其次為T、T處理；2020年以T處理增幅最大，為64.2%，其次為T和T處理，增幅分別為56.6%、44.9%；T、T和T處理2年平均速效鉀含量較CK分別增加了43.0%、55.5%、59.8%。

由表1可知，使用生物炭可增加土壤(0～40 cm)pH值。玉米成熟期，T和T處理土壤pH值均顯著高于處理前(<0.05)，T和T處理間差異未達到顯著水平。T、T和T處理2年平均pH值較CK分別增加了0.59%、1.05%和1.25%。由以上可知，施用生物炭可以顯著增加耕層(0～40 cm)土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，同時，施用生物炭可以提高土壤pH值。

2.4 施用生物炭對玉米產(chǎn)量以及水分利用效率的影響

不同生物炭施用量對玉米產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的影響不同。由表2可知，施用生物炭可以增加玉米產(chǎn)量。2019年T、T、T處理籽粒產(chǎn)量分別較CK增加9.2%、13.8%、9.8%。2020年T、T、T處理籽粒產(chǎn)量分別較CK增加11.3%、17.4%、13.3%。綜合2年試驗結(jié)果，T處理2年平均產(chǎn)量最高，較CK增加了15.6%。穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量是影響玉米籽粒產(chǎn)量的主要因子，2年試驗結(jié)果表明，T和T處理下玉米穗粒數(shù)顯著高于CK和T處理(<0.05)；不同處理間百粒質(zhì)量差異顯著(<0.05)，2年平均百粒質(zhì)量表現(xiàn)為T>T>CK>T，T處理2年平均百粒質(zhì)量較CK增加了11.0%。2020年降水量(506.9 mm)略高于2019年(462.2 mm)，2020年玉米耗水量明顯高于2019年，而且2020年玉米產(chǎn)量高于2019年，因此2020年玉米水分利用效率高于2019年。2019年施用生物炭，玉米耗水量較對照顯著增加(<0.05)，其中T、T和T處理玉米耗水量分別較CK增加3.9%、5.0%、4.7%；2020年各處理間玉米耗水量差異顯著，其中T、T和T處理玉米耗水量分別較CK增加3.4%、5.1%、4.3%；T、T和T處理2年平均耗水量分別較CK分別增加3.7%、5.1%、4.5%。不同處理間水分利用效率差異顯著(<0.05)，2年玉米水分利用效率均以T處理最高，分別較CK增加23.1%(2019年)和25.2%(2020年)。

表2 不同生物炭施用量對玉米產(chǎn)量以及水分利用效率的影響

3 結(jié)論

(1)生物炭的施入可以提高玉米田土壤呼吸速率，以施用量12 000 kg/hm最為明顯；同時，施用生物炭可以提高耕層土壤的含水率以及玉米水分利用效率。

(2)生物炭的施入可以提高土壤堿解氮、速效鉀、有機碳含量，增加土壤的pH值，以施用量 12 000 kg/hm最為顯著。

(3)生物炭的施入可以增加玉米產(chǎn)量，以施用量7 000 kg/hm最為顯著，過高的生物炭施用量不利于玉米產(chǎn)量形成，因此生產(chǎn)上要根據(jù)作物種類、土壤類型、耕作方式等選擇適宜的生物炭施用量。