生物炭施用對(duì)冬小麥農(nóng)田土壤養(yǎng)分及作物產(chǎn)量的影響

姚 奇，俞若涵，張洪宇，秦 凱，張 培，彭正萍，王 洋，王殿武*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院，河北 保定 071000；3.海興縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 滄州 061200；4.南皮縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 滄州 061500；5.河北省耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心，河北 石家莊 050000）

華北平原擁有我國(guó)18.1%的耕地面積，是重要的冬小麥生產(chǎn)基地，然而其水肥投入已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前作物產(chǎn)量的水肥需求量[1-2]，不合理的農(nóng)業(yè)管理措施造成土壤板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量降低、土壤肥力下降等問(wèn)題[3]，嚴(yán)重破壞華北平原的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。生物炭的高孔隙度和多微孔結(jié)構(gòu)特征有助于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保肥蓄水能力[4-5]，這對(duì)修復(fù)華北平原的土壤問(wèn)題具有積極作用。生物炭也稱(chēng)為生物質(zhì)炭、生物碳或生物黑炭，是將廢棄的生物質(zhì)資源在無(wú)氧或少氧條件下高溫?zé)峤馓炕笮纬傻墓腆w產(chǎn)物[6]。探究生物炭施用對(duì)華北農(nóng)田土壤養(yǎng)分及冬小麥生長(zhǎng)情況的影響對(duì)于維持該地區(qū)土壤肥力、提高作物產(chǎn)量具有重要意義。

生物炭直接或間接參與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分循環(huán)，并通過(guò)自身理化特性或與土壤相互作用對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量[7]。但由于土壤類(lèi)型、作物種類(lèi)等差異，以及制備生物炭時(shí)的溫度和原料不同，生物炭作為土壤改良劑提高小麥產(chǎn)量的合理施用量尚存爭(zhēng)議[8-10]。在土壤中添加生物炭可起到一定的保水效果，其高比表面積具有的吸附性能可減少土壤水分的滲漏流失，從而減少土壤養(yǎng)分的淋溶損失；同時(shí)，生物炭表面高濃度的負(fù)電荷對(duì)帶電荷有機(jī)質(zhì)的吸附使土壤具有更強(qiáng)的養(yǎng)分持留能力，抑制土壤養(yǎng)分淋溶[11]。然而，在不同氣候、土壤條件和人為管理方式下，生物炭施用水平對(duì)土壤養(yǎng)分的提升效應(yīng)尚未得到一致的結(jié)論。王耀等[12]研究發(fā)現(xiàn)在東北黑土地菜田施用30 t/hm2生物炭可顯著提高土壤銨態(tài)氮含量，而郭碧林等[13]發(fā)現(xiàn)在湖南紅壤性水稻土生物炭施用量為10～40 t/hm2時(shí)，土壤銨態(tài)氮含量在生物炭施用量達(dá)到30 t/hm2時(shí)開(kāi)始顯著下降。不同土壤條件與生物炭施入量對(duì)冬小麥生長(zhǎng)也會(huì)造成不同影響，Zhao等[14]和劉園[15]研究發(fā)現(xiàn)，在生物炭施用量為4.5～9和2.25～11.25 t/hm2時(shí)，土壤養(yǎng)分、植物養(yǎng)分和地上部生物量均隨著生物炭的施入明顯增加。然而闞正榮等[16]研究發(fā)現(xiàn)，7.2 t/hm2的生物炭施用水平即已超過(guò)對(duì)冬小麥產(chǎn)量產(chǎn)生積極影響的用量。前人雖對(duì)生物炭影響冬小麥生長(zhǎng)開(kāi)展了相關(guān)研究，但華北平原冬小麥生產(chǎn)的合理生物炭施用量有待進(jìn)一步明確。

本研究針對(duì)華北平原北部潮土區(qū)冬小麥農(nóng)田，從土壤有機(jī)質(zhì)、全量和速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量，以及冬小麥產(chǎn)量等變化情況揭示一次性施入低、中、高3種不同用量的生物炭對(duì)冬小麥生產(chǎn)的影響，以期為生物炭在華北農(nóng)田冬小麥生產(chǎn)的應(yīng)用以及確定最優(yōu)施用量方面提供技術(shù)參考，為實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北省寧晉縣（114°53′E，37°37′N(xiāo)）。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性氣候，四季分明，年平均溫度12.8℃，年平均降水量501 mm，年平均總?cè)照諘r(shí)數(shù)2538.1 h，無(wú)霜期約200 d。

1.2 供試材料

供試土壤類(lèi)型為中壤質(zhì)潮褐土，耕層（0～20 cm）土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：pH值為8.0、容重為1.5 g/cm3，其他化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)結(jié)果與分析。供試生物炭所用原料為果木廢棄枝條，在600℃高溫缺氧條件下熱解制備。該生物炭全氮含量為0.5 g/kg，全磷含量為0.9 g/kg，全鉀含量為10.4 g/kg，有效磷含量為89.3 mg/kg，速效鉀含量為251.0 mg/kg。供試小麥品種為藁優(yōu)2018。供試肥料為復(fù)合肥（N-P2O5-K2O：6.4-9-7）、尿素（N 46%）。種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟，冬小麥田間試驗(yàn)開(kāi)展于2018年10月13日到2019年6月6日。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，在化肥施用量相同的基礎(chǔ)上，一次性施入0（B0F）、5（B5F）、10（B10F）和20（B20F）t/hm2生物炭，每個(gè)處理設(shè)置4次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，每小區(qū)面積34.2 m2（9.5 m×3.6 m）。生物炭于2017年6月夏玉米播前撒施于土壤表層并通過(guò)翻耕使生物炭與耕層（0～20 cm）土壤混勻，采集施用生物炭前的土壤樣品作為基礎(chǔ)土。2018年冬小麥播種于10月13日，上茬玉米秸稈全部粉碎還田，旋耕至25 cm，冬小麥播種量為262.5 kg/hm2，施肥兩次，第1次撒施復(fù)合肥N-P2O5-K2O為96-135-105 kg/hm2，第2次為拔節(jié)期追肥，撒施尿素144 kg/hm2，于2019年6月6日收獲。種子的播種方式為機(jī)施，其他田間管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方法一致且各處理均保持相同耕作管理措施。

土壤樣品采用五點(diǎn)取樣法，分別于2018年小麥季拔節(jié)期、開(kāi)花期、成熟期采集，分為0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm 5個(gè)土層。植物樣品于成熟期采集，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取6行（避開(kāi)邊行）2 m長(zhǎng)度的小麥穗，用于測(cè)定小麥產(chǎn)量。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤樣品硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。生物炭和土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量采用K2Cr2O7外加熱法測(cè)定；全氮含量采用凱氏法測(cè)定；全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定。

小麥產(chǎn)量通過(guò)考種分析測(cè)定公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重。

1.5 計(jì)算公式與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.5.1 計(jì)算公式

土壤養(yǎng)分累積量計(jì)算公式為：

式中：A為土壤養(yǎng)分累積量（kg/hm2）；h為土層厚度（cm）；ρ為土壤容重（g/cm3）；C為養(yǎng)分濃度（mg/kg）。

1.5.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用對(duì)耕層土壤全量養(yǎng)分的影響

冬小麥成熟期耕層土壤有機(jī)質(zhì)和全鉀含量隨生物炭施用量增加而增加，土壤全氮含量隨生物炭施用量增加呈上升趨勢(shì)，而全磷含量受不同生物炭施用水平影響不大（圖1）。不同生物炭施用水平下，土壤有機(jī)質(zhì)含量介于16.22～22.23 g/kg之間，與B0F相比，B10F、B20F分別顯著（P＜0.05）提高20.59%、37.05%。中、高量生物炭施用顯著提升土壤全鉀含量，與B0F相比，B10F、B20F分別顯著（P＜0.05）提高7.78%、11.86%。土壤全氮含量介于1.09～1.41 g/kg之間，隨生物炭施用量增加呈上升的趨勢(shì)。未施用和施用低、中、高量生物炭對(duì)冬小麥成熟期耕層土壤全磷含量無(wú)顯著影響，其范圍介于0.96～1.03 g/kg之間。

圖1 冬小麥成熟期耕層土壤（0～20 cm）有機(jī)質(zhì)及全量養(yǎng)分含量

2.2 生物炭施用對(duì)土壤有效養(yǎng)分垂直分布的影響

2.2.1 生物炭施用對(duì)土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮垂直分布的影響

華北平原北部潮土區(qū)土壤硝態(tài)氮含量在冬小麥拔節(jié)期、開(kāi)花期和成熟期主要呈現(xiàn)B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趨勢(shì)（圖2）。在拔節(jié)期，0～20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量介于11.69～17.06 mg/kg之間，B5F處理為最大值，較B0F處理顯著提高29.93%。在40～60 cm土層出現(xiàn)累積峰，B5F處理為最大值（7.98 mg/kg），B0F、B10F、B20F處理土壤硝態(tài)氮含量分別為5.61、7.59、6.00 mg/kg。在開(kāi)花期，0～20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量介于21.57～30.01 mg/kg之間，B5F處理較B0F、B10F、B20F處理分別顯著提高39.13%、12.44%、24.99%。在40～60 cm土層出現(xiàn)累積峰，B5F處理顯著高于B0F處理39.88%。在成熟期，0～20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量介于10.23～14.80 mg/kg之 間，B5F處理較B0F處理顯著提高22.31%。B5F處理于40～60 cm土層出現(xiàn)累積峰，其他處理未出現(xiàn)累積峰。

圖2 冬小麥不同生育時(shí)期0～100 cm土層硝態(tài)氮含量

華北平原北部潮土區(qū)土壤銨態(tài)氮含量在冬小麥拔節(jié)期、開(kāi)花期和成熟期主要呈現(xiàn)B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趨勢(shì)（圖3）。在拔節(jié)期，0～20 cm土層土壤銨態(tài)氮含量介于1.82～2.68 mg/kg之間，與B0F比，B5F、B10F處理分別顯著提高47.25%、36.81%。在0～100 cm土體內(nèi)，各處理并未出現(xiàn)累積峰。在開(kāi)花期，0～20 cm土層土壤銨態(tài)氮含量介于6.31～8.48 mg/kg之間，在40～60 cm土層出現(xiàn)累積峰，土壤銨態(tài)氮含量介于2.74～3.87 mg/kg之間，B5F處理均顯著高于B0F處理。在成熟期，0～20 cm土層土壤銨態(tài)氮含量介于2.16～3.13 mg/kg之間，與B0F處理比，B5F、B10F、B20F處理分別顯著提高44.91%、43.98%、30.56%。在0～100 cm土體內(nèi)，各處理并未出現(xiàn)累積峰。

圖3 冬小麥不同生育時(shí)期0～100 cm土層銨態(tài)氮含量

2.2.2 生物炭施用對(duì)土壤有效磷垂直分布的影響

華北平原北部潮土區(qū)耕層土壤有效磷含量在冬小麥拔節(jié)期、開(kāi)花期和成熟期大致相同，整體呈現(xiàn)B5F＞B20F＞B10F＞B0F的趨勢(shì)（圖4）。在拔節(jié)期，0～20 cm土層土壤有效磷含量介于28.70～33.78 mg/kg之間，于B5F處理達(dá)到最大值。B20F處理于40～60 cm土層出現(xiàn)累積峰，而B(niǎo)0F、B5F、B10F處理于60～80 cm土層出現(xiàn)累積峰，在60～80 cm土層，B5F處理土壤有效磷含量分別顯著高于B0F、B10F、B20F處理54.06%、34.02%、18.32%。在開(kāi)花期，0～20 cm土層土壤有效磷含量介于27.84～31.26 mg/kg之間，于B5F處理達(dá)到最大值。在60～80 cm土層出現(xiàn)累積峰，施炭處理（B5F、B10F、B20F）土壤有效磷含量均顯著高于未施炭處理（B0F），土壤有效磷含量分別提高60.71%、41.68%、70.37%。在成熟期，0～20 cm土層土壤有效磷含量最高，B5F處理于60～80 cm土層出現(xiàn)累積峰，B20F處理于40～60 cm土層出現(xiàn)累積峰，其他處理隨著土層深度的加深，土壤有效磷含量逐漸下降。

圖4 冬小麥不同生育時(shí)期0～100 cm土層有效磷含量

2.2.3 生物炭施用對(duì)土壤速效鉀垂直分布的影響

華北平原北部潮土區(qū)土壤速效鉀含量在冬小麥拔節(jié)期、開(kāi)花期和成熟期主要呈現(xiàn)B5F＞B10F＞B20F＞B0F的趨勢(shì)（圖5）。在拔節(jié)期，0～20 cm土層土壤速效鉀含量介于292.64～341.60 mg/kg之間，施炭處理（B5F、B10F、B20F）土壤速效鉀含量均顯著高于未施炭處理（B0F），分別提高16.73%、14.77%、11.61%，20 cm以下土壤速效鉀含量緩慢下降，于80～100 cm土層大幅下降。在開(kāi)花期，0～20 cm土層土壤速效鉀含量介于235.16～270.72 mg/kg之間，于B5F處理達(dá)到最大值，與拔節(jié)期相同，20 cm以下土壤速效鉀含量緩慢下降，于80～100 cm土層大幅下降。在成熟期，0～20 cm土層土壤速效鉀含量最高，隨著土層深度的加深，土壤速效鉀含量逐漸下降，于40～60 cm土層出現(xiàn)累積峰，該土層B20F處理土壤速效鉀含量顯著高于B0F、B5F、B10F處理，分別提高22.20%、80.41%、23.05%。

圖5 冬小麥不同生育時(shí)期0～100 cm土層速效鉀含量

2.2.4 生物炭施用對(duì)0～100 cm土壤有效養(yǎng)分累積量的影響

由表1可知，華北平原北部潮土區(qū)冬小麥成熟期0～100 cm土壤有效態(tài)養(yǎng)分含量的整體趨勢(shì)表現(xiàn)為施生物炭處理高于未施碳處理。在0～100 cm土體內(nèi)，土壤硝態(tài)氮累積量于B5F處理達(dá)到最大值，為114.6 kg/hm2，其次是B10F處理，為108.1 kg/hm2，顯著高于B0F和B20F處理（P＜0.05）。土壤銨態(tài)氮累積量于B10F處理達(dá)到最大值，為21.7 kg/hm2，B5F處理幾乎與之相同，達(dá)到21.6 kg/hm2，B20F處理為19.9 kg/hm2，顯著高于B0F處理（P＜0.05）。土壤有效磷累積量于B5F處理達(dá)到最大值，為197.3 kg/hm2，其次是B20F處理，顯著高于B0F和B10F處理（P＜0.05）。土壤速效鉀累積量于B20F處理達(dá)到最大值，為2052.9 kg/hm2，顯著高于B0F、B5F、B10F處理23.08%、29.33%、6.54%（P＜0.05），說(shuō)明對(duì)保持土壤速效鉀而言，施用20 t/hm2生物炭最合適。

表1 冬小麥成熟期0～100 cm土壤有效態(tài)養(yǎng)分累積量 （kg/hm2）

2.3 生物炭施用對(duì)冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響

由表2可知，生物炭施用對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、千粒重和穗粒數(shù)均產(chǎn)生積極影響。冬小麥籽粒產(chǎn)量于B5F處理達(dá)到最大值（8222.0 kg/hm2），顯著高于B0F、B10F、B20F處理，分別提高17.02%、11.20%、15.51%。冬小麥穗數(shù)于B5F處理達(dá)到最大值，為632 × 104個(gè)/hm2，顯著高于B0F、B10F、B20F處理，分別提高11.66%、9.91%、14.49%。從冬小麥籽粒產(chǎn)量角度看，施用5 t/hm2生物炭最合適。

表2 冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成要素

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施用可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和全鉀含量，這與段春燕等[17]的研究結(jié)果一致。隨著施用生物炭量的增多，土壤有機(jī)質(zhì)含量的遞增幅度最高，其主要原因?yàn)樯锾渴┯昧吭黾?，大幅提升了輸入土壤的碳源?shù)量，尤其試驗(yàn)中添加的生物炭原料為廢棄果木枝條，碳和揮發(fā)性物質(zhì)含量一般高于農(nóng)業(yè)廢棄物制備的生物炭[18]。楊勁峰等[19]指出隨生物炭施用量增加，土壤C/N增加，利于提高土壤對(duì)氮素的吸持，本試驗(yàn)中也得到了同樣的土壤全氮含量上升的趨勢(shì)。土壤全磷含量與生物炭的關(guān)系并不顯著，可能是因?yàn)殡S著土壤有機(jī)質(zhì)含量升高，固磷作用減弱[20]，最終使土壤全磷含量維持在1.00 g/kg附近。

本研究中施生物炭處理（B5F、B10F、B20F）耕層有效態(tài)養(yǎng)分含量多高于未施炭處理（B0F），說(shuō)明施用生物炭可以提高土壤有效態(tài)養(yǎng)分含量，一方面是因?yàn)樯锾勘旧砭透缓喾N礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，另一方面是因?yàn)槠溆欣诮档宛B(yǎng)分的淋失[13-14，21-22]。而各施炭處理間B5F處理有效態(tài)養(yǎng)分含量最高，可能的原因是中、高量生物炭使土壤C/N提高，進(jìn)而使微生物固定作用加強(qiáng)導(dǎo)致其固定了更多的土壤有效態(tài)養(yǎng)分[23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)有效態(tài)養(yǎng)分多在40～60和60～80 cm土層出現(xiàn)累積峰，說(shuō)明在小麥生育期內(nèi)，降水和灌溉使有效態(tài)養(yǎng)分多集中向40～60和60～80 cm土層遷移。

各施生物炭處理間B5F處理冬小麥籽粒產(chǎn)量最高，這與張文玲等[25]和陳敏等[26]研究結(jié)果相同，主要原因是生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分有緩控作用，其吸附-解吸過(guò)程能使冬小麥生長(zhǎng)得到更合理的養(yǎng)分供應(yīng)，同時(shí)，中、高量生物炭施用提高土壤C/N，土壤微生物與植物爭(zhēng)奪有效態(tài)養(yǎng)分資源，進(jìn)而造成植物可吸收利用的養(yǎng)分減少。因此，相比于低量生物炭處理，施用中、高量生物炭對(duì)作物產(chǎn)量提升的幅度大大減緩。冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成結(jié)果表明，生物炭施用主要增加了冬小麥的有效穗數(shù)，但對(duì)粒重?zé)o顯著影響，這與夏璐[27]和代鎮(zhèn)[28]的研究結(jié)果相似。此外，B5F處理產(chǎn)量達(dá)到最大值也是因?yàn)槠渌霐?shù)顯著高于其他處理，這說(shuō)明施用生物炭通過(guò)提高冬小麥的穗數(shù)來(lái)提高產(chǎn)量。

4 結(jié)論

生物炭可以提高0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀含量，有效減少降水和灌溉對(duì)土壤養(yǎng)分的淋溶，對(duì)土壤肥力的保持有積極意義。同時(shí)，低量生物炭（B5F）施用顯著提高冬小麥拔節(jié)期、開(kāi)花期和成熟期0～100 cm土壤有效養(yǎng)分的垂直分布與累積，且顯著提高冬小麥籽粒產(chǎn)量17.02%。而中、高量生物炭施用對(duì)土壤有效養(yǎng)分的累積和冬小麥產(chǎn)量的提升效果并不明顯。因此，根據(jù)土壤養(yǎng)分分布以及冬小麥產(chǎn)量的變化，華北平原施用5 t/hm2生物炭較為合適。