單季施用生物炭提高土壤肥力及小麥玉米輪作周年產(chǎn)量

鄭云珠，孫樹臣

(聊城大學地理與環(huán)境學院，山東聊城 252059)

我國作為世界上重要的農(nóng)業(yè)大國之一，秸稈資源種類豐富、分布范圍廣，年產(chǎn)量約10億t，且具有逐年增長的態(tài)勢[1-2]。然而，秸稈還田率不足50%[3]，嚴重制約了農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性。因此，探尋合理的秸稈資源無害化利用一直是農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中關(guān)注的熱點和難點問題。

秸稈中富含農(nóng)作物生長所需的氮(N)、磷(P)、鉀(K)等營養(yǎng)元素[4]，農(nóng)作物光合作用的產(chǎn)物約有一半貯存于秸稈中[5]。秸稈還田作為提高秸稈資源綜合利用的重要途徑，不僅可以有效改善土壤環(huán)境、促進作物增產(chǎn)[4，6-7]，同時還可以減輕由于焚燒和丟棄導致的資源浪費及大氣、水體等污染[8]，對于改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境及秸稈資源的再利用具有重要意義。然而有研究指出，秸稈還田會加大下茬作物灌溉水量、農(nóng)田病蟲害發(fā)生率及農(nóng)藥使用量等不利影響，從而增加種植成本[9]。也有研究指出，秸稈還田雖然可以顯著提高農(nóng)田碳的固定，同時也增加了農(nóng)田甲烷排放、氨揮發(fā)以及養(yǎng)分滲漏損失等負面影響[10]。因此，如何保證在秸稈還田效益最大化的同時降低其不利影響，不斷增加農(nóng)業(yè)收益成為當前秸稈資源無害化利用亟待解決的重要問題。

近幾十年來，隨著對生物炭認識的不斷加深，秸稈炭化還田在實現(xiàn)作物增產(chǎn)、固碳減排、修復(fù)土壤污染等方面發(fā)揮巨大優(yōu)勢而日益成為國內(nèi)外學者研究的熱點[11-13]。生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在厭氧條件下經(jīng)高溫裂解(一般<700 ℃)形成的高含碳量物質(zhì)，具有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)、較大的比表面積、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)以及豐富的含氧官能團等特性[14-15]。生物炭作為一種綠色土壤改良劑，可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度和持水能力[16]，同時有利于增加土壤養(yǎng)分含量[17-18]，進一步改善農(nóng)作物生長所需的土壤環(huán)境，從而提高小麥[19]、玉米[20]、水稻[21]、大豆[22]等作物產(chǎn)量。在粉砂質(zhì)黏壤土的麥玉輪作系統(tǒng)中，施用16 t/hm2生物炭并配施化肥，可以顯著增加冬小麥、夏玉米地上生物量及籽粒產(chǎn)量，且促進效果優(yōu)于8 t/hm2生物炭并配施化肥處理[23]。而在沙土的研究中發(fā)現(xiàn)，施用生物炭雖然可以提高土壤水分，但對大豆產(chǎn)量卻沒有影響[24]。生物炭對作物增產(chǎn)的效果具有一定范圍，施用適量果樹枝生物炭(5 t/hm2)可以更好地促進潮褐土中玉米增產(chǎn)以及對土壤養(yǎng)分的吸收利用，而過量施用生物炭則導致增產(chǎn)效果減弱[25]。在壤土中施用小麥秸稈生物炭，小麥產(chǎn)量對生物炭施用量也具有同樣的響應(yīng)，施用3 600 kg/hm2生物炭增產(chǎn)效果最好[26]。魏永霞等在黑土區(qū)一次性施用 75 t/hm2玉米秸稈生物炭后(后期不再施加)，研究發(fā)現(xiàn)4年研究期內(nèi)的施炭處理可以提高土壤中有機質(zhì)、銨態(tài)氮、速效鉀含量，而隨著時間的推移養(yǎng)分含量有所降低，但施炭處理仍高于對照[27]。因此，農(nóng)作物產(chǎn)量及土壤肥力與生物炭施用量、土壤類型、施用方式及施用年限等因素密切相關(guān)，如何科學地利用生物炭資源以實現(xiàn)作物增產(chǎn)及土壤改良的雙重效益至關(guān)重要。

魯西平原作為華北平原的重要組成部分，冬小麥—夏玉米輪作是該地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)種植模式，同時也是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)。然而該區(qū)域高強度的麥玉輪作，導致土壤肥力下降，為實現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)而過度使用化學肥料，隨之帶來農(nóng)作物品質(zhì)降低、土壤酸化、環(huán)境污染等負面影響[28]。因此，進一步實現(xiàn)魯西平原農(nóng)作物的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對保障我國糧食安全具有重要意義。目前關(guān)于該地區(qū)麥玉輪作系統(tǒng)對秸稈生物炭還田的響應(yīng)結(jié)論尚未統(tǒng)一，且關(guān)于單季施入生物炭對兩季農(nóng)作物的持續(xù)性影響尚不明確。因此，本研究通過盆栽試驗，探討冬小麥季一次施用不同水平玉米秸稈生物炭量對冬小麥—夏玉米產(chǎn)量及土壤肥力的影響，以明確玉米秸稈生物炭對土壤肥力的影響，對比分析單季施用玉米秸稈生物炭對冬小麥、夏玉米兩季農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，揭示土壤肥力指標與作物產(chǎn)量之間的相互作用關(guān)系，從而為魯西平原的農(nóng)作物秸稈資源更加合理應(yīng)用于麥玉輪作系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于山東省聊城市聊城大學土壤生態(tài)環(huán)境教學科研基地(36°43′N，116°01′E)進行。該區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫約為13.5 ℃，年均降水量約為540.4 mm，夏季降水量約占全年降水量的60%。本試驗研究期內(nèi)的日均氣溫與日總降水量如圖1所示，冬小麥季(2019年11月至2020年5月)的平均氣溫和總降水量分別為8.5 ℃和 145.6 mm，夏玉米季(2020年6—9月)的平均氣溫和總降水量分別為25.0 ℃和682.1 mm。

1.2 試驗材料

供試土壤為石灰性潮土，pH值為8.81，有機質(zhì)含量為10.87 g/kg，全氮含量為0.72 g/kg，有效磷含量為18.50 mg/kg，速效鉀含量為100.44 mg/kg。生物炭為玉米秸稈在450 ℃條件下裂解2 h制成，pH值為7.44，全氮含量為15.45 g/kg，有效磷含量為1 151.85 mg/kg，速效鉀含量為5 300.21 mg/kg。供試小麥品種為濟麥22，玉米品種為鄭單958。

1.3 試驗設(shè)計

采用盆栽試驗，以不施用生物炭作為對照(CK)，6種施用生物炭處理分別為B1(4 t/hm2)、B2(8 t/hm2)、B3(16 t/hm2)、B4(24 t/hm2)、B5(32 t/hm2)、B6(40 t/hm2)，每個處理3次重復(fù)，共計21個處理。盆栽桶選用內(nèi)徑為27 cm、高為30 cm的塑料花盆。盆栽土過5 mm篩并自然風干，每個盆栽桶風干土質(zhì)量均為11 kg，冬小麥種植前各盆栽桶先裝入風干土至5 cm高處并壓實，再將剩余風干土與肥料、生物炭(過2 mm篩)充分混合后裝入盆栽至25 cm高處。所有盆栽桶裝填完成后灌溉相同量的水分，靜置1周后于2019年11月6日在每個盆栽桶中部播種20粒小麥，冬小麥收獲時間為2020年5月27日。夏玉米播種前將肥料與0～20 cm 土壤充分混合后，于2020年6月15日在盆栽桶中部播種2粒玉米，待出苗后定苗為1株，夏玉米于9月27日收獲。冬小麥季N、P、K施用量分別為225、125、90 kg/hm2，夏玉米N、P、K施用量分別為225、150、150 kg/hm2，其他田間管理措施與當?shù)卮筇镆恢隆?/p>

1.4 測定項目與方法

分別于冬小麥、夏玉米成熟期測定二者株高及夏玉米穗位高，全部收獲后于105 ℃殺青30 min，之后于75 ℃烘干至恒質(zhì)量。冬小麥測定地上干物質(zhì)量、有效穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及籽粒產(chǎn)量。夏玉米測定地上干物質(zhì)量、穗長、禿尖長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及籽粒產(chǎn)量。輪作周年產(chǎn)量即冬小麥與夏玉米2種作物產(chǎn)量之和。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行處理，用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析，多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法檢測處理間的差異顯著性，各測定指標間的相關(guān)性采用Pearson’s相關(guān)系數(shù)表示，用Origin 2017軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對土壤pH值和電導率的影響

各生物炭處理下土壤pH值、電導率與對照相比均無顯著差異(表1)。生物炭處理中除B2處理外，其余處理對土壤pH值均具有略微降低的影響。生物炭處理土壤電導率(EC)均高于對照，且隨生物炭施用量的增加呈先增加后降低的趨勢，B3處理下EC最大。

表1 不同生物炭施用量對土壤pH和電導率的影響

2.2 生物炭對土壤養(yǎng)分的影響

表2 不同生物炭施用量對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3 生物炭對冬小麥、夏玉米產(chǎn)量的影響

2.3.1 對冬小麥生長及產(chǎn)量的影響 不同生物炭施用量對冬小麥株高的影響各異，除B6處理外，其余生物炭處理均提高了冬小麥的株高，其中B1處理的株高顯著比對照高8.98%(表3)。與對照相比，施用生物炭可以顯著提高地上部干物質(zhì)量19.93%～27.08%，而生物炭處理間無顯著性差異。不同生物炭施用量均可以促進冬小麥的產(chǎn)量構(gòu)成要素(有效穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量)的增加，從而實現(xiàn)冬小麥增產(chǎn)18.65%～50.82%，具體表現(xiàn)為B4>B3>B2>B5>B6>B1>CK，其中B4處理籽粒產(chǎn)量顯著高于對照。

表3 不同生物炭施用量對冬小麥植株及籽粒產(chǎn)量的影響

2.3.2 對夏玉米生長及產(chǎn)量的影響 不同生物炭施用量對夏玉米生長、籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響見表4。生物炭處理對夏玉米株高影響的變化規(guī)律與穗位高一致，施用生物炭均可以促進夏玉米株高及穗位高的提高，并均表現(xiàn)為隨生物炭施用量的增加呈先增后減的趨勢(B4處理達到最大值)。施用生物炭處理顯著增高了夏玉米株高7.07%～12.75%，B3、B4處理的穗位高分別顯著高于對照12.26%、13.07%。施炭處理均可促進夏玉米地上部干物質(zhì)量的增加，但生物炭處理與對照之間未表現(xiàn)出顯著性差異。生物炭施用在促進夏玉米穗長、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量增加的同時，也促進了禿尖長的增加。夏玉米籽粒產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加而逐漸增加，且生物炭處理間無顯著差異，B3、B4、B5、B6處理分別顯著比對照高45.62%、54.69%、57.97%、65.24%。

2.3.3 生物炭對冬小麥—夏玉米周年產(chǎn)量的影響 由圖2可以看出，施用生物炭可以增加冬小麥—夏玉米輪作的周年產(chǎn)量，并表現(xiàn)為隨生物炭施用量的增加而逐漸增加，B2、B3、B4、B5、B6處理周年產(chǎn)量分別顯著比對照高40.57%、45.00%、54.15%、54.50%、59.74%，施用生物炭處理間的作物周年產(chǎn)量無顯著性差異。

2.4 冬小麥—夏玉米周年產(chǎn)量與土壤化學性質(zhì)的相關(guān)分析

表4 不同生物炭施用量對夏玉米植株及籽粒產(chǎn)量的影響

表5 周年產(chǎn)量與土壤化學性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果

3 討論

土壤是農(nóng)作物賴以生存的基礎(chǔ)，適宜的土壤環(huán)境是農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的保證。大量研究表明，生物炭因其堿性特征及豐富的Ca2+、K+、Mg2+等鹽離子施入土壤后，可以提高土壤pH值及電導率[30-31]。而本研究發(fā)現(xiàn)生物炭各處理對土壤pH值、電導率的影響與對照相比均未達到顯著水平，其中生物炭處理(除B2處理外)均略微降低土壤pH值，這可能是由于本試驗所施用的生物炭呈弱堿性且低于土壤pH值，施入土壤后對pH值具有一定的降低作用。有研究指出施用堿性生物炭可以顯著提高酸性土壤的pH值[32]，而對本身呈堿性的土壤pH值影響不明顯[19，33]。李傳哲等通過在堿性土壤中施用酸改性生物炭(pH值為 7.12)研究發(fā)現(xiàn)，施用 15 t/hm2與30 t/hm2生物炭均可降低0～10 cm土層土壤的pH值，但降低程度均未達到顯著水平，并提高了土壤肥力及作物產(chǎn)量[34]，本研究結(jié)果與之相似。本研究施用生物炭后土壤pH值略微降低，同時也提高了土壤的養(yǎng)分含量及作物產(chǎn)量，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤pH值與作物周年產(chǎn)量之間呈負相關(guān)，說明施用弱堿性生物炭對土壤pH值的降低可能是作物周年產(chǎn)量增加的重要原因之一。

生物炭通過影響土壤的物理和化學性質(zhì)[42-43]，進而影響農(nóng)作物的生長與發(fā)育。生物炭施用量對作物產(chǎn)量的增加效果具有一定范圍，過量施用生物炭對作物產(chǎn)量的增加效果減弱[44]，本研究亦得出類似的結(jié)果。本研究施用生物炭對冬小麥—夏玉米輪作系統(tǒng)中的冬小麥均具有增產(chǎn)作用，表現(xiàn)出隨生物炭還田量的增加呈先增加后降低的變化趨勢，B4(24 t/hm2)處理增產(chǎn)效果最佳，這可能是由于生物炭效應(yīng)是有閾值的[45]，當施炭量較高時，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，還可能增加土壤的C/N，導致氮素利用率降低[33]，反而不利于作物生長。也有研究表明施用生物炭對作物產(chǎn)量無影響[46]，甚至減產(chǎn)的情況發(fā)生[47]。本研究未發(fā)現(xiàn)施用生物炭導致作物減產(chǎn)的現(xiàn)象，施用生物炭對冬小麥、夏玉米兩季作物產(chǎn)量的增加均具有促進作用，夏玉米籽粒產(chǎn)量更是表現(xiàn)出隨生物炭施用量的增加而逐漸增加，且增產(chǎn)效果整體上高于冬小麥，生物炭對作物產(chǎn)量的促進作用隨時間推移具有一定累積效應(yīng)[23]。在黏土中同樣發(fā)現(xiàn)玉米產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加而逐漸增加，19 t/hm2木屑生物炭使玉米產(chǎn)量顯著增產(chǎn)32%[48]。秦蓓等在鹽漬土中一次性施入棉桿生物炭后發(fā)現(xiàn)，低量生物炭(1.5 t/667 m2)施用對作物增產(chǎn)主要表現(xiàn)在前2年，而高量生物炭(3.0 t/667 m2)對作物增產(chǎn)的效果主要表現(xiàn)在后2年[49]。謝迎新等在沙質(zhì)潮土麥玉輪作系統(tǒng)中，從每季秸稈炭化還田角度出發(fā)研究發(fā)現(xiàn)，施用2.25～11.25 t/hm2生物炭對前3季小麥的地上生物量及籽粒產(chǎn)量均無顯著性影響，但從第4季開始逐漸表現(xiàn)出顯著性影響[50]。本研究在冬小麥種植前一次性施入不同水平的玉米秸稈生物炭量，可以不同程度地增加冬小麥、夏玉米兩季的籽粒產(chǎn)量，但發(fā)現(xiàn)第1季冬小麥僅在 24 t/hm2生物炭處理下籽粒產(chǎn)量顯著高于對照50.82%，第2季夏玉米施用16～40 t/hm2生物炭籽粒產(chǎn)量顯著高于對照45.62%～65.24%，生物炭對作物增產(chǎn)的效果在第2季夏玉米表現(xiàn)更為突出，尤其越高生物炭施用量對夏玉米增產(chǎn)的效果更佳，可能是由于生物炭施用量、施用時間、農(nóng)作物類型等原因?qū)е聝杉咀魑镌霎a(chǎn)效果的差異。

4 結(jié)論

雖然在研究中發(fā)現(xiàn)單季施用不同量的玉米秸稈生物炭可以促進冬小麥、夏玉米兩季作物的生長、增產(chǎn)以及土壤肥力的提高，并初步得出石灰性潮土區(qū)適宜的生物炭施用量。然而，生物炭對冬小麥—夏玉米輪作系統(tǒng)土壤肥力及作物產(chǎn)量的影響受多種因素的綜合作用，特別是生物炭還田后的長期影響可能更加復(fù)雜，同時田間的實際情況可能比盆栽環(huán)境更加復(fù)雜多變。因此，未來仍需要進一步加強生物炭還田的長期生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的田間定位研究。