陳心想，何緒生，耿增超，* ，張 雯，高海英，2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100;2.史丹利化肥股份有限公司市場(chǎng)部，臨沭 276700)

生物炭是由植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下經(jīng)熱裂解、炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化、難溶性的固態(tài)物質(zhì)［1］。全球?qū)ι锾靠茖W(xué)研究的重視，源于對(duì)巴西亞馬遜盆地中部黑土的認(rèn)識(shí)［2］，研究發(fā)現(xiàn)木炭可在土壤中保存數(shù)百數(shù)千年，且富含木炭的土壤比臨近無(wú)木炭土壤的肥力更高。研究表明，施用生物炭可提高土壤持水容量和養(yǎng)分吸持容量［3］，提高陽(yáng)離子交換量(CEC)低的和酸性土壤的CEC［4］，提高土壤微生物量及活性，促進(jìn)土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成［3］，提高土壤有機(jī)碳含量［5］和酸性土壤pH值［4］，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)，有時(shí)會(huì)抑制作物生長(zhǎng)甚至減產(chǎn)［6］。此外，由于生物炭可延緩肥料釋放［7］，降低肥料損失［8］，將其與礦質(zhì)肥配施作物增產(chǎn)效果更顯著。

目前，在風(fēng)化土及典型熱帶貧瘠土壤上進(jìn)行生物炭對(duì)土壤肥力和作物生長(zhǎng)影響的研究較多［9］。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者也已開始關(guān)注生物炭的相關(guān)作用，但多數(shù)研究都集中在生物炭的理化特性和環(huán)境功能等方面［10-11］，將其應(yīng)用于田間作物增產(chǎn)方面雖已有報(bào)道［12］，但在陜西關(guān)中地區(qū)的塿土和新積土上未見報(bào)道。本研究以陜西省兩種不同土壤(塿土和新積土)為研究對(duì)象，采用室外盆栽試驗(yàn)，對(duì)施用生物炭后土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤速效養(yǎng)分含量、作物產(chǎn)量和生物量以及作物中養(yǎng)分含量的變化等進(jìn)行研究，試圖探明生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和作物生長(zhǎng)的影響，為進(jìn)一步大田試驗(yàn)提供依據(jù)，并為生物炭在農(nóng)業(yè)特別是在陜西省農(nóng)業(yè)上應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)供試土壤 供試土壤分別采自陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新示范區(qū)二道塬的塿土和陜西省楊陵示范區(qū)渭河河灘的新積土。根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)塿土、新積土的質(zhì)地分別為壤土和砂土，其性質(zhì)和顆粒組成見表1。

(2)作物 選用西北農(nóng)林科技大學(xué)選育小麥(小偃22號(hào))和寧夏固原市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育糜子(寧糜14號(hào))。

(3)生物炭 研究所用生物炭系市場(chǎng)采購(gòu)的木炭，磨細(xì)過(guò)1 mm篩，其基本性質(zhì)見表2。

表1 供試土壤的基本化學(xué)性質(zhì)Table 1 Elementary chemical properties of soil in the pot experiment

表2 供試生物炭基本化學(xué)性質(zhì)和元素含量Table 2 Elementary chemical properties and element contents of biochar

1.2 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每種土壤各設(shè)5個(gè)處理，即生物炭當(dāng)季施用量分別為B0(0 t/hm2)、B5(5 t/hm2)、B10(10 t/hm2)、B15(15 t/hm2)和B20(20 t/hm2)，設(shè)5次重復(fù)，每個(gè)處理用土量為5 kg，除生物炭用量不同外，各處理，氮、磷、鉀肥(分別為硝酸銨、磷酸二氫鈣、硫酸鉀)均作基肥施用，用量均為每公頃225 kg N，180 kg P2O5，150 kg K2O，每次種植前取出土壤并與生物炭和肥料充分混勻后裝盆。

盆栽試驗(yàn)進(jìn)行兩季，分別于2010年10月17日至2011年5月20日種植小麥，每盆定植20株，2011年6月15日至2011年8月23日種植糜子，每盆定植25株。因種植小麥前按設(shè)計(jì)方案已種植一季糜子，故小麥?zhǔn)斋@時(shí)生物炭累積量分別為 0、10、20、30、40 t/hm2，在糜子收獲時(shí)生物炭累積量分別為 0、15、30、45、60 t/hm2。在作物生長(zhǎng)期間根據(jù)天氣及作物生長(zhǎng)狀況適量灌水，以滿足作物正常生長(zhǎng)發(fā)育所需。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

作物成熟后，收獲時(shí)用剪刀將穗剪下、植株沿莖基部剪下，分別裝入干凈信封中，置于恒溫箱中90℃殺青30 min、65℃烘至恒重后稱量，計(jì)算地上部生物量及產(chǎn)量，且于每盆布四點(diǎn)立即用土鉆采集土樣。

生物炭性質(zhì)測(cè)定方法:采用水/樣為25∶1電位計(jì)法;CEC采用乙酸鈉-火焰光度法［13］;元素含量利用元素分析儀和能譜儀測(cè)定。

土壤各項(xiàng)指標(biāo)均采用常規(guī)方法測(cè)定。其中，土壤pH值采用水土比2.5∶1浸提-酸度計(jì)法;CEC采用乙酸鈉-火焰光度法;有機(jī)碳采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法;礦質(zhì)態(tài)氮采用1 mol/L KCl浸提-流動(dòng)分析儀測(cè)定NO－3-N和NH+4-N后求二者之和;有效磷用Olsen法;速效鉀用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法［13］。

植物樣品(植株/種子):用濃硫酸-雙氧水消煮，定容后分別用半自動(dòng)定氮儀、鉬銻抗比色法、火焰光度計(jì)法測(cè)定全 N、全 P、全 K［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用DPSv7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比較采用最小顯著差異法(LSD)，顯著性水平設(shè)定為0.05，用Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和速效養(yǎng)分的影響

2.1.1 生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

如表3所示，土壤pH值隨生物炭用量的增加而有增加趨勢(shì)，僅新積土糜子季施炭處理較B0顯著增加。施用生物炭后，土壤CEC在新積土上均隨生物炭施用量的增加而顯著增加，但糜子季增幅較小;而塿土土壤CEC雖有增加，但處理間差異均不顯著。施用生物炭后，兩種土壤有機(jī)碳含量均隨生物炭用量的增加而顯著增加，且總體上糜子季增幅大于小麥季，新積土的增幅高于塿土。由表3還可以看出，連續(xù)種植兩季作物后，隨著生物炭的連續(xù)施入，土壤pH值、CEC和有機(jī)碳含量在糜子季各處理均高于小麥季相應(yīng)處理，表明生物炭在土壤中穩(wěn)定性較高，分解速度較慢，連續(xù)施入后累積于土壤中。

表3 施用生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 3 Effects of biochar on soil chemical properties

2.1.2 生物炭對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

如表4所示，施用生物炭后，兩種土壤的礦質(zhì)態(tài)氮含量均隨生物炭用量的增加而顯著增加，表明施用生物炭能增加土壤對(duì)NO－3和NH+4的吸持，有效地補(bǔ)充土壤氮素養(yǎng)分。土壤有效磷和速效鉀含量?jī)H在新積土的兩季作物上，隨生物炭用量的增加而顯著增加，在塿土上雖有增加趨勢(shì)但處理間無(wú)顯著差異。這表明生物炭可提高新積土對(duì)氮、磷、鉀的吸附保持作用，改善新積土(砂土)“漏水漏肥”的不足，從而利于作物整個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)養(yǎng)分的需求。由于塿土保水保肥性好，故生物炭對(duì)養(yǎng)分的吸附作用并不顯著，具體效應(yīng)將在下一步田間長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中研究。

表4 施用生物炭對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響Table 4 Effects of biochar on soil available nutrients content

2.2 生物炭對(duì)作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響

2.2.1 生物炭對(duì)作物地上部生物量和產(chǎn)量的影響

如圖1所示，施用生物炭后，作物生物量雖有增加趨勢(shì)，但除塿土小麥B5、B10和B15較B0顯著增加了23.6%、20.6%和15.9%外，塿土糜子季和新積土上兩種作物生物量均無(wú)顯著差異，且生物炭在最高用量時(shí)甚至對(duì)新積土作物產(chǎn)生輕微抑制作用。

如圖2所示，施用生物炭后，新積土糜子和塿土小麥顯著增產(chǎn)，其中新積土糜子僅B10和B20較B0顯著增產(chǎn)66.0%和43.0%，塿土小麥僅B5和B10較B0顯著增產(chǎn)38.6%和28.3%，而其他處理雖有變化但差異不顯著，這說(shuō)明施用生物炭對(duì)小麥和糜子的增產(chǎn)效應(yīng)尚不穩(wěn)定，有待進(jìn)一步大田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究。

圖1 施用生物炭對(duì)小麥、糜子生物量的影響Fig.1 Effects of biochar on dry weight of wheat and millet

圖2 施用生物炭對(duì)小麥、糜子產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of biochar on yield of wheat and millet

2.2.2 生物炭對(duì)作物養(yǎng)分吸收的影響

(1)生物炭對(duì)作物植株內(nèi)養(yǎng)分含量的影響

如表5所示，施用生物炭后，兩種土壤上糜子植株氮含量均顯著增加，小麥季處理間無(wú)顯著差異。塿土糜子植株磷含量顯著降低，而其他處理雖有增加趨勢(shì)但差異不顯著。兩種作物植株鉀含量在新積土上均顯著增加，但在塿土上處理間無(wú)顯著差異。由此可知，施用生物炭促進(jìn)了糜子植株對(duì)氮素的吸收利用，而對(duì)小麥影響不顯著，這可能與作物類型有關(guān)。施用生物炭也促進(jìn)了新積土上作物對(duì)鉀素的利用，對(duì)塿土的影響較小，這可能與土壤性質(zhì)有關(guān)。

表5 施用生物炭對(duì)作物植株養(yǎng)分含量的影響Table 5 Effects of biochar on nutrient content of crop plant

(2)生物炭對(duì)作物籽粒中養(yǎng)分含量的影響

如表6所示，施用生物炭后，籽粒氮含量在新積土上兩季作物均顯著提高，而在塿土上僅小麥季顯著提高，籽粒磷含量?jī)H在新積土小麥季顯著提高，籽粒鉀含量?jī)H在塿土糜子季顯著提高，其他處理雖有增加趨勢(shì)但處理間差異不顯著。

表6 施用生物炭對(duì)作物籽粒養(yǎng)分含量的影響Table 6 Effects of biochar on nutrient content of crop seeds

(3)生物炭對(duì)作物養(yǎng)分吸收量的影響

如表7所示，施用生物炭后，塿土上兩季作物氮素吸收總量均顯著提高，磷素和鉀素吸收總量分別在新積土糜子季和塿土小麥季顯著提高，其他處理間雖有增加但均無(wú)顯著差異。

3 討論

3.1 生物炭與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

本試驗(yàn)所用生物炭pH值較高，施入土壤后除了增加新積土糜子季土壤pH值外，對(duì)其他處理pH值影響并不顯著，這與前人研究結(jié)果［4］不一致，主要原因可能是原始土壤pH值較高，生物炭灰分中的可溶性鹽基離子，如鈣、鎂、鉀、鈉等，溶于水后不能顯著提高土壤鹽基離子飽和度。新積土糜子季炭處理土壤pH值較對(duì)照變化較大，原因之一可能是本研究為盆栽試驗(yàn)，裝土量有限，使土壤緩沖性能減弱;另一方面可能是新積土CEC較小，緩沖容量較小所致，該結(jié)論還有待于大田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

表7 施用生物炭對(duì)作物養(yǎng)分吸收量的影響Table 7 Effects of biochar on uptake of nutrients by crops

土壤CEC是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，可直接反映土壤吸持和供給可交換養(yǎng)分的能力，而土壤膠體的比表面積和表面負(fù)電荷密度決定了其大?。?4］，因此，土壤的固相組成直接影響土壤CEC。生物炭比表面積大，可以增強(qiáng)土壤對(duì)陽(yáng)離子的吸附能力［15］，增加耕層土壤CEC［16］。由于CEC的形成主要與土壤中有機(jī)質(zhì)含量和粘粒含量有關(guān)，因此本試驗(yàn)中生物炭顯著提高了有機(jī)質(zhì)較低的新積土CEC，而對(duì)有機(jī)質(zhì)較高的塿土影響相對(duì)較弱。連續(xù)種植兩季作物后，糜子季CEC均大于小麥季，可能是因?yàn)殡S著生物炭與土壤相互作用時(shí)間的延長(zhǎng)，在生物或非生物作用下，生物炭表面可部分被輕度氧化形成羰基、酚基和醌基等官能團(tuán)［17］，其電荷量或CEC增大，從而增大土壤CEC。

本試驗(yàn)施用生物炭顯著增加土壤有機(jī)碳含量，其增幅隨生物炭用量的增加而增加，且新積土的增幅高于塿土，這是由于生物炭富含有機(jī)碳，可以增加土壤有機(jī)碳含量［4，18］，以及土壤有機(jī)質(zhì)［3，19］或腐殖質(zhì)含量，而新積土原土的有機(jī)碳含量明顯低于塿土，施入生物炭后，通過(guò)激發(fā)效應(yīng)促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解［20］，有機(jī)碳含量迅速提高。在連續(xù)種植兩季作物后，同一土壤糜子季土壤有機(jī)碳含量均高于小麥季，且兩季作物土壤有機(jī)碳含量均高于原始土壤。原因一方面可能是土壤處理時(shí)殘留了極細(xì)小的植物殘?bào)w;另一方面，生物炭的穩(wěn)定性較高，隨著生物炭的逐季施入，土壤中累積的生物炭增多，一些極細(xì)小的生物炭顆?？赡芨街谕寥辣砻妫?1］。

3.2 生物炭與土壤養(yǎng)分變化的關(guān)系

生物炭具有較大的比表面積，施入土壤后可以吸附多種離子，從而提高土壤的保肥性能［22］，但其對(duì)養(yǎng)分是一種選擇性吸持［23］，對(duì) NH+4、NO－3吸附作用較強(qiáng)［3］。本試驗(yàn)施用生物炭顯著增加土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量，且增幅隨生物炭用量的增加而增加，這與前人室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致［24］。已有研究指出生物炭可以增加有效P、K、Mg和Ca含量［25］，但本試驗(yàn)施用生物炭顯著提高了新積土有效P、K含量，但對(duì)塿土影響不顯著。原因可能是新積土養(yǎng)分含量較低且易淋失，施入生物炭后，由于炭本身含有一定養(yǎng)分即可作為肥料提高土壤肥力［11］，而且其巨大表面積易吸附養(yǎng)分，從而提高了土壤速效養(yǎng)分含量，而對(duì)肥力高的塿土影響較小。

3.3 生物炭與作物產(chǎn)量、生物量及養(yǎng)分吸收的關(guān)系

前人研究表明［9，12，26］，施用生物炭可以顯著促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加作物地上部干物質(zhì)的積累和作物產(chǎn)量。本研究結(jié)果顯示，僅塿土小麥生物量顯著增加，且生物炭在最高用量時(shí)甚至對(duì)新積土上作物生物量產(chǎn)生輕微的抑制作用。施用生物炭對(duì)小麥和糜子的增產(chǎn)效應(yīng)尚無(wú)規(guī)律，新積土小麥和塿土糜子均未顯著增產(chǎn)，而新積土糜子和塿土小麥季顯著增產(chǎn)。原因一方面可能與土壤和作物類型有關(guān)，因?yàn)樵谒嵝院椭行?、粗或中等質(zhì)地的土壤上生物炭的增產(chǎn)效應(yīng)較顯著［27］;另一方面，生物炭含碳量高而礦質(zhì)養(yǎng)分含量低，施入土壤后作物直接利用的養(yǎng)分有限，土壤C/N比提高，進(jìn)而降低土壤養(yǎng)分尤其是氮素有效性［28］，因而在多數(shù)土壤上單獨(dú)施用生物炭，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)季或幾季作物無(wú)增產(chǎn)效應(yīng)，甚至減產(chǎn)［7］。因此，生物炭的增產(chǎn)效應(yīng)可能與土壤肥力狀況、生物炭用量、礦質(zhì)肥管理、作物和土壤類型等因素有關(guān)［29］，具有較大的不確定性。

有研究表明，施用生物炭有利于增加作物組織中磷、鉀、鈣、鎂等元素吸收［30］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭顯著提高了塿土上兩種作物氮吸收量，而對(duì)磷、鉀吸收量的影響尚不穩(wěn)定，且同一土壤不同作物響應(yīng)不同。原因可能是生物炭和氮肥配施提高了土壤pH值，可能降低了磷和某些微量元素的有效性［29-30］，從而不利于作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，還與作物類型和種植年限有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)生物炭顯著增加了新積土糜子季土壤pH值，其他處理雖隨生物炭用量增加而有增加趨勢(shì)但差異不顯著;顯著增加新積土土壤CEC，小麥季增幅較大，而對(duì)塿土土壤CEC影響不顯著;顯著增加兩種土壤有機(jī)碳含量，且新積土增幅高于塿土，糜子季增幅大于小麥季。

(2)生物炭可顯著提高兩種土壤的礦質(zhì)態(tài)氮含量，顯著提高新積土土壤有效磷和速效鉀含量，而對(duì)塿土磷鉀含量無(wú)顯著影響。

(3)施用生物炭對(duì)小麥和糜子的增產(chǎn)效應(yīng)尚不明確，不同土壤上不同作物對(duì)生物炭的響應(yīng)不同，與土壤肥力狀況有關(guān)。生物炭可顯著提高塿土上作物氮吸收量，而作物磷、鉀吸收量雖有增加但差異不顯著，且同一土壤不同作物響應(yīng)不同。

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