張 宏，李俊華*，高麗秀，褚貴新，羅 彤，李 博

（石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832000）

生物炭對土壤理化性質(zhì)及春小麥產(chǎn)量的影響研究*

張 宏，李俊華*，高麗秀，褚貴新，羅 彤，李 博

（石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832000）

為探索生物炭短期施用對滴灌春小麥產(chǎn)量及土壤肥力的影響，本試驗通過田間試驗對土壤容重、養(yǎng)分及春小麥產(chǎn)量等進行了研究，并利用主成分分析將14個單項指標轉化為4個相對獨立的綜合指標，對各處理提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力進行了綜合評價。結果表明，與不施肥相比，生物炭對土壤肥力的影響不顯著。通過主成分分析，處理NP +B6的綜合評價值最大，為0.805，說明處理NP+B6在短期內(nèi)提高土壤肥力和小麥產(chǎn)量的能力最強。

生物炭；滴灌春小麥；產(chǎn)量；土壤肥力；主成分分析

土壤的理化性狀和土壤中養(yǎng)分與水分的運移決定土壤供給作物養(yǎng)分的能力和作物產(chǎn)量的形成[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的施肥、耕作等措施直接改變了土壤肥力，影響農(nóng)田的生產(chǎn)力及穩(wěn)定性[2]。因此，加強土壤理化性狀的研究不僅是學科發(fā)展的需要，也是保持和提高土壤質(zhì)量、保護和改善生態(tài)環(huán)境、促進國民經(jīng)濟健康、穩(wěn)定和協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎。

滴灌水肥一體化是一項環(huán)境友好的精準農(nóng)業(yè)技術，其可以控制灌水量、施肥量和灌溉施肥時間，利用滴灌系統(tǒng)把肥料輸送到作物根部周圍，可以提高肥料利用率并減少化肥消耗量[3]。生物炭（Biochar）一般指生物質(zhì)在缺氧和相對“較低”（＜700℃）溫度條件下熱解而形成的具有減緩土壤酸化、減少土壤中無機態(tài)氮的淋溶及為土壤微生物提供營養(yǎng)元素和棲居場所的潛能的固體產(chǎn)物[4]。

生物炭可以增加土壤pH值、陽離子交換量（CEC）和土壤有機碳（SOC），減少土壤容重，增強土壤對碳的固定，減緩CH4和NH3的釋放和揮發(fā)，增加作物產(chǎn)量[5-7]。也有研究表明，生物炭對促進作物增產(chǎn)并沒有顯著的影響[8-9]。Marcus[10]研究結果表明，生物炭對土壤含水量、孔隙度、田間持水量、植株可利用的有效水分、團聚體穩(wěn)定性和永久凋萎點沒有顯著的影響。

目前，在國外關于生物炭的研究很多，但在國內(nèi)還很缺乏，并且關于生物炭的研究結果仍存在著爭議，同時，對于生物炭的施用量和滴灌條件下生物炭的研究甚少。為此，本文在研究滴灌春小麥產(chǎn)量及0～40 cm土壤肥力的基礎上，采用主成分分析和隸屬函數(shù)相結合的方法，對各施肥方式提高滴灌春小麥產(chǎn)量和土壤肥力進行了綜合評價，旨在尋求生物炭短期施用對提高作物產(chǎn)量和培肥地力的影響，以及較佳的生物炭施用量，以提高土壤肥力，維持土壤的持續(xù)生產(chǎn)力。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗始于2013年，在石河子大學農(nóng)學院試驗站進行。土壤類型為灌溉灰漠土，質(zhì)地為壤土。采集土壤深度為0～40 cm。土壤經(jīng)風干、磨碎、過2 mm篩后備用。土壤基本理化性質(zhì)：有機質(zhì)13.35 g/kg，有效磷7.62 mg/kg，堿解氮55.89 mg/kg，pH值為7.88。生物炭以棉花秸稈在高溫（550～600℃）厭氧條件下熱解制備。

1.2 試驗設計

試驗設6個處理：（1）不施肥處理（CK）：不施基肥和追肥；（2）常規(guī)施肥（NP）：純氮270 kg/hm2，氮肥為尿素120 kg/hm2，磷肥為磷酸一銨；（3）常規(guī) +精制有機肥6 t/hm2（NP+M6）；（4）常規(guī)+生物炭3 t/hm2（NP+B3）；（5）常規(guī)+生物炭 6 t/hm2（NP+ B6）；（6）常規(guī)+生物炭18 t/hm2（NP+B18）。每個處理重復3次，每個小區(qū)寬2.4 m，長6 m，采用隨機區(qū)組排列。氮肥和磷肥隨水滴施，有機肥和生物炭均作基肥一次性施用。

1.3 土壤處理與作物管理

試驗地在秋季采用傳統(tǒng)的旋耕機翻耕，春季播種前進行人工翻地。灌溉方式為滴灌，種植作物為新春6號。試驗期間根據(jù)試驗要求進行施肥。20%的氮肥作為基肥施入土壤，根據(jù)小麥不同生育期對肥料的需求情況，將80%的氮肥和全部磷肥按比例作為追肥滴灌施入。春小麥于2013年3月26日播種，7月15日收獲。

1.4 調(diào)查內(nèi)容與方法

1.4.1 土壤養(yǎng)分含量

小麥收獲后（2013年7月15日），于各小區(qū)選取5個樣點，分別取0～20 cm和20～40 cm土層土樣，測定土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮和有效磷的含量[11]。

1.4.2 小麥產(chǎn)量構成

小麥成熟后，每個小區(qū)選取代表樣點，連續(xù)取20株小麥和1 m×1 m樣方，分別進行考種和測定小麥有效穗數(shù)，人工脫粒，籽粒風干，水分控制在10%左右，測定小麥產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0數(shù)據(jù)分析軟件進行單因素方差（ANOVA）分析，用Duncan新復極差法進行顯著性檢驗（p＜0.05），Excel 2007作圖。

各處理綜合指標的隸屬函數(shù)值計算[12-13]式中，Zj表示第j個綜合指標；Zmin表示第j個綜合指標的最小值；Zmax表示第j個綜合指標的最大值。

各綜合指標的權重計算如下式中，Wj表示第j個綜合指標的權重；Pj為各處理第j個綜合指標的方差貢獻率。

各處理綜合評價值的計算如下式中，D值為各處理的綜合評價值。采用SPSS 13.0數(shù)據(jù)分析軟件進行主成分分析。

表1 不同處理0～40 cm土層土壤養(yǎng)分 g/kg

2 結果與分析

2.1 不同處理的土壤養(yǎng)分

由表1可知，0～20 cm土層有機質(zhì)含量隨著生物炭施用量的增加而增加；20～40 cm土層，NP+ B6處理有機質(zhì)含量最高。0～20 cm土層，NP+B6處理全氮含量最高；20～40 cm土層，NP處理和NP +M6處理全氮最高。與CK相比，各處理兩土層的全磷含量均增加，而NP+B6處理土層的全磷含量最高，說明土壤中全磷含量并不隨生物炭施用量的增加而增加，生物炭6 t/hm2的施用量更有利于提高土壤全磷含量。各處理有效磷含量均比CK高。0～20 cm土層，NP+M6處理的有效磷含量最高，處理間差異不顯著。20～40 cm土層處理NP有效磷含量最高，處理間差異不顯著?？梢?，與CK相比，雖然各處理有效磷含量差異不顯著，但在不同程度上提高了土壤有效磷的含量。0～20 cm土層，堿解氮含量隨著生物炭施用量的增加而減少，NP+B3處理含量最高；20～40 cm土層，NP處理堿解氮含量最高。不同施肥對土壤有機質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量和有效磷含量的影響見表1。

2.2 不同施肥方式下滴灌春小麥產(chǎn)量及構成

表2 春小麥產(chǎn)量及其構成的影響

不同施肥方式對滴灌春小麥產(chǎn)量及構成影響不同（見表2）。除CK外產(chǎn)量隨著有效穗數(shù)的增加而增加。與CK相比，其他處理的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量均與CK存在顯著差異性（p＜0.05），處理NP+ B3的穗粒數(shù)最多，處理NP+B18次之，分別較CK增加55.2%和43.2%。處理NP+M6的產(chǎn)量最高，處理NP+B3次之，分別較CK高39.2%和33.0%，以處理NP+M6增產(chǎn)效果最佳。

2.3 各指標的相關性

從各指標的相關系數(shù)矩陣（表3）得知，各指標間存在著顯著或極顯著的相關性，說明所提供的信息之間易發(fā)生重疊，因此，直接利用這些信息不能準確評價各施肥方式對滴灌春小麥產(chǎn)量和土壤肥力的影響需進行進一步的分析。

2.4 最優(yōu)化的施肥處理的篩選

表3 各指標的相關系數(shù)矩陣

表4 方差貢獻率和累計貢獻率

表5 4個主成分的系數(shù)矩陣

對14個篩選指標進行主成分分析，前4個綜合指標的方差貢獻率分別為 43.785%、24.368%、18.847%和9.634%，累計貢獻率為96.634%（表4），故其余可忽略不計，因此，原來的14個單項指標可以轉化為4個相互獨立的綜合指標，分別定義為第1、2、3、4主成分。由載荷矩陣中的數(shù)據(jù)得到對應的4個主成分的系數(shù)矩陣，見表5。

在第一主成分中，20～40 cm土層的全氮和穗粒數(shù)的特征向量最大，為0.38，依次是20～40 cm土層的全磷、有效磷和產(chǎn)量，20～40 cm土層的有機質(zhì)和0～20 cm土層的堿解氮，以及0～20 cm土層的全磷，所以，此主成分可以歸納為0～20 cm土層的全磷、堿解氮，20～40 cm土層的有機質(zhì)、全磷、有效磷、全氮以及穗粒數(shù)和產(chǎn)量。

第二主成分中，0～20 cm土層的全氮的特征向量最大，為0.52，依次為20～40 cm土層的堿解氮，0～20 cm土層的全磷以及20～40 cm土層的有機質(zhì)，故此主成分可以歸納為0～20 cm土層的全氮和全磷，20～40 cm土層的堿解氮和有機質(zhì)。

在第三主成分中，千粒重的特征向量最大，為0.55，其次是0～20 cm土層的有效磷，而有效穗數(shù)的特征向量最小，為-0.39，說明植株通過減少有效穗數(shù)來增加千粒重，此主成分可歸為植株地上部的適應性和0～20 cm土層的有效磷。

第四主成分中，0～20 cm土層的有機質(zhì)的特征向量最大，為0.63，其次是0～20 cm土層的全磷和有效穗數(shù)，此主成分歸為0～20 cm土層的有機質(zhì)和全磷以及有效穗數(shù)。

2.5 各施肥方式的綜合評價

2.5.1 隸屬函數(shù)分析

根據(jù)公式（1）計算每個處理各綜合指標的隸屬函數(shù)值，即u值（表6）。對于第一綜合指標，處理NP +B6的u值最大，為1.000，處理CK的u值最小，為0.000，說明處理NP+B6在第一綜合指標上更能提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力，CK提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力最弱。同理，在第二綜合指標中，處理NP+B6提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力最強；第三綜合指標中處理NP+B18最強；第四綜合指標中處理NP+B6最強。

2.5.2 權重的確定

根據(jù)各綜合指標方差貢獻率的大小 （分別為43.785%、24.368%、18.847%、9.634%），用公式（2）計算權重（表6）。

2.5.3 綜合評價

根據(jù)公式（3）計算各處理的綜合評價值，即D值（表6），并根據(jù)D值的大小進行排序，由表6得知，處理NP+B6的D值最大，為0.805，CK的D值最小，說明處理NP+B6提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力最強，CK的提高小麥產(chǎn)量和土壤肥力的能力最弱。

表6 各處理的綜合指標值(Fi)、指標權重、U值、D值及排名

3 小結

就短期而言，生物炭對滴灌春小麥產(chǎn)量和0～40 cm土壤肥力沒有顯著影響。通過主成分分析，處理NP+B6的綜合評價值，即D值最大，為0.805，說明處理NP+B6為較佳施肥方式。

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2015—05—05

國家科技支撐計劃項目（2012BAD42B02），國家自然科學基金項目（31360501）和石河子大學高層次人才項目（RCZX201132）

*

：李俊華（1972-），男，陜西漢中人，教授，研究方向為新型肥料與現(xiàn)代施肥技術。E-mail：ljh630703@163.com。