王 湛，李銀坤，王利春，郭文忠，徐志剛，楊子強，馬 麗，李秋琛,4

?

生物炭配施有機肥對菜田土壤水分及水分利用效率的影響*

王 湛1,2，李銀坤1**，王利春1，郭文忠1，徐志剛2，楊子強3，馬 麗3，李秋琛1,4

（1．北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心，北京 100097；2．南京農(nóng)業(yè)大學，南京 210095；3．寧夏吳忠國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會，吳忠 751100；4．寧夏大學，銀川 750021）

2015年5月起在寧夏吳忠地區(qū)進行生物炭和有機肥單施與配施的定位試驗，試驗對象為有機菜心。每年種植3茬，本研究選取2016年5月13日播種、6月22日收獲的第1茬有機菜心有關試驗數(shù)據(jù)進行分析。試驗共設置4個處理，單施有機肥（M，110t·hm-2）、單施生物炭（C，17t·hm-2）、施有機肥+生物炭（MC，110+17t·hm-2）以及不施有機肥和生物炭（CK），通過測定菜心生育期內(nèi)0-70cm土層水分動態(tài)、菜心生長狀況，以分析生物炭配施有機肥栽培模式在西北有機菜田中的作用效果。結果表明：生物炭配施有機肥處理（MC處理）可有效增加0-10cm土層的體積含水率，全生育期0-10cm土層平均含水率分別比CK、M和C處理增加12.4～29.2個百分點（P＜0.05）。MC處理能夠改變土壤剖面水分分布，使更多的水分集中在0-30cm土層，增加作物可利用的水分含量，對水分的固持作用顯著。MC處理促進菜心的生長，增加產(chǎn)量，提高水分利用率（WUE），與M處理相比，其收獲期菜心株高、產(chǎn)量、生物量和WUE分別增加39.6%、63.0%、51.4%和64.0%（P＜0.01）。研究表明，生物炭配施有機肥處理蓄水保墑增收效應顯著，可作為當?shù)赜袡C菜地優(yōu)選栽培管理方式推廣。

土壤水分；土壤貯水；菜心；生物量

寧夏深居內(nèi)陸高原，該地區(qū)光照時間長，晝夜溫差大，太陽輻射強，畜牧業(yè)發(fā)達，氣候適宜，具有栽培有機蔬菜獨特的自然條件，是有機蔬菜的重要生產(chǎn)區(qū)域，但當?shù)囟嗄昶骄舭l(fā)量達1000～4100mm，而降水量僅180～200mm，且變化大，全年降水量的70%主要集中在7-9月[1]，存在水資源利用效率低，結構不合理[1]，供需矛盾日趨加劇[2]，山區(qū)引水成本高昂等一系列問題，因此，水資源短缺嚴重制約了該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平提高和經(jīng)濟發(fā)展[3-5]。研究發(fā)現(xiàn)[6-11]，將有機肥和生物炭單獨施用到農(nóng)田土壤中能夠改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤水分庫和降水入滲，并抑制蒸發(fā)，提升土壤有效水含量和作物水分利用效率，協(xié)調(diào)土壤供水和作物需水之間的矛盾，在節(jié)水農(nóng)業(yè)中作用明顯，對促進干旱區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)增長具有重要意義。王曉娟等[3]為期4a的定位試驗表明，土壤中單施有機肥能夠顯著提高玉米產(chǎn)量，增加土壤供水的比例，減小作物對水分的虧缺，提高水分利用效率，且隨著有機肥施用年限的延長，其效果越顯著。同樣，馬曉麗[12]在渭北旱塬研究連續(xù)2a的有機培肥對土壤改良和冬小麥生長發(fā)育的影響時發(fā)現(xiàn)，有機肥單施在涵養(yǎng)土壤水分，促進作物干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量等方面有良好的作用。而生物炭作為一種新型的土壤改良劑因其能增加土壤肥力，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率而備受關注[13-14]，生物炭的作用效果主要通過其自身的吸附作用和改變土壤理化性質(zhì)而實現(xiàn)，如改變土壤容重、孔隙結構和持水能力[15]。研究顯示[16]，將生物炭單獨施用到農(nóng)業(yè)土壤中田間持水量可增加20%左右。目前的研究主要集中在有機肥和生物炭單施對土壤水分含量變化的中短期試驗，關于有機肥配施生物炭對旱區(qū)有機農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化及水分利用效率影響的研究鮮見報道。因此，本研究基于在寧夏吳忠的有機肥和生物炭配施定位試驗，研究單獨施用有機肥和生物炭，生物炭和有機肥配施下土壤水分動態(tài)變化特征和作物水分利用效率，旨在為完善旱區(qū)有機肥和生物炭培肥栽培模式以及為節(jié)水保墑綜合技術的創(chuàng)立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗設在寧夏回族自治區(qū)吳忠市孫家灘國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園（106°6′26″E，37°57′10″N，海拔1130m），該地區(qū)屬溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候，是有機蔬菜的重要生產(chǎn)基地，其中葉菜（菜心）有較大的栽培面積。該站定位試驗始于2015年，每年5-10月種植收獲3茬菜心，品種為油綠702。試驗在長100m、跨度10m、脊高1.3m、側(cè)墻肩高2.2m、網(wǎng)孔60目的防蟲網(wǎng)棚內(nèi)進行，試驗前將土樣和腐熟牛糞風干后撿去石塊和動植物殘體，過2mm篩，測定基本性質(zhì)（表1）。試驗用生物炭是以玉米芯為原料，在360℃條件下不完全燃燒制成的黑色粉末，其比重為0.34g·cm-3，C含量為28.9%，N含量為0.40%，全磷0.97g·kg-1，全鉀4.27g·kg-1。生物炭和有機肥在每年種植第一茬作物前一次性施入，均勻撒在土壤表面后翻入0-20cm土層，種植作物前翻地3次，使有機肥、生物炭與土壤混合均勻。

1.2 試驗設計

2016年第1茬試驗共設4個處理（表2），每個處理重復3次。種植前按2015年方法在同一處理中繼續(xù)施入生物炭或有機肥并進行相應處理。每個小區(qū)面積仍為4.2m×1.4m，小區(qū)與小區(qū)間隔0.3m作為緩沖帶。該試驗為同一地塊上的第4茬作物（即2016年第1茬）， 2016年5月13日播種，6月22日統(tǒng)一收獲，播種行距15cm，兩葉一心時進行間苗，間苗后的株距平均10cm，采收在基部以上3片綠葉處切割。

表1 試驗前土壤及擬施入有機肥的基本性質(zhì)

Note: OM is organic matter content, TN is total nitrogen content, AP is available potassium content, APH is available phosphorus content, BD is bulk density, FW is field water holding capacity(volume water content).

表2 試驗處理設置

灌溉方式為滴灌，管道、水表和滴灌管（管徑16mm，滴頭間距10cm）為市場銷售材料。CK、C、M和MC處理田間最大持水量（體積含水量）分別為18.0%、18.3%、22.6%和21.1%。當某個小區(qū)含水量降至田間最大持水量的80%時即灌溉。各處理灌水量（H）一致，每次灌溉量用水表準確計量，計算式為

式中，θf為田間最大持水量（質(zhì)量百分比）；θi為各處理測定的實際含水量平均值（質(zhì)量百分比），為TDR實際測量含水量與各處理容重的乘積；g為土壤容重，其中CK、C、M和MC處理分別為1.65、1.53、1.32和1.51g·cm-3；H為土層深度，本試驗H為0.3m；p為滴灌水分利用效率0. 95[18]。

1.3 觀測項目及方法

成熟后每小區(qū)隨機取2m2用電子天平（精度0.1g）進行測產(chǎn)（鮮重），折合成公頃產(chǎn)量。

0-70cm土壤含水量由TDR（PICO-BT，由Andres Industries AG公司制造）測定。試驗地勢高，地下水位深，無地下水滲漏，因此，選測70cm以上土層，每10cm深度測定一次，分別在灌水前后1d和灌水后間隔2～3d測量。

平均風速、陣風速度、氣溫、地溫（10cm）、太陽輻射和空氣濕度（RH）等氣候變化由網(wǎng)棚內(nèi)中部的氣象站（HOBO U30 station）監(jiān)測。由圖1可知，隨著菜心生長季的延長，日輻射量呈波動式升高，其最大值為1008.1W·m-2，而RH呈波動式下降，變幅在9.2%～98.3%，全生育期平均太陽輻射和RH分別為198.2W·m-2和47.2%。氣溫和10cm地溫呈波動性升高，且地溫隨著氣溫的升降而升降，氣溫的變幅明顯大于地溫，生育期內(nèi)氣溫和10cm地溫變幅分別為3.0～37.5℃和7.9～34.5℃，平均分別為20.3℃和21.8℃。平均風速和陣風速度呈無規(guī)則變化，常有陣風而平均風速較小，陣風最大為7.3m·s-1，平均風速最大為3.5m·s-1。整體而言，較為適宜的光照、RH、地溫、氣溫、陣風速度和平均風速為菜心的正常生長發(fā)育提供了保證。

圖1 全生育期氣象因子變化

在菜心收獲前1d測量生物量及生長指標。每小區(qū)取長勢均勻一致的3株菜心在105℃殺青30min后80℃烘至恒重，精確至0.01g；株高和單株葉圍面積（以單株菜心冠層最長處為長、與其垂直的冠層長度為寬，二者相乘）由直尺測量（精度1mm）。

試驗地平整，土質(zhì)均一，土層深，地勢高且無地下水位滲漏和地表徑流，因此，水分利用效率（WUE）和菜心的田間耗水量（ET）可計算為

式中，WUE為水分利用效率（kg·hm-3）；Y為菜心的產(chǎn)量，即鮮物質(zhì)重量（kg·hm-2）；ET為田間耗水量（mm）。

式中，P為生育期灌水量（mm）；ΔH為菜心生育期前后0-70cm土壤儲水量的變化（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)整理，Origin93（2016）繪圖，SPSS18.0統(tǒng)計分析軟件進行方差分析，多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 生物炭配施有機肥對不同土層含水率的影響

2.1.1 10cm土層

由圖2可見，2016年第1茬菜心全生育期各處理累積灌水量均為430.49mm，各處理10cm表層土壤含水率隨著灌水的進行均表現(xiàn)出一致的波動變化規(guī)律，其區(qū)別僅在于每個處理土壤含水率波峰、波谷數(shù)值的不同。

總體上看，CK處理（不施有機肥和生物炭）土壤含水率峰、谷均最低，每次灌水后達到的含水率僅為22.8%～27.2%，平均24.7%；而每次灌水前10cm土層含水率已降至11.0%～16.4%，平均13.8%；整個生育期平均土壤含水率為19.4%。單施生物炭（C處理）后，土壤持水能力明顯增強，每次灌水后10cm土層含水率可達24.2%～28.2%，每次灌水前含水率降至12.7%～18.2%，平均15.7%，比CK增加了13.8個百分點。單施有機肥（M處理）后，每次灌水后10cm土層含水率可達到25.0%～29.0%，每次灌水前含水率降至15.0%～19.3%，平均17.3%，比CK增加25.4個百分點。當土壤中同時施入有機肥和生物炭（MC處理）后，土壤持水能力更強，每次灌水后10cm土層含水率可達到28.5%～31.6%，每次灌水前含水率降至15.6%～22.6%，平均19.8%，比CK增加43.5個百分點，比M或C處理分別增加14.5和26.1個百分點?？梢姡寥乐惺┯糜袡C肥或生物炭對提高10cm土層水分含量有一定作用，兩者同時施用10cm土層水分含量的增加更為顯著。

圖2 菜心生育期各處理灌水量及10cm土層體積含水率變化過程（2016-05-13—06-22）

2.1.2 土壤剖面含水率

生育期內(nèi)有機肥、生物炭單施和生物炭配施有機肥處理下0-70cm土層水分分布見圖3。由圖可見，從整個生育期來看，不同處理土壤剖面水分分布不同。CK處理60cm以下水分含量最高，20cm以上次之，20-60cm土層隨著生育期延長其水分含量呈現(xiàn)降低趨勢。與CK相比，C處理土壤剖面水分分布明顯上移，更接近表層，C處理水分主要集中在30-60cm土層。M和MC處理與C處理相比，其水分更接近上層土壤，呈上層土壤水分含量高，下層低的變化趨勢。與M處理相比，MC處理水分分布更集中，MC處理水分主要集中在30cm以上表層，而M處理主要分布在40cm以上土層。由此表明，有機肥和生物炭單施均對土壤水分的下滲有一定的固持作用，而生物炭配施有機肥處理能夠更好地將灌溉用水截獲在土壤0-30cm表層土壤。

圖3 菜心生育期各處理土壤剖面含水量的動態(tài)變化（2016-05-13—06-22）

2.2 生物炭配施有機肥對不同土層儲水量的影響

從表3可以看出，收獲后各處理0-40cm土壤儲水量均呈增加趨勢，MC處理儲水量變化顯著高于其它處理（P＜0.01）；0-70cm土壤儲水量除C處理增加外，其它處理均降低。

與CK相比，有機肥和生物炭單施均能顯著增加（C和M處理）收獲后0-40cm土壤儲水量（P＜0.01），分別增加180.2%和231.3%；而兩者配施（MC處理）較CK、C和M處理0-40cm儲水量顯著增加（P＜0.01），增幅在23.5%～308.9%。表明生物炭和有機肥單施能夠增加0-40cm土壤儲水量，而配施效果更佳。C和M處理對收獲后0-70cm儲水量變化的作用則不同，與CK相比，C處理顯著增加了收獲后0-70cm土壤儲水量（201.3%），而M處理儲水量顯著降低（降低了229.3%）；MC處理收獲后土壤儲水量降低作用顯著，與處理CK、C和M相比，收獲后儲水量分別降低了2.9～28.5倍（P＜0.01）。

綜上所述，生物炭配施有機肥能顯著提高上層（0-40cm土層）土壤儲水量，降低下層（0-70cm土層）土壤儲水量，主要是MC處理將土壤含水量集中在0-30cm土層所致（圖3），灌溉水分大多儲存在土壤上層，作物可利用水分潛在含量增加。

表3 菜心收獲前、后各處理不同土層土壤儲水量比較（mm）

注：大寫字母表示處理間在0.01水平上的差異顯著性。下同。

Note: Capital letter indicates the difference significance among treatments at 0.01 level. The same as below.

2.3 生物炭配施有機肥對菜心生長及水分利用效率的影響

從表4可以看出，與CK相比，單施生物炭（C處理）除使菜心株高增加外，對其它生長性狀無顯著影響，單施有機肥（M處理）能夠顯著促進菜心生長，增加WUE，其中株高、單株葉圍面積、葉片數(shù)、產(chǎn)量、生物量和WUE均顯著增加（P＜0.01），分別增加123.1%、5125.2%、58.3%、1270.4%、1133.3%和1301.4%。與C和M相比，兩者配施（MC處理）對促進菜心生長，提高WUE作用顯著，其中MC處理較C處理株高、單株葉圍面積、葉片數(shù)、產(chǎn)量、生物量和WUE分別增加112.0%、525.8%、71.8%、889.6%、1300%和984.0%（P＜0.01），較M處理株高、產(chǎn)量、生物量和WUE分別增加了39.6%、63.0%、51.4%和64.0%（P＜0.01）。由此可見，生物炭配施有機肥在促進菜心生長，增加菜心產(chǎn)量和提高水分利用效率方面作用顯著。

表4 不同處理下菜心生長及水分利用效率的變化

Note: PH is plant height, LC is leaf circumference area, NL is number of leaves per plant, ET is water consumption.

3 結論與討論

3.1 討論

土壤水分是土壤肥力諸多因素中最活躍、最重要的因素之一，除被植物吸收利用外還影響土壤的肥力狀況[19]。多數(shù)研究認為，生物炭能夠增加砂質(zhì)土壤含水量，對黏土含水量無顯著影響[20]。本次試驗中，生物炭配施有機肥（MC處理）較單施有機肥（M處理）10cm土層含水量有所增加。其中MC處理全生育期10cm土層含水量較M處理增加了12.6%（P＜0.05）。與王浩等[21]將生物炭單施在高粱作物上，王曉娟等[3,22-23]將有機肥單施在玉米和大豆作物上的研究結論一致。表層土壤水分含量的變化勢必改變土壤剖面水分分布狀況。試驗發(fā)現(xiàn)，MC處理水分主要集中在0-30cm以上表層，而M處理主要分布在0-40cm以上土層，C處理水分主要集中在30-60cm，而CK處理60cm以下土層水分含量最高；收獲時MC處理土壤儲水量以0-40cm土層最高。有機肥和生物炭配施改變了收獲期儲水量的分布特征，增加上層土壤的儲水量?？赡苁巧百|(zhì)土壤孔隙大，添加生物炭能夠增加土粒之間的接觸[24]，減少大孔隙度，增加小孔隙度，從而增加土壤的保水性能[25]，孔隙度的改變破壞了土壤原有的結構[26]，形成微孔結構，這種多微孔結構對提高土壤持水能力和增加灌水的入滲有重要影響，土壤入滲特征間接影響剖面水分分布[27]。

改良劑配施對土壤水分的作用并不僅僅是兩者單獨施用效果的疊加[11]。本試驗中，生物炭和有機肥配施到土壤中水分含量的增加量大于兩者單獨施加時水分含量增加量之和。其中，生物炭和有機肥配施處理（MC）比不施生物炭和有機肥處理（CK）10cm土層含水量增加了29.2個百分點（P＜0.05），有機肥（M）和生物炭（C）單施比CK分別增加14.9和7.3個百分點（P＜0.05），MC處理比兩者單施土壤含水量增加的和還高出7個百分點（P＜0.05）?？赡苁怯袡C肥和生物炭配施對水分含量的增加呈交互作用[28]，生物炭具有的細粒子結構堵塞了有機肥添加到土壤中形成的大孔隙，阻止水分的下滲[29]。因此，相對于單施有機肥和生物炭土壤改良模式，有機肥配施生物炭在增加10cm表層土壤含水量方面有更佳的效果。

生物炭單施對作物的增產(chǎn)效果并不顯著，而與氮肥配施能夠顯著促進作物增長[30]。在本試驗條件下，將生物炭單獨施用到土壤時，并不能促進菜心生長，而生物炭和有機肥配施到有機菜田中能顯著促進菜心生長，增加產(chǎn)量和生物量，提高WUE。與M處理相比，MC處理株高、產(chǎn)量、生物量和WUE分別增加了39.6%、63.0%、51.4%和64.0%（P＜0.01）。Chan等[28]也發(fā)現(xiàn)，單施生物炭不添加氮肥時蘿卜的產(chǎn)量也不會有明顯增加，而生物炭和氮肥配合施用對蘿卜干物質(zhì)增加作用顯著，本試驗結論與其一致。這是由于生物炭與氮肥互作的結果[31]，土壤中施用的生物炭具有發(fā)達的孔隙結構，大的比表面積，高的碳氮比，有利于微生物生存繁衍[29]，從而增加與氮素代謝有關的微生物群落結構（促進有機肥中有機物質(zhì)的分解）和豐度，增加土壤生態(tài)系統(tǒng)功能，為作物生長提供良好的生長環(huán)境[32]。因此，生物炭和有機肥配施添加到土壤中通過改變生物群落結構和豐度，改善土壤微生態(tài)環(huán)境從而間接促進作物生長，提高作物產(chǎn)量和水肥利用效率。

3.2 結論

（1）生物炭連續(xù)配施有機肥能夠顯著提高表層土壤含水量，降低土壤水分波動幅度。其中MC處理較M、C和CK處理生育期內(nèi)0-10cm土壤含水量顯著提高了124%、20.4%和29.2%（P＜0.05）。

（2）生物炭配施有機肥對灌溉用水的固持作用顯著，使灌溉水分集中在上層土壤，提高作物利用的潛力。生育期內(nèi)MC處理主要集中在0-30cm以上土層，M處理0-40cm含水量較高，C處理30-60cm含水量較高，而CK處理60cm以下土層具有較高的含水量。

（3）有機肥配施生物炭能夠促進菜心的生長，增加產(chǎn)量，提高水分利用率。與單施有機肥相比，處理MC的收獲期菜心株高、產(chǎn)量、生物量和WUE分別增加了39.6%、63.0%、51.4%和64.0%（P＜0.01）。

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Effects of Organic Fertilizer Combined with Biochar on Soil Moisture and Water Use Efficiency in Vegetable Field

WANG Zhan1, 2, LI Yin-kun1, WANG Li-chun1, GUO Wen-zhong1, XU Zhi-gang2, YANG Zi-qiang3, MA Li3, LI Qiu-chen1,4

(1．Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 2．Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095; 3．Wuzhong National Agricultural Science and Technology Park Management Committee, Wuzhong 751100; 4．Ningxia University, Yinchuan 750021)

Taking Chinese Flowering Cabbage as the experimental materal, the positioning experiment of single and combined fertilization of biochar and organic fertilizer was carried out in Wuzhong dry area in Ningxia. The research analyzed the experimental data about the first crop among three corps a year in total that planted on 13th May 2015, and harvested on 22nd June 2015. The experiment totally included four treatments as single organic fertilizer (M, 110t·ha-1), single biochar (C, 17t·ha-1), organic fertilizer combined with biochar (MC, 110+17t·ha-1) and no organic fertilizer and biochar (CK). Through testing the moisture dynamics and growing state of 0-70cm soil layer in growth period of Chinese Flowering Cabbage to analyze the role and effect of cultivation model of biochar combined with organic fertilizer in organic vegetable garden in northern of China. The results showed that the treatment MC could effectively increased the water content in 0-10cm soil layer. Compared with treatment CK, M and C, the average ratio of water content of 0-10cm soil layer in whole growth period increased by 12.4-29.2 percentage (P<0.05) respectively. Treatment MC changed the distribution of moisture in soil section profile, concentrate more moisture in 0-30cm soil layer and enhanced available water content for corps and had a remarkable role on water retention. Treatment MC could promote the growth of Chinese Flowering Cabbage and increase corps yield and water use efficiency (WUE). Compared with treatment M, the plant height of Chinese Flowering Cabbage, yield, biomass and WUE increased by 39.6%, 63.0%, 51.4% and 64.0% (P＜0.01) respectively in harvest season. The results indicated that treatment of biochar combined with organic fertilizer (MC) had remarkable role in water-storing and soil-maintenance and could be popularized as a preferential cultivation management model in local region.

Soil moisture; Soil water storage; Flowering Chinese Cabbage; Biomass

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.12.003

王湛,李銀坤,王利春,等.生物炭配施有機肥對菜田土壤水分及水分利用效率的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(12):771-779

2017-03-25

。E-mail：lykun1218@163.com

國家自然科學基金（青年）項目（41501312）；“十二五”科技支撐計劃（2014BAD05B02）；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研項目（201303108）

王湛（1990-），博士生，主要從事作物水肥高效利用及水肥一體化技術研究。E-mail：wzyjsjt@163.com