張云舒，唐光木，龍曉雙，葛春輝，徐萬里

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；2.和田地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆和田 848000)

0 引 言

【研究意義】灌耕風(fēng)沙土作為新疆主要低產(chǎn)土壤之一，它具有養(yǎng)分貧瘠，有機質(zhì)含量低，保水保肥性能差等特點。生物質(zhì)是指生物質(zhì)原料在完全或部分缺氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一類高度芳香化、穩(wěn)定性高的富碳有機物質(zhì)[1]。生物炭是一種富含碳的外源有機質(zhì)，具有比容重小、比表面積大、吸附性強的等特性。生物炭作為一種土壤改良劑，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境等領(lǐng)域。研究生物炭對于灌耕風(fēng)沙土改良效果，對于生物炭的農(nóng)用具有重要的現(xiàn)實意義[2-3]。【前人研究進展】黃超等[4]研究結(jié)果顯示，紅壤施用生物炭可提高土壤土壤水穩(wěn)定性團聚體的數(shù)量，提高碳庫，增加土壤速效磷、速效鉀和堿解氮的含量，而且還可降低土壤的酸度，增加土壤pH值和鹽基飽和度。 張宏等[5]研究結(jié)果表明,連續(xù)兩年施用生物炭后,可顯著降低灰漠土的土壤容重,增加土壤全氮、全磷、有機質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分的含量。【本研究切入點】生物炭輸入對土壤影響是多方面的，有正效應(yīng)也會有負效應(yīng)，這與土壤類型、生物炭材料等存在顯著的相關(guān)性，而生物炭輸入對灌耕風(fēng)沙土土壤性質(zhì)影響鮮見報道。研究生物炭對灌耕風(fēng)沙土改良效果?！緮M解決的關(guān)鍵問題】定位田間小區(qū)試驗，研究小麥秸稈炭施用7 a后對灌耕風(fēng)沙土土壤養(yǎng)分含量和作物產(chǎn)量的影響，為生物炭農(nóng)用提供技術(shù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

田間微區(qū)定位試驗的地點在和田地區(qū)農(nóng)技推廣中心下屬的農(nóng)科所，屬于暖溫帶極端干旱荒漠氣候，年均氣溫為12.5℃，年均降水量為36.4 mm，年均蒸發(fā)量為2 618 mm。該田間微區(qū)定位試驗于2010年整地，2011年春季開始試驗，微區(qū)試驗面積為2 m2。供試土壤質(zhì)地為風(fēng)沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為39.1%、54.0%和6.9%。生物炭是河南三利新能源有限公司提供的小麥秸稈炭。列出試驗開始前土壤和小麥秸稈炭理化性質(zhì)。表1

表1 供試土壤和小麥秸稈炭理化性質(zhì)

Table 1 The physical and chemical properties of tested soil and wheat biochar

項目SubjectpH值全氮TotalN(g/kg)有機質(zhì)Organicmatter(g/kg)速效氮AvailableN(mg/kg)速效磷AvailableP(mg/kg)速效鉀AvailableK(mg/kg)陽離子代換量CEC(cmol/kg)土壤8.280.7613.4958.28.31342.08小麥秸稈炭8.28—388.63—82.2159062.6

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

按照耕層0～20 cm土壤，質(zhì)量150 t/667m2來計算，試驗共4個處理：(1)不施炭(CK)；(2)67.5 t/hm2生物炭(3%BC)；(3)112.5 t/hm2生物炭(5%BC)；(4)225.0 t/hm2生物炭(10%BC)。每個處理每年化肥施用量相同，小麥秸稈炭于2011年春季定位試驗開始前一次性施入，開始后不再施入。

1.2.2 樣品采集

于2017年玉米采收后，將每個微區(qū)分成三塊區(qū)域，每塊區(qū)域采用5點法，分層采集0～20 cm、20～40 cm的土壤樣品，混勻后仔細去除植物殘體及其他雜物，土壤在通風(fēng)處陰干過篩后，測定其養(yǎng)分指標。

土壤基本理化性質(zhì)測定：pH值采用土水比為1∶2.5 pH計法；全氮采用凱氏定氮法；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；速效氮采用堿解擴散法；速效磷采用0.5 mol/L 碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法；速效鉀采用1 mol/L 乙酸銨浸提-火焰光度法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

Excel 2007和DPS 7.05版軟件對數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥秸稈炭施用對土壤pH值的影響

研究表明,經(jīng)過7 a的定位試驗，不同用量生物炭處理對不同土層灌耕風(fēng)沙土土壤pH值影響不顯著。0～20 cm土層試驗后耕層土壤pH值為8.30～8.35，與初始pH值相比變化幅度較小。圖1

2.2 小麥秸稈炭施用對土壤全氮、有機質(zhì)的影響

研究表明,經(jīng)過7 a的定位試驗，施用生物炭對灌耕風(fēng)沙土土壤有機質(zhì)、全氮產(chǎn)生了一定的影響。無論是0～20 cm還是20～40 cm土層，與對照相比，施用生物炭可以明顯增加灌耕風(fēng)沙土土壤有機質(zhì)含量，分別增加了48.9%～89.5%，24.9%～40.1%。與對照相比，生物炭施用后可以明顯增加灌耕風(fēng)沙土土壤全氮的含量，分別增加了14.5%～29.6%，38.1%～56.0%。隨著生物炭施用量的增加，土壤有機質(zhì)、全氮含量呈上升趨勢。0～20 cm土層的有機質(zhì)和全氮含量明顯高于20～40 cm土層的。表2

注：圖中不同小寫字母表示5%顯著水平。下同

Note: Different letters in the fig.represented significant atP﹤0.05.The same as below

圖1 不同處理土壤pH變化

Fig.1 Changes of soil pH with treatments

表2 不同處理土壤全氮和有機質(zhì)變化

Table 2 Changes of soil total N and organic matter with treatments (g/kg)

處理Treatments有機質(zhì)Organicmatter全氮TotalN0^20cm20^40cm0^20cm20^40cmCK12.38±0.23d6.62±0.18c0.72±0.01c0.34±0.02c3%生物炭3%BC18.44±0.41c8.27±0.05b0.82±0.02b0.48±0.01b5%生物炭5%BC21.62±0.47b8.93±0.98ab0.85±0.05b0.49±0.01b10%生物炭10%BC23.46±0.32a9.27±0.07a0.93±0.06a0.54±0.02a

2.3 小麥秸稈炭施用對土壤速效養(yǎng)分含量影響

研究表明,經(jīng)過7 a的定位試驗，施用生物炭對土壤速效氮、速效磷和速效鉀產(chǎn)生了一定的影響。無論是0～20 cm還是20～40 cm土層，與對照相比，施用生物炭可以明顯增加灌耕風(fēng)沙土土壤速效氮含量，分別增加了28.7%～93.5%，30.8%～68.1%。與對照相比，施用生物炭可以明顯增加灌耕風(fēng)沙土土壤速效鉀含量，分別增加了6.9%～31.3%，15.6%～45.2%。隨著生物炭施用量的增加，土壤速效鉀含量呈上升趨勢。0～20 cm土層的速效氮和速效鉀含量明顯高于20～40cm土層的。施用生物炭后降低了0～20 cm和20～40 cm土層速效磷含量，有一定的負效應(yīng)。表3

表3 不同處理土壤速效養(yǎng)分變化

Table 3 Changes of available soil nutrition with treatments (mg/kg)

處理Treatments速效氮AvailableN速效磷AvailableP速效鉀AvailableK0^20cm20^40cm0^20cm20^40cm0^20cm20^40cmCK87.8±3.73c64.3±2.39d88.4±1.39a43.5±0.83a303±3.61d135±3.00d3%生物炭3%BC117.5±3.09b90.3±3.43b81.7±2.72b36.6±0.41b324±0.58c156±0.58c5%生物炭5%BC169.9±4.45a108.1±0.86a73.8±4.08c35.6±0.40b384±1.00b163±0.58b10%生物炭10%BC113.0±3.09b84.1±3.35c70.3±3.59c31.9±1.49c398±1.53a196±1.73a

2.4 小麥秸稈炭施用對玉米產(chǎn)量的影響

研究表明,與對照相比，生物炭施用后可顯著增加玉米產(chǎn)量，增加了28.7%～49.2%，其中以生物炭處理(3% BC)的玉米產(chǎn)量最高。圖2

圖2 不同處理玉米產(chǎn)量變化

Fig.2 Changes of corn yield with treatments

3 討 論

研究結(jié)果表明，生物炭施入到灌耕風(fēng)沙土土壤后，對土壤pH值影響不顯著，可能與小麥秸稈炭本身pH值不高有關(guān)。施入的土壤生物炭種類和土壤的pH值是否產(chǎn)生變化有很密切的關(guān)系。研究顯示，生物炭施用后能增加土壤的pH值和EC值，但對于堿性效果并不明顯[6]。Chintala[7]將玉米秸稈施用到酸性土壤和堿性土壤后，結(jié)果顯示，將3種生物炭施用到酸性土壤后，土壤pH值增加，但施用到堿性土壤后，影響不明顯。試驗也得到了相同的試驗結(jié)果。

生物炭可通過吸附營養(yǎng)物質(zhì)來改善土壤環(huán)境[8]，影響營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)及土壤結(jié)構(gòu)，進而影響作物的產(chǎn)量[9]。房彬等[10]研究表明，生物炭可增加土壤有機質(zhì)的含量，減少氮、磷和有機碳淋失，進而增加土壤中全氮和有機質(zhì)的含量。Lgchuk等[11]也研究表明生物炭可以增加土壤中全氮和有機質(zhì)含量。研究結(jié)果表明，小麥秸稈炭施用7 a后，可顯著增加灌耕風(fēng)沙土土壤全氮、有機質(zhì)的含量。隨著生物炭用量的增加，土壤全氮、有機質(zhì)的含量也隨之增加。張晗芝等[12]通過盆栽試驗表明，隨著生物炭施用量增加，土壤中的有機碳含量也隨之增加。張宏等[5]研究結(jié)果顯示，生物炭能顯著增加土壤中全氮和有機質(zhì)的含量，與研究結(jié)果相同。施用生物炭到土壤后有機質(zhì)含量增加，可能是因為一方面生物炭有著較強的吸附能力，能夠吸附土壤中的有機分子，然后通過表面催化活性，可促使小有機分子聚合成為土壤有機質(zhì)，另一方面生物炭有著自身緩慢的分解能力也能形成腐殖質(zhì)，提高土壤肥力。

生物炭具有改善土壤理化性狀、降低肥料損失等特點[13-14]。Quilliam等[15]研究顯示，連續(xù)兩年施用生物炭后，可顯著增加土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀的含量[16-17]。研究表明，施用生物炭7 a后，可以顯著增加0～20 cm和20～40 cm土層土壤速效氮和速效鉀含量，該結(jié)果與前人研究結(jié)果相一致，可能是因為生物炭本身含有較高的速效氮和速效鉀含量。Xu等[18]研究表明，在堿性土壤中隨著生物炭施入量的增加，土壤對磷的吸附能力變小，速效磷含量隨之增加。研究結(jié)果與之相反，可能是石灰性土壤中生物炭施用后，土壤對磷的吸附能力會增加，降低了磷的有效性[19]。研究中0～20 cm土層中養(yǎng)分含量高于20～40 cm土層的，其主要原因是玉米根系主要分布在0～20 cm土壤中，玉米收獲后，殘渣和根系的養(yǎng)分主要存在于0～20 cm土壤中。

4 結(jié) 論

4.1 在0～20 cm和20～40 cm土層，與對照相比，施用小麥秸稈炭對灌耕風(fēng)沙土土壤pH值影響不明顯。

4.2 在0～20 cm和20～40 cm土層，與對照相比，施用生物炭后能夠顯著增加灌耕風(fēng)沙土土壤全氮、有機質(zhì)、速效氮及速效鉀的含量，在0～20 cm土層分別增加了14.5%～29.6%、48.9%～89.5%、28.7%～93.5%、6.9～31.3%。與對照相比，在20～40 cm土層分別增加了38.1%～56.0%、24.9%～40.1%、30.8%～68.1%、15.6%～45.2%。

4.3 施用生物炭處理能夠明顯增加玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)了28.7%～49.2%。