呂貝貝，張麗萍，張貴云，劉 珍，范巧蘭，姚 眾

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西運(yùn)城044000）

生物炭是生物質(zhì)在高溫（通常300～550℃）限氧條件下，經(jīng)熱裂解炭化而成的一類難熔的高度芳香化固態(tài)富碳物質(zhì)[1]。其比表面積大、吸附力強(qiáng)，具有獨(dú)特的多孔隙結(jié)構(gòu)，并富含礦質(zhì)養(yǎng)分[2-3]，是一種新型的改土培肥材料[4]，在提高土壤保水保肥能力、改善土壤理化性質(zhì)、提高肥料利用率、促進(jìn)作物生長等方面發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)勢[5-6]。化肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最基礎(chǔ)且最重要的物質(zhì)投入，具有使用方便、見效快等特點(diǎn)。然而，化肥在植物生長中的利用率較低，其釋放出來的養(yǎng)分僅有一小部分被植物所吸收，且隨著化肥使用強(qiáng)度和施用總量的增加，會(huì)引起土壤板結(jié)、營養(yǎng)平衡失調(diào)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境污染加重等一系列問題[7-9]。據(jù)報(bào)道，生物炭較穩(wěn)定，在土壤中分解速度慢，短期內(nèi)單獨(dú)施用對土壤養(yǎng)分供給和肥力影響并不明顯[10]。而生物炭與化肥配施后，不僅生物炭可以吸附、負(fù)載和緩釋肥料養(yǎng)分，減少土壤養(yǎng)分流失，而且可以彌補(bǔ)生物炭養(yǎng)分較低的缺陷，二者配施可滿足作物在整個(gè)生育時(shí)期對養(yǎng)分的需求，顯著提高肥效，進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[11-13]。

生物炭與化肥配施是近年來國內(nèi)外農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[14-15]。大量學(xué)者研究表明，生物炭配施其他有機(jī)或無機(jī)肥料，對改善農(nóng)田土壤養(yǎng)分、促進(jìn)多種作物增產(chǎn)具有明顯的效果[16-19]。而陳心想等[20]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭雖然能夠改善土壤化學(xué)性質(zhì)，但對小麥、糜子的增產(chǎn)效應(yīng)尚不明確，且對同一土壤不同作物的響應(yīng)也不同。這可能與生物炭的制備原料和工藝參數(shù)、化肥種類、作物類別、土壤類型等諸多因素有關(guān)[4]。目前，國內(nèi)以農(nóng)作物秸稈殘?bào)w、動(dòng)物糞便為原料制備生物炭施入農(nóng)田的研究報(bào)道較多，而以廢棄枝條等為原料制備的生物炭與化肥配施對農(nóng)田作物影響的研究報(bào)道甚少。山西運(yùn)城是全國優(yōu)勢蘋果主產(chǎn)區(qū)，每年因整形修剪、老齡果園重茬改建等而產(chǎn)生大量的果樹廢棄枝條，將這些廢棄枝條炭化成生物炭后再利用[21]，可變廢為寶，實(shí)現(xiàn)果園廢棄物的資源化、減量化、無害化處理，以及植物養(yǎng)分資源的高效安全循環(huán)利用。

2017—2018年，本研究通過以廢棄枝條為原料制備生物炭，并將其與化肥配施，采用盆栽試驗(yàn)，開展了生物炭與化肥配施對玉米干物質(zhì)量及養(yǎng)分含量、土壤理化性質(zhì)、玉米根系形態(tài)性狀等的影響研究，旨在為明確黃土高原旱作區(qū)廢棄枝條生產(chǎn)的生物炭與化肥配施對玉米生長的作用效應(yīng)，為生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用以及玉米高效增產(chǎn)提供技術(shù)支撐，也為合理利用農(nóng)業(yè)資源、減少農(nóng)業(yè)面源污染、保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試土壤 試驗(yàn)用土壤取自0～20 cm土層，土壤類型為石灰性褐土，土樣風(fēng)干混勻后過2 mm篩備用。土壤的基本理化性質(zhì)為：pH值8.62，全氮0.92 g/kg，堿解氮 80.5 mg/kg，有效磷 16.05 mg/kg，速效鉀629.09 mg/kg，有機(jī)碳6.62 g/kg。

1.1.2 供試生物炭 其原材料為蘋果廢棄枝條，采用自制炭化爐經(jīng)500℃高溫?zé)峤庵瞥?，過2 mm篩備用。生物炭的基本理化性質(zhì)為：pH值9.96，全氮6.60 g/kg，全磷7.50 g/kg，全鉀7.50 g/kg，有機(jī)碳439.00 g/kg。

1.1.3 供試化肥 化肥為淮海牌控釋性肥料（安徽中元化肥股份有限公司生產(chǎn)），其中，N∶P2O5∶K2O＝26∶10∶15，總養(yǎng)分≥51%。

1.1.4 供試玉米品種 供試玉米品種為運(yùn)單72號。

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)生物炭和化肥2個(gè)因素。其中，生物炭設(shè)4個(gè)水平，分別為 B0（0 g/kg）、B1（1.25 g/kg）、B2（5 g/kg）、B3（20 g/kg）；化肥設(shè) 2 個(gè)水平，分別為 F0（0 g/kg）、F1（當(dāng)?shù)赝扑]施肥量，0.27 g/kg）。自由組合成8個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)擺放。

每盆裝土7.5 kg。將生物炭與土壤充分混勻，裝入寬35 cm、高24 cm的普通塑料花盆中，化肥在種子以下3 cm左右施入。2017年6月19日播種，每盆播種6粒玉米，等深，播種后充分澆水；7月4日間苗，每盆選擇生長一致的3株留下，之后不定期隨機(jī)更改盆的位置。整個(gè)生長過程中，僅進(jìn)行澆水和除草管理，期間不追施任何肥料，9月11日收獲并取樣。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

9月11日收獲時(shí)，將植株分為地上和地下2個(gè)部分分別收集，并用自來水沖洗干凈。將地上部分放入80℃烘箱烘干48 h至恒質(zhì)量，稱量干質(zhì)量后，將其磨細(xì)，過0.5 mm篩，用H2SO4-H2O2消煮后，測定植株全氮、全磷、全鉀含量。其中，全氮含量測定采用奈氏比色法，全磷含量測定采用釩鉬黃比色法，全鉀含量測定采用火焰光度計(jì)法[22]。

地下部分采用Epson Perfection V700掃描儀進(jìn)行根系掃描，掃描后的圖片通過WinRHIZO PRO 2012軟件分析根系的總長度、表面積、根直徑和根體積，所有根系樣品測定結(jié)束后烘干稱量干質(zhì)量。

植株收獲后，采集每盆土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，根據(jù)試驗(yàn)需要分別過1 mm和0.149 mm篩，用于土壤理化性質(zhì)的測定。參照鮑士旦[22]描述的方法測定土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量及pH值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0進(jìn)行雙因素方差分析，多重比較采用Duncan's新復(fù)極差法（SSR），在無特殊說明的情況下，顯著性檢驗(yàn)在P＝0.05概率水平下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水平化肥、生物炭配施對土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，與空白對照、單施生物炭和單施化肥相比，生物炭配施化肥后，土壤中有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量總體上呈增加趨勢，其中，在F0水平下，與B0相比，B1處理顯著提高了土壤有機(jī)碳、堿解氮含量，增幅分別為13.6%、4.7%，B2處理顯著提高了土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮含量，增幅分別為17.2%、28.6%、5.6%，B3處理顯著提高了土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效鉀含量（P＜0.01），增幅分別為 30.7%、38.1%、10.6%、24.6%；在F1水平下，與B0相比，B1處理顯著提高了土壤有機(jī)碳含量（P＜0.01），增幅為 15.7%，B2、B3處理顯著提高了土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效鉀含量，增幅分別為36.5%、11.5%、13.8%和41.9%、15.7%、20.2%；F0和F1水平下，各處理間pH值均無顯著變化。

總體而言，化肥對土壤全氮含量有顯著影響，對有機(jī)碳、堿解氮、速效磷、速效鉀含量有極顯著影響；生物炭對土壤速效鉀含量具有顯著影響，對土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮含量具有極顯著影響；二者配施對土壤有機(jī)碳、全氮含量有顯著影響，對土壤堿解氮含量有極顯著影響；化肥、生物炭及二者的交互作用對土壤pH均無顯著影響。

表1 不同處理下土壤理化性質(zhì)的變化

2.2 不同水平化肥、生物炭配施對玉米干物質(zhì)量及養(yǎng)分含量的影響

由表2可知，與空白對照、單施生物炭和單施化肥相比，化肥添加生物炭后，玉米收獲時(shí)植株總干質(zhì)量及養(yǎng)分含量總體上呈增加趨勢，其中，在F0水平下，與B0相比，B1處理顯著提高了玉米植株全鉀含量（P＜0.05），增幅為 100.0%，B2、B3處理顯著提高了玉米植株全氮、全磷及全鉀含量（P＜0.05），增幅分別為 75.1%、50.0%、114.3%和 87.1%、75.0%、157.1%；在F1水平下，與B0相比，B1處理顯著提高了玉米全氮、全磷含量（P＜0.05），增幅分別為32.0%、50.0%，B2處理顯著提高了玉米全氮、全磷及全鉀含量（P＜0.05），增幅分別為39.8%、50.0%、51.7%，B3處理顯著提高了玉米全磷、全鉀含量（P＜0.05），增幅分別為50.0%、65.0%；F0和F1水平下，各處理間玉米總干物質(zhì)量均無顯著變化。

總體而言，化肥對玉米地上部分干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量、玉米植株全氮含量具有顯著影響，對玉米植株全磷、全鉀含量具有極顯著影響；生物炭對玉米植株全氮、全磷、全鉀含量具有極顯著影響；二者配施對玉米全氮、全磷含量具有極顯著影響。

表2 不同處理下玉米干物質(zhì)量及養(yǎng)分（氮、磷、鉀）含量

2.3 不同水平化肥、生物炭配施對玉米根系形態(tài)的影響

由表3可知，與空白對照、單施生物炭和單施化肥相比，生物炭配施化肥后，玉米總根長、根表面積、根體積總體上呈增加趨勢，其中，在F0水平下，與B0相比，B1、B2、B3處理顯著提高了玉米總根長（P＜0.05），增幅分別為23.6%、34.4%、58.6%，B3處理顯著提高了玉米根表面積，增幅為45.0%；在F1水平下，與B0相比，B2、B3處理顯著提高了玉米總根長（P＜0.05），增幅分別41.3%、22.1%。F0和F1水平下，各處理玉米根直徑均隨生物炭施用水平的增加呈下降趨勢，但差異未達(dá)顯著水平。

總體而言，化肥對玉米總根長、根表面積具有極顯著影響；生物炭對玉米根表面積具有顯著影響，對玉米總根長具有極顯著影響；二者配施對玉米總根長、根表面積具有極顯著影響。

表3 不同處理下玉米根系形態(tài)性狀的變化

3 結(jié)論與討論

土壤理化性質(zhì)是影響土壤肥力和生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[11]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭與化肥配施不同程度地改善了土壤理化性質(zhì)。與不施肥、單施生物炭和單施化肥相比，炭肥配施使土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效磷及速效鉀含量等在不同程度上提高，與前人研究結(jié)果基本一致[14，23]。一方面是因?yàn)樯锾勘缺砻娣e大、吸附能力強(qiáng)，能吸附和固持土壤、肥料中的氮磷鉀離子，減少養(yǎng)分的流失，增加土壤中可利用養(yǎng)分離子的總量；另一方面，生物炭能夠延緩內(nèi)吸養(yǎng)分在土壤中的釋放，延長肥效期，補(bǔ)充作物后期生長發(fā)育及產(chǎn)量形成所需的養(yǎng)分[24-25]。土壤有機(jī)碳是衡量土壤肥力和作物產(chǎn)量的決定性因素[16]，是土壤質(zhì)量和功能的核心[26]。本研究中，生物炭配施化肥對土壤有機(jī)碳含量具有顯著影響，與宋大利等[27]關(guān)于秸稈生物炭配施氮肥對華北潮土區(qū)夏玉米季土壤碳含量的影響研究結(jié)果類似。可能是因?yàn)樯锾看龠M(jìn)了土壤腐殖質(zhì)的形成，同時(shí)生物炭富含易被微生物降解的有機(jī)碳，可在土壤中長期穩(wěn)定存在[28-30]；另外，生物炭的加入可能改變了土壤原有有機(jī)質(zhì)的組成，形成了比較穩(wěn)定的土壤有機(jī)質(zhì)[31]。有關(guān)專家研究認(rèn)為，土壤中施入生物炭可影響其氮素的持留、轉(zhuǎn)化及循環(huán)，進(jìn)而提高氮素的有效性[16]。本研究結(jié)果表明，生物炭配施化肥明顯提高了土壤全氮、堿解氮含量?？赡苁怯捎谝环矫嫔锾繉哂休^強(qiáng)的吸附能力，能有效降低土壤氨氣揮發(fā)[32]，另一方面生物炭能夠改善土壤的透氣性，抑制反硝化作用，從而減少的損失[14，33-34]。本研究中，生物炭、化肥及其二者配施對土壤pH都未產(chǎn)生顯著影響，與張晗芝等[35]的研究結(jié)果一致?？赡苁且?yàn)樵囼?yàn)地屬于石灰性土壤，而生物炭含有較高的灰分含量，是良好的酸性土壤改良劑，對提高堿性土壤的pH值無顯著促進(jìn)效果。

生物炭配施化肥對作物生長的影響不完全一致。張偉明等[36]、SMIDER等[37]研究認(rèn)為，不同水平生物炭與化肥互作對植物地上部干物質(zhì)量存在顯著影響；FAGBENRO等[18]研究表明，生物炭和化肥配施對辣木植物的株高、莖粗和干物質(zhì)量影響作用并不顯著；張晗芝等[35]研究發(fā)現(xiàn)，不同生物炭水平下各處理的干物質(zhì)量沒有顯著性差異，且高用量生物炭（48 t/hm2）處理的玉米植株干物質(zhì)量有所減少；彭輝輝等[38]利用生物炭、有機(jī)肥與化肥配施進(jìn)行田間長期定位試驗(yàn)，結(jié)果表明，與單施化肥處理相比，生物炭與化肥混施均不同程度地增加了春玉米地上部氮磷鉀累積量，與本研究結(jié)果類似。本研究結(jié)果表明，生物炭與化肥配施處理相比單施生物炭、化肥處理，均促進(jìn)了盆栽玉米干物質(zhì)的積累，但都未達(dá)到顯著差異水平，可能與該試驗(yàn)地呈堿性有關(guān)，也可能與試驗(yàn)時(shí)間較短（1 a）[39]有關(guān)。本試驗(yàn)中，生物炭配施化肥顯著增加了玉米植株氮磷養(yǎng)分含量，說明生物炭與化肥配施可顯著提高肥料利用率，促進(jìn)植物對氮素和磷素的利用。而生物炭與化肥配施對植株鉀養(yǎng)分含量無顯著影響，可能與該試驗(yàn)地土壤鉀含量整體偏高有關(guān)。

在吸收營養(yǎng)和水分、合成多種生理活性物質(zhì)等方面，根系起著至關(guān)重要的作用，很大程度上決定著作物的生長發(fā)育情況和產(chǎn)量[40-41]。本研究結(jié)果表明，生物炭與化肥配施明顯提高了玉米總根長和根表面積，而對玉米根系的直徑、根體積均未產(chǎn)生顯著的影響，可見，生物炭與化肥配施在一定程度上更有利于根系輻射范圍加大，向下、向周圍延伸，更有利于吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)[42]。閆麗娟等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在平邑甜茶土壤中施用炭化蘋果枝粉末后，甜茶根系表面積和根體積增大，而根系表面積增大可促進(jìn)根系的被動(dòng)吸收，提高根系對養(yǎng)分的吸收利用，進(jìn)而促進(jìn)植株的生長發(fā)育，與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致?？赡苁且?yàn)樯锾扛缓⒖捉Y(jié)構(gòu)和多種營養(yǎng)元素，能改善土壤微環(huán)境，為根系生長發(fā)育提供良好的生存空間，促使根系更好地吸收養(yǎng)分及加大下扎深度[44]。

本研究盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，采用黃土高原旱作區(qū)蘋果廢棄枝條生物炭配施化肥對玉米田正效作用明顯，提高了肥料利用率，使土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量等提高，尤其使土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮含量顯著提高；促進(jìn)了玉米干物質(zhì)積累和對營養(yǎng)元素的吸收，使植株氮素、磷素含量顯著提高；促進(jìn)了玉米根系生長，使玉米總根長、根表面積顯著提高。

總之，生物炭與化肥配施對土壤肥力和玉米生長具有良好的提升作用。但本研究試驗(yàn)期較短，生物炭與化肥最佳配比尚需進(jìn)行田間長期定位試驗(yàn)才能獲得，同時(shí)生物炭與化肥配施對土壤肥力和玉米生長的作用機(jī)制尚需進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究。下一步，將在分子水平上進(jìn)一步探討生物炭與化肥配施對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。