張珂珂，宋 曉，2，郭斗斗，黃紹敏，岳 克，郭騰飛，張水清，岳艷軍

（1. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2. 河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450002；3. 河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453700）

生物炭是生物殘?bào)w在低氧或缺氧和相對溫度較低（400～700 ℃）條件下緩慢熱解而形成的富含碳的產(chǎn)物[1]，其微孔豐富、空隙發(fā)達(dá)，且具有高度芳香族的結(jié)構(gòu)[2]。生物炭原料來源廣泛、成本低，是一種經(jīng)濟(jì)型的土壤改良劑，并且在提升土壤肥力和氣體減排方面表現(xiàn)出巨大的潛力，有較高的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。生物炭施入土壤表現(xiàn)出負(fù)向激發(fā)效應(yīng)，從而降低土壤CO2排放。生物炭對于固碳減排、提升土壤肥力和產(chǎn)量、維持農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，已經(jīng)成為提升農(nóng)田耕地質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)碳封存的富碳材料。張帥等[3]、劉宇娟等[4]、TIAN 等[5]的研究表明，生物炭施入土壤后有利于增加土壤氮吸持容量、提高有機(jī)碳含量和碳氮比，進(jìn)而提升土壤質(zhì)量。劉遵奇等[6]研究了生物炭對草甸土土壤肥力的影響發(fā)現(xiàn)，生物炭顯著增加土壤全氮和有效鉀含量。但有些研究結(jié)果表明，生物炭對土壤肥力參數(shù)和碳庫沒有影響，甚至起到抑制作用[7-8]。導(dǎo)致上述研究結(jié)果不同的主要原因是土壤類型、生物炭的投入量及類型等不同。

較多研究認(rèn)為，生物炭施入土壤后不僅提高土壤養(yǎng)分含量，還利于作物對養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而提高產(chǎn)量[9-11]。GETACHEW 等[12]的研究結(jié)果表明，在熱帶土壤上施生物炭玉米產(chǎn)量提高10%～29%。UZOMA 等[13]研究了生物炭對砂質(zhì)土壤玉米的影響發(fā)現(xiàn)，施生物炭為15 t/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量最高，較不施肥處理提高了150%。張愛平等[14]在灌淤土上的研究結(jié)果也表明，水稻產(chǎn)量隨生物炭用量增加而增加，當(dāng)生物炭用量為9 000 kg/hm2時(shí)水稻增產(chǎn)率達(dá)到44.89%。但孟繁昊等[15]在內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市和通遼市2 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的研究結(jié)果表明，春玉米產(chǎn)量隨生物炭用量的增加呈先增后減的趨勢，2 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均在生物炭用量為8 kg/hm2時(shí)春玉米產(chǎn)量最高?？梢?，土壤類型及作物不同，作物高產(chǎn)需要的生物炭用量不同。近年來，關(guān)于生物炭在土壤環(huán)境影響方面的研究較多，其主要通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究生物炭在典型熱帶貧瘠土和風(fēng)化土壤上的作用，探究生物炭對土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量的影響[13，16]，而關(guān)于生物炭對石灰性潮土土壤養(yǎng)分、作物產(chǎn)量及氮利用效率影響的研究較少。因此，擬以潮土為研究對象，測定連續(xù)2 a 施用生物炭后作物產(chǎn)量、植株對氮的吸收狀況以及土壤養(yǎng)分的變化，闡明土壤養(yǎng)分含量和作物產(chǎn)量對生物炭施用的響應(yīng)，旨在為生物炭合理施用、作物增產(chǎn)增效、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)區(qū)概況和試驗(yàn)材料

試驗(yàn)正位于河南省夏邑縣夏皋莊（116.13°E、34.23°N）的試驗(yàn)基地進(jìn)行，該地氣候溫和，雨量充沛，為溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.10 ℃，無霜期約217 d，年平均降水量762 mm，降水量年內(nèi)分布不均勻，多集中在夏季（6—8 月）。土壤類型為潮土，供試土壤有機(jī)質(zhì)16.50 g/kg、全氮0.94 g/kg、有效磷4.97 mg/kg、有效鉀129.01 mg/kg。供試生物炭（河南三利新能源公司）為花生殼在500 ℃高溫厭氧條件下熱解4 h 制得，基本性狀：pH 值9.16，有機(jī)碳含量647.16 g/kg，氮含量15.22 g/kg，碳氮比為42.52。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)5個(gè)處理：不施肥不施炭（CK）、常規(guī)施肥（B0）、低量生物炭（B7.5，7 500 kg/hm2）、中量生物炭（B15，15 000 kg/hm2）和高量生物炭（B22.5，22 500 kg/hm2）。生物炭在小麥播種前一次性撒施，旋耕。除CK 外，小麥季各小區(qū)施N 175 kg/hm2、P2O595 kg/hm2、K2O 95 kg/hm2。供試氮、磷、鉀肥分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和硫酸鉀（K2O 30%）。每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為36 m2，共15 個(gè)小區(qū)，周圍設(shè)1 m 的保護(hù)行。氮肥基追比為1∶1，50%氮肥于返青期開溝追施。磷肥和鉀肥及50%氮肥在播前作為基肥一次性施入。試驗(yàn)所選用小麥品種為豫麥158。試驗(yàn)田水肥、病蟲草害防治等田間管理措施均按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田進(jìn)行。2017 年10 月12 日播種，2018 年5月26 日收獲；2018 年10 月12 日播種，2019 年5 月25日收獲。

1.3 樣品采集及測試

1.3.1 土壤樣品 于2019年小麥成熟期，用土鉆采集土樣，每個(gè)小區(qū)選取5 個(gè)采樣點(diǎn)，分層（0～15、15～30 cm）采集土壤樣品，將土壤樣品分別保存于自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，曬干后過2 mm 孔徑篩，用于測定有效磷、有效鉀含量；部分過0.149 mm 孔徑篩，用于測定全氮、有機(jī)碳含量。有機(jī)碳含量采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定；有效磷含量采用Olsen 法測定；有效鉀含量采用浸提-火焰光度法測定[17]。

1.3.2 植株樣品 分別于2018、2019 年小麥成熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇1 m 雙行小麥植株帶回實(shí)驗(yàn)室，測定干物質(zhì)質(zhì)量，調(diào)查產(chǎn)量構(gòu)成三要素：穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。隨機(jī)取20株，分為莖稈和籽粒兩部分，烘干、稱質(zhì)量后粉碎。籽粒吸氮量、莖稈吸氮量采用H2SO4-H2O2消煮法、凱氏定氮法測定。在小麥成熟期，每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收割6 m2測定小麥籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

小麥氮積累量等指標(biāo)計(jì)算參照樊玉參等[18]的方法進(jìn)行。

小麥氮積累量=秸稈氮含量×秸稈產(chǎn)量+籽粒氮含量×小麥產(chǎn)量；

氮肥利用率=（施氮處理植株氮積累量-對照處理植株氮積累量）/化肥氮施用量×100%；

氮肥農(nóng)學(xué)效率=（施氮處理籽粒產(chǎn)量-對照處理籽粒產(chǎn)量）/施氮量；

土壤碳氮比（C/N）=土壤有機(jī)碳含量/土壤全氮含量。

采用SPSS 19.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（LSD法，α=0.05），采用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，采用Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對潮土土壤養(yǎng)分的影響

2.1.1 對土壤有機(jī)碳、全氮含量的影響 土壤有機(jī)碳是衡量土壤肥力和表征土壤質(zhì)量的重要因子。由圖1A 可知，在0～15、15～30 cm 土層有機(jī)碳含量均隨生物炭施用量的增加而增加，B22.5 處理有機(jī)碳含量最大。在0～15 cm 土層，B0 處理土壤有機(jī)碳含量較CK 處理提高17.98%，且差異顯著（P＜0.05）。施生物炭處理有機(jī)碳含量較B0 處理提高15.72%～35.11%。B7.5 處理與B0 處理有機(jī)碳含量差異顯著（P＜0.05）；B22.5 處理有機(jī)碳含量較B15 處理提高7.94%，差異不顯著。在15～30 cm 土層，B7.5、B15、B22.5 處理有機(jī)碳含量較B0 處理分別提高11.91%、22.55%、31.86%。B15 與B22.5 處理差異不顯著。在垂直方向上，同一處理的土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為0～15 cm 土層高于15～30 cm 土層，0～15 cm 土層施生物炭處理有機(jī)碳含量平均占0～30 cm 土層有機(jī)碳含量的64%，說明施生物炭對土壤表層有機(jī)碳含量提高貢獻(xiàn)較大。

土壤全氮含量能夠影響土壤肥力與作物生長，是評價(jià)土壤可持續(xù)利用的重要指標(biāo)之一。由圖1B可知，土壤全氮含量變化趨勢與有機(jī)碳含量一致，0～15、15～30 cm 土層土壤全氮含量均隨生物炭施用量增加而增加。在0～15 cm 土層，B0 處理土壤全氮含量較CK 處理提高10.15%。B7.5、B15、B22.5 處理土壤全氮含量較B0 處理分別提高14.99%、24.19%、31.53%；B7.5、B15、B22.5 處理差異不顯著。在15～30 cm 土層，B22.5處理土壤全氮含量較B7.5、B15處理分別提高18.42%、6.14%；B22.5 與B15 處理差異不顯著。在垂直方向上，同一處理土壤全氮含量表現(xiàn)為0～15 cm 土層高于15～30 cm 土層，0～15 cm 土層施生物炭處理全氮含量平均占0～30 cm 土層全氮含量的60%，說明施生物炭對土壤表層全氮含量提高貢獻(xiàn)較大。

圖1 生物炭對潮土土壤有機(jī)碳、全氮的影響Fig.1 Effect of biochar application on organic carbon and total nitrogen in fluvo-aquic soil

2.1.2 對土壤C/N 的影響 土壤C/N 可以表征土壤有機(jī)質(zhì)的分解程度及養(yǎng)分利用狀況。由圖2 可知，0～15 cm 土 層 土 壤C/N 維 持 在10.29～12.47，15～30 cm 土層C/N 維持在8.62～10.43。在0～15 cm 土層B22.5 處理土壤C/N 最大，比B0 處理提高11.88%。0～15、15～30 cm土層B22.5處理土壤C/N較B7.5處理分別提高0.93%、7.05%。綜上，施生物炭對0～15 cm 土層土壤C/N有顯著影響，能夠顯著提高土壤C/N。

圖2 生物炭對潮土土壤C/N的影響Fig.2 Effect of biochar application on C/N in fluvo-aquic soil

2.1.3 對土壤有效磷、有效鉀含量的影響 由圖3A可知，在0～15 cm 土層，B0 處理有效磷含量較CK 處理顯著提高17.52%。土壤有效磷含量隨生物炭施用量的增加呈先增后減趨勢，施生物炭處理較B0處理提高15.59%～29.35%。B15 處理土壤有效磷含量較B0、B22.5 處理分別提高29.35%、6.04%。在15～30 cm 土層，B7.5 處理土壤有效磷含量較B0 處理提高3.73%，差異不顯著。B15 處理土壤有效磷含量較B0、B7.5、B22.5 處理分別提高19.92%、15.62%、11.12%。說明施高量生物炭反而會(huì)導(dǎo)致有效磷含量降低。在垂直方向上，0～15 cm 土層有效磷含量明顯大于15～30 cm土層。

由 圖3B 可 知，在0～15 cm 土 層，B7.5、B15、B22.5 處理土壤有效鉀含量較B0 處理分別提高7.45%、20.45%、28.76%；B15、B22.5 處理與B7.5 處理差異均不顯著。在15～30 cm 土層，B22.5 處理土壤有效鉀含量最高，較B0 處理提高36.11%，較B15處理提高12.68%，其中，B7.5、B15、B22.5 處理與B0處理差異均顯著（P＜0.05）。

圖3 生物炭對潮土土壤有效磷、有效鉀的影響Fig.3 Effect of biochar application on available phosphorous and available potassium in fluvo-aquic soil

2.2 生物炭對小麥產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響

2.2.1 對小麥產(chǎn)量和生物量的影響 由表1 可知，施生物炭能提高小麥產(chǎn)量和生物量，B0、B7.5 處理2 a 平均產(chǎn)量較CK 處理分別提高18.95%、31.53%，2 a 平均生物量分別提高45.98%、57.28%。施生物炭處理（B7.5、B15、B22.5）2 a 平均產(chǎn)量和生物量均高于B0 處理，分別提高10.57%～31.05%和7.74%～31.56%。其中，B15 處理產(chǎn)量最高。施生物炭處理能促進(jìn)穗數(shù)增加，且隨生物炭用量的增加而增加。B7.5、B15、B22.5 處理2 a（2018—2019 年）平均穗數(shù)較CK 處理分別提高17.16%、26.16%、29.96%，較B0處理分別提高4.51%、12.54%、15.93%。施生物炭處理均能增加穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量，2 個(gè)年份均以B15處理最高。B15 處理2 a 平均千粒質(zhì)量較B0 處理提高6.44%。B7.5、B15、B22.5 處理2 a 平均穗粒數(shù)較B0處理分別增加1.86、3.55、2.20粒。

表1 生物炭對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.1 Effect of biochar application on yield and yield components of wheat

2.2.2 對養(yǎng)分吸收的影響 由表2 可知，施生物炭處理可提高小麥地上部氮吸收量。與B0處理相比，施生物炭處理2 a 平均籽粒吸氮量、莖稈吸氮量分別 提 高12.77%～38.45%、6.62%～28.98%。 2018、2019 年籽粒吸氮量均為B15 處理最高，較B22.5 處理分別提高5.69%、3.23%。2018 年莖稈吸氮量B15處理最高，比B7.5、B22.5 處理分別提高19.40%、0.94%，B15 與B22.5 處 理 差 異 不 顯 著。2019 年B22.5 處理莖稈吸氮量最高，B15 與B22.5 處理差異不顯著。2 a小麥總吸氮量均以B15處理最高。

表2 生物炭對小麥氮吸收和氮肥利用率的影響Tab.2 Effect of biochar application on wheat nitrogen nutrient uptake and nitrogen use efficiency

施生物炭處理能提高氮肥利用率，2 a平均氮肥利用率為26.31%～41.50%；B15 處理2 a 平均氮肥利用率較B0、B7.5、B22.5 處理分別提高21.77、15.19、2.61 個(gè)百分點(diǎn)。2018、2019 年氮肥利用率均以B15處理最高。表明生物炭施用量大于15 000 kg/hm2時(shí)，氮肥利用率降低，說明過量施用生物炭會(huì)導(dǎo)致氮肥利用率降低。施生物炭處理2 a 平均氮肥農(nóng)學(xué)效率為9.21～13.75 kg/kg，且B15 處理最高，較B0 處理提高6.88 kg/kg。

3 結(jié)論與討論

3.1 生物炭對潮土土壤養(yǎng)分的影響

土壤中碳、氮既是土地可持續(xù)利用和土壤質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)，也是土壤質(zhì)量的核心。土壤中碳、氮含量是影響土壤肥力和產(chǎn)量高低的重要因子[16，19]。本研究結(jié)果表明，施生物炭均能提高0～15、15～30 cm 土層的有機(jī)碳、全氮含量及碳氮比，且有機(jī)碳、全氮含量隨著生物炭用量的增加而增加，這與孟繁昊等[15]的研究結(jié)果一致。主要原因是生物炭中有大量碳元素[20]，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施入土壤后形成最難分解的有機(jī)碳[21]，短時(shí)間內(nèi)不易發(fā)生變化，起到儲(chǔ)存碳的作用[22-23]。并且生物炭具有巨大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，對離子有較強(qiáng)的吸附力，進(jìn)而提高土壤全氮含量[24]。生物炭性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生垂直遷移，因此，土壤施入生物炭后能提高0～15 cm 土層有機(jī)碳含量；生物炭對氮吸附作用小于對有機(jī)碳的補(bǔ)充，對全氮含量的提升幅度小于有機(jī)碳，進(jìn)而導(dǎo)致C/N的增加。

土壤有效磷、鉀是作物可以直接吸收利用的養(yǎng)分。本研究結(jié)果表明，施生物炭對0～15、15～30 cm土層有效磷、有效鉀含量均有提高作用，有效鉀含量隨生物炭增加而增加；有效磷含量表現(xiàn)為先增后減趨勢，在B15 處理時(shí)達(dá)到最大，這與劉遵奇等[6]、張愛平等[14]的研究結(jié)果一致，即適量生物炭能提高土壤中有效磷含量，高量生物炭不利于有效磷含量的提高。而曹殿云等[25]在鹽化水稻土上的試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭施用量為0、20、40 t/hm2時(shí)，隨生物炭用量的增加有效磷呈現(xiàn)增加的趨勢；郭俊娒等[26]經(jīng)過連續(xù)2 a 添加玉米秸稈炭對土壤養(yǎng)分的研究結(jié)果表明，施玉米秸稈炭能顯著提高有效鉀、有效磷含量。上述研究結(jié)果不同，可能是生物炭用量以及原料、土壤類型不同所致。

3.2 生物炭對小麥產(chǎn)量及氮利用率的影響

生物炭對作物產(chǎn)量的提升效果除了與土壤類型、作物和肥水管理有關(guān)外，與生物炭原料和用量，以及施肥量有關(guān)[27]，導(dǎo)致生物炭對作物產(chǎn)量的影響不同。LIANG 等[8]的研究結(jié)果表明，施秸稈炭處理能顯著提高玉米產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，施中量生物炭（B15）處理小麥穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量及產(chǎn)量高于其他處理，而高量生物炭（B22.5）處理產(chǎn)量有所降低，但顯著高于不施生物炭（B0）處理，宋大利等[28]、DAVID 等[29]的研究也得到相似結(jié)論，施高量生物炭導(dǎo)致減產(chǎn)，生物炭含碳量高致使土壤中可溶有機(jī)碳過高，土壤微生物和小麥競爭土壤氮，使小麥產(chǎn)量降低。

本研究結(jié)果表明，生物炭可以促進(jìn)籽粒氮吸收，B15 處理籽粒吸氮量最高，較B0 處理提高38.45%。劉慧嶼等[30]通過研究棕壤上施生物炭對作物養(yǎng)分吸收的影響發(fā)現(xiàn)，施秸稈生物炭可以促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收，這與本研究結(jié)果一致。劉宇娟等[4]的研究結(jié)果也表明，施生物炭處理較不施炭處理能顯著增加作物對氮的吸收。本研究結(jié)果表明，施生物炭能提高氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)效率，均以B15 處理最高，分別較B0 處理提高了21.77 個(gè)百分點(diǎn)、6.88 kg/kg。這一結(jié)論與楊浩鵬等[31]的研究結(jié)論相似，施生物炭可以提高氮肥利用效率，但生物炭配施低比例的化肥時(shí)，氮肥利用率降低?？赡苁鞘┥锾枯^多導(dǎo)致C/N較高，不利于土壤有機(jī)碳礦化，因此，土壤中氮的有效含量降低，氮肥利用率下降。而張愛平等[14]通過對黃灌區(qū)水稻田的研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭9 t/hm2時(shí)氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)效率最高，分別提高22.09 個(gè)百分點(diǎn)、10.87 kg/kg。生物炭具有較多官能團(tuán)和巨大的比表面積，能提高陽離子的交換量，吸附較多養(yǎng)分離子且釋放緩慢，從而提高肥料利用效率。

綜上，生物炭可顯著提高土壤碳、氮儲(chǔ)存量，進(jìn)而提高土壤碳氮比。生物炭可顯著提高有效鉀含量，并隨生物炭用量增加有效鉀含量增加。有效磷含量隨生物炭用量增加呈先增后減，以B15 處理最大，但其與B22.5 處理差異不顯著。與不施生物炭處理相比，施生物炭可提高植株氮積累量，B15處理植株氮積累量最高，同時(shí)，施生物炭可增加小麥產(chǎn)量，提高氮肥利用率和氮肥農(nóng)學(xué)效率，B15 較B0 處理氮肥利用率提高21.77個(gè)百分點(diǎn)，氮肥農(nóng)學(xué)效率提高6.88 kg/kg。因此，生物炭施用量為15 000 kg/hm2時(shí)可提升潮土土壤肥力、增加小麥產(chǎn)量和氮肥利用效率。