王志丹，代曉華，劉吉利，于祥，吳娜

(寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021)

寧夏地處從半濕潤、半干旱過渡到干旱帶的典型生態(tài)脆弱帶，尤其寧夏南部干旱山區(qū)由于長期高強度的開發(fā)利用，以及重用輕養(yǎng)的管理方式，導(dǎo)致農(nóng)田耕層出現(xiàn)基礎(chǔ)地力下降、耕層結(jié)構(gòu)惡化等問題，嚴重影響著旱區(qū)生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[1]。玉米是寧夏主要的栽培作物之一，占糧食播種面積的23.7%，占糧食總產(chǎn)量的45.7%，是寧夏糧食產(chǎn)量第一大作物[2]。當前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，為了提高玉米產(chǎn)量，常投入大量或過量的肥料，這一現(xiàn)象已成為制約農(nóng)業(yè)“低碳、綠色、可持續(xù)”發(fā)展的“瓶頸”。

生物炭是由生物殘體在一定炭化溫度條件下(<700 ℃)和限氧或缺氧條件下熱解形成的富碳固體產(chǎn)物，原料來源豐富，不以消耗不可再生資源和損害生態(tài)環(huán)境為代價，具有低成本、可再生、可持續(xù)的突出優(yōu)勢[3]。生物炭具有富碳多微孔結(jié)構(gòu)，可作為載體、基質(zhì)等“構(gòu)架性”功能材料，從而發(fā)揮穩(wěn)定的“結(jié)構(gòu)重建”或“構(gòu)相改良”作用[4]，也會對土壤持水性產(chǎn)生影響[5-6]。生物炭可以通過靜電作用、疏水作用、氫鍵、孔隙填充等作用過程來降低農(nóng)藥等污染物殘留，減少土壤中過量化肥養(yǎng)分流失，減少面源污染[7-8]。總之，生物炭呈堿性，具有含碳量高，比表面積大，吸附力強，富含多種養(yǎng)分等多種特性，使其在固碳減排、改土培肥、防控污染、節(jié)肥增效、促長增產(chǎn)等方面發(fā)揮綜合性“疊加”效應(yīng)。生物炭獨特的來源、結(jié)構(gòu)、特性及功效優(yōu)勢，使其有別于其他同類材料，具有顯著經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益，發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間巨大。因此，在寧夏干旱地區(qū)氣候環(huán)境與土壤條件下，開展生物炭在玉米生產(chǎn)上的應(yīng)用研究，對促進耕地可持續(xù)發(fā)展，提高作物生產(chǎn)能力具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。本試驗采用大田試驗，研究生物炭對玉米生長和產(chǎn)量的影響，旨在為寧夏干旱區(qū)玉米高產(chǎn)措施提供技術(shù)參考，同時也為寧夏南部玉米主產(chǎn)區(qū)提高農(nóng)業(yè)資源利用效率和減少農(nóng)業(yè)廢棄物污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于寧夏自治區(qū)同心縣王團鎮(zhèn)旱作節(jié)水科技園區(qū)。該園區(qū)位于寧夏中部(N 35°51′，E 105°59′)，以山地為主，種植地為平地，屬中溫帶干旱、半干旱大陸性氣候，海拔1 200 m，干旱少雨，年降水量150～300 mm，年際變率大，無霜期約120～218 d，年平均氣溫8.6 ℃，≥10 ℃的積溫約3 056.8 ℃，熱量充足，晝夜溫差大，水分蒸發(fā)強烈，土壤類型為淡灰鈣土，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗區(qū)氣溫、降水

2020年玉米試驗區(qū)生育期內(nèi)的降雨量和氣溫變化如圖1所示。整個生育期內(nèi)月平均溫度表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢，降水表現(xiàn)為先增多后減少的趨勢，其中7月的平均溫度最高，為23.40 ℃；8月的降雨量最高，為99.57 mm，比較干旱。

1.3 供試材料

供試品種：先玉335，屬緊湊株型，株高286 cm左右，穩(wěn)產(chǎn)性突出，適應(yīng)性好，早熟抗倒。

供試生物炭：由平羅縣三聚綠源生物質(zhì)新材料有限公司提供，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄秸稈在450～550 ℃炭化爐無氧炭化而成，孔隙度為92%，其性質(zhì)見表2。

1.4 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，根據(jù)生物質(zhì)炭施用量設(shè)置5個處理：0(CK)、7.5(T1)、15(T2)、22.5(T3)、30 t/hm2(T4)，每個處理3次重復(fù)。每小區(qū)長10 m，寬6 m。生物炭施用方法：在整地前以小區(qū)為單位均勻撒施，后旋耕深翻20 cm，使生物炭與土壤充分混合，各處理小區(qū)其他施肥管理為：純氮225 kg/hm2、過磷酸鈣120 kg/hm2、硫酸鉀60 kg/hm2，其中純N的60%和全部磷鉀肥作為底肥一次性施入土壤，其余的氮肥于大喇叭口期追施。先玉335于2020年4月播種，10月初收獲，寬窄行覆膜種植，寬行距為60 cm，窄行距為40 cm，播深4～5 cm，株距為22 cm，行距為50 cm，人工點播，分別在苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期、灌漿期前期采用滴灌方式進行了5次灌水。其他管理與大田管理相同。

圖1 玉米生育期內(nèi)降雨量和平均溫度Figure 1 Rainfall and average temperature during corn growth period

表2 供試生物炭的基本性質(zhì)

1.5 測定項目與方法

于玉米的拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期、灌漿期和成熟期，選擇代表性的植株用卷尺和游標卡尺測量玉米株高和莖粗，用長寬系數(shù)法測定玉米葉面積，用烘干法測定玉米地上部分干物質(zhì)，用SPAD-502 Plus便攜式葉綠素測定儀測定SPAD值，用傷流法測定根系活力。

玉米成熟時，收獲小區(qū)中間4行，在大田直接測定其果穗總鮮質(zhì)量，并采用美國帝強MinIGAC水分儀對鮮玉米脫粒進行水分測定，折算成14%含水率的產(chǎn)量。按平均穗質(zhì)量從所收獲的玉米穗中取20穗帶回實驗室進行考種。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

Excel 2016進行實驗數(shù)據(jù)整理并作圖，采用Origin進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對玉米生長形態(tài)特性的影響

2.1.1 生物炭對株高的影響 作物的株高是反映作物生長發(fā)育的重要指標之一，從玉米的株高數(shù)值中能夠直觀體現(xiàn)出不同用量生物質(zhì)炭施用對玉米的生長狀況。由圖2可知，玉米株高從拔節(jié)期到成熟期呈先增加后降低的趨勢。拔節(jié)期，T2顯著高于其他處理，分別較CK、T1、T3、T4分別顯著提高13.23%、14.55%、4.38%和19.75%(P<0.05)，其次是T3，CK、T1、T4間無顯著差異。大喇叭口期，T3顯著高于其他處理，較CK、T1、T2和T4顯著提高38.76%、29.13%、4.37%和7.99%(P<0.05)，T1和CK、T2和T4間無顯著差異，大喇叭口期至成熟期的一致表現(xiàn)為生物質(zhì)炭處理的株高均高于CK，且隨生物質(zhì)炭施用量的增加，株高呈先上升后降低的趨勢。綜合整個生育時期來看，生物質(zhì)炭施用量22.5 t/hm2(T3)對玉米株高的提高作用最顯著，在拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期、灌漿期、成熟期較CK分別提高8.46%、38.75%、31.27%、17.29%和15.06%(P<0.05).綜上，土壤中施入適量的生物質(zhì)炭有助于提高玉米株高。

同一生育時期不同小寫字母表示處理間差異達到顯著水平(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among treatments during the same growth period(P<0.05).圖2 不同處理對各生育時期玉米株高的影響Figure 2 The effects of different treatments on plant height of corn during the reproductive period

2.1.2 生物炭對莖粗的影響 由圖3可知，莖粗隨生育期推進呈先上升后降低的趨勢，且隨生物炭用量的增大表現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢。拔節(jié)期、開花期和成熟期各處理的一致表現(xiàn)為，T1、T2、T3處理的莖粗顯著高于CK和T4，但T1、T2、T33個處理之間無差異。大喇叭口期，T4處理莖粗值最小，為20.29 cm，且顯著低于其他處理。灌漿期，生物炭處理的莖粗顯著高于對照，T1、T2、T3、T4較CK分別顯著提高10.11%、10.87%、11.99%、7.33%(P<0.05)。綜上，生物炭能夠顯著提高玉米莖粗，其中當生物炭施用量為22.5 t/hm2(T3)時效果較好。

同一生育時期不同小寫字母表示處理間差異達到顯著水平(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference between treatments (P<0.05) during the same growth period.圖3 不同處理對各生育時期玉米莖粗的影響Figure 3 The effect of different treatments on the coarse-ness of corn stems during each reproductive period

2.1.3 生物炭對玉米葉面積指數(shù)(LAI)的影響 由表3可見，各處理下的玉米的LAI隨生育時期推進呈先增加后降低的趨勢，在開花期均達到最大值，后又逐漸下降，這是由于玉米拔節(jié)后新生葉發(fā)育快，開花期葉片全部展開，LAI達到最大值，之后又隨著玉米葉片的衰老，下部葉片相繼死亡脫落，葉面積指數(shù)逐漸下降．全生育期生物炭施肥處理的LAI均高于對照。拔節(jié)期，各處理的LAI均較小，生物炭處理的LAI均高于CK，T1、T2、T3處理，較CK顯著提高23.76%、21.34%、28.14%(P<0.05)，且三者間無顯著差異，而T4與CK間無顯著差異。大喇叭口期，T1、T2間無顯著差異，但均顯著高于T3、T4和CK，此三者之間無顯著差異。至開花期，LAI在各處理下均達到最大值，T1和T2、CK和T4間無顯著差異。灌漿期之后表現(xiàn)為T4顯著低于CK?？傊?，低用量的生物炭更有助于提高玉米葉面積指數(shù)，延長葉片的活躍程度，而后期高生物炭處理較對照明顯早衰，葉面積指數(shù)隨生物炭用量的增加呈先增加后降低的變化。綜上，生物炭能夠提高玉米葉面積指數(shù)，其中當生物炭施用量為22.5 t/hm2(T3)時能顯著提高玉米葉面積指數(shù)，延緩葉片衰老時間和速度，有利于防止光照損失，使玉米灌漿成熟期具有較大的葉面積進行光合作用，為玉米產(chǎn)量的增加奠定了基礎(chǔ)。

表3 不同處理對各生育時期玉米葉面積指數(shù)的影響

2.1.4 生物炭對干物質(zhì)累積量的影響 干物質(zhì)量是對玉米生長情況的直接反映，玉米生長過程本質(zhì)上也是干物質(zhì)的累積過程，提高玉米干物質(zhì)的累積有助于最終產(chǎn)量的形成。因此，利用玉米在生長過程中對地上部干物質(zhì)積累進行采集稱量，使用Logistic 方程進行S型曲線模擬，得到相對應(yīng)的各處理的決定系數(shù)都在0.98以上，都呈S型曲線。

Logistic模型：y=a/(1+b×exp(-c×x))

由表4可知，a為玉米干物質(zhì)積累的終極量，T3處理的特征參數(shù)值a最大，為21 228.97，CK處理下的a值最小，為14403.94。生長速率參數(shù)c，CK處理下為0.07，其他均為0.06。各處理下干物質(zhì)積累達最大速率的天數(shù)(Tmax)，T3處理最大，為89 d，CK處理最小，為73 d。玉米總干物質(zhì)積累速率最大時的生長量(Wmax)，不同處理表現(xiàn)為T3>T4>T2>T1>CK，各處理間差異性顯著?？偢晌镔|(zhì)最大積累速率(Gmax)，T3處理最大，為319.50 g/株?？偢晌镔|(zhì)積累活躍天數(shù)表現(xiàn)為T3>T2>T1>T4>CK。綜上，生物炭能顯著提高玉米干物質(zhì)累積量，其中當生物炭用量為22.5 t/hm2(T3)時能顯著提高玉米干物質(zhì)最大累積量和最大累積速率，延長干物質(zhì)達到最大累積速率的時間，有利于滿足玉米生育后期對養(yǎng)分的需求，延緩玉米后期衰老，有益于玉米地上部分干物質(zhì)的積累。

表4 不同處理下玉米干物質(zhì)積累特征參數(shù)

2.2 生物炭對玉米生理特性的影響

2.2.1 生物炭對功能葉片相對葉綠素含量的影響 相對葉綠素含量是玉米葉片生理活性變化的重要生理指標之一，是衡量光合特性作用的重要參數(shù)。不同生物炭施用量條件下玉米各生育時期相對葉綠素含量如圖4所示。各處理相對葉綠素含量隨生育期的推進呈先升高后降低的趨勢，在各生育時期，各處理之間有不同表現(xiàn)。拔節(jié)期相對葉綠素含量在各處理間無顯著差異；大喇叭口期施用生物炭處理的相對葉綠素含量均顯著高于CK ，T1、T2、T3、T4較CK分別顯著提高8.41%、14.72%、16.25%、13.42%(P<0.05)，其中T2、T3、T4之間無顯著差異；開花期，T2處理的相對葉綠素含量最大，較CK、T1、T3、T4顯著提高19.38%、12.63%、7.00%、8.24%(P<0.05)，其中施用生物炭處理顯著高于CK，T1、T3、T4間無顯著差異；灌漿期各處理下的相對葉綠素含量均達到最大，且生物炭各處理間無顯著差異，但均顯著高于CK。乳熟期和成熟期的一致表現(xiàn)最為T2、T3處理的相對葉綠素含量較高，且兩者之間無顯著差異，在乳熟期CK、T1、T4間無顯著差異，而成熟期CK處理顯著低于其他處理，T1、T4間無顯著差異。綜上，生物炭能夠促進玉米葉綠素相對含量的增加，且隨生物炭用量的增加呈先上升后降低的趨勢，其中當生物炭施用量為22.5 t/hm2(T3)時效果較好。

同一生育時期不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among treatments during the same growth period(P<0.05).圖4 不同處理對玉米葉片相對葉綠素含量的影響Figure 4 Effects of different treatments on corn leaf SPAD value

2.2.2 生物炭對根系活力的影響 不同處理在各時期根系活力的變化趨勢如圖5所示。拔節(jié)期各處理間無差異；大喇叭口期根系活力隨生物炭施用量的增加根系活力逐漸增強，T1、T2、T3和T4較CK分別顯著提高40.78%、45.63、70.87%和64.08%(P<0.05)，其中T3和T4及T1和T2之間無差異；開花期各處理下根系活力達到最大值，生物炭各處理的根系活力均顯著高于對照，較CK增幅為22.22%～73.33%.灌漿期T3處理根系活力最大，較CK、T1、T2和T4分別顯著提高64.47%、43.68%、26.26%和42.05%(P<0.05)。成熟期，玉米根系活力明顯下降，T2處理的根系活力顯著高于其他處理，而T4處理根系活力顯著低于其他處理，CK、T1和T33者間無差異。綜上，生物炭施用有利于提高玉米根系活力，其中生物炭施用量為15 t/hm2和22.5 t/hm2(T2和T3處理)效果較好。

同一生育時期不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference among treatments during the same growth period(P<0.05).圖5 不同處理對玉米根系活力的影響Figure 5 Effects of different treatments on the vitality of corn roots

2.3 生物炭對玉米產(chǎn)量的影響

由表5可知，生物炭處理下的玉米產(chǎn)量均顯著高于CK，T1、T2、T3和T4較CK分別顯著增產(chǎn)7.63%、8.88%、20.50%和16.29%(P<0.05)，T3和T4、T1和T2之間無差異。各處理在穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量等穗部指標有顯著差異，隨生物炭施用量的增大，穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗質(zhì)量和穗粒質(zhì)量越大，穗數(shù)、穗行數(shù)和百粒質(zhì)量在各處理間無差異，其中生物炭處理的穗長、行粒數(shù)、穗質(zhì)量均顯著高于CK，T3和T4處理的穗粒質(zhì)量顯著高于其他處理，CK、T1和T23個處理之間無差異。綜上，施用生物炭能顯著提高玉米的穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量，其中當生物炭施用量為22.5 t/hm2(T3)時效果較好。

表5 不同處理下玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素

2.4 玉米生長指標及產(chǎn)量之間的主成分分析

玉米各生長指標及產(chǎn)量所發(fā)揮的作用不同，其綱量也不同，對不同處理下玉米農(nóng)藝指標和產(chǎn)量進行主成分分析，按特征值1的原則，且通過圖6 陡坡圖，可以看出特征值在4個因素后趨于平緩，選取了4個主成分(表6)，4個主成分的累積貢獻率達到93.89%，所以這四個主成分可以很好的代表不同處理下對玉米生長及產(chǎn)量的影響。

圖7為玉米各生長指標及產(chǎn)量經(jīng)主成分分析得出的載荷圖。玉米各指標中，在第一主成分上除根系活力外，其他指標均為正值，并且干物質(zhì)積累量和相對葉綠素含量有較高的載荷值，說明生物質(zhì)炭對玉米干物質(zhì)積累量和相對葉綠素含量的影響較大；在第二主成分上株高和干物質(zhì)積累量有較高的正載荷值，說明生物炭能顯著提高玉米株高和干物質(zhì)積累量。6個與玉米生長和產(chǎn)量有關(guān)的指標中干物質(zhì)積累量和株高兩個因子在第一、第二主成分上均為正值，因此生物炭對提高玉米干物質(zhì)積累量和株高的重要影響。

圖6 陡坡圖Figure 6 Scree plot

圖7 玉米農(nóng)藝指標及產(chǎn)量之間的主成分分析Figure 7 Principal component analysis of maize agronomic index and yield

表6 主成分分析的特征值與方差貢獻率

為能夠更直接反映生物炭對玉米生長及產(chǎn)量的影響，建立綜合評價模型：F綜=0.716×F1+0.488×F2+0.123×F3+0.036 7×F4。表7為5個處理下的玉米農(nóng)藝指標及產(chǎn)量指標的各主成分下的得分值和綜合得分值。生物炭處理的綜合值均高于CK，T3處理下的綜合值最高，其次為T2，說明用量生物質(zhì)炭能夠優(yōu)化玉米的農(nóng)藝指標，提高產(chǎn)量。

表7 不同處理各因子得分及綜合得分

3 討論

生物質(zhì)炭對作物生長及產(chǎn)量的效應(yīng)受生物質(zhì)炭用量的影響[9]。本試驗研究表明，當生物炭施用量為22.5 t/hm2時，能夠最大程度地提高玉米株高、莖粗、干物質(zhì)積累量、SPAD值和根系活力。生物炭具有比表面積大、高孔隙結(jié)構(gòu)等特點，有利于提高土壤的結(jié)構(gòu)性[10-11]。有研究表明，施用生物炭較不施生物炭處理使淺層土壤容重顯著降低4.5%～6.0%，總孔隙度增加2.83%～5.56%[12]。生物炭可作為基質(zhì)、載體或吸附劑材料，來吸附或固持氮、磷、鉀等養(yǎng)分離子，減少養(yǎng)分流失，減輕水體富營養(yǎng)化以及提高作物養(yǎng)分利用效率等[13]，其吸附作用與生物炭多微孔構(gòu)造、表面官能團、比表面積及離子交換性能等有關(guān)[14-15]。殷曉艷等[16]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭使河西綠洲生態(tài)條件的0～20 cm土壤堿解氮、有機質(zhì)含量較CK分別提高0.4%～5.5%、0.9%～1.4%，且對土壤的改良效果隨施用量增大而增大。張玲等[17]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭具有提高葉片氮、磷、鉀含量的作用，經(jīng)生物炭處理的葉片氮、磷、鉀含量分別較對照提高了22.35%、30.14%、82.33%。生物炭是一種良好的土壤改良劑，土壤中腐殖酸等有機質(zhì)含量增加，土壤微生物和土壤酶活性提高，利于根際土壤氮、鉀養(yǎng)分釋放，同時由于土壤疏松度的提高，降低了土壤對鉀離子的吸附，使土壤養(yǎng)分對植株的有效性增加，促進植株對營養(yǎng)元素的吸收[18]。此外，生物質(zhì)炭可產(chǎn)生正、負電荷，具有吸持土壤磷素養(yǎng)分的作用，還具有多孔性和巨大的陽離子交換能力，能夠吸附土壤NH4+，減少了土壤氨揮發(fā)。同時，生物質(zhì)碳在與肥料混合以后對肥料起到包衣效果，延長了養(yǎng)分的有效性，減少養(yǎng)分的淋溶損失，進而提高了土壤的保肥供肥能力以及肥料利用率[19]。

生物炭能夠提高作物產(chǎn)量，主要就依賴于生物炭改善土壤環(huán)境，增加土壤養(yǎng)分，有利于作物吸收養(yǎng)分。已有研究表明生物炭能夠提高玉米[20]、馬鈴薯[21]、番茄[22]、高粱[23]等作物的產(chǎn)量。苗智英等[24]研究結(jié)果表明，施加生物炭能改善水稻莖稈基部性狀，還可通過改善水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子來實現(xiàn)增產(chǎn)。李建榮等[25]也研究發(fā)現(xiàn)，合理的生物炭施用量有利于玉米苗期的生長，促進吐絲期及成熟期干物質(zhì)的積累，從而使玉米增產(chǎn)，但是也有施用生物炭對作物減產(chǎn)的現(xiàn)象。如張斌等[26]關(guān)于生物炭對成都平原水稻土壤的研究表明，單獨施加高量生物炭40 t/hm2作用不明顯。本研究結(jié)果顯示，施用生物炭增加了玉米穗長、穗行數(shù)、穗質(zhì)量和穗粒質(zhì)量，且生物炭處理下的玉米產(chǎn)量較CK顯著增產(chǎn)7.63%～20.50%，但隨著生物炭用量增大呈先上升后降低的趨勢，生物炭用量在22.5 t/hm2(T3)處理下的產(chǎn)量最高。

綜上所述，生物炭能提高玉米株高、莖粗、葉面積指數(shù)、相對葉綠素含量、干物質(zhì)積累量及根系活力，各指標均隨生物炭施用量增大呈先升高后降低的趨勢，以22.5 t/hm2處理最優(yōu)。在產(chǎn)量方面，施用生物炭增加了穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量，產(chǎn)量較CK顯著增加6.85%～18.40%。為能夠更直接反映生物質(zhì)炭對玉米生長及產(chǎn)量的影響，用主成分分析得出，生物炭處理的綜合值均高于CK，T3處理下的綜合值最高，其次為T2。因此生物炭用量在15～22.5 t/hm2范圍內(nèi)能顯著促進寧夏干旱地區(qū)玉米生長及增產(chǎn)。