黄连喜，魏 岚，李衍亮，黄玉芬，Nyo Nyo Mar，2，许桂芝，黄 庆，刘忠珍

（1.广东省农科院农业资源与环境研究所/农业部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省养分循环利用与耕地保育重点实验室，广东 广州 510640；2. 缅甸教育部农业生物技术研究中心，皎施 100301）

小麦秸杆生物炭在广东省蔬菜连作土壤中的应用效果研究

黄连喜1，魏 岚1，李衍亮1，黄玉芬1，Nyo Nyo Mar1，2，许桂芝1，黄 庆1，刘忠珍1

（1.广东省农科院农业资源与环境研究所/农业部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省养分循环利用与耕地保育重点实验室，广东 广州 510640；2. 缅甸教育部农业生物技术研究中心，皎施 100301）

通过连续16个月多茬蔬菜轮作的田间定位试验，考察一次性施加0、2.5、5、10 t/hm2小麦秸秆生物炭对广东典型菜田土壤理化性质改良、蔬菜增产效果及其作用的持续效应。结果表明，小麦秸杆生物炭输入可有效缓解土壤的酸性，明显提升土壤有机碳含量，但对该土壤有效氮、有效磷及速效钾含量影响不大。生物炭改良土壤后对蔬菜生长具有显著的促进作用。不同用量生物炭可提高土壤pH 0.1～0.8，提升土壤有机碳含量1.0%～27.9%，使蔬菜增产1.2%～124.3%。其中5 t/hm2生物炭施用效果较其他处理好，与对照相比，5 t/hm2施用量可提高土壤pH值0.2～0.8，提升土壤有机碳含量0.10%～0.30%（增幅6.4%～19.3%），蔬菜增产幅度达到15.6%～124.3%。连续种植多茬蔬菜后，5 t/hm2生物炭处理的土壤pH值、有机碳含量及蔬菜产量增幅分别为8.1%、8.2%及33.2%，因此，在试验开展期内，小麦秸杆生物炭对农田土壤酸性改良、有机碳含量提升及蔬菜增产具有持续的增长效应。

小麦秸杆；生物炭；土壤酸度；土壤有机碳；蔬菜产量；持续效应

Abstract：Soil quality improvement，vegetable growth，vegetable quality and their sustainable effect influenced by disposable wheat straw biochar input containing four treatments （wheat straw biochar dosages were 0，2.5，5，10 t/hm2respectively） were researched through 16 months’ vegetable rotation field experiment. Results showed that the application of different dosages of wheat straw biochar could increase soil pH value，soil organic carbon content and vegetable yield of every crop，but had little influence on soil available nitrogen，available phosphorus and availablepotassium content. The enhanced unit of soil pH value，increased rate of soil organic carbon and vegetable yield affected by different dosages of wheat straw biochar were 0.1-0.8，1.0%-27.9% and 1.2%-124.3%，respectively.The optimal dosage was 5 t/hm2，which could significantly increase soil pH value，soil organic carbon content and yield of every stubble vegetable. Compared with the control treatment，5 t/hm2of wheat straw biochar could increase soil pH value by 0.2-0.8 units，soil organic carbon content by 0.10%-0.30% and vegetable yield by 9.6-56.1 t/hm2.The increase rates of soil organic carbon content and vegetable yield were up to 6.4%-19.3% and 15.6%-124.3%，respectively. After successive stubbles of vegetables，the soil pH value，soil organic carbon content and vegetable yield treated by 5 t/hm2wheat straw biochar were still 8.1%，8.2% and 33.2% higher than those of control treatment.The application of wheat straw biochar could effectively alleviate the acidity of soil，significantly enhance soil organic carbon content and vegetable yield at the more than one year rotation field experiment of continuous stubbles of vegetable. There is a persistent effect on the improvement of soil acidity，organic carbon content and vegetable production of wheat straw biochar during the experiment time.

Key words：wheat straw；biochar；soil acidity；soil organic carbon；vegetable yield；persistent effect

土壤是人类赖以生存发展的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分。随着我国工农业的迅速发展，人类活动对土壤的干扰日益加剧，导致土壤环境质量下降，土壤退化、土壤养分失调、酸化加剧、肥力下降，养分利用率低、面源污染等多种问题出现［1］。生物炭是由生物质原料在缺氧条件下燃烧或热解产生的含碳物质，其来源丰富，具有疏松多孔结构、独特的表面特性及理化性状，有望在我国土壤多种问题的综合解决方案中扮演重要角色［2］。

近年来，生物炭已被广泛应用于农业固碳、土壤培肥及土壤改良等领域［3-6］。生物炭的基本特征因生物质材料、热解温度和热解时间不同而差异较大，生物炭的理化性质决定其在土壤中的作用［7-8］。生物炭具有较高的碳含量，如菜籽粕生物炭的碳含量为66.6%，而榛子壳生物炭则高达95.6%［9］。生物炭中的碳主要由稳定碳、不稳定碳及灰分组成，其性质稳定，分解速率低，但在土壤微生物的作用下，生物炭本身也会发生某种程度分解，可直接或间接提升土壤有机质［10］。此外，生物炭呈碱性，pH 为 7～10，且裂解温度越高，碱性越强［11］，生物炭施入土壤后势必会对土壤pH 产生直接影响。生物炭对酸性土壤肥力的提升作用也已得到证实［12-14］。不同生物炭添加比例的西南地区玉米（Zeamays L.）-油菜（Brassica campestris L.）轮作的田间定位试验表明，生物炭施用有利于降低土壤容重，提高土壤pH、有机碳含量、NO3-N 含量、有效磷含量及含水量，生物炭处理对玉米和油菜两种作物都有增产效果［15］。连续2年的田间定位试验表明，生物炭施用可以显著提高土壤碳、氮及其相关组分含量，促进土壤碳、氮积累，从而提高土壤碳、氮储量［16］。然而，生物炭与作物生产力之间关系的研究表明，在不同土壤条件下，不同类型生物炭对土壤的改良效果及作物产量影响差异较大［17］。也有研究［18］表明，生物炭对玉米的生长及养分吸收并没有明显的促进作用。因此，生物炭对土壤的改良效果及对作物生长、养分吸收的影响仍存在争议。

鉴于此，本研究选取广东东莞地区典型的蔬菜轮作农田，一次性施入不同量的小麦秸杆生物炭，连续种植多茬蔬菜，研究小麦秸杆生物炭施用对土壤质量改良及作物产量影响效应，为该地区农田生态系统生物炭改良培肥作用以及生物炭作为土壤改良剂的应用提供直接的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于广东省东莞市麻涌镇欧涌村（23°6′31″N，113°36′22″E）。 供试土壤为菜园土，质地为砂壤土。试验开始前，采集基础土样，采样深度为20 cm，S形采集土壤后，充分混匀，室内风干，压碎后过2 mm孔径筛进行pH、土壤速效钾、有效氮及有效磷含量测定，将过2 mm孔径筛的土样用四分法取出一部分继续碾磨，过0.25 mm孔径筛后测定土壤有机碳含量。试验所用生物炭为小麦秸杆的生物炭，由河南某生物炭公司提供，烧制温度为500℃。供试作物为蔬菜，分别为上海青（Brassica chinensis L.），油麦菜（Lactuca sativa var. longifoliaf Lam）和生菜（var. ramosa Hort.），种植方式为大田轮作。土壤及生物炭的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤及生物炭的基本理化性质

1.2 试验方法

试验设施小麦秸杆生物炭2.5、5、10 t/ hm2（分别记为T1、T2、T3）和不施生物炭（CK）4个处理，每个处理3次重复，随机区组设计，小区长6 m、宽1.1 m。生物炭于2014年10月31日一次性施入，连续种植9茬蔬菜，采收8茬。每茬蔬菜生长期间常规管理，各处理施用等量复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15），由于蔬菜品种及生长季节不尽相同，且各茬蔬菜生育期差别较大，试验中复合肥用量有所不同。第一茬为上海青，直播，生育期42 d（2014-10-31～2014-12-12），施肥量为550 kg/hm2；第二茬为油麦菜，移栽，生育期 47 d（2014-12-16～2015-02-03），施肥量为570 kg/hm2；第三茬为生菜，移栽，生育期 52 d（2015-02-04～2015-03-26），施肥量为600 kg/hm2；第四茬为上海青，移栽，生育期25 d（2015-03-26～2015-04-21），施肥量为 450 kg/hm2；第五茬为油麦菜（2015-04-23～），由于雨水多，几乎无产量，没有采收；第六茬为生菜，移栽，生育期31 d（2015-07-24～2015-08-25），施肥量为480 kg/hm2；第七茬为生菜，移栽，生育期43 d（2015-08-26～2015-10-09），施肥量为550 kg/hm2；第八茬为上海青，直播，生育期39 d（2015-10-10～2015-11-19），施肥量为530 kg/hm2；第九茬为油麦菜，移栽，生育期46 d（2015-11-20～2016-01-06），施肥量为570 kg/hm2。

1.3 样品采集及分析测试

每茬蔬菜收获时对每个小区内生长的蔬菜称产量，同时采集各小区土壤带回实验室进行pH值、有效氮、有效磷、速效钾及有机碳含量分析。土壤pH 值采用酸度计测定，土水比为1∶2.5，生物炭及土壤中有机碳含量用重铬酸钾-硫酸氧化法测定，有效氮、有效磷及速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠法及乙酸铵提取法测定［19］。

试验数据应用Excel进行处理，采用SAS 9.0 软件进行单因素Duncan 统计分析，运用origin8.6软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 小麦秸杆生物炭及其用量对土壤理化性状的改良效果

图1 小麦秸杆生物炭施用连续种植多茬蔬菜后土壤pH值比较

2.1.1 土壤pH 添加不同用量小麦秸杆生物炭种植蔬菜后的土壤pH值见图1，从图1可以看出，CK各茬蔬菜收获后土壤pH为4.4～5.2，T1处理土壤 pH为 4.5～5.3，比 CK提升0.1～0.3pH单位；T2处理土壤pH为5.0～5.6，比CK提升0.2～0.8pH单位；T3处理土壤pH为4.9～5.6，比CK处理提升0.1～0.5pH单位。各茬蔬菜种植期间，T1处理比CK均可提高土壤pH值，但没有达到显著差异，而T2处理比CK则显著提高了土壤pH值。当小麦秸杆生物炭用量增加到10 t /hm2（T3处理）时，土壤pH出现稍微下降，但始终比CK高。

2.1.2 土壤有机碳 土壤有机碳含量是衡量土壤肥力水平的一个重要指标。如表1所示，小麦秸杆生物炭总有机碳含量为35.1%，因此，试验用地增施小麦秸杆生物炭预期可以提高土壤有机碳，提升土壤肥力。如图2所示，CK各茬蔬菜收获后土壤有机碳含量为1.37%～1.56%，T1处理土壤有机碳含量为1.47%～1.62%，比CK提升0.01%～0.14%，增幅达1.0%～9.3%；T2处理土壤有机碳含量为1.50%～1.86%，比CK提升0.10%～0.30%，增幅达6.4%～19.3%；T3处理土壤有机碳含量为1.63%～2.0%，比CK提升0.17%～0.43%，增幅达11.2%～27.9%。种植多茬蔬菜期间，在小麦秸杆生物炭用量0 ～10 t/hm2范围内，土壤有机碳含量随着生物炭用量的增加而提升。与CK相比，T1处理对前4茬蔬菜收获后土壤有机碳含量的影响没有显著差异，但对后4茬蔬菜收获后土壤有机碳含量提升则表现出显著影响，而T2及T3处理对所有茬次蔬菜收获后土壤有机碳含量均达到显著提升效果。

图2 小麦秸杆生物炭施用连续种植多茬蔬菜后土壤有机碳含量

2.1.3 土壤有效氮、有效磷及速效钾 施用小麦秸杆生物炭后，不同茬次及不同小麦秸杆生物炭用量处理的土壤有效氮、有效磷及速效钾含量变化见表2。从表2可以看出，各茬蔬菜种植期间，不同茬次间土壤有效氮含量变异较大，且同一茬蔬菜不同生物炭用量处理对土壤有效氮含量的影响不显著。不同茬次间土壤速效钾含量变异也较大，值得注意的是第一、第二茬蔬菜收获后土壤速效钾含量随着生物炭施入量增加而提高，且T2及T3用处理土壤速效钾含量显著高于空白对照，从蔬菜种植第三茬以后，不同用量生物炭处理间土壤速效钾含量差异减小。土壤有效磷含量在前4茬变化不大，从第六茬开始，土壤有效磷含量出现大幅度上升，但从第九茬出现下降。各茬蔬菜收获后，T2处理土壤有效磷含量均稍低于其他处理。对不同用量生物炭处理各茬蔬菜收获后土壤有效氮、有效磷及速效钾进行显著性分析，除少数茬次的某些处理外，不同用量小麦秸杆生物炭处理对土壤有效氮、有效磷及速效钾含量的影响没有显著差异。

表2 蔬菜收获后土壤有效氮、有效磷及速效钾含量 （mg/kg）

2.2 小麦秸杆生物炭及其用量对蔬菜产量的影响

CK各茬蔬菜产量为19.6～97.9 t/hm2，T1处理各茬蔬菜产量为25.6 ～103.6 t/hm2，比CK增产0.8～22.5 t/hm2，增幅达1.2%～50.0%；T2处理各茬蔬菜产量为30.3～130.5 t/hm2，比CK增产9.6 ～56.1 t/hm2，增幅达15.6%～124.3%；T3处理各茬蔬菜产量为25.3～122.2 t/hm2，比CK增产4.5～46.7 t/hm2，增幅达9.1%～103.6%。从图3可以看出，T1处理对各茬蔬菜的产量均有提高作用，但除了第一茬和第二茬外，其他6茬蔬菜产量与CK对比均没有显著差异，而T2处理则均显著提高所有茬次蔬菜的产量。当生物炭用量增加到10 t/hm2（T3处理）时，蔬菜的生长反而受到抑制，但产量仍然比CK高。图3也同时比较了各处理采收的8茬蔬菜收获的总产量，该结果更加清淅地显示出增施生物炭对蔬菜产量的影响，不施生物炭处理采收的8茬蔬菜总产量为463.0 t/hm2，T1处理蔬菜总产量为522.1 t/hm2，平均增产率为12.8%；T2处理蔬菜总产量为656.9 t/hm2，平均增产率为41.9%；T3处理蔬菜总产量为599.0 t/hm2，平均增产率为27.9%。综合以上数据，小麦秸杆生物炭对蔬菜生长有促进作用，小麦秸杆生物炭不同用量处理中，以5 t/hm2处理对蔬菜生长促进效果最好。

图3 小麦秸杆生物炭施用后连续多茬蔬菜产量

2.3 小麦秸杆生物炭对农田土壤质量改良及蔬菜增产的持续效应

小麦秸杆生物炭对试验用地土壤pH值提高，土壤有机碳含量提升及蔬菜增产均有较好的效果，但其作用效果维持的时间有多长？目前关于这方面的报道还较少。根据上述试验结果，综合考虑土壤酸性改良、土壤有机碳含量提升、蔬菜增产及施用成本多方面因素，我们认为T2处理用量（5 t/hm2）是最合理的，因此本试验继续利用T2处理进一步分析生物炭对农田土壤质量改良及蔬菜增产的持续效应，计算公式为：（T2平均值-CK平均值）/CK平均值×100%。从图4可知，从2014年10月始，在施用5 t/hm2生物炭的农田中进行上海青、油麦菜、生菜等多茬蔬菜的轮作试验，与不施生物炭的空白对照相比，蔬菜收获后土壤pH值保持3.8%～15.6%的增幅，土壤有机碳含量保持6.4%～19.3%的增幅，蔬菜产量达到15.6%～124.3%的增幅。值得注意的是，5 t/hm2生物炭处理对收获的8茬蔬菜都一直有显著的增产效果，且对第二茬和第三茬蔬菜增产效果最明显，分别达到124.3%和71.8%。最后一茬油麦菜收获后，土壤pH值及土壤有机碳含量分别提升8.1%和8.2%。本试验结果表明小麦秸杆生物炭对土壤酸性具有明显的改良效果及持续的缓冲效应。生物炭富含有机碳，可以持续增加土壤碳汇，因此，种植多茬蔬菜后，施加生物炭处理的土壤有机碳含量仍然比空白对照高。由于生物炭对土壤酸性的改良及土壤有机碳含量的提升，蔬菜产量具有明显的增产效应，种植多茬蔬菜后，5 t/hm2生物炭处理蔬菜的增产效果仍然达到33.2%。

图4 5t/hm2小麦秸杆生物炭处理对蔬菜增产及土壤质量提升效果

3 结论与讨论

小麦秸杆生物炭为碱性，其pH值为10.3，而试验用地的土壤呈酸性，pH值为4.8，因此，增施小麦秸杆生物炭对土壤pH值产生直接影响。T1、T2处理对土壤酸性有缓解作用，且土壤pH值随着生物炭用量增大而升高，这可能归因于生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子，随生物炭进入土壤以后，在水土交融作用下释放，与土壤中的H+和Al3+离子交换，从而降低H+和Al3+离子在土壤中的浓度［20］。由于生物炭具有疏松多孔结构及巨大的比表面积，表面带有大量负电荷和较高的电荷密度，并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能团，具有很大的阳离子交换量［21］，所以当生物炭用量达到10 t/hm2时，有可能吸附大量可交换态阳离子或碱基阳离子，其作用要比生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子的释放强度大，使土壤酸性增强，pH值出现稍微下降。土壤有机碳是影响土壤肥力和作物产量高低的决定性因子，也是土壤中较为活跃的土壤组分，维持着土壤与大气之间的碳素平衡，并可保持农业生态系统的长期可持续性发展［22］。本试验中土壤有机碳储量随生物炭施用量的增加而增加，最主要原因是生物炭富含稳定且难以被微生物分解的有机碳，可以在土壤中长期稳定存在［10］。已有的研究表明，生物炭的添加可增加土壤有机碳含量，提高土壤肥力，促进植物生长［23-24］。在本试验中，增施小麦秸杆生物炭可提升土壤有机碳含量，且提升幅度与生物炭施用量呈正相关关系。从本试验结果来看，小麦秸杆生物炭可通过对土壤酸性改善及有机碳水平提升，使蔬菜达到增产效果。

本试验结果表明，中等用量生物炭5 t/hm2对蔬菜增产作用最明显，与空白对照相比，可提高蔬菜产量9.6～56.1 t/hm2，增产幅度达到15.6%～124.3%；同时可提高土壤pH值0.2～0.8；提升土壤有机碳含量0.10%～0.30%，增幅达到6.4%～19.3%。连续种植多茬蔬菜后，施用小麦秸杆生物炭对农田土壤酸性改良、有机碳含量提升及蔬菜增产仍然发挥其增长效应，其中土壤pH值提高8.1%、有机碳含量提升8.2%、蔬菜产量增加33.2%，但生物炭对土壤改良及蔬菜增产更长时间的效应还要继续进行试验验证。

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（责任编辑 杨贤智）

Application effect of wheat straw biochar in vegetable continuous cropping soil in Guangdong Province

HUANG Lian-xi1，WEI Lan1，LI Yan-liang1，HUANG Yu-fen1，NYO NYO Mar1，2，XU Gui-zhi1，HUANG Qing1，LIU Zhong-zhen1
（1. Institute of Agricultural Resources and Environment，Guangdong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region，Ministry of Agriculture/Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation，Guangzhou 510640，China；2. Agricultural Biotechnological Research Department，Ministry of Education，Kyaukse 100301，Myanmar）

S156

A

1004-874X（2017）06-0071-07

黄连喜，魏岚，李衍亮，等.小麦秸杆生物炭在广东省蔬菜连作土壤中的应用效果研究［J］.广东农业科学，2017，44（6）：71-77.

2017-03-10

广东省农业科学院院长基金（201716）；广东省科技计划项目（2016A020210034，2016B070701009，2016A020207002，2014A020216018，2014A020223007，2014B030301055）；中央农业技术推广与服务补助资金项目（粤财农[2014]69号）

黄连喜（1982-），女，硕士，助理研究员，E-mail: hlx4@163.com

刘忠珍（1977-），女，博士，副研究员，E-mail：lzzgz2001@163.com