生物炭对不同土壤化学性质、小麦和糜子产量的影响

2013-12-21陈心想何绪生耿增超高海英

生态学报 2013年20期

陈心想，何绪生，耿增超，* ，张雯，高海英，2

(1.西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，杨凌 712100;2.史丹利化肥股份有限公司市场部，临沭 276700)

生物炭是由植物生物质在完全或部分缺氧条件下经热裂解、炭化产生的一类高度芳香化、难溶性的固态物质［1］。全球对生物炭科学研究的重视，源于对巴西亚马逊盆地中部黑土的认识［2］，研究发现木炭可在土壤中保存数百数千年，且富含木炭的土壤比临近无木炭土壤的肥力更高。研究表明，施用生物炭可提高土壤持水容量和养分吸持容量［3］，提高阳离子交换量(CEC)低的和酸性土壤的CEC［4］，提高土壤微生物量及活性，促进土壤稳定性团聚体形成［3］，提高土壤有机碳含量［5］和酸性土壤pH值［4］，促进作物生长和增产，有时会抑制作物生长甚至减产［6］。此外，由于生物炭可延缓肥料释放［7］，降低肥料损失［8］，将其与矿质肥配施作物增产效果更显著。

目前，在风化土及典型热带贫瘠土壤上进行生物炭对土壤肥力和作物生长影响的研究较多［9］。近年来，我国学者也已开始关注生物炭的相关作用，但多数研究都集中在生物炭的理化特性和环境功能等方面［10-11］，将其应用于田间作物增产方面虽已有报道［12］，但在陕西关中地区的塿土和新积土上未见报道。本研究以陕西省两种不同土壤(塿土和新积土)为研究对象，采用室外盆栽试验，对施用生物炭后土壤化学性质、土壤速效养分含量、作物产量和生物量以及作物中养分含量的变化等进行研究，试图探明生物炭对土壤化学性质和作物生长的影响，为进一步大田试验提供依据，并为生物炭在农业特别是在陕西省农业上应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

(1)供试土壤供试土壤分别采自陕西省杨凌农业高新示范区二道塬的塿土和陕西省杨陵示范区渭河河滩的新积土。根据国际制土壤质地分级标准塿土、新积土的质地分别为壤土和砂土，其性质和颗粒组成见表1。

(2)作物选用西北农林科技大学选育小麦(小偃22号)和宁夏固原市农业科学研究所选育糜子(宁糜14号)。

(3)生物炭研究所用生物炭系市场采购的木炭，磨细过1 mm筛，其基本性质见表2。

表1 供试土壤的基本化学性质Table 1 Elementary chemical properties of soil in the pot experiment

表2 供试生物炭基本化学性质和元素含量Table 2 Elementary chemical properties and element contents of biochar

1.2 盆栽试验设计

每种土壤各设5个处理，即生物炭当季施用量分别为B0(0 t/hm2)、B5(5 t/hm2)、B10(10 t/hm2)、B15(15 t/hm2)和B20(20 t/hm2)，设5次重复，每个处理用土量为5 kg，除生物炭用量不同外，各处理，氮、磷、钾肥(分别为硝酸铵、磷酸二氢钙、硫酸钾)均作基肥施用，用量均为每公顷225 kg N，180 kg P2O5，150 kg K2O，每次种植前取出土壤并与生物炭和肥料充分混匀后装盆。

盆栽试验进行两季，分别于2010年10月17日至2011年5月20日种植小麦，每盆定植20株，2011年6月15日至2011年8月23日种植糜子，每盆定植25株。因种植小麦前按设计方案已种植一季糜子，故小麦收获时生物炭累积量分别为 0、10、20、30、40 t/hm2，在糜子收获时生物炭累积量分别为 0、15、30、45、60 t/hm2。在作物生长期间根据天气及作物生长状况适量灌水，以满足作物正常生长发育所需。

1.3 测定指标及方法

作物成熟后，收获时用剪刀将穗剪下、植株沿茎基部剪下，分别装入干净信封中，置于恒温箱中90℃杀青30 min、65℃烘至恒重后称量，计算地上部生物量及产量，且于每盆布四点立即用土钻采集土样。

生物炭性质测定方法:采用水/样为25∶1电位计法;CEC采用乙酸钠-火焰光度法［13］;元素含量利用元素分析仪和能谱仪测定。

土壤各项指标均采用常规方法测定。其中，土壤pH值采用水土比2.5∶1浸提-酸度计法;CEC采用乙酸钠-火焰光度法;有机碳采用硫酸-重铬酸钾外加热法;矿质态氮采用1 mol/L KCl浸提-流动分析仪测定NO－3-N和NH+4-N后求二者之和;有效磷用Olsen法;速效钾用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法［13］。

植物样品(植株/种子):用浓硫酸-双氧水消煮，定容后分别用半自动定氮仪、钼锑抗比色法、火焰光度计法测定全 N、全 P、全 K［13］。

1.4 数据处理

试验数据利用DPSv7.05统计软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比较采用最小显著差异法(LSD)，显著性水平设定为0.05，用Excel 2007作图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤化学性质和速效养分的影响

2.1.1 生物炭对土壤化学性质的影响

如表3所示，土壤pH值随生物炭用量的增加而有增加趋势，仅新积土糜子季施炭处理较B0显著增加。施用生物炭后，土壤CEC在新积土上均随生物炭施用量的增加而显著增加，但糜子季增幅较小;而塿土土壤CEC虽有增加，但处理间差异均不显著。施用生物炭后，两种土壤有机碳含量均随生物炭用量的增加而显著增加，且总体上糜子季增幅大于小麦季，新积土的增幅高于塿土。由表3还可以看出，连续种植两季作物后，随着生物炭的连续施入，土壤pH值、CEC和有机碳含量在糜子季各处理均高于小麦季相应处理，表明生物炭在土壤中稳定性较高，分解速度较慢，连续施入后累积于土壤中。

表3 施用生物炭对土壤化学性质的影响Table 3 Effects of biochar on soil chemical properties

2.1.2 生物炭对土壤速效养分的影响

如表4所示，施用生物炭后，两种土壤的矿质态氮含量均随生物炭用量的增加而显著增加，表明施用生物炭能增加土壤对NO－3和NH+4的吸持，有效地补充土壤氮素养分。土壤有效磷和速效钾含量仅在新积土的两季作物上，随生物炭用量的增加而显著增加，在塿土上虽有增加趋势但处理间无显著差异。这表明生物炭可提高新积土对氮、磷、钾的吸附保持作用，改善新积土(砂土)“漏水漏肥”的不足，从而利于作物整个生长期对养分的需求。由于塿土保水保肥性好，故生物炭对养分的吸附作用并不显著，具体效应将在下一步田间长期定位试验中研究。

表4 施用生物炭对土壤速效养分的影响Table 4 Effects of biochar on soil available nutrients content

2.2 生物炭对作物产量和养分吸收的影响

2.2.1 生物炭对作物地上部生物量和产量的影响

如图1所示，施用生物炭后，作物生物量虽有增加趋势，但除塿土小麦B5、B10和B15较B0显著增加了23.6%、20.6%和15.9%外，塿土糜子季和新积土上两种作物生物量均无显著差异，且生物炭在最高用量时甚至对新积土作物产生轻微抑制作用。

如图2所示，施用生物炭后，新积土糜子和塿土小麦显著增产，其中新积土糜子仅B10和B20较B0显著增产66.0%和43.0%，塿土小麦仅B5和B10较B0显著增产38.6%和28.3%，而其他处理虽有变化但差异不显著，这说明施用生物炭对小麦和糜子的增产效应尚不稳定，有待进一步大田长期定位试验研究。

图1 施用生物炭对小麦、糜子生物量的影响Fig.1 Effects of biochar on dry weight of wheat and millet

图2 施用生物炭对小麦、糜子产量的影响Fig.2 Effects of biochar on yield of wheat and millet

2.2.2 生物炭对作物养分吸收的影响

(1)生物炭对作物植株内养分含量的影响

如表5所示，施用生物炭后，两种土壤上糜子植株氮含量均显著增加，小麦季处理间无显著差异。塿土糜子植株磷含量显著降低，而其他处理虽有增加趋势但差异不显著。两种作物植株钾含量在新积土上均显著增加，但在塿土上处理间无显著差异。由此可知，施用生物炭促进了糜子植株对氮素的吸收利用，而对小麦影响不显著，这可能与作物类型有关。施用生物炭也促进了新积土上作物对钾素的利用，对塿土的影响较小，这可能与土壤性质有关。

表5 施用生物炭对作物植株养分含量的影响Table 5 Effects of biochar on nutrient content of crop plant

(2)生物炭对作物籽粒中养分含量的影响

如表6所示，施用生物炭后，籽粒氮含量在新积土上两季作物均显著提高，而在塿土上仅小麦季显著提高，籽粒磷含量仅在新积土小麦季显著提高，籽粒钾含量仅在塿土糜子季显著提高，其他处理虽有增加趋势但处理间差异不显著。

表6 施用生物炭对作物籽粒养分含量的影响Table 6 Effects of biochar on nutrient content of crop seeds

(3)生物炭对作物养分吸收量的影响

如表7所示，施用生物炭后，塿土上两季作物氮素吸收总量均显著提高，磷素和钾素吸收总量分别在新积土糜子季和塿土小麦季显著提高，其他处理间虽有增加但均无显著差异。

3 讨论

3.1 生物炭与土壤化学性质的关系

本试验所用生物炭pH值较高，施入土壤后除了增加新积土糜子季土壤pH值外，对其他处理pH值影响并不显著，这与前人研究结果［4］不一致，主要原因可能是原始土壤pH值较高，生物炭灰分中的可溶性盐基离子，如钙、镁、钾、钠等，溶于水后不能显著提高土壤盐基离子饱和度。新积土糜子季炭处理土壤pH值较对照变化较大，原因之一可能是本研究为盆栽试验，装土量有限，使土壤缓冲性能减弱;另一方面可能是新积土CEC较小，缓冲容量较小所致，该结论还有待于大田长期定位试验进一步研究。

表7 施用生物炭对作物养分吸收量的影响Table 7 Effects of biochar on uptake of nutrients by crops

土壤CEC是衡量土壤肥力的重要指标，可直接反映土壤吸持和供给可交换养分的能力，而土壤胶体的比表面积和表面负电荷密度决定了其大小［14］，因此，土壤的固相组成直接影响土壤CEC。生物炭比表面积大，可以增强土壤对阳离子的吸附能力［15］，增加耕层土壤CEC［16］。由于CEC的形成主要与土壤中有机质含量和粘粒含量有关，因此本试验中生物炭显著提高了有机质较低的新积土CEC，而对有机质较高的塿土影响相对较弱。连续种植两季作物后，糜子季CEC均大于小麦季，可能是因为随着生物炭与土壤相互作用时间的延长，在生物或非生物作用下，生物炭表面可部分被轻度氧化形成羰基、酚基和醌基等官能团［17］，其电荷量或CEC增大，从而增大土壤CEC。

本试验施用生物炭显著增加土壤有机碳含量，其增幅随生物炭用量的增加而增加，且新积土的增幅高于塿土，这是由于生物炭富含有机碳，可以增加土壤有机碳含量［4，18］，以及土壤有机质［3，19］或腐殖质含量，而新积土原土的有机碳含量明显低于塿土，施入生物炭后，通过激发效应促进土壤有机质的分解［20］，有机碳含量迅速提高。在连续种植两季作物后，同一土壤糜子季土壤有机碳含量均高于小麦季，且两季作物土壤有机碳含量均高于原始土壤。原因一方面可能是土壤处理时残留了极细小的植物残体;另一方面，生物炭的稳定性较高，随着生物炭的逐季施入，土壤中累积的生物炭增多，一些极细小的生物炭颗粒可能附着于土壤表面［21］。

3.2 生物炭与土壤养分变化的关系

生物炭具有较大的比表面积，施入土壤后可以吸附多种离子，从而提高土壤的保肥性能［22］，但其对养分是一种选择性吸持［23］，对 NH+4、NO－3吸附作用较强［3］。本试验施用生物炭显著增加土壤矿质态氮含量，且增幅随生物炭用量的增加而增加，这与前人室内培养试验结果一致［24］。已有研究指出生物炭可以增加有效P、K、Mg和Ca含量［25］，但本试验施用生物炭显著提高了新积土有效P、K含量，但对塿土影响不显著。原因可能是新积土养分含量较低且易淋失，施入生物炭后，由于炭本身含有一定养分即可作为肥料提高土壤肥力［11］，而且其巨大表面积易吸附养分，从而提高了土壤速效养分含量，而对肥力高的塿土影响较小。

3.3 生物炭与作物产量、生物量及养分吸收的关系

前人研究表明［9，12，26］，施用生物炭可以显著促进作物生长，增加作物地上部干物质的积累和作物产量。本研究结果显示，仅塿土小麦生物量显著增加，且生物炭在最高用量时甚至对新积土上作物生物量产生轻微的抑制作用。施用生物炭对小麦和糜子的增产效应尚无规律，新积土小麦和塿土糜子均未显著增产，而新积土糜子和塿土小麦季显著增产。原因一方面可能与土壤和作物类型有关，因为在酸性和中性、粗或中等质地的土壤上生物炭的增产效应较显著［27］;另一方面，生物炭含碳量高而矿质养分含量低，施入土壤后作物直接利用的养分有限，土壤C/N比提高，进而降低土壤养分尤其是氮素有效性［28］，因而在多数土壤上单独施用生物炭，会导致当季或几季作物无增产效应，甚至减产［7］。因此，生物炭的增产效应可能与土壤肥力状况、生物炭用量、矿质肥管理、作物和土壤类型等因素有关［29］，具有较大的不确定性。

有研究表明，施用生物炭有利于增加作物组织中磷、钾、钙、镁等元素吸收［30］。本试验结果表明，施用生物炭显著提高了塿土上两种作物氮吸收量，而对磷、钾吸收量的影响尚不稳定，且同一土壤不同作物响应不同。原因可能是生物炭和氮肥配施提高了土壤pH值，可能降低了磷和某些微量元素的有效性［29-30］，从而不利于作物对养分的吸收，还与作物类型和种植年限有关。

4 结论

(1)生物炭显著增加了新积土糜子季土壤pH值，其他处理虽随生物炭用量增加而有增加趋势但差异不显著;显著增加新积土土壤CEC，小麦季增幅较大，而对塿土土壤CEC影响不显著;显著增加两种土壤有机碳含量，且新积土增幅高于塿土，糜子季增幅大于小麦季。

(2)生物炭可显著提高两种土壤的矿质态氮含量，显著提高新积土土壤有效磷和速效钾含量，而对塿土磷钾含量无显著影响。

(3)施用生物炭对小麦和糜子的增产效应尚不明确，不同土壤上不同作物对生物炭的响应不同，与土壤肥力状况有关。生物炭可显著提高塿土上作物氮吸收量，而作物磷、钾吸收量虽有增加但差异不显著，且同一土壤不同作物响应不同。

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