殷晓燕，程志国，冯 涛，孙向春，邓喜明

(酒泉市农业科学研究院，甘肃 酒泉 735000)

位于河西走廊的酒泉市是中国第二大制种基地，玉米年制种面积最高时达到10万hm2，随着玉米制种面积的扩大，玉米秸秆造成的面源污染也日益严重。生物质炭化还田有效衔接农业循环链条首尾两端，为废弃生物质资源化高效利用、土壤改良培肥、农业固碳减排等提供了有效解决方案。针对不同自然区划、耕作制度和不同土壤类型，深入开展生物炭改土培肥研究，对提升中低产田的生产潜力，确保国家粮食安全，实现农业可持续发展，具有重要的现实意义[1]。

生物炭，是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经炭化产生的一类高度芳香化难溶性固态物质[2]。研究表明，生物炭施入土壤，能够提高田间持水量，增加土壤肥力，提高作物产量，改善土壤性质(如提高土壤pH值和阳离子交换量等)[3]。此外生物炭对重金属离子(Cd2+、Pb2+、Cu2+等)有较好的吸附固定作用，可降低土壤中重金属的迁移性和有效性，从而降低植物体内重金属含量[4-7]。

1 试验区概况

试验地位于酒泉市农业科学研究院试验基地，地理位置为北纬39°75′、东经98°51′，海拔1 439 m，年均日照时数3 174 h，年均气温7.5 ℃，年均日较差14.4 ℃，年均降水量仅85.3 mm，年均水面蒸发量2 261.3 mm,平均无霜期150 d。该区降雨稀少，蒸发量大，光照充足，气候干燥，夏季酷热，冬季严寒，昼夜温差大，属温带干旱的灌溉农业区。试验地土壤类型为灌漠土，试验前测定基础土壤(0～20 cm)性质，有机质含量为13.2 g/kg，碱解氮含量为29.2 mg/kg，速效磷含量为26.3 mg/kg，速效钾含量为109 mg/kg，pH值为8.48。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料和试验设计

本试验供试生物炭属辽宁金和福农业科技股份有限公司生产，含有机碳400 g/kg、全氮8.69 g/kg、全磷1.33 g/kg、全钾11.12 g/kg。常规施肥用的尿素含氮46%，磷酸二铵含氮18%、五氧化二磷46%。

常规施肥施用磷酸二铵525 kg/hm2、尿素900 kg/hm2，磷肥作为基肥一次性施入，尿素分4次施入，分别为基肥施入30%、缓苗期追施20%、旺长期追施35%、膨大期追施15%。

试验地面积666.7 m2，分4个处理，3次重复，每小区面积33 m2，随机区组排列。处理1为常规施肥(CK)，处理2为常规施肥+生物炭5 000 kg/hm2，处理3为常规施肥+生物炭10 000 kg/hm2，处理4为常规施肥+生物炭15 000 kg/hm2。生物炭在覆膜前人工撒施，然后耙耱、铺膜，其他管理与大田相同。

2.2 样品采集和分析方法

在作物收获后测定作物产量。按小区S形取0～20 cm耕层土样，测定土壤理化性状、重金属含量。容重分析采用环刀法，pH值测定采用酸度计法(水土比为2.5∶1)，土壤有机质测定采用外加热重铬酸钾容量法，碱解氮测定采用碱解扩散法，有效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定采用乙酸铵浸提-火焰光度计法，重金属有效态的测定采用DTPA浸提-原子吸收分光光度计法。

2.3 数据处理

采用Excel 2016软件进行数据整理和图形的绘制，采用SPSS 16.0软件进行分析处理，采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较(0.05水平)。

3 结果与分析

3.1 施用生物炭对土壤pH值的影响

施用生物炭后，各处理的土壤pH值随施炭量的增加而增大(图1)。处理4、3、2土壤pH值分别比处理1(CK)增加了3.7%、2.5%、2.1%，均显著高于处理1(CK)；处理2和3间差异不显著，二者均显著低于处理4。说明施用生物炭对碱性土壤pH值影响明显。

图1 不同施炭量对土壤pH值的影响

3.2 施用生物炭对土壤容重的影响

试验结果表明，随着生物炭施用量的增加，土壤容重在减小(图2)。处理4、3和2的土壤容重分别比处理1(CK)降低了7.2%、6.6%和3.9%，均显著低于处理1(CK)；处理3和4间差异不显著，均显著低于处理2。

图2 不同施炭量对土壤容重的影响

3.3 施用生物炭对土壤养分的影响

施用生物炭后，土壤有机质含量随生物炭施用量的增加而增加(图3)，处理4比处理1(CK)增加了11.4%，处理3和2比处理1(CK)分别增加了2.8%和0.9%，但各处理间差异不显著。

图3 不同施炭量对土壤有机质含量的影响

由图4可看出，随着生物炭施用量的增加，土壤碱解氮含量增加，处理4、3、2分别比处理1(CK)增加了5.5%、1.5%、0.4%，各处理间差异不显著。随着生物炭施用量的增加，土壤速效磷的含量也呈增加趋势，处理4、3、2分别比处理1(CK)增加了32.6%、20.2%、15.3%，各处理间差异也不显著。随着生物炭施用量的增加，土壤速效钾的含量显著增大，处理4、3、2分别比处理1(CK)增加了42.0%、37.2%、31.7%，均显著高于处理1(CK)；处理3与处理2、4间差异不显著，处理4显著高于处理2。

图4 不同施炭量对土壤速效养分的影响

3.4 施用生物炭对洋葱产量的影响

从图5可知，不同量的生物炭施入均可提高洋葱产量。试验结果表明，处理4的洋葱产量达92 691.0 kg/hm2，比处理1(CK)增产8.2%，处理2和3较处理1(CK)分别增产2.8%和4.1%，各处理间差异不显著。

图5 不同施炭量对洋葱产量的影响

3.5 施用生物炭对土壤重金属生物有效性的影响

施入不同量的生物炭，对土壤0～20 cm耕层重金属生物有效性影响明显，重金属生物有效性总体随生物炭施入量的增加而呈下降趋势(图6、7)。试验结果表明，土壤中有效铅的含量随生物炭施入量的增加而递减，处理4、3和2分别比处理1(CK)减少42.4%、28.6%和21.4%，均显著低于处理1(CK)，处理2、3、4间差异不显著；土壤中有效锌的含量随生物炭施入量的增加而递减，处理4、3和2分别比处理1(CK)减少22.9%、22.7%和21.1%，均显著低于处理1(CK)，处理2、3、4间差异不显著；土壤中有效铜的含量随生物炭施入量的增加而递减，处理4、3和2分别比处理1(CK)减少19.9%、16.0%和7.8%，处理4与处理2、3间差异不显著，与处理1(CK)差异显著，处理2、3与处理1(CK)间差异不显著；土壤中有效镉的含量随生物炭施入量的增加而递减，处理4、3和2分别比处理1(CK)减少41.9%、12.9%和9.7%，处理4与处理2、3间差异不显著，与处理1(CK)间差异显著，处理2、3与处理1(CK)间差异不显著。

图6 不同施炭量对土壤重金属生物有效性的影响

图7 不同施炭量对土壤重金属镉生物有效性的影响

4 讨 论

4.1 施用生物炭对土壤容重和pH值的影响

本研究表明，施用生物炭可降低灌漠土土壤容重，提高土壤pH值。侯建伟等[8]通过试验研究也得出，添加生物炭降低了土壤容重，使土壤pH值明显增大。

4.2 施用生物炭对土壤有机质和速效养分的影响

玉米秸秆生物炭的加入，提高了灌漠土中有机质的含量，其提升幅度随施用量的增加而增大。生物炭的含碳量高、稳定性强，能够稳定地保存在土壤中，有利于土壤中有机碳的积累[3]。

施用生物炭后，土壤碱解氮含量均比对照有所提高，施用15 000 kg/hm2时，碱解氮含量比对照提高了5.5%。侯艳艳等[9]研究表明，添加棉秆炭对全量养分影响不明显，但提高了灰漠土碱解氮的含量。

随着生物炭施用量的增加，本试验土壤速效磷的含量提高了15.3%～32.6%，但均未达到显著差异。苏倩等[10]通过两年温室盆栽试验表明，添加生物炭可显著提高土壤磷素含量及有效性。

随着生物炭施用量的增加，本试验土壤速效钾的含量提升了31.7%～42.0%，达到显著差异水平。生物炭本身包含大量的可提取性钾，施入土壤后增加了钾的输入，可能有助于速效钾含量的提高[11]。

4.3 施用生物炭对洋葱产量的影响

施用生物炭改善了土壤理化性质，提高了土壤肥力，进而促进了植物生长发育并提高了其产量。常规施肥配施适量的生物炭对洋葱具有增产作用，施用15 000 kg/hm2时比对照增产8.2%。

4.4 生物炭施用量对土壤重金属生物有效性的影响

随生物炭施用量的增加，土壤重金属生物有效性呈下降趋势。生物炭在改善土壤肥力质量的同时，对降低耕作土壤重金属生物有效性，限制重金属在作物可食用部位的积累同样具有重要潜力[12]。当pH值继续升高(>7)时，重金属离子与土壤溶液中的OH-等形成金属氢氧化物、碳酸盐或磷酸盐沉淀，使土壤溶液中可移动的重金属离子浓度下降，从而达到钝化土壤重金属和改变土壤重金属离子移动性的效果，降低了土壤重金属的生物有效性[13]。

5 结 论

研究结果表明，在河西走廊碱性土壤灌漠土中施用生物炭，可降低土壤容重，提高土壤pH值，不同程度提高土壤有机质、碱解氮、速效磷的含量，显著增加速效钾的含量。施用生物炭提高了土壤养分的有效性，洋葱增产效果明显。同时，施用生物炭降低了土壤中重金属铅、隔、锌、铜的生物有效性。

因此，玉米秸秆炭化还田，有利于土壤质量和作物产量的提高，在秸秆资源化利用的同时减少了秸秆对农业环境的面源污染，可促进当地农业的可持续发展。