周志剛，王小利

(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽　550025)

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生物黑炭施用對黃淮海地區(qū)大豆產(chǎn)量和土壤肥力的影響

周志剛，王小利*

(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽550025)

摘要：以黃淮海地區(qū)的大豆主栽品種豫豆22為研究對象，通過田間小區(qū)試驗，研究施用15 t/hm2、10 t/hm2、5 t/hm2、0t/hm2(CK)4個梯度生物黑炭對大豆產(chǎn)量和土壤肥力的影響。結(jié)果表明：與對照相比，15 t/hm2、10 t/hm2和5 t/hm2的大豆產(chǎn)量分別增加了48.51%、37.04%和25.35%； 15 t/hm2、10 t/hm2和5 t/hm2的葉片干重分別比對照降低了13.22%、28.72%和43.60%；隨著黑炭用量的增加，土壤肥力指標增幅越大。因此，生物黑炭可以提升潮土的有機質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分，且土壤肥力指標與大豆產(chǎn)量存在顯著的量化關(guān)系，可以用來指導(dǎo)大豆施肥。

關(guān)鍵詞：大豆；生物黑炭;土壤肥力;產(chǎn)量

在我國，大豆是主要的糧油兼用作物和動物飼料蛋白原料，近年來，隨著人民生活水平的大幅提高和養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，大豆產(chǎn)品的需求量逐年攀升[1-2]．然而，由于種植大豆的經(jīng)濟效益偏低，其種植面積不斷下降[3]，特別是在高度集約化的黃淮海平原，土壤肥力的耗竭進一步顯著了大豆產(chǎn)量的提升和農(nóng)民種植大豆的積極性[4-5]。因此，如何通過調(diào)控土壤肥力來促進大豆產(chǎn)量就顯得十分重要。

土壤培肥是實現(xiàn)土壤資源可持續(xù)利用的重要途徑之一。很多研究表明，秸稈還田可以顯著提高土壤肥力[6-8]，但是，秸稈直接還田的有機質(zhì)腐解過程受土壤水分、溫濕度和微生物等綜合作用的影響，從而進一步影響了后茬作物的苗期生長[9]。因此，尋求秸稈深加工方式就顯得尤為迫切。有研究表明，將秸稈進行高溫厭氧處理制備成生物黑炭是一種有效途徑，且已經(jīng)證實生物黑炭能夠顯著提升作物產(chǎn)量[10-11]。但是，受土壤類型和作物種植模式的影響，不同區(qū)域的生物黑炭施用存在較大差異[10-13]。為此，以黃淮海地區(qū)的大豆為研究對象，探討不同黑炭用量對大豆產(chǎn)量、干物質(zhì)和土壤肥力的影響，并進一步構(gòu)建土壤肥力與大豆產(chǎn)量的量化關(guān)系，以期為生物黑炭在大豆種植中的施用提供技術(shù)參考。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于2015年的4-8月在位于河南省商丘市虞城縣張集鎮(zhèn)高堂寺村(N 34.27°，E115.4°)進行。土壤為潮土，試驗前土壤耕層土壤有機質(zhì) 9.43 g/kg，全氮0.87 g/kg，堿解氮116.3 mg/kg，速效磷 35.4 mg/kg，速效鉀115.4 mg/kg。

生物質(zhì)炭原料是玉米秸稈。采用連續(xù)立式生物質(zhì)炭化爐生產(chǎn)，炭化溫度350～500 ℃，生物質(zhì)材料35%的轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭。生產(chǎn)的生物質(zhì)炭過5 mm篩， pH 10.4，有機碳467.0g/kg，全氮5.90g/kg，有效磷83.50 g/kg。

1.2試驗設(shè)計

試驗設(shè)4個生物黑炭用量， C1(15 t/hm2黑炭)；C2(10 t/hm2黑炭)；C3(5 t/hm2黑炭)；CK(不施黑炭)；每個處理均施用相同用量的氮磷鉀肥料，3次重復(fù)，小區(qū)面積80 m2(10 m*8m)。具體的黑炭和肥料用量見表1，黑炭為早稻耕地前施用，化學(xué)肥料則是參考普通大田，其中氮肥(尿素)和鉀肥(氯化鉀)40%做基肥施用，60%在分蘗期做追肥施用，磷肥(鈣鎂磷肥)作基肥一次施入。注意病蟲害管理。大豆品種為豫豆22。

表1生物黑炭和肥料用量

Table 1　Biochar and fertilizer rates in test

1.3測定指標

1.3.1成熟期干物質(zhì)測定

在成熟期，每小區(qū)取10株有代表性的樣品，將根剪除后分解為葉片、莖稈、莢果分別裝入信封，105℃殺青30min后80℃烘干至恒重，用電子天平稱重。

1.3.2測產(chǎn)

成熟期每個小區(qū)單獨收獲，脫粒后曬干稱重，計算標準產(chǎn)量。

1.3.3土壤肥力指標

收獲后采集耕層(0～20 cm)土壤樣品，每個小區(qū)隨機采集5個點，混合后帶回室內(nèi)風(fēng)干，過篩后分析土壤pH、有機質(zhì)和速效氮磷鉀養(yǎng)分，測試方法為常規(guī)分析方法[14]。

所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel進行整理分析，用SPSS 18.0進行統(tǒng)計分析，利用LSD比較各個處理之間的差異顯著性(p<0.05)。

2結(jié)果與分析

2.1不同黑炭用量對大豆產(chǎn)量的影響

施用黑炭可以顯著提高大豆產(chǎn)量(圖1)。與不施黑炭相比，C1、C2和C3的大豆產(chǎn)量分別增加了48.51%、37.04%和25.35%，且不同黑炭用量之間均表現(xiàn)出C1的產(chǎn)量最高，這說明，在潮土上黑炭投入量越高，大豆產(chǎn)量越高。進一步通過線性擬合方程(y=62.951x+2084.8，R2=0.9558，p<0.05)表明，黑炭用量每增加1 t/hm2，大豆產(chǎn)量增加62.95kg/hm2。

圖1　不同黑炭用量下大豆產(chǎn)量變化Fig.1　The change of grain yield at different biochar rates

注：不同小寫字母表示各處理存在顯著差異(P<0.05)。

2.2不同黑炭用量對大豆干物質(zhì)累積的影響

施用生物黑炭可以顯著影響大豆成熟期的葉片、莖稈和莢果的干物質(zhì)和比例(圖2)。與CK相比，C1、C2和C3的葉片干重分別比CK降低了13.22%、28.72%和43.60%，莖稈的降幅分別為13.02%、27.50%和42.16%，而莢果則分別增加了70.49%、47.23%和22.05%。在各器官所占的比例方面，施用黑炭則顯著提高了莢果與總生物量的比例，與CK相比，C1、C2和C3分別增加了15.92、16.94和17.98百分點。

圖2　不同黑炭用量下大豆葉片、莖稈和莢果的干物質(zhì)變化Fig.2　Dry matter accumulation of leaf, stem and pod of soybean under different biochar rates

2.3不同黑炭用量對土壤肥力的影響

表2顯示，添加生物黑炭顯著提高了土壤肥力，且隨著黑炭用量的增加，土壤肥力指標增幅越大，與CK相比，黑炭用量最高的C1處理的土壤pH、有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀分別增加了1.29個單位、98.18%、94.12%、155%和107%。這說明生物黑炭不僅可以提高土壤有機質(zhì)含量，還可以顯著提高速效氮磷鉀養(yǎng)分。

表2不同黑炭用量下土壤肥力變化

Table 2　The changes of soil fertility in different biochar rates

2.4土壤肥力與產(chǎn)量的相互關(guān)系

在不同的生物黑炭用量下，土壤肥力指標的提升是促進到粗產(chǎn)量提升的重要因素。表3結(jié)果顯示，土壤pH、有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀均與大豆產(chǎn)量存在顯著相關(guān)，且可以用線性方程進行較好地擬合。當土壤pH提升1個單位，大豆產(chǎn)量可以增加了600.61 kg/hm2；土壤有機質(zhì)增加1g/kg，大豆產(chǎn)量可以增加了47.70 kg/hm2；土壤速效氮磷鉀增加1mg/kg，大豆產(chǎn)量增加8.91-19.75kg/hm2。

表3土壤肥力(x)與大豆產(chǎn)量(y)的相互關(guān)系

Table 3　The relationship between soil fertility (x) and grain yield (y)

3結(jié)論與討論

玉米是黃淮海平原重要的種植作物，其對于該地區(qū)和全國的糧食安全起到了十分重要的作用[15]。目前，對于玉米秸稈的處理方式一般停留在簡單的粉碎還田方面[16]，這種方式雖然解決了秸稈焚燒造成的污染問題，但缺由于秸稈直接還田后存在耕種麻煩、出苗差和碳氮比不合理等問題，從而嚴重影響了后茬作物的產(chǎn)量提升[9-17]。有研究表明，將作物秸稈在無氧條件下低溫裂解，制成生物質(zhì)炭并還田可以有效改善土壤耕層結(jié)構(gòu)和土壤肥力[18-19]，從而最終提高作物生產(chǎn)力。在大豆種植中，生物黑炭還田也表現(xiàn)出增產(chǎn)趨勢，與CK相比，5、10和15 t/hm2黑炭可以使大豆產(chǎn)量增加25.35%～48.51%，這與很多人在其他作物上的研究結(jié)果一致[10-13]，但合理用量存在一定差異，這可能與作物吸收、土壤肥力性質(zhì)有關(guān)。另外，由于生物黑炭施用顯著改善了葉片、莖稈和莢果的分配比例，從而也在一定程度上促進了大豆產(chǎn)量的提升。

生物黑炭施入土壤中主要是通過增加土壤有機質(zhì)而改善土壤肥力特性，從而增加作物的養(yǎng)分吸收能力[20-21]。在本試驗中，添加生物黑炭可以顯著提高潮土的有機質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分，且黑炭用量越高，土壤肥力提升越高。這主要與生物黑炭來源于玉米秸稈，其本身含有大量的有機質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分[22]，同時，生物質(zhì)炭的具有較高的比表面積和孔體積[23]，能夠吸附和活化土壤中的有效養(yǎng)分，從而顯著促進植物根系的吸收。進一步研究表明，黑炭施用下土壤肥力指標與大豆產(chǎn)量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，且可以用線性回歸方程進行擬合。但是，由于土壤肥力指標對產(chǎn)量的貢獻能力不一[24-25]，每個指標導(dǎo)致的產(chǎn)量增幅也不一致。因此，如何將多個土壤肥力指標進行綜合表征，進而構(gòu)建其與大豆產(chǎn)量的量化關(guān)系還有進一步研究，從而更好地指導(dǎo)生物黑炭在大豆種植的應(yīng)用。

在黃淮海地區(qū)，施用5～15 t/hm2的生物黑炭可以使大豆產(chǎn)量增加25.35%～48.51%，線性擬合方程表明，黑炭用量每增加1 t/hm2，大豆產(chǎn)量增加62.95kg/hm2。同時，施用生物黑炭顯著提高了莢果占總生物量的比例，優(yōu)化了干物質(zhì)在各器官的分配比例。生物黑炭可以提升潮土的有機質(zhì)和土壤速效養(yǎng)分，且土壤肥力指標與大豆產(chǎn)量存在顯著的量化關(guān)系，可以用來指導(dǎo)大豆施肥。

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Effects of Different Biochar Rates on Soybean Yield and Soil Fertility in Huanghuai River Region

ZHOU Zhi-gang，WANG Xiao-li*

(CollegeofAgriculture,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

Abstract:Taking soybean variety Yudou 22 which was mainly cultivated in Huanghuaihai Region as the research material，the filed experiment of different biochar rates, which the amounts were 15 t/hm2，10 t/hm2，5 t/hm2，0t/hm2(CK)was conducted in soybean yield and soil fertility. The results showed that compared with CK, yield of fertilizer rates at 15 t/hm2，10 t/hm2，5 t/hm2 increased by 48.51%, 37.04% and 25.35%; leaf dry weight ratio of fertilizer rates at 15 t/hm2，10 t/hm2，5 t/hm2 decreased 13.22%, 28.72% and 43.60%; with the increasing of biochar amounts, which lead the greater increase in soil fertility. Therefore, Biochar carbon can improve soil organic matter and available nutrient, soil and soil fertility index and soybean yield significant quantitative relationships, can be used to guide the soybean fertilization.

Key words:soybean; biochar; soil fertility; yield

收稿日期：2016-01-15

通訊作者：王小利(1979 -)，女，教授，研究方向：土壤肥力與作物施肥。

第一作者：周志剛(1989-)，男，山東東營人，碩士研究生，主要從事長期施肥下土壤有機碳演變特征研究。