勾芒芒 屈忠義

(1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利與土木建筑工程系， 呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)寒旱區(qū)灌溉排水研究所， 呼和浩特 010018)

0 引言

番茄是內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)的重要蔬菜之一，番茄產(chǎn)業(yè)在農(nóng)民增收和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面舉足輕重。長期以來，當(dāng)?shù)馗珊瞪儆?，降水時(shí)空分配不均，農(nóng)業(yè)增收主要依靠大量化肥施入，而化肥利用率低也導(dǎo)致大量養(yǎng)分流失、土壤越來越貧瘠，特別是肥料中的氮、磷等化學(xué)養(yǎng)分流失到河流中，造成嚴(yán)重面源污染[1]。

生物炭是面向未來、低成本、可再生的生物質(zhì)資源，被譽(yù)為“黑色黃金”[2]。生物炭是指農(nóng)林廢棄物在低氧或缺氧條件下高溫裂解而形成富含碳的穩(wěn)定物質(zhì)。其組成主要包括碳、氫、氧等元素，剩下是灰分。生物炭性質(zhì)穩(wěn)定，比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，表面高電荷密度和負(fù)電荷可以較多地吸附土壤陽離子，增加陽離子交換量。田丹等[3]、勾芒芒等[4]通過室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可以改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤保水持水能力，施加生物炭改善不同質(zhì)地土壤結(jié)構(gòu)差異顯著。大量研究表明，添加生物炭可減輕土壤氮素淋洗，提高土壤含水率和養(yǎng)分利用率[5-8]。同時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)，單純以生物炭代替化肥還存在一定難度，為了既發(fā)揮其自身優(yōu)勢又能減少肥料投入帶來的負(fù)面影響，以達(dá)到作物增產(chǎn)增收目的，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭研究中心以生物炭為基質(zhì)制造炭基緩釋肥料施入土壤中，作物增產(chǎn)效果明顯[9]。

近年來，國內(nèi)外多家知名番茄加工企業(yè)進(jìn)駐內(nèi)蒙古，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化發(fā)展注入生機(jī)。然而，如何緩解番茄需水與降水時(shí)空分布不均造成的番茄生長期需水矛盾是解決當(dāng)前番茄種植技術(shù)問題關(guān)鍵所在。本文旨在探明生物炭與化肥互作對番茄土壤含水率與產(chǎn)量的影響，為內(nèi)蒙古半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013年5月中旬—2014年10月上旬在內(nèi)蒙古呼和浩特市和林縣樊家夭鄉(xiāng)家堡營村附近的內(nèi)蒙古水利科技試驗(yàn)示范(和林)基地進(jìn)行。該地屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，風(fēng)大氣候干燥，降水時(shí)空分布不均，多年平均降雨量為417.5 mm，主要集中在7—8月，占全年降雨量的70%。晝夜溫差大，多年平均氣溫為5.6℃，平均日照數(shù)為2 941.8 h，多年平均蒸發(fā)量為1 850 mm，是降雨量的4.3倍，多年平均風(fēng)速2.2 m/s，土壤最大凍結(jié)深度為1.75 m。

1.2 供試材料

試驗(yàn)區(qū)土壤為砂壤土，經(jīng)測定土壤基本性質(zhì)為：砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)64.15%、粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.49%、粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)19.36%。土壤容重1.39 g/cm3，孔隙度43.52%，田間持水率(體積分?jǐn)?shù))31%，pH值7.85，電導(dǎo)率141.8 μS/cm。有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比6.66 g/kg，堿解氮質(zhì)量比48.07 mg/kg，速效磷質(zhì)量比為12.06 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比146.98 mg/kg。

試驗(yàn)生物炭選用遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司的生物炭成品。生物炭主要性質(zhì)：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.17%、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.71%、氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.83%，碳氮比67.03%，pH值9.04，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比925.74 g/kg，堿解氮質(zhì)量比159.15 mg/kg，速效磷質(zhì)量比394.18 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比783.98 mg/kg。

試驗(yàn)用化肥為尿素(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%)，磷酸二胺(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%)，氯化鉀(KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%)。供試作物為番茄，品種為上海合作918。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用大田試驗(yàn)，隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)小區(qū)面積為15 m2(長5 m×寬3 m)。將生物炭均勻施于土壤表面，用旋耕機(jī)翻混入耕層土壤?；室缘追市问揭淮涡允┤?。番茄種植密度為4.5萬株/hm2，灌溉定額為1 575 m3/hm2(苗期-開花著果期675 m3/hm2、開花著果期-結(jié)果盛期600 m3/hm2、結(jié)果盛期-后期300 m3/hm2)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為2個(gè)因素：生物炭和化肥。其中生物炭設(shè)計(jì)5個(gè)水平，分別為：生物炭B1(0 t/hm2)、生物炭B2(10 t/hm2)、生物炭B3(20 t/hm2)、生物炭B4(40 t/hm2)、生物炭B5(60 t/hm2)。化肥設(shè)計(jì)2個(gè)水平，分別為化肥1水平F1：尿素408 kg/hm2，磷酸二胺163 kg/hm2，氯化鉀300 kg/hm2；化肥2水平F2：在化肥1各水平基礎(chǔ)上減25%。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為10個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共計(jì)30個(gè)小區(qū)。具體情況見表1。

表1 大田試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)代碼Tab.1 Program design in field experiment

1.4 測定內(nèi)容及方法

土壤含水率測定。采用鋁盒干燥稱量法，在番茄各生育階段灌水后，在各小區(qū)每隔20 cm土層用土鉆取土，測至80 cm。每層土樣混合均勻，取適量裝入鋁盒稱取濕質(zhì)量，帶回實(shí)驗(yàn)室放入干燥箱在105℃條件下干燥8 h，稱取干質(zhì)量，計(jì)算出土壤質(zhì)量含水率。

番茄產(chǎn)量測定。從8月15日開始采摘，至10月1日結(jié)束，平均每4～5 d進(jìn)行1次，共取11次。每個(gè)小區(qū)取3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)標(biāo)記12株，每次收獲時(shí)將各計(jì)產(chǎn)小區(qū)分別稱量，計(jì)算產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和作圖；使用 SAS 9.0 進(jìn)行單因素方差分析，采用LSD方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，采用Surfer 8.0制圖軟件繪制等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間分布

圖1為土層0～20 cm土壤含水率變化情況。結(jié)果表明，土壤含水率總體表現(xiàn)為隨著生物炭施用量增加而增大。與對照相比，各處理差異顯著(P<0.05)。整個(gè)生育階段內(nèi)土壤含水率表現(xiàn)為先增加后減少趨勢。在苗期—開花著果期，與對照相比，B3F2、B4F1、B4F2、B5F1、B5F2土壤含水率分別增加了13.7%、40.5%、38.5%、19.3%和17.8%，其中B4F1增幅最大，增幅超過40%。隨著作物生長，生育后期這種增幅趨勢大體一致，其中B4F1增幅超過20%。

圖1 全生育期內(nèi)土壤0～20 cm土壤含水率變化Fig.1 Variation of soil water content in 0～20 cm within whole growth period

圖2 全生育期內(nèi)土壤20～40 cm土壤含水率變化Fig.2 Variation of soil water content in 20～40 cm within whole growth period

圖2是土層20～40 cm土壤含水率變化。整體表現(xiàn)為隨著番茄生長土壤含水率呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，低炭與高炭處理間差異顯著(P<0.05)。在開花著果—結(jié)果盛期，與B1F1(對照)相比，施炭處理土壤含水率均呈下降趨勢，其中B4F1和B4F2含水率最小，僅為B1F1的70%左右。分析可知，砂壤土中施加生物炭可有效降低土壤深層滲漏，有效提高土壤耕層持水蓄水能力，改善作物水土環(huán)境。土層40～60 cm、60～80 cm土壤含水率整體變化趨勢與其一致，即生物炭處理的土壤含水率均小于對照。

2.2 土壤剖面土壤含水率變化

數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用極值比Ka和變異系數(shù)Cv進(jìn)行表征數(shù)值的變化程度，計(jì)算式為

Ka=Xmax/Xmin

(1)

(2)

式中Xmax——土壤含水率最大值

Xmin——土壤含水率最小值

Ka——土壤含水率的變化幅度

Cv——變異系數(shù)σ——均方差

在土壤垂直剖面上，耕層土壤受外界環(huán)境影響較大，隨著土壤深度增加土壤受外界影響逐步減小。由于試驗(yàn)方案中生物炭和化肥混施在土壤耕層，與對照相比能夠較好保持耕層土壤水分，防止水分滲漏，及時(shí)供給作物生長所需水分。從表2分析可知，隨著土層深度增加，同一處理Ka和Cv總體上呈現(xiàn)減小趨勢，B1F1(對照)的Ka值為1.645，B4F1、B4F2、B5F1和B5F2的Ka值均在1.2左右。這表明，施加生物炭后土壤含水率變化幅度和變異程度減弱。對于同一深度土壤而言，隨著施炭量增加，Ka和Cv減小。與B1F1相比，較高施炭處理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)的土壤剖面土壤含水率變異系數(shù)Cv相對較小，表明生物炭具有穩(wěn)定保水能力。

2.3 空間分布特征

土壤剖面含水率時(shí)空變化趨勢通過土壤含水率等值線圖來表征。等值線疏密程度和曲面圖平緩曲折反映了不同處理間土壤含水率時(shí)空變化。在番茄生育期100 d內(nèi)，0～80 cm土層土壤水分空間分布規(guī)律較為明顯。尤其在開花結(jié)果期—結(jié)果盛期，施炭處理的土壤含水率與對照相比，差異顯著，能有效保持作物耕層土壤水分。水分動態(tài)變化過程可以從圖3清晰可見，B1F1(對照)在耕層土壤0～20 cm土壤含水率較低，且等值線較密，反映了其土壤含水率梯度較大，在空間上變化劇烈，水分垂直運(yùn)移，土壤含水率增大。隨著作物生長，水分需求增大，然而從圖3可見，耕層土壤水分嚴(yán)重不足，這也說明，砂壤土水分滲漏比較嚴(yán)重，耕層持水能力差，番茄耕層供水能力不足。B1F2處理土壤含水率分布特征與B1F1大體一致。

表2 開花結(jié)果期—結(jié)果盛期土壤剖面含水率變化的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果Tab.2 Statistical analysis result of soil moisture variation

圖3 B1F1處理的土壤含水率等值線圖Fig.3 Soil moisture contour map of B1F1 treatment

圖4 B4F1處理的土壤含水率等值線圖Fig.4 Soil moisture contour map of B4F1 treatment

圖5 B5F1處理的土壤含水率等值線圖Fig.5 Soil moisture contour map of B5F1 treatment

與B1F1(對照)相比，隨著土壤施炭量增加，土壤耕層(0～20 cm)持水、保水能力增強(qiáng)，有限水分可以充分供給番茄生長所需，解決番茄生育階段內(nèi)水分時(shí)空分布不均勻?qū)е碌淖魑锶彼畣栴}。這種保水現(xiàn)象在較高施炭處理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)中更為顯著(圖4、5)。通過土壤含水率等值線圖和曲面圖可以直觀發(fā)現(xiàn)，生物炭具有很好的保水、持水及減緩砂壤土水分快速滲漏作用。在我國干旱、半干旱地區(qū)土壤生產(chǎn)力和土壤肥力較差，降雨存在時(shí)空分布不均現(xiàn)象，水土流失比較嚴(yán)重。追其原因，大部分是因?yàn)橥寥莱炙芰Σ?，土壤有機(jī)質(zhì)淋洗流失所致。砂壤土中施加生物炭可有效緩解這種矛盾。

2.4 對番茄產(chǎn)量的影響

從圖6分析可知，與B1F1(對照)相比，隨著施炭量的增加番茄產(chǎn)量增幅出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，但是整體增幅較對照相比差異顯著。其中，與B1F1相比，不施炭減少化肥用量的B1F2處理出現(xiàn)減產(chǎn)；B2F1、B2F2、B3F1、B3F2、B4F1、B4F2、B5F1、B5F2分別增幅17.80%、18.03%、40.12%、44.01%、46.34%、58.61%、49.63%和39.18%。其中B4F2產(chǎn)量最高。同一施炭不同施肥處理間差異不顯著，可考慮減少化肥用量，指導(dǎo)番茄田間種植達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因主要是施加生物炭后番茄土壤含水率有效提高，保證了番茄植株生長，提高光合和蒸騰速率，提高番茄植株干物質(zhì)積累，從而提高產(chǎn)量。番茄生育階段供水不足將直接影響植株生長發(fā)育。

圖6 生物炭對番茄產(chǎn)量的影響Fig.6 Effect of biochar on tomato yield

3 討論

生物炭通過改善土壤理化性質(zhì)進(jìn)而提高土壤含水率。前人的研究結(jié)果表明生物炭施入土壤中可以增大土壤孔隙度，有利于增加土壤含水率[10-11]。生物炭具有較大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，具有親水性、吸附力大等特點(diǎn)，可以使土壤保持更多水分，尤其能夠提高砂質(zhì)土壤持水能力，隨著生物炭用量增加，持水能力增強(qiáng)。本研究表明，施入生物炭可有效提高砂壤土土壤含水率，與這些研究結(jié)論基本一致。隨著生物炭施用量進(jìn)一步增加，土壤含水率呈現(xiàn)下降趨勢，可能是因?yàn)檩^大施用生物炭會導(dǎo)致土壤通氣孔隙增加，毛細(xì)孔隙減小，吸水保水能力降低所致。對于質(zhì)地較粘的土壤來說，生物炭增大了土壤通透性，促進(jìn)土壤水分入滲，但對于質(zhì)地較輕土壤可以抑制水分滲漏。隨著生物炭施用量增大，不同質(zhì)地土壤水分滲透率均出現(xiàn)逐漸減少趨勢。本試驗(yàn)通過土壤0～80 cm垂直入滲剖面等值線分析可知，耕層土壤施入生物炭可以增強(qiáng)土壤持水能力，防止水分深層滲漏和流失。這與高海英等[12]的研究結(jié)論大體相同。

大量研究成果已經(jīng)表明施用生物炭可以有效提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量[13-14]。生物炭本身碳含量較高，施入土壤中增加肥力。同時(shí)生物炭表面具有較豐富含氧官能團(tuán)，其所帶負(fù)電荷和復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)賦予其較大的陽離子交換量和強(qiáng)大吸附力，可以作為肥料緩釋載體從而延緩肥料養(yǎng)分釋放，保持和固定一部分肥料以免流失和淋洗，達(dá)到持肥保肥作用[15]。所以，炭肥耦合可以提高土壤肥料利用率，改善作物生長過程所需養(yǎng)分，達(dá)到增產(chǎn)增收目的。

近年來，國內(nèi)有關(guān)施加生物炭增加作物產(chǎn)量報(bào)道逐漸增多。張偉明等[9]研究表明，以不同標(biāo)準(zhǔn)在砂壤土中施入生物炭，水稻產(chǎn)量均比對照平均提高21.98%。黃超等[16]在每千克紅壤土中施用10、50、200 g生物炭種植黑麥草，產(chǎn)量可分別增加7%、27%和53%。唐光木等[17]在新疆灰漠土中添加生物炭種植玉米，結(jié)果表明施入40 t/hm2的生物炭玉米產(chǎn)量提高近50%，增產(chǎn)效果顯著。然而，在生物炭對作物生長作用方面還存在一些不同觀點(diǎn)。KISHIMOTO等[18]認(rèn)為，壤土中施加生物炭(0.5 t/hm2)大豆產(chǎn)量可增加50%；然而，隨著施用量增加產(chǎn)量出現(xiàn)減少趨勢且15 t/hm2時(shí)減產(chǎn)近70%。張晗芝等[19]在中層砂漿水稻土中施加生物炭研究其對玉米影響，發(fā)現(xiàn)在玉米苗期生物炭抑制了植株生長發(fā)育，添加量越大抑制效果越明顯，隨著玉米生長這種抑制效應(yīng)逐漸消失。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭研究中心以生物炭為基質(zhì)制造炭基緩釋肥料施入土壤中，作物增產(chǎn)效果明顯且用量少，可以大幅度降低化肥使用量或不使用化肥，這也是生物炭應(yīng)用的重要研究成果[20]。

前述學(xué)者們對生物炭在農(nóng)作物生長影響方面研究已經(jīng)具有一定學(xué)術(shù)成果，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為施用生物炭可以提高作物產(chǎn)量，但是施用量越大不一定作物產(chǎn)量增幅最大，有的甚至出現(xiàn)施用量增大產(chǎn)量反而降低現(xiàn)象；同時(shí)，通過生物炭在作物種植方面研究發(fā)現(xiàn)，貧瘠的砂質(zhì)土壤上應(yīng)用生物炭提高作物生物量效果最為明顯。本研究中炭肥耦合對番茄產(chǎn)量影響顯著，較高施炭量與低肥耦合(B4F2)綜合作用效果較優(yōu)。

4 結(jié)論

(1)0～20 cm土層土壤含水率均隨生物炭施用量的增加呈增大的趨勢。番茄生長初期，0～20 cm高炭處理增幅顯著，其中B4F1處理增幅達(dá)40%；番茄生長后期，各處理土壤含水率增幅與早期規(guī)律基本一致，0～20 cm增幅超過20%(B4F1)。20～40 cm土層土壤含水率與0～20 cm的變化規(guī)律恰好相反，與對照相比，施炭處理的土壤含水率均呈現(xiàn)下降趨勢，其中B4F1和B4F2含水率最小，僅為對照的70%。土層40～60 cm、60～80 cm的土壤含水率整體變化趨勢與其一致，即生物炭處理的土壤含水率均小于對照。

(2)施加生物炭后土壤含水率的變化幅度和變異程度減弱。對于同一深度的土壤而言，隨著施炭量的增加，Ka和Cv均減小，與對照相比，較高施炭處理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)的土壤剖面土壤含水率變異系數(shù)Cv相對較小。

(3)隨著番茄的生長，土壤含水率在垂直剖面的影響表現(xiàn)為較高施炭量(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)處理的土壤含水率均高于對照，差異顯著。

(4)隨著施炭量的增加，番茄產(chǎn)量增幅出現(xiàn)先升高、后降低的趨勢，且均高于對照。B4F1、B4F2、B5F1、B5F2分別增幅46.34%、58.61%、49.63%和39.18%，其中B4F2產(chǎn)量最高。同一施炭處理、不同施肥處理間差異不顯著。