馮 雷，唐光木，徐萬里，耿增超，孫寧川，廖 娜

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830092)

生物炭是由生物質(zhì)(生物體及其排泄物)在缺氧或無氧的條件下，經(jīng)過緩慢高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一類難熔的、穩(wěn)定的、高度芳香化的、富含碳素的固態(tài)物質(zhì)，屬于廣義概念上黑炭的一種類型[1]，在改善土壤結(jié)構(gòu)[2-5]、防止土地質(zhì)量下降[6-9]及作物增產(chǎn)[10-12]等方面已表現(xiàn)出可觀潛力。越來越多的證據(jù)表明，生物炭施于土壤后可以顯著提高土壤有機(jī)碳含量[13-14]，有利于土壤團(tuán)聚體的形成并降低土壤容重[15-17]，同時(shí)可增加N、P等營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化速率，而且能夠促進(jìn)作物對P的吸收[18]。已有研究表明：生物炭顯著提高了小麥、玉米、高粱和水稻等作物的產(chǎn)量及生物量。馬莉等[19]的盆栽試驗(yàn)表明，生物炭可以提高灰漠土小麥的干物質(zhì)量。陳心想等[20]以新積土為供試土壤，指出20 t/hm2生物炭輕微抑制了小麥和糜子的產(chǎn)量，但與對照相比仍提高了二者產(chǎn)量。唐光木等[21]以玉米為材料，通過控制生物炭輸入，證實(shí)生物炭可以增加玉米生物量累積。盡管生物炭在提高土壤肥力和增加作物產(chǎn)量方面已被大量報(bào)道，但因土壤質(zhì)地、生物炭和作物類型等的不同，耕地所需生物炭適用量及生物炭對作物影響仍存在差異，因而多數(shù)研究結(jié)論適用區(qū)域有一定局限。新疆灰漠土更是有別于目前研究的土壤。棉稈炭及施用方式也有別于其他類型生物炭，其輸入對灰漠土性質(zhì)和作物又會產(chǎn)生何種影響，也需進(jìn)一步探究。

分布于干旱荒漠地帶的灰漠土，是新疆主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)之一，直到2013年種植了全國棉花播種總面積的39.54%，棉花秸稈資源非常豐富，為棉稈炭生產(chǎn)及利用提供了有利條件。已有研究表明：棉稈炭影響作物產(chǎn)量、生物量和部分形態(tài)特征，形態(tài)特征主要集中在株高、莖粗兩方面[22-23]，然而，棉稈炭施用方式影響干旱區(qū)灰漠土棉田棉花葉片及根冠比等形態(tài)學(xué)特征的研究卻鮮有報(bào)道。

本研究通過完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，比較分析不同處理下，棉稈炭輸入對灰漠土理化性質(zhì)和棉花形態(tài)的影響，從而為提高灰漠土耕地地力和棉稈廢棄資源的合理循環(huán)利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地位于國家灰漠土肥力與肥料效益野外科學(xué)觀測臺站，N: 43°95′26″，E:87°46′45″，海拔高度 680～920 m，年均氣溫 5～7 ℃，年降水量 180～250 mm，年蒸發(fā)量1 600～2 200 mm，屬干旱半干旱荒漠氣候[24]。試驗(yàn)地土壤為灰漠土，土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical characteristics of soil in experimental field

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測定指標(biāo)

試驗(yàn)運(yùn)用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì) 6個(gè)處理，每一處理3個(gè)重復(fù)，共計(jì)18個(gè)小區(qū)。分別為CK為常規(guī)施肥處理(NPK)，施純氮 0.3 t/hm2；棉花秸稈每年炭化還田+常規(guī)施肥(NPKC)，每年施棉稈炭2.625 t/hm2(按棉花秸稈7.5 t/hm2，炭化出炭率35%計(jì)算)；棉稈炭22.5 t/hm2+氮磷鉀(NPKBc1.5)，棉稈炭施入量為耕層土壤重量的1%計(jì)算；棉稈炭22.5 t/hm2+氮低磷鉀(N低PKBc1.5)；棉稈炭45 t/hm2+氮磷鉀(NPKBc3.0)，棉稈炭施入量為耕層土壤重量的2%計(jì)算；棉稈炭45 t/hm2+氮低磷鉀(N低PKBc3.0)；純氮施入量為0.3 t/hm2，基施40%，追施60%，磷鉀肥作為基肥一次性施入，磷肥施入量為0.013 8 kg/m2(P2O5)，鉀肥施入量為0.006 kg/m2(K2O)。采用膜下滴灌栽培模式，棉花品種為新陸早41號。

本試驗(yàn)使用生物炭(BC)是棉花秸稈炭化后所得，炭化溫度為450 ℃，其化學(xué)性質(zhì)如表2所示。測定指標(biāo)選擇棉花植株單株葉面積、根冠比、花蕾花鈴數(shù)，土壤有機(jī)碳、土壤含水量、容重、電導(dǎo)率和pH等指標(biāo)，采用常規(guī)方法測定。

表2 450 ℃下棉秸稈生物炭化學(xué)性質(zhì)Tab.2 Elementary chemical properties and element contents of cotton straw biochar under 450 ℃

1.3 研究方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用 SPSS v17.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比較采用新復(fù)極差法(Duncan)，顯著性水平設(shè)定為 0.05，用 Origin 8.5 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈炭輸入對植株形態(tài)特征的影響

棉稈炭施用方式明顯影響棉花單株葉面積，但作用效果有一定差異(圖1)。施用NPK肥(CK)時(shí)，平均單株葉面積最小為101 916.22 mm2，與 CK 相比，NPKC 處理組單株葉面積增加5.54%，但二者差異不顯著(P>0.05)。在 CK 基礎(chǔ)上，成倍增加棉稈炭的輸入量，單株葉面積并沒有完全隨著棉稈炭輸入的增加而增大，當(dāng)每公頃添加 22.5 t棉稈炭，單株葉面積最大達(dá)到133 659.16 mm2，平均單株葉面積增加了 31.15%；隨著每公頃棉稈炭增加至 45 t，平均單株葉面積反而減小了 11.84%，說明在施用棉稈炭時(shí)存在一個(gè)最佳施用量，可能在 22.5 t/hm2左右。

在N低PKBc1.5和N低PKBc3.0基礎(chǔ)上增加相同施氮量，單株葉面積分別增加1.41%和7.26%。對比較低水平施氮量和正常水平施氮量，無論是施用較低水平還是正常水平N肥，施用棉稈炭且施用量大于等于 22.5 t/hm2，單株葉面積均減小，分別減小了8.10% 和 13.11%；無論是施用較低水平還是正常水平N肥，施用棉稈炭且施用量小于 22.5 t/hm2，單株葉面積均增加，分別增加22.54%和 24.27%；同時(shí)增加棉稈炭和N肥施用量，單株葉面積減小了 6.80%。幾種處理下，單獨(dú)有限度地增加棉稈炭可以達(dá)到最大程度增加單株葉面積目標(biāo)。

棉稈炭輸入導(dǎo)致棉花植株根冠比表現(xiàn)不同。幾組處理中，對照處理 CK 的根冠比與NPKC處理差異顯著 (P<0.05)，與其他各組處理均不顯著(P>0.05)。與CK相比，NPKC中植株根冠比增加了19.8%。NPKC處理根冠比顯著大于其他處理 (P<0.05)，比最小的根冠比增大了34.7%。較低施氮水平下，在施用22.5 t/hm2棉稈炭基礎(chǔ)上增加一倍棉稈炭，根冠比增加11.6%，但差異不顯著 (P>0.05)。在正常施氮水平下，施用45.0 t/hm2棉稈炭與施用22.5 t/hm2棉稈炭的根冠比差異不顯著，但是增加了13.3%，比低氮水平的根冠比略大。

a、 b、 c表示P<0.05不同處理差異顯著性分析。a, b and c represent P<0.05 for the significant analysis of different treatment differences.

棉稈炭對于棉花植株單株葉面積和根冠比影響不同，最顯著的特點(diǎn)是正常施氮量下，單株葉面積達(dá)到最大，而此時(shí)的根冠比卻最小(圖1)。在正常施氮水平下，施用22.5 t/hm2的棉稈炭，使得單株葉面積比值與根冠比(β)接近于1；NPKC和N低PKBc3.0處理下，β遠(yuǎn)大于1；其他幾組處理的β值均小于1(圖2)?？梢?，不同施氮量和棉稈炭處理組合，棉花葉片在植株整體中所占比例差別極大。

圖2 棉稈炭輸入對植株不同部分活力的影響Fig.2 The energy of different part of plant influenced by biochar processing

2.2 棉稈炭輸入對作物花蕾花鈴數(shù)的影響

不同施用量的棉稈炭棉花花蕾花鈴數(shù)有明顯差異，如(圖3)。連續(xù)施用棉稈炭(NPKC)與對照CK之間的花蕾花鈴數(shù)存在顯著差異(P<0.05)，NPKC的花蕾花鈴數(shù)減少了12.18%。從NPKC到N低PKBc1.5，減少施氮量同時(shí)增加棉稈炭施用量，花蕾花鈴數(shù)增加(P<0.05)，增加了45.67%。處理NPKBc1.5與N低PKBc1.5之間的花蕾花鈴數(shù)差異顯著(P<0.05)，增加了7.48%。與處理N低PKBC1.5相比，施用棉稈炭45.0 t/hm2低氮水平的花蕾花鈴數(shù)顯著減少(P<0.05)，減少29.25%；施用棉稈炭45.0 t/hm2，同時(shí)增加施氮量至正常水平，花蕾花鈴數(shù)顯著增加。增加N，同時(shí)增加棉稈炭施用量會導(dǎo)致花蕾花鈴數(shù)一定程度減少。

圖3 不同棉秸稈棉稈炭處理下的花蕾花鈴數(shù)變化特征Fig.3 The rule of numbers of bud and bell under different cotton biochar

2.3 棉稈炭輸入對土壤屬性的影響

2.3.1 不同棉稈炭輸入對土壤有機(jī)碳影響 隨棉稈炭輸入增加，有機(jī)碳含量明顯增加趨勢(圖4)。不同施氮量當(dāng)施入大于等于45 t/hm2的足量棉稈炭，土壤有機(jī)碳含量達(dá)到試驗(yàn)最大值17.23 g/kg，與NPK處理相比增加79.72%。棉稈炭增量小于22.5 t/hm2，NPKC處理組與NPK處理相比增加8.54%。增加22.5 t/hm2棉稈炭，土壤有機(jī)碳含量增加64.71%。N低PKBc1.5基礎(chǔ)上增加1倍的棉稈炭，土壤有機(jī)碳含量增加10.29%；正常水平施N量，NPKBc1.5增加1倍的棉稈炭，土壤有機(jī)碳含量平均增加10.2%。

圖4 不同棉稈炭處理下的有機(jī)碳變化規(guī)律Fig.4 Variation of the organic carbon with cotton biochar

2.3.2 不同棉稈炭輸入后土壤電導(dǎo)率和pH值的變化特征 土壤電導(dǎo)率和pH值變化如圖5所示，施N同時(shí)棉稈炭施用量≤22.5 t/hm2時(shí)，土壤電導(dǎo)率和pH值呈現(xiàn)相似的變化，都是隨著棉稈炭施用量增加，呈現(xiàn)增加趨勢，當(dāng)棉稈炭施用量大于 45 t/hm2，電導(dǎo)率仍增加，但土壤pH值明顯降低。NPKC處理與NPK處理相比，土壤電導(dǎo)率突然增大，隨后又有所降低，后逐漸變大。與僅施用NPK肥相比，施用足量 45 t/hm2棉稈炭，土壤pH值降到7.09，降低1.16%，電導(dǎo)率增加到7.00 mS/cm，增加了22.09%。由此可看出，棉秸稈碳一定程度上降低了土壤酸堿度。

圖5 不同棉稈炭處理下土壤電導(dǎo)率和pH值的變化規(guī)律Fig.5 Variation of the soil electric conductivity and pH with cotton biochar

2.3.3 不同棉稈炭輸入對土壤含水量及容重的影響 土壤含水量的變化對于植物的生存至關(guān)重要，因而有必要仔細(xì)探究土壤的含量變化規(guī)律。土壤含水量的變化規(guī)律如圖6所示，自然含水量、田間持水量和飽和含水量均隨著棉稈炭輸入量的增加而增加，但當(dāng)施用量增加至45 t/hm2后，要減少施N量才能增加土壤的含水量。土壤容重與含水量呈現(xiàn)相反的變化趨勢，即隨著棉稈炭施用量增加其明顯減小。

NPKC與僅施用NPK肥相比較，土壤自然含水量、田間持水量和飽和含水量分別增加0.53，2.50，2.40百分點(diǎn)。分別在N低PKBc1.5和NPKBc1.5基礎(chǔ)上各增加1倍的棉稈炭，自然含水量分別增加1.7,0.3百分點(diǎn)；田間持水量分別增加3.5,2.4百分點(diǎn)；飽和含水量分別增加6.2,1.6百分點(diǎn)。

圖6 不同棉稈炭處理下自然含水量、田間持水量、飽和含水量和容重的變化規(guī)律Fig.6 Variation of the natural moisture content, field capacity, saturation moisture content and soil bulk density with cotton biochar

2.4 植株形態(tài)特征與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

由表3可知，花蕾花鈴數(shù)和單株葉面積之間存在極顯著正相關(guān)，隨著單株葉面積增加，花蕾花鈴數(shù)逐漸增大如(圖7)，根冠比與花蕾花鈴數(shù)和單株葉面積存在顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。花蕾花鈴數(shù)和單株葉面積受到有機(jī)碳和容重的影響較大，但未達(dá)到顯著影響 (P>0.05)，有機(jī)碳促進(jìn)二者生長，而容重抑制二者生長。含水量對于花蕾花鈴數(shù)有一定正向影響，但相關(guān)性不顯著(P>0.05)。自然含水量與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)，田間持水量和飽和含水量與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)。

注：在P<0.01，**代表極顯著；P<0.05，*代表顯著。PLA.單株葉面積；BBN.花蕾花鈴數(shù)；R/S.根冠比；NMC.自然含水量；FC.田間持水量；SMC.飽和含水量；OC.有機(jī)碳；EC.電導(dǎo)率；BW.容重。

Note：**. Represents extremely significant (P<0.01),*. Significant difference(P<0.05). PLA. Leaf-area per plant; BBN. Bud and bell; R/S. Root shoot ratio; NMC. Natural moisture content; FC. Field capacity; SMC. Saturation moisture content; OC. Organic carbon; EC. Electrical conductivity; BW. Bulk weight.

圖7 花蕾花鈴數(shù)與單株葉面積回歸分析(n=11)Fig.7 Regression analysis with leaf area per plant flower and number bud and boll (n=11)

3 結(jié)論與討論

作物葉片特征和花蕾花鈴數(shù)在棉稈炭的影響下都發(fā)生了變化，單株葉面積明顯增加；但花蕾花鈴數(shù)具有一定差異，從NPKC到N低PKBc1.5，減少施氮量同時(shí)增加棉稈炭施用量，花蕾花鈴數(shù)增加(P<0.05)。與處理N低PKBc1.5相比，施用棉稈炭45 t/hm2低氮水平的花蕾花鈴數(shù)顯著減少(P<0.05)；施用棉稈炭45 t/hm2，同時(shí)增加施氮量至正常水平，花蕾花鈴數(shù)顯著增加。增加N，同時(shí)增加棉稈炭施用量會導(dǎo)致花蕾花鈴數(shù)一定程度減少。陳心想等[20]研究生物炭對塿土糜子和小麥產(chǎn)量影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)20 t/hm2生物炭輕微抑制了2作物產(chǎn)量，同時(shí)指出生物炭對產(chǎn)量影響并非持續(xù)穩(wěn)定。與前人研究相比，本次研究也出現(xiàn)了同樣的生物碳效應(yīng)。然而，此次研究發(fā)現(xiàn)，棉稈炭超過45 t/hm2，棉稈炭開始同時(shí)限制棉花地下及地上部分生長。Zhang等[8]研究認(rèn)為，生物炭施用后，土壤容重降低和氮素利用率增加是作物產(chǎn)量增加的主要原因，本次研究發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律，然而隨著增加大量的棉稈炭，產(chǎn)量的不穩(wěn)定性逐步顯現(xiàn)，這可能是由于施用過量的棉稈炭，其吸附性超出了作物根部吸收營養(yǎng)的能力，抑制了元素的活性，作物產(chǎn)量反而較低[25]。有學(xué)者認(rèn)為，添加棉稈炭后，作物形態(tài)與產(chǎn)量發(fā)生變化是作物本身對外部環(huán)境做出的特殊響應(yīng)[26]，棉稈炭通過改善土壤微環(huán)境，同時(shí)積極作用于作物根系結(jié)構(gòu)，改善后的根際微環(huán)境和根系結(jié)構(gòu)反過來協(xié)同促進(jìn)作物的地上部分生長；當(dāng)棉稈炭增加至過量甚至大量，會消耗植物運(yùn)輸養(yǎng)分的部分能量，阻礙了某些元素的運(yùn)移，所以作物并不能吸收充足的養(yǎng)分，因而從形態(tài)上表現(xiàn)出單株葉面積降低、花蕾花鈴數(shù)明顯減少[27]。另一些學(xué)者認(rèn)為，作物形態(tài)以及產(chǎn)量變化的原因也可能是根際微環(huán)境被打破[28]，導(dǎo)致作物地上地下部分對與物質(zhì)與能量需求不協(xié)調(diào)，從而在宏觀上表現(xiàn)出了上述特征。此次研究表明，適量施用棉稈炭可以促進(jìn)根際微環(huán)境的修復(fù)，在一定程度協(xié)調(diào)了土壤養(yǎng)分與作物生長之間的關(guān)系。

為了證實(shí)棉稈炭輸入加速土壤作物系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展，本研究通過定義單株葉面積與根冠比β，以說明棉稈炭對地上葉片和植株整體的影響，從而解釋其協(xié)同發(fā)展。Lehmann等[28]研究表明，根冠結(jié)構(gòu)處于均衡狀態(tài)時(shí)，其資源利用效率最高，但環(huán)境改變時(shí)即被打破。試驗(yàn)表明，正常施氮水平，棉稈炭輸入會改變根部—土壤微環(huán)境平衡，植株為了能夠獲取更多養(yǎng)分，提高自身的光合作用，單株葉面積和根冠比對此做出最顯著的反應(yīng)，葉片面積平均增大31.15%，根冠比增加11.6%～13.3%，此時(shí)β最接近于1。這有利于植株處于更加均衡的生長模式。

試驗(yàn)另一結(jié)果表明，棉稈炭添加對棉花生長及灰漠土理化性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。未添加棉稈炭前，灰漠土pH、電導(dǎo)率和有機(jī)碳分別為8.35、0.22 mS/cm、6.91 g/kg。且棉稈炭具有較高pH (9.21) 以及電導(dǎo)率(5.47 mS/cm)。添加棉稈炭后，不同處理的效果不同。施用大于等于45 t/hm2棉稈炭配施N，土壤有機(jī)碳含量達(dá)到試驗(yàn)最大值17.23 g/kg，與NPK處理相比增加79.72%。棉稈炭增量小于22.5 t/hm2，NPKC處理組與NPK處理相比增加8.54%。增加22.5 t/hm2棉稈炭，土壤有機(jī)碳含量增加64.71%。N低PKBc1.5基礎(chǔ)上增加1倍的棉稈炭，土壤有機(jī)碳含量增加10.29%；正常水平施N量，NPKBc1.5增加1倍的棉稈炭，土壤有機(jī)碳含量平均增加10.20%。土壤電導(dǎo)率和自然含水量、飽和含水量、田間持水量之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。分別在N低PKBC1.5和NPKBC1.5基礎(chǔ)上各增加1倍的棉稈炭，田間持水量分別增加3.5，2.4百分點(diǎn)；飽和含水量分別增加6.2,1.6百分點(diǎn)，自然含水量分別增加1.7,0.3百分點(diǎn)，容重顯著減小，這與前人的研究基本一致[13,29]。不同之處在于本研究中施用22.5 t/hm2棉秸炭，土壤田間持水量提高了3.5百分點(diǎn)，比之前的報(bào)道要低6百分點(diǎn)，這可能與土壤質(zhì)地、管理水平有關(guān)。由于干旱區(qū)農(nóng)田土壤—作物系統(tǒng)是一種收不抵支的平衡系統(tǒng)，通過適時(shí)增加外部物質(zhì)和能量供應(yīng)才能達(dá)到微平衡，顯然這種平衡不是真正意義的動態(tài)平衡，然而這種微平衡對于干旱區(qū)農(nóng)田土壤—作物系統(tǒng)意義重大。微平衡在一定程度上滿足了作物部分生長周期特點(diǎn)的需求，短期優(yōu)化了土壤結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)接近了平衡收支[29]。這將為干旱區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)精細(xì)化管理提供一定的思路。

灰漠土棉田增施22.5 t/hm2生物炭并配施低量氮肥顯著提高土壤有機(jī)碳含量，降低土壤容重。增施22.5 t/hm2生物炭配施低量氮肥增加單株葉面積，顯著提高根冠比。因而，研究認(rèn)為，干旱區(qū)農(nóng)田土壤—作物系統(tǒng)在棉稈炭和低氮調(diào)控下更容易均衡發(fā)展，對于作物產(chǎn)量提升和土壤屬性改良均有積極作用，這將為豐富農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)過程、認(rèn)知不同時(shí)空尺度上的生物協(xié)同結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制提供指導(dǎo)，從而為干旱區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)優(yōu)化管理提供科學(xué)指導(dǎo)。

致謝：感謝新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所張?jiān)剖娓毖芯繂T在土壤樣品分析時(shí)給予的幫助，感謝園藝所劉會芳助理研究員在樣品采集中付出辛的勤汗水。