殷曉燕，程志國(guó)，馮 濤，孫向春，鄧喜明

(酒泉市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 酒泉 735000)

位于河西走廊的酒泉市是中國(guó)第二大制種基地，玉米年制種面積最高時(shí)達(dá)到10萬(wàn)hm2，隨著玉米制種面積的擴(kuò)大，玉米秸稈造成的面源污染也日益嚴(yán)重。生物質(zhì)炭化還田有效銜接農(nóng)業(yè)循環(huán)鏈條首尾兩端，為廢棄生物質(zhì)資源化高效利用、土壤改良培肥、農(nóng)業(yè)固碳減排等提供了有效解決方案。針對(duì)不同自然區(qū)劃、耕作制度和不同土壤類(lèi)型，深入開(kāi)展生物炭改土培肥研究，對(duì)提升中低產(chǎn)田的生產(chǎn)潛力，確保國(guó)家糧食安全，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

生物炭，是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)炭化產(chǎn)生的一類(lèi)高度芳香化難溶性固態(tài)物質(zhì)[2]。研究表明，生物炭施入土壤，能夠提高田間持水量，增加土壤肥力，提高作物產(chǎn)量，改善土壤性質(zhì)(如提高土壤pH值和陽(yáng)離子交換量等)[3]。此外生物炭對(duì)重金屬離子(Cd2+、Pb2+、Cu2+等)有較好的吸附固定作用，可降低土壤中重金屬的遷移性和有效性，從而降低植物體內(nèi)重金屬含量[4-7]。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于酒泉市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地，地理位置為北緯39°75′、東經(jīng)98°51′，海拔1 439 m，年均日照時(shí)數(shù)3 174 h，年均氣溫7.5 ℃，年均日較差14.4 ℃，年均降水量?jī)H85.3 mm，年均水面蒸發(fā)量2 261.3 mm,平均無(wú)霜期150 d。該區(qū)降雨稀少，蒸發(fā)量大，光照充足，氣候干燥，夏季酷熱，冬季嚴(yán)寒，晝夜溫差大，屬溫帶干旱的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為灌漠土，試驗(yàn)前測(cè)定基礎(chǔ)土壤(0～20 cm)性質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量為13.2 g/kg，堿解氮含量為29.2 mg/kg，速效磷含量為26.3 mg/kg，速效鉀含量為109 mg/kg，pH值為8.48。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)供試生物炭屬遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司生產(chǎn)，含有機(jī)碳400 g/kg、全氮8.69 g/kg、全磷1.33 g/kg、全鉀11.12 g/kg。常規(guī)施肥用的尿素含氮46%，磷酸二銨含氮18%、五氧化二磷46%。

常規(guī)施肥施用磷酸二銨525 kg/hm2、尿素900 kg/hm2，磷肥作為基肥一次性施入，尿素分4次施入，分別為基肥施入30%、緩苗期追施20%、旺長(zhǎng)期追施35%、膨大期追施15%。

試驗(yàn)地面積666.7 m2，分4個(gè)處理，3次重復(fù)，每小區(qū)面積33 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。處理1為常規(guī)施肥(CK)，處理2為常規(guī)施肥+生物炭5 000 kg/hm2，處理3為常規(guī)施肥+生物炭10 000 kg/hm2，處理4為常規(guī)施肥+生物炭15 000 kg/hm2。生物炭在覆膜前人工撒施，然后耙耱、鋪膜，其他管理與大田相同。

2.2 樣品采集和分析方法

在作物收獲后測(cè)定作物產(chǎn)量。按小區(qū)S形取0～20 cm耕層土樣，測(cè)定土壤理化性狀、重金屬含量。容重分析采用環(huán)刀法，pH值測(cè)定采用酸度計(jì)法(水土比為2.5∶1)，土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用外加熱重鉻酸鉀容量法，堿解氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，有效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測(cè)定采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法，重金屬有效態(tài)的測(cè)定采用DTPA浸提-原子吸收分光光度計(jì)法。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖形的繪制，采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行分析處理，采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較(0.05水平)。

3 結(jié)果與分析

3.1 施用生物炭對(duì)土壤pH值的影響

施用生物炭后，各處理的土壤pH值隨施炭量的增加而增大(圖1)。處理4、3、2土壤pH值分別比處理1(CK)增加了3.7%、2.5%、2.1%，均顯著高于處理1(CK)；處理2和3間差異不顯著，二者均顯著低于處理4。說(shuō)明施用生物炭對(duì)堿性土壤pH值影響明顯。

圖1 不同施炭量對(duì)土壤pH值的影響

3.2 施用生物炭對(duì)土壤容重的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著生物炭施用量的增加，土壤容重在減小(圖2)。處理4、3和2的土壤容重分別比處理1(CK)降低了7.2%、6.6%和3.9%，均顯著低于處理1(CK)；處理3和4間差異不顯著，均顯著低于處理2。

圖2 不同施炭量對(duì)土壤容重的影響

3.3 施用生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

施用生物炭后，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨生物炭施用量的增加而增加(圖3)，處理4比處理1(CK)增加了11.4%，處理3和2比處理1(CK)分別增加了2.8%和0.9%，但各處理間差異不顯著。

圖3 不同施炭量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖4可看出，隨著生物炭施用量的增加，土壤堿解氮含量增加，處理4、3、2分別比處理1(CK)增加了5.5%、1.5%、0.4%，各處理間差異不顯著。隨著生物炭施用量的增加，土壤速效磷的含量也呈增加趨勢(shì)，處理4、3、2分別比處理1(CK)增加了32.6%、20.2%、15.3%，各處理間差異也不顯著。隨著生物炭施用量的增加，土壤速效鉀的含量顯著增大，處理4、3、2分別比處理1(CK)增加了42.0%、37.2%、31.7%，均顯著高于處理1(CK)；處理3與處理2、4間差異不顯著，處理4顯著高于處理2。

圖4 不同施炭量對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

3.4 施用生物炭對(duì)洋蔥產(chǎn)量的影響

從圖5可知，不同量的生物炭施入均可提高洋蔥產(chǎn)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，處理4的洋蔥產(chǎn)量達(dá)92 691.0 kg/hm2，比處理1(CK)增產(chǎn)8.2%，處理2和3較處理1(CK)分別增產(chǎn)2.8%和4.1%，各處理間差異不顯著。

圖5 不同施炭量對(duì)洋蔥產(chǎn)量的影響

3.5 施用生物炭對(duì)土壤重金屬生物有效性的影響

施入不同量的生物炭，對(duì)土壤0～20 cm耕層重金屬生物有效性影響明顯，重金屬生物有效性總體隨生物炭施入量的增加而呈下降趨勢(shì)(圖6、7)。試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤中有效鉛的含量隨生物炭施入量的增加而遞減，處理4、3和2分別比處理1(CK)減少42.4%、28.6%和21.4%，均顯著低于處理1(CK)，處理2、3、4間差異不顯著；土壤中有效鋅的含量隨生物炭施入量的增加而遞減，處理4、3和2分別比處理1(CK)減少22.9%、22.7%和21.1%，均顯著低于處理1(CK)，處理2、3、4間差異不顯著；土壤中有效銅的含量隨生物炭施入量的增加而遞減，處理4、3和2分別比處理1(CK)減少19.9%、16.0%和7.8%，處理4與處理2、3間差異不顯著，與處理1(CK)差異顯著，處理2、3與處理1(CK)間差異不顯著；土壤中有效鎘的含量隨生物炭施入量的增加而遞減，處理4、3和2分別比處理1(CK)減少41.9%、12.9%和9.7%，處理4與處理2、3間差異不顯著，與處理1(CK)間差異顯著，處理2、3與處理1(CK)間差異不顯著。

圖6 不同施炭量對(duì)土壤重金屬生物有效性的影響

圖7 不同施炭量對(duì)土壤重金屬鎘生物有效性的影響

4 討 論

4.1 施用生物炭對(duì)土壤容重和pH值的影響

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。侯建偉等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究也得出，添加生物炭降低了土壤容重，使土壤pH值明顯增大。

4.2 施用生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分的影響

玉米秸稈生物炭的加入，提高了灌漠土中有機(jī)質(zhì)的含量，其提升幅度隨施用量的增加而增大。生物炭的含碳量高、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠穩(wěn)定地保存在土壤中，有利于土壤中有機(jī)碳的積累[3]。

施用生物炭后，土壤堿解氮含量均比對(duì)照有所提高，施用15 000 kg/hm2時(shí)，堿解氮含量比對(duì)照提高了5.5%。侯艷艷等[9]研究表明，添加棉稈炭對(duì)全量養(yǎng)分影響不明顯，但提高了灰漠土堿解氮的含量。

隨著生物炭施用量的增加，本試驗(yàn)土壤速效磷的含量提高了15.3%～32.6%，但均未達(dá)到顯著差異。蘇倩等[10]通過(guò)兩年溫室盆栽試驗(yàn)表明，添加生物炭可顯著提高土壤磷素含量及有效性。

隨著生物炭施用量的增加，本試驗(yàn)土壤速效鉀的含量提升了31.7%～42.0%，達(dá)到顯著差異水平。生物炭本身包含大量的可提取性鉀，施入土壤后增加了鉀的輸入，可能有助于速效鉀含量的提高[11]。

4.3 施用生物炭對(duì)洋蔥產(chǎn)量的影響

施用生物炭改善了土壤理化性質(zhì)，提高了土壤肥力，進(jìn)而促進(jìn)了植物生長(zhǎng)發(fā)育并提高了其產(chǎn)量。常規(guī)施肥配施適量的生物炭對(duì)洋蔥具有增產(chǎn)作用，施用15 000 kg/hm2時(shí)比對(duì)照增產(chǎn)8.2%。

4.4 生物炭施用量對(duì)土壤重金屬生物有效性的影響

隨生物炭施用量的增加，土壤重金屬生物有效性呈下降趨勢(shì)。生物炭在改善土壤肥力質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)降低耕作土壤重金屬生物有效性，限制重金屬在作物可食用部位的積累同樣具有重要潛力[12]。當(dāng)pH值繼續(xù)升高(>7)時(shí)，重金屬離子與土壤溶液中的OH-等形成金屬氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽沉淀，使土壤溶液中可移動(dòng)的重金屬離子濃度下降，從而達(dá)到鈍化土壤重金屬和改變土壤重金屬離子移動(dòng)性的效果，降低了土壤重金屬的生物有效性[13]。

5 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，在河西走廊堿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機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷的含量，顯著增加速效鉀的含量。施用生物炭提高了土壤養(yǎng)分的有效性，洋蔥增產(chǎn)效果明顯。同時(shí)，施用生物炭降低了土壤中重金屬鉛、隔、鋅、銅的生物有效性。

因此，玉米秸稈炭化還田，有利于土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的提高，在秸稈資源化利用的同時(shí)減少了秸稈對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的面源污染，可促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。