楊玲 ， 張富倉(cāng)*， 孫鑫 ， 張少輝 ， 王海東 ，ABDELGHANY Ahmed Elsayed 陳占飛， 方玉川

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100；2.陜西省榆林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 陜西 榆林 719000）

隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的實(shí)施，作為主要糧食作物之一，馬鈴薯在保障糧食安全方面做出了重大貢獻(xiàn)[1]。位于陜西北部的榆林市，光照充足，氣候溫涼[2]，同時(shí)又具有適合馬鈴薯生長(zhǎng)的土質(zhì)，馬鈴薯常年種植面積達(dá)20萬(wàn)hm2，是陜西省馬鈴薯種植第一大市[3]。馬鈴薯對(duì)水肥比較敏感，干旱少雨及土壤沙化是影響該地區(qū)馬鈴薯生長(zhǎng)的主要因素，采用合理的水肥處理方式對(duì)節(jié)約水資源、減少化肥施用量、提高馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)以及保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

作為一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)，滴灌可以直接向根區(qū)提供水分和肥料，充分利用水肥資源，增產(chǎn)效果明顯[4]，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)緩解農(nóng)業(yè)中面臨的水資源短缺的壓力。在榆林市馬鈴薯生產(chǎn)中，采用滴灌施肥方式所需的灌水量?jī)H為常規(guī)溝灌的44.83%，節(jié)水效果顯著，所以滴灌施肥技術(shù)在該地區(qū)被廣泛應(yīng)用[5]。目前在滴灌施肥技術(shù)提高馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)等方面已開(kāi)展了大量的研究，主要有不同灌水量[6]、灌水頻率[7]、施肥方式及施肥量[8]、氮磷鉀施肥比例[9]以及水肥耦合對(duì)水分利用效率、肥料利用效率、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[10-11]等。但是，位于毛烏素沙地區(qū)域的榆林，土壤沙化、缺少粉粒和黏粒、土壤顆粒之間互不連接，容易出現(xiàn)漏水漏肥，導(dǎo)致地下水位下降明顯、銨態(tài)氮與硝態(tài)氮超標(biāo)[12]等問(wèn)題，而且長(zhǎng)期的過(guò)量施肥，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞[13]，土壤表現(xiàn)出較差的物理特性以及較低的保水保肥能力，限制了該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。因此，在滴灌施肥條件下改善該地區(qū)沙土土壤的理化特性、提高沙土保水保肥能力對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

生物炭是在部分缺氧或者完全缺氧的條件下，將農(nóng)作物秸稈、禽畜糞便等有機(jī)質(zhì)在高溫條件下裂解產(chǎn)生的，具有容重小、比表面積大、吸附能力和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)[14]。已有大量的研究表明生物炭能改善土壤理化性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量[15-16]，例如生物炭施入土壤，能夠降低土壤容重，提高土壤孔隙度[17]；生物炭中含有大量的碳，施入土壤可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[18]；生物炭施入土壤能顯著提高土壤含水量，增加土壤儲(chǔ)水量，提高水分利用效率[19-21]，但過(guò)量的生物炭施入反而會(huì)降低土壤持水率，從而減小土壤含水量[22]。研究表明，生物炭施入沙土中能夠提高沙土地保水保肥效率，從而提高作物產(chǎn)量[23-25]。但是生物炭對(duì)土壤特性及作物產(chǎn)量的影響受到土壤類型、作物種類以及生物炭用量等因素的影響，所以本研究在滴灌施肥的基礎(chǔ)上，引入改良劑生物炭，通過(guò)研究不同的生物炭施用量和滴灌量對(duì)榆林沙土土壤理化特性及馬鈴薯生長(zhǎng)的影響，探究滴灌施肥條件下生物炭在榆林沙土地節(jié)水保肥增產(chǎn)方面的應(yīng)用效果，提出適宜榆林沙土地的水炭組合。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年5月初到9月底在陜西省榆林市西北農(nóng)林科技大學(xué)馬鈴薯試驗(yàn)站進(jìn)行。該區(qū)屬干旱半干旱大陸季風(fēng)氣候，年均降水量371 mm，蒸發(fā)量1 900 mm，降雨主要集中在6—8月，無(wú)霜期約150 d，馬鈴薯整個(gè)生育期日平均溫度20 ℃，生育期總降水量234.90 mm。供試土壤為砂壤土，耕層（0—40 cm）土壤容重1.62 g·cm-3，pH 8.1，有機(jī)質(zhì)含量 4.31 g·kg-1，硝態(tài)氮含量11.35 mg·kg-1，氨態(tài)氮含量6.35 mg·kg-1，有效磷 10.80 mg·kg-1，速效鉀含量107 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)材料

供試馬鈴薯品種為‘青薯9號(hào)’，生物炭從天津博爾邁環(huán)?？萍加邢薰举?gòu)買，生物炭的pH為5~7，比表面積大于80 m2·g-1，有機(jī)質(zhì)764.31 g·kg-1，速效鉀625.49 mg·kg-1，生物炭在作物種植前經(jīng)人工翻耕充分混勻至0—20 cm耕層土壤中。試驗(yàn)所用的氮（N）、磷（P）、鉀（K）肥分別為尿素（N 46%）、磷酸二銨（N 18%、P2O546%）、硝酸鉀（K2O 46%，N 13.5%），每個(gè)處理施肥量相同，每hm2均為N∶P2O5∶K2O=150∶60∶225 kg，塊莖形成階段的肥料施用量為全生育期的20%，塊莖膨大階段的肥料施用量為全生育期的55%，淀粉積累階段的肥料施用量為25%[26]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置滴灌量和生物炭施用量2個(gè)因素，滴灌量依據(jù)馬鈴薯蒸發(fā)蒸騰量（evapotranspiration，ETc）設(shè)置 2 個(gè)水平:80%ETc(W1)和 100%ETc(W2)，生物炭施用量設(shè)置5個(gè)水平：0 (B0)、10 (B10)、20 (B20)、30 (B30)和 50 t·hm-2(B50)，共10個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。小區(qū)長(zhǎng)12 m，寬3.6 m，面積43.2 m2。試驗(yàn)采用機(jī)器起壟種植的方式，壟距0.9 m，株距25 cm，播種深度8~10 cm。為了避免不同處理間的相互影響，相鄰處理之間和試驗(yàn)地兩端均設(shè)置保護(hù)行。

2020年5月15日播種，9月23日收獲。馬鈴薯的灌溉采用壟上滴灌方式，在每行馬鈴薯壟上布設(shè)一條16 mm的薄壁迷宮式滴灌帶，滴頭流量2 L·h-1，滴頭間距30 cm，每個(gè)小區(qū)的灌水量由獨(dú)立配備的水表和閥門控制，滴灌施肥系統(tǒng)由水泵、施肥灌（容積15 L）和輸配水管道組成。馬鈴薯全生育期內(nèi)共灌水12次，施肥8次，灌水施肥周期為8 d，全生育期W1和W2的灌水總量分別為256.20 mm和304.00 mm。2020年馬鈴薯生育期內(nèi)參考作物蒸發(fā)蒸騰量、平均氣溫、有效降雨量、灌水時(shí)期和灌水累積量如圖1所示。馬鈴薯蒸發(fā)蒸騰量（ETc）的計(jì)算公式[27]如下。

式中，ETo為參考作物需水量；Kc為馬鈴薯作物系數(shù)。其中，苗期取0.5，塊莖形成期取0.8，塊莖增大期取1.2，淀粉積累期取0.95，成熟期取0.75。

滴灌施肥采用容量壓差式施肥方式，儲(chǔ)存肥料的容器為15 L的小型施肥罐，每個(gè)施肥罐控制1個(gè)處理，并采用肥料利用效率高的1/4—1/2—1/4模式，即前1/4時(shí)間灌清水，中間1/2時(shí)間打開(kāi)施肥罐施肥，后1/4時(shí)間再灌清水沖洗。每次灌水時(shí)的肥料施用比例如圖1所示。

圖1 馬鈴薯生育期內(nèi)參考作物需水量、平均氣溫、有效降雨量、實(shí)際灌水量和施肥比例Fig. 1 Reference crop evapotranspiration， air temperature， effective rainfall， actual irrigation amount and fertilizer application rate during tomato growth stage

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤容重和土壤孔隙度的測(cè)定 用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，收獲期測(cè)定每個(gè)小區(qū)0—10、10—20、20—30 、30—40 cm土層土壤容重，土壤孔隙度的計(jì)算公式如下。

其中，BDm為土壤容重(g·cm-3)，BDp為土壤顆粒密度，取2.65 g·cm-3。

1.4.2 土壤有機(jī)碳的測(cè)定 馬鈴薯生育期內(nèi)，在每個(gè)小區(qū)取0—20 cm土樣，自然風(fēng)干后采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳的含量。

1.4.3 土壤含水量、速效鉀、硝態(tài)氮含量測(cè)定 馬鈴薯生育期內(nèi)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)用土鉆取土，水平方向在距滴灌帶0、15、30、45 cm這4個(gè)位置取樣，土壤剖面范圍在 0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm取土樣，所取土樣一部分采用烘干法測(cè)定土壤含水量，另一部分土樣自然風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)篩，用1 mol·L-1的中性NH4OAc溶液（干土5 g，土液比1∶10）浸提，震蕩30 min后過(guò)濾得上清液，然后用原子吸收分光光度計(jì)（Hitachi Z-2000,Tokyo, 日本）測(cè)定土壤中速效鉀的含量，用2 mol·L-1的 KCl溶液浸提（干土 5 g，土液比1∶10），通過(guò)流動(dòng)分析儀（Auto Analyzer-Ⅲ，德國(guó)Bran+ Luebbe公司）測(cè)定土壤中硝態(tài)氮(NO-3-N)的含量。

1.4.4 馬鈴薯各生育期干物質(zhì)累積量的測(cè)定 在馬鈴薯播種后50、75、90、105、120、135 d取樣，每個(gè)處理取3株，去除表面污垢后分別將根、莖、葉、塊莖（苗期沒(méi)有）分離，放置在烘箱105 ℃下殺青30 min，然后75 ℃烘干至恒重，用天平稱其質(zhì)量并計(jì)算單株干物質(zhì)累積量。

1.4.5 馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的測(cè)定 收獲時(shí)，每個(gè)處理隨機(jī)選取2壟，平行取2 m的距離，挖取所有馬鈴薯，稱重測(cè)其產(chǎn)量，每個(gè)小區(qū)重復(fù)3次。最后一次取樣時(shí)，分別稱取3株植株的每個(gè)馬鈴薯鮮重，計(jì)算商品薯重（單個(gè)塊莖大于75 g）、大薯重（單個(gè)塊莖大于150 g)及單株馬鈴薯重。

1.4.6 相關(guān)參數(shù)計(jì)算 水分利用效率(water use efficiency,WUE)的計(jì)算公式如下。

式中，Y為馬鈴薯產(chǎn)量（kg·hm-2），ET為馬鈴薯全生育期耗水量（mm）。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理與分析；利用SPSS 22.0軟件中的AVNOVA進(jìn)行方差分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性方差分析；利用Origin 8.0軟件進(jìn)行圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用量和滴灌量對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

從圖2可以看出，生物炭施用量對(duì)0—20 cm土層土壤容重和孔隙度有顯著影響(P＜0.05)，滴灌量對(duì)0—20 cm土層土壤容重和孔隙度總體無(wú)顯著影響，但對(duì)10—20 cm土層B0處理的土壤容重和孔隙度以及B30處理的土壤孔隙度影響顯著，而滴灌量和生物炭施用量對(duì)20—40 cm土層土壤容重和孔隙度均無(wú)顯著影響。隨著施炭量的增加，0—20 cm土層土壤容重呈下降趨勢(shì)，土壤孔隙度呈增加趨勢(shì)。W1時(shí)，生物炭B10、B20、B30、B50處理土壤容重比B0 (CK)降低3.47%~9.73%；W2時(shí)，生物炭B10、B20、B30、B50處理土壤容重比B0 (CK)降低1.84%~9.23%，相應(yīng)的土壤孔隙度比B0 增加3.52%~10.46%和2.33%~10.61%。0—20 cm土層平均土壤容重和孔隙度W1處理時(shí)分別為 1.38 g·cm-3和 47.59%，W2處理時(shí)分別為1.33 g·cm-3和49.41%，所以增加滴灌量有使容重降低、孔隙度增大的趨勢(shì)。

圖2 不同處理下土壤容重和孔隙度Fig. 2 Soil bulk density and porosity under different treatments

2.2 生物炭施用量和滴灌量對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

從圖3可以看出，在馬鈴薯不同生育期內(nèi)，生物炭施用量對(duì)0—20 cm土層土壤有機(jī)碳均有顯著影響(P＜0.05)，而滴灌量對(duì)土壤有機(jī)碳無(wú)顯著影響。滴灌量相同時(shí)，隨著生物炭施用量增加，0—20 cm土層土壤有機(jī)碳呈增加的趨勢(shì)，并隨施炭量的增大，增幅效果越明顯。隨著馬鈴薯生育期的推進(jìn)，各處理的0—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量逐漸減小，并且在同一時(shí)期，各處理之間土壤有機(jī)碳含量的差值逐漸減小，但仍表現(xiàn)為B50處理的土壤有機(jī)碳含量高于其他處理。其中，在成熟期B50處理的土壤有機(jī)碳含量平均比B0、B10、B20、B30處理高91.03%~14.36%。

圖3 不同時(shí)期不同處理下0—20 cm土層土壤有機(jī)碳Fig. 3 Soil organic carbon in 0—20 cm soil layer at different periods under different treatments

2.3 生物炭施用量和滴灌量對(duì)土壤速效鉀殘留的影響

從圖4可以看出，生物炭施用量對(duì)0—20 cm土層土壤速效鉀含量有顯著影響(P＜0.05)；滴灌量對(duì)0—20 cm土層土壤速效鉀含量總體無(wú)顯著影響，僅對(duì)距滴灌帶30 cm處的B0和B10處理影響顯著。滴灌量相同時(shí)，0—20 cm土層土壤速效鉀含量與生物炭施用量成正比，并在同一土層深度上，各處理土壤速效鉀含量在水平方向有向遠(yuǎn)離滴灌帶先減小后不變的趨勢(shì)，而生物炭施用量和滴灌量對(duì)土壤20—100 cm土層土壤速效鉀含量均無(wú)顯著影響。通過(guò)計(jì)算水平方向各處理0—20 cm土層土壤速效鉀含量可知，B0處理時(shí)，距滴灌帶0和15 cm處的平均速效鉀含量比30和45 cm處高49.75 mg·kg-1，而在B10、B20、B30、B50處理下，距滴灌帶0和15 cm處的平均速效鉀含量分別比 30和 45 cm 處 高 55.53、70.63、143.38、93.00 mg·kg-1。相同生物炭施用量條件下，W2處理下0—60 cm土層土壤速效鉀含量大于W1，并隨灌水量的增大，土壤速效鉀有向土壤深層移動(dòng)的趨勢(shì)，說(shuō)明灌水量的增大不僅改變了土壤鉀素的固定釋放和土壤K+的擴(kuò)散，而且使得土壤速效鉀隨著水分向深層垂直運(yùn)動(dòng)。

圖4 不同處理下土壤速效鉀含量Fig. 4 Soil available potassium content under different treatments

2.4 生物炭施用量和滴灌量對(duì)土壤硝態(tài)氮?dú)埩舻挠绊?/h3>

從圖5可以看出，生物炭施用量對(duì)0—20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量有顯著影響(P＜0.05)；滴灌量對(duì)土壤硝態(tài)氮含量總體無(wú)顯著影響，僅對(duì)距滴灌帶45 cm處的B0處理影響顯著。滴灌量相同時(shí)，0—20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量隨著生物炭施用量的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在施炭量為30 t·hm-2處，并在同一土層深度上，各處理土壤硝態(tài)氮含量在水平方向有向遠(yuǎn)離滴灌帶先減小后不變的趨勢(shì)，而生物炭施用量和滴灌量對(duì)20—100 cm土層土壤硝態(tài)氮含量均無(wú)顯著影響。當(dāng)生物炭施用量相同時(shí)，增大滴灌量，土壤硝態(tài)氮有隨著水分向深層垂直移動(dòng)的趨勢(shì)。通過(guò)計(jì)算水平方向各處理0—20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量可知，B0處理時(shí)，距滴灌帶0和15 cm處的平均硝態(tài)氮含量比 30和 45 cm處高 1.55 mg·kg-1，而 B10、B20、B30、B50處理下，距滴灌帶0和15 cm處的平均硝態(tài)氮含量分別比30和45 cm處高1.07、2.16、2.60、1.73 mg·kg-1，說(shuō)明適量的生物炭施入土壤后，可以減少土壤硝態(tài)氮的損失而使土壤硝態(tài)氮含量增加。

圖5 不同處理下土壤硝態(tài)氮?dú)埩鬎ig. 5 Soil NO-3-N content under different treatments

2.5 生物炭施用量和滴灌量對(duì)土壤水分的影響

從圖6可以看出，不同處理的0—20 cm土層土壤體積含水量均有差異。生物炭施用量相同時(shí)，0—20、20—40 cm土層土壤體積含水量隨著滴灌量的增大而增大，且20—40 cm土層土壤體積含水量大于0—20 cm土層，可能是由于表層土壤水分蒸發(fā)導(dǎo)致。滴灌量相同時(shí)，0—20 cm土層土壤體積含水量隨著生物炭施用量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，各生育階段均在B10處達(dá)到最大值（其中，成熟期B10處理的0—20 cm土層土壤體積含水量平均比其他生物炭處理高8.47%~25.30%），20—40 cm土層土壤體積含水量變化不大，說(shuō)明少量的生物炭施入沙土中，可以增加土壤含水量，起到保持土壤水分的作用，但過(guò)量的生物炭施用可能會(huì)使得土壤通氣孔隙過(guò)大，土壤蒸發(fā)量變大，土壤含水量降低，保水效果減弱甚至消失。

圖6 不同處理下土壤含水量Fig. 6 Soil water content under different treatments

2.6 生物炭施用量和滴灌量對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)累積量的影響

從圖7可以看出，生物炭施用量?jī)H對(duì)生長(zhǎng)后期馬鈴薯干物質(zhì)累積量具有顯著影響(P＜0.05)，滴灌量對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)累積量無(wú)顯著影響。整體來(lái)看，滴灌量和生物炭施用并未改變馬鈴薯的生育進(jìn)程，各處理的馬鈴薯干物質(zhì)量累積規(guī)律相似，在播后50、75、90、105、120、135 d里，馬鈴薯植株干物質(zhì)累積量呈慢-快-慢的“S”型增長(zhǎng)趨勢(shì)。馬鈴薯播種后的105 d之前，滴灌量和生物炭施用量對(duì)干物質(zhì)累積量沒(méi)有顯著影響(P＞0.05)，但從105 d之后到收獲期，生物炭施用量對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)累積量具有顯著影響(P＜0.05)，馬鈴薯干物質(zhì)累積量隨著生物炭施用量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)。播后120 d時(shí)，B10、B20、B30、B50處理平均馬鈴薯干物質(zhì)累積量分別比B0處理高12.73%、26.41%、22.15%和5.87%；播后135d時(shí)，B10、B20、B30、B50處理平均馬鈴薯干物質(zhì)累積量分別比B0處理高13.25%、24.63%、27.39%和3.51%。W1和W2處理對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)累積量無(wú)顯著性影響，生物炭由于對(duì)作物生長(zhǎng)的影響存在時(shí)間效應(yīng)而僅對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)后期干物質(zhì)累積量具有顯著影響。

圖7 不同處理下馬鈴薯干物質(zhì)累積量Fig. 7 Tomato dry matter accumulation amount under different treatments

2.7 生物炭施用量和滴灌量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

從表1可以看出，生物炭施用量對(duì)馬鈴薯塊莖產(chǎn)量、單株產(chǎn)量及水分利用效率均有極顯著影響(P＜0.01)，滴灌量對(duì)馬鈴薯單株產(chǎn)量和商品薯重均有顯著影響(P＜0.05)，而對(duì)大薯重有極顯著影響(P＜0.01)。馬鈴薯塊莖產(chǎn)量、單株產(chǎn)量、商品薯重及大薯重隨著生物炭施用量的增加先增大后減小，隨著滴灌量的增大而增大（B20處理除外）。滴灌量相同時(shí)，馬鈴薯塊莖產(chǎn)量、單株產(chǎn)量、商品薯重和大薯重的最大值均在B20和B30處理，B20處理馬鈴薯單株產(chǎn)量、塊莖產(chǎn)量、商品薯重、大薯重分別比其他（B0，B10，B50）處理高 11.46%~28.23%、15.64%~30.43%、6.74%~32.12% 和2.85%~8.74%，B30處理馬鈴薯單株產(chǎn)量、塊莖產(chǎn)量、商品薯重、大薯重分別比其他（B0，B10，B50）處理高11.41%~28.74%、19.28%~35.16%、6.54%~31.32%和1.84%~6.42%，說(shuō)明適量的生物炭施用有利于馬鈴薯塊莖的形成，但過(guò)量的生物炭施用會(huì)抑制馬鈴薯塊莖的生長(zhǎng)。生物炭施用量相同時(shí)，W2處理的塊莖產(chǎn)量、單株產(chǎn)量、商品薯和大薯重平均比W1高4.17%、7.72%、7.36%和5.84%，說(shuō)明馬鈴薯對(duì)水分變化比較敏感。

表1 不同處理下馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率Table 1 Tuber yield and water use efficiency under different treatments

水分利用效率隨著滴灌量的增加而減小，隨著生物炭施用量的增加先增加后減小。W1處理的平均水分利用效率比W2高4.72%，水分利用效率最大值出現(xiàn)在B20處理，分別平均比B0、B10、B30、B50處理高32.64%、19.73%、1.85%和21.57%。綜合來(lái)看，W1B20處理的水分利用效率最高，達(dá)到了12.49 kg·m-3，所以，適量生物炭施用量和滴灌量有利于馬鈴薯水分利用效率的提高。

3 討論

3.1 生物炭施用顯著改善土壤理化性質(zhì)

生物炭由于容重小、孔隙度大、比表面積大、本身具有很強(qiáng)的吸附能力等特點(diǎn)，施入后能夠改變土壤物理特性。研究表明，生物炭施入后對(duì)土壤容重具有稀釋效應(yīng)[28]，能夠提高土壤微生物活性、降低土壤容重[29]、調(diào)節(jié)土壤通氣狀況以及增加土壤含水量，尤其能夠改善退化或貧瘠土壤的理化性質(zhì)，顯著減小容重，增加孔隙度[30-31]。本研究表明，與B0相比，生物炭處理降低了0—20 cm土層土壤的容重，增大了0—20 cm土層土壤的孔隙度，與前人研究結(jié)果相似。Pu等[24]通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可以顯著提高沙土土壤持水能力和土壤有效水，但過(guò)量的添加會(huì)提高土壤的垂直入滲速率，建議使用生物炭添加比例為4%所對(duì)應(yīng)的生物炭量來(lái)改良沙土。Kangoma[25]等的研究表明，添加生物炭對(duì)滴灌條件下水分運(yùn)動(dòng)的影響是明顯的，有利于利用滴灌改善沙土的水分狀況，提高水分利用效率。本研究中，0—20 cm土層土壤含水量隨著生物炭施用量的增加先增大后減小，生物炭施用量為10、20 t·hm-2時(shí)土壤含水量明顯高于對(duì)照組。而董飛等[19]的研究表明，土壤水分充足的條件下生物炭施用量推薦60 t·hm-2，干旱條件下推薦20~40 t·hm-2，說(shuō)明不同的土壤條件下提高土壤含水量的適宜生物炭量不同，過(guò)多或過(guò)少的生物炭施用均不利于土壤水分的改善。

由于生物炭本身含碳量高，并含有氮、磷、鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分[32]，施入土壤后能夠提高土壤養(yǎng)分及生產(chǎn)力。此外，生物炭具有高吸附性和化學(xué)反應(yīng)性，能夠延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放，增加對(duì)養(yǎng)分的交換吸附，降低肥料養(yǎng)分的淋失，提高肥料養(yǎng)分利用率，所以生物炭的施入對(duì)土壤養(yǎng)分的提高也具有一定的影響。Jin等[33]為期5年的田間試驗(yàn)表明，生物炭可以顯著增加土壤有機(jī)碳。本試驗(yàn)表明，土壤有機(jī)碳隨著生物炭施用量的增加而增加，且隨著生育期的推進(jìn)，各處理的土壤有機(jī)碳含量降低，這與Hu等[34]的研究結(jié)果相似，生物炭處理的土壤有機(jī)碳含量隨著作物生長(zhǎng)有先降低后不變的趨勢(shì)。馬鈴薯作為喜鉀作物對(duì)鉀素有很高的需求量，在同一塊地連作使得土壤中鉀素被大量消耗，導(dǎo)致肥料比例失調(diào)、馬鈴薯減產(chǎn)，而生物炭具有長(zhǎng)期效應(yīng)，高含鉀量的生物炭可以用來(lái)補(bǔ)充土壤中消耗的鉀肥[35]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤速效鉀含量隨著生物炭施用量的增加而增加，并且通過(guò)計(jì)算各處理0—20 cm土層土壤速效鉀含量可知，B10、B20、B30、B50處理在距滴灌帶0和15 cm處的平均速效鉀含量與30和45 cm處的差值均大于B0處理，說(shuō)明生物炭施入后土壤速效鉀含量的增加，不僅是由于生物炭自身含有鉀素，還可能由于生物炭施入加深了土壤顏色，土壤溫度升高，增加了土壤中鉀離子活度和鉀素?cái)U(kuò)散系數(shù)，提高了土壤的供鉀能力[36]；同時(shí)改變了土壤環(huán)境和性質(zhì)，影響了根系的生長(zhǎng)活動(dòng)，從而改變了根系對(duì)鉀素的吸收。硝態(tài)氮是旱地作物最容易吸收的，研究表明土壤中施入生物炭，可以去除或吸附土壤中某些影響硝化或反硝化作用的抑制劑，提高土壤氧氣量，從而抑制微生物反硝化作用，降低氮素?fù)p失，提高土壤中硝態(tài)氮含量[37]。肖茜等[38]的研究表明，適量添加生物炭有利于固持土壤中的氮素，減少土壤硝態(tài)氮淋溶量。本研究中，隨著生物炭施用量的增加，土壤硝態(tài)氮呈先增大后減小的趨勢(shì)，在施炭量為30 t·hm-2處出現(xiàn)最大值，與魏永霞等[20]的研究結(jié)果類似，表明一定量的生物炭施入，對(duì)增加土壤肥力、減少氮素?fù)p失有明顯的促進(jìn)作用。

3.2 生物炭施用促進(jìn)馬鈴薯的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高

生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響主要是由于生物炭的施用改變了土壤的理化特性，提高了土壤養(yǎng)分，而與其他糧食作物不同，馬鈴薯等塊莖作物的果實(shí)直接與土壤生物炭接觸，可能更有利于此類作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。付春娜等[39]的研究表明，在受到干旱脅迫時(shí)，生物炭施用可以提高馬鈴薯干物質(zhì)累積，促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)。而本研究表明，干物質(zhì)累積量?jī)H在馬鈴薯生長(zhǎng)后期隨著生物炭施用量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，這與李正鵬等[40]的研究結(jié)果類似，生物炭?jī)H在馬鈴薯生長(zhǎng)的淀粉積累后期和成熟期對(duì)干物質(zhì)累積的影響顯著。張偉明等[41]在連作砂質(zhì)土壤中施入玉米芯生物炭的研究表明，生物炭明顯增加了馬鈴薯產(chǎn)量。王賀東等[42]的研究表明，以20 t·hm-2標(biāo)準(zhǔn)施用水稻秸稈生物炭可顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量，且當(dāng)施用量增加至40 t·hm-2時(shí)，馬鈴薯增產(chǎn)效果消失。本研究結(jié)果表明，生物炭施用量為20和30 t·hm-2顯著增加了馬鈴薯產(chǎn)量，50 t·hm-2施用量時(shí)馬鈴薯產(chǎn)量有降低的趨勢(shì)。水分利用效率也隨著生物炭施用量的增加呈先增后減的趨勢(shì)，與前人的研究結(jié)果一致[43]。綜合來(lái)看，雖然過(guò)多的生物炭施用降低了土壤容重，改變了土壤緊實(shí)度，提高了土壤有機(jī)碳和速效鉀含量，卻降低了土壤硝態(tài)氮含量、土壤含水量，提高了土壤的碳氮比，使某些元素的生物有效性降低，導(dǎo)致微生物與植物爭(zhēng)氮，植株對(duì)氮素的需求得不到滿足，進(jìn)而影響了塊莖的形成，不利于馬鈴薯生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高，所以只有適量的生物炭施入才可以提高土壤綜合肥力，提高作物產(chǎn)量。

3.3 滴灌量對(duì)土壤特性及馬鈴薯生長(zhǎng)、產(chǎn)量的促進(jìn)作用

對(duì)于滴灌量對(duì)土壤物理特性、馬鈴薯干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，本研究表明，增加滴灌量有使土壤容重降低、孔隙度增大的趨勢(shì)，與Jin等[44]的研究結(jié)果相似。王海東[8]的研究表明，各土層土壤含水量隨著灌水量的增加而增加，本研究的結(jié)果相似，研究表明0—20和20—40 cm土層土壤體積含水量都隨著滴灌量的增大而增大。同時(shí)也有大量的研究表明，不同的灌水量對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)累積、分配及不同的塊莖產(chǎn)量有顯著性影響[7-11]，而在本研究中，W1和W2處理對(duì)干物質(zhì)累積有影響但不顯著，而馬鈴薯產(chǎn)量隨著滴灌量的增大而增大。肖石江等[45]的研究表明，馬鈴薯水分利用效率隨著灌水量的增加先增加后減小，與本研究結(jié)果類似，表明馬鈴薯水分利用效率最大值出現(xiàn)在W1處理，說(shuō)明隨著滴灌量的增加，水分利用效率呈下降的趨勢(shì)。