連彩云 馬忠明 唐文雪 薛亮 王智琦 羅雙龍

摘要：油頁巖半焦含有豐富的有機質(zhì)和無機營養(yǎng)物質(zhì)，是復(fù)混肥理想的添加物料。為了提升油頁巖半焦生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用價值，以玉米為指示作物，玉米品種先玉335為指示品種，設(shè)施油頁巖半焦生物炭20、40、60、80 t/hm2，不施肥和僅施氮、磷肥（優(yōu)化施肥）6個處理，采用隨機區(qū)組設(shè)計，研究了不同油頁巖半焦生物炭施用量對玉米產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分狀況的影響。結(jié)果表明，施用油頁巖半焦生物炭后土壤性狀發(fā)生顯著變化，與播前相比，土壤容重下降了2.21%～8.82%，土壤孔隙度增加了-11.05%～4.08%，毛管孔隙度增加了-6.70%～3.74%，土壤pH下降了4.73%～7.84%。土壤儲水量較對照不施肥處理增加了18.85%～30.57%。與優(yōu)化施肥相比，土壤全氮增加了6.25%～20.83%，土壤全磷增加了0～25.51%，土壤全鉀增加了0.92%～2.63%，土壤有機質(zhì)增加了24.29%～88.26%，土壤堿解氮增加了-7.40%～14.21%，土壤速效磷增加了-30.27～80.37%，土壤速效鉀增加了-12.87%～115.07%。在油頁巖半焦生物炭投入量為60 t/hm2時，玉米產(chǎn)量最高，達17 681.4 kg/hm2，較對照不施肥處理增產(chǎn)20.10%。綜合分析，施不同用量油頁巖半焦生物炭均能明顯改善土壤物理化學(xué)性狀，顯著提升土壤肥力，促進作物生長，進而提高作物產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：油頁巖半焦生物炭；玉米；產(chǎn)量；土壤理化性狀

中圖分類號：S513? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2097-2172（2023）12-1140-06

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.12.010

Effect of Oil Shale Semi-coke on Corn Yield and Soil Physical and

Chemical Properties

LIAN Caiyun 1， MA Zhongming 2， TANG Wenxue 1， XUE Liang 1， WANG Zhiqi 1， LUO Shuanglong 1

（1. Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： In order to further enhance the application value of oil shale semi-coke mineral biochar in agricultural production， the effects of oil shale semi-coke application on corn yield and soil nutrient status were studied with the indicator maize variety Xianyu 335. 6 treatments including 4 oil shale semi-coke biochar rates（20， 40， 60， 80 t/ha， respectively）， no fertilizer and N and P fertilizer only（optimized fertilization） were applied according to a randomized block design. The results showed that after applying oil shale semi-coke， the soil properties could be significantly changed， the soil bulk density was decreased by 2.21% to 8.82%， and soil porosity was increased by -11.05% to 4.08%， the capillary porosity was increased by -6.70% to 3.74%， the soil pH value was decreased by 4.73% to 7.84%. Soil water storage was increased by 18.85% to 30.57%. Contents of soil total nitrogen， soil total phosphorus， soil total potassium， soil organic matter， soil alkali-hydrolyzed nitrogen， soil available P， soil available K were increased by 6.25%to 20.83%， 0 to 25.51%， 0.92% to 2.63%， 24.29% to 88.26%， -7.40% to 14.21%， -30.27 to 80.37% and -12.87% to 115.07%， respectively， compared with the optimized fertilization. When the semi-coke input of oil shale was 60 t/ha， the corn yield， 17 681.4 kg/ha， was highest which was 20.10% higher than that of no fertilization. Comprehensive analysis showed that different rates of oil shale semi-coke biocharall had certain effects on corn growth and yield， and soil physicochemical properties which could significantly increase the soil fertility.

Key words： Oil Shale semi-coke biochar; Corn; Yield; Soil physical and chemical property

收稿日期：2023 - 05 - 23

基金項目：甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院重點研發(fā)計劃項目（2022GAAS14、2023GAAS17）。

作者簡介：連彩云（1977 — ），女，甘肅民勤人，副研究員，主要從事作物節(jié)水高產(chǎn)栽培理論與技術(shù)研究工作。Email：liancy1998@sina.com。

通信作者：馬忠明（1963 — ），男，甘肅民勤人，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水高產(chǎn)栽培理論與技術(shù)研究工作。Email：mazhming@163.com。

油頁巖是一種由低等生物、水生及陸生植物殘體經(jīng)過腐解和淤泥沉積形成的含有大量有機質(zhì)的沉積物質(zhì)［1 ］。而這種固廢沒有被有效利用，多采用露天堆放的處理方式，既占用了大量土地，又對環(huán)境造成了危害，還制約了油頁巖工業(yè)的發(fā)展。油頁巖廢渣按照不同的利用方式可分為油頁巖灰渣和油頁巖半焦。油頁巖半焦的量占油頁巖處理量的60%～80%［2 ］，含有豐富的有機質(zhì)和無機營養(yǎng)物質(zhì)，是復(fù)混肥理想的添加物料，通過添加這種半焦的復(fù)混肥，可以保水增肥、改善土壤特性、促進作物生長進而提高產(chǎn)量等特點［3 - 5 ］。目前，有關(guān)油頁巖的研究多針對灰渣方面［6 - 10 ］，對油頁巖半焦的研究主要集中于燃燒特性方面［11 - 16 ］，而在農(nóng)業(yè)上的研究較少，并且對其物理、化學(xué)性狀還不了解，尤其是在土壤中的變化、對土壤環(huán)境的影響以及是否對作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)有積極作用尚不清楚。為此，我們通過在玉米田施用油頁巖半焦生物炭研究其對玉米田土壤理化性狀和玉米生長發(fā)育的影響，綜合評定油頁巖半焦生物炭在農(nóng)業(yè)中利用的效果和可行性，以期為油頁巖半焦生物炭進一步提升農(nóng)業(yè)屬性價值提供科學(xué)依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗區(qū)概況

試驗于2020年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖節(jié)水試驗站（100° 26′ E，38° 56′ N）進行。該站海拔1 571 m，光熱資源豐富，屬于典型的西北內(nèi)陸河灌溉區(qū)。降水量120～200 mm，蒸發(fā)量2 048 mm，地下水位100 m以下，年均氣溫7 ℃，年平均日照時數(shù)3 085 h，干旱指數(shù)達10.3，≥0 ℃積溫? ? ? 3 388 ℃，≥10 ℃積溫1 963.4～4 032.3 ℃。試驗區(qū)土壤質(zhì)地為中壤灌溉土，耕層土壤含有機質(zhì)18.03 g/kg、堿解氮54.63 mg/kg、速效磷12.13 mg/kg、速效鉀223.17 mg/kg，0～160 cm土層平均容重1.43 g/cm3，pH 8.46。

1.2? ?供試材料

供試油頁巖半焦生物炭（堿解氮為65.0 mg/kg，速效磷為6.22 mg/kg，速效鉀為253.56 mg/kg，有機質(zhì)為390.8 g/kg，pH 8.74）由窯街煤電集團有限公司生產(chǎn)提供。指示玉米品種為先玉335，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.3? ?試驗設(shè)計

試驗共設(shè)6個處理：BC1，油頁巖半焦生物炭20 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；BC2，油頁巖半焦生物炭40 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；BC3，油頁巖半焦生物炭60 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；BC4，油頁巖半焦生物炭80 t/hm2、N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；OP，不施油頁巖半焦生物炭，施N 225 kg/hm2、P2O5 120 kg/hm2；CK，不施肥。100%油頁巖半焦生物炭、100%磷肥、20%氮肥作為基肥一次性施入，其余的氮肥于拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期分別隨水滴施30%、30%、20%。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次，小區(qū)面積42 m2（7 m×6 m）。采用膜下滴灌水肥一體化灌溉模式，全生育期滴水定額3 600 m3/hm2，滴水8次，分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄后、灌漿期各滴2次，滴水量分別為滴水定額的10%、10%、15%、15%、15%、15%、10%、10%。各處理滴水時間、施肥時間以及氮、磷肥施用量均相同，其他田間管理同大田。

1.4? ?測定項目及方法

1.4.1? ? 土壤容重? ? 土壤容重采用環(huán)刀法取樣測定。于玉米播種前（4月23日）、收獲后（10月3日）測定0～20 cm、20～40 cm土層土壤容重，計算孔隙度，公式如下：

土壤孔隙度=［1-（容重/密度） ］×100%。

毛管孔隙度=［（充滿毛管水的濕土重-同體積土壤干土重）/土壤體積］×100%

1.4.2? ? 土壤養(yǎng)分? ? 玉米收獲后測定0～20 cm土層的土壤pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、水溶性鈣、水溶性鎂、有效鐵、有效鋅、有效硼等土壤理化指標(biāo)［16 ］。

1.4.3? ? 土壤水分? ? 在玉米各生育關(guān)鍵期（拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期、乳熟期、成熟期），采用烘干法測定玉米田0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm土層的土壤含水率，成熟期檢測土壤剖面含水量，并計算土壤不同深度儲水量，公式如下。

式中，Qi為第 i層土壤含水率；γi 為第 i 層土壤容重；hi為第 i 層土壤厚度；n為測土壤含水率時的層序。

1.4.4? ? 玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量指標(biāo)? ? 分別在苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期、成熟期，每小區(qū)隨機抽取10株樣進行地上部植株測定。成熟后每小區(qū)隨機抽取10株考種，小區(qū)單收計產(chǎn)。

1.5? ?數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?油頁巖半焦生物炭對土壤物理性狀的影響

由表1可知，隨著油頁巖半焦生物炭施入量的增加，土壤孔隙度和毛管孔隙度表現(xiàn)為先升后降的趨勢。施入油頁巖半焦生物炭各處理的土壤孔隙度較播前增加-11.05%～4.08%、較CK增加-10.87%～4.28%、較OP增加-10.61%～4.59%，其中處理BC2最高，為53.80%；其次是BC1，為52.90%；處理BC4最低，為45.98%。處理BC1和BC2與處理BC4差異顯著，與其余處理差異不顯著；BC4與BC3處理差異不顯著，與其余處理差異顯著。毛管孔隙度較播前增加-6.70%～3.74%、較CK增加-8.30%～1.97%、較OP增加-8.10%～2.19%，其中處理BC1最高，為47.68%；其次是BC3，為46.50%；處理BC4最低，為42.88%。處理BC1和BC3與處理BC4差異顯著，與其余處理差異不顯著。土壤容重較播前降低2.21%～8.82%、較CK降低0～6.77%、較OP降低1.48%～8.15%，其中處理BC4最高，為1.33 g/cm3；其次是BC3，為1.31 g/cm3；處理BC2最低，為1.24 g/cm3。處理間差異不顯著。說明施入油頁巖半焦生物炭20～40 t/hm2后可增加土壤孔隙度，能夠保持作物對養(yǎng)分的攝取。

2.2? ?油頁巖半焦生物炭對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表2可知，施入不同量的油頁巖半焦生物炭對土壤pH有顯著的影響。隨著油頁巖半焦生物炭施用量的增加，土壤pH呈先降后升的趨勢，施用油頁巖半焦生物炭的4個處理較CK下降了4.73%～7.84%。BC1與BC2差異顯著，與BC3、 BC4差異不顯著。土壤有機質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，不同油頁巖半焦生物炭施用量對土壤有機質(zhì)含量有顯著的影響，隨著油頁巖半焦生物炭施用量的增加，有機質(zhì)含量顯著上升（P < 0.05），土壤有機質(zhì)較CK增加了20.78%～82.95%，較OP增加了24.29%～88.26%。收獲后各處理的土壤全氮、全磷、全鉀含量變化明顯，總體上，施肥處理較CK有一定的增加，且施用油頁巖半焦生物炭后土壤全氮、全磷、全鉀顯著增加。與處理OP相比，土壤全氮增加6.25%～20.83%、全磷增加0～25.51%、全鉀增加0.92%～2.63%。土壤全氮、全磷、全鉀含量變化較為明顯，隨著油頁巖半焦生物炭施用量提高，全氮、全磷最高值均在生物炭用量最高的處理中獲得。隨著油頁巖半焦生物炭的增加，土壤堿解氮、速效磷、速效鉀表現(xiàn)為先升后降再升的趨勢?？傮w而言，施用油頁巖半焦生物炭后，土壤堿解氮含量較處理OP增加-7.40%～14.21%，土壤速效磷增加-30.27～80.37%，土壤速效鉀增加-12.87%～115.07%。

2.3? ?油頁巖半焦生物炭對土壤中微量元素的影響

油頁巖半焦生物炭中含有少量的微量元素，在土壤中施用后也會對土壤微量元素含量產(chǎn)生一定的影響（表3）。與CK相比，施入油頁巖半焦生物炭處理的土壤水溶性鈣含量有所增加，水溶性鎂含量變化不大，土壤有效鐵含量、土壤有效鋅含量（BC1除外）、土壤有效硼含量（BC2除外）均有所減少。與處理OP相比，隨著油頁巖半焦生物炭用量的增加，土壤中水溶性鈣含量增加了61.11%～255.56%，土壤有效鐵、有效鋅分別增加-6.25%～6.51%、-1.23%～16.05%，水溶性鎂和有效硼含量變化不大。

2.4? ?油頁巖半焦生物碳對玉米產(chǎn)量及生長發(fā)育的影響

從表4看出，隨著油頁巖半焦生物碳施用量的增加，穗長、穗粒數(shù)呈先升后降的趨勢，而禿頂長呈逐漸增加的趨勢，株高和穗位高變化不明顯。玉米產(chǎn)量以處理BC3最高，達17 681.40 kg/hm2，較CK增產(chǎn)20.10%；處理BC1最低，為15 048.00 kg/hm2，較CK增產(chǎn)2.21%。可見，在油頁巖半焦生物炭施用量為60 t/hm2時，玉米產(chǎn)量最高；而施用量為20、80 t/hm2時，產(chǎn)量較低。進一步分析投入量與產(chǎn)量的關(guān)系，以油頁巖半焦生物炭施用量為自變量，玉米產(chǎn)量為因變量的二次方程為y = -1.012x2+ 101.2x+14 281（R2=0.654），差異達顯著水平，得出玉米最大產(chǎn)量為16 811.00 kg/hm2，油頁巖半焦生物炭最佳投入量為50 t/hm2。從群體的角度看，由于穗粒數(shù)的增多，而使群體籽粒產(chǎn)量在一定的范圍內(nèi)隨施用量的增加而增高。當(dāng)施用量過高時，群體的籽粒產(chǎn)量又降低。原因是生物碳投入量過高時，群體內(nèi)的出苗率降低，致使籽粒產(chǎn)量出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象。

2.5? ?油頁巖半焦生物炭對土壤水分的影響

由圖1可以看出，施用油頁巖半焦生物炭對各處理玉米生育各關(guān)鍵期0～100 cm土層的土壤含水率的影響顯著。其中，拔節(jié)期，處理BC1土壤含水率低于其他處理。大喇叭口期，處理BC1、處理BC2、處理BC4較CK分別增加4.74%、6.95%、12.40%，處理BC4較OP增加5.04%。抽雄期，處理BC1、處理BC2較CK分別增加3.69%、1.08%，較OP分別增加6.35%、4.04%。灌漿期，處理BC1較CK增加4.34%，處理BC1、處理BC2、處理BC3、處理BC4較OP分別增加15.54%、4.19%、11.19%、1.86%。乳熟期，處理BC1、處理BC2、處理BC4較CK分別增加13.19%、21.56%、0.94%，處理BC1、處理BC2較OP分別增加11.16%、19.38%。成熟期，處理BC3較CK增加0.88%?？梢?，各處理玉米生育各關(guān)鍵期0～100 cm土層的土壤含水率均較CK有不同程度的增加。

施用油頁巖半焦生物炭后，0～100 cm土層土壤儲水量有顯著提升。施入生物炭的土壤儲水量較CK增加18.85%～30.57%；較OP增加13.66%～24.87%（表5）。隨著油頁巖半焦生物炭施用量的增加，土壤儲水量呈先升后降的趨勢，處理BC2最高，為341.05 mm；處理BC3略有下降，施炭量最高的處理BC4下降明顯。

3? ?討論與結(jié)論

油頁巖半焦是油頁巖干餾提煉頁巖油過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，富含有機物質(zhì)、植物所必需的微量元素和其他的有機養(yǎng)分，并且高溫下形成了較高的孔隙度，能夠保持作物對養(yǎng)分的攝取。有研究發(fā)現(xiàn)，將油頁巖灰渣施入輕粘性土壤后，增加了土壤孔隙度，顯著提高土壤中鉀的含量［17 ］。周曉瑩等［18 ］在分析油頁巖在農(nóng)業(yè)中的潛能中提出增施油頁巖對土壤起到了保肥的作用，能夠平衡土壤養(yǎng)分。周曉瑩等［19 ］的研究表明，用油頁巖與沙復(fù)配后，可以增加土壤孔隙度和土壤含水量，降低土壤容重。本研究結(jié)果也表明，施用油頁巖半焦后土壤物理性狀發(fā)生了顯著的變化，相對于初始狀態(tài)，土壤容重下降2.21%～8.82%、土壤孔隙度增加-11.05%～4.08%、毛管孔隙度增加-6.70%～3.74%。說明施用油頁巖半焦改善了土壤的緊實度，降低了土壤容重，顯著提升土壤肥力水平，并且施用量越大土壤有機質(zhì)含量增加越顯著?？梢灶A(yù)見，在對較為瘠薄土壤進行改良時，油頁巖半焦生物炭能夠作為一個有效的添加劑可在短期內(nèi)實現(xiàn)土壤有機質(zhì)含量的提升。土壤0～100 cm 土層土壤儲水量顯著提升，施用油頁巖半焦較不施肥處理增加了18.85%～30.57%，其原因一方面與灌溉方式、灌溉量不同有關(guān)，同時也與作物生長時吸收水分有聯(lián)系，還與生物炭施用后土壤容重發(fā)生變化有關(guān)，說明施用油頁巖半焦生物炭后增加了土壤的持水力，顯著提高了土壤的含水量；土壤速效養(yǎng)分含量與土壤當(dāng)季施肥狀況有很大關(guān)系，施肥后，土壤速效養(yǎng)分均有較大幅度提升。同時油頁巖半焦生物炭也會對其產(chǎn)生較大影響，一般而言，隨著生物炭含量增加，土壤速效養(yǎng)分含量提高。本試驗中施入油頁巖半焦生物炭后，土壤全氮較施肥但不施油頁巖半焦的處理增加6.25%～20.83%，土壤全磷增加0～25.51%，土壤全鉀增加0.92%～2.63%，土壤有機質(zhì)增加24.29%～88.26%，土壤堿解氮增加-7.40%～14.21%，土壤速效磷增加-30.27～80.37%，土壤速效鉀增加了-12.87%～115.07%。綜上所述，說明增施油頁巖半焦可以顯著提升土壤肥力水平，提高土壤持水性能，同時明顯改善了土壤理化性質(zhì)，促進作物生長。

油頁巖中含有作物所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，前人將油頁巖用于多種作物中結(jié)果表明，增施油頁巖可促進小麥、玉米、高粱、大豆等作物生長，提高作物產(chǎn)量［17， 20 - 21 ］。關(guān)冰等［22 ］研究結(jié)果表明，油頁巖添加在風(fēng)沙中能夠促進花生生長發(fā)育，產(chǎn)量增高。李杰穎［20 ］添加油頁巖廢渣2 250 kg/hm2時能夠促進玉米的生長，并且效果最好。張亞建等［23 ］通過將油頁巖加入生物有機肥中，能夠提高作物產(chǎn)量、明顯改善品質(zhì)。劉曄等［23 ］研究發(fā)現(xiàn)，施用一定量的油頁巖廢渣后將促進大豆生長發(fā)育，提高產(chǎn)量，但隨著施用量的增加，增產(chǎn)效果會下降。本研究結(jié)果表明，玉米產(chǎn)量在一定的范圍內(nèi)隨油頁巖半焦施用量的增加而增高，當(dāng)施用量過高時，群體的籽粒產(chǎn)量又降低。玉米最高產(chǎn)量在油頁巖半焦投入量為60 t/hm2時取得，產(chǎn)量達到17 681.4 kg/hm2，相對于不施油頁巖的處理，增產(chǎn)20.10%。這與關(guān)冰等［20 ］、李杰穎［21 ］、張亞建等［22 ］、劉曄等［23 ］的研究結(jié)果一致。

綜上所述，施用一定范圍的油頁巖半焦生物炭可以明顯改善土壤物理化學(xué)性狀，促進作物生長，進而提高作物產(chǎn)量。

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