摘要：為了探索生物炭施用量對鹽堿化土壤種植玉米的效果，進(jìn)行了田間小區(qū)試驗，研究了生物炭不同施用量（0，10，20，40和80 t·hm-2）對玉米生長、養(yǎng)分積累及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，生物炭增加了花后干物質(zhì)積累量，促進(jìn)了籽粒灌漿速率，提升了玉米植株及籽粒對養(yǎng)分（C、N、P、K）的吸收，進(jìn)而提高了玉米產(chǎn)量，改善了玉米品質(zhì)。因此，在松嫩平原西部堿化玉米田上生物炭施用量40 t·hm-2時玉米植株葉莖鞘養(yǎng)分積累最為充足，籽粒灌漿活躍期長，玉米產(chǎn)量最高，為最經(jīng)濟有效的用量。

關(guān)鍵詞：生物炭；松嫩平原；鹽堿化土壤；玉米；植株生長；產(chǎn)量

松嫩平原西部是我國主要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，玉米是當(dāng)?shù)氐谝淮笞魑?，且種植面積逐年增加[1]。玉米作為重要的糧食作物和能源作物，在保障國家糧食安全和國民經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略中有十分重大的戰(zhàn)略意義。但近年來由于不合理的耕地利用及大量施肥，導(dǎo)致該區(qū)域土壤性質(zhì)不良，板結(jié)加劇，鹽堿化日趨嚴(yán)重，農(nóng)田生產(chǎn)力水平逐年下降，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。不良的土壤性質(zhì)顯著降低玉米養(yǎng)分利用效率，這已經(jīng)成為松嫩平原西部半干旱地區(qū)玉米增產(chǎn)的主要瓶頸。

然而，玉米大面積種植的同時產(chǎn)生大量秸稈。據(jù)國家發(fā)改委統(tǒng)計，我國年產(chǎn)玉米、水稻等大宗作物秸稈約7億t，每到收獲季節(jié)，秸稈堆積如山，超過50%的秸稈被隨意焚燒，這不僅造成資源浪費，還導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降，誘發(fā)霧霾現(xiàn)象[3-4]。因此提高農(nóng)業(yè)廢棄資源利用效率，改善生態(tài)環(huán)境，已成為當(dāng)前亟待解決的重要問題。

近年來，生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面得到了廣泛關(guān)注[5-7]，其是利用農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)（如：玉米秸稈）在缺氧或少氧條件下高溫?zé)峤舛傻姆€(wěn)定高碳產(chǎn)物，具有獨特的疏松多孔、比表面積大等物理特性，施入土壤可改善土壤結(jié)構(gòu)及理化特性，增加土壤養(yǎng)分含量，進(jìn)而促進(jìn)作物生長[8-9]。但大多研究均以土壤環(huán)境為主要研究對象，而有關(guān)生物炭對松嫩平原西部鹽堿化農(nóng)田玉米生長的研究相對較少。本研究以此為切入點，研究生物炭對玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)的影響，探索生物炭在鹽堿化玉米田上最佳施用量，為生物炭在玉米生產(chǎn)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)，對保持良好、穩(wěn)定、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)試驗基地開展。土壤類型為堿化草甸土，0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)肥力為：pH8.32、有機質(zhì)26.37 g·kg-1、堿解氮128.65 mg·kg-1、有效磷13.05 mg·kg-1、速效鉀139.18 mg·kg-1。

1.2 材料

供試生物炭材料為玉米秸稈炭，委托沈陽隆泰生物工程有限公司制備。制備原料為玉米秸稈，制備條件為450 ℃裂解2 h。生物炭基本理化性質(zhì)pH8.68、全碳582.38 g·kg-1、全氮8.42 g·kg-1、全磷8.15 g·kg-1、全鉀29.63 g·kg-1。

1.3 方法

1.3.1 試驗設(shè)計 試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)4個處理，分別為B0（0 t·hm-2）、B20（20 t·hm-2）、B40（40 t·hm-2）、B80（80 t·hm-2），每個處理4次重復(fù)。試驗小區(qū)壟長20 m，壟距0.65 m，每個小區(qū)設(shè)置6壟。供試品種為先玉335，種植密度7.5萬株·hm-2。

生物炭顆粒于備耕整地前一次性均勻撒施于地表，用旋耕機與0～20 cm土壤均勻混合。所用肥料為尿素（N 46%），磷酸二銨（P2O5 46%；N 18%），硫酸鉀（K2O 50%），氮（N）、磷（P2O5）、鉀肥（K2O）施用量分別為240 kg·hm-2、120 kg·hm-2和90 kg·hm-2。其中70%氮肥和全部磷鉀肥作為基肥隨播種一次性施入，剩余30%氮肥在拔節(jié)期作為追肥施入。其他田間管理措施按照玉米高產(chǎn)栽培田進(jìn)行。

1.3.2 測定項目及方法

玉米植株生長性狀的測定：于玉米吐絲期、成熟期，分別選取能夠代表各小區(qū)玉米長勢的植株4株，按葉、莖、鞘、籽粒等器官分解植株，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重。分別稱量各部位的重量，計算干物質(zhì)積累。

玉米籽粒灌漿速率的測定：選吐絲期長勢一致的玉米植株標(biāo)記，自吐絲后21 d開始，每7 d 取樣1次，各小區(qū)分別取標(biāo)記植株3穗。每穗分上、中、下3部分，分別脫?；靹蚝笕?00粒，于80 ℃烘干至恒重，用于計算玉米籽粒灌漿速率[4]。

玉米植株養(yǎng)分的測定：取玉米成熟期根系、植株葉莖鞘、籽粒各器官粉碎樣品。全碳的測定采用重鉻酸鉀氧化法；全氮采用硫酸消煮-凱氏定氮儀測定；全磷采用高氯酸消煮-鉬銻抗比色法；全鉀采用火焰光度計法[10]。

玉米產(chǎn)量及品質(zhì)的測定：每小區(qū)選取中間2行，長5 m區(qū)域收獲全部果穗，測定含水量后折算實際產(chǎn)量。籽粒品質(zhì)（粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉）采用透射型近紅外谷物快速分析儀測定。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007和SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對玉米植株開花前后干物質(zhì)積累的影響

由圖1可知，生物炭對玉米吐絲期植株干物質(zhì)積累有不同程度促進(jìn)作用，其中B40處理植株干物質(zhì)量最大，較B0處理提高了16.39%，其中葉片、莖稈干物質(zhì)量較B0分別提高了14.06%和22.47%（圖1 a）。成熟期生物炭處理植株干物質(zhì)的積累均顯著高于對照，干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為B40gt;B20gt;B80處理，且分別較B0處理提高了21.44%、17.27%和6.09%。其中B40處理植株葉片、莖稈、葉鞘、籽粒分別比B0處理提高14.25%、32.98%、15.09%和23.42%（圖1 b）。

2.2 生物炭對玉米開花前后營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運及對籽粒干物質(zhì)積累的影響

由表1可知，玉米產(chǎn)量構(gòu)成中，大部分來自花后干物質(zhì)積累。生物炭顯著提高了花后干物質(zhì)積累量，B20、B40、B80處理分別較B0處理顯著提高了29.79%、32.97%和31.89%。干物質(zhì)積累對籽粒干物質(zhì)的貢獻(xiàn)主要為花后作用較大。施生物炭均顯著提高了花后干物質(zhì)積累對籽粒干物質(zhì)的貢獻(xiàn)率，3個生物炭處理差異不顯著，但均顯著高于對照，較對照提高了6.94%～10.08%。

2.3 生物炭對玉米籽粒灌漿速率的影響

由圖2可知，玉米籽粒灌漿速率呈單峰曲線變化，吐絲后21～28 d灌漿速率呈直線上升，達(dá)到最大；吐絲28～56 d，灌漿速率整體呈下降趨勢。在吐絲后21 d，各處理灌漿速率差異不明顯；吐絲后28 d，施生物炭處理的灌漿速率峰值明顯高于對照處理，B20、B40和B80處理平均較B0處理提高了17.04%、28.03%和27.94%；吐絲后35 d，生物炭處理的灌漿速率緩慢降低，但對照處理的灌漿速率急劇下降。因此隨著灌漿進(jìn)程推進(jìn)，生物炭處理的各部位灌漿速率始終較對照高。由此可見，生物炭能提高玉米籽粒灌漿速率，促進(jìn)灌漿期籽粒干物質(zhì)積累。

2.4 生物炭對玉米根系、葉莖鞘、籽粒中碳、氮、磷、鉀的影響

由圖3可知，施生物炭能夠增加玉米根系、葉莖鞘、籽粒中全碳含量，其中根系碳和葉莖鞘碳含量受生物炭影響大于籽粒（圖3a～c）。生物炭處理能夠增加根系、葉莖鞘、籽粒全氮含量，其中B40處理籽粒中全氮比B0處理含量高，處理間差異達(dá)到顯著水平（圖3d～f）。生物炭能夠促進(jìn)葉莖鞘、籽粒全磷含量，B40處理和B80處理葉莖鞘、籽粒磷含量分別較B0處理提高12.22%、20.21%和52.37%、32.22%，且B80處理顯著高于B0處理（圖3g～i）。不同生物炭處理增加了玉米根系、葉莖鞘、籽粒中全鉀含量，但處理間差異未達(dá)顯著水平，且不同施用量在不同部位表現(xiàn)不盡相同（圖3 j～l）。綜上，施生物炭B40處理能促進(jìn)全碳在根系和葉莖鞘中顯著增加，促進(jìn)全氮在玉米籽粒中顯著積累。B80處理促進(jìn)全碳在葉莖鞘中顯著增加，促進(jìn)全磷在玉米葉莖鞘和籽粒中顯著增加。

2.5 生物炭對玉米籽粒產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

施用生物炭改變了玉米籽粒品質(zhì)，且不同施用量對品質(zhì)的影響不同。由圖4a可知，生物炭增加了玉米籽粒粗蛋白含量，B40處理玉米籽粒粗蛋白含量顯著高于B0處理，提高了3.93%。施用生物炭對玉米粗脂肪含量無顯著性差異（圖4b）。生物炭對玉米粗淀粉含量有降低趨勢，但各處理間無顯著性差異（圖4c）。

生物炭對玉米產(chǎn)量有不同程度促進(jìn)作用，B20、B40、B80處理玉米產(chǎn)量分別比對照增加3.52%、21.66%和12.80%，其中B40處理顯著高于對照（圖4d）。

3 討論

3.1 生物炭對玉米植株生長發(fā)育的影響

作物干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。在玉米產(chǎn)量構(gòu)成中，花前營養(yǎng)器官莖、葉、鞘貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)運起到非常重要的作用，但花后干物質(zhì)積累是影響籽粒產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素[11-13]。本研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭顯著提高了成熟期干物質(zhì)積累量，表現(xiàn)為B40gt;B20gt;B80處理。同時施用生物炭提高了花后干物質(zhì)積累對籽粒的貢獻(xiàn)率，降低了轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻(xiàn)，這主要是因為生物炭增加了花后干物質(zhì)的積累。這與孟繁昊[14]的研究結(jié)果一致，其認(rèn)為受生物炭影響玉米干物質(zhì)積累增加及干物質(zhì)積累對籽粒的貢獻(xiàn)主要是花后作用較大。這也是生物炭處理籽粒灌漿速率提高、灌漿積累量增大的原因。程效義[15]在棕壤上開展的研究也有類似的結(jié)論，其認(rèn)為生物炭處理的玉米在籽粒灌漿后期達(dá)到較高的干物質(zhì)增加速率與較高的粒重增加速率，從而獲得較高的籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)。

3.2 生物炭對玉米養(yǎng)分吸收的影響

作物干物質(zhì)積累過程與植株養(yǎng)分吸收利用密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭提高了玉米植株葉莖鞘及籽粒對養(yǎng)分（C、N、P、K）的吸收。這可能是生物炭自身含有速效養(yǎng)分，增加了土壤養(yǎng)分供給，可直接被作物吸收利用；或是生物炭改善土壤性質(zhì)，提高陽離子交換量，促進(jìn)土壤養(yǎng)分有效性，增加植物對養(yǎng)分的吸收[16-17]。許多學(xué)者的研究都表明，植物體營養(yǎng)元素的含量與生物炭施用量關(guān)系密切，適量的生物炭添加能促進(jìn)作物對營養(yǎng)元素的吸收。本研究中4個施炭量（B0、B20、B40和B80）中，B40處理的玉米養(yǎng)分含量最高。而過量生物炭添加可能由于C/N過高或吸附能力過強，使得某些養(yǎng)分有效性降低，對作物生長產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)[18-19]。本研究也驗證了這一結(jié)論，B80處理植株生長及養(yǎng)分元素含量略低于B40處理。

3.3 生物炭對玉米產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

本研究還發(fā)現(xiàn)，在鹽堿化土壤上施用生物炭（B20、B40和B80）玉米產(chǎn)量提升，品質(zhì)改善，尤其是B40處理的玉米產(chǎn)量最高，顯著高于對照。這可能與生物炭和土壤協(xié)同互促有關(guān)。鹽堿化土壤上，生物炭利用其疏松多孔的特性和巨大的比表面積可吸附土壤中部分鹽基離子或使鹽基離子Na+與Ca2+置換到土壤溶液中淋溶，從而導(dǎo)致土壤pH逐年降低[20]。生物炭的固有特性與結(jié)構(gòu)，不僅提高了土壤有機質(zhì)含量；還通過吸附土壤酶反應(yīng)底物促進(jìn)了酶促反應(yīng)，提高了土壤酶活性，促進(jìn)了土壤氮、磷、鉀元素有效轉(zhuǎn)化[21-22]；生物炭還可以促進(jìn)特定微生物生長，改變微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度、活性[23-24]，然而有益微生物的大量繁殖，不僅能夠促進(jìn)土壤有效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，而且還會反作用于生物炭，促進(jìn)生物炭持續(xù)分解。這種良性的循環(huán)使適量的生物炭施入土壤后土壤性質(zhì)有所改善，作物產(chǎn)量有所提高，且可以隨著時間的延長表現(xiàn)持續(xù)促進(jìn)效應(yīng)。國內(nèi)一些學(xué)者的研究也有類似的結(jié)論[25-26]。然而關(guān)于生物炭促進(jìn)玉米產(chǎn)量及品質(zhì)提升的內(nèi)在機制還有待進(jìn)一步深入研究。因此，施用生物炭對提高農(nóng)業(yè)資源利用效率，農(nóng)田土壤養(yǎng)分管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效、農(nóng)田土壤可持續(xù)利用有重要意義。

4 結(jié)論

生物炭對玉米植株花后干物質(zhì)積累量、籽粒灌漿速率均有促進(jìn)作用，對玉米植株及籽粒養(yǎng)分（C、N、P和K）的吸收有一定提升，進(jìn)而提高了玉米產(chǎn)量，改善了玉米品質(zhì)。其中，一次性施入40 t·hm-2生物炭玉米生長最茂盛，植株葉莖鞘養(yǎng)分積累充足，籽粒灌漿活躍期長，玉米產(chǎn)量最高，較對照提高了21.66%。因此，施用生物炭對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］許健，陳清利，馬寶新，等.黑龍江省西部半干旱地區(qū)玉米生產(chǎn)現(xiàn)狀與對策[J].中國種業(yè)，2018（12）：26-29.

[2]徐北春，劉慧濤，楊雙，等.基于節(jié)本增效的東北松嫩平原玉米種植模式評價[J].玉米科學(xué)，2018，26（1）：167-172.

[3]張偉明，修立群，吳迪，等.生物炭的結(jié)構(gòu)及其理化特性研究回顧與展望[J].作物學(xué)報，2021，47（1）：1-18.

[4]蔡麗君.土壤耕作方式對土壤理化性狀及夏玉米生長發(fā)育的影響[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[5]胡沙沙，胡海軍，吳映霞，等.生物炭對連作障礙影響的研究進(jìn)展[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2023（9）：143-147.

[6]齊虹凌，許麗穎，王立鳳，等.生物炭對土壤碳庫的影響研究[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022（11）：100-104.

[7]WANG Z H，WANG H Y，ZHAO C J，et al.Effects of biochar on the microenvironment of saline-sodic soil and maize growth[J].Agronomy，2022，12（11）：2859.

[8]項劍，孫禧，王成，等.生物炭對濱海鹽堿土氮素轉(zhuǎn)化和N2O排放的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2023，34（11）：2969-2977.

[9]郭書亞，尚賞，張艷，等.生物炭施用五年后對土壤生物化學(xué)特性及夏玉米產(chǎn)量的影響[J].土壤與作物，2022，11（3）：290-297.

[10]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].3版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[11]穆心愿，趙霞，谷利敏，等.秸稈還田量對不同基因型夏玉米產(chǎn)量及干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，53（1）：29-41.

[12]李博洋，葉茵，楚睿雯，等.施加生物炭對谷子干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運、分配和土壤理化性質(zhì)的影響[J/OL].作物學(xué)報，（2023-09-27）[2023-10-20].https：//link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20230926.1343.004.

[13]王柏，廖梅芳，孫夢琦，等.生物炭與化肥配施對拔節(jié)期玉米根系生長及土壤的影響[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020（2）：28-32.

[14]孟繁昊.生物炭配施氮肥對土壤理化性質(zhì)及春玉米產(chǎn)量和氮效率的影響機制[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[15]程效義.生物炭還田對棕壤氮素利用及玉米生長的影響[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[16]CHENG C H，LEHMANN J.Ageing of black carbon along a temperature gradient[J].Chemosphere，2009，75（8）：1021-1027.

[17]王高飛，劉鴻雁，邢丹，等.育苗基質(zhì)添加辣椒稈生物炭對辣椒幼苗生長與養(yǎng)分的影響[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2022，35（3）：543-549.

[18]BARONTI S，ALBERTI G，DELLE VEDOVE G，et al.The biochar option to improve plant yields：first results from some field and pot experiments in Italy[J].Italian Journal of Agronomy，2010，5（1）：3-11.

[19]段建軍，郭琴波，徐彬，等.氮肥減量施生物炭對水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分利用的影響[J].水土保持學(xué)報，2022，36（6）：298-308.

[20]COX D，BEZDICEK D，F(xiàn)AUCI M.Effects of compost，coal ash，and straw amendments on restoring the quality of eroded Palouse soil[J].Biology and Fertility of Soils，2001，33（5）：365-372.

[21]CZIMCZIK C I，MASIELLO C A.Controls on black carbon storage in soils[J].Glohal Biogeochemical Cycles，2007，21（3）：GB3005.

[22]李毅，梁嘉平，王小芳，等.改善土壤理化性質(zhì)和作物出苗率的最佳生物炭施用量[J/OL].土壤學(xué)報，（2023-08-31）[2023-10-20].https：//link.cnki.net/urlid/32.1119.P.20230831.1257.002.

[23]STEINBEISS S，GLEIXNER G，ANTONIETTI M.Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity[J].Soil Biology and Biochemistry，2009，41（6）：1301-1310.

[24]何大衛(wèi)，趙艷澤，高繼平，等.生物炭和氮肥配施對粳稻產(chǎn)量形成、氮肥當(dāng)季效應(yīng)及其后效的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報， 2021，27（12）：2114-2124.

[25]UZOMA K C，INOUE M，ANDRY H，et al.Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition[J].Soil Use and Management，2011，27（2）：205-212．

[26]唐光木，葛春輝，徐萬里，等.施用生物黑炭對新疆灰漠土肥力與玉米生長的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，30（9）：1797-1802.

收稿日期：2023-09-22

基金項目：大慶市指導(dǎo)性科技計劃項目（zd-2023-64）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202210223042）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)成人才科研啟動計劃（XDB202204）。

第一作者：王智慧（1984－），女，博士，副教授，從事土壤改良及作物生理生態(tài)研究。E-mail：byndwzh@163.com。

通信作者：王洪義（1978－），男，博士，教授，從事土壤改良及作物生理生態(tài)研究。E-mail：why021@163.com。