寧夏引黃灌區生物炭配施氮肥對春小麥產量的影響

祿興麗

(寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】全球氣候、環境、經濟與社會的發展變化，對環境與資源造成了嚴重挑戰和新的發展機遇。寧夏引黃灌區是西北地區主要的商品糧基地之一，小麥是該區優勢特色作物之一，對保障全自治區糧食安全具有非常重要的貢獻[1]。然而該區域追求糧食高產要以大量投入水肥為必要條件，雖然化肥施用是作物增產的重要措施[2]。然而受特殊的氣候制約，傳統的過量施肥方式和不合理的施肥結構造成了化肥利用率低下，農業面源污染加重[3-4]，嚴重影響區域農業的可持續發展。因此，探索在“用地”的同時可以“養地”的施肥方式，是滿足不斷增長的糧食需求和保護環境的關鍵所在?！厩叭搜芯窟M展】據報道，中國近10年來糧食作物秸稈年均露天焚燒量為1.13×108t，約占年均作物秸稈產量的21.6 %[5]。這不僅造成資源浪費且污染環境，引起了全社會的廣泛關注。將秸稈在厭氧下進行熱解碳化后，可制作成一類高度芳香化且富含碳的固態物質，叫做生物炭(biochar)[6]。生物炭不僅能夠提高作物的產量，而且可實現碳固存，現已成為當今國內外農業領域的研究熱點[7-8]。大量研究表明，生物炭配施化肥不僅能夠顯著增加作物產量[9-10]、氮肥利用效率和玉米經濟效益而且還能夠降低碳排放[11]。然而，也有研究結果顯示生物炭對作物生長及產量沒有影響或者具有降低作用[12-13]。生物炭對作物產量影響的差異報道，可能是由于與不同試驗中生物炭性狀、施炭量、土壤類型、年際效應和環境條件等不同而導致的?！颈狙芯壳腥朦c】目前國內外關于生物炭配施氮肥對作物產量的研究很多，但研究結果仍然存在著爭議?！緮M解決的關鍵問題】為此本文在寧夏引黃灌區通過設置不同的施肥類型(不施氮肥、氮肥單施、氮肥配施生物炭和氮肥+秸稈還田)，探究生物炭配施氮肥對引黃灌區春小麥作物產量、氮肥利用效率及0～20和20～40 cm土壤肥力的影響，從而為有助于該區環境和農業的可持續發展的施肥類型提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區介紹

試驗在寧夏回族自治區銀川市賀蘭縣立崗鎮(N38°33′、E106°21′，海拔1108 m)進行。該地區地處西北內陸，屬中溫帶干旱氣候區，年均≥10 ℃積溫3281.6 ℃，無霜期140～160 d，平均日照時數2935.5 h，日溫差13.4 ℃，年降水量138.8 mm，年均氣溫9.7 ℃。試驗地土壤為灌淤土，耕層土壤(0～20 cm)有機質含量為8.5 g/kg，全氮含量為0.88 g/kg，全磷(P)含量為0.98 g/kg，有效磷含量為18.5 mg/kg，pH為7.6。

1.2 試驗設計

處理方式設置：擬考慮設置4個不同的施肥處理，依次分別為不施氮肥(N0)、單施氮肥(N)、秸稈+氮肥(NS)、生物炭+氮肥(NB)。本研究采用的生物炭是玉米秸稈在600 ℃高溫鏈接30 min獲得，秸稈還田處理采用粉碎玉米稈5000 kg/hm2進行還田，生物炭和秸稈均在耕作前以撒施方式施入土壤。采用隨機區組設置，每個處理3次重復，共為12個小區，小區面積為4 m×8 m(32 m2)，試驗處理見表1。

各處理春小麥采用條播，于3月8號播種，7月6號收獲，品種為寧春55號，行距為22 cm，播種量為272 kg/hm2；各處理磷肥和鉀肥一致，均為P2O5224 kg/hm2，K2O 10 kg/hm2，全部以基肥的形式施用，田間其他管理方式與當地相同。采用大水漫灌的方式進行灌溉，灌溉日期分別為4月26日、5月16日和6月7日。

1.3 測試指標與方法

1.3.1 土壤性狀 土壤性狀的測定利用鮑士旦[14]的方法進行。土壤有機質含量：重鉻酸鉀容量法——外加熱法；土壤全氮：凱氏定氮法；土壤pH：用pH計測定；土壤全磷鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀：火焰光度法測定；電導率：電導法測定；土壤脲酶活性：苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；土壤蔗糖酶活性：3,5-二硝基水楊酸比色法。

1.3.2 產量構成因素及氮素利用效率 ①在作物收獲期收獲1 m2小麥進行產量測定。②氮肥農學利用率(NUE)和氮肥生產效率(NPE)的計算公式如下[15]。

NUE=(施氮區籽粒產量-氮空白區籽粒產量)/施氮量

(1)

NPE=籽粒產量/施氮量

(2)

1.4 數據分析

運用SPSS和GraphPad Prism 6.0軟件對土壤性狀、作物產量、氮肥農學利用效率和氮肥生產效率進行統計學分析和作圖。

表1 試驗不同處理肥料用量

表2 生物炭肥對土壤性狀影響的F值

2 結果與分析

2.1 生物炭配施化肥對土壤性狀的影響

不同化肥類型和取樣土層顯著影響土壤有機碳、全氮、全磷和pH值(表2和圖1)。單施氮肥、氮肥配施生物炭肥和氮肥+秸稈還田措施較無氮肥處理顯著依次分別增加有機碳含量3.2 %、6.9 %和1.1 %，并且0～20 cm土層有機碳含量較20～40 cm土層有機碳含量顯著增加3.0 %(表2)。0～20 cm土層有機碳結果顯示，NB處理下土壤有機碳含量最高，為8.48 g/kg，N、NB和NS分別較N0處理增加土壤有機碳含量2.7 %、8.7 %和4.5 %。20～40 cm土壤有機碳結果顯示，N和NB處理較N0分別增加土壤有機碳含量3.5 %和5.0 %，而NS卻較N0處理減少SOC含量2.6 %(圖1-a)。

對土壤全氮進行方差分析，結果表明：氮肥配施生物炭肥和氮肥+秸稈還田措施較無氮肥處理顯著依次分別增加全氮含量3.8 %和3.0 %，并且0～20 cm土層全氮含量較20～40 cm土層顯著增加3.0 %(表2)?；暑愋秃腿由疃冉换プ饔媒Y果顯示，0～20 cm土層下，NS和NB分別較N0處理增加全氮含量5.0 %和4.0 %，而N和N0處理下全氮含量卻沒有顯著差異。20～40 cm土層全氮含量結果顯示，NB較N0處理增加全氮含量4.0 %(圖1-b)。

土壤全磷的方差分析結果顯示，氮肥配施生物炭肥較無氮肥處理顯著增加全磷含量5.2 %，并且0～20 cm土層全磷含量較20～40 cm土層全磷含量增加8.5 %(表1)?；屎腿由疃冉换バY果顯示，0～20 cm NB處理下全磷含量最高為1.06 g/kg，較N0處理增加全磷含量5.0 %。20～40 cm全磷結果顯示，NB和N處理較N0處理增加全磷含量5.4 %和1.1 %(圖1-c)。

pH的方差分析結果顯示，氮肥+秸稈還田處理較不施氮肥處理pH增加1.3 %，而土壤pH值在NB處理和N0處理下卻沒有顯著差異?；屎腿由疃鹊慕换バ@著影響土壤pH值(表2)，0～20 cm土層下，NS處理下土壤pH值最高，為8.47，而20～40 cm土層下，NB、NS和N0處理下土壤pH值卻沒有顯著差異(圖1-d)。

2.2 生物炭配施氮肥對土壤速效鉀和電導率的影響

土壤速效鉀含量受取樣土層和生物炭配施氮肥的影響，N、NB和NS處理下土壤速效鉀含量較無氮肥處理依次分別增加6.2 %、28.0 %和2.2 %，并且0～20 cm土層較20～40 cm土層增加速效鉀含量17.4 %(表2)。交互效應結果顯示：0～20 cm土層下，N、NB和NS較N0增加速效鉀含量依次分別為10.5 %、25.7 %和11.4 %。20～40 cm土層下，NB較N0處理增加速效鉀含量30.5 %，而N和N0處理間速效鉀含量卻沒有顯著差異(圖2-a)。

化肥類型和取樣土層顯著影響土壤電導率，單施氮肥較無氮肥處理增加電導率12.3 %，而氮肥配施生物炭肥卻較無氮肥處理降低電導率5.5 %，氮肥+秸稈還田處理下電導率與無氮肥處理卻沒有顯著差異。此外，0～20 cm土層較20～40 cm土層增加電導率29.4 %(表2)。交互效應結果顯示：0～20 cm土層下，N、NB和NS較N0降低電導率依次分別為3.6 %、11.6 %和23.4 %。20～40 cm土層下，N、NB和NS較N0增加電導率依次分別為39.8 %、5.0 %和40.1 %(圖2-a)。

2.3 生物炭配施氮肥對土壤酶活性的影響

化肥類型和取樣土層顯著影響土壤尿酶和蔗糖酶活性(表2和圖3)，與無氮肥處理相比，單施氮肥、氮肥配施生物炭和氮肥+秸稈還田增加土壤尿酶活性依次分別為24.6 %、18.9 %和16.4 %，0～20 cm土層尿酶活性較20～40 cm高7.3 %?；适┯妙愋秃屯翆尤咏换バY果顯示，0～20 cm土層N、NB和NS處理較N0處理增加尿酶活性依次分別為25.6 %、29.4 %和16.0 %；20～40 cm土層，增加百分率卻依次為23.6 %、8.2 %和6.9 %(圖3)。

對于蔗糖酶來說，單施氮肥、氮肥配施生物炭和氮肥+秸稈還田增加土壤蔗糖酶活性依次分別為12.5 %、10.4 %和14.6 %，0～20 cm土層蔗糖酶活性較20～40 cm高10.0 %。0～20 cm土層，NB和NS處理較N0增加土壤蔗糖酶活性依次分別為18.4%和18.4%，而N和N0處理下土壤蔗糖酶活性卻沒有顯著差異，而20～40 cm土層各個處理間土壤蔗糖酶活性卻沒有顯著差異(表2和圖3)。

表3 生物炭肥對作物產量、NUE和NCE影響的方差分析

2.4 生物炭配施氮肥對作物產量和氮肥利用率的影響

化肥類型顯著影響作物產量、N肥農學利用效率(表3)，NB處理下小麥產量最高，為7705.96 kg/hm2，其次為N和NS處理，NB、N和NS處理較N0分別增加小麥產量依次分別為35.2 %、15.8 %和18.2 %。NB處理下NUE最大，分別較N和NS顯著增加122.8 %和92.9 %。

3 討 論

3.1 土壤性狀

本研究比較了施用不同肥料類型對土壤性狀、春小麥產量及氮肥利用效率的影響。結果表明，NB能較N0處理顯著提高0～40 cm土壤有機質含量、0～20 cm全氮含量和0～40 cm全磷含量。這與以往的研究結果比較相似[16]。生物炭作為土壤改良劑能夠提高土壤肥力和碳庫存[17-19]，如增加土壤有機碳、可溶性有機碳含量，提高土壤中的碳氮比和提高土壤對氮、磷、鉀等元素的吸持容量[20-21]。也有些研究顯示，生物炭對土壤肥力參數和碳庫存潛力有抑制作用或沒有影響[22-23]。這些差異性結果可能與土壤類型、生物炭種類及用量等因素有關系[24]。

NB處理顯著增加了土壤速效鉀含量，主要原因是生物炭中含有大量的可提取性鉀元素，因此，生物炭施入土壤中會增加鉀的輸入，進而增加土壤速效鉀含量[25]。此外，生物炭是具有較大的比表面積和孔隙度[26]，施入土壤后，釋放一定的K+、Ca2+等鹽基離子，能夠提高土壤陽離子交換性能，促進土壤保肥能力[27]。

NB處理較N0處理降低0～20 cm電導率11.6 %，由于生物炭具有多孔結構、大表面積和較強的陽離子互相交換能力，因此，應用生物炭能緩解土壤鹽分表聚，有助于降低土壤含鹽量，最終減緩鹽脅迫[28-29]。

N、NB和NS較N0處理均顯著增加了土壤尿酶活性，陳心想等[30]的研究結果也表明生物炭的施用一方面能夠增加土壤肥力、提高土壤質量，從而有利于微生物的繁殖，進而增加酶活性；另一方面，生物炭的施用能夠促進脲酶水解過程，進而增加脲酶的活性。

蔗糖酶有利于加速分解糖類，促進土壤碳循環。本試驗中，NB和NS處理較N0處理能顯著增加0～20 cm土層蔗糖酶活性，然而對于20～40 cm土層，各個處理間蔗糖酶活性差異卻不顯著，李娜等[31]的研究表明生物碳配施氮磷鉀肥提高了34.2 %的蔗糖酶活性。袁晶晶等[32]的研究生物炭-氮肥配施對土壤微生物學活性的影響發現總體上生物炭對土壤中蔗糖酶沒有顯著影響。也有研究表明生物炭的施入會降低蔗糖酶活性[33]。因此，生物炭對蔗糖酶活性的影響結果并不一致。

3.2 作物產量和氮肥利用率

本試驗結果表明，NB處理較N和NS提高了春小麥產量及氮肥利用效率，這與前人的研究結果比較一致[34]。生物炭可以減少土壤容重，增加土壤pH值、有機碳，最終提高作物產量[35-37]。Zheng等[11]研究也表明生物炭配施化肥能夠增加氮肥利用效率、作物經濟效益以及降低碳排放。施用生物炭可以提高與土壤C、N循環有關的土壤酶活性，促進植株對土壤養分的吸收[38]，進而增加作物氮肥利用效率。然而，也有研究表明，生物炭對促進增產并沒有顯著的影響[39-40]。Lehmann等[6]卻表明生物炭的施用能否增加作物產量和土壤自身的養分供應有關。Tammeorg[41]研究結果表示，生物炭減輕了短暫的水分虧缺，因此增加了作物的產量組成，但是并沒有起到增產和促進氮的更新的作用。因此，生物炭對作物產量和氮肥利用效率的影響可能受土壤類型、氣候條件等因素影響，還需要進一步進行研究。

4 結 論

(1)生物炭配施氮肥、秸稈還田配施氮肥較無氮肥處理均能增加土壤有機碳和全氮含量，其中生物炭配施氮肥效果最佳。生物炭配施氮肥能顯著增加土壤全磷含量、20～40 cm土壤pH值、土壤速效鉀含量，并降低土壤電導率含量。

(2)與無氮肥處理相比，單施氮肥、生物炭配施氮肥、秸稈配施氮肥較無氮肥均能不同程度提高0～40 cm 土壤尿酶活性，而對于蔗糖酶活性，生物炭配施氮肥和秸稈+氮肥能較無氮肥處理顯著增加0～20 cm土層活性。

(3)單施氮肥、生物炭配施氮肥、秸稈配施氮肥較無氮肥均能顯著增加春小麥產量15.8 %～35.2 %，其中生物炭配施氮肥增加效果最為顯著；生物炭配施氮肥能較單施氮肥和氮肥+秸稈還田顯著增加作物氮肥利用效率。