連續(xù)施用農(nóng)用玉米芯炭的馬鈴薯生物學(xué)響應(yīng)

張偉明，吳迪，張鈜貴，黃玉威，管學(xué)超，陳溫福

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心，沈陽110866）

玉米是我國主要糧食栽培作物之一，覆蓋區(qū)域廣、種植面積大，為保障我國糧食安全作出了重要貢獻(xiàn)。近年來，我國玉米等糧食產(chǎn)量一直處于增產(chǎn)狀態(tài)，且東北是玉米重要主產(chǎn)區(qū)之一。但在玉米等糧食作物增產(chǎn)的同時，也產(chǎn)生了大量秸稈、玉米芯等農(nóng)業(yè)廢棄物，每至秋末春初“烽火漫天、遍地狼煙”的秸稈焚燒現(xiàn)象屢禁不止，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，這已成為政府、專家和學(xué)者們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1]。在現(xiàn)階段，秸稈一般通過“五料化”方式處理，而玉米芯一般以制備糠醛、化工原料或燃料等工業(yè)化、能源化利用為主[2-4]。但在工業(yè)化處理過程中，不可避免地產(chǎn)生了糠醛渣等工業(yè)固體廢棄物，二次處理的難度大、成本高，且極易造成次生環(huán)境污染[4-5]。玉米芯已成為當(dāng)前東北地區(qū)常見且資源量較大的農(nóng)業(yè)廢棄物之一，目前尚缺乏“低廉、環(huán)保、高效”的處理措施。

馬鈴薯在食品、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。隨著馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的推進(jìn)，其將逐漸成為我國第四大主糧作物，在糧食生產(chǎn)和人民生活中占有重要地位[6]。東北地區(qū)是我國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一，在品質(zhì)、產(chǎn)量等方面具有一定優(yōu)勢。但在馬鈴薯連作生產(chǎn)條件下，由于化肥、農(nóng)藥等大量、不適當(dāng)施用和過度連作耕種，使土壤酸化、板結(jié)、有機(jī)質(zhì)下降、病害加重，導(dǎo)致馬鈴薯生長發(fā)育受限，產(chǎn)量、品質(zhì)下降等現(xiàn)象頻繁發(fā)生，成為制約馬鈴薯生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要問題[7-9]。

生物炭（Biochar）是近年新興的研究熱點(diǎn)之一，得到了專家、學(xué)者的普遍關(guān)注和一致研究認(rèn)可[1]。利用生物炭技術(shù)可將玉米芯等農(nóng)林廢棄物在＜700 ℃條件下通過熱裂解炭化過程制備為生物炭[1，10-11]，實現(xiàn)廢棄物資源化“環(huán)保、高效”利用。同時，諸多研究表明生物炭具有改良土壤理化特性、促進(jìn)作物生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，以及固碳減排、消減污染等多重效應(yīng)[11-12]，這為解決馬鈴薯連作生產(chǎn)問題提供了重要基礎(chǔ)和條件。生物炭功效作用的發(fā)揮與其材質(zhì)、炭化工藝條件等密切相關(guān)[13]，但目前炭化工藝條件，特別是原材料來源、結(jié)構(gòu)、內(nèi)含物等的不同，決定了不同材質(zhì)生物炭的特性與功能差異很大，相關(guān)研究結(jié)果也很難進(jìn)行有效、共性比對，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義和價值有限。因此，適時、適地開展適合我國農(nóng)業(yè)發(fā)展實情的不同材質(zhì)生物炭特性及應(yīng)用研究，就顯得尤為必要[11]。一般情況下，常見農(nóng)業(yè)廢棄物中的果實芯類材料比秸稈類材料含有更高的木質(zhì)素、纖維素，炭化后形成的多微孔碳架結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定、豐富，結(jié)構(gòu)及理化特性更好[14-15]，因此，利用玉米芯制備生物炭，既可解決玉米芯廢棄物“環(huán)保、高效”利用難題，又為針對性解決土壤酸化、板結(jié)、養(yǎng)分失衡、病害加重等造成的馬鈴薯生長緩慢、地下塊莖發(fā)育不良，以及產(chǎn)量與品質(zhì)下降等馬鈴薯連作生產(chǎn)問題提供了新途徑。

研究發(fā)現(xiàn)，在不同材質(zhì)、炭化溫度、用量及施用方式條件下生物炭對馬鈴薯生長、產(chǎn)量等作用效應(yīng)不同。在炭化溫度550、700 ℃條件下制備小麥秸稈和芒草稈生物炭，并分別以1.5%、2.5%炭劑量施用于低磷砂壤土，發(fā)現(xiàn)高溫（700 ℃）制備的生物炭降低了馬鈴薯植株生長生物量和塊莖產(chǎn)量，且表現(xiàn)為隨施炭量增加而降低，而在土壤中接種叢枝菌根真菌（AMF）后，生物炭不同處理均有效刺激了馬鈴薯植株各器官生長[16]。在盆栽試驗條件下，馬鈴薯在受到干旱脅迫時，秸稈生物炭可提高馬鈴薯葉片凈光合速率，增強(qiáng)馬鈴薯初花期的光合能力，提高馬鈴薯植株、主莖數(shù)等各器官干物質(zhì)積累，促進(jìn)馬鈴薯生長[17]。生物炭亦可提高馬鈴薯對鹽脅迫環(huán)境的抗逆性。在盆栽試驗條件下，施用5%生物炭（硬木炭80%和軟木炭20%混合）處理的馬鈴薯莖稈生物量，根長、根體積，塊莖產(chǎn)量以及葉片、木質(zhì)部汁液中的植物激素脫落酸濃度均有所提高，生物炭可通過吸附Na+來降低木質(zhì)部Na+含量和Na+/K+值，并提高其K+含量，從而改善馬鈴薯植株的鹽脅迫效應(yīng)[18]。而在我國寧南山區(qū)，通過大田試驗發(fā)現(xiàn)，施用樹木殘枝生物炭（20 t·hm-2）可提高馬鈴薯單株結(jié)薯個數(shù)、單株塊莖質(zhì)量、單薯質(zhì)量及商品薯率，產(chǎn)量提高49.04%[19]。也有研究認(rèn)為，某些材質(zhì)的生物炭不利于馬鈴薯生長，研究發(fā)現(xiàn)木材生物炭與叢枝菌根真菌（AMF）、磷肥及灌水交互作用條件，不利于馬鈴薯植株對磷、氮養(yǎng)分吸收，對馬鈴薯生長具有一定負(fù)效應(yīng)[20]。施炭量及施用年限也會對馬鈴薯生長、產(chǎn)量等產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，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，但在第二年無增產(chǎn)效果，隨著施炭量增至40 t·hm-2，馬鈴薯增產(chǎn)效果消失[21]，說明生物炭對馬鈴薯調(diào)控存在劑量、時間閾值效應(yīng)；生物炭對馬鈴薯生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響與其對土壤理化特性的調(diào)控有關(guān)。一方面，生物炭可改善土壤物理特性，施炭后土壤田間持水量提高，土壤容重降低，毛管孔隙度增加，土壤水分利用效率提高48.14%[19]；另一方面，生物炭可顯著提高土壤有機(jī)碳、有效磷、速效鉀含量，提高土壤C/N 和電導(dǎo)率，亦可提升土壤pH、全氮含量，且與施炭年限有關(guān)[22-23]。此外，生物炭對土壤微生物也有一定影響。施炭后的土壤真菌豐度降低，其中以添加生物炭（20 t·hm-2）處理的豐度最低，有利于抑制土壤病害發(fā)生[23]。上述研究表明，生物炭介導(dǎo)的土壤結(jié)構(gòu)及理化特性變化有利于馬鈴薯生長發(fā)育，但不同材質(zhì)生物炭對馬鈴薯的作用效應(yīng)存在很大差異，特別在馬鈴薯連作生產(chǎn)條件下生物炭的調(diào)控作用如何，是否與生物炭材質(zhì)、施炭量及施用年限等有關(guān)，目前還尚不明確，有待進(jìn)行深入研究探索[24-25]。

本試驗以玉米芯為原料制備農(nóng)用生物炭，在明確其結(jié)構(gòu)及主要理化特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用于馬鈴薯大田連作生產(chǎn)，研究在連續(xù)2 a 施炭條件下，馬鈴薯的生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)及病害發(fā)生等生物學(xué)特征響應(yīng)，明確玉米芯生物炭對馬鈴薯生物學(xué)的“質(zhì)-效”和“量-效”作用，探明其在馬鈴薯連作生產(chǎn)上的應(yīng)用效果及潛力，為生物炭的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在遼寧岫巖縣郊進(jìn)行。供試馬鈴薯品種為黃麻子（Huang Mazi）。土壤為馬鈴薯連作的砂質(zhì)土壤，其基本理化性質(zhì)：pH 5.92，有機(jī)質(zhì)15.80 g·kg-1，全氮0.91 g·kg-1，堿解氮110.00 mg·kg-1，有效磷12.18 mg·kg-1，速效鉀85.26 mg·kg-1。生物炭的原材料為玉米芯，粒徑3～5 cm，采用新型炭化工藝技術(shù)制備農(nóng)用生物炭[26]（缺氧干餾炭化技術(shù)，溫度500 ℃左右，炭化停留時間2～3 h，升溫速率平均3～5 ℃·min-1），生物炭粒徑為0.8～1.0 mm，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技開發(fā)股份有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗設(shè)計

采用大田試驗方法，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。試驗設(shè)4 個處理：處理1 為常規(guī)施肥，不添加生物炭，設(shè)為對照（CK）；處理2 為按2 250 kg·hm-2標(biāo)準(zhǔn)施用生物炭，設(shè)為C1；處理3 為按4 500 kg·hm-2標(biāo)準(zhǔn)施用生物炭，設(shè)為C2；處理4 為按9 000 kg·hm-2標(biāo)準(zhǔn)施用生物炭，設(shè)為C3。

試驗小區(qū)行長6 m，寬3 m，小區(qū)面積18 m2。每小區(qū)5 行，行距0.6 m，株距0.2 m，每穴1 株。各處理間總養(yǎng)分量相等，每個處理3 次重復(fù)，共12 個小區(qū)。連續(xù)2 a 種植，第1 年于2011 年5 月2 日播種、7 月24日收獲，第2 年于2012 年5 月4 日播種、7 月24 日收獲。生物炭處理按相應(yīng)施炭量標(biāo)準(zhǔn)，于2011、2012 年連續(xù)施用，生物炭以“基施”形式與土壤混合，種植方式、栽培管理措施等按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式進(jìn)行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 玉米芯生物炭的結(jié)構(gòu)及主要理化特性

微觀結(jié)構(gòu)采用表面掃描電鏡（日本，TM-1000）測定；比表面積，孔容、孔徑等采用比表面積分析儀（PS2-0003）測定。主要元素組成：N、C、S采用元素分析儀（德國，Vario Macro Cube）測定，P 采用釩鉬黃比色法[27]，K采用火焰光度法[27]，Mg、Zn、Cu、Fe等礦質(zhì)元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定。pH 參照木質(zhì)活性炭標(biāo)準(zhǔn)測定方法（GB/T 12496.7—1999）測定?；曳帧]發(fā)分、固定碳含量參照木炭標(biāo)準(zhǔn)試驗方法（GB/T 17664—1999）測定。陽離子交換量（CEC）參照乙酸銨法測定[27]。

1.3.2 馬鈴薯生物學(xué)性狀

于馬鈴薯苗期（5 月24 日）、花期（6 月28 日）、結(jié)薯期（7 月16 日），分別在每小區(qū)選擇代表性植株3株，測量株高（最高主莖基部至生長點(diǎn)的高度）[28]，每小區(qū)連續(xù)取代表性植株5 株，分離葉、莖，殺青、烘干后采用電子天平測定葉、莖干物質(zhì)量[28]，并記錄有關(guān)株高、干物質(zhì)積累數(shù)據(jù)；于收獲期（7 月24 日）進(jìn)行馬鈴薯測產(chǎn)，每小區(qū)取代表性植株10 株測產(chǎn)[28]，折算理論實際產(chǎn)量。同時，對全部收獲馬鈴薯單個稱質(zhì)量，按小薯（＜75 g）、中薯（≥75 g，＜150 g）、大薯（≥150 g）分級，分別記錄，并計算各級結(jié)薯所占百分比[28]。塊莖干物質(zhì)含量[28]、還原糖含量[29]、淀粉含量[29]、可溶性蛋白含量[30]、維生素C含量[31]等品質(zhì)指標(biāo)于收獲后3 d內(nèi)測定。馬鈴薯瘡痂病、晚疫病發(fā)生率根據(jù)其發(fā)病生物學(xué)特征進(jìn)行調(diào)查，并記錄每小區(qū)病薯數(shù)量，計算其所占百分比。

兩年試驗結(jié)果趨勢一致，采用2011 年與2012 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)，采用2011 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析生物學(xué)性狀相關(guān)指標(biāo)。利用Excel 和SPSS 17.0軟件處理、分析數(shù)據(jù)，采用Duncan′s 差異顯著分析方法多重比較各處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米芯生物炭結(jié)構(gòu)及主要理化特性

2.1.1 微觀結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，在炭化前，玉米芯的薄壁細(xì)胞、維管束等組織結(jié)構(gòu)完整，構(gòu)架清晰。如圖2 所示，在經(jīng)過升溫、熱解、揮發(fā)等炭化過程后，玉米芯原有薄壁細(xì)胞等部分組織逐漸消失或形成微小孔隙，其余維管束等主體結(jié)構(gòu)特征保留明顯，外圍輪廓清晰、層次分明、孔隙豐富，形成了以炭化木質(zhì)素為主體的多微孔碳架結(jié)構(gòu)。本試驗所采用的炭化技術(shù)屬于亞高溫?zé)峤猓郎?、熱解過程和速率相對緩慢，因此部分不穩(wěn)定、易受熱揮發(fā)的組織在熱解過程中逐漸消失并形成微孔，從而形成保留原有主體結(jié)構(gòu)特征，且多微孔豐富的碳架結(jié)構(gòu)。以上可見，炭化后的玉米芯生物炭具有非常豐富的多微孔結(jié)構(gòu)，使其具有比表面積大、吸附力強(qiáng)等特性。因而，可在改良土壤結(jié)構(gòu)、吸持養(yǎng)分、提高土壤肥力等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要潛在作用。

圖1 玉米芯微觀結(jié)構(gòu)（炭化前）Figure 1 Micrographs of the corncob（SEM，before carbonized）

圖2 玉米芯生物炭微觀結(jié)構(gòu)（炭化后）Figure 2 Micrographs of the corncob-biochar（SEM，after carbonized）

2.1.2 孔容、孔徑表征

玉米芯的孔容、孔徑在炭化前、后發(fā)生了顯著變化（圖3）。玉米芯在炭化后的總孔體積比炭化前提高了4.37 倍。不同孔形中，中、大型孔體積在炭化后提高了3.84倍，而微孔體積則提高了4.86倍。玉米芯平均孔徑在炭化后比炭化前提高了66.45%，孔徑變大?？梢姡衩仔驹谔炕蟮目偪左w積，特別是微孔體積大幅提升，這有利于提高其整體吸附能力。

圖3 玉米芯在炭化前、后的孔容、孔徑表征Figure 3 The pore volume and aperture characterization of corncob changed in charring process

2.1.3 主要理化特性

玉米芯在炭化后其主要理化性質(zhì)也發(fā)生了明顯變化（表1）。酸堿性方面，從炭化前、后的pH 變化可以看出，玉米芯炭呈堿性，pH 比炭化前增加4.54。玉米芯的比表面積、固定碳、灰分含量在炭化后也有大幅提高，分別比炭化前提高了3.89、4.64、0.48 倍。但是，揮發(fā)分含量比炭化前減少75.07%，與玉米芯在熱解炭化過程中易受熱分解、揮發(fā)組織等大量損失有關(guān)。同時，玉米芯炭還具有一定陽離子交換量，表明其具有較為活躍的表面官能團(tuán)及電荷離子。

此外，本試驗條件下測定的玉米芯生物炭含有較高的C 元素（70.6%）、作物生長發(fā)育所必需的大量元素（N、P、K）和一些中、微量元素（Mg、Ca、Zn、Fe）等豐富元素種類（圖4）。不同養(yǎng)分元素中，K 元素含量最高，P、N 元素含量次之，S、Mg、Ca、Zn等元素含量也相對較高。從元素種類來看，該玉米芯炭基本包含了馬鈴薯生長發(fā)育所必需的養(yǎng)分元素。生物炭所含養(yǎng)分元素可在一定條件下釋放，進(jìn)而為土壤提供一定外源養(yǎng)分，有利于促進(jìn)馬鈴薯生長發(fā)育。玉米芯炭的高含C 量及高度羧酸酯化、芳香化結(jié)構(gòu)，使其在土壤中不易被分解，從而成為土壤“碳庫”的一部分，利于保持、提升土壤肥力。

表1 玉米芯在炭化前、后的主要理化性質(zhì)變化Table 1 The main physical and chemical properties of corncob changed at before and after charring

綜上，本試驗條件下制備的玉米芯生物炭，具有豐富的多微孔結(jié)構(gòu)和元素種類，呈堿性，C 含量高，比表面積大，結(jié)構(gòu)及理化特性良好，適于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

2.2 施用農(nóng)用玉米芯生物炭對馬鈴薯生物學(xué)特征的影響

2.2.1 對馬鈴薯株高的影響

由圖5 可見，在馬鈴薯主要生育期，玉米芯炭處理的馬鈴薯株高均顯著高于CK。在苗期，株高表現(xiàn)為隨施炭量增加而提高。在開花期與結(jié)薯期，玉米芯炭處理與苗期表現(xiàn)相似，各生物炭處理均高于CK，且與CK 差距持續(xù)增大，表現(xiàn)為C2＞C3＞C1＞CK。在全生育期內(nèi)，玉米芯炭對馬鈴薯株高均有一定促進(jìn)作用，且表現(xiàn)出一定的可持續(xù)性。以上表明，生物炭對馬鈴薯植株生長發(fā)育具有促進(jìn)效應(yīng)。

圖4 玉米芯炭的主要元素組成Figure 4 Main elements of corncob-biochar

2.2.2 對馬鈴薯地上部干物質(zhì)積累的影響

2.2.2.1 葉干質(zhì)量

如圖6 所示，在苗期，玉米芯炭處理的馬鈴薯葉干質(zhì)量均顯著高于CK，且隨施炭量增加而增大。在開花期，生物炭處理亦高于CK，但表現(xiàn)為隨施炭量減少而增大，C1、C2、C3 分別比CK 提高了45.45%、23.08%、13.64%，平均提高了27.39%。到結(jié)薯期，玉米芯炭處理表現(xiàn)與開花期相同，且與CK差距增大，其中C1處理與CK 差異顯著。從不同生育期來看，在馬鈴薯生長前期，較高施炭量的作用明顯，而在生育后期，較低施炭量的作用相對明顯。以上研究表明，玉米芯炭可在一定程度上促進(jìn)葉片干物質(zhì)積累，利于馬鈴薯植株早發(fā)快長。

圖5 玉米芯炭對馬鈴薯主要生育期株高的影響Figure 5 Effect of corncob-biochar on plant height at main growth stages of potato

圖6 玉米芯炭對馬鈴薯主要生育期葉干物質(zhì)積累的影響Figure 6 Effect of corncob-biochar on leaf dry matter accumulation of potato at main growth stages

2.2.2.2 莖干質(zhì)量

圖7 玉米芯炭對馬鈴薯主要生育期莖干物質(zhì)積累的影響Figure 7 Effect of corncob-biochar on stem dry matter accumulation of potato at main growth stages

由圖7 可見，在苗期，玉米芯炭處理的馬鈴薯莖干質(zhì)量均高于CK，其中C2 處理與CK 差異顯著。在開花期，玉米芯炭處理亦高于CK，表現(xiàn)為隨施炭量減少而增大，C1、C2處理與CK 差異顯著。而至結(jié)薯期，玉米芯炭處理的莖干質(zhì)量明顯高于CK，且差距增大，其中C1、C2處理與CK差異顯著。與葉干物質(zhì)積累表現(xiàn)相似，在馬鈴薯生長前期，較高施炭量對莖干質(zhì)量的促進(jìn)作用明顯，而在生育后期，較低施炭量的作用相對明顯?？梢姡衩仔咎繉︸R鈴薯莖干物質(zhì)積累具有一定的促進(jìn)作用，有利于增強(qiáng)其抗倒伏能力，加速營養(yǎng)物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)與分配，從而促進(jìn)植株生長。

2.2.3 玉米芯炭對馬鈴薯產(chǎn)量及不同結(jié)薯比例的影響

連續(xù)2 a施用玉米芯炭的馬鈴薯小區(qū)產(chǎn)量表現(xiàn)基本一致（表2）。在2011 年，小區(qū)產(chǎn)量表現(xiàn)為C2＞C3＞C1＞CK，C2、C3、C1 處理分別比CK 提高了37.37%、24.93%、23.93%，平均提高28.74%。在2012 年，小區(qū)產(chǎn)量表現(xiàn)為C2＞C1＞C3＞CK，C2、C1、C3 處理分別比CK 提 高 了39.04%、26.57%、22.13%，平 均 提 高29.25%；在年際間，不同處理的馬鈴薯小區(qū)產(chǎn)量呈上升趨勢，生物炭處理的增幅明顯高于CK，表現(xiàn)為隨施炭量減少而提高。與CK 相比，C1、C2 處理的年際增長率高于C3 處理，增產(chǎn)潛力較大；2 a 平均數(shù)據(jù)結(jié)果表明，玉米芯炭處理的小區(qū)產(chǎn)量均顯著高于CK，C2、C1、C3 處 理 分 別 比CK 提 高 了38.25%、25.27%、23.51%，平均增產(chǎn)29.01%，其中C2 處理的產(chǎn)量最高，且與其他處理差異顯著?？梢姡m宜的玉米芯炭施用量（C2處理，4 500 kg·hm-2）對馬鈴薯增產(chǎn)具有重要促進(jìn)作用。

連續(xù)2 a 施炭間，馬鈴薯不同結(jié)薯比例也發(fā)生了明顯變化。小薯比例表現(xiàn)為玉米芯炭處理均顯著低于CK。其中，2011 年C1、C2、C3 處理分別比CK 降低15.28%、27.81%、21.38%，平均降低22.41%。2012 年C1、C2、C3 處理分別比CK 降低19.23%、31.62%、24.76%，平均降低25.20%。在年際間，CK處理的小薯比例呈提高趨勢，而玉米芯炭處理呈降低趨勢。2 a平均數(shù)據(jù)結(jié)果表明，玉米芯炭處理的小薯比例顯著降低，C1、C2、C3 處理分別比CK 降低了17.25%、29.72%、23.07%，平均降低23.35%。中薯、大薯比例，在2 a 間玉米芯炭處理均高于CK，表現(xiàn)為C2＞C1＞C3＞CK。其中，中薯比例表現(xiàn)為隨施炭量增加而提高，較高施炭量處理（C2、C3）與CK 差異顯著。而大薯比例則表現(xiàn)為隨施炭量減少而提高，較低施炭量處理（C1、C2）與CK 差異顯著。在年際間，CK 處理的中薯和大薯比例呈降低趨勢，而玉米芯炭處理呈提高趨勢。與CK 相比，玉米芯炭處理的中、大薯比例年際增長率明顯提高，表現(xiàn)為C2＞C1＞C3＞CK。2 a 平均數(shù)據(jù)結(jié)果表明，C1、C2、C3 處理的中、大薯比例分別比CK 提高了33.03%、56.86%、44.13%，平均提高44.67%。

表2 玉米芯炭對馬鈴薯產(chǎn)量和不同結(jié)薯比例的影響Table 2 Effect of corncob-biochar on yield and vary level proportion size of potato

連續(xù)2 a 施炭結(jié)果表明，玉米芯炭對馬鈴薯具有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)，尤其對提升中、大薯比例的作用明顯，且表現(xiàn)一定累積、可持續(xù)性作用特征，這對促進(jìn)馬鈴薯連作增產(chǎn)、增收具有重要現(xiàn)實意義。

2.2.4 玉米芯炭對馬鈴薯塊莖干物質(zhì)含量的影響

如圖8 所示，玉米芯炭處理的塊莖干物質(zhì)含量均顯著高于CK，表現(xiàn)為C2＞C3＞C1＞CK，平均比CK 提高7.78%。其中，C2 處理的塊莖干物質(zhì)含量最高，比CK提高10.40%?？梢姡衩仔咎繉μ岣唏R鈴薯塊莖干物質(zhì)含量具有明顯促進(jìn)效應(yīng)，表明玉米芯炭有利于促進(jìn)馬鈴薯生長“源”-“庫”的積累與轉(zhuǎn)化，提高塊莖干物質(zhì)含量，提升馬鈴薯商品、食用價值。

圖8 玉米芯炭對馬鈴薯塊莖干物質(zhì)含量的影響Figure 8 Effect of corncob-biochar on dry matter accumulation of potato tuber

2.2.5 玉米芯炭對馬鈴薯品質(zhì)的影響

如表3 所示，玉米芯炭處理的馬鈴薯品質(zhì)指標(biāo)均有不同程度提高。淀粉含量，玉米芯炭處理均顯著高于CK，其中C2 處理最高，比CK 提高22.48%?？扇苄缘鞍?，玉米芯炭處理顯著高于CK，其中低施炭量處理（C1）最高，比CK 提高27.51%。還原糖含量，玉米芯炭處理顯著高于CK，且表現(xiàn)出隨施炭量增加而提高。維生素C，玉米芯炭處理均高于CK，其中C1 處理與CK 差異顯著?？傮w上，施用玉米芯炭后，馬鈴薯塊莖淀粉、可溶性蛋白、還原糖含量分別比CK平均提高14.59%、19.53%、15.38%?？梢姡衩仔咎繉μ岣唏R鈴薯食用、營養(yǎng)品質(zhì)具有一定促進(jìn)作用。

表3 玉米芯炭對馬鈴薯品質(zhì)的影響Table 3 Effect of corncob-biochar on potato quality

2.2.6 玉米芯炭對馬鈴薯病害發(fā)生的影響

瘡痂病是一種較為常見的馬鈴薯病害，其發(fā)生后嚴(yán)重降低馬鈴薯商品、食用品質(zhì)，而晚疫病則是當(dāng)前馬鈴薯生產(chǎn)中最為普遍、嚴(yán)重的病害，其發(fā)生后在一般年份馬鈴薯減產(chǎn)20%～30%，嚴(yán)重年份可在50%以上[24]。瘡痂病和晚疫病是影響馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)的常見、主要病害。

如圖9 所示，施用玉米芯炭后，馬鈴薯瘡痂病發(fā)生率顯著降低，C1、C2、C3 處理分別比CK 降低了90.54%、94.01%、95.74%，平均降低93.43%。而晚疫病發(fā)生率，C1、C2、C3 處理分別比CK 降低了86.2%、88.12%、89.0%，平均降低87.77%。由此可見，玉米芯炭對馬鈴薯瘡痂病、晚疫病發(fā)生具有明顯抑制效應(yīng)。玉米芯炭不同處理間，馬鈴薯病害發(fā)生率表現(xiàn)出一定規(guī)律性，即隨施炭量增加而降低，高施炭量對抑制病害發(fā)生的作用更明顯。以上表明，玉米芯炭對馬鈴薯常見、主要病害發(fā)生具有明顯抑制效應(yīng)，對提高馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)具有重要現(xiàn)實意義。

3 討論

圖9 玉米芯炭對馬鈴薯瘡痂病和晚疫病發(fā)生的影響Figure 9 Effect of corncob-biochar on the incidence of potato blight and scab

生物炭是近年新興的研究熱點(diǎn)之一，得到了國內(nèi)外專家的普遍關(guān)注和一致研究認(rèn)可。本試驗利用新型炭化工藝制備玉米芯生物炭，測定表明其具有多微孔結(jié)構(gòu)，呈堿性，比表面積大、富含C及其他多種養(yǎng)分元素，且具有一定陽離子交換能力，適于農(nóng)業(yè)應(yīng)用。進(jìn)一步在連續(xù)2 a 施用該玉米芯炭條件下，研究了馬鈴薯的生物學(xué)特征響應(yīng)，結(jié)果表明玉米芯炭對馬鈴薯株高、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量、品質(zhì)等具有不同程度的促進(jìn)作用，同時對馬鈴薯瘡痂病、晚疫病發(fā)生具有明顯抑制效應(yīng)。

玉米芯炭的作用體現(xiàn)，與其所具有的結(jié)構(gòu)及理化特性密切相關(guān)。本試驗中，玉米芯炭具有豐富多微孔結(jié)構(gòu)，在施入土壤后可對容重、孔隙度等土壤物理特性產(chǎn)生直接影響。研究表明，生物炭施用可明顯降低土壤容重，提高土壤孔隙度，為馬鈴薯塊莖生長提供良好的物理空間及條件[19，22，32]，利于中、大薯形成。而土壤容重、孔隙度等物理性狀改善則有助于協(xié)調(diào)土壤水、氣、熱條件，促進(jìn)馬鈴薯根系生長發(fā)育[33-35]，推動地上部植株生長和干物質(zhì)積累。另外，對于砂質(zhì)土壤而言，其持水、保肥、供肥性能對作物生長尤為重要。玉米芯炭的多微孔結(jié)構(gòu)及不同類型孔隙，可在土壤中發(fā)揮類似“海綿”作用，增加對水分的吸持，進(jìn)而提高土壤田間持水量[19]，為馬鈴薯生長提供充足水分供應(yīng)。同時，玉米芯炭大的比表面積，使其具有強(qiáng)吸附力，可增加對土壤N、P、K 等養(yǎng)分離子的吸持[10-11，22]，從而減少養(yǎng)分流失，提高砂質(zhì)土壤保肥能力，而生物炭所含有的豐富N、P、K 等多種養(yǎng)分元素則可在土壤中釋放，直接增加土壤有效養(yǎng)分供應(yīng)量[36]。生物炭可使馬鈴薯在生長期間獲得更多充足、有效的水、肥供應(yīng)，從而利于其株高增長、干物質(zhì)積累增加，也為最終產(chǎn)量形成奠定了重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

玉米芯炭不同處理間的葉、莖干物質(zhì)積累在馬鈴薯前、后生長階段表現(xiàn)不同，其主要原因可能與炭作用強(qiáng)度及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移、輸出等有關(guān)。研究表明，生物炭對土壤水、肥、氣、熱等微生態(tài)環(huán)境的調(diào)控效應(yīng)與施炭量正相關(guān)[22，37]，施炭量越大、作用效應(yīng)越強(qiáng)。在馬鈴薯生長初期，對土壤水、氣、熱、肥的需求和變化較為敏感，高施炭量的作用強(qiáng)度更大，可為馬鈴薯生長提供更多水分、養(yǎng)分等生長條件，因而干物質(zhì)積累量相對較高，而隨著生育期推進(jìn)，馬鈴薯由“營養(yǎng)生長”轉(zhuǎn)向“生殖生長”，地上部累積的營養(yǎng)物質(zhì)更多轉(zhuǎn)移至地下塊莖生長點(diǎn)，因此在其生育后期表現(xiàn)有所下降。

連續(xù)2 a 施炭結(jié)果表明，玉米芯炭對馬鈴薯具有明顯增產(chǎn)和一定提質(zhì)效應(yīng)，這可能與玉米芯炭對馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)形成條件的調(diào)控有關(guān)：（1）玉米芯炭輸入土壤后，其豐富的多孔結(jié)構(gòu)將直接改變土壤結(jié)構(gòu)及物理特性條件（水、氣、熱等），為馬鈴薯根系生長乃至后期塊莖形成創(chuàng)造良好的物理空間及條件，特別是其自身養(yǎng)分釋放[36]及對養(yǎng)分離子的吸持作用[22，38-39]，將直接增加土壤有效養(yǎng)分供給，為馬鈴薯生長提供充足養(yǎng)分保障，利于其產(chǎn)量與品質(zhì)形成；（2）本試驗制備的玉米芯炭，含有豐富K、P、N、S、Mg、Ca、Zn、Fe、Cu、Mn等馬鈴薯生長所必需的大量及中、微量養(yǎng)分元素，這些為馬鈴薯產(chǎn)量及品質(zhì)形成提供了更多、更豐富的外源養(yǎng)分供應(yīng)，尤其是Mn、Cu、Zn 等微量元素，有利于促進(jìn)馬鈴薯細(xì)胞分裂、葉綠素合成，以及碳水化合物、蛋白質(zhì)、淀粉及還原糖形成[40-42]，提升馬鈴薯產(chǎn)量與品質(zhì)；（3）生物炭可促進(jìn)土壤微生物生長、繁殖，并增強(qiáng)其對土壤養(yǎng)分礦化、有機(jī)質(zhì)分解等的作用過程[23，43]，促使土壤向肥力型結(jié)構(gòu)演變，從而為作物產(chǎn)量、品質(zhì)形成提供持續(xù)、良好的土壤肥力及微生態(tài)環(huán)境條件；（4）從作物學(xué)“源-庫”理論角度，玉米芯炭對馬鈴薯營養(yǎng)生長期干物質(zhì)積累——“源”的促進(jìn)效應(yīng)，將為后期產(chǎn)量、品質(zhì)——“庫”的形成奠定重要物質(zhì)基礎(chǔ)，利于促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)量與品質(zhì)形成；（5）生物炭含有較高C素（本試驗的玉米芯炭為70.6%），高度羧酸酯化、芳香化的結(jié)構(gòu)使其更具生物化學(xué)和熱穩(wěn)定性，因而可在土壤中長期存在，并持續(xù)發(fā)揮對土壤、作物的調(diào)控效應(yīng)[1，10，44]，從而表現(xiàn)一定累積性、可持續(xù)性作用特征，利于為馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)形成創(chuàng)造持久、良好的外界環(huán)境條件。

生物炭對作物生長、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，存在“量-效”差異和閾值效應(yīng)，具有合理的用量區(qū)間范圍[11，21，45]。在本試驗中，玉米芯炭不同用量處理間也表現(xiàn)一定的差異性。由于玉米芯炭呈堿性，高炭量輸入必然引起土壤pH 發(fā)生變化，從而影響或改變其他土壤理化性狀及某些微生物的生長、群落結(jié)構(gòu)變異等[43，46-47]，從而對馬鈴薯不同生育期（如開花期、結(jié)薯期）植株生長產(chǎn)生一定影響。同時，由于生物炭具有較高含C 量，高施炭量輸入必然提高土壤C/N，這可能激發(fā)、誘導(dǎo)某些C、N 源代謝相關(guān)的微生物發(fā)生變異，且可能由于種間拮抗或競爭而對某些微生物種群產(chǎn)生一定抑制效應(yīng)[48]，從而改變土壤微生態(tài)環(huán)境。此外，高施炭量對土壤養(yǎng)分的吸附會更強(qiáng)，可能會與根系產(chǎn)生養(yǎng)分競爭，減少根系對養(yǎng)分的吸收利用[49-50]。上述高施炭量作用影響，直接反饋于其處理的馬鈴薯地上部干物質(zhì)積累及淀粉含量降低，與其他炭處理相比產(chǎn)量有所下降。同時，高施炭量會在土壤中釋放更多的Mg、Ca、Zn、Fe、Cu、Mn等中、微量元素，對還原糖等物質(zhì)合成影響增大，使其在品質(zhì)方面表現(xiàn)有所不同。而從劑量效應(yīng)角度，C2、C1處理對土壤及作物生長的作用強(qiáng)度要小于高施炭量處理，其中C2處理既可避免高炭輸入的某些負(fù)面影響，又可彌補(bǔ)低炭處理的作用不足，對馬鈴薯生長相對適宜，這種作用在馬鈴薯長勢（株高）、塊莖干物質(zhì)積累、淀粉含量、中薯及大薯比例等方面均有所體現(xiàn)，因而其最終產(chǎn)量最高。

此外，本試驗發(fā)現(xiàn)玉米芯炭對馬鈴薯瘡痂、晚疫病害發(fā)生具有明顯抑制效應(yīng)，這可能與生物炭富C、多微孔、呈堿性以及對土壤微生態(tài)環(huán)境的調(diào)控等有關(guān)。生物炭的多微孔結(jié)構(gòu)及豐富C、N源養(yǎng)分，在為土壤微生物提供良好物理生存空間的同時，也為其生命活動提供了一定養(yǎng)分來源，有利于促進(jìn)微生物菌群生長，改變微生物有益/有害菌群比例，抑制真菌等某些有害微生物生長，從而減少病害發(fā)生[23，43，46]。另外，本試驗中玉米芯炭呈堿性且具有一定的陽離子交換能力，在輸入土壤后會提高土壤pH[22，51]，從而抑制疫霉菌等某些病原微生物生長，減少病害發(fā)生[52-53]。在此過程中，高施炭量對土壤pH 的提升作用更大[54]，因此其對抑制病害發(fā)生的效應(yīng)也更明顯。此外，生物炭在制備過程中可能含有一些揮發(fā)類物質(zhì)，這會對某些病原菌、地下害蟲等產(chǎn)生“趨避”效應(yīng)，進(jìn)而減少或切斷馬鈴薯周圍的某些病、蟲“源”，從而阻抑病害發(fā)生，而高施炭量的作用表現(xiàn)也更明顯。另外，從病害發(fā)生環(huán)境角度，生物炭有利于改善土壤“水、氣、熱、肥”等微生態(tài)環(huán)境條件，減少可能導(dǎo)致病害發(fā)生的不利環(huán)境條件因素，從而降低馬鈴薯病害發(fā)生率。

總體表明，玉米芯生物炭對馬鈴薯具有促長、增產(chǎn)、提質(zhì)、抗病的作用效應(yīng)，本文試驗結(jié)果為相關(guān)系列研究中的一部分，為促進(jìn)馬鈴薯連作生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供了新途徑，對發(fā)展“低碳、綠色”農(nóng)業(yè)具有較為重要的現(xiàn)實意義和價值，其長期效應(yīng)、作用機(jī)理等將于后續(xù)研究揭示。

4 結(jié)論

（1）采用新炭化工藝制備的玉米芯生物炭，具有豐富多微孔結(jié)構(gòu)及良好理化特性，是一種較為理想的農(nóng)用生物炭材料，可用于馬鈴薯生產(chǎn)。

（2）玉米芯生物炭可促進(jìn)馬鈴薯生長發(fā)育，在顯著提升中、大薯比例的基礎(chǔ)上，提高馬鈴薯產(chǎn)量，其中以4 500 kg·hm-2施用量的增產(chǎn)效果最好。同時，可在一定程度上提高馬鈴薯商品、食用及營養(yǎng)品質(zhì)，對馬鈴薯瘡痂病、晚疫病發(fā)生具有明顯抑制效應(yīng)。

（3）玉米芯生物炭對馬鈴薯具有“促長、增產(chǎn)、提質(zhì)、抗病”的生物學(xué)作用特征，且表現(xiàn)一定累積性、可持續(xù)性效應(yīng)，利于促進(jìn)馬鈴薯生產(chǎn)“低碳、綠色”可持續(xù)發(fā)展。