小麥?zhǔn)┯蒙锾肯禄蕼p施潛力研究

王文軍 王道中 花可可 郭志彬

摘要 利用砂姜黑土區(qū)小麥玉米輪作制下開展的連續(xù)3年定位試驗(yàn)，分析了生物炭與化肥配施對(duì)小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量要素、氮素吸收量、氮素回收率及土壤物理性狀的影響，以期為砂姜黑土區(qū)小麥生物炭施用下化肥合理減量施用提供依據(jù)。結(jié)果表明，施肥仍是砂姜黑土區(qū)小麥高產(chǎn)的關(guān)鍵。在施氮量為225? kg/hm2水平下，生物炭與化肥配施，減少10%的氮肥，小麥可以達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)以及略有增產(chǎn)的效果，氮肥減量達(dá)20%時(shí)，小麥產(chǎn)量略有下降，氮肥減量幅度達(dá)30%以上時(shí)，小麥產(chǎn)量顯著下降。生物炭與化肥配施下減量施肥可以提高氮素回收率，隨著試驗(yàn)?zāi)晗拊鲩L(zhǎng)，氮素回收率有增加趨勢(shì)。與單施化肥相比，施用生物炭土壤容重下降0.04～0.06 g/cm 降幅2.92%～4.38%，土壤田間持水量提高2.97～4.47百分點(diǎn)，增幅11.8%～17.8%，方差分析結(jié)果，差異均達(dá)顯著水平。因此，在淮北砂姜黑土冬小麥種植上，配施生物炭30? t/hm 較常規(guī)施肥減少10%的氮肥、20%的磷鉀肥，可以保障小麥增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高氮肥回收率。

關(guān)鍵詞 小麥;生物炭;化肥減施;砂姜黑土

中圖分類號(hào) X 171? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）20-0185-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.048

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on the Potential of Reducing Fertilizer Application under Biochar Application in Wheat

WANG Wen-jun，WANG Dao-zhong， HUA Ke-ke et al? （Soil and Fertilizer Research Institute，Anhui Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Nutrient Cycling and Resource Environment of Anhui Province，Hefei，Anhui 230031）

Abstract A 3-year located field experiment under wheat-maize rotation was carried out in Lime Concretion Black Soil Area， and the effects of wheat yield，yield factors，nitrogen uptake，nitrogen recovery，soil physical properties were analyzed under the combined application of biochar and chemical fertilizer，which could provide scientific basis for fertilizer reduction.The results showed that the fertilization was still the key to high yield of wheat in Lime Concretion Black Soil Area. It could get stable wheat yield or a slight increase as the nitrogen application rate reducing by 10%，wheat yield declined slightly as the nitrogen application rate reducing by 10%，and the wheat yield declined significantly as the nitrogen application rate reducing by above 30% under the combined application of biochar and chemical fertilizer.The nitrogen recovery rate improved by reducing fertilizer applied under the condition of biochar application，and the nitrogen recovery rate had an increasing trend as the experiment prolonged.Compared with chemical fertilizer treatment，the soil bulk density decreased by 0.04-0.06 g/cm3，a decrease of 2.92%-4.38%，and the field water capacity increased by 2.97-4.47 percentage points，an increase of 11.8%-17.8% under the application of biochar.According to the results of variance analysis，the differences reached significant levels.As a result，the application of biochar at 30? t/hm2 in winter wheat in Lime Concretion Black Soil Area can reduce the nitrogen fertilizer rate by 10% and the phosphorus and potassium fertilizer by 20% compared with the conventional fertilization，which can ensure the wheat yield increase and stability，and improve the nitrogen fertilizer recovery rate.

Key words Wheat;Biochar;Reducing fertilizer application;Lime Concretion Black Soil

基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2017YFD0201708）;國(guó)家土壤質(zhì)量太和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站（NAES067SQ25）。

作者簡(jiǎn)介 王文軍（1967—），女，安徽歙縣人，副研究員，碩士，從事土壤肥力研究。

收稿日期 2021-04-07

砂姜黑土是發(fā)育于河湖相沉積物、低洼潮濕和排水不良環(huán)境、經(jīng)前期的草甸潛育化過程和以脫潛育化為特點(diǎn)的后期旱耕熟化過程，所形成的一種古老耕作土壤[1]，全國(guó)面積約400萬hm 主要分布于黃淮海平原南部和南陽(yáng)盆地。區(qū)域內(nèi)地勢(shì)平坦、光熱水資源豐富，是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)[2]。 砂姜黑土由于質(zhì)地黏重，黏土礦物中蒙脫石含量高，土壤脹縮性強(qiáng)，水分物理性質(zhì)十分不良[3]，嚴(yán)重制約了作物的水肥資源利用效率[4]。

生物炭是生物質(zhì)能原料在低氧環(huán)境下，經(jīng)高溫裂解的產(chǎn)物，由于具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、碳含量高且不易分解等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土壤改良。研究認(rèn)為，生物炭能提高土壤有機(jī)碳含量[5-6]、改善土壤物理結(jié)構(gòu)[7-8]、增強(qiáng)養(yǎng)分固持能力[9]、增加土壤微生物多樣性[10]等，從而提高土壤肥力水平和肥料利用效率，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[11-13]。

砂姜黑土上的研究也證實(shí)，生物炭可以減輕砂姜黑土的脹縮性能[14]，改善土壤理化性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量[15]。但在生物炭施用下，小麥生產(chǎn)上能否減少化肥用量及適宜化肥減量幅度尚不清楚。筆者通過連續(xù)3 年的田間定位試驗(yàn)，探明生物炭施用下不同氮肥減量比例對(duì)冬小麥產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收利用的影響，以期為砂姜黑土區(qū)生物炭施用和化肥減量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)地位于安徽省蒙城縣樂土鎮(zhèn)葛橋村，試驗(yàn)區(qū)地處淮北平原，暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14.8 ℃，無霜期212 d，常年降水量600～900 mm。供試土壤為砂姜黑土。

1.2 試驗(yàn)材料

供試生物炭為小麥秸稈生物炭（河南商丘三利新能源有限公司，熱裂解炭化溫度350～450 ℃），生物炭性質(zhì)：pH 10. 比表面積為8.92 m2/g，有機(jī)碳為510 g/kg，全氮5.9 g/kg，全磷0.44 g/kg，全鉀23.0 g/kg。

供試土壤為砂姜黑土，其耕層（ 0～20 cm）基本化學(xué)性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)18.9 g/kg，全氮0.162 g/kg，堿解氮89.4 mg/kg，有效磷45.6? mg/kg，速效鉀132.8 mg/kg， pH 5.90。主要農(nóng)作物為冬小麥和夏玉米。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年開始，采用田間定位試驗(yàn)，設(shè)7個(gè)處理：①CK（不施肥），②B（生物炭），③N1P1K ④N2P2K2B，⑤N3P2K2B ，⑥N4P2K2B，⑦N5P2K2B。N2、N3、N4、N5分別為N1的90%、80%、70%和60%，P2、K2分別為P1、K1的80%。N1P1K1處理肥料用量分別為N 225 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。生物炭用量為30 t/hm2。小區(qū)面積30 m 重復(fù)3 次，隨機(jī)區(qū)組排列。氮肥品種為尿素，含氮46%，磷肥品種為普通過磷酸鈣，含P2O5 12%，鉀肥品種為氯化鉀，含K2O 60%。生物炭于整地前人工撒于地表，均勻旋耕入土15 cm左右，翻埋于耕層。N肥70%基施，30%拔節(jié)期追施，磷鉀肥全部基施。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法 小麥產(chǎn)量：于收獲期將各處理小區(qū)的小麥全部收獲，單獨(dú)脫粒計(jì)產(chǎn)。

土壤樣品采集與分析：試驗(yàn)前采集土樣，取樣深度0～20 cm，用土鉆從每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)采取5個(gè)樣點(diǎn)，混合后為1個(gè)混合樣，室溫下風(fēng)干后磨細(xì)。pH 采用電位法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定，全氮采用開氏蒸餾法測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定。2020年小麥?zhǔn)斋@后，環(huán)刀法測(cè)定土壤容重和含水量，取樣深度0～15 cm，每小區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)樣點(diǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理 采用 Excel 作圖，不同處理間的數(shù)據(jù)用 SPSS 進(jìn)行差異性檢驗(yàn)和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 減肥條件下配施生物炭對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

從表1可以看出，不施肥處理小麥產(chǎn)量最低，與不施肥處理相比，單施生物炭可以提高小麥產(chǎn)量，2018、2019、2020年及多年平均產(chǎn)量分別提高8.2%、7.4%、40.5%、13.1%。單施化肥或化肥與配施生物炭均能顯著提高小麥產(chǎn)量，表明施肥仍是淮北砂姜黑土區(qū)小麥增產(chǎn)的關(guān)鍵。

在增施生物炭時(shí)，N2P2K2 B處理不同年度及多年平均產(chǎn)量與N1P1K1處理無顯著差異。2018、2019、2020年及多年平均產(chǎn)量，N3P2K2B、N4P2K2B、N5P2K2B處理產(chǎn)量均低于N1P1K1處理，2018、2019、2020年小麥產(chǎn)量N3P2K2B與N1P1K1處理間差異不顯著，而N4P2K2B、N5P2K2B處理產(chǎn)量顯著低于N1P1K1處理。以上結(jié)果表明，在增施生物炭的條件下氮肥減量10%，磷鉀肥各減量20%，較全量施肥處理小麥產(chǎn)量不降低，氮磷鉀肥各減量20%，小麥產(chǎn)量低于全量施肥處理，但差異不顯著，當(dāng)?shù)蕼p量幅度在30%以上時(shí)，小麥產(chǎn)量顯著下降。

2.2 減肥條件下配施生物炭對(duì)小麥產(chǎn)量各要素的影響

從表2可以看出，不同年度間，單位面積有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重均以不施肥CK處理最低，其次為單施生物炭處理。2018年，CK、B與N1P1K1、N2P2K2B、N3P2K2B和N4P2K2B處理間單位面積有效穗的差異均達(dá)顯著水平，CK、B與N2P2K2B處理間每穗粒數(shù)差異達(dá)顯著水平，CK、B與生物炭化肥配施處理間千粒重差異達(dá)顯著水平;2019年，CK、B與N1P1K1、N2P2K2B處理間單位面積有效穗的差異均達(dá)顯著水平，CK、B與生物炭化肥配施處理間千粒重差異達(dá)顯著水平，CK、B與N2P2K2B、N3P2K2B、N4P2K2B處理間千粒重差異達(dá)顯著水平;2020年， CK、B與N1P1K1、N2P2K2B處理間單位面積有效穗的差異均達(dá)顯著水平，CK、B與施肥處理間每穗粒數(shù)的差異均達(dá)顯著水平，CK與生物炭化肥配施處理間千粒重差異達(dá)顯著水平。比較單施化肥與化肥生物炭配施處理間小麥產(chǎn)量各要素，可以看出，2018、2019、2020年， N1P1K1處理單位面積有效穗最高，隨著氮肥減量幅度提高，單位面積有效穗有逐漸降低的趨勢(shì)，2018、2019年N1P1K1與N5P2K2B處理間的差異均達(dá)顯著水平，2020年，N1P1K1與N3P2K2B、N4P2K2B、N5P2K2B處理間的差異均達(dá)顯著水平。千粒重與單位面積有效穗呈相反的變化趨勢(shì)，隨著氮肥用量的降低，千粒重呈增加趨勢(shì)，2018年，化肥生物炭配施較單施化肥處理千粒重顯著提高。單施化肥與化肥生物炭配施處理間，不同年度每穗粒數(shù)差異均不顯著。

2.3 減肥條件下配施生物炭對(duì)氮素回收率的影響

2018—2020年，CK、B處理吸氮量較低，與施肥處理間差異均達(dá)顯著水平。配施生物炭施肥處理間， N2P2K2B 處理吸氮量最高，隨著氮肥減量幅度的增加，吸氮量呈下降趨勢(shì)，2018年N1P1K1 與N5P2K2B處理間，2019年N1P1K1 與N3P2K2B、N4P2K2B、N5P2K2B處理間，2020年N1P1K1 與N4P2K2B、N5P2K2B處理間差異均達(dá)顯著水平（表3）。

從表3可以看出，氮素回收率與吸氮量之間無明顯相關(guān)性，而與施氮量關(guān)系密切， 隨著施氮量降低，氮素回收率呈增加趨勢(shì)。相關(guān)分析結(jié)果表明，2018、2020年，施氮量與氮素回收率相關(guān)系數(shù)分別為-0.796、-0.90 均達(dá)顯著水平。比較2018—2020年3年氮素回收率可以看出，田間定位試驗(yàn)條件下，氮素回收率與試驗(yàn)?zāi)晗抻嘘P(guān)，隨著試驗(yàn)?zāi)晗拊黾樱鼗厥章视兄饾u增高的趨勢(shì)。

2.4 生物炭對(duì)土壤容重和田間持水量的影響

合適的土壤容重有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育，而土壤容重過大和過低都不利于作物生長(zhǎng)。砂姜黑土黏粒含量高，質(zhì)地黏重，容重高，通氣性能差，嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)。從表4可以看出，CK和N1P1K1處理土壤容重較高，分別達(dá)1.38和1.37 g/cm 單施生物炭或生物炭與化肥配施，土壤容重均有不同程度降低。與CK處理相比，施用生物炭處理土壤容重下降0.05～0.07 g/cm 降幅為3.62%～5.07 %;與單施化肥處理相比，施用生物炭處理土壤容重下降0.04～0.06 g/cm 降幅為2.92%～4.38%，方差分析結(jié)果表明差異達(dá)顯著水平。

土壤供水保水性能較差是砂姜黑土易旱易澇的根本原因，田間持水量的高低反映土壤供水保水性能的優(yōu)劣，提高田間持水量可以增強(qiáng)土壤的蓄水、保水和供水性能。從表4可以看出，CK和N1P1K1處理土壤田間持水量較低，單施生物炭或生物炭與化肥配施，均能提高土壤田間持水量。與CK處理相比，施用生物炭處理土壤田間持水量提高2.13～3.63百分點(diǎn)，增幅8.2%～14.0%;與單施化肥處理相比，施用生物炭處理土壤田間持水量提高2.97～4.47百分點(diǎn)，增幅11.8%～17.8%，方差分析結(jié)果表明差異均達(dá)顯著水平。

3 討論

長(zhǎng)期以來，化肥施用在保障我國(guó)糧食安全方面發(fā)揮了巨大作用[16]，由于化肥施用上存在的種種問題，特別是化肥的過量施用帶來的土壤質(zhì)量退化及農(nóng)田面源污染等問題受到了受到越來越多的重視[17-19]，2015年2月，農(nóng)業(yè)部印發(fā)《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》， 旨在不減產(chǎn)的前提下實(shí)現(xiàn)化肥用量零增長(zhǎng)甚至負(fù)增長(zhǎng)。砂姜黑土質(zhì)地黏重，水分物理性質(zhì)較差，土壤壓實(shí)和易受旱澇災(zāi)害影響了作物生長(zhǎng)發(fā)育，農(nóng)戶為了提高產(chǎn)量而加大施肥量，這也是砂姜黑土區(qū)作物化肥用量較高的原因之一。該研究結(jié)果表明，施用生物炭能降低土壤容重，提高土壤田間持水量，這與其他研究結(jié)論相似[15]，這與生物炭具有一定的空隙結(jié)構(gòu)、比表面積大、 具有多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。研究表明，砂姜黑土上小麥產(chǎn)量與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤田間持水量呈顯著正相關(guān)[20]。因此，通過施用生物炭，改善砂姜黑土不良的物理性質(zhì)，從而消減障礙因子對(duì)作物生長(zhǎng)的制約，可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)，在維持常規(guī)施肥產(chǎn)量前提下，減少化肥用量。

生物炭鉀含量較高，砂姜黑土有效磷含量較高，因此，磷鉀肥用量減少20%對(duì)小麥產(chǎn)量不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。而氮肥減量幅度對(duì)小麥產(chǎn)量影響較大，該研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，配施生物炭氮肥減量10%，沒有出現(xiàn)減產(chǎn)的現(xiàn)象，可以達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)以及略有增產(chǎn)的效果，氮肥減量20%，小麥產(chǎn)量略有下降，且后2年小麥產(chǎn)量降幅高于第1年，當(dāng)?shù)蕼p量30%及以上時(shí)，小麥產(chǎn)量明顯下降，與姜佰文等[21]在玉米上的研究結(jié)果略有不同。該研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，氮肥減量幅度與單位面積有效穗成反比，減量幅度越高，單位面積有效穗越低，當(dāng)?shù)蕼p量達(dá)30%和40%時(shí)，單位面積有效穗顯著下降，表明氮肥減量幅度過高，可能造成小麥前期生長(zhǎng)發(fā)育氮素養(yǎng)分缺乏，小麥分蘗成穗較少，最終導(dǎo)致小麥產(chǎn)量下降。因此，氮肥減量幅度可能與土壤基礎(chǔ)肥力水平、作物類型及產(chǎn)量水平等有關(guān)，需要定位試驗(yàn)研究，才能得出適合區(qū)域的氮肥減量比例。

氮肥利用率是根據(jù)施氮肥與不施氮肥的植物氮素養(yǎng)分吸收量之差占施氮量的比例來求得，其前提是施用氮肥條件下植物從土壤中吸收的氮素量和不施氮肥時(shí)基本相同，氮肥回收率是以氮肥被作物吸收或回收的比例對(duì)肥料氮的利用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，是以不施肥處理為對(duì)照[22]。該研究結(jié)果表明，第1年，施肥處理氮肥回收率較低，而第2、3年，施肥處理氮肥回收率明顯提高，均達(dá)50%左右，最高達(dá)60%以上，且氮素回收率有逐年增高的趨勢(shì)，這與蔡祖聰?shù)萚23]的研究結(jié)果相似。其主要原因是，第1年土壤速效氮含量較高，而第2、3年，土壤氮素處于耗竭狀態(tài)，土壤速效氮含量下降，小麥從土壤中吸收的氮素量減少，因此氮素回收率有增加的趨勢(shì)。當(dāng)不施肥處理小麥產(chǎn)量趨于穩(wěn)定時(shí)，氮素回收率會(huì)達(dá)到某一穩(wěn)定水平，用此時(shí)的氮素回收率來評(píng)價(jià)施肥的產(chǎn)量和環(huán)境效應(yīng)，可能才有更重要的實(shí)際意義 。

4 結(jié)論

（1）砂姜黑土區(qū)施用生物炭，可以降低土壤容重，提高土壤田間水量，改善土壤物理性狀，提高土壤肥力水平。

（2）在施氮量為225 kg/hm2水平下，生物炭與化肥配施，減少10%的氮肥，小麥可以達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)以及略有增產(chǎn)的效果，氮肥減量達(dá)20%時(shí)，小麥產(chǎn)量略有下降，氮肥減量幅度達(dá)30%以上時(shí)，小麥產(chǎn)量顯著下降。

（3）砂姜黑土區(qū)冬小麥上，氮素回收率與施氮量關(guān)系密切， 隨著施氮量降低，氮素回收率呈增加趨勢(shì)。生物炭與化肥配施可以提高氮素回收率。

綜上所述，在淮北砂姜黑土冬小麥種植上，配施生物炭為30 t/hm 較常規(guī)施肥減少10%的氮肥、20%的磷鉀肥，可以保障小麥增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高氮肥回收率。

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