生物炭對(duì)松嫩平原鹽堿土玉米生長(zhǎng)、養(yǎng)分積累及產(chǎn)量的影響

摘要：為了探索生物炭施用量對(duì)鹽堿化土壤種植玉米的效果，進(jìn)行了田間小區(qū)試驗(yàn)，研究了生物炭不同施用量（0，10，20，40和80 t·hm-2）對(duì)玉米生長(zhǎng)、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(duì)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(shí)玉米植株葉莖鞘養(yǎng)分積累最為充足，籽粒灌漿活躍期長(zhǎng)，玉米產(chǎn)量最高，為最經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)；產(chǎn)量

松嫩平原西部是我國(guó)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(guó)家糧食安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中有十分重大的戰(zhàn)略意義。但近年來(lái)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(shí)產(chǎn)生大量秸稈。據(jù)國(guó)家發(fā)改委統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(guò)50%的秸稈被隨意焚燒，這不僅造成資源浪費(fèi)，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(wèn)題。

近年來(lái)，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(dú)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(zhǎng)[8-9]。但大多研究均以土壤環(huán)境為主要研究對(duì)象，而有關(guān)生物炭對(duì)松嫩平原西部鹽堿化農(nóng)田玉米生長(zhǎng)的研究相對(duì)較少。本研究以此為切入點(diǎn)，研究生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)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(duì)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(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)試驗(yàn)基地開(kāi)展。土壤類(lèi)型為堿化草甸土，0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)肥力為：pH8.32、有機(jī)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(yáng)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(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)4個(gè)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(gè)處理4次重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)壟長(zhǎng)20 m，壟距0.65 m，每個(gè)小區(qū)設(shè)置6壟。供試品種為先玉335，種植密度7.5萬(wàn)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(jī)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(cè)定項(xiàng)目及方法

玉米植株生長(zhǎng)性狀的測(cè)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(zhǎng)勢(shì)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(chēng)量各部位的重量，計(jì)算干物質(zhì)積累。

玉米籽粒灌漿速率的測(cè)定：選吐絲期長(zhǎng)勢(shì)一致的玉米植株標(biāo)記，自吐絲后21 d開(kāi)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(jì)算玉米籽粒灌漿速率[4]。

玉米植株養(yǎng)分的測(cè)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(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法；全氮采用硫酸消煮-凱氏定氮儀測(cè)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(jì)法[10]。

玉米產(chǎn)量及品質(zhì)的測(cè)定：每小區(qū)選取中間2行，長(zhǎng)5 m區(qū)域收獲全部果穗，測(cè)定含水量后折算實(shí)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(cè)定。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)玉米植株開(kāi)花前后干物質(zhì)積累的影響

由圖1可知，生物炭對(duì)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(duì)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(duì)玉米開(kāi)花前后營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及對(duì)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(lái)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(duì)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(duì)籽粒干物質(zhì)的貢獻(xiàn)率，3個(gè)生物炭處理差異不顯著，但均顯著高于對(duì)照，較對(duì)照提高了6.94%～10.08%。

2.3 生物炭對(duì)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(xiàn)變化，吐絲后21～28 d灌漿速率呈直線(xiàn)上升，達(dá)到最大；吐絲28～56 d，灌漿速率整體呈下降趨勢(shì)。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(duì)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(duì)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(duì)照高。由此可見(jiàn)，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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)玉米粗脂肪含量無(wú)顯著性差異（圖4b）。生物炭對(duì)玉米粗淀粉含量有降低趨勢(shì)，但各處理間無(wú)顯著性差異（圖4c）。

生物炭對(duì)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(duì)照增加3.52%、21.66%和12.80%，其中B40處理顯著高于對(duì)照（圖4d）。

3 討論

3.1 生物炭對(duì)玉米植株生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)器官莖、葉、鞘貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)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(shí)施用生物炭提高了花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，降低了轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)，這主要是因?yàn)樯锾吭黾恿嘶ê蟾晌镔|(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(duì)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(kāi)展的研究也有類(lèi)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(duì)玉米養(yǎng)分吸收的影響

作物干物質(zhì)積累過(guò)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(duì)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(yáng)離子交換量，促進(jìn)土壤養(yǎng)分有效性，增加植物對(duì)養(yǎng)分的吸收[16-17]。許多學(xué)者的研究都表明，植物體營(yíng)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(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。本研究中4個(gè)施炭量（B0、B20、B40和B80）中，B40處理的玉米養(yǎng)分含量最高。而過(guò)量生物炭添加可能由于C/N過(guò)高或吸附能力過(guò)強(qiáng)，使得某些養(yǎng)分有效性降低，對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)[18-19]。本研究也驗(yàn)證了這一結(jié)論，B80處理植株生長(zhǎng)及養(yǎng)分元素含量略低于B40處理。

3.3 生物炭對(duì)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(duì)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(jī)質(zhì)含量；還通過(guò)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(zhǎng)，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(huì)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(shí)間的延長(zhǎng)表現(xiàn)持續(xù)促進(jìn)效應(yīng)。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者的研究也有類(lèi)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(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究。因此，施用生物炭對(duì)提高農(nóng)業(yè)資源利用效率，農(nóng)田土壤養(yǎng)分管理，實(shí)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(duì)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(duì)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(zhǎng)最茂盛，植株葉莖鞘養(yǎng)分積累充足，籽粒灌漿活躍期長(zhǎng)，玉米產(chǎn)量最高，較對(duì)照提高了21.66%。因此，施用生物炭對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收有重要意義。

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收稿日期：2023-09-22

基金項(xiàng)目：大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目（zd-2023-64）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202210223042）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)成人才科研啟動(dòng)計(jì)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。