小麥施用生物炭下化肥減施潛力研究

王文軍 王道中 花可可 郭志彬

摘要 利用砂姜黑土區小麥玉米輪作制下開展的連續3年定位試驗，分析了生物炭與化肥配施對小麥產量、產量要素、氮素吸收量、氮素回收率及土壤物理性狀的影響，以期為砂姜黑土區小麥生物炭施用下化肥合理減量施用提供依據。結果表明，施肥仍是砂姜黑土區小麥高產的關鍵。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，小麥可以達到穩產以及略有增產的效果，氮肥減量達20%時，小麥產量略有下降，氮肥減量幅度達30%以上時，小麥產量顯著下降。生物炭與化肥配施下減量施肥可以提高氮素回收率，隨著試驗年限增長，氮素回收率有增加趨勢。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，增幅11.8%～17.8%，方差分析結果，差異均達顯著水平。因此，在淮北砂姜黑土冬小麥種植上，配施生物炭30? t/hm 較常規施肥減少10%的氮肥、20%的磷鉀肥，可以保障小麥增產穩產，提高氮肥回收率。

關鍵詞 小麥;生物炭;化肥減施;砂姜黑土

中圖分類號 X 171? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）20-0185-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.048

開放科學（資源服務）標識碼（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

基金項目 國家重點研發計劃課題（2017YFD0201708）;國家土壤質量太和觀測實驗站（NAES067SQ25）。

作者簡介 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

砂姜黑土是發育于河湖相沉積物、低洼潮濕和排水不良環境、經前期的草甸潛育化過程和以脫潛育化為特點的后期旱耕熟化過程，所形成的一種古老耕作土壤[1]，全國面積約400萬hm 主要分布于黃淮海平原南部和南陽盆地。區域內地勢平坦、光熱水資源豐富，是我國重要的糧食主產區[2]。 砂姜黑土由于質地黏重，黏土礦物中蒙脫石含量高，土壤脹縮性強，水分物理性質十分不良[3]，嚴重制約了作物的水肥資源利用效率[4]。

生物炭是生物質能原料在低氧環境下，經高溫裂解的產物，由于具有比表面積大、孔隙結構豐富、碳含量高且不易分解等特點，被廣泛應用于土壤改良。研究認為，生物炭能提高土壤有機碳含量[5-6]、改善土壤物理結構[7-8]、增強養分固持能力[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，進而提高作物產量[11-13]。

砂姜黑土上的研究也證實，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，提高作物產量[15]。但在生物炭施用下，小麥生產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3 年的田間定位試驗，探明生物炭施用下不同氮肥減量比例對冬小麥產量和養分吸收利用的影響，以期為砂姜黑土區生物炭施用和化肥減量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 試驗地位于安徽省蒙城縣樂土鎮葛橋村，試驗區地處淮北平原，暖溫帶半濕潤季風氣候區，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：pH 10. 比表面積為8.92 m2/g，有機碳為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）基本化學性質：有機質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。主要農作物為冬小麥和夏玉米。

1.3 試驗設計

試驗于2017年開始，采用田間定位試驗，設7個處理：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。小區面積30 m 重復3 次，隨機區組排列。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%拔節期追施，磷鉀肥全部基施。

1.4 測定項目與方法 小麥產量：于收獲期將各處理小區的小麥全部收獲，單獨脫粒計產。

土壤樣品采集與分析：試驗前采集土樣，取樣深度0～20 cm，用土鉆從每個小區中隨機采取5個樣點，混合后為1個混合樣，室溫下風干后磨細。pH 采用電位法測定，有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，全氮采用開氏蒸餾法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定。2020年小麥收獲后，環刀法測定土壤容重和含水量，取樣深度0～15 cm，每小區隨機采集5個樣點。

1.5 數據處理 采用 Excel 作圖，不同處理間的數據用 SPSS 進行差異性檢驗和多重比較。

2 結果與分析

2.1 減肥條件下配施生物炭對小麥產量的影響

從表1可以看出，不施肥處理小麥產量最低，與不施肥處理相比，單施生物炭可以提高小麥產量，2018、2019、2020年及多年平均產量分別提高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量，表明施肥仍是淮北砂姜黑土區小麥增產的關鍵。

在增施生物炭時，N2P2K2 B處理不同年度及多年平均產量與N1P1K1處理無顯著差異。2018、2019、2020年及多年平均產量，N3P2K2B、N4P2K2B、N5P2K2B處理產量均低于N1P1K1處理，2018、2019、2020年小麥產量N3P2K2B與N1P1K1處理間差異不顯著，而N4P2K2B、N5P2K2B處理產量顯著低于N1P1K1處理。以上結果表明，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量不降低，氮磷鉀肥各減量20%，小麥產量低于全量施肥處理，但差異不顯著，當氮肥減量幅度在30%以上時，小麥產量顯著下降。

2.2 減肥條件下配施生物炭對小麥產量各要素的影響

從表2可以看出，不同年度間，單位面積有效穗數、每穗粒數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顯著水平，CK、B與N2P2K2B處理間每穗粒數差異達顯著水平，CK、B與生物炭化肥配施處理間千粒重差異達顯著水平;2019年，CK、B與N1P1K1、N2P2K2B處理間單位面積有效穗的差異均達顯著水平，CK、B與生物炭化肥配施處理間千粒重差異達顯著水平，CK、B與N2P2K2B、N3P2K2B、N4P2K2B處理間千粒重差異達顯著水平;2020年， CK、B與N1P1K1、N2P2K2B處理間單位面積有效穗的差異均達顯著水平，CK、B與施肥處理間每穗粒數的差異均達顯著水平，CK與生物炭化肥配施處理間千粒重差異達顯著水平。比較單施化肥與化肥生物炭配施處理間小麥產量各要素，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，2018、2019年N1P1K1與N5P2K2B處理間的差異均達顯著水平，2020年，N1P1K1與N3P2K2B、N4P2K2B、N5P2K2B處理間的差異均達顯著水平。千粒重與單位面積有效穗呈相反的變化趨勢，隨著氮肥用量的降低，千粒重呈增加趨勢，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，不同年度每穗粒數差異均不顯著。

2.3 減肥條件下配施生物炭對氮素回收率的影響

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，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性，而與施氮量關系密切， 隨著施氮量降低，氮素回收率呈增加趨勢。相關分析結果表明，2018、2020年，施氮量與氮素回收率相關系數分別為-0.796、-0.90 均達顯著水平。比較2018—2020年3年氮素回收率可以看出，田間定位試驗條件下，氮素回收率與試驗年限有關，隨著試驗年限增加，氮素回收率有逐漸增高的趨勢。

2.4 生物炭對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發育，而土壤容重過大和過低都不利于作物生長。砂姜黑土黏粒含量高，質地黏重，容重高，通氣性能差，嚴重影響作物的生長。從表4可以看出，CK和N1P1K1處理土壤容重較高，分別達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%，方差分析結果表明差異達顯著水平。

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劣，提高田間持水量可以增強土壤的蓄水、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，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，增幅11.8%～17.8%，方差分析結果表明差異均達顯著水平。

3 討論

長期以來，化肥施用在保障我國糧食安全方面發揮了巨大作用[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量退化及農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，農業部印發《到2020年化肥使用量零增長行動方案》， 旨在不減產的前提下實現化肥用量零增長甚至負增長。砂姜黑土質地黏重，水分物理性質較差，土壤壓實和易受旱澇災害影響了作物生長發育，農戶為了提高產量而加大施肥量，這也是砂姜黑土區作物化肥用量較高的原因之一。該研究結果表明，施用生物炭能降低土壤容重，提高土壤田間持水量，這與其他研究結論相似[15]，這與生物炭具有一定的空隙結構、比表面積大、 具有多孔結構有關。研究表明，砂姜黑土上小麥產量與土壤容重呈顯著負相關，與土壤田間持水量呈顯著正相關[20]。因此，通過施用生物炭，改善砂姜黑土不良的物理性質，從而消減障礙因子對作物生長的制約，可以促進作物生長，在維持常規施肥產量前提下，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%對小麥產量不會產生明顯影響。而氮肥減量幅度對小麥產量影響較大，該研究結果發現，配施生物炭氮肥減量10%，沒有出現減產的現象，可以達到穩產以及略有增產的效果，氮肥減量20%，小麥產量略有下降，且后2年小麥產量降幅高于第1年，當氮肥減量30%及以上時，小麥產量明顯下降，與姜佰文等[21]在玉米上的研究結果略有不同。該研究結果還發現，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，當氮肥減量達30%和40%時，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發育氮素養分缺乏，小麥分蘗成穗較少，最終導致小麥產量下降。因此，氮肥減量幅度可能與土壤基礎肥力水平、作物類型及產量水平等有關，需要定位試驗研究，才能得出適合區域的氮肥減量比例。

氮肥利用率是根據施氮肥與不施氮肥的植物氮素養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肥料氮的利用情況進行評價，是以不施肥處理為對照[22]。該研究結果表明，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50%左右，最高達60%以上，且氮素回收率有逐年增高的趨勢，這與蔡祖聰等[23]的研究結果相似。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，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。當不施肥處理小麥產量趨于穩定時，氮素回收率會達到某一穩定水平，用此時的氮素回收率來評價施肥的產量和環境效應，可能才有更重要的實際意義 。

4 結論

（1）砂姜黑土區施用生物炭，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，小麥可以達到穩產以及略有增產的效果，氮肥減量達20%時，小麥產量略有下降，氮肥減量幅度達30%以上時，小麥產量顯著下降。

（3）砂姜黑土區冬小麥上，氮素回收率與施氮量關系密切， 隨著施氮量降低，氮素回收率呈增加趨勢。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 較常規施肥減少10%的氮肥、20%的磷鉀肥，可以保障小麥增產穩產，提高氮肥回收率。

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