胡 敏，苗慶豐，史海濱，于慶峰

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014109；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018)

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)集約化進程的加速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，化肥的施用量不斷增加，造成了土壤的板結(jié)、酸化問題突出，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展，同時持續(xù)使用化肥帶來的面源污染問題日益加重和惡化[1]。因此，在這樣的現(xiàn)狀下，如何緩解此類問題，改善土壤的水肥熱條件和提高土地生產(chǎn)力是我們亟待解決的問題。近些年，隨著人們對生物炭的深入研究發(fā)現(xiàn)，土壤中施入生物炭可顯著改善土壤結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到改良土壤的效果[2,3]，為作物的生長提供了良好的水肥熱條件[4,5]，作物增產(chǎn)效果顯著[6,7]。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地處干旱半干旱地區(qū)，玉米是灌區(qū)主要的經(jīng)濟作物，但近些年隨著灌區(qū)引黃水量的逐漸減少和土質(zhì)的日益惡化，嚴(yán)重制約了玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的種植灌溉模式已經(jīng)逐漸難以適應(yīng)灌區(qū)農(nóng)業(yè)長足的發(fā)展。膜下滴灌是多年來得以實踐證明的一種節(jié)水型灌溉技術(shù)，其較傳統(tǒng)大水漫灌的灌溉模式可顯著提高作物產(chǎn)量、水分利用效率和肥料利用率[8-11]，具有較好的應(yīng)用前景。而針對玉米膜下滴灌施用生物炭的研究鮮有報道，本研究擬結(jié)合二者的優(yōu)勢，探索膜下滴灌條件下施用生物炭對玉米土壤水肥熱效應(yīng)和產(chǎn)量的影響，旨在尋求玉米膜下滴灌條件下的最適施炭量，從而為該種植管理模式在河套灌區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對灌區(qū)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 試驗設(shè)計與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)磴口縣補隆淖鎮(zhèn)夾道村，該地區(qū)多年干旱少雨，年平均降雨量139.8 mm，蒸發(fā)量2 374.6 mm；多年平均氣溫為7.6 ℃，平均日照時數(shù)3 183 h，年平均風(fēng)速2.84 m/s，年平均無霜期在130 d左右。試驗區(qū)0～20 cm為粉砂壤土，20～100 cm為粉砂質(zhì)黏壤土，土壤平均密度為1.47 g/cm3；耕作層凋萎系數(shù)9.3%，田間持水量21.2%，灌溉水源為黃河水，作物全生育期地下水位平均在1.5～2.5 m。

1.2 試驗材料

試驗選用遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的玉米秸稈生物炭，基本理化性質(zhì)為：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.17%、氮為0.71%、氫為3.83%，pH值為9.04，有機質(zhì)質(zhì)量比為925.74 g/kg，堿解氮為159.15 g/kg，速效磷為394.18 g/kg，速效鉀為783.98 g/kg；地膜采用0.008 mm聚乙烯吹塑農(nóng)用地膜，膜寬70 cm；玉米品種為豫奧6號。

1.3 試驗設(shè)計

玉米春播期，整地后，人工將生物炭均勻撒施于土壤表層，采用翻耕機翻耕，與土壤充分混勻，深度20 cm左右。試驗設(shè)置小區(qū)試驗，小區(qū)面積為60 m2(6 m×10 m)，共設(shè)置不施生物炭(CK)、施炭量為15 t/hm2(ST1)、30 t/hm2(ST2)、45 t/hm2(ST3)和60 t/hm2(ST4)5個處理，各處理3次重復(fù)，隨機排列組合。采用機械覆膜、鋪設(shè)滴灌帶，種植模式為一膜一帶、一膜2行，人工點播玉米，種植行距50 cm，株距28 cm。按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植管理模式，春玉米播種時施入磷酸二銨300 kg/hm2，尿素150 kg/hm2。按當(dāng)?shù)氐喂嘤衩壮Ｒ?guī)灌溉施肥模式，玉米全生育期共灌溉10次，玉米拔節(jié)期、抽雄期、吐絲期、灌漿期和乳熟期分別灌溉2次、3次、1次、2次和2次，灌水定額為30 mm/次，灌溉定額300 mm；玉米拔節(jié)期和抽雄期采用施肥罐追施尿素225 kg/hm2。

1.4 研究方法

各生育期內(nèi)，分別于各處理玉米行間0～10和10～20 cm取樣，3次重復(fù)，采用烘干稱重法測定土壤含水率。取表層0～20 cm土壤測定養(yǎng)分含量，其中土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，土壤堿解氮含量采用堿解蒸餾法測定，土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀含量采用NH4OAC浸提-火焰光度法測定。土壤表層0～10 cm埋設(shè)直角地溫計，各生育期連續(xù)3天自8∶00至20∶00每隔2 h讀取一次。玉米收獲期，各處理選取具有代表性的10株測定其生產(chǎn)性狀指標(biāo)和經(jīng)濟產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Mircrosoft-Excel2003進行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表，利用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS17.0進行試驗數(shù)據(jù)單因素方差檢驗，采用LSD法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施炭量對土壤含水率的影響

圖1(a)、圖1(b)分別為不同處理條件下玉米各生育期0～10和10～20 cm土壤含水率變化情況，由圖可知，各處理土壤含水率變化趨勢一致，且隨生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。0～10 cm土壤含水率在玉米苗期內(nèi)，處理ST2、ST3和ST4分別較CK處理高8.44%、14.15%和5.80%，差異性顯著，而ST1與CK間差異性不顯著；拔節(jié)期，處理ST2、ST3和ST4分別較CK處理高10.81%、19.54%和6.41%，差異性顯著，而ST1與CK間差異性不顯著；抽雄期，處理ST2、ST3分別較CK高8.29%和12.72%，差異性顯著，處理ST1和ST4與CK差異不顯著；灌漿期，ST3較CK高12.08%，差異性顯著，而其余處理與CK間無顯著性差異；成熟期，各處理間差異性均不顯著。10～20 cm土壤含水率，玉米苗期，處理ST2、ST3和ST4分別較CK處理高7.77%、15.86%和6.27%，差異性顯著，但ST1與CK間差異性不顯著；拔節(jié)期處理ST2、ST3分別較CK高10.16%和19.66%，差異性顯著，而ST1、ST4與CK差異性不顯著；抽雄吐絲至灌漿期，ST2和ST3分別較CK高7.06%、13.51%和6.21%、10.04%，差異性顯著，ST1和ST4與CK無顯著性差異；成熟期，各處理間均無顯著性差異。由此可知，在一定的施用量范圍內(nèi)，生物炭可顯著提高玉米耕層土壤水分含量，且當(dāng)施用量達(dá)到 45 t/hm2時，即處理ST3增幅最為明顯。

圖1 不同施炭量條件下玉米各生育期耕層土壤含水率變化

2.2 不同施炭量對土壤肥力指標(biāo)的影響

由圖2不同處理條件下玉米各生育期土壤肥力指標(biāo)的變化可知，玉米苗期內(nèi)，土壤有機炭含量隨生物炭施用量的增加呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢，且均高于對照處理CK，ST1、ST2、ST3和ST4平均較CK增加15.74%～87.81%，差異性顯著；土壤速效磷、速效鉀和堿解氮含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且均以處理ST3增幅最大，平均較對照處理高85.88%、49.15%和48.53%，差異性顯著。拔節(jié)期，處理ST1、ST2、ST3和ST4土壤有機炭含量平均較CK增加18.08%～89.40%，差異性顯著；土壤速效磷、速效鉀和堿解氮含量均表現(xiàn)為處理ST3>ST2>ST4>ST1>CK，較CK處理最大增幅分別為101.29%、72.35%和64.31%，差異性顯著。抽雄期，土壤有機碳和速效鉀含量表現(xiàn)為處理ST4>ST3>ST2>ST1>CK，且最大增幅分別達(dá)到77.64%和59.73%，差異性顯著；土壤速效磷和堿解氮含量為處理ST3>ST2>ST4>ST1>CK，較CK處理最大增幅達(dá)到74.49%和56.56%，差異性顯著。灌漿期，土壤有機碳和速效鉀含量均隨施炭量的增加呈增加趨勢，且最大增幅分別達(dá)到88.46%和53.14%，差異性顯著，但此時ST3和ST4處理速效鉀含量差異性不顯著，而有研究表明，玉米生長中后期對鉀的吸收利用較其他元素處于更高的水平，因此此階段土壤中充足的鉀含量將有助于延緩玉米根系和枝葉的衰老，從而為玉米的高產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)[12,13]；土壤速效磷和堿解氮含量為處理ST3>ST2>ST4>ST1>CK，較CK處理最大增幅達(dá)到94.92%和50.70%，差異性顯著。成熟期，處理ST1、ST2、ST3和ST4土壤有機炭含量平均較CK增加19.98%～64.26%，差異性顯著；而速效磷、速效鉀和堿解氮含量整體表現(xiàn)為隨生物炭施用量的增加呈增加趨勢，且各處理較CK最大增幅達(dá)到106.40%、42.08%和44.49%，差異性顯著。

圖2 不同施炭量條件下玉米各生育期耕層土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化

2.3 不同施炭量對土壤溫度的影響

圖3為玉米全生育期內(nèi)不同時段各處理0～10 cm土壤平均溫度日變化情況，整體來看隨生物炭施用量的增加，土壤溫度呈現(xiàn)增加趨勢，整體表現(xiàn)為ST4>ST3>ST2>ST1>CK。且在玉米苗期內(nèi)各處里間差異尤為顯著，此階段處理ST4各時段土壤溫度顯著高于處理ST1、ST2、ST3和CK，且各處里間差異性顯著。拔節(jié)期以后，處理ST3和ST4間差異性不顯著，但均顯著高于其他各處理，且各施用生物炭處理明顯高于處理CK。說明施用生物炭可顯著提高耕層土壤溫度，且當(dāng)施用量達(dá)到一定值時增溫效果減弱。

圖3 不同施炭量條件下玉米各生育期耕層土壤溫度變化

2.4 不同施炭量對玉米產(chǎn)量指標(biāo)的影響

由表1可知，施用生物炭顯著提高了玉米各產(chǎn)量指標(biāo)，且以處理ST3增幅最為顯著，玉米穗長、穗粗、穗粒數(shù)和百粒重平均較對照處理CK高16.75%、16.08%、13.89%和10.82%。但隨施炭量的持續(xù)增加，增產(chǎn)幅度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，處理ST1、ST2、ST3和ST4分別較CK高11.05%、18.56%、22.46%和18.72%，差異性顯著，這也說明，在一定的生物炭施用量范圍內(nèi)，可顯著促進玉米產(chǎn)量的提高。

表1 不同生物炭施用量下玉米產(chǎn)量指標(biāo)對比

3 討 論

3.1 生物炭對玉米耕層土壤水分狀況的影響

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地處干旱半干旱地區(qū)，春季寒冷干旱，夏季高溫少雨，而適宜的土壤水分條件是保證種子萌發(fā)和玉米正常生長的基礎(chǔ)性條件[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤中施入一定量生物炭后有效提高了玉米耕層的土壤含水率，這在一定程度上緩解了玉米遭受干旱的脅迫，有利于玉米的生長發(fā)育，這一結(jié)論與呂一甲[15]和尚杰[16]等的研究結(jié)果相同。這一方面是由于生物炭本身具有多孔結(jié)構(gòu)的特征，同時具有較強的吸水性和吸附性，土壤中施入生物炭后，增強了土壤的持水能力；另外一方面，土壤中施入生物炭后，有效減小了土壤的體積質(zhì)量，增大了土壤的孔隙度，從而有利于土壤水分的保蓄。但研究發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期內(nèi)，當(dāng)生物炭施用量達(dá)到一定值后，繼續(xù)施加生物炭，土壤保水能力呈下降趨勢，這一研究與李昌見[4]和高海英[17]等的研究結(jié)論相同，這可能是由于過多的施炭量使得土壤的通氣孔隙增加過大，從而使得土壤蒸發(fā)強烈，持水保水能力減弱[18]。

3.2 生物炭對玉米耕層土壤肥力狀況的影響

土壤中含碳有機物質(zhì)含量越高則土壤越肥沃，這對于作物的生長和產(chǎn)量的提高具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期內(nèi)施用生物炭處理土壤有機碳含量顯著高于對照處理，且隨施炭量的增加而增加，這一結(jié)論與陳紅霞[3]、勾芒芒[19]和周桂紅[20]等的研究結(jié)果相同，這一方面是由于生物炭本身含碳量較高，平均在40%～75%，在微生物的分解作用下，增加了土壤有機質(zhì)含量；另一方面由于生物炭中的碳主要是通過熱解生成，且以惰性的芳香環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在，因為比較穩(wěn)定，難以分解，因此長期存在于土壤中。

氮、磷、鉀是玉米正常生長所必需的營養(yǎng)元素，本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，玉米全生育期土壤氮、磷、鉀含量均明顯高于對照處理，且大多達(dá)到了顯著性差異。這是由于生物炭具有比表面積較大的結(jié)構(gòu)特征，這也使得其具有較強的吸附能力，從而增強了對土壤中銨離子、鉀離子和磷及水溶性鹽離子等吸附能力，使其穩(wěn)定存在于土壤中，增強了保肥性能[21]。此外，施用生物炭后，增大了土壤的陽離子交換量，減少了降雨和灌溉等因素造成的土壤氮、磷、鉀的淋溶損失。但對比研究發(fā)現(xiàn)，整個生育期內(nèi)，當(dāng)生物炭施用量達(dá)到一定值后，土壤中氮、磷、鉀含量大多顯著降低，這一結(jié)果與李昌見[4]和高利華[18]等的研究結(jié)果相同，但具體原因有待于進一步研究。

3.3 生物炭對玉米耕層土壤溫度的影響

適宜的土壤溫度是保證作物正常生長和產(chǎn)量生成的重要因素，這主要是由于土壤溫度影響著根系的生長發(fā)育以及根系的活動和新陳代謝，從而直接影響其對養(yǎng)分的吸收利用[22]，并有學(xué)者研究得出了玉米生長的最適宜土壤溫度[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，全生育期內(nèi)隨施炭量的增加，土壤溫度越高，且均顯著高于對照處理，這一研究結(jié)果與李昌見[4]和朱冬梅[24]等的研究結(jié)果相同。這一方面是由于生物炭呈黑色，施入土壤后使得土壤顏色加深，這將有利于土壤更多的吸收太陽輻射，從而使得表層土壤溫度升高[25]；另一方面，由于生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)特征，為微生物的生存和繁殖提供了良好的環(huán)境，而微生物的生命活動會產(chǎn)生大量的熱，從而一定程度上提高了土壤溫度[18]。但對比發(fā)現(xiàn)，玉米拔節(jié)期以后，ST3和ST4處理間土壤溫度達(dá)到相近水平，這可能是由于此階段兩處理植株生長狀況相當(dāng)，遮陰效果相近，土壤顏色對太陽輻射的吸收效果影響減弱所致。

3.4 生物炭對玉米產(chǎn)量的影響

有研究表明，在一定施用量范圍內(nèi)，土壤中施入生物炭可顯著促進作物的生長發(fā)育，從而為作物的增產(chǎn)增收奠定基礎(chǔ)[26]。呂一甲[15]和張文玲[21]等通過研究施用生物炭對玉米產(chǎn)量的影響研究發(fā)現(xiàn)，由于土壤中施入生物炭，提高了土壤中的養(yǎng)分含量，玉米增產(chǎn)顯著。陳敏[27]等通過研究生物炭對烤煙種植的影響發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著提高了烤煙產(chǎn)量，同時品質(zhì)也得到了很大程度的提高。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后同樣提高了玉米產(chǎn)量，但當(dāng)施用量達(dá)到一定量后，增產(chǎn)效果呈減弱趨勢，與前人的研究結(jié)果相同。

4 結(jié) 論

(1)施用生物炭顯著提高了玉米全生育期耕層土壤含水率，但隨施炭量的增加增幅呈先增加后減小的趨勢，且當(dāng)施炭量達(dá)到45 t/hm2，增幅最大。

(2)施用生物炭顯著提高了玉米全生育期耕層土壤養(yǎng)分含量，隨施炭量的增加，有機碳呈顯著增加趨勢，而速效磷、速效鉀和堿解氮含量全生育期內(nèi)大多隨施炭量的增加呈先增加后減小的趨勢，且施炭量達(dá)到45 t/hm2時效果最為顯著。

( 3)施用生物炭顯著提高了耕層土壤溫度，且隨施炭量的增加呈持續(xù)增加趨勢，但當(dāng)施炭量達(dá)到45 t/hm2后增溫效果減弱。

(4)施用生物炭顯著提高了玉米產(chǎn)量指標(biāo)，但隨施炭量的增加呈先增加后減小趨勢，且施炭量為45 t/hm2增產(chǎn)效果最好，平均較CK增產(chǎn)22.46%。