2024, Vol. 61
2. 中国农业科学院农田灌溉研究所/中国农业科学院农业水资源高效安全利用重点实验室, 河南新乡 453002
2. Farmland Irrigation Research Institute, CAAS/ Key Laboratory of High-efficient and Safe Utilization of Agriculture Water Resources, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang, Henan 453002, China
重金属健康的土壤是保证粮食安全和农业可持续发展的基础。土壤理化性质是反映土壤健康的重要指标[1]。土壤物理性质影响作物生根深度、土壤通气、入渗、植物水分养分有效性和微生物活性，从而影响生产力。生物炭是生物有机材料在缺氧或绝氧条件下、经过高温热裂解后产生的含碳量极其丰富的黑色有机物[2]。它含有大量的有机质和作物生长所需的营养元素[3-4]，且具有较多的微孔和较大的比表面积，施用后不仅能增加土壤温度[5]、提升土壤持水能力，还可促进作物生长。但是，过量施用会对水土环境造成危害，导致产量降低及品质下降[6]。近年来，兼具滴灌和覆膜种植技术优点的膜下滴灌技术已被广泛应用于新疆地区，取得了丰硕的经济效益，但应用多年后土壤质量并没有提升[7-9]。因此，针对农业生产实际和不同作物情况，将生物炭与膜下滴灌有机结合，达到改善农田土壤理化性质的目的，对西北旱区农业可持续发展极为重要。
研究表明，由于生物炭自身的容重显著低于土壤容重，施用后可降低8%~11%左右的土壤容重[10-12]。生物炭施用量也是降低土壤容重的主要因素之一。如刘祥宏[13]、Laird等[14]研究发现，与不施生物炭相比，施加生物炭可降低0~20 cm层的土壤容重，且生物炭施用量越高容重降低越显著。施用生物炭也影响土壤温度。生物炭呈黑色，添加后使土壤颜色变深，可削弱地表反射率[15]，降低土壤热导率和热扩散率[16-19]，调节和改善土壤温度[20]，缓解温度胁迫[17]。据报道，在非洲加纳的木炭生产窑周围，由于散落大量的黑色木炭，使周围土壤颜色变深，导致地表温度升高4%[21]。李昌见等[16]开展了野外种植番茄试验，发现与不施加生物炭相比，生物炭处理可使地表温度增加31.3%~58.1%，生物炭施用量与土壤温度之间具有显著的正相关关系。Ventura等[22]认为，施用生物炭提高表层土壤温度，但对7.5 cm深度的土壤温度无显著影响。添加生物炭使土壤容重降低，土壤热导率和热扩散率也随之降低，这是其影响土壤温度的重要原因[23-25]。然而，前人的研究对生物炭影响土壤温度的研究结论不一致，也没有详尽地分析生物炭施用量如何作物出苗率，更未涉及出苗率与土壤容重、温度和有机碳等土壤理化性质之间的关系。
棉花和甜菜是新疆地区重要的经济作物和糖类作物，目前新疆棉花和甜菜的产量分别为512.9万吨和515.9万吨，其中棉花产量占全国棉花产量近九成（国家统计局，2018—2021）。农业技术水平对作物产量和经济效益影响巨大，也影响当地的社会经济发展。然而，施用生物炭究竟如何影响新疆棉花和甜菜地土壤理化性质和作物生长，目前没有定论。为揭示不同生物炭施用量对棉花和甜菜根区土壤理化性质及作物出苗率的影响，本文以南疆旱区盐碱地为研究对象，通过设计不同的生物炭施用量开展田间试验，结合观测数据，对生物炭施用量变化情况下的土壤容重、土壤温度、土壤有机碳、作物出苗率变化规律进行分析，并进一步量化出苗率和土壤理化性质的关系，从而基于生物炭改善土壤理化性质和作物出苗率的效应，提出生物炭最佳施用策略。研究成果可为旱区农田施用生物炭和种植管理提供依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况在新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州的尉犁县31团2连（40°53′03″N，86°56′58″E）开展田间试验。该区属孔雀河和塔里木河的冲积平原，地势平缓，平均海拔高度990 m。该区昼夜温差和温度的年际变化大，冬寒夏热，干旱少雨，光热资源充足。多年平均气温为10.9 ℃，日照时数为2 942 h，年降水量为34 mm，无霜期为180~220 d，蒸发量为2 417 mm，属于典型的北温带大陆性干旱荒漠气候。
1.2 试验方案于2018年和2019年开展了田间小区试验。在2018年播种前，采集不同深度（0~100 cm）的土壤样品，将其风干，过2 mm筛，利用Malvern激光粒度分析仪（Mastersizer 2000）测定土壤的黏粒、粉粒和砂粒含量。根据美国农业部土壤质地分类标准[26]，0~50和50~100 cm的土壤质地分别为粉质壤土和砂土。0~100 cm土层土壤的初始理化性质、饱和含水率、田间持水量及凋萎系数详见表 1。
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表 1 试验区0~100 cm土壤基本理化性状 Table 1 Physical and chemical properties of the soils at the depth range of 0~100 cm in the experimental field |
自中国郑州永邦新能源装备科技有限公司购置了生物炭。该生物炭是以棕榈果枝为原料，在缺氧条件下经高温（500~600℃）热裂解后产生的富碳有机物。生物炭的电导率为11.0 mS∙cm–1，有机碳含量为472.2 g∙kg–1，pH为7.6，比表面积为116.6 m2∙g–1，容重为0.5 g∙cm–3，粒径小于2 mm。
2018年和2019年的田间试验均设置4个生物炭水平，两年添加量均为0、10、50和100 t∙hm–2，处理名依次为B0、B10、B50和B100。播种前通过旋耕机按不同小区将生物炭与表层0~30 cm的土壤混合。B10、B50和B100处理的生物炭与土壤的质量比分别为0.22%、1.10%和2.20%。每个处理重复3次，每个试验小区面积为6 m×6 m，采用完全随机区组设计。棉花品种为新陆中66号，甜菜品种为德甜7号。先后于2018年4月16日和2019年4月20日机器播种，两年收获日期均为9月24日。参考当地经验，在上一年冬季（11月左右）进行漫灌，灌水量为300 mm，对土壤盐分进行淋洗。棉花采用“一膜两管四行”的方式种植，甜菜采用“一膜两管三行”的方式种植。棉花和甜菜的田间试验布置见图 1。
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图 1 田间小区试验布置 Fig. 1 Experimental layout of field plot |
所有棉花和甜菜试验小区均实行统一的膜下滴灌灌溉和施肥制度，灌水下限为田间持水量的60%。2018年及2019年生育期内（6—8月）进行11和10次膜下滴灌，灌溉总量均为260 mm。每年施尿素（N≥46%）450 kg∙hm–2、磷酸二铵（N≈18%，P2O5≥46%）265 kg∙hm–2以及钾肥（K2O ≥52%）100 kg∙hm–2。两年度棉花—甜菜膜下滴灌的灌溉制度见表 2。
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表 2 2018—2019年棉花-甜菜膜下滴灌的灌溉制度 Table 2 Irrigation schedules of plastic-film mulched drip irrigation for cotton and sugar beet in the years 2018—2019 |
于2018—2019年的棉花和甜菜生长季，在膜间和覆膜（窄行）的中间位置安装直角地温计（购于中国河北省武强县红星热工公司）。在棉花和甜菜苗期到收获期，每天8:00、14:00和20:00记录各生物炭施用量下膜下和膜间5、10、15、20和25cm地温，每个处理重复3次。取3次重复在3个时刻的地温平均值进行分析。此外，在作物不同生育期进行土壤取样，采用重铬酸钾氧化—外加热法测定土壤有机碳含量。
表 3列出了2018年和2019年棉花和甜菜生育期开始的日期。
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表 3 棉花和甜菜的生育期 Table 3 Growth periods of cotton and sugar beet |
2018年和2019年作物生育期平均气温分别为23.5和24.1 ℃，降水量分别为22.1和20 mm，平均风速为1.32和0.81m∙s–1，平均太阳辐射分别为227.5和265.2 w∙m–2。图 2对比了生育期气温和太阳辐射波动规律。
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图 2 棉花生育期气温和辐射波动规律 Fig. 2 Air temperature and solar radiation fluctuations during cotton growth periods |
2018年和2019年期间，0~10、10~20和20~30 cm层的土壤容重变化范围分别为1.23~1.62、1.22~1.65及1.27~1.54 g∙cm–3（图 3）。随生物炭施用量增加，棉花和甜菜0~10 cm和10~20 cm深度的土壤容重显著降低，20~30 cm深度的土壤容重在部分施用量下显著降低；其中棉花2018年和2019年容重降幅分别为0~0.26和0.01~0.32 g∙cm–3，甜菜2018年和2019年容重降幅为0.08~0.22和0.04~0.25 g∙cm–3。理论上2019年土壤容重应低于2018年，但由于耕作、灌溉、取样位置和管理等多种因素的影响，田间土壤容重具有一定的空间变异性，因此出现部分深度和施用量下2019年容重高于2018年的现象。
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图 3 不同深度土壤容重随生物炭施用量的变化 Fig. 3 Soil bulk density change with biochar application rates at different depths |
地温变化受土壤性质、地面覆盖材料和覆盖度、植被生长及冠层覆盖、灌水量和灌水时间、作物类型和品种等因素的综合影响。为分析地温在不同深度的变化，表 4列出了2018—2019年棉花覆膜及不覆膜不同深度地温的统计特征值。与5 cm相比，10~15 cm深度下最高、最低和平均地温大多具有显著差异，当深度大于20 cm地温的差异大多不显著。在20 cm以上的土层范围覆膜并未最高地温提高，但最低地温提高了（15 cm除外），提高幅度0.2~1.9℃不等。
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表 4 2018—2019年膜下和膜间地温在不同深度的统计特征 Table 4 Soil temperature statistic under mulching and no mulching at different depths in years 2018—2019 |
表 5列出了2019年不同生物炭施用量下5 cm土层地温在棉花生育期的变化规律。
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表 5 不同生物炭施用量下5 cm土层地温随棉花生育期的变化 Table 5 Soil temperature at 5 cm depth during the cotton growth period for different biochar application rates |
表 5中，棉花各生育期膜下地温整体高于膜间，覆膜增温幅度为0~3.9℃，收获期增温变幅差异较大。与B0相比，施用生物炭的三个处理下棉花各生育期地温大多具有显著差异，但三个施用量下棉花各生育期的地温大多差异不显著。B100较B0处理显著提高了棉花和甜菜不同生育期的5 cm地温，但10及50 t∙hm–2施用量只显著提高了棉花蕾期和铃期的5 cm地温。
为对比地温随深度和覆膜的变化规律，图 4绘出了2018年和2019年B0处理的膜间和膜下5~25 cm土壤温度在棉花生育期的变化规律。由图可知：（1）5 cm地温整体更高，波动较其他深度更剧烈。随深度增加，地温呈整体降低趋势。（2）同条件下2018年、尤其25 cm的地温整体上较2019年低。（3）地温在不同条件下的变幅（最高和最低值的差）为17.0~32.3℃，均值为23.8℃，其两年的具体变化范围有所不同。
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图 4 棉花生育期膜下和膜间5~25 cm地温的变化 Fig. 4 Soil temperature of 5 to 25 cm under mulching and no mulching during the cotton growth period |
图 5对比了2018年和2019年棉田不同生物炭施用量对膜下（窄行）和膜间5 cm地温变化过程。由图可知：（1）不同生物炭施用量处理下，从棉花苗期到棉花现蕾前期，膜间和膜下窄行不同深度处地温呈增加趋势，在播种后第65天左右达到生育期峰值，这可能是由于苗期气温和太阳辐射呈波动式升高（见图 2），同时棉花的叶面积和株高均较低对地温影响不大造成的。（2）B0处理的地温整体较低；生物炭施用量越大，地温越高。（3）播种第65天后气温逐渐上升，但地温逐渐降低，这主要是由于棉花的叶面积逐渐增加所致。进入棉花花期、铃期和吐絮期时，地温先趋于平稳，随后逐渐下降，这主要是由于棉花郁闭度增加所致。
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图 5 2018—2019年不同生物炭施用量下棉田5cm深度地温随生育期的变化 Fig. 5 Soil temperature change of 5cm at different biochar application rates during the 2018—2019 cotton growth periods |
由于上述结果表明生物炭施用量、深度和覆膜均对地温有不同程度的影响，因此取地温变化最大的5 cm深度，在膜下和膜间、B0处理和施量最大的B100处理的棉田地温在生育期变化过程进行对比（图 6）。图 6表明，除前期地温存在时间上的变异外，棉花整个生育期内覆膜的增温效应非常明显，且当生物炭施用量增加时，覆膜的增温效应被放大，但作物生育后期，尤其接近收获期时，生物炭对膜下地温的增加效应减弱，即使最大生物炭施用量对地温也不再有提升作用。这是因为棉花枝叶繁茂时对地面的遮盖度大，导致地面吸收太阳辐射减少、覆膜和生物炭的增温效应弱化。
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图 6 覆膜和施用生物炭对棉田5 cm深度地温的综合效应 Fig. 6 The overlapped effects of plastic mulching and biochar application on 5 cm soil temperature during the cotton growth period |
为对比覆膜和生物炭添加对甜菜地温的影响，选取2019年甜菜生育期5 cm深度下、不同生物炭施用量处理（B0、B10、B50和B100）的膜间和膜下地温随播后天数作图（图 7）。由图 7可知，与棉花类似，覆膜和施用生物炭对甜菜地温也有提升作用。但由于作物类型和品种不同，且受土壤属性时空变异的影响，甜菜2018年和2019年不同生物炭施用量下、膜间温度变化范围较膜下更大，分别为20.8~39.0℃和21.6~36.4℃。甜菜生育期地温的差异主要在中后期，此外，生物炭施用量增加也对地温提升起重要作用，尤其B100处理的地温无论在膜下还是膜间整体上均处于高值。
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图 7 覆膜和施用生物炭对5 cm深度甜菜地温的影响 Fig. 7 Soil temperature at 5 cm depth affected by plastic mulching and biochar applications in the sugar beet field |
表 6列出了2019年生物炭对甜菜生育期5 cm地温的影响。甜菜的不同生育期膜下地温不低于膜间地温，膜下增温幅度为0~3.6℃。施用生物炭对地温的影响在作物生长前期没有后期显著，B100处理的地温并不总是比B0表现出显著差异。此外，与棉花相比，覆膜对甜菜田不同生育期的增温效果更优。这可能与甜菜和棉花植株对地面的覆盖度不同有关。尤其在春季地温较低的作物生长前期，甜菜的叶片遮盖度更高，结合覆膜的影响，增温效应更显著。
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表 6 不同生物炭施用量下地温随甜菜生育期的变化 Table 6 Soil temperature variations during the sugar beet growth period for different biochar application rates |
图 8展示了施用生物炭对作物苗期和收获期土壤有机碳含量的影响。图 8表明，有机碳含量的增加幅度大致上与生物炭施用量一致。施用生物炭在棉花苗期和收获期均使土壤有机碳含量增加，其中2018—2019年棉花和甜菜（不区分年份和生育期）的土壤有机碳增幅分别为0.98~13.2 g∙kg–1和0.66~12.1 g∙kg–1；苗期和收获期（不区分年份和作物）增幅分别为1.20~7.43 g∙kg–1和0.66~13.2 g∙kg–1。其中苗期增幅较均匀，且与不施用相比，生物炭施用量为10、50和100 t∙hm–2时，土壤有机碳均显著增加。收获期土壤有机碳含量在50和100 t∙hm–2施用量下显著增加，2018年棉花和2019年甜菜有机碳在10 t∙hm–2施用量下增加不显著。收获期土壤有机碳含量变化大，是因为棉花的生理生态生长及形成产量的过程要消耗有机碳。
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图 8 生物炭施用量对棉花和甜菜苗期和收获期土壤有机碳含量的影响 Fig. 8 Effects of biochar application rate on soil organic carbon content at cotton/sugar beet seedling/harvest stages |
随生物炭施用量变化，2018年棉花和甜菜的出苗率在10 t∙hm–2的施用量下达到最高值，B0处理的作物出苗率居第二，其次为50和100 t∙hm–2（图 9）。与B0相比，不同施用量下2018年棉花和2019年甜菜的出苗率具有显著差异，但2018年甜菜和2019年棉花在施用量为50和100 t∙hm–2时差异不显著。两年期间出苗率大致依生物炭施用量10、0、50及100 t∙hm–2的顺序递减。施用量高值下（50及100 t∙hm–2）作物出苗率均较B0低，表明适宜作物生长的生物炭施用量不宜高于50 t∙hm–2。
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图 9 2018—2019年棉花和甜菜出苗率的变化规律 Fig. 9 Germination rate variations of cotton and sugar beet during the year 2018—2019 |
为分析作物出苗率随容重变化规律，将2018年和2019年棉花和甜菜的出苗率随不同深度的容重、不同生育期的地温及土壤有机碳含量的变化及其回归方程作图（图 10），当p < 0.05时回归关系显著。
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图 10 棉花和甜菜出苗率随土壤容重、土壤温度和土壤有机碳变化规律 Fig. 10 Variations of germination rates of cotton and sugar beet with soil bulk density, soil temperature and soil organic carbon |
图 10表明：（1）棉花和甜菜的出苗率基本随土壤容重增加而平缓增加（图 10a和图 10 b，不同点据代表不同深度）。（2）对比2018年和2019年度棉花出苗率随覆膜和膜下土壤温度（不同生育期平均值）变化规律可知（图 10c和图 10 d），土壤温度高于26℃时，棉花出苗率明显下降（0.5~0.7）；而土壤温度在22℃~26℃时，棉花出苗率基本高于0.7。覆膜时出苗率随土壤温度的变化较不覆膜的更平稳、波动小。（3）2018年和2019年作物出苗率随苗期和收获期土壤有机碳含量的变化关系表明（图 10e和图 10f），当土壤有机碳含量小于6 g∙kg–1时（对应生物炭施用量10 t∙hm–2），棉花和甜菜的出苗率均高于0.7；而土壤有机碳含量增加、即生物炭施用量增加时，棉花出苗率随之下降。该结果与图 10a、图 10b一致，均表明生物炭施用量不宜过高，否则可能降低作物出苗率，影响经济效益。（4）出苗率与特定土壤属性的关系可分别用二次函数和线性关系表达。其中仅棉花出苗率与容重和不覆膜地温、甜菜出苗率和收获期土壤有机碳的回归关系显著，决定系数R2分别为0.431、0.463和0.58，其他情况下回归关系均不显著。
3 讨论 3.1 生物炭对土壤理化性质的影响生物炭作为一种有效的土壤改良剂，可显著降低土壤容重并增加孔隙度[27]。土壤性质的改善归因于：（1）生物炭含有较高的有机质含量，可稀释土壤矿物组分[5]；（2）生物炭含有大量的纳米孔和微孔，密度低，可稀释土壤体积，降低土壤容重[28]，可提高团聚体稳定性，增加总孔隙体积[11]。本研究发现，与对照相比，生物炭显著降低了0~30 cm土层的容重。因此，施用生物炭是改善土壤容重的有效措施。
以往研究表明，由于生物炭为黑色颗粒物质，添加到土壤中后可使土壤颜色变深，降低土壤反射率，提高日平均土壤温度和土壤积温[18]，提升土壤的热量储存[20]。本研究表明，与不施加生物炭处理相比，棉花和甜菜田施用生物炭可显著提高5~25 cm土层的温度。本研究部分情况下膜间地温高于膜下位置（表 4），这可能是田间土壤属性空间变异性所致。
由于作物类型不同，即使在相同的灌溉、施肥、生物炭施用情况下，由于根系和冠层的不同反馈作用[29]，棉花和甜菜的地温也有一定的差异，作物的生长发育和水分养分的吸收对地温也起到一定的反馈作用。本研究中，与棉田相比，甜菜田间0~5、5~10、10~15、15~20和20~25 cm层的温度显著较高。这是因为与棉花相比，甜菜株高较低，甜菜的叶面覆盖仅仅在覆膜区，膜间郁闭度低。此外，田间土壤的颗粒含量、水分等有一定差异，地温的观测在小区的位置是固定的，无法兼顾空间变异性的影响，因此观测到一部分甜菜地温高于棉花地温。
3.2 生物炭对作物出苗率的影响作物出苗率受多种环境因素的影响，包括土壤调理剂、播期地温、作物品种、种植模式等。以往研究表明，生物炭施用量过高，在影响地温、容重和有机碳的同时，也对棉花和甜菜的出苗率有影响。生物炭施用量增加时，有机碳含量也相应增加，但并不利于作物出苗。在生物炭施用量为0~5.4%（质量分数）时影响碱性砂质土壤中种植的小麦出苗及幼苗生长[30]，每盆施用1~4 g生物炭情况下白桦种子出苗率与幼苗生长[31]均呈现出不同程度的抑制作用。碱性土中施用生物炭提高了土壤电导率，从而抑制小麦出苗和幼苗生长。本研究表明，施用生物炭改变了地温、容重和有机碳含量，影响了棉花和甜菜的出苗率。甜菜和棉花出苗率存在差异，不仅和田间实际存在的地温、容重和有机碳含量的空间变异性有关，也和作物类型和品种有关。此外，当生物炭施用量为10 t∙hm–2时，棉花和甜菜的出苗率不低于0.7，出苗效果最优。因此，推荐最适宜生物炭施用量为10 t∙hm–2。
4 结论气温和辐射的波动直接影响生物炭施用后的地温波动。生物炭施用量增加，两年度棉花和甜菜田0~30 cm层的土壤容重显著降低，有机碳含量依次增加。施用生物炭提高了棉花生育期5~25 cm层的温度，且地温随着生物炭施用量的增加而增加，导致0~5 cm层土壤温度的差异较深层更显著。棉花和甜菜的出苗率随土壤容重增加而增加，随地温增加基本呈先增加后降低的趋势，最适宜作物出苗的温度范围为22℃~26℃。生物炭施用量增加导致的土壤有机碳含量增加抑制了作物出苗。生物炭施用量大于10 t∙hm–2时，棉花和甜菜的出苗率均低于不施用生物炭的处理。而在四个处理中，生物炭施用量为10 t∙hm–2时棉花和甜菜的出苗率最高、且不低于0.7，因此推荐10 t∙hm–2为农田最佳的生物炭施用量。
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