2018, Vol. 24 
doi: 
2. 山西大学生物工程学院，太原 030031;
3. Department of Plant & Soil Sciences, West Virginia University, Morgantown, WV 26506-6108, USA
2. School of Biological Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030031, China;
3. Department of Plant & Soil Sciences, West Virginia University, Morgantown, WV 26506-6108, USA
生物炭是作物秸秆、废弃物等有机物料在低氧或无氧条件下通过热裂解形成的固体产物，具有碳丰富且稳定、孔隙度高、表面积大等特性[1]。近年来，生物炭的农业利用研究备受国内外的关注[2–4]。研究表明，生物炭应用到土壤中，能够提高碳在土壤中的封存时间，增加土壤有机质含量，改善土壤理化性质[2]，增加土壤pH值、电导率和盐基饱和度等[3]，提高土壤养分吸持容量，延缓肥力的释放，降低肥料和土壤养分的淋失[4–6]。然而，生物炭对作物的作用效果受生物炭类型、施用量、土壤类型和植物种类等因素的影响较大[7–8]。已有研究表明，施用生物炭能促进作物根系生长、增加作物产量和改善粮食品质[9–11]，且与肥料配合施用效果更好[12]。但是，也有负面影响的研究报道，施用生物炭抑制了植物生长、减少了产量[13–14]。
高粱是仅次于小麦、水稻、玉米和大麦的全球第五大作物，具有耐热、耐旱、耐涝、耐贫瘠和耐盐碱等特性，主要在干旱、半干旱、盐碱地和贫瘠地区种植，广泛应用于酿造业和生物能源等领域[15]。山西省是我国高粱生产的主要省区之一，年种植面积达到6.67万公顷左右，占全国高粱种植面积的1/10[16]。山西省也是我国传统酿造业大省之一，以高粱为主要原料酿造汾酒和老陈醋是重要的国民经济支柱产业[16]。但是，由于水资源短缺和土壤肥力低下，高粱产量普遍偏低，高粱种植面积持续下降[16]，严重制约了该区域经济的发展。
近年来，已有研究表明秸秆生物炭能够提高土壤水分有效性，促进干旱胁迫条件下 (相对含水量45% ± 5%) 高粱种子发芽和幼苗生长[17]。但是，该研究并未分析其对植物养分吸收的影响。由于高粱主要种植于低产田或边缘土壤中[16]，秸秆生物炭是否通过影响土壤养分状况和高粱营养元素的吸收，从而促进幼苗的生长，还需进一步分析。此外，水分作为干旱区作物生长的主要限制因子之一，其含量影响土壤养分的释放、迁移和被作物吸收利用的程度[18–19]。因此，生物炭对土壤养分有效性以及植物营养元素吸收的影响可能与水分条件密切相关。本研究通过盆栽试验，研究不同水分条件下秸秆生物炭对高粱养分含量和土壤化学性质的影响，从土壤和作物两方面评价不同水分条件下秸秆生物炭对高粱生长的作用效果，为秸秆生物炭在旱区农业应用提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土壤采自山西省农业科学院东阳试验基地0—20 cm耕层，土壤类型为石灰性褐土，质地为砂质粘壤土，砂粒57.9%、粉粒22.3%和黏粒19.8%，pH值8.30、电导率0.16 mS/cm、有机质5.73 g/kg、全氮0.51 g/kg、有效磷3.28 mg/kg、速效钾83.82 mg/kg。土壤田间持水量为23.14%，测定方法采用环刀法[17]。将土样装入内径21cm、深18 cm的盆中，共3盆；每隔1周向各盆补充等量水使土体自然沉实并熟化，约1个月后将各盆表土铲平，垂直向下每盆各取１个环刀样；将环刀底部用纱布包好，置于深盘中，加水至环刀上沿边，待土体吸收饱和后取出，放到用相同土样填装的另一环刀上，两者用滤纸隔开，使土体排出重力水8小时，称重；在105℃恒温下将环刀样烘至恒重，称重；最后计算土壤田间持水量。供试秸秆生物炭由山西省工霄商社生产，为玉米秸秆在约450℃微氧环境下炭化而成，其pH值10.22、EC值10.97 mS/cm、全碳369.9 g/kg、全氮6.56 g/kg、有效磷690 mg/kg、速效钾4933 mg/kg、阳离子交换量59.20 cmol/kg。供试作物为高粱，品种为‘晋杂34号’，由山西省农业科学院高粱研究所提供。
1.2 盆栽试验设计试验在山西省农业科学院日光温室进行，采用水分和生物炭添加量双因素完全随机试验设计。设3个水分处理：正常供水 (W1，田间持水量的85%)；轻度胁迫 (W2，田间持水量的65%)；重度胁迫 (W3，田间持水量的45%)[20]。5个秸秆生物炭添加量，分别占土壤干重的0 (C0)、0.5% (C0.5)、1% (C1)、3% (C3) 和6% (C6)。共15个处理，每个处理重复6次。
将土壤与秸秆生物炭分别过2 mm筛，按不同比例充分混匀，作为基础土样。各处理Ｎ (0.2 g/kg)、P2O5 (0.15 g/kg) 和K2O (0.15 g/kg) 以尿素、磷酸二氢钾和硝酸钾供给，在装盆前与土壤充分混匀。试验用盆内径21 cm，深18 cm，每盆装土壤混合样4 kg。装盆后每盆补充等量水分使土壤熟化3周。2014年4月15日播种，每盆播20粒催好芽的种子。4月22日出苗，出苗后10天和33天分两次间苗，最终每盆留苗4株，出苗后70天收获。播种到出苗期间维持土壤含水量在田间持水量的85%。出苗后待不施用秸秆生物炭 (C0) 的处理水分蒸发至设定含水量后，每天通过称重法进行补水。不同水分条件下，添加秸秆生物炭处理的补水量与C0处理相同。
1.3 样品采集与测定高粱出苗后70天测定株高，采集地上部生物量 (茎和叶)，清洗干净后放入烘箱在105℃杀青，65℃下烘干 48 h 称干重，记录生物量。样品中氮含量用浓硫酸–双氧水消煮，全自动凯氏定氮仪测定；磷含量用硝酸–高氯酸消煮，钼锑抗比色法测定；钾含量用硝酸–高氯酸消煮，火焰光度计测定；Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量用硝酸–高氯酸消煮，用原子吸收分光光度计测定[8]。
采集基础土样和高粱收获后土样，风干后过2 mm筛。土壤pH值 (土水比1∶2.5) 采用酸度计测定；土壤EC (土水比1∶5) 采用电导率仪测定；全氮采用浓硫酸消煮，全自动凯氏定氮仪测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗试剂显色，紫外可见分光光度计于700 nm处比色测定；速效钾采用乙酸铵浸提，火焰光度法测定；土壤交换性Ca和交换性Mg采用乙酸铵浸提，原子吸收分光光度计测定；有效Fe、Mn、Cu、Zn采用DTPA浸提，原子吸收分光光度计测定[8]。
1.4 统计与分析采用 Microsoft Excel 2013 整理数据，用 SPSS 20软件进行单因素方差分析和相关性分析，用最小显著性差异法 (LSD) 分析不同处理间在P < 0.05水平的差异显著性。
2 结果与分析 2.1 添加秸秆生物炭对土壤性质的影响添加秸秆生物炭后，基础土样盐分、pH和养分含量都发生了不同程度的改变 (表1)。随着秸秆生物炭施用量的增加，土壤EC增加，增幅为98.7%～864.5%；添加3%和6%秸秆生物炭，土壤pH值显著增加0.18和0.27。添加秸秆生物炭显著增加了土壤有效磷、速效钾和有效锌含量，而对土壤全氮、交换性钙、交换性镁、有效锰和有效铜含量的影响不显著。与不添加秸秆生物炭相比，添加秸秆生物炭后土壤有效磷、速效钾和有效锌含量分别增加33.4%～579.9%、354.2%～6041.7%和55.6%～252.0%，说明供试秸秆生物炭含有较高的磷、钾和锌。
| 表1 添加生物炭后基础土壤性质 Table 1 Soil basic properties after the application of straw biochar |
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随着水分含量的减少，高粱生物量和株高显著降低 (表2)。与正常供水 (W1) 相比，轻度胁迫 (W2) 和重度胁迫 (W3) 处理下高粱生物量平均降低了33.3%和68.8%，株高降低了8.8%和28.2%。秸秆生物炭对高粱生物量和株高影响显著，与C0处理相比，C3和C6处理下高粱生物量分别降低53.2%和63.3%，株高分别降低16.6%和25.7%，表明过量施用秸秆生物炭会抑制高粱的生长。在不同水分条件下，秸秆生物炭对高粱生物量的影响不同。在W1和W2水平，C0.5处理对高粱生物量的影响不显著，而在W3水平，C0.5处理显著增加了高粱生物量，增幅为26.9%，表明在重度干旱胁迫条件下，添加0.5%秸秆生物炭能够增加高粱生物量。
| 表2 不同水分条件下秸秆生物炭对高粱生物量和株高的影响 Table 2 Effects of the straw biochar application on sorghum biomass and height under different water treatments |
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由表3可知，不同水分条件下，高粱氮含量没有显著的差异；秸秆生物炭降低了高粱氮含量，C3处理下高粱氮含量较C0处理显著降低了16.6%。水分处理对高粱磷和钾含量有显著的影响。W3处理下高粱磷含量较W1平均降低23.7%；秸秆生物炭降低了高粱磷含量，C3和C6处理下高粱磷含量较C0显著降低了31.8%和27.0%。W2和W3处理下高粱钾含量较W1显著增加了13.1%和10.6%；随着秸秆生物炭用量增加，高粱钾含量增加，C6处理下高粱钾含量较C0显著增加了115.9%。
| 表3 不同水分条件下秸秆生物炭对高粱氮、磷、钾含量的影响 Table 3 Effects of straw biochar and soil moisture on sorghum N, P and K concentrations |
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水分处理对高粱Ca含量的影响显著 (表4)，W3处理高粱Ca含量较W1平均增加22.5%；添加秸秆生物炭的处理下高粱Ca与C0均没有显著的差异；不同水分条件下，秸秆生物炭对高粱Ca含量的影响不同，在W1水平，C6处理下高粱Ca含量较C0显著增加了33.6%；在W2和W3水平，C6处理下高粱Ca分别降低了27.3%和48.0%。水分处理对高粱Mg含量没有显著的影响，秸秆生物炭显著降低了高粱Mg含量。与C0处理相比，C3和C6处理下高粱Mg含量分别降低8.8%和9.9%。
水分处理对高粱Fe和Cu含量没有显著的影响，对Mn和Zn影响显著 (表4)。W3处理下高粱Mn和Zn含量比W1处理平均增加45.2%和45.9%。秸秆生物炭对高粱Fe和Mn影响显著，同时作用效果与水分条件有关 (表4)。在W1和W2水平，秸秆生物炭的施用增加了高粱Fe含量，降低了Mn的含量；在W3水平，高粱Fe含量随秸秆生物炭施用量的增加呈先增加后降低的趋势，高粱Mn含量在不同秸秆生物炭添加量下均有所增加。秸秆生物炭的施用增加了高粱Zn含量，C0.5、C1、C3和C6处理下高粱Zn含量较C0显著增加50.8%、56.5%、45.7%和89.2%。
以上结果表明，水分条件影响高粱对P、K、Ca、Mn和Zn的吸收，表现为随着水分含量的减少，高粱P含量降低，K、Ca、Mn和Zn含量增加。秸秆生物炭的施用，增加了高粱K和Zn含量，但是过量施用 (3%和6%) 会降低高粱N、P和Mg含量。秸秆生物炭对高粱Ca、Fe和Mn含量的影响与水分条件有关。在干旱胁迫条件下，施用秸秆生物炭降低了高粱Ca含量，提高了Mn含量；在正常供水条件下，秸秆生物炭增加了植株体内Ca和Fe含量，降低了Mn含量。
| 表4 不同水分条件下秸秆生物炭对高粱中、微量元素含量的影响 Table 4 Effects of straw biochar and soil moisture on secondary and trace element concentrations of sorghum |
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作物收获后，不同水分条件下土壤EC平均值在1.42～1.47 mS/cm之间，没有明显的差异 (表5)；秸秆生物炭对土壤EC影响显著，C3和C6处理下土壤EC较C0平均增加37.2%和101.2%。不添加秸秆生物炭时，不同水分条件下土壤pH值在8.17～8.21之间，差异不明显；添加秸秆生物炭后，W3水平土壤pH值明显高于W1和W2 (表5)，说明在添加秸秆生物炭的情况下，水分含量的增加有利于降低土壤pH值。相同水分条件下，C3和C6处理下土壤pH值较C0显著降低0.10和0.11个单位，表明秸秆生物炭的施用能够降低土壤pH值。同时，在不同水分条件下，秸秆生物炭对土壤pH值的影响不同。在W1和W2水平，C3和C6处理下土壤pH值均显著低于C0；而在W3水平，添加秸秆生物炭的各处理下土壤pH值与C0均没有显著的差异，说明在水分供应相对充足的条件下，更有利于秸秆生物炭对土壤pH值的调节。
不同水分和秸秆生物炭处理下，土壤全氮含量均没有显著的差异 (表5)。随着水分含量的减少，土壤有效磷含量增加。W3水平下，土壤有效磷的含量显著高于W1和W2，增幅分别为17.8%和13.8%。秸秆生物炭对土壤有效磷的影响较为复杂，与C0相比，收获后C0.5、C1处理下有效磷含量显著降低16.8%、18.0%，而C3和C6处理下有效磷变化不显著；与基础土样 (表1) 相比，收获后C0.5和C1处理下土壤有效磷含量有所升高，而C3和C6处理下土壤有效磷有所降低 (表5)，说明秸秆生物炭对土壤有效磷的影响与施用量和采样时间都有很大的关系。不同水分处理下，土壤速效钾含量没有明显的差异。秸秆生物炭对土壤速效钾的影响显著，随着施用量的增加，速效钾含量显著增加，增幅为1.58～34.47倍。
| 表5 不同水分条件下秸秆生物炭对土壤化学性质及养分含量的影响 Table 5 Effects of the straw biochar application on soil chemical properties and nutrient contents under different water treatments |
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作物收获后，土壤交换性镁、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌的含量较基础土样都有不同程度的降低 (表1、表6)，这一方面与作物吸收有关，另一方面也说明石灰性褐土对Mg、Fe、Mn、Cu和Zn的吸附固定能力较强。
不同水分条件下，土壤交换性钙和交换性镁的含量没有明显的差异 (表6)，表明土壤交换性钙和镁含量受水分的影响较小。秸秆生物炭对土壤交换性钙的含量没有显著的影响，而对土壤交换性镁的影响显著。在相同水分条件下，施用秸秆生物炭降低了土壤交换性镁含量，其中C3和C6处理下土壤交换性镁含量显著低于C0，降幅分别为18.0%和49.4%。
水分条件对土壤有效铁含量没有显著的影响，秸秆生物炭降低了土壤有效铁含量 (表6)。与C0相比，C0.5、C1、C3和C6处理下土壤有效铁含量分别降低44.0%、51.2%、62.9%和77.6%。不同水分条件下，土壤有效锰含量没有显著的差异。秸秆生物炭的施用降低了土壤有效锰含量，其中C3和C6处理下土壤有效锰含量较C0显著降低24.7%和40.2%。不同水分和秸秆生物炭处理下，土壤有效铜含量没有明显的差异。水分条件对土壤有效锌的影响显著，W3处理下的土壤有效锌含量显著低于W1和W2处理，降幅分别21.8%和17.6%。秸秆生物炭的施用增加了土壤有效锌含量，C3和C6处理下土壤有效锌含量较C0显著增加139.7%和254.4%。
以上结果表明，水分条件会影响土壤有效磷、有效锰和有效锌含量。与正常供水相比，干旱胁迫条件下土壤有效磷含量较高，有效锰和有效锌含量较低。在添加秸秆生物炭的情况下，水分含量的增加能降低土壤pH值。秸秆生物炭的施用，增加了土壤盐分、速效钾和有效锌含量，降低了土壤交换性镁、有效铁和有效锰含量。
| 表6 高梁收获后土壤中、微量元素的有效性含量 Table 6 The available contents of secondary and trace elements in soil after sorghum harvest |
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随着水分含量的增加，高粱生长改善，株高和生物量均有提高 (表2)。干旱胁迫限制了植物对水分的吸收，影响植物体内生理代谢过程和物质的同化，限制了植物细胞分裂和扩展[21, 22]，从而降低植物生长量。生物炭具有多孔、比表面积大、高度芳香化的特点[1]，施入土壤后能够改善土壤持水性能，增加土壤阳离子交换量、提高土壤养分吸持容量[4, 6]。生物炭自身也含有一定矿物质养分，可增加土壤中矿质养分含量，如P、K、Ca、Mg、Zn和Cu[7, 8]。适量施用生物炭，能够增强水稻[7]、玉米[23]、小麦[24]和苜蓿[8]的产量或生物量。本研究发现，添加0.5%秸秆生物炭增加了重度干旱胁迫条件下高粱的生物量和株高，而对正常供水或轻度胁迫条件下高粱生长没有显著影响 (表2)，表明适量施用秸秆生物炭能够减轻作物所受的干旱胁迫，促进高粱生长。但当秸秆生物炭用量大于1%时，各水分条件下高粱的生物量和株高都显著降低 (表2)，表明过量施用会对高粱生长产生抑制作用。近年来，关于生物炭促进作物生长或提高产量的研究较多[7, 23, 25]，但是有关生物炭抑制作物生长的研究较少[26]。周劲松等[7]以花生壳为原料制成生物炭，通过温室培养发现，添加生物炭 (5%～20%) 能够增加水稻苗期株高和生物量，且添加生物炭15%时效果最好；李中阳等[25]以小麦秸秆为原料制成生物炭，通过田间试验发现添加生物炭 (20～60 t/hm2) 可显著提高冬小麦的产量，以添加生物炭 40 t/hm2的效果最好。肖婧等[27]对97篇文献进行统计，发现施用生物炭处理下作物产量均有增加，只是增产幅度随着施用量的增加有所降低。生物炭对作物生长的不同作用效果可能与生物炭种类、作物类型以及土壤条件有关[7]。
3.2 不同水分条件下秸秆生物炭对高粱养分含量的影响随着水分含量的减少，高粱磷含量降低，K、Ca、Mn和Zn含量增加 (表3、表4)。作物对磷的吸收是一个主动吸收过程，干旱胁迫使高能磷酸化合物ATP合成减少[20]，能量供应不足，降低作物磷的吸收。同时，干旱胁迫降低土壤磷的扩散[28]，也会影响磷的生物有效性。干旱胁迫条件下，高粱K、Ca、Mn和Zn含量虽有增加，但是由于高粱生物量大幅降低 (与W1相比，W2和W3处理下生物量平均降低33.3%和68.8%) (表2)，使得K、Ca、Mn和Zn的吸收量均有不同程度的减少 (与W1相比，W2和W3处理下K吸收量降低24.6%和60.5%；Ca降低31.7%和61.8%；Mn降低25.6%和54.7%；Zn降低19.6%和54.5%)；同时，生物量的降幅大于养分吸收量的降幅。因此，干旱胁迫增加了高粱K、Ca、Mn和Zn含量主要是由于高粱生长受到抑制产生的养分浓缩效应[29]。
施用0.5%秸秆生物炭仅增加了高粱K和Zn含量 (表3、表4)，并没有改善干旱胁迫条件下养分的供应。因此，在重度干旱胁迫条件下，秸秆生物炭对高粱生长的促进作用可能主要与土壤结构的改善和有效水分含量的增加有关[17]。当秸秆生物炭用量大于1%时，高粱K、Zn含量进一步增加，而N、P和Mg含量降低 (表3、表4)。周劲松等[7]的研究表明，随着生物炭用量增加，水稻秧苗N含量逐渐减少，P和Zn含量增加，K和Mg含量先增加后降低；张晗芝等[26]的研究表明，施用生物炭可增加小麦N、P、K含量，而对玉米N、P的吸收没有明显的影响，说明生物炭对作物养分吸收的影响与生物炭种类和用量、作物特性和土壤类型有很大的关系[7]。本研究中，高粱钾含量的增加主要是由于秸秆生物炭的施用提升了土壤钾的供应 (表1)。植株体内钾的升高对于调节渗透势和增强细胞膜的稳定性有重要的作用[21]。但是，钾的大幅增加 (C6处理下高粱钾含量较C0处理显著增加了115.9%) 可能会导致作物营养失衡[30–31]。另外，有研究表明土壤速效钾的增加也会提高土壤盐分含量，影响作物生长[32]。石灰性土壤有效锌含量低[33]，秸秆生物炭的施用增加了土壤有效锌含量 (表1)，促进了高粱对锌的吸收 (表4)。生物炭含有较高的C/N，过量施用会促进微生物对氮的固定，降低土壤氮的有效性[27]。本研究也发现，秸秆生物炭用量大于1%时高粱氮含量有不同程度的降低 (表3)，说明过量施用秸秆生物炭会造成高粱缺氮。秸秆生物炭的施用降低了高粱磷含量 (表3)，这可能与高粱生长受到抑制，减少了磷的吸收[29]有关。过量施用生物炭降低了高粱Mg含量 (表4)，这主要是由于秸秆生物炭的施用降低了土壤Mg有效性 (表6)，从而降低了高粱对Mg的吸收。另外，K+和Mg2+间存在拮抗作用，高浓度的K+会抑制Mg2+从根系向地上部运输[31]，也会减少植物对Mg的吸收。秸秆生物炭对高粱Ca、Fe和Mn含量也有一定的影响，但是在不同水分条件下其作用效果不同 (表3)。在干旱胁迫条件下，施用秸秆生物炭降低了高粱Ca含量，提高了Mn含量；在正常供水条件下，秸秆生物炭增加了植株体内Ca和Fe含量，降低了Mn含量，说明秸秆生物炭对作物养分吸收的影响与水分条件密切相关。因此，在研究生物炭对作物养分吸收影响时，应结合水分条件加以分析，从而更加准确的评价生物炭的作用效果。
3.3 不同水分条件下秸秆生物炭对土壤性质的影响作物收获后，不同水分条件下土壤pH值较基础土壤均有不同程度的降低 (表1、表5)，这可能是由于作物生长过程中，根系分泌的酸性物质对土壤pH产生了一定的调节作用[34]。随着土壤水分的减少，添加秸秆生物炭的处理下土壤pH值有所增加，这一方面是由于干旱胁迫降低了作物根系活力[35]，使根系分泌物减少；另一方面，秸秆生物炭本身含有部分有机化合物[13, 14]，干旱胁迫制约了微生物的活性，降低了有机质分解和酸性物质的释放[36]。随着水分含量的减少，土壤有效磷含量增加 (表5)，有效锰和有效锌含量降低 (表6)。土壤有效磷含量的增加，可能是由于磷肥施用过量 (高粱收获后土壤P含量明显高于供试土壤)，而干旱胁迫抑制了高粱对磷的吸收 (W2和W3水平，高粱磷吸收量较W1水平分别降低37.4%和76.2%)，导致较多的磷未被植物吸收利用，残留于土壤中。因此，在干旱胁迫条件下应适当减少磷肥的施用，有利于提高磷肥的利用效率。干旱胁迫条件下，高粱对Mn和Zn的吸收量均有所减少 (W2和W3水平，高粱Mn吸收量较W1水平分别降低25.6%和54.7%，高粱Zn吸收量较W1水平降低19.6%和54.5%)，表明土壤有效锰和有效锌的降低受高粱养分吸收的影响较小。土壤有效锰和锌含量降低可能主要是由于水分含量的减少，抑制了土壤中Mn和Zn溶解、释放和迁移过程[19]，降低了Mn和Zn的有效性。同时，干旱胁迫条件下，添加秸秆生物炭各处理下土壤pH升高也会导致Mn和Zn的有效性降低[37]。
秸秆生物炭在裂解烧制过程中集聚了一定盐基离子，如钙、镁、钾、钠以及硅酸盐、碳酸盐等，施入土壤可增加土壤盐基饱和度，对土壤pH值产生直接的影响[25]。大量研究表明，生物炭能够增加土壤盐分含量，提高土壤pH值[38]，特别是对酸性土壤的效果更明显[39]。在碱性土壤中，生物炭对土壤pH的作用效果呈现出很大的不确定性，有升高的[25]，无明显变化的[26]，也有降低的[34]。本研究结果表明，秸秆生物炭增加了土壤EC值 (表5)，说明秸秆生物炭中有部分可溶性的盐基离子会释放到土壤溶液中。但是，土壤pH值并没有随着秸秆生物炭用量的增加显著增加，相反在正常供水条件下，施用秸秆生物炭显著降低了土壤pH值 (表5)。石灰性褐土盐基饱和度高，生物炭所含盐基离子对土壤pH值的作用效果较弱[26]；而水分含量的增加，提高了作物根系和微生物的活性，促进了根际分泌物的释放和土壤有机质的分解，从而增加了土壤酸性基团、降低了土壤碱性[38]。秸秆生物炭的施用增加了土壤速效钾和有效锌含量，这主要与秸秆生物炭含有较高的K和Zn有关 (表1)。另外，秸秆生物炭降低高粱生物量，减少了高粱K和Zn的吸收量 (与C0处理相比，C1、C3和C6处理下高粱钾吸收量分别降低7.7%、41.7%和20.7%；高粱Zn吸收量分别降低20.1%、31.9%和30.5%)，也会使K和Zn在土壤中的残留量增加。秸秆生物炭降低了土壤交换性镁、有效铁和有效锰含量 (表6)。土壤交换性镁含量与速效钾呈极显著的负相关 (r镁 = –0.623**，n = 45)，说明土壤交换性镁含量降低与速效钾含量的增加有很大的关系。由于Mg2+的水合离子半径比K+大，与土壤胶体的吸附强度较弱，土壤溶液中高浓度的K+可置换土壤胶体吸附的Mg2+，造成Mg的碳酸盐沉淀[40]，从而降低土壤交换性Mg含量。土壤有效铁和有效锰含量的降低则可能是由于生物炭表面含有较多的含氧官能团，施入土壤后增加了土壤对Fe和Mn的吸附，从而降低了Fe和Mn的有效性[41–43]。秸秆生物炭对基础土样和收获后土壤有效磷的作用效果不一致，基础土样中随着秸秆生物炭用量的增加有效磷含量增加 (表1)；而收获后C0.5和C1处理下有效磷含量显著低于C0，C3和C6处理下有效磷含量与C0差异不显著 (表5)，这可能与不同测定时期土壤有效磷含量不同有关。基础土壤有效磷含量低 (C0处理有效磷为3.08 mg/kg)，秸秆生物炭含有较高的磷 (有效磷为690 mg/kg)，施入土壤后增加了磷的供应，有效磷含量表现出随着秸秆生物炭用量增加而增加。收获后，由于磷肥施用过量，土壤有效磷 (C0处理平均为8.07 mg/kg) 较基础土样明显升高，施用0.5%和1%秸秆生物炭可能促进了钙磷化合物的形成，提高了土壤对磷的吸附[44–46]，使土壤中磷的有效性减小。Xu等[39]也发现，在棕壤中添加小麦秸秆炭后，土壤有效磷在磷浓度较低时 (20 mg/L) 表现为增加，在磷浓度较高时 (100 mg/L 和 240 mg/L) 表现为降低。C3和C6处理下土壤有效磷没有进一步降低，而与C0处理持平，可能与该处理基础土样有效磷含量高 (表1) 以及收获后土壤pH值低 (表5) 有关。
4 结论1) 秸秆生物炭对高粱生长的影响与水分条件密切相关。在重度干旱胁迫条件下，添加0.5%秸秆生物炭对高粱生长有一定促进作用，但是在正常供水和中度干旱条件下，秸秆生物炭的作用效果不明显。
2) 在不同水分条件下，秸秆生物炭的施用均能够增加土壤K和Zn的供应，但是过量 (1%) 施用会减少高粱N、P和Mg含量。
3) 不同水分条件下，秸秆生物炭对高粱Ca、Fe和Mn含量的影响不同。在干旱胁迫条件下，施用秸秆生物炭降低了高粱Ca含量，提高了Mn含量；在正常供水条件下，秸秆生物炭增加了植株体内Ca和Fe含量，降低了Mn含量，为此秸秆生物炭对植物体内养分的累积受土壤水分条件的调控。
| [1] |
潘根兴, 张阿凤, 邹建文, 等. 农业废弃物生物黑炭转化还田作为低碳农业途径的探讨[J].
生态与农村环境学报, 2010, 26(4): 394–400.
Pan G X, Zhang A F, Zou J W, et al. Biochar from agro-byproducts used as amendment to croplands: An option for low carbon agriculture[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2010, 26(4): 394–400. |
| [2] |
张斌, 刘晓雨, 潘根兴, 等. 施用生物质炭后稻田土壤性质、水稻产量和痕量温室气体排放的变化[J].
中国农业科学, 2012, 45(23): 4844–4853.
Zhang B, Liu X Y, Pan G X, et al. Changes in soil properties, yield and trace gas emission from a paddy after biochar amendment in two consecutive rice growing cycles[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(23): 4844–4853. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2012.23.011 |
| [3] | Glaser B, Lehmann J, Zech W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal–a review[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35(4): 219–230. DOI:10.1007/s00374-002-0466-4 |
| [4] | Lehmann J, Silva J P D, Steiner C, et al. Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and a Ferralsol of the Central Amazon basin: fertilizer, manure and charcoal amendments[J]. Plant and Soil, 2003, 249(2): 343–357. DOI:10.1023/A:1022833116184 |
| [5] |
高德才, 张蕾, 刘强, 等. 旱地土壤施用生物炭减少土壤氮损失及提高氮素利用率[J].
农业工程学报, 2014, 30(6): 54–61.
Gao D C, Zhang L, Liu Q, et al. Application of biochar in dryland soil decreasing loss of nitrogen and improving nitrogen using rate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(6): 54–61. |
| [6] |
高海英, 何绪生, 陈心想, 等. 生物炭及炭基硝酸铵肥料对土壤化学性质及作物产量的影响[J].
农业环境科学学报, 2012, 10: 1948–1955.
Gao H Y, He X S, Chen X X, et al. Effect of biochar and biochar-based ammonium nitrate fertilizers on soil chemical properties and crop yield[J]. Journal of Agro–Environment Science, 2012, 10: 1948–1955. |
| [7] |
周劲松, 闫平, 张伟明, 等. 生物炭对水稻苗期生长、养分吸收及土壤矿质元素含量的影响[J].
生态学杂志, 2016, 35(11): 2952–2959.
Zhou J S, Yan P, Zhang W M, et al. Effects of biochar on seedling growth, nutrient absorption of japonica rice and mineral element contents of substrate soil[J]. Chinese Journal of Ecology, 2016, 35(11): 2952–2959. |
| [8] |
郑瑞伦, 王宁宁, 孙国新, 等. 生物炭对京郊沙化地土壤性质和苜蓿生长、养分吸收的影响[J].
农业环境科学学报, 2015, 34(5): 904–912.
Zheng R L, Wang N N, Sun G X, et al. Effects of biochar on soil properties and alfalfa growth and nutrient uptake in desertified land in Beijing Suburb[J]. Journal of Agro–Environment Science, 2015, 34(5): 904–912. DOI:10.11654/jaes.2015.05.013 |
| [9] | Abiven S, Hund A, Martinsen V, et al. Biochar amendment increases maize root surface areas and branching: A shovelomics study in Zambia[J]. Plant and Soil, 2015, 395(1): 1–11. |
| [10] | Olmo M, Alburquerque J A, Barrón V, et al. Wheat growth and yield responses to biochar addition under Mediterranean climate conditions[J]. Biology and Fertility of Soils, 2014, 50(8): 1177–1187. DOI:10.1007/s00374-014-0959-y |
| [11] | Cranedroesch A, Abiven S, Jeffery S, et al. Heterogeneous global crop yield response to biochar: A meta–regression analysis[J]. Environmental Research Letters, 2013, 8(8): 925–932. |
| [12] |
张伟明, 管学超, 黄玉威, 等. 生物炭与化学肥料互作的大豆生物学效应[J].
作物学报, 2015, (1): 109–122.
Zhang W M, Guan X C, Huang Y W, et al. Biological effects of biochar and fertilizer interaction in soybean plant[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, (1): 109–122. |
| [13] | Rondon M A, Lehmann J, Ramírez J, et al. Biological nitrogen fixation by common beans (Phaseolus vulgaris, L.) increases with biochar additions [J]. Biology and Fertility of Soils, 2007, 43(6): 699–708. DOI:10.1007/s00374-006-0152-z |
| [14] | Deenik J L, Mcclellan T, Uehara G, et al. Charcoal volatile matter content influences plant growth and soil nitrogen transformations[J]. Soil Science Society of America Journal, 2010, 74(4): 1259–1270. DOI:10.2136/sssaj2009.0115 |
| [15] |
山仑, 徐炳成. 论高梁的抗旱性及在旱区农业中的地位[J].
中国农业科学, 2009, 42(7): 2342–2348.
Shan L, Xu B C. Discussion on drought resistance of sorghum and its status in agriculture in arid and semiarid regions[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(7): 2342–2348. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2009.07.011 |
| [16] |
景小兰, 柳青山, 平俊爱, 等. 山西省高粱产业发展趋势与对策[J].
山西农业科学, 2014, 42(6): 621–624.
Jing X L, Liu Q S, Ping J A , et al. Development trend and countermeasures for sorghum industry in Shanxi[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2014, 42(6): 621–624. |
| [17] |
王浩, 焦晓燕, 王劲松, 等. 生物炭对土壤水分特征及水胁迫条件下高粱生长的影响[J].
水土保持学报, 2015, 29(2): 253–257.
Wang H, Jiao X Y, Wang J S, et al. Effect of biochar on water characteristics of soil and sorghum growth under conditions of soil water stress[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(2): 253–257. |
| [18] |
赵炳梓, 徐富安. 水肥条件对小麦、玉米N、P、K吸收的影响[J].
植物营养与肥料学报, 2000, 6(3): 260–266.
Zhao B Z, Xu F A. N, P, K uptake by winter wheat and maize as influence by different combinations of irrigation water and nitrogen fertilizer[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2000, 6(3): 260–266. DOI:10.11674/zwyf.2000.0303 |
| [19] |
李孟华, 于荣, 杨月娥, 等. 低锌旱地土壤水分对小麦产量和锌利用的影响[J].
植物营养与肥料学报, 2016, 22(2): 388–394.
Li M H, Yu R, Yang Y E, et al. Effects of soil moisture on wheat grain yield and zinc utilization in zinc–deficient dryland soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(2): 388–394. DOI:10.11674/zwyf.14379 |
| [20] |
靳军英, 张卫华, 黄建国. 干旱对扁穗牛鞭草生长营养及生理指标的影响[J].
植物营养与肥料学报, 2011, 17(6): 1545–1550.
Jin J Y, Zhang W H, Huang J G. Effects of water stress on growth, nutrition and physiological indices of Hemarthria compressa[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(6): 1545–1550. DOI:10.11674/zwyf.2011.1071 |
| [21] |
陈伟, 蔡昆争, 陈基宁. 硅和干旱胁迫对水稻叶片光合特性和矿质养分吸收的影响[J].
生态学报, 2012, 32(8): 2620–2628.
Chen W, Cai K Z, Chen J N. Effects of silicon application and drought stress on photosynthetic traits and mineral nutrient absorption of rice leaves[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(8): 2620–2628. |
| [22] |
张仁和, 郭东伟, 张兴华, 等. 吐丝期干旱胁迫对玉米生理特性和物质生产的影响[J].
作物学报, 2012, 38(10): 1884–1890.
Zhang R H, Guo D W, Zhang X H, et al. Effects of drought stress on physiological characteristics and dry matter production in maize silking stage[J]. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(10): 1884–1890. |
| [23] | Zhang A, Bian R, Pan G, et al. Effects of biochar amendment on soil quality, crop yield and greenhouse gas emission in a Chinese rice paddy: A field study of 2 consecutive rice growing cycles[J]. Field Crops Research, 2012, 127(127): 153–160. |
| [24] | Olmo M, Alburquerque J A, Barrón V, et al. Wheat growth and yield responses to biochar addition under Mediterranean climate conditions[J]. Biology and Fertility of Soils, 2014, 50(8): 1177–1187. DOI:10.1007/s00374-014-0959-y |
| [25] |
李中阳, 齐学斌, 樊向阳, 等. 生物质炭对冬小麦产量、水分利用效率及根系形态的影响[J].
农业工程学报, 2015, (12): 119–124.
Li Z Y, Qi X B, Fan X Y, et al. Influences of biochars on growth, yield, water use efficiency and root morphology of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, (12): 119–124. DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.12.016 |
| [26] |
张晗芝, 黄云, 刘钢, 等. 生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响[J].
生态环境学报, 2010, 19(11): 2713–2717.
Zhang H Z, Huang Y, Liu G, et al. Effects of biochar on corn growth, nutrient uptake and soil chemical properties in seeding stage[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2010, 19(11): 2713–2717. DOI:10.3969/j.issn.1674-5906.2010.11.034 |
| [27] |
肖婧, 徐虎, 蔡岸冬, 等. 生物质炭特性及施用管理措施对作物产量影响的整合分析[J].
中国农业科学, 2017, 50(10): 1827–1837.
Xiao Q, Xu H, Cai A D, et al. A meta–analysis of effects of biochar properties and management practices on crop yield[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(10): 1827–1837. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2017.10.008 |
| [28] |
刘玉学, 唐旭, 杨生茂, 等. 生物炭对土壤磷素转化的影响及其机理研究进展[J].
植物营养与肥料学报, 2016, 22(6): 1690–1695.
Liu Y X, Tang X, Yang S M, et al. Review on the effect of biochar on soil phosphorus transformation and mechanisms[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(6): 1690–1695. DOI:10.11674/zwyf.14585 |
| [29] |
卢闯, 逄焕成, 赵长海, 等. 水分胁迫下施磷对潮土玉米苗期叶片光合速率、保护酶及植株养分含量的影响[J].
中国生态农业学报, 2017, 25(2): 239–246.
Lu C, Pang H C, Zhao C H, et al. Effect of phosphorus on leaf net photosynthesis, protective enzyme activity and nutrient uptake of maize at seedling stage in fluvo–aquic soils under water stress[J]. Chinese Journal of Eco–Agriculture, 2017, 25(2): 239–246. |
| [30] |
谭德水, 金继运, 黄绍文, 等. 长期施钾对东北春玉米产量和土壤钾素状况的影响[J].
中国农业科学, 2007, 40(10): 2234–2240.
Tan D S, Jin J Y, Huang S W, et al. Effect of long-term application of K fertilizer on spring maize yield and soil K in northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(10): 2234–2240. DOI:10.3321/j.issn:0578-1752.2007.10.016 |
| [31] | Ohno T, Grunes D L. Potassium–magnesium interactions affecting nutrient uptake by wheat forage[J]. Soil Science Society of America Journal, 1984, 49(6): 685–690. |
| [32] |
赵文艳, 张晓敏, 石宗琳, 等. 氮钾肥施用对土壤有效养分和盐分及番茄生长的影响[J].
水土保持学报, 2011, 25(4): 100–103.
Zhao W Y, Zhang X M, Shi Z L, et al. Effects of application of nitrogen and potassium fertilizers on available nutrient water-soluble salt in soil and the growth of tomato[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(4): 100–103. |
| [33] |
赵瑞芬, 陈明昌, 张强, 等. 山西省褐土土壤养分限制因子研究[J].
山西农业科学, 2003, 31(3): 35–39.
Zhao R F, Chen M C, Zhang Q, et al. Study on the soil nutrients limiting-factors in the cinnamon soil of Shanxi[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2003, 31(3): 35–39. |
| [34] | Inal A, Gunes A, Sahin O, et al. Impacts of biochar and processed poultry manure, applied to a calcareous soil, on the growth of bean and maize[J]. Soil Use and Management, 2015, 31(1): 106–113. DOI:10.1111/sum.2015.31.issue-1 |
| [35] |
康利允, 沈玉芳, 岳善超, 等. 不同水分条件下分层施磷对冬小麦根系分布及产量的影响[J].
农业工程学报, 2014, 30(15): 140–147.
Kang L Y, Shen Y F, Yue S C, et al. Effect of phosphorus application in different soil depths on root distribution and grain yield of winter wheat under different water conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(15): 140–147. DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.15.019 |
| [36] |
刘振香, 刘鹏, 贾绪存, 等. 不同水肥处理对夏玉米田土壤微生物特性的影响[J].
应用生态学报, 2015, 26(1): 113–121.
Liu Z X, Liu P, Jia X C, et al. Effects of irrigation and fertilization on soil microbial properties in summer maize field[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(1): 113–121. |
| [37] |
地里拜尔·苏里坦, 艾尼瓦尔·买买提, 蔺娟. 土壤中铁锰的形态分布及其有效性研究[J].
生态学杂志, 2006, 25(2): 155–160.
Dilbar S, Anwar M, Lin J. Soil iron and manganese forms and their availability to plants[J]. Chinese Journal of Ecology, 2006, 25(2): 155–160. |
| [38] | Lentz R D, Ippolito J A. Biochar and manure affect calcareous soil and corn silage nutrient concentrations and uptake[J]. Journal of Environmental Quality, 2012, 41(4): 1033. DOI:10.2134/jeq2011.0126 |
| [39] | Xu G, Sun J N, Shao H B, et al. Biochar had effects on phosphorus sorption and desorption in three soils with differing acidity[J]. Ecological Engineering, 2014, 62(1): 54–60. |
| [40] |
丁玉川, 焦晓燕, 聂督, 等. 山西农田土壤交换性镁含量、分布特征及其与土壤化学性质的关系[J].
自然资源学报, 2012, (2): 311–321.
Ding Y C, Jiao X Y, Nie D, et al. Contents and distribution of exchangeable magnesium and their relationship with the chemical properties of main farm soils in Shanxi Province, China[J]. Journal of Natural Resources, 2012, (2): 311–321. DOI:10.11849/zrzyxb.2012.02.014 |
| [41] | Laird D A, Fleming P, Davis D D, et al. Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil[J]. Geoderma, 2010, 158(3/4): 443–449. |
| [42] | Masto R E, Kumar S, Rout T K, et al. Biochar from water hyacinth (Eichornia crassipes) and its impact on soil biological activity[J]. Catena, 2013, 111(1): 64–71. |
| [43] |
李燕婷, 白灯莎·买买提艾力, 张福锁, 等. 酸性根际肥对石灰性土壤pH和铁有效性的影响研究[J].
植物营养与肥料学报, 2003, 9(3): 312–316.
Li Y T, Bai D S, Zhang F S, et al. Effect of acidic rhizosphere fertilizer on the soil P and Fe availability of calcareous soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2003, 9(3): 312–316. DOI:10.11674/zwyf.2003.0312 |
| [44] | Chintala R, Schumacher T E, Mcdonald L M, et al. Phosphorus sorption and availability from biochars and soil/biochar mixtures[J]. CLEAN Soil Air Water, 2014, 42(5): 626–634. DOI:10.1002/clen.v42.5 |
| [45] | Mendoza R E, Canduci A, Aprile C. Phosphorus release from fertilized soils and its effect on the changes of phosphate concentration in soil solution[J]. Fertilizer Research, 1990, 23: 165–172. DOI:10.1007/BF01073432 |
| [46] | Khan M A, Kim K W, Wang M, et al. Nutrient–impregnated charcoal: An environmentally friendly slow–release fertilizer[J]. Environmentalist, 2008, 28(3): 231–235. DOI:10.1007/s10669-007-9133-5 |