生物炭，也称为生物质炭、生物碳或生物黑炭，是将废弃的生物质资源如秸秆、稻壳等，在无氧或少氧环境中高温热解(<700 ℃)炭化后形成的固体产物[1-2]，其高孔隙度和多微孔结构特征可有效提高土壤保肥蓄水能力，有利于减缓干旱与半干旱地区作物生长所受的水分胁迫[3]。近年来，生物炭添加对土壤水分入渗及持水性方面的影响研究受到国内外专家的普遍关注，并认为生物质炭能显著增加土壤持水率[4-7]，但过量的生物质炭(80 t/hm2)加入到砂质壤土和壤质砂土中反而会降低土壤持水率，这是因为生物炭添加到土壤会增加土壤的斥水性，尤其是洒在生物炭表面的雨水以液珠形式滞留在土壤表面不能下渗，进而使水分在土壤表面蒸发[8]。
生物炭对作物生长和产量的影响受到多种因子的影响，包括土壤类型、肥力状况、作物种类、生物炭理化性质和施用量、作物覆盖度等[9-11]。同时，生物炭对植株及土壤的作用可能与水分条件密切相关[12]。我国旱作农业综合生产能力受降雨稀少和土壤保水保肥能力差等因素严重制约，生物炭与肥料配施对作物生长具有协同促进作用，同时可以显著提高农田土壤持水能力，进一步提高作物产量[13]，因此，施用生物炭是提高旱作农业生产能力的有效途径。然而，生物炭的增产作用有一定的适用范围，施用生物炭的量过高或过低都可能会导致作物不增产甚至减产[14]。前人对生物炭提高小麦产量已进行了相关研究，但对提高产量的适宜生物炭量结论不一[9，15]。目前，对水分条件与生物炭交互作用的研究相对较少。因此，如何科学进行水分调控和生物炭添加对提高小麦水分利用效率以及水资源高效利用有着重要的意义。
本研究基于华北平原小麦-玉米两熟种植系统，开展不同浇水模式下生物炭不同施用量的大田试验，从土壤含水量、水分利用效率、冬小麦籽粒产量等变化情况揭示施用生物炭在不同土壤浇水条件下对小麦生产的影响及其机制，以期为生物炭在华北平原的合理应用提供数据支撑和技术借鉴。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
试验区设在山西省临汾市韩村试验基地(36°19′N，111°49′E)。该区地处半干旱、半湿润季风气候区，年平均气温9.0～12.9 ℃，降水量420.1～550.6 mm，无霜期127～280 d，多年平均降水494.19 mm，试验期间降水量列于表1。土壤类型为石灰性褐土。耕层(0～20 cm)土壤基础肥力：pH值8.13、有机质154.30 g/kg、EC值156.40 μS/cm、全氮1.13 g/kg、碱解氮66.69 mg/kg、有效磷7.64 mg/kg、速效钾107.0 mg/kg。施入生物炭前土壤容重为1.34 g/cm3。种植制度为冬小麦-夏玉米一年两作。
表1 冬小麦生育期间(2015年10月-2017年6月)月降雨量
Tab.1 Distribution of monthly precipitation during years from October 2015 to June 2017 mm
年份Year10月October11月November12月December1月January2月February3月March4月April5月May6月June总降雨量Total2015-201617.77.107.77.74.839.233.534.0151.72016-201761.358.30.502.23.537.749.149.8262.4
1.2 供试材料
所用生物炭材料为玉米秸秆，由南京勤丰秸秆科技有限公司提供。炭化温度为 450～480 ℃，炭化时间为 8 h。该生物炭总 C、总 N、总P、总 K 质量分数分别为 625.84，5.24，0.89，44.24 g/kg，pH 值9.8，阳离子交换量为 33.6 mmol/kg。小麦品种选用临远8号，由山西省农业科学院小麦研究所选育。
1.3 试验设计
采取裂区试验设计，浇水条件为主区，生物炭施用量为副区。浇水水平设计为不浇水和浇越冬水2个水平。生物质炭施用量设计为 0，20，40，60 t/hm2共 4个水平，分别记作B0(CK)、B20、B40、B60，重复3次，小区面积为32 m2(长8 m×宽4 m)，小区间隔 0.5 m。玉米收获后，将生物质炭以及肥料直接撒施于土壤表面后进行翻耕。施肥量为N 225 kg/hm2、P 90 kg/hm2、K 90 kg/hm2，为了使2种水分条件下肥料处理一致，以上肥料在整地时一次性施入作底肥，后期不再追肥。分别于2015年10月5日和2016年10月8日进行机械旋耕播种，播种量为 150 kg/hm2，小麦行距均为20 cm。分别于2015年12月10日和2016年12月10日对浇水处理浇越冬水，每小区浇水量均为120 mm。
1.4 测定指标及方法
采用烘干法测定土壤相对含水量。在小麦生长关键生育期(苗期、越冬期、拔节期和成熟期)，采用5点采样法采集各小区土样，每个小区取3个点，取样深度0～100 cm，每隔20 cm取样一次。用环刀取耕层原状土样，采用烘干法测定土壤容重。
土壤温度测定采用智能全自动土壤温度记录仪(L93-4，杭州路格仪器有限公司)。温度测量范围为-40～100 ℃，测量精度为±0.2 ℃，分辨率为0.1 ℃。小麦出苗后埋设于小麦行间20，40 cm深处，每小时自动记录一次土壤温度。土壤日平均温度为全天24 h 的土壤温度平均值。
小麦成熟期，每个处理选取1 m2范围的3个样点，测定植株株高、地上部干物质量(烘干法)、单位面积有效穗数、穗长、穗粒数、千粒质量和产量。
土壤含水量=(土壤鲜质量-土壤干质量)/土壤干质量×100%
①
土壤贮水量(mm)= 土壤容重(g/cm3)× 土层深度(cm)× 土壤含水量(%)
②
水分利用效率(kg/(hm2·mm))=籽粒产量(kg/hm2)/生育期耗水量(mm)
③
生育期耗水量(mm)=小麦生育期内降水量(mm)+小麦播前和收获后土壤贮水量变化量(mm)+浇水量(mm)
④
1.5 数据处理
采用Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行处理和作图；采用SPSS 17.0软件进行差异显著性检验(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 生物炭对不同浇水条件下冬小麦不同生育期土壤水分含量的影响
从图1可以看出，苗期(11月2日)，添加生物炭能够增加0～20 cm土壤水分含量，且生物炭施用量越高，水分含量越大；随着土层深度的加深，土壤含水量有降低趋势。12月7日(越冬期)，土壤水分含量在2个年份间的表现不同，其中，2015-2016年，0～40 cm土壤水分含量虽生物炭施用量增加有升高趋势。随着土层深度的加深，土壤含水量有降低趋势；2016-2017年，添加生物炭量处理0～40 cm土壤水分含量略有增加且均以W0B20处理最高，随土层深度增加，土壤含水量变化较小。3月21日(拔节期)和6月15日(成熟期)，不浇水条件下，0～20 cm土层含水量在各生物炭处理差异不大；浇水条件下，在2016年成熟期，施用生物炭增加了各土层土壤含水量，且除20～40 cm土层外的其他土层生物炭施用量越大，土壤含水量越高，而在2016年拔节期及2017年的拔节期和成熟期，虽然生物炭处理间土壤含水量的差异均因土层不同而有不同的表现，但各生物炭处理均增加了0～20 cm土层的土壤含水量，其中拔节期均以W1B60最高，而2017年成熟期以W1B40最高。
2.2 生物炭对不同浇水条件下冬小麦土壤日平均温度变化的影响
从图2-A可以看出，返青期前，土壤温度整体呈波动下降趋势，且在2种水分条件下的差距明显，表现为浇水处理较不浇水处理降低了0～20 cm土壤日平均温度，降幅在0.9～2.6 ℃。不浇水条件下，施用生物炭增加0～20 cm土壤日平均温度，且随着生物炭施用量增加，土壤日平均温度先升高后降低，至W0B40处理达到最大值；浇水条件下，添加生物炭降低0～20 cm土壤日平均温度，且生物炭量越大，降低程度越明显。返青期后(图2-B)，土壤温度呈波动上升趋势变化，浇水处理土壤日平均温度出现高于不浇水处理的现象(4月5日前)，后期出现相反趋势；浇水条件下，生物炭处理间差异幅度大于不浇水处理。
2.3 生物炭对不同浇水条件下土壤耕层(0～20 cm)容重的影响
2 a试验结果显示(表2)，随着生物炭施用量的增加，土壤耕层容重呈降低趋势，这种降低趋势在浇水条件下增强，即W1处理条件下较W0处理降低幅度大。浇水使相同生物炭处理下土壤容重降低，在W0条件下，B20、B40和B60处理比B0(CK)处理容重分别降低10.3%，13.9%，23.3%；在W1条件下，B20、B40和B60处理比B0(CK)处理容重分别降低13.2%，22.8%，25.1%。
图1 生物炭对不同浇水条件下冬小麦不同生育期土壤水分含量的影响
Fig.1 Effects of biochar on soil water content during different growth stages under different irrigation condition
图2 生物炭对不同浇水条件下冬小麦土壤日平均温度变化的影响
Fig.2 Effects of biochar on daily mean soil temperature under different irrigation condition
2.4 生物炭对不同浇水条件下冬小麦生长发育及产量的影响
由表3可知，除W1B20与B0(CK)小麦地上部干物质量差异不显著外，添加生物炭均可显著增加小麦地上部干物质量，W0和W1处理条件下B20、B40和B60处理比B0(CK)处理分别增加4.5%，8.3%，4.4%和1.2%，3.4%，5.7%(2 a数据平均)。W0处理条件下，添加生物炭B20、B40处理可增加小麦株高，B60处理小麦株高低于B0处理；W1处理条件下，添加生物炭处理小麦株高均降低，其中2016-2017年B60处理株高降低显著。添加生物炭可增加单位面积有效穗数，W0处理条件下B40处理最多，W1处理条件下有效穗数随生物炭施用量的增加而增加。W0处理条件下，添加生物炭对穗粒数和千粒质量的影响不显著，W1条件下，添加生物炭增加穗粒数和千粒质量。W0和W1处理条件下B20、B40和B60处理小麦产量分别比B0(CK)处理增加5.0%，8.0%，5.8%和4.3%，7.4%，8.0%。
表2 生物炭对不同浇水条件下土壤耕层(0～20 cm)容重的影响
Tab.2 Effects of biochar on soil bulk density under different irrigation condition g/cm3
灌水处理Irrigation treatment生物炭处理Biochar treatment2015-20162016-2017W0B0(CK)1.13±0.08a1.10±0.16aB201.01±0.04ab0.99±0.04abB401.00±0.03ab0.92±0.03abB600.89±0.04b0.82±0.02bW1B0(CK)1.10±0.02a1.09±0.01aB200.97±0.01ab0.93±0.02aB400.86±0.05b0.83±0.03bB600.83±0.05b0.81±0.04b
注：同一年份同列数据后不同小写字母表示同一浇水处理下不同生物炭处理间差异达5%显著水平。表3-4同。
Note： Values followed by different letters in a column in the same year are significantly different among biochar treatments under the same irrigation condition at the 5% level. The same as Tab.3-4.
表3 生物炭对不同浇水条件下冬小麦生长发育及产量的影响
Tab.3 Effects of biochar on growth and yield of winter wheat under different irrigation condition
年份Year灌水处理Irrigation生物炭处理Biochar地上部干物质量/(g/m2)Aboveground biomass株高/cmPlant height有效穗数/(穗/m2)Efficientspike number穗粒数Grains perspike千粒质量/g 1000-grainweight籽粒产量/(kg/hm2)Yield 2015-2016W0B0(CK)550.4±21.3c60.7±1.1ab143.0±11.2c33.8±1.5a41.5±2.4a4 263.2±67.8cB20580.1±24.5b62.2±3.2a168.0±10.1a34.3±2.2a41.2±3.2a4 420.3±87.2bB40600.4±19.0a63.2±2.1a170.0±6.5a34.2±1.4a42.3±1.1a4 521.3±98.3aB60580.6±21.3b57.5±3.3b159.0±4.3b33.8±1.0a42.4±1.0a4 370.3±65.4bW1B0(CK)631.2±12.3c70.4±1.3a231.1±11.3c37.4±2.1b37.9±1.7b6 856.5±101.2cB20640.1±21.1bc70.3±1.4a258.6±12.1b37.5±1.2b38.7±1.5ab7 083.0±112.3bB40650.3±10.1b69.1±2.4a263.5±3.6ab38.2±0.7ab39.4±1.2ab7 264.5±77.8aB60673.1±11.3a69.5±3.6a264.7±8.7a39.1±0.9a39.7±0.7a7 236.3±53.6a2016-2017W0B0(CK)610.0±11.3c64.3±3.5a155.6±6.7c30.9±1.2a40.1±0.6a4 813.2±67.8cB20632.6±17.9b64.6±2.1a159.3±6.1c31.2±0.9a40.3±0.6a5 120.3±87.2bB40656.5±23.4a65.5±0.9a177.8±4.5a31.3±0.7a40.9±1.2a5 300.3±98.3aB60630.3±11.6b61.3±4.5b166.2±6.5b31.8±1.5a41.1±0.8a5 250.3±65.4aW1B0(CK)678.3±20.3b81.2±6.1a256.7±4.3b32.4±1.1b37.8±0.6b6 576.4±33.4cB20685.2±16.7b80.4±1.0a266.7±6.7b33.5±0.9ab38.9±0.4ab6 936.7±124.5cB40703.4±13.4a80.7±1.3a276.4±4.5a34.5±1.5ab38.7±0.5ab7 165.4±109.8bB60710.1±7.8a77.6±3.1b280.4±6.1a35.1±1.1a39.4±0.4a7 269.2±167.8a
2.5 生物炭对不同浇水条件下冬小麦水分利用效率的影响
从表4可以看出，收获后，W0处理条件下，土壤贮水量随着生物炭施用量的增加先增加后减小，B40处理土壤贮水量最高，比B0(CK)处理增加7.6%。W1条件下，随生物炭施用量增加收获期土壤贮水量增加，B40和B60处理分别比B0(CK)处理增加5.8%和12.4%(2 a数据平均)。无论是W0还是W1条件下，生育期耗水量均随生物炭施用量增加而减少，与B0(CK)处理相比，B20、B40和B60处理分别使冬小麦生育期耗水量减少5.5%，7.1%，10.6%和2.1%，5.7%,9.8%(2 a数据平均)。生物炭提高了冬小麦水分利用效率，与B0(CK)处理比，B20、B40、B60处理分别使W0和W1条件下水分利用效率提高2.8%，8.2%，5.7%和6.9%，12.2%，16.3%(2 a数据平均)。
表4 生物炭对不同浇水条件下冬小麦水分利用效率的影响
Tab.4 Effects of biochar on water use of winter wheat under different irrigation condition
年份Year灌水处理Irrigation生物炭处理Biochar土壤贮水量/mmSoil water storage播种前Before sowing收获后After harvest生育期耗水量/mmWater consumption水分利用效率/(kg/(hm2·mm)) WUE2015-2016W0B0(CK)430.1±10.3a252.8±6.1b295.3±11.3a16.33±1.2bB20435.6±9.8a260.3±9.2a280.3±12.1b17.78±0.4aB40436.7±6.7a266.4±5.6a273.8±9.4b18.00±0.9aB60436.3±11.2a255.3±7.4b260.4±8.2c17.77±0.5aW1B0(CK)434.1±6.8a307.7±10.1c386.3±7.7a17.31±1.5cB20441.2±10.1a319.8±3.4b377.5±10.1a18.26±2.1bB40445.6±11.7a325.4±5.6b360.2±12.3b19.53±0.4abB60439.8±9.7a340.1±4.3a340.3±9.5c20.11±0.1a2016-2017W0B0(CK)437.8±10.1a273.1±4.3b287.5±6.7a17.66±1.4abB20440.2±4.5a297.2±6.1ab270.1±7.8b17.10±0.1bB40437.9±6.7a300.1±7.8a267.1±8.3b18.78±0.3aB60436.5±7.1a283.9±11.3b260.4±7.8b18.12±0.5abW1B0(CK)435.6±7.8a302.4±1.6b386.1±6.5a17.12±0.4bB20438.7±8.9a309.8±2.1b378.4±7.8a18.56±0.5aB40434.1±9.1a320.1±3.4b367.5±6.5b19.11±0.8aB60440.8±6.7a345.6±5.5a356.3±7.4c19.94±0.1a
3 结论与讨论
根据试验条件不同，使小麦产量提高的适宜生物炭施用量存在差异。梁锦秀等[15]研究指出，生物炭添加量为18 t/hm2时小麦产量最高。潮土短期施用生物炭对小麦籽粒产量、生物量均无显著影响，连续施用生物炭9季后，与不施生物炭处理相比，添加2.25，6.75，11.25 t/hm2生物炭处理小麦籽粒产量分别显著增加24.5%，8.8%，9.1%，小麦生物量分别显著增加18.8%，8.1%和6.1%，在低的生物炭施用量(2.25 t/hm2)下，生物炭对小麦的增产效果较好[16-17]。李中阳等[18]在壤土上的研究指出，生物炭施用量为40 t/hm2时，一季对小麦的增产效果最佳，50～60 t/hm2处理对小麦的增产效果与不添加生物炭对照处理无显著差异，生物炭量低短期增产效果不佳，较高生物炭量一季产量出现差异。以上研究多在常规浇水条件下进行。孙海妮等[14]在旱地无灌水条件下的研究表明，添加生物炭量为30 t/hm2时小麦产量较高，添加生物炭量为45 t/hm2时比对照不添加生物炭有增产效果，但差异不显著。
本研究连续2 a的试验结果均显示，添加生物炭在常规浇水条件下，小麦产量随生物炭施用量的增加而增加，在不浇水条件下产量在生物炭施用量为60 t/hm2时不再增加。可见，较高的生物炭添加量会导致小麦不增产或减产，尤其在不浇水条件下，不利于小麦增产。单位面积有效穗数是影响小麦产量的主要因素，这在孙海妮等[14]文献中也有体现。适量的生物炭可以增加作物产量，而高量的施用会抑制作物生长，降低产量，由于年际间效应和环境变化等综合因素影响，生物炭的作物学效应还有待进一步田间验证。
朱士江等[19]研究指出，水炭耦合对水稻产量的影响效果显著；常规灌溉比水分亏缺灌溉下各生物炭处理(0，20，40 g/kg)水稻产量较高，但其水分利用效率较低；无论哪种灌溉条件，水稻产量均随生物炭施加量的增加而增加。土壤干旱抑制生物炭对小麦的增产作用。因此，利用秸秆生物炭提高不浇水或少量浇水条件下麦田土壤的持水能力是一种行之有效的办法，但要注意控制生物炭的施用量。本试验条件下，在水分充足的土壤条件下生物炭的增产效果较好，推荐60 t/hm2生物炭用量，而在旱地土壤应用时推荐20～40 t/hm2生物炭用量。
生物炭对小麦产量的影响是通过影响土壤环境而间接作用的。其中，生物炭对土壤的持水性一致被认为是影响产量的主要原因。农田施用生物炭后，土壤含水量的高低一方面由生物炭本身特性决定，其表面是多微孔结构，具有一定的吸水倍率，可增加土壤对水分的吸收[7]；另一方面由于生物炭与土壤混合显著降低了原土壤表层容重，增加了土壤孔隙度，能够使降雨等水分从土壤上层向下层流动，从而增大了土壤持水量[5，20]。本研究试验设计中，最高生物质炭施用量为60 t/hm2，在不浇水条件下，土壤水分含量在返青期前随生物炭量增加土壤含水量增加，但在返青期后土壤水分含量在60 t/hm2添加量下反而降低。包维斌等[3]采用室内一维垂直入渗法与张力计法的研究结果表明，当土壤含水量为25%时，生物炭添加量从1%～4%均提高了土壤水吸力，且随着生物炭添加量的增加而增加。本研究中，旱地条件下土壤水含量在苗期(11月2日)整体大于16%，但在生育后期(12月至3月降雨量较少)小于土壤含水量，介于10%～15%，土壤处于干旱缺水状态，此时高的生物炭添加量导致的土壤松弛、容重降低可能使土壤对水的吸力下降[21]，这可能是干旱条件下高的生物炭施用量不能使小麦进一步增产的原因。在浇水条件下，生物炭对土壤的水分含量增加随生物炭施用量的增加而增加，可能是浇水使生物炭和土壤之间的黏合度增加，土壤容重降低的程度减小。许健等[22]通过土柱模拟试验研究指出，生物炭添加量较低(5%)时能有效抑制土壤蒸发，但添加量过高则促进土壤蒸发。在大田原位状态下，生物炭对水分的影响作用较为复杂，难以定量研究水分与生物炭量间的关系。同时在大田条件下，受到降雨量及采集土壤时期的影响，土壤水分含量只能表征短时期的状态。在较高的生物炭量下锁水能力和蒸散速率也有一定协同性[23]。总体来讲，施用生物炭对土壤含水量的增加是有益的，但要控制施用量。
通过生物炭干预下土壤温度改变来理解生物炭的农田效应鲜有报道[24-25]。本研究中，生物炭在不同浇水条件下对土壤日平均温度的影响在返青期前和返青期后存在2个阶段的表现，其中，返青期前，大部分地面裸露，土壤温度呈持续下降趋势，此时生物炭对地温的影响在2种浇水条件下差异较大。不浇水条件日均地温随生物炭施用量增加有增加趋势，此时土壤增温对冬小麦生长发育及产量的影响利弊仍有待进一步分析；浇水条件下则表现相反。土壤颜色和水分含量是决定土壤比热的主要因素，且土壤升温的速率会因为高的含水量而减小，低含水量的生物炭会引起土壤温度最大程度的上升[26]。因此，本研究中出现不浇水条件下日平均地温高于浇水条件下。但是返青期后，随着土壤温度增加，浇水条件下出现日均地温较低时高，较高时低的现象；且不浇水条件下各生物炭处理日平均地温差异较小，在浇水条件下处理间波动幅度较大，且在较高的生物炭量下温度较高。可能是由于小麦返青期后地面覆盖度增加，阻碍了太阳光对地面的辐射，削弱了施入生物炭后土壤颜色变深对土壤温度的影响。总体来说，施入生物炭后，土壤颜色加深，土壤的吸热性增强，从而提高了地温[27-28]。但是在浇水条件下出现不同的趋势，这可能与土壤温度升降趋势以及水分含量有关，其还有待进一步定量分析。
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