Effect of biochar on the growth, nutrient accumulation and yield of maize in the tropics after three years of application

本试验于2022年4—7月在中国海南省乐东县海南大学热带作物学院乐东试验站（18°39′6″N，108°46′22″E，海拔66.8 m）进行，该地区的气候属于热带季风气候，土壤类型为燥红土。种植前土壤（0～20 cm）的基本特征为：pH 5.97，有机质含量0.69%，碱解氮34.24 mg·kg⁻¹，速效磷187.50 mg·kg⁻¹，速效钾183.79 mg·kg⁻¹。试验期间平均气温为29.28 ℃，累计降雨量为300 mm。

试验中施用的秸秆生物炭来自河南三利能源有限公司，为水稻壳和花生壳在500 ℃缺氧高温炭化制成。花生壳生物炭理化性质：pH10.05、全碳39.66%、全氮9.01 g·kg⁻¹、全磷2.39 g·kg⁻¹、全钾20.21 g·kg⁻¹；水稻壳生物炭理化性质：pH9.83、全碳43.42%、全氮5.92 g·kg⁻¹、全磷1.98 g·kg⁻¹、全钾13.75 g·kg⁻¹。

试验采用双因素随机区组设计；2个因素分别为生物炭种类和施用量，其中，生物炭种类包括花生壳生物炭（HC）和水稻壳生物炭（SC），施用量共4种分别为10、20、40、60 t·hm⁻²；以不施生物炭为对照（CK），共计9个处理，3个重复，27个小区。供试材料选用当地常见玉米品种‘美玉糯16号’，采用该地区传统的玉米种植方法进行种植（种植密度：5.3万株·hm⁻²，行距：60 cm，株距：30 cm）。每个小区长7.2 m，宽3.5 m，面积25.2 m²。区组间间隔1 m。

生物炭于2019年10月按处理要求在浅层土壤上施入生物炭（此后不再添加），并采用机械旋耕方式使其与0～20 cm土层充分混匀。肥料施用分为基肥和追肥，基肥施用复合肥（15-15-15）750 kg·hm⁻²；于拔节期和吐丝期时，分别追施尿素（42%）300 kg·hm⁻²和150 kg·hm⁻²。田间管理跟当地高产田的管理一致。

于成熟期（R6），在每个小区垄上随机选择5个土壤采样点。用直径5 cm的土钻采集0～10、10～20、20～40 cm土层的土壤样品。从所有土壤样品中去除植物和动物残留物，同一土层样品混合均匀。一部分土壤鲜样采用KCl浸提-连续流动分析仪测定土壤铵态氮含量(SNA)；剩余土样风干后，一部分通过2 mm（10目）的筛子，用火焰光度法测定土壤有效钾(SKA)、用钼锑比色法测定土壤有效磷(SPA)、用pH计测定土壤pH。另一部分过0.15 mm（100目）的筛用重铬酸钾容量法−外加热法测定土壤有机碳含量(SOC)^[21]。

于苗期（V3）、拔节期（V8）、吐丝期（R1）、灌浆期（R3），在每个小区选择3株玉米，用卷尺测量其株高(PH)，然后用游标卡尺测定玉米的茎粗(SD)。采用计数法测定叶片数。用卷尺测量每株植株的各叶长之和，然后乘以6.67，来估测每株玉米的叶面积，从而计算出叶面积指数（LAI）。用SPAD-502（柯尼卡美能达，东京）测定穗位叶的SPAD值（叶片叶绿素相对含量）。采用烘干法测定玉米成熟期（R6）每个植株的地上部分（茎、叶、果）干物质量（AB）。

玉米植株养分的测定：取玉米成熟期（R6）用于测定干物质量的样品，粉碎后称取约0.05 g样品，采用硫酸−过氧化氢消解之后利用消煮液进行植株氮、磷、钾含量(PNA、PPA、PKA)测定^[21]。

在玉米成熟期（R6），每个小区随机选取20个玉米植株（边行除外）收获果穗，测定含水量后计算实际产量(GY)；采用计数法计算每个小区玉米植株每穗的穗粒数(GN)；百粒重(100GW)为每个小区数5个100粒玉米，之后烘干至恒重，称重后平均计算。

利用Excel 2019 进行数据整理，用SPSS 21.0进行方差分析，用Origin 2023软件制图。

从图1可知，土壤pH值和有机碳含量都表现出随着生物炭施用量的增加而逐渐增加；从土层来看，各处理0～20 cm土层的土壤pH值要显著低于20～40 cm土层，而有机碳含量则表现出20～40 cm显著低于0～20 cm土层。从不同处理来看，40 t·hm⁻²和60 t·hm⁻²施用量的土壤pH在0～40 cm土层都普遍高于其他施用量，且都显著高于CK处理；而10 t·hm⁻²和20 t·hm⁻²处理则都与CK间无显著差异。与pH值规律相似，60 t·hm⁻²施用量下土壤SOC含量在各土层多表现出高于其他处理，且要显著高于10 t·hm⁻²和CK处理；同时，在20～40 cm土层各处理都显著高于CK处理。总体来看，HC60（花生壳60 t·hm⁻²，下同）和SC60（水稻壳60 t·hm⁻²，下同）处理在0～10 cm和20～40 cm都表现出SOC显著高于其他处理，且HC60处理最高。

Figure 1.  Effects of different biochar treatments on the physicochemical properties of the soil in the maize field

土壤铵态氮、速效钾含量都表现出0～10 cm土层最高，而速效磷含量则表现出0～20 cm土层要高于20～40 cm土层。不同处理相比，水稻壳生物炭在各土层都表现出60 t·hm⁻²下土壤铵态氮含量最高，显著高于其他处理；除0～10 cm土层外，40 t·hm⁻²与其他施用量间无显著差异。同样，花生壳生物炭下土壤铵态氮也表现出HC60处理在0～10 cm和20～40 cm土层都显著大于其他施用量处理，而HC60处理表现出在0～10 cm和20～40 cm都显著高于HC40、HC10和CK处理。速效磷含量在各土层都表现出60 t·hm⁻²生物炭处理下最高，都显著高于40 t·hm⁻²和20 t·hm⁻²处理；且在0～10 cm和20～40 cm都表现出显著高于其他生物炭处理，CK显著低于其他处理，同时40 t·hm⁻²大于20 t·hm⁻²和10 t·hm⁻²，但差异不显著。另外，除SC40外，60 t·hm⁻²生物炭处理的各土层速效钾含量都显著高于其他处理；且SC40处理在各土层也都显著高于SC20、SC10和CK处理；但HC40则与HC20差异不明显。

随着玉米生育进程的推进，玉米的株高、茎粗、叶面积指数和干物质量都呈逐渐增加的趋势（图2）；到R1后，各指标的增长逐渐平缓。玉米株高及叶片SPAD值都表现出在玉米整个生育期各处理差异并不明显。玉米茎粗仅在R3时期表现出，HC40与CK相比显著增加了25%，但其他处理间无显著差异。叶面积指数在V3时期，仅60 t·hm⁻²生物炭处理显著高于CK和20 t·hm⁻²；而到V8时期，生物炭处理下的叶面积指数都要大于CK处理；R1时期时则表现出，40 t·hm⁻²生物炭处理都要显著高于60 t·hm⁻²，但与其他处理间差异并不显著。

Figure 2.  Effect of different biochar treatments on morphological indicators of maize

玉米的地上部干物质积累量具体表现为40 t·hm⁻² > 20 t·hm⁻² > 60 t·hm⁻² > 10 t·hm⁻² > CK（图3）。HC40和SC40较CK都能显著提高玉米的干物质量，提高幅度都大于20%；且SC40处理最高。其他处理与CK相比差异并不显著。

Figure 3.  Effect of different biochar treatments on the accumulation of dry matter mass in the upper part of the maize in the field

从图4可知，和CK相比，生物炭施用增加了玉米植株氮、磷、钾的积累（PNA、PPA、PKA）。氮积累量表现出40 t·hm⁻² > 20 t·hm⁻² > 60 t·hm⁻² > 10 t·hm⁻² > CK；且除10 t·hm⁻²外，其他生物炭施用处理都显著高于CK（增加19%～35%）的玉米氮积累量，且20 t·hm⁻²、40 t·hm⁻²、60 t·hm⁻²间都差异不显著。玉米磷积累表现为仅SC20、SC40和SC60与CK相比显著增加26%、41%和36%，且三处理间无显著差异。玉米钾积累量则表现出，除HC10处理外，其他处理均显著高于CK；40 t·hm⁻²施用量下最高，但与20 t·hm⁻²和60 t·hm⁻²间无显著差异。所有处理中，SC40处理达到最大，较CK显著增加38%。

Figure 4.  Effects of different biochar treatments on N, P, and K accumulation and nutrient utilization efficiency in maize

与CK相比，不同处理下玉米氮利用率(PNE)与之不存在显著的差异。磷利用效率(PPE)和钾利用效率(PKE)都只有40 t·hm⁻²和10 t·hm⁻²时与CK间无显著差异，而在其他生物炭施用量下，2种生物炭间规律不一致。但总体来看，花生壳生物炭施用下玉米的磷、钾利用效率要略高与水稻壳生物炭。

与CK相比，生物炭处理能提高玉米产量；HC40和SC40处理下产量最高，分别较CK增加显著提高23%和28%；且其还显著高于60 t·hm⁻²和10 t·hm⁻²施用量的下的各处理；SC40处理产量最高，显著高于其他生物炭处理，而与HC40间没有显著差异。而其他施用量多与CK间不存在显著差异。与产量规律相似，穗粒数也表现出40 t·hm⁻²处理显著高于60 t·hm⁻²、10 t·hm⁻²和CK；且HC20与SC40间差异显著。百粒重中，所有生物炭处理间差异都不显著。

从图5可知，产量与土壤pH值、干物质积累量、植物氮、磷、钾积累量和穗粒数都呈显著正相关，而穗粒数与干物质积累量呈显著正相关。株高与土壤pH值、速效磷、速效钾含量及玉米干物质、氮磷钾积累量呈显著正相关。同时，干物质积累量、植物氮、磷、钾积累量与土壤pH值呈显著正相关；除此之外，植物氮、磷积累量还与土壤速效磷、速效钾含量有显著正相关，而干物质积累量与土壤速效磷含量存在显著正相关关系。此外，植物叶面积指数同SPAD值呈显著负相关，植物磷积累量同植物氮磷钾利用率呈显著负相关，而植物钾积累量则同钾利用率呈显著负相关。

Figure 5.  Correlation analysis of maize growth，yield，and soil physicochemical properties

生物炭施用后，会因为自身特性，进而影响土壤理化性质^{[22 − 23]}。本研究发现，生物炭施用3年后，土壤pH值和有机碳含量随生物炭施用量增加而逐渐增加，且在40 t·hm⁻²和60 t·hm⁻²施用水平下显著高于其他处理，这是因为生物炭本身作为富碳、碱性物质施用土壤后，会随施用量增加而增加^[24]，可以有效缓解热带地区因土壤酸化导致的作物生长发育受限^[25]。除此之外，生物炭高的碳含量为土壤微生物提供适宜的条件，并且生物炭的多孔结构为微生物的生长提供条件，使得土壤中微生物数量和多样性增加，不仅可以加快土壤的养分循环，还能在一定程度上稳定土壤生态平衡^[26]。此外，生物炭含有一定的矿质养分，且多孔结构所形成的强吸附能力，在为作物提供额外养分的同时，还可以作为载体来实现养分的缓释，以减少养分在土壤中的淋失，进而提高土壤养分含量^{[27 − 29]}。本试验还发现，土壤铵态氮、速效磷、速效钾含量也在60 t·hm⁻²施用量下表现出显著的增加。然而，在40 t·hm⁻²时，0～40 cm土层土壤的铵态氮在玉米成熟期多与10 t·hm⁻²和CK间没有显著的差异，这主要可能是在该生物炭施用量下显著促进玉米对氮元素的吸收，进而降低了土壤中的含量，在该研究的养分积累数据中该观点也得到了印证。同时，因为生物炭自身的养分含量会随着耕作年限的增加而逐渐被消耗^[30]，且在热带地区，损失率和降解率会更高^[31]；导致低施用水平（10 t·hm⁻²和20 t·hm⁻²）下土壤pH值、铵态氮、速效磷和速效钾与CK间无明显差异。另外，花生壳生物炭的养分含量均高于水稻壳生物炭，导致花生壳生物炭下土壤养分含量要明显高于水稻壳生物炭。

生物炭施用通过改善土壤性质，进而促进作物的生长发育及产量的提升^{[32 − 34]}。然而，有研究也发现，生物炭施用对辣椒等作物的株高、茎粗并未表现出显著的影响^[35]。本研究也发现，生物炭施用3年后，虽然对玉米的形态指标仍有积极影响，但玉米株高、叶片SPAD值及茎粗各处理间在多个玉米生育时期都未表现出明显差异；且叶面积指数也仅在R1时期表现出，40 t·hm⁻²生物炭处理都要显著高于60 t·hm⁻²，这可能是因为60 t·hm⁻²高的施用量对玉米生长有着抑制作用，部分学者也在高施用水平的生物炭处理中有着相同发现^{[36 − 37]}。LI等^[38]通过大田试验也发现，60 t·hm⁻²生物炭施用量下，作物的干物质积累量较40 t·hm⁻²略有降低。随着玉米养分吸收量的增加，干物质量也逐渐增加；因此，玉米干物质量与养分积累间表现出显著正相关关系（图5）；且玉米地上部干物质积累量与氮、磷、钾都表现为40 t·hm⁻²下最高，但60 t·hm⁻²显著低于40 t·hm⁻²；也有研究表明，高生物炭施用量处理下作物的干物质量会略微降低^{[39 − 41]}。

Figure 5.  Correlation analysis of maize growth，yield，and soil physicochemical properties

本研究相关分析结果表明，土壤pH、养分积累量及干物质积累量都与产量间存在显著正相关关系，可见，在热带地区玉米产量与土壤pH及养分和干物质累积都有密切的关系。虽然60 t·hm⁻²施用水平的土壤养分含量高于40 t·hm⁻²，但由于过高的生物炭施用水平会导致土壤中的养分被牢固的吸附^[42]，而不能很好的植物所吸收，进而限制植物生长，这也表明了合理的生物炭施用量才能达到促进作物生长的目的^[43]。故表现为作物养分在一定生物炭施用水平中随施用水平增加而逐渐增加，而过量的施用水平会抑制作物的养分吸收利用^{[44 − 45]}，使得40 t·hm⁻²水平时玉米的养分积累及产量均高于60 t·hm⁻²。其他研究也发现，适宜的生物炭添加量才能更好的提高作物的产量，过高或过低都会导致作物产量的降低。如有研究发现，10 t·hm⁻²的生物炭可以使粮食产量增加65%，显著高于20和30 t·hm^−2[46]。同样，王友华等^[47]的研究结果也表明，5 t·hm⁻²的生物炭较7.5 t·hm⁻²能显著增加玉米产量。此外，相关性分析表明，玉米产量与穗粒数呈显著正相关；其他学者也有着相似的发现^{[48 − 49]}。可见，生物炭主要通过提高热带地区玉米的穗粒数来提高玉米的产量，但与玉米的粒重没有明显的关系。

本研究结果表明，生物炭在热带地区施用3年后，40 t·hm⁻²施用量不仅提高了土壤肥力、增加了玉米的养分积累和干物质量，还增加玉米的穗粒数和产量，可以作为热带玉米增产最优的生物炭施用量，且以水稻壳生物炭为宜。本研究结果能为热带地区生物炭在玉米生产上的应用与推广提供参考与指导。