全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆园期摇 摇 圆园员猿年 员园月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
中小尺度下西北太平洋柔鱼资源丰度的空间变异 杨铭霞袁陈新军袁冯永玖袁等 渊远源圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
水分和温度对若尔盖湿地和草甸土壤碳矿化的影响 王摇 丹袁吕瑜良袁徐摇 丽袁等 渊远源猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
荒漠啮齿动物群落对开垦干扰的响应及其种群生态对策 袁摇 帅袁付和平袁武晓东袁等 渊远源源源冤噎噎噎噎噎噎噎
转 月贼基因棉花对烟粉虱天敌昆虫龟纹瓢虫的影响 周福才袁顾爱祥袁杨益众袁等 渊远源缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
微地形改造的生态环境效应研究进展 卫摇 伟袁余摇 韵袁贾福岩袁等 渊远源远圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
丹顶鹤春迁期觅食栖息地多尺度选择要要要以双台河口保护区为例 吴庆明袁邹红菲袁金洪阳袁等 渊远源苑园冤噎噎噎
新疆石河子南山地区表土花粉研究 张摇 卉袁张摇 芸袁杨振京袁等 渊远源苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
鄱阳湖湿地两种优势植物叶片 悦尧晕尧孕 动态特征 郑艳明袁尧摇 波袁吴摇 琴袁等 渊远源愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于高分辨率遥感影像的森林地上生物量估算 黄金龙袁居为民袁郑摇 光袁等 渊远源怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
异质性光照下匍匐茎草本狗牙根克隆整合的耗益 陶应时袁洪胜春袁廖咏梅袁等 渊远缘园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
湘潭锰矿废弃地栾树人工林微量元素生物循环 罗赵慧袁田大伦袁田红灯袁等 渊远缘员苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
接种彩色豆马勃对模拟酸沉降下马尾松幼苗生物量的影响 陈摇 展袁王摇 琳袁尚摇 鹤 渊远缘圆远冤噎噎噎噎噎噎噎
生物炭对不同土壤化学性质尧小麦和糜子产量的影响 陈心想袁何绪生袁耿增超袁等 渊远缘猿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
延河流域植物功能性状变异来源分析 张摇 莉袁温仲明袁苗连朋 渊远缘源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
榆紫叶甲赤眼蜂基础生物学特性及其实验种群生命表 王秀梅袁臧连生袁林宝庆袁等 渊远缘缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
几种生态因子对拟目乌贼胚胎发育的影响 彭瑞冰袁蒋霞敏袁 于曙光袁等 渊远缘远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
海南铜鼓岭灌木林稀疏规律 周摇 威袁龙摇 成袁杨小波袁等 渊远缘远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青海三江源区果洛藏族自治州草地退化成因分析 赵志平袁吴晓莆袁李摇 果袁等 渊远缘苑苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林凋落物基质质量的影响 肖银龙袁涂利华袁胡庭兴袁等 渊远缘愿苑冤噎噎噎噎噎噎噎
基于光合色素的钦州湾平水期浮游植物群落结构研究 蓝文陆袁黎明民袁李天深 渊远缘怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于功能性状的常绿阔叶植物防火性能评价 李修鹏袁杨晓东袁余树全袁等 渊远远园源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
北京西山地区大山雀与其它鸟类种群种间联结分析 董大颖袁范宗骥袁李扎西姐袁等 渊远远员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
被动式电子标签用于花鼠种群动态研究的可行性 杨摇 慧袁马建章袁戎摇 可 渊远远猿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
华北冬小麦降水亏缺变化特征及气候影响因素分析 刘摇 勤袁梅旭荣袁严昌荣袁等 渊远远源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 云粤匀孕鄄栽韵孕杂陨杂法的我国省域低碳发展水平评价 胡林林袁贾俊松袁毛端谦袁等 渊远远缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
河漫滩湿地生态阈值要要要以二卡自然保护区为例 胡春明袁刘摇 平袁张利田袁等 渊远远远圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
应用 蕴藻 月蚤泽泽燥灶灶葬蚤泽 法研究黄土丘陵区植被类型对土壤团聚体稳定性的影响
刘摇 雷袁安韶山袁黄华伟 渊远远苑园冤
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不同人为干扰下纳帕海湖滨湿地植被及土壤退化特征 唐明艳袁杨永兴 渊远远愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
近 员园年北京极端高温天气条件下的地表温度变化及其对城市化的响应
李晓萌袁孙永华袁孟摇 丹袁等 渊远远怨源冤
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三峡库区小江库湾鱼类食物网的稳定 悦尧晕同位素分析 李摇 斌袁徐丹丹袁王志坚袁等 渊远苑园源冤噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
北京奥林匹克森林公园绿地碳交换动态及其环境控制因子 陈文婧袁李春义袁何桂梅袁等 渊远苑员圆冤噎噎噎噎噎噎
植被恢复对洪雅县近 员缘年景观格局的影响 王摇 鹏袁李贤伟袁赵安玖袁等 渊远苑圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高盐下条斑紫菜光合特性和 杂鄄腺苷甲硫氨酸合成酶基因表达的变化 周向红袁易乐飞袁徐军田袁等 渊远苑猿园冤噎
学术信息与动态
生态系统服务研究进展要要要圆园员猿年第 员员届国际生态学大会渊 陨晕栽耘悦韵蕴 悦燥灶早则藻泽泽冤会议述评
房学宁袁赵文武 渊远苑猿远冤
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生态系统服务评估要要要圆园员猿年第 远届生态系统服务伙伴国际学术年会述评 巩摇 杰袁 岳天祥 渊远苑源员冤噎噎噎
回顾过去袁引领未来要要要要圆园员猿年第 缘届国际生态恢复学会大会渊杂耘砸 圆园员猿冤简介
彭少麟袁陈宝明袁周摇 婷 渊远苑源源冤
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期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿圆园鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄员园
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 荒漠旱獭要要要旱獭属啮齿目尧松鼠科尧旱獭属袁是松鼠科中体型最大的一种遥 旱獭多栖息于平原尧山地和荒漠草原地
带袁集群穴居袁挖掘能力甚强袁洞道深而复杂袁多挖在岩石坡和沟谷灌丛下袁从洞中推出的大量沙石堆在洞口附近袁形
成旱獭丘遥 荒漠啮齿动物是荒漠生态系统的重要成分袁农业开垦对功能相对脆弱的荒漠生态系统的干扰极大袁往往
导致栖息地破碎化袁对动植物种产生强烈影响袁啮齿动物受到开垦干扰后对环境的响应及其群落的生态对策袁是荒
漠生态系统生物多样性及其功能维持稳定的重要基础遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 20 期
2013年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.20
Oct.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:林业局“948冶项目(2009鄄4鄄64);农业部“948冶项目(2010鄄Z19);陕西省攻关项目(2010K02鄄12鄄1);陕西省自然科学基础研究计划项目
(2010JM5004)
收稿日期:2012鄄12鄄28; 摇 摇 修订日期:2013鄄07鄄02
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: gengzengchao@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201212281891
陈心想,何绪生,耿增超,张雯,高海英.生物炭对不同土壤化学性质、小麦和糜子产量的影响.生态学报,2013,33(20):6534鄄6542.
Chen X X,He X S,Geng Z C,Zhang W,Gao H Y.Effects of biochar on selected soil chemical properties and on wheat and millet yield.Acta Ecologica
Sinica,2013,33(20):6534鄄6542.
生物炭对不同土壤化学性质、小麦和糜子产量的影响
陈心想1,何绪生1,耿增超1,*,张摇 雯1,高海英1,2
(1. 西北农林科技大学资源环境学院,农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,杨凌摇 712100;
2. 史丹利化肥股份有限公司市场部,临沭摇 276700)
摘要:以小麦和糜子为供试作物,利用室外盆栽试验,研究了不同添加量生物炭与矿质肥配施对两种不同土壤化学性质及小麦
和糜子产量的影响。 生物炭当季用量设 5 个水平:B0 (0 t / hm2 )、B5 (5 t / hm2 )、B10 (10 t / hm2 )、B15 (15 t / hm2 )和 B20
(20 t / hm2),氮磷钾肥均作基肥施用。 结果表明:1)与对照相比,施用生物炭可以显著增加新积土糜子季土壤 pH值,其他处理
随生物炭用量的增加虽有增加趋势但差异不显著;显著增加新积土土壤阳离子交换量,增幅为 1.5%—58.2%;显著增加两种土
壤有机碳含量,增幅为 31.1%—272.2%;2)两种土壤的矿质态氮含量、新积土土壤有效磷和速效钾含量随生物炭用量的增加而
显著提高,氮磷钾增幅分别为 6.0%—112.8%、3.8%—38.5%和 6.1%—47.2%;3)生物炭可显著提高塿土上作物氮吸收量,而作
物磷、钾吸收量虽有增加,但差异不显著。 生物炭对小麦和糜子的增产效应尚不稳定,在试验最高用量时甚至产生轻微抑制作
用。 总之,施用生物炭在一定程度上可以改善土壤化学性质,提高土壤有效养分含量,但生物炭对土壤和作物的影响与土壤、作
物类型及土壤肥力密切相关。
关键词:生物炭;塿土;新积土;土壤化学性质;小麦;糜子;产量
Effects of biochar on selected soil chemical properties and on wheat and
millet yield
CHEN Xinxiang1,HE Xusheng1,GENG Zengchao1,*,ZHANG Wen1,GAO Haiying1,2
1 College of Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry University, Ministry of Agriculture Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri鄄
environment in Northwest China, Yangling 712100, China
2 Marketing Department, Stanley Fertilizer Stock CO., LTD, Linshu 276700, China
Abstract: Because of its physical, chemical, and biological stability, biochar could have a significant role in increasing
soil C storage, improving soil fertility and crop yield, and maintaining the balance of the soil ecosystem. However,
experimental results are variable and dependent on the experimental set鄄up, soil properties, and fertilizer application rates.
We conducted a pot experiment to study the influence of biochar and mineral fertilizer application rates on soil quality. The
biochar used in this study was prepared by pyrolyzing pruned apple tree branches at 450 毅C. Two soil types were used in the
study: loess soil and alluvial soil. These two soils are commonly cultivated in the Guanzhong district of Shaanxi Province.
The effect of biochar application on wheat and millet productivity (both yield and above鄄ground biomass) was also observed.
Wheat was planted in the pots first. After wheat harvest, millet was sown. Biochar was applied at five rates before planting
each of the crops: B0 (0 t / hm2), B5 (5 t / hm2), B10 (10 t / hm2), B15 (15 t / hm2) and B20 (20 t / hm2). Mineral
fertilizers were applied basally at the rates of 225 kg N / hm2, 180 kg P 2O5 / hm
2, and 150 kg K2O / hm
2 . Soil pH, cation
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exchange content (CEC), organic C concentration, and available nutrient concentrations were determined in the laboratory.
Crop biomass and yield were also determined. Differences among the soil quality indices, among crop biomass, and among
crop yields were analyzed by analysis of variance and multiple comparisons.The results showed that compared to the control
treatment, biochar application increased the pH of the alluvial soil after millet harvest. The soil pH of the loess soil tended
to increase as the biochar application increased; however, the increases were not significant. Biochar application increased
the CEC of alluvial soil by 1.5% to 58.2%. The increases tended to be larger after wheat harvest than after millet harvest.
Organic C concentrations increased in both soils as the biochar application rate increased. The increases, which ranged from
31.1% to 272.2%, tended to be larger after millet harvest than after wheat harvest. The increases were also larger in the
alluvial soil than in the loess soil. Amendment with biochar increased mineral N concentrations in both soils by 6% to
112郾 8%, available P concentrations in alluvial soil by 3.8% to 38.5% and available K concentrations in alluvial soil by
6郾 1% to 47.2%. Biochar amendment increased N uptake by wheat and millet on loess soil; however, the effect of biochar
on crop P and K uptake was inconsistent. Biochar amendment also had inconsistent effects on biomass production and yield
of both wheat and millet. The maximum biochar application rate (20 t / hm2) resulted in a slight decrease in wheat and
millet growth. In conclusion, biochar amendment improved soil chemical properties and increased available nutrient
concentrations to some extent; however, biochar amendment had negative or insignificant effects on crop yield. The effects
of biochar application were related to the fertility of the soil and to the crop type. Specifically, biochar had greater effect on
the low fertility soil than on the high fertility soil. The benefits of biochar on the low fertility soil increased as the biochar
application rate increased.
Key Words: biochar; loess soil; alluvial soil; soil chemical properties; wheat; millet; yield
生物炭是由植物生物质在完全或部分缺氧条件下经热裂解、炭化产生的一类高度芳香化、难溶性的固态
物质[1]。 全球对生物炭科学研究的重视,源于对巴西亚马逊盆地中部黑土的认识[2],研究发现木炭可在土壤
中保存数百数千年,且富含木炭的土壤比临近无木炭土壤的肥力更高。 研究表明,施用生物炭可提高土壤持
水容量和养分吸持容量[3],提高阳离子交换量(CEC)低的和酸性土壤的 CEC[4],提高土壤微生物量及活性,
促进土壤稳定性团聚体形成[3],提高土壤有机碳含量[5]和酸性土壤 pH值[4],促进作物生长和增产,有时会抑
制作物生长甚至减产[6]。 此外,由于生物炭可延缓肥料释放[7],降低肥料损失[8],将其与矿质肥配施作物增
产效果更显著。
目前,在风化土及典型热带贫瘠土壤上进行生物炭对土壤肥力和作物生长影响的研究较多[9]。 近年来,
我国学者也已开始关注生物炭的相关作用,但多数研究都集中在生物炭的理化特性和环境功能等方面[10鄄11],
将其应用于田间作物增产方面虽已有报道[12],但在陕西关中地区的塿土和新积土上未见报道。 本研究以陕
西省两种不同土壤(塿土和新积土)为研究对象,采用室外盆栽试验,对施用生物炭后土壤化学性质、土壤速
效养分含量、作物产量和生物量以及作物中养分含量的变化等进行研究,试图探明生物炭对土壤化学性质和
作物生长的影响,为进一步大田试验提供依据,并为生物炭在农业特别是在陕西省农业上应用提供理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验材料
(1)供试土壤摇 供试土壤分别采自陕西省杨凌农业高新示范区二道塬的塿土和陕西省杨陵示范区渭河
河滩的新积土。 根据国际制土壤质地分级标准塿土、新积土的质地分别为壤土和砂土,其性质和颗粒组成见
表 1。
(2)作物摇 选用西北农林科技大学选育小麦(小偃 22 号)和宁夏固原市农业科学研究所选育糜子(宁糜
14号)。
(3)生物炭摇 研究所用生物炭系市场采购的木炭,磨细过 1 mm筛,其基本性质见表 2。
5356摇 20期 摇 摇 摇 陈心想摇 等:生物炭对不同土壤化学性质、小麦和糜子产量的影响 摇
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表 1摇 供试土壤的基本化学性质
Table 1摇 Elementary chemical properties of soil in the pot experiment
土壤
Soil
pH
(H2O)
有机质
OM
/ (g / kg)
全氮
TN
/ (g / kg)
有效磷
AP
/ (mg / kg)
速效钾
AK
/ (mg / kg)
颗粒组成 Mechanical analysis / %
砂粒 Sand 粉粒 Silt 粘粒 Clay
塿土 Loess soil 7.77 9.58 0.76 49.95 1524.07 61.74 32.09 6.17
新积土 Alluvial soil 8.46 4.17 0.56 4.99 64.74 86.45 11.02 2.53
摇 摇 OM:有机质 Organic matter;TN:全氮 Total nitrogen;AP:有效磷 Available phosphorus;AK:速效钾 Available potassium
表 2摇 供试生物炭基本化学性质和元素含量
Table 2摇 Elementary chemical properties and element contents of biochar
pH CEC/ (cmol / kg)
C
/ %
H
/ %
N
/ %
O
/ %
全钾
TK / %
全磷
TP / %
粗灰分 Ash
Content / %
8.73 6.63 81.13 2.36 0.69 13.15 11.01 2.64 2.67
摇 摇 CEC:阳离子交换量 Cation exchange content;TP:全磷 Total phosphorus;TK:全钾 Total potassium
1.2摇 盆栽试验设计
每种土壤各设 5个处理,即生物炭当季施用量分别为 B0 (0 t / hm2)、B5 (5 t / hm2)、B10 (10 t / hm2)、B15
(15 t / hm2)和 B20 (20 t / hm2),设 5次重复,每个处理用土量为 5 kg,除生物炭用量不同外,各处理,氮、磷、钾
肥(分别为硝酸铵、磷酸二氢钙、硫酸钾)均作基肥施用,用量均为每公顷 225 kg N,180 kg P 2O5,150 kg K2O,
每次种植前取出土壤并与生物炭和肥料充分混匀后装盆。
盆栽试验进行两季,分别于 2010年 10月 17日至 2011年 5月 20日种植小麦,每盆定植 20 株,2011 年 6
月 15日至 2011年 8月 23日种植糜子,每盆定植 25 株。 因种植小麦前按设计方案已种植一季糜子,故小麦
收获时生物炭累积量分别为 0、10、20、30、40 t / hm2,在糜子收获时生物炭累积量分别为 0、15、30、45、60
t / hm2。 在作物生长期间根据天气及作物生长状况适量灌水,以满足作物正常生长发育所需。
1.3摇 测定指标及方法
作物成熟后,收获时用剪刀将穗剪下、植株沿茎基部剪下,分别装入干净信封中,置于恒温箱中 90 益杀青
30 min、65 益烘至恒重后称量,计算地上部生物量及产量,且于每盆布四点立即用土钻采集土样。
生物炭性质测定方法:采用水 /样为 25颐1电位计法;CEC 采用乙酸钠鄄火焰光度法[13];元素含量利用元素
分析仪和能谱仪测定。
土壤各项指标均采用常规方法测定。 其中,土壤 pH值采用水土比 2.5颐1 浸提鄄酸度计法; CEC 采用乙酸
钠鄄火焰光度法;有机碳采用硫酸鄄重铬酸钾外加热法;矿质态氮采用 1 mol / L KCl浸提鄄流动分析仪测定 NO-3 鄄N
和 NH+4 鄄N后求二者之和;有效磷用 Olsen法;速效钾用 1 mol / L NH4OAc 浸提鄄火焰光度法[13]。
植物样品(植株 /种子):用浓硫酸鄄双氧水消煮,定容后分别用半自动定氮仪、钼锑抗比色法、火焰光度计
法测定全 N、全 P、全 K[13]。
1.4摇 数据处理
试验数据利用 DPS v7.05统计软件进行单因素方差分析(One鄄way ANOVA),多重比较采用最小显著差异
法(LSD),显著性水平设定为 0.05,用 Excel 2007作图。
2摇 结果与分析
2.1摇 生物炭对土壤化学性质和速效养分的影响
2.1.1摇 生物炭对土壤化学性质的影响
如表 3所示,土壤 pH值随生物炭用量的增加而有增加趋势,仅新积土糜子季施炭处理较 B0 显著增加。
施用生物炭后,土壤 CEC在新积土上均随生物炭施用量的增加而显著增加,但糜子季增幅较小;而塿土土壤
CEC虽有增加,但处理间差异均不显著。 施用生物炭后,两种土壤有机碳含量均随生物炭用量的增加而显著
增加,且总体上糜子季增幅大于小麦季,新积土的增幅高于塿土。 由表 3 还可以看出,连续种植两季作物后,
6356 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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随着生物炭的连续施入,土壤 pH值、CEC和有机碳含量在糜子季各处理均高于小麦季相应处理,表明生物炭
在土壤中稳定性较高,分解速度较慢,连续施入后累积于土壤中。
表 3摇 施用生物炭对土壤化学性质的影响
Table 3摇 Effects of biochar on soil chemical properties
土壤
Soil
小麦 Wheat
pH
(H2O)
CEC
/ (cmol / kg)
有机碳 / (g / kg)
Soil organic carbon
糜子 Millet
pH
(H2O)
CEC
/ (cmol / kg)
有机碳 / (g / kg)
Soil organic carbon
新积土 B0 8.64依0.18a 1.65依0.09d 3.17依0.29d 8.65依0.22b 2.61依0.05c 4.72依0.53d
Alluvial soil B5 8.65依0.11a 1.78依0.05d 4.59依0.43c 9.11依0.18a 2.65依0.05c 7.74依0.86c
B10 8.67依0.06a 2.25依0.19c 5.64依0.32b 9.11依0.03a 2.71依0.03b 11.31依2.94b
B15 8.71依0.13a 2.46依0.09b 8.04依0.64a 9.15依0.03a 2.77依0.05b 12.79依0.79b
B20 8.72依0.03a 2.61依0.08a 8.40依0.73a 9.21依0.05a 2.85依0.04a 17.57依3.42a
塿土 B0 8.04依0.40a 5.17依0.39a 4.97依0.13c 8.68依0.05a 5.36依0.13a 6.63依0.37c
Loess soil B5 8.10依0.16a 5.22依0.07a 7.36依0.45b 8.72依0.05a 5.36依0.39a 8.69依0.11b
B10 8.16依0.02a 5.26依0.52a 7.54依0.05b 8.70依0.17a 5.45依0.13a 10.02依0.06b
B15 8.18依0.05a 5.54依0.05a 8.22依0.43ab 8.67依0.04a 5.45依0.26a 13.02依0.67a
B20 8.44依0.19a 5.59依0.33a 8.88依0.65a 8.68依0.08a 5.54依0.39a 14.80依1.38a
摇 摇 表中 B0、B5、B10、B15和 B20分别表示生物炭当季用量为 0、5、10、15 t / hm2和 20 t / hm2,不同小写字母表示 P<0.05差异显著性水平,“依冶后
面的数字是标准差
2.1.2摇 生物炭对土壤速效养分的影响
如表 4所示,施用生物炭后,两种土壤的矿质态氮含量均随生物炭用量的增加而显著增加,表明施用生物
炭能增加土壤对 NO-3 和 NH
+
4 的吸持,有效地补充土壤氮素养分。 土壤有效磷和速效钾含量仅在新积土的两
季作物上,随生物炭用量的增加而显著增加,在塿土上虽有增加趋势但处理间无显著差异。 这表明生物炭可
提高新积土对氮、磷、钾的吸附保持作用,改善新积土(砂土)“漏水漏肥冶的不足,从而利于作物整个生长期对
养分的需求。 由于塿土保水保肥性好,故生物炭对养分的吸附作用并不显著,具体效应将在下一步田间长期
定位试验中研究。
表 4摇 施用生物炭对土壤速效养分的影响
Table 4摇 Effects of biochar on soil available nutrients content
土壤
Soil
小麦 Wheat
矿质态氮
Mineral nitrogen
/ (mg / kg)
有效磷 AP
/ (mg / kg)
速效钾 AK
/ (mg / kg)
糜子 Millet
矿质态氮
Mineral nitrogen
/ (mg / kg)
有效磷 AP
/ (mg / kg)
速效钾 AK
/ (mg / kg)
新积土 B0 10.24依0.95c 23.45依0.40d 72.82依10.55d 5.46依1.40b 15.43依2.12c 64.21依5.31c
Alluvial soil B5 12.08依0.78b 24.34依0.82cd 82.20依6.99cd 7.06依0.95a 17.60依3.34bc 68.10依7.45bc
B10 12.42依1.52b 25.20依1.17bc 85.32依6.54bc 7.86依0.60a 20.28依3.60ab 70.68依5.79abc
B15 12.95依1.17b 26.23依1.93ab 95.67依8.05b 7.92依0.78a 20.75依0.25ab 74.57依1.77ab
B20 16.21依1.57a 27.55依1.23a 107.20依6.42a 8.18依0.39a 21.37依0.32a 75.21依3.69a
塿土 B0 32.81依0.05bc 77.28依3.20a 1303.84依0.05a 6.37依0.35b 44.08依1.28a 720.98依11.55a
Loess soil B5 27.99依4.21c 84.74依11.58a 1313.70依0.05a 6.75依0.53b 45.60依2.63a 720.98依8.08a
B10 41.68依15.84bc 85.03依0.05a 1323.56依8.37a 7.84依2.22ab 48.31依0.40a 761.80依11.55a
B15 52.37依11.25ab 86.09依4.77a 1338.35依17.4a 8.11依0.09ab 48.12依1.75a 778.13依0.05a
B20 69.81依5.40a 86.43依6.06a 1372.86依9.76a 10.89依2.44a 48.50依2.56a 778.13依13.86a
2.2摇 生物炭对作物产量和养分吸收的影响
2.2.1摇 生物炭对作物地上部生物量和产量的影响
摇 摇 如图 1所示,施用生物炭后,作物生物量虽有增加趋势,但除塿土小麦 B5、B10 和 B15 较 B0 显著增加了
7356摇 20期 摇 摇 摇 陈心想摇 等:生物炭对不同土壤化学性质、小麦和糜子产量的影响 摇
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23.6%、20.6%和 15.9%外,塿土糜子季和新积土上两种作物生物量均无显著差异,且生物炭在最高用量时甚
至对新积土作物产生轻微抑制作用。
如图 2所示,施用生物炭后,新积土糜子和塿土小麦显著增产,其中新积土糜子仅 B10 和 B20 较 B0 显著
增产 66.0%和 43.0%,塿土小麦仅 B5和 B10较 B0显著增产 38.6%和 28.3%,而其他处理虽有变化但差异不
显著,这说明施用生物炭对小麦和糜子的增产效应尚不稳定,有待进一步大田长期定位试验研究。
图 1摇 施用生物炭对小麦、糜子生物量的影响
Fig.1摇 Effects of biochar on dry weight of wheat and millet
图中 B0、B5、B10、B15和 B20分别表示生物炭当季用量为 0、5、10、15 t / hm2和 20 t / hm2
图 2摇 施用生物炭对小麦、糜子产量的影响
Fig.2摇 Effects of biochar on yield of wheat and millet
2.2.2摇 生物炭对作物养分吸收的影响
(1) 生物炭对作物植株内养分含量的影响
如表 5所示,施用生物炭后,两种土壤上糜子植株氮含量均显著增加,小麦季处理间无显著差异。 塿土糜
子植株磷含量显著降低,而其他处理虽有增加趋势但差异不显著。 两种作物植株钾含量在新积土上均显著增
加,但在塿土上处理间无显著差异。 由此可知,施用生物炭促进了糜子植株对氮素的吸收利用,而对小麦影响
不显著,这可能与作物类型有关。 施用生物炭也促进了新积土上作物对钾素的利用,对塿土的影响较小,这可
能与土壤性质有关。
8356 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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表 5摇 施用生物炭对作物植株养分含量的影响
Table 5摇 Effects of biochar on nutrient content of crop plant
土壤
Soil
小麦 Wheat
全氮 TN
/ (g / kg)
全磷 TP
/ (g / kg)
全钾 TK
/ (g / kg)
糜子 Millet
全氮 TN
/ (g / kg)
全磷 TP
/ (g / kg)
全钾 TK
/ (g / kg)
新积土 B0 8.25依1.70a 1.59依0.24a 16.24依0.54c 3.74依1.14c 1.33依0.61a 10.24依1.19c
Alluvial soil B5 9.24依0.76a 1.86依0.37a 19.80依0.94b 4.94依0.20b 1.35依0.25a 10.20依0.90c
B10 7.89依1.19a 1.95依0.29a 20.18依1.21ab 4.46依0.80bc 1.25依0.25a 10.33依0.79c
B15 9.65依4.12a 1.80依0.13a 21.76依0.82a 4.48依0.72bc 1.57依0.37a 11.98依0.70b
B20 6.83依0.32a 1.77依0.02a 21.73依2.06a 6.08依0.64a 1.72依0.29a 14.61依1.47a
塿土 B0 14.21依1.27a 2.84依0.02a 29.00依4.33a 3.69依0.18b 1.55依0.05a 20.24依0.70a
Loess soil B5 13.58依1.13a 2.27依0.21a 32.75依2.50a 4.46依1.57ab 1.15依0.05c 19.51依1.85a
B10 14.25依0.66a 3.08依0.76a 30.36依2.23a 4.47依0.05ab 1.43依0.04b 20.98依2.07a
B15 15.76依1.44a 3.13依0.24a 30.49依1.06a 4.70依1.25ab 1.46依0.05b 19.55依0.42a
B20 13.59依0.03a 2.75依0.27a 29.99依1.26a 6.70依0.33a 1.46依0.05b 19.07依0.66a
(2) 生物炭对作物籽粒中养分含量的影响
如表 6所示,施用生物炭后,籽粒氮含量在新积土上两季作物均显著提高,而在塿土上仅小麦季显著提
高,籽粒磷含量仅在新积土小麦季显著提高,籽粒钾含量仅在塿土糜子季显著提高,其他处理虽有增加趋势但
处理间差异不显著。
表 6摇 施用生物炭对作物籽粒养分含量的影响
Table 6摇 Effects of biochar on nutrient content of crop seeds
土壤
Soil
小麦 Wheat
全氮 TN
/ (g / kg)
全磷 TP
/ (g / kg)
全钾 TK
/ (g / kg)
糜子 Millet
全氮 TN
/ (g / kg)
全磷 TP
/ (g / kg)
全钾 TK
/ (g / kg)
新积土 B0 26.22依0.26c 3.68依0.21c 2.27依0.19a 13.23依1.43c 2.48依0.18ab 2.01依0.53a
Alluvial soil B5 27.26依0.80b 4.12依1.10b 2.23依0.12a 14.34依0.42bc 2.10依0.04b 2.24依0.54a
B10 26.37依0.43c 4.03依0.14b 2.24依0.12a 13.91依1.03c 2.11依0.13b 2.07依0.35a
B15 28.89依0.11a 4.55依0.15a 2.32依0.12a 15.48依0.77ab 2.61依0.29ab 1.32依0.15a
B20 29.00依0.10a 4.39依0.15a 2.33依0.12a 16.37依1.10a 2.69依0.66a 2.02依0.91a
塿土 B0 21.02依0.05b 4.04依0.46a 2.28依0.01a 14.23依0.71a 3.69依0.28a 2.95依0.17c
Loess soil B5 23.68依5.16ab 4.39依0.12a 2.29依0.02a 14.68依0.05a 3.36依0.62a 2.83依0.38c
B10 28.39依0.43a 4.03依0.58a 2.39依0.19a 15.40依2.24a 3.61依0.05a 3.06依0.05bc
B15 28.16依0.79ab 4.04依0.05a 2.41依0.17a 14.89依0.05a 3.69依0.73a 3.49依0.18ab
B20 - 4.22依0.05a 2.25依0.05a 16.72依0.22a 3.53依0.10a 3.60依0.01a
(3) 生物炭对作物养分吸收量的影响
如表 7所示,施用生物炭后,塿土上两季作物氮素吸收总量均显著提高,磷素和钾素吸收总量分别在新积
土糜子季和塿土小麦季显著提高,其他处理间虽有增加但均无显著差异。
3摇 讨论
3.1摇 生物炭与土壤化学性质的关系
本试验所用生物炭 pH值较高,施入土壤后除了增加新积土糜子季土壤 pH 值外,对其他处理 pH 值影响
并不显著,这与前人研究结果[4]不一致,主要原因可能是原始土壤 pH值较高,生物炭灰分中的可溶性盐基离
子,如钙、镁、钾、钠等,溶于水后不能显著提高土壤盐基离子饱和度。 新积土糜子季炭处理土壤 pH值较对照
变化较大,原因之一可能是本研究为盆栽试验,装土量有限,使土壤缓冲性能减弱;另一方面可能是新积土
CEC较小,缓冲容量较小所致,该结论还有待于大田长期定位试验进一步研究。
9356摇 20期 摇 摇 摇 陈心想摇 等:生物炭对不同土壤化学性质、小麦和糜子产量的影响 摇
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表 7摇 施用生物炭对作物养分吸收量的影响
Table 7摇 Effects of biochar on uptake of nutrients by crops
土壤
Soil
小麦 Wheat
氮 N
/ (g /盆)
磷 P
/ (g /盆)
钾 K
/ (g /盆)
糜子 Millet
氮 N
/ (g /盆)
磷 P
/ (g /盆)
钾 K
/ (g /盆)
新积土 B0 0.62依0.10a 0.11依0.01ab 0.73依0.10a 0.43依0.11a 0.10依0.03b 0.57依0.14a
Alluvial soil B5 0.62依0.22a 0.12依0.02ab 0.77依0.04a 0.51依0.21a 0.11依0.02b 0.61依0.22a
B10 0.65依0.08a 0.14依0.02a 0.81依0.07a 0.52依0.23a 0.13依0.05ab 0.67依0.09a
B15 0.62依0.10a 0.12依0.03ab 0.81依0.08a 0.55依0.01a 0.18依0.04a 0.83依0.01a
B20 0.52依0.04a 0.10依0.01b 0.75依0.07a 0.57依0.13a 0.12依0.05ab 0.84依0.23a
塿土 B0 0.88依0.07b 0.17依0.01a 1.37依0.05b 0.47依0.04b 0.16依0.01a 1.40依0.05a
Loess soil B5 1.12依0.10a 0.20依0.02a 1.64依0.20a 0.60依0.14ab 0.15依0.02a 1.65依0.01a
B10 1.19依0.03a 0.22依0.04a 1.48依0.11ab 0.60依0.10ab 0.17依0.02a 1.55依0.32a
B15 1.15依0.03a 0.20依0.02a 1.43依0.03ab 0.57依0.09ab 0.16依0.01a 1.58依0.12a
B20 - 0.18依0.02a 1.24依0.05b 0.78依0.05a 0.17依0.05a 1.60依0.01a
土壤 CEC是衡量土壤肥力的重要指标,可直接反映土壤吸持和供给可交换养分的能力,而土壤胶体的比
表面积和表面负电荷密度决定了其大小[14],因此,土壤的固相组成直接影响土壤 CEC。 生物炭比表面积大,
可以增强土壤对阳离子的吸附能力[15],增加耕层土壤 CEC[16]。 由于 CEC的形成主要与土壤中有机质含量和
粘粒含量有关,因此本试验中生物炭显著提高了有机质较低的新积土 CEC,而对有机质较高的塿土影响相对
较弱。 连续种植两季作物后,糜子季 CEC 均大于小麦季,可能是因为随着生物炭与土壤相互作用时间的延
长,在生物或非生物作用下,生物炭表面可部分被轻度氧化形成羰基、酚基和醌基等官能团[17],其电荷量或
CEC增大,从而增大土壤 CEC。
本试验施用生物炭显著增加土壤有机碳含量,其增幅随生物炭用量的增加而增加,且新积土的增幅高于
塿土,这是由于生物炭富含有机碳,可以增加土壤有机碳含量[4,18],以及土壤有机质[3,19]或腐殖质含量,而新
积土原土的有机碳含量明显低于塿土,施入生物炭后,通过激发效应促进土壤有机质的分解[20],有机碳含量
迅速提高。 在连续种植两季作物后,同一土壤糜子季土壤有机碳含量均高于小麦季,且两季作物土壤有机碳
含量均高于原始土壤。 原因一方面可能是土壤处理时残留了极细小的植物残体;另一方面,生物炭的稳定性
较高,随着生物炭的逐季施入,土壤中累积的生物炭增多,一些极细小的生物炭颗粒可能附着于土壤表面[21]。
3.2摇 生物炭与土壤养分变化的关系
生物炭具有较大的比表面积,施入土壤后可以吸附多种离子,从而提高土壤的保肥性能[22],但其对养分
是一种选择性吸持[23],对 NH+4、NO
-
3 吸附作用较强[3]。 本试验施用生物炭显著增加土壤矿质态氮含量,且增
幅随生物炭用量的增加而增加,这与前人室内培养试验结果一致[24]。 已有研究指出生物炭可以增加有效 P、
K、Mg和 Ca含量[25],但本试验施用生物炭显著提高了新积土有效 P、K 含量,但对塿土影响不显著。 原因可
能是新积土养分含量较低且易淋失,施入生物炭后,由于炭本身含有一定养分即可作为肥料提高土壤肥
力[11],而且其巨大表面积易吸附养分,从而提高了土壤速效养分含量,而对肥力高的塿土影响较小。
3.3摇 生物炭与作物产量、生物量及养分吸收的关系
前人研究表明[9,12,26],施用生物炭可以显著促进作物生长,增加作物地上部干物质的积累和作物产量。
本研究结果显示,仅塿土小麦生物量显著增加,且生物炭在最高用量时甚至对新积土上作物生物量产生轻微
的抑制作用。 施用生物炭对小麦和糜子的增产效应尚无规律,新积土小麦和塿土糜子均未显著增产,而新积
土糜子和塿土小麦季显著增产。 原因一方面可能与土壤和作物类型有关,因为在酸性和中性、粗或中等质地
的土壤上生物炭的增产效应较显著[27];另一方面,生物炭含碳量高而矿质养分含量低,施入土壤后作物直接
利用的养分有限,土壤 C / N比提高,进而降低土壤养分尤其是氮素有效性[28],因而在多数土壤上单独施用生
物炭,会导致当季或几季作物无增产效应,甚至减产[7]。 因此,生物炭的增产效应可能与土壤肥力状况、生物
0456 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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炭用量、矿质肥管理、作物和土壤类型等因素有关[29],具有较大的不确定性。
有研究表明,施用生物炭有利于增加作物组织中磷、钾、钙、镁等元素吸收[30]。 本试验结果表明,施用生
物炭显著提高了塿土上两种作物氮吸收量,而对磷、钾吸收量的影响尚不稳定,且同一土壤不同作物响应不
同。 原因可能是生物炭和氮肥配施提高了土壤 pH 值,可能降低了磷和某些微量元素的有效性[29鄄30],从而不
利于作物对养分的吸收,还与作物类型和种植年限有关。
4摇 结论
(1)生物炭显著增加了新积土糜子季土壤 pH值,其他处理虽随生物炭用量增加而有增加趋势但差异不
显著;显著增加新积土土壤 CEC,小麦季增幅较大,而对塿土土壤 CEC影响不显著;显著增加两种土壤有机碳
含量,且新积土增幅高于塿土,糜子季增幅大于小麦季。
(2)生物炭可显著提高两种土壤的矿质态氮含量,显著提高新积土土壤有效磷和速效钾含量,而对塿土
磷钾含量无显著影响。
(3)施用生物炭对小麦和糜子的增产效应尚不明确,不同土壤上不同作物对生物炭的响应不同,与土壤
肥力状况有关。 生物炭可显著提高塿土上作物氮吸收量,而作物磷、钾吸收量虽有增加但差异不显著,且同一
土壤不同作物响应不同。
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2456 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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叶生态学报曳圆园员猿年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁猿园园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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本期责任副主编摇 宋金明摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
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