• ISSN 1008-505X
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小麦产量及土壤性状对施用生物质炭的量化响应

史雷 张然 马龙 王楷 王书停 王桃桃 王朝辉 李紫燕 翟丙年

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小麦产量及土壤性状对施用生物质炭的量化响应

    作者简介: 史雷 E-mail:shileigxu@163.com;
    通讯作者: 李紫燕, E-mail:26348663@qq.com ; 翟丙年, E-mail:bingnianzhaitg@126.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFD0200403);国家科技支撑计划项目课题(2015BAD23B04);农业部公益性项目课题 (201503124);国家自然科学基金项目(31772389)。

Quantitative response of wheat yield and soil properties to biochar amendment in China

    Corresponding author: LI Zi-yan, E-mail:26348663@qq.com ;ZHAI Bing-nian, E-mail:bingnianzhaitg@126.com
  • 摘要:   【目的】  生物质炭作为一种新型的土壤改良材料,其增产效应已有很多报道。我们量化评估了生物质炭对小麦产量和麦田土壤性状的影响,对生物质炭在小麦生产中应用推广具有重要的实践价值。  【方法】  本研究数据来源于知网、Web of Science和维普文献数据库,以“生物质炭”、“Biochar”和“小麦”为主要关键词检索文献,共获得国内外公开发表的59篇相关试验的文献和227组数据。采样整合分析方法 (Meta-analysis),定量分析生物质炭在不同田间管理措施、不同土壤条件、不同生物质炭特性下对小麦产量的影响及麦田土壤性状对施用生物质炭的响应。  【结果】  我国施用生物质炭能使小麦产量平均提高11.7%。施用生物质炭的增产效应在质地疏松的壤土 (16.0%) 和6.5 ≤ pH < 7.5 (17.1%) 的田块最显著;不同原料生物质炭的增产效果存在一定差异,木本材质 (29.3%) > 玉米秸秆 (10.7%) > 小麦秸秆 (8.1%) > 水稻秸秆 (6.0%)。不同管理措施下施用生物质炭的增产效应具有差异,雨养区 (15.7%) > 灌溉区 (4.9%)。随氮肥施用量的增加,生物质炭的增产效应逐渐降低,施氮量为0 ≤ N < 50 kg/hm2时,增产18.0%。施用生物质炭对前四季小麦增产效应显著,第四季之后,增产效应不明显,第一季 (17.2%) > 第三季 (13.4%) > 第四季 (9.4%) > 第二季 (7.3%);生物质炭施用量为10~25 t/hm2时增产效应最大 (14.9%)。施用生物质炭对麦田土壤全氮、全磷、全钾、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾、有机碳、pH、土壤含水量、C/N、微生物量碳含量均有显著提高,有机碳 (38.4%) 含量变化最大。  【结论】  在不同管理措施、土壤理化性状下,施用生物质炭能显著提高小麦产量,改善土壤理化性质,但对土壤微生物量氮 (SMBN) 影响不显著。生物质炭的增产效应随施用时间不断减弱,其产量效应持续时间为四季作物。小麦生产过程中,生物质炭最佳施用量为10~25 t/hm2
  • 图 1  研究点地理分布

    Figure 1.  The geographical distribution of experimental sites in this research

    图 2  土壤性状 (左) 和管理措施 (右) 对小麦施用生物质炭的增产效应的影响

    Figure 2.  Yield increment response of wheat to biochar application affected by soil properties (Left) and field managements (Right)

    图 4  生物质炭材质、pH和施用量对小麦增产效应的影响

    Figure 4.  Yield-increase response of wheat to the raw materials,pH and amendment rate of biochar

    图 5  麦田施用生物质炭影响小麦增产效应的持续时间

    Figure 5.  Lasting seasons of wheat productivity in response to biochar application

    图 6  施用生物质炭后土壤肥力指标的变化

    Figure 6.  Yield response of soil fertility indices to biochar application

    表 1  产量数据统计描述

    Table 1.  Statistical description of yield data

    分类依据
    Standard
    项目
    Item
    样本数
    Samplesize
    异质性检验Heterogeneity test失安全数
    Fall-Safe number
    总异质性
    Total
    组间
    Between group
    组内
    Within group
    QPQPQP
    土壤
    Soil
    质地Texture 113 126.38 0.17 7.45 0.02* 118.9 0.26 4140.5
    pH 165 220.65 0.01** 6.04 0.11 214.6 0.01** 7861.5
    管理措施
    Management
    施氮量N rate 148 477.84 0.00** 18.99 0.00** 458.8 0.00** 16052.0
    灌溉Irrigation 118 442.78 0.00** 79.43 0.00** 363.3 0.00** 10064.0
    追肥Topdressing 153 452.80 0.00** 7.50 0.01** 445.3 0.00** 15813.0
    生物炭性质
    Biocharproperty
    材质Feed stock 164 646.47 0.00** 181.10 0.00** 465.3 0.00** 23065.2
    pH 149 556.67 0.00** 207.10 0.00** 349.5 0.00** 17315.3
    施用量Use rate 175 130.94 0.99 4.30 0.23 126.6 0.99 4959.5
    施用时间Application time 144 162.12 0.13 15.42 0.05 146.7 0.23 5285.9
    注 (Note):*—P < 5%;**—P < 1%.
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    表 2  土壤肥力数据统计描述

    Table 2.  Statistical description of soil fertility data

    分类依据
    Standard
    全氮
    Total N
    全磷
    Total P
    全钾
    Total K
    硝态氮
    NO3-N
    铵态氮
    NH4+-N
    速效磷
    Available P
    速效钾
    Available K
    样本数Sample size 87 19 9 41 37 73 69
    异质性检验Heterogeneity test Q 58.08 15.94 18.95 30.04 29.1 39.43 60.37
    P 0.99 0.60 0.01* 0.87 0.79 0.99 0.73
    失安全数Fall-Safe Number 1365.9 11.7 31 363.5 29.9 81.4 1580.6
    分类依据
    Standard
    有机碳
    SOC
    容重
    Bulk density
    pH 含水量
    Moisture
    C/N 微生物量碳
    MBC
    微生物量氮
    MBN
    样本数Sample size 129 69 87 26 24 39 27
    异质性检验Heterogeneity test Q 179.30 173.45 305 46.26 42.7 203.91 30.01
    P 0.001** 0** 0** 0.006** 0.01* 0** 0.26
    失安全数Fall-Safe Number 12380.3 4108.7 3216 133.5 164 710.6 0
    注 (Note):*—P < 5%;**—P < 1%.
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    [3] 杜盼张娟娟郭伟马新明郭建彪 . 施氮对不同肥力土壤小麦氮营养和产量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18039
    [4] 高美玲唐灵云吴正肖张旭博孙志刚孙楠高永华张崇玉 . 全球不同气候区小麦产量构成要素对生殖期增温的响应. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18247
    [5] 李泽丽刘之广张民陈琪邹朋杨茂峰 . 控释尿素配施黄腐酸对小麦产量及土壤养分供应的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17426
    [6] 王乐张淑香马常宝李春花 . 潮土区29年来土壤肥力和作物产量演变特征. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18187
    [7] 刘源崔二苹李中阳杜臻杰高峰樊向阳 . 养殖废水灌溉下施用生物质炭和果胶对土壤养分和重金属迁移的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17250
    [8] 李双双陈晨段鹏鹏许欣熊正琴 . 生物质炭对酸性菜地土壤N2O排放及相关功能基因丰度的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17272
    [9] 韩召强陈效民曲成闯张晓玲张俊黄春燕刘云梅 . 生物质炭对黄瓜连作土壤理化性状、酶活性及土壤质量的持续效应. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18016
    [10] 刘会朱占玲彭玲陈倩刘相阳葛顺峰姜远茂 . 生物质炭改善果园土壤理化性状并促进苹果植株氮素吸收. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17155
    [11] 刘璐王朝辉刁超朋王森李莎莎 . 旱地不同小麦品种产量与干物质及氮磷钾养分需求的关系. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17168
    [12] 李丽王雪艳田彦芳王耀生李贵桐林启美赵小蓉 . 生物质炭对土壤养分及设施蔬菜产量与品质的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17483
    [13] 肖婧王传杰黄敏孙楠张文菊徐明岗 . 生物质炭对设施大棚土壤性质与果蔬产量影响的整合分析. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17132
    [14] 赵艳艳袁亚培梁雪宫晓平吴春红周秀文郭营赵岩李斯深孔凡美 . 不同磷、钾处理小麦苗期氮营养性状的QTL分析. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16030
    [15] 肖永恒李永夫王战磊姜培坤周国模刘娟 . 竹叶及其生物质炭输入对板栗林土壤N2O通量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.15006
    [16] 仝少伟时连辉刘登民姜远茂高东升束怀瑞胡雨彤 . 不同有机堆肥对土壤性状及微生物生物量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0112
    [17] 吴春红梁雪李斯深李絮花宫晓平孔凡美 . 小麦苗期钾、钠吸收相关性状及其QTL分析. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2013.0501
    [18] 王小燕褚鹏飞于振文 , . 水氮互作对小麦土壤硝态氮运移及水、氮利用效率的影响 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0502
    [19] 赵俊晔于振文李延奇王雪 . 施氮量对土壤无机氮分布和微生物量氮含量及小麦产量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0402
    [20] 王月福于振文李尚霞余松烈 . 土壤肥力和施氮量对小麦根系氮同化及子粒蛋白质含量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2003.0107
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  • 收稿日期:  2019-10-28

小麦产量及土壤性状对施用生物质炭的量化响应

  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFD0200403);国家科技支撑计划项目课题(2015BAD23B04);农业部公益性项目课题 (201503124);国家自然科学基金项目(31772389)。
  • 摘要:   【目的】  生物质炭作为一种新型的土壤改良材料,其增产效应已有很多报道。我们量化评估了生物质炭对小麦产量和麦田土壤性状的影响,对生物质炭在小麦生产中应用推广具有重要的实践价值。  【方法】  本研究数据来源于知网、Web of Science和维普文献数据库,以“生物质炭”、“Biochar”和“小麦”为主要关键词检索文献,共获得国内外公开发表的59篇相关试验的文献和227组数据。采样整合分析方法 (Meta-analysis),定量分析生物质炭在不同田间管理措施、不同土壤条件、不同生物质炭特性下对小麦产量的影响及麦田土壤性状对施用生物质炭的响应。  【结果】  我国施用生物质炭能使小麦产量平均提高11.7%。施用生物质炭的增产效应在质地疏松的壤土 (16.0%) 和6.5 ≤ pH < 7.5 (17.1%) 的田块最显著;不同原料生物质炭的增产效果存在一定差异,木本材质 (29.3%) > 玉米秸秆 (10.7%) > 小麦秸秆 (8.1%) > 水稻秸秆 (6.0%)。不同管理措施下施用生物质炭的增产效应具有差异,雨养区 (15.7%) > 灌溉区 (4.9%)。随氮肥施用量的增加,生物质炭的增产效应逐渐降低,施氮量为0 ≤ N < 50 kg/hm2时,增产18.0%。施用生物质炭对前四季小麦增产效应显著,第四季之后,增产效应不明显,第一季 (17.2%) > 第三季 (13.4%) > 第四季 (9.4%) > 第二季 (7.3%);生物质炭施用量为10~25 t/hm2时增产效应最大 (14.9%)。施用生物质炭对麦田土壤全氮、全磷、全钾、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾、有机碳、pH、土壤含水量、C/N、微生物量碳含量均有显著提高,有机碳 (38.4%) 含量变化最大。  【结论】  在不同管理措施、土壤理化性状下,施用生物质炭能显著提高小麦产量,改善土壤理化性质,但对土壤微生物量氮 (SMBN) 影响不显著。生物质炭的增产效应随施用时间不断减弱,其产量效应持续时间为四季作物。小麦生产过程中,生物质炭最佳施用量为10~25 t/hm2

    English Abstract

    • 生物质炭 (biochar) 是作物秸秆、果树枝条、畜禽粪便等有机物料通过高温厌氧条件热裂解形成的固体富碳产物[1]。已有大量研究表明,生物质炭作为添加剂施入土壤,可减少温室气体排放[2],降低土壤重金属有效性[3],提高土壤含水量、有效养分含量[4]及土壤有机碳含量[5],改善作物生长环境,从而起到作物增产,培肥土壤的目的。近年来,随着粮食安全、环境安全等生态问题的日益严峻,生物质炭在农业生产中的应用逐渐引起关注。小麦作为我国三大主粮作物之一,其产量和种植面积已达到13018.52万t、2450.8万hm2,小麦稳产高产对我国的粮食安全问题至关重要[6]。因此,本研究通过对施用生物质炭的小麦大田试验结果数据的整合分析,探讨添加生物质炭对我国麦田土壤理化性质和小麦产量的影响,为生物质炭在中国小麦生产中推广应用提供依据。近年来的大量研究表明,配施生物质炭对小麦生长及土壤理化性状有着积极影响[7-8]。宋婷婷等[9]通过培养试验研究发现,与未施生物质炭相比,当生物质炭施用量小于80 g/kg时显著促进了小麦和黄瓜的根、茎生长。孙海妮等[10]通过田间定位试验研究表明,在小麦生育内,土壤硝态氮、铵态氮、速效钾和有机质含量随生物质炭的施用量增加而增加;土壤含水量、速效磷含量以及小麦产量、水分利用效率随生物质炭施用量增加而降低;当生物质炭施用量为30 t/hm2时,小麦产量和水分利用效率最大。Vaccari等[11]研究表明,施用生物质炭对于小麦的增产幅度最高可达30%。陈静等[12]通过田间试验探究生物质炭对于小麦-玉米轮作体系中温室气体排放和作物产量的影响,结果发现,与常规处理相比,施用4 t/hm2、8 t/hm2生物质炭分别降低了土壤N2O排放总量的13.2%和23.6%,并且小麦产量分别增加了20.4%和7.6%。生物质炭的增产效应与生物质炭的施用时间和施用量有关。谢迎新等[13]研究表明,当生物质炭施用量为2.25 t/hm2时,试验开始前两年对小麦的增产效果不显著,第三年增产效果显著;当生物质炭施用量为6.75 t/hm2时,从试验开始第二年即对小麦增产效果显著;当生物质炭施用量为11.25 t/hm2时,从试验开始第一年即对小麦增产效果显著。生物质炭的增产效应与氮肥的施用量也有一定的相关性。南学军等[14]研究表明,生物质炭施用量相同,氮肥施用量为11.25 t/hm2,可显著提高土壤有机质、全氮、全磷和速效养分含量。此外,生物质炭的增产、培肥土壤作用与制备生物质炭的原料[15]、土壤类型[16]等也有关,并且相同环境条件下,同一生物质炭施用于不同作物对于产量的影响不同[17]。为了深入探究生物质炭对于土壤肥力和作物增产效应的影响,刘晓雨等[18]、刘成等[19]、肖婧等[17]、Jeffery等[20]、Biederman等[21]运用整合分析的方法 (meta-analysis) 对前人的研究结果进行了总结,定量的评估了施用生物质炭对于作物产量的影响,结果表明施用生物质炭能使作物增产8%~16%。此外,国内外部分学者通过整合分析的方法 (meta-analysis) 探究了生物质炭对于土壤有效无机氮[22]、根系构型[23]等的影响。已有研究表明生物质炭对于作物的增产效应受不同因素影响,但未对某一作物具体分析。近年来,生物质炭被广泛应用于小麦生产中,但不同条件下导致其增产效应产生差异的原因暂不明确,且生物质炭对麦田土壤理化性状的影响未定量评价。本研究基于上述问题,在前人工作的基础上,以小麦为研究对象,分析施用生物质炭对于小麦产量和麦田土壤理化性状的影响。采用整合分析 (meta-analysis) 方法,通过亚组分类探究配施生物质炭对小麦增产效应的差异因素及其对土壤理化性状的影响,为小麦生产过程中生物质炭的施用提供科学参考。

      • 本研究基于中国知网、万方数据、Web of Science、Springer等国内外数据库,设置主要关键词“生物质炭”、“Biochar”“小麦”进行检索,收集截止至2019年1月份国内外发表的关于生物质炭对小麦生长影响的文献。文献筛选标准包括:1) 试验为田间试验,试验时间清楚、地点明确,并且位于中国范围之内;2) 试验有严格的对照和处理,处理组为施用生物质炭 (不包括施用生物质炭基肥的试验),对照组为未施生物质炭,除此之外其他试验条件一致;3) 试验处理重复次数 ≥ 3次,提供小麦产量和土壤理化性状的平均值 (Mean)、标准差 (SD)、样本数 (n)。

      • 基于以上限制条件,最终共获得59篇有效文献,具体试验地点分布如图1所示。从文献中摘录出以下数据,建立生物质炭与小麦产量和麦田土壤理化性状的数据库:1) 文献信息,包括作者、题目、发表时间、出版刊物等;2) 试验区域概况,包括试验地点、试验开展时期、土壤全量氮磷钾含量、土壤pH、土壤硝铵态氮含量、速效磷、有效钾、土壤有机碳 (SOC)、土壤容重、含水量、C/N比、土壤微生物量碳 (SMBC) 和微生物量氮 (SMBN);3) 田间管理及作物生长情况,包括氮肥施用量、是否追肥、是否灌水、小麦种植时期、小麦产量;4) 生物质炭性状及施用方式,包括生物质炭pH值、制备原料、施用方式、施用量。部分文献数据通过图表形式展现,采样GetData Graph Digitizer 2.24软件提取数据。共获得匹配数据227组。

        图  1  研究点地理分布

        Figure 1.  The geographical distribution of experimental sites in this research

        对文献中提取的数据进行标准化处理。若文献给出标准误 (SE),则通过公式 (1) 进行转化。如果生物质炭施用量通过百分数方式表示,则以每公顷耕层土壤重225万公斤来进行转化[24]。对于土壤和生物质炭pH,根据公式 (2) 统一转化为水溶液法[25]

        $ {\rm{SD}} = {\rm{SE}}\sqrt n $

        $ {\rm{pH}}\left( {{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}} \right) = 1.65 + 0.86\;{\rm{pH}}\left( {{\rm{CaC}}{{\rm{l}}_2}} \right) $

        将收集数据通过以下标准进行分组处理 (剔除研究对数小于3对的分组):1) 根据土壤pH值,按照《中国土壤》的标准将土壤分为弱酸性土壤 (pH < 6.5)、中性土壤 (6.5 ≤ pH < 7.5)、弱碱性土壤 (7.5 ≤ pH < 8.5)、强碱性土壤 (8.5 ≤ pH);2) 根据土壤中黏、粉砂粒的含量不同,将土壤质地划分为壤土、砂土、黏土;3) 根据田间管理措施不同,将其分为生育期内追肥、生育期内不追肥和生育期内灌水、生育期内不灌水;4) 根据小麦生育期内施纯氮量差异将数据分为低 (0 ≤ N < 50 kg/hm2)、中 (50 ≤ N < 150 kg/hm2)、高 (150 ≤ N < 225 kg/hm2)、过高 (N ≥ 250 kg/hm2);5) 生物质炭pH分为7 ≤ pH < 8,8 ≤ pH < 9,9 ≤ pH < 10,10 ≤ pH四个水平;6) 根据生物质炭原材料的差异将其划分为小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、木本材料;7) 生物质炭施用量分为B < 10 t/hm2、10 ≤ B < 25 t/hm2、25 ≤ B < 40 t/hm2、B ≥ 40 t/hm2;、8) 根据生物质炭施用时间,对仅施用一次生物质炭试验根据小麦种植时期,将数据分为生物质炭施用后第n季小麦 (一年两熟生产区,按两季计算)。

      • 采用整合分析[26-27]的方法,比较施用生物质炭对于小麦产量和麦田土壤理化性状的影响。本研究采用比较常用的响应比 (response ratio,R) 作为研究的效应值,其计算公式如 (3):$ {\overline{X}}_{E} $为处理组试验观测的平均值,$ {\overline{X}}_{C} $为对照组观测的平均值。其方差$ {v}_{\ln R} $计算公式如 (4):SE、SC分别为处理组和对照组观测值的标准差;NENC分别为处理组对照组观测值的样本数 (即试验重复次数)。当$ \ln R $=0时,即施用生物质炭对小麦产量和麦田土壤理化性质无影响;当$ \ln R $ > 0时,说明添加生物质炭对小麦产量和麦田土壤理化性质有促进效应;当$ \ln R $ < 0时,则表示添加生物质炭对小麦产量和麦田土壤理化性质起抑制作用。为了直观地表达生物质炭对于小麦产量和土壤理化性质的促进或抑制程度,通过公式 (5) 将其转化为变化率I。文献偏移采用罗森博格法失安全数 (N) 检验 (Rosenberg’s method),其计算公式如 (6):w为各项研究权重,E为各项研究效应值,v为自由度。若N > 5n + 10,则认为研究不存在文献偏移,式中N为失安全数,n为研究数量。

        $\ln R = \ln \left( {\frac{{{{\bar X}_E}}}{{{{\bar X}_C}}}} \right)$

        ${v_{lnR}} = \frac{{{{\left( {{S_E}} \right)}^2}}}{{{N_E}{{\left( {{{\bar X}_E}} \right)}^2}}} + \frac{{{{\left( {{S_C}} \right)}^2}}}{{{N_C}{{\left( {{{\bar X}_C}} \right)}^2}}}$

        ${\rm{I}} = \left( {{\rm{R}} - 1} \right) \times 100{{\% }}$

        ${\rm{N}} = \frac{{{{\left( {\displaystyle\sum \nolimits {w_i}{E_i}} \right)}^2}}}{{{t_\alpha }{{^2}_{\left[ V \right]}}}} - \mathop \sum \nolimits^ {w_i}$

        通过卡方检验 (Chisquare test) 明确本项研究及研究分组的组内、组间是否存在异质性。表1为研究数据的异质性检验结果。表2为施用生物质炭对土壤理化性质影响的研究数据异质性检验结果。

        表 1  产量数据统计描述

        Table 1.  Statistical description of yield data

        分类依据
        Standard
        项目
        Item
        样本数
        Samplesize
        异质性检验Heterogeneity test失安全数
        Fall-Safe number
        总异质性
        Total
        组间
        Between group
        组内
        Within group
        QPQPQP
        土壤
        Soil
        质地Texture 113 126.38 0.17 7.45 0.02* 118.9 0.26 4140.5
        pH 165 220.65 0.01** 6.04 0.11 214.6 0.01** 7861.5
        管理措施
        Management
        施氮量N rate 148 477.84 0.00** 18.99 0.00** 458.8 0.00** 16052.0
        灌溉Irrigation 118 442.78 0.00** 79.43 0.00** 363.3 0.00** 10064.0
        追肥Topdressing 153 452.80 0.00** 7.50 0.01** 445.3 0.00** 15813.0
        生物炭性质
        Biocharproperty
        材质Feed stock 164 646.47 0.00** 181.10 0.00** 465.3 0.00** 23065.2
        pH 149 556.67 0.00** 207.10 0.00** 349.5 0.00** 17315.3
        施用量Use rate 175 130.94 0.99 4.30 0.23 126.6 0.99 4959.5
        施用时间Application time 144 162.12 0.13 15.42 0.05 146.7 0.23 5285.9
        注 (Note):*—P < 5%;**—P < 1%.

        表 2  土壤肥力数据统计描述

        Table 2.  Statistical description of soil fertility data

        分类依据
        Standard
        全氮
        Total N
        全磷
        Total P
        全钾
        Total K
        硝态氮
        NO3-N
        铵态氮
        NH4+-N
        速效磷
        Available P
        速效钾
        Available K
        样本数Sample size 87 19 9 41 37 73 69
        异质性检验Heterogeneity test Q 58.08 15.94 18.95 30.04 29.1 39.43 60.37
        P 0.99 0.60 0.01* 0.87 0.79 0.99 0.73
        失安全数Fall-Safe Number 1365.9 11.7 31 363.5 29.9 81.4 1580.6
        分类依据
        Standard
        有机碳
        SOC
        容重
        Bulk density
        pH 含水量
        Moisture
        C/N 微生物量碳
        MBC
        微生物量氮
        MBN
        样本数Sample size 129 69 87 26 24 39 27
        异质性检验Heterogeneity test Q 179.30 173.45 305 46.26 42.7 203.91 30.01
        P 0.001** 0** 0** 0.006** 0.01* 0** 0.26
        失安全数Fall-Safe Number 12380.3 4108.7 3216 133.5 164 710.6 0
        注 (Note):*—P < 5%;**—P < 1%.

        由于本研究收集数据的试验地点分布广阔,不可控影响因素较多。为了提高整合分析结果的准确性,采用随机效应模型进行整合分析。合并效应值的95%置信区间计算公式参照文献[28]。若95%置信区间不包括0,则表示施用生物质炭对于小麦产量和麦田土壤理化性状均有显著影响 (P < 0.05)。当95%置信区间均大于0,则表示添加生物质炭对于小麦产量和麦田土壤起促进作用。

      • 本研究利用Microsoft Excel 2016软件建立数据库,通过Metawin2.1软件进行统计分析,统计分析结果通过Microsoft Excel 2016软件绘制森林图,利用Adobe Illustrator 2016软件进行图形矢量化处理。

      • 施用生物质炭对小麦的平均增产幅度为8.2%,但我国小麦种植区域范围辽阔,各地区土壤性质差异明显。不同土质施用生物质炭对小麦产量增加幅度有所差异。图2(a) 所示,麦田土壤质地为壤土时,施用生物质炭对于小麦产量增幅最大,增产幅度为16%;在砂土条件下,增产幅度仅为7.4%;与对照相比,黏土条件下施用生物质炭对小麦产量增幅不显著。作物生长需要适宜的酸碱环境。图2(b)表明在不同pH土壤条件下施用生物质炭对于小麦增产效应存在差异。当土壤6.5 ≤ pH < 7.5时,生物质炭对小麦产量增幅达17.1%,土壤pH < 6.5、7.5 ≤ pH < 8.5、pH ≥ 8.5时,生物质炭对于小麦增产效应分别为11.7%、10.8%、2.3%;且当土壤pH ≥ 8.5时,施用生物质炭对于小麦增产不显著。

        图  2  土壤性状 (左) 和管理措施 (右) 对小麦施用生物质炭的增产效应的影响

        Figure 2.  Yield increment response of wheat to biochar application affected by soil properties (Left) and field managements (Right)

      • 图3 (a)可知,由于氮肥施用量的差异,生物质炭对于小麦增产效应也有所不同,当施氮量小于50 kg/hm2,其增产效应为17.9%。随着氮肥施用量的增加,生物质炭对小麦产量的增产效应逐渐减弱,当施氮量超过225 kg/hm2,生物质炭对于小麦的增产效应仅为6.1%,仅为施氮量小于50 kg/hm2增产效应的1/3。图3 (b)表明灌溉条件下生物质炭对小麦增产效应为4.9%,旱作雨养条件下,生物质炭对于小麦产量增幅为15.7%,远高于灌溉条件。小麦生育期内是否追肥,也影响生物质炭对小麦的增产效应。如图3 (c)所示,在追肥和不追肥管理下,生物质炭对小麦的增产效应分别为9.2%、6.4%;追肥管理措施下,生物质炭对于小麦增产效应高于不追肥管理方式。

        图  4  生物质炭材质、pH和施用量对小麦增产效应的影响

        Figure 4.  Yield-increase response of wheat to the raw materials,pH and amendment rate of biochar

      • 不同原材料制备的生物质炭增产效果有明显差异。图4 (a)表明以树枝等木本材质制备的生物质炭施入麦田能增产29.3%,远高于以水稻秸秆 (5.9%)、小麦秸秆 (8.1%)、玉米秸秆 (10.7%) 为原料制备的生物质炭的增产效应。生物质炭一般为碱性物质,多用于改良酸性土壤。如图4(b)所示,不同pH生物质炭均能显著增加小麦产量。当生物质炭pH为7~8时,增产效应为45%,增产幅度最大。当8 ≤ pH < 9,9 ≤ pH < 10,pH ≥ 10时,其增产幅度分别为12%、11%、7%。随着生物质炭pH的升高,生物质炭增产效应逐渐下降。图4(c) 表明生物质炭施用量对小麦增产效应存在差异,当生物质炭施用量为10 ≤ B < 25 t/hm2时,生物质炭对小麦的增产效应为14.9%。当生物质炭施用量B < 10 t/hm2和25 ≤ B < 40 t/hm2时,生物质炭对于小麦的增产效应约为10%~11%。当生物质炭施用量为B ≥ 40 t/hm2,生物质炭对于小麦的增产效应不显著。

      • 田间施用生物质炭对小麦增产效应的大小会随着时间变化而变化。如图5所示,麦田施用生物质炭对于小麦的平均增产效应为12.8%。随着生物质炭施入土壤时间的延长,其增产效应逐渐降低。施用生物质炭对当季小麦的增产效应为17.2%,是第二季的2.3倍,对第三季小麦的增产效应为13.4%,第四季的增产效应为9.4%,第五、六、八、十二季的增产效应分别为10.1%、3%、4.5%、8.6%,增产效应均不显著 (P > 0.05)。

        图  5  麦田施用生物质炭影响小麦增产效应的持续时间

        Figure 5.  Lasting seasons of wheat productivity in response to biochar application

      • 图6所示,施用生物质炭后,土壤全氮、全磷、全钾、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾分别提高了10.8%、5.9%、2.9%、28.0%、5.9%、12.8%、34.4%,其中全钾含量提高幅度较低,速效钾、硝态氮的提高幅度较大,是全钾增加量的9.6~11.7倍。土壤有机碳、土壤含水量、碳氮比、微生物量碳增量分别为38.4%、8.40%、21.4%、18.1%。土壤有机碳含量提高幅度最大为38.4%。施用生物质炭能显著降低土壤容重,改善小麦生长环境。施用生物质炭后,土壤微生物量氮增幅为11.5%,但增幅不显著。

        图  6  施用生物质炭后土壤肥力指标的变化

        Figure 6.  Yield response of soil fertility indices to biochar application

      • 本研究通过整合分析的方法分析了施用生物质炭对小麦产量的影响,结果表明施用生物质炭能显著提高小麦产量11.7%,此结果高于Liu等[18]、肖婧等[17]整合分析中小麦作物亚组分类的结果 (分别为9.8%、9.3%),导致结果差异的原因可能在于文献搜集的标准不同。本文数据全部来源于试验地点位于中国境内且为大田试验。在盆栽和大田不同的试验条件下生物质炭对于作物的增产效应有所差异。

      • 生物质炭的增产作用主要由于生物质炭能改善土壤结构,提高土壤养分含量及其有效性,从而促进作物生长。Ji等[8]通过麦田试验,发现施用生物质炭能提高麦田土壤有机质含量、土壤微生物量碳含量,改良土壤从而促进了小麦的生长。Zhang等[29]通过长期试验发现生物质炭能提高土壤脲酶活性,从而促进土壤N素转化。同时,施入生物质炭能有显著提高酸性土壤基础养分的有效性[30]。且施入生物质炭能提高土壤有机碳含量,增加土壤有机质,从而培肥土壤[8, 31]。Yeboah等[32]通过大田试验,表明施用生物质炭能提高0—30 cm土层土壤含水量32%~50%。壤土配施生物质炭对小麦增产效应最大,由于短期内,生物质炭对黏土的改良效果不明显,因此黏土配施生物质炭对小麦增产效应不显著。当土壤pH值超过8.5时,配施生物质炭对小麦增产效应不显著。主要原因在于:小麦生长的最适pH为6.8~7.5的中性土壤[33]。生物质炭pH值过高,有改良酸性土壤的作用,在pH值较高的碱性土壤中施用生物质炭不能有效影响土壤pH值。土壤碱性过高,会抑制土壤酶和微生物活性,减少土壤微生物种群数量,降低土壤养分有效性,植物可吸收利用养分减少,从而导致减产[34]。这些研究结果说明:1) 生物质炭灰分含量高,矿质营养元素丰富,能显著增加土壤总养分含量;2) 生物质炭比表面积大、空隙发达,能改善土壤结构、提高土壤团聚体含量,且有利于土壤养分的吸附、固持,从而减少养分流失;3) 生物质炭有利于提高土壤酶活性,从而促进土壤养分转化;4) 生物质炭有利于土壤保水保肥。

      • 生物质炭配施化肥对小麦增产的平均效应为8.2%。随着氮肥施用量的增加,生物质炭对小麦增产效应逐渐降低,宋大利等[35]研究也表明这一规律。主要原因在于氮是限制作物产量的主要因素,在低氮条件下,作物产量随施氮量的增加显著增加;高施氮量下,作物增产潜力下降,氮素的增加,甚至会导致减产。单施生物质炭不能提高作物产量,生物质炭能提高作物氮肥利用效率,与氮肥配施具有显著增产效应[36]。在追肥与不追肥两种不同管理措施下,施用生物质炭对于小麦的增产效应存在显著差异。主要原因在于追肥可有效提高小麦产量和籽粒蛋白质含量[37]。氮素是小麦的主要营养元素,适量追施氮肥能提高小麦叶面积值,增加小麦功能叶片的叶绿素含量,从而保证小麦生育后期的光合面积,增强其光合能力,促进增产[38]。结合生物质炭改善土壤质地、保水保肥的功能,因此在追肥条件下增产效应更好。Liu等[18]研究结果表明旱地施用生物质炭对作物产量的促进作用远高于水田。本研究中发现在灌溉条件下,施用生物质炭对小麦增产的促进作用远低于雨养条件下生物质炭的增产作用,具体原因有待进一步试验探究。

      • 生物质炭对小麦的增产效应也与生物质炭原料、pH及其施用量有关。本研究结果表明,施用生物质炭对于小麦平均增产效应为11.7%。随着生物质炭施用量的增加,小麦的增产幅度表现为先增加后减小的趋势,当生物质炭施用量为10 ≤ B < 25 t/hm2时,小麦的增产幅度最大,当生物质炭施用量超过40 t/hm2时,施用生物质炭对于小麦的增产效应不显著。李帅霖等[39]通过盆栽试验发现:小麦千粒重、穗粒数和株高随着生物质炭施用量的增加而降低,当生物质炭施用量为盆内干土重2%时,其增产效果最为明显,施用量超过4%会导致小麦减产。这与本研究结果的变化趋势一致,主要原因是:1) 麦田大量施用生物质炭造成土壤pH的升高,导致土壤中养分元素有效性的降低;2) 大量施用生物质炭会导致土壤碳氮比和生物质炭中容易降解的脂肪碳含量升高,微生物固氮作用加强,土壤中可供小麦根系吸收的氮素降低从而影响小麦产量[39]。施用不同原料制备的生物质炭对于小麦的增产效应不同。本研究结果表明,树枝等木本原料制备的生物质炭对于小麦的增产效应最大,玉米、小麦、水稻等秸秆制备的生物质炭对于小麦增产效应无较大差异。其主要原因在于:树枝、竹子等木本有机物料具有较高的木质素,以此为原料制备的生物质炭孔隙结构发达,施入土壤后对土壤结构改善作用优于秸秆生物质炭,有利于小麦养分吸收[40]。富丽等[41]研究表明竹子为原料的生物质炭灰分含量、阳离子交换量、电导率等显著高于秸秆生物质炭,其高灰分可以提供额外的肥料效应,提高土壤肥力,促进增产。随着生物质炭pH的改变,生物质炭对小麦增产效应也存在差异。本研究结果显示生物质炭7 ≤ pH < 8时,对小麦产量增加幅度最大,随着生物质炭pH的升高,其对于小麦的增产效应逐渐减小。Jeffery等[20]研究表明施用生物质炭后土壤pH值最大能提高0.1~2.0个单位。小麦主要种植区域在我国北方旱地[42],土壤多呈碱性。土壤pH值过高会抑制土壤酶活性,降低土壤养分有效性,植物可吸收利用养分减少,从而导致减产[43]

      • 本研究发现,随着生物质炭施入土壤时间的推移,其对于小麦增产效应的影响逐渐降低。从第五季 (生物质炭施入土壤第3年) 小麦开始,生物质炭的增产效应不显著。主要原因为:随着时间推移,生物质炭与土壤、大气、生物等各种因素相互作用,且输入生物质炭对于生态系统的影响也随时间逐渐变化。生物质炭陈化处理实验显示,随生物炭陈化周期的增加,其速效磷、速效钾含量降低,生物质炭增产效应减弱[44]。生物质炭表面结构、元素组成、表面氧化情况、吸附能力随陈化周期也发生不同程度的变化[45]。生物质炭施入土壤对当季小麦的增产效应最高,后随着时间推移不断降低。O’Toole等[46]研究也表明生物质炭的增产效应会随生物质炭施入土壤时间的推移降低。Yao等[47]研究表明,随时间推移,风化生物质炭与新鲜生物质炭相比,其Ca、Mg、K等营养元素含量明显降低。Liang等[48]研究认为生物炭丰富的比表面积、高电荷的密度、较强的吸附能力可以使土壤养分物质以交换态存在,更好地保持土壤中的养分,陈化后的生物炭的比表面积、吸附能力等会显著减小,从而降低对土壤养分的吸附和保持,降低其产量效应。

        效应值的计算受各研究的样本数量影响,样本量越小,效应值置信区间越大[49]。通过失安全数检验,本研究纳入文献不存在文献偏倚。其他研究中也存在类似问题,但这并不影响结论的有效性[50]。本文整合分析了施用生物质炭对于中国小麦的产量、麦田土壤性状的影响。由于搜集数据有限,未讨论降雨量、光照、积温等因素对小麦产量的影响;以及麦田土壤理化性质对生物质炭增产效应的具体影响。尽管如此,本研究定量分析结果为今后评价生物质炭在小麦生产中的产量效应和改良土壤效应提供参考。

      • 在不同管理措施、土壤理化性状下,施用生物质炭能显著提高小麦产量,改善土壤理化性质,但对土壤微生物量氮 (SMBN) 影响不显著。生物质炭的增产效应随时间不断减弱,其产量效应持续时间为四季作物。小麦生产过程中,生物质炭最佳施用量为10~25 t/hm2

    参考文献 (50)
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