生物碳和施氮量对棉花生长及产量的影响

生物碳和施氮量对棉花生长及产量的影响
茹思博;赵靓;苏倩;马莉;闵伟;段锦波;侯振安
【摘要】[目的]研究不同施氮量条件下,生物碳和棉花秸秆对棉花生长及产量的影响.[方法]棉花秸秆在450℃下厌氧热解制备成生物碳.设置等碳量(1.40、2.80
t/hm2)的两个生物碳施用量及与其对应的棉花秸秆用量,生物碳施用量为2.25、4.50 t/hm2(1/2BC、BC),棉花秸秆施用量为2.25、4.50 t/hm2(1/2ST、ST),同时以空白土壤为对照,并设三个氮肥用量(0、300、450 kg/hm2).[结果]施用生物碳和棉花秸秆均能显著促进棉花生长、提高棉花产量.不施氮肥条件下,ST和1/2BC处理的棉花干物质重、籽棉产量显著高于BC及1/2ST处理;在施氮肥300 kg/hm2条件下,ST处理的棉花干重、产量最高,1/2BC处理显著高于1/2ST处理;但施氮肥450 kg/hm2条件下,1/2BC及BC处理的棉花干重、产量显著高于1/2ST及ST
处理,且随生物碳和秸秆施用量的增加干物质重、籽棉产量均显著增加.[结论]生物碳与氮肥合理配施,有助于促进棉花生长、提高产量.%[Objective] The effect of biochar and cotton straw under different nitrogen application levels on cotton growth and yield were investigated with a field experiment.[Method] Biochar was produced by pyrolysis of cotton straw at 450℃.Biochar (BC) and cotton straw (ST) with equal quantity of organic carbon (1.40 and 2.80 t/hm2) were applied to soil respectively.Biochar application rates were
2.25,4.50 t/hm2 (1/2BC,BC) and the cotton straw were 6.00,12.00 t/hm2 (1/2ST,ST).Meanwhile,an untreated soil wasset as the control (CK) in this study.Three nitrogen application rates were zero,300 and 450
kg/hm2,respectively.[Result]The result showed that both biochar and straw significantly promoted cotton growth and yield in comparison with the
control.Under no N fertilization,ST and 1/2BC were higher than those of BC and 1/2ST on cotton growth and yield.At N application rate of 300
kg/hm2,cotton dry biomass and yield of ST were higher than those by other treatments,and biochar significantly promoted cotton growth and yield of cotton in comparison with 1/2ST.At N application rate of 450
kg/hm2,cotton dry biomass and yield in biochar were significantly greater than those in the straws.[Conclusion] Biochar with optional N application may enhance cotton growth and yield.
【期刊名称】《新疆农业科学》
【年(卷),期】2013(050)007
【总页数】7页(P1185-1191)
【关键词】生物碳;棉花秸秆;施氮量;棉花;产量
【作者】茹思博;赵靓;苏倩;马莉;闵伟;段锦波;侯振安
【作者单位】石河子大学农学院资源与环境科学系,新疆石河子832003;石河子大学农学院资源与环境科学系,新疆石河子832003;石河子大学农学院资源与环境科学系,新疆石河子832003;石河子大学农学院资源与环境科学系,新疆石河子832003;石河子大学农学院资源与环境科学系,新疆石河子832003;石河子大学农学院资源与环境科学系,新疆石河子832003;石河子大学农学院资源与环境科学系,新疆石河子832003
【正文语种】中文
【中图分类】S562;S506
0 引言
【研究意义】土壤有机碳作为土壤和陆地碳库的重要组分，不仅有助于农业的可持续发展，而且对土壤碳库的容量、释放及周转等都有影响。

增加土壤有机碳含量，提高作物产量和水氮利用效率是干旱区农田优化管理的重要目标。

生物碳是一种含碳量高、稳定性强的有机碳，可以有效增加土壤碳储量，提高土壤肥力和生产力。

【前人研究进展】在农业生态系统中，有机碳有三个来源，即原始植被残留物、农作物残体和人为施入的有机物料［1］。

秸秆还田可有效增加土壤有机碳含量，从而改善土壤结构，提高土壤保水保肥能力，促进作物生长，增加作物产量［2～4］。

但近年研究结果表明，秸秆还田也存在一定负面影响。

如水稻、小麦具有自毒作用，其残体还田后对自身生长有抑制作用［5］;秸秆还田后，土壤温度、湿度增加，为病虫害的发生和流行创造了条件［6］;棉花秸秆的腐解产物不仅抑制棉花种子的萌发，延长种子出苗时间，还影响棉花植株生长［7］。

生物碳是生物质(如作物秸秆、动物粪便、城市生活垃圾等)在限氧或厌氧条件下高温热解的产物［8］。

施用生物碳可以增加土壤有机碳含量［9］，改善土壤理化性质及生物学特性［10～12］，Matovic等［13］的研究表明，生物碳的施用量为13.5 t/hm2时，会形成持续近两个世纪的碳库，并保持千年以上的化学稳定性。

生物碳具有比表面积巨大且其表面有大量负电荷，因此有很强的养分保留能力，能吸附土壤、沉积物或水中的无机离子和极性、非极性的有机化合物，促进作物对养分元素的吸收，提高肥料利用率［14～16］。

另外，生物碳具有疏松多孔的结构，给微生物聚集提
供了良好条件，因而可促进土壤中营养元素的循环［17］，间接地提高了土壤有
效养分含量和生产力［18，19］。

【本研究切入点】新疆作为我国特大型棉花生
产基地，平均每年产生棉花秸秆约5.4×106t［20］。

将棉花秸秆热解制备的生物碳还田，可以减少秸秆直接还田的不利影响，同时能有效改善土壤生产力。

【拟解
决的关键问题】通过田间小区试验，探讨施用生物碳和棉花秸秆对棉花生长和产量的影响，为棉花秸秆资源的高效利用提供依据。

1 材料与方法
1.1 材料
田间试验于2012年在新疆石河子大学农学院试验站进行。

土壤类型为灌耕灰漠土，质地为重壤，有机质 9.42 g/kg，碱解氮 36.76 mg/kg，全氮 0.19 g/kg，速效
磷 27.42 mg/kg，速效钾 284.82 mg/kg。

供试棉花秸秆采自石河子大学农学院试验站，生物碳以棉花秸秆为原料，在450℃厌氧热解6 h制备而成［9］。

棉花秸秆有机碳含量234 g/kg，生物碳有机碳含
量625 g/kg，棉花秸秆制备成生物碳的转化率是37.5%。

供试作物是棉花品种为新陆早36号。

1.2 方法
采用田间小区试验，设置土壤处理和施氮量两个因素，其中土壤处理设置五种，即施用等碳量(1.40、2.80 t/hm2)的生物碳和棉花秸秆各两个处理，相应的生物碳施用量为2.25、4.50 t/hm2(分别以1/2BC、BC表示)，棉花秸秆施用量为6.00、12.00 t/hm2(分别以1/2ST、ST表示);同时以空白土壤为对照(CK)。

施氮(N)量设三个水平:0、300、450 kg/hm2(分别以 N0、N300、N450表示)。

采用完全随
机区组试验设计，15个处理，每个处理重复4次，共60个试验小区。

生物碳和棉花秸秆烘干、粉碎后，按设计用量在试验开展的前一年(2011年)秋季
均匀撒施后，翻耕入土(翻耕深度20 cm)。

试验中氮肥为尿素，其中20%作基肥，与生物碳及棉花秸秆在翻耕前一起施入;剩余氮肥追肥，在棉花生长期内分5次随
水滴施，每次施肥量分别占总量的15%、15%、20%、20%和10%。

磷(P2O5)、钾肥(K2O)用量分别为105和75 kg/hm2，均作为基肥，翻耕前一次性施入。

棉花种植采用覆膜栽培，一膜4行，行距配置为30 cm+60 cm+30 cm，株距10
cm，播种密度22.2×104株/hm2。

灌溉方式为膜下滴灌，一膜两管，滴灌带间
距90 cm。

2012年4月15日播种，采用干播湿出，播种后滴出苗水45 mm。

棉花生长期间灌水9次，总灌溉量600 mm，其它栽培管理措施参照当地大田。

在棉花的不同生长阶段采集地上部植物样，按照茎、叶、蕾铃不同器官分离，于105℃下杀青30 min后，再70℃下烘干至恒重，最后称重。

在棉花吐絮期测定籽棉产量以及产量构成因子，之后实收计产。

2 结果与分析
2.1 不同处理对棉花生长的影响
2.1.1 干物质积累动态
总体看来，棉花干物质积累随施氮量增加呈明显的增加趋势。

并且伴随生长期延长，三个氮肥施用量(N0、N300、N450)间的差异不断增大。

不施氮处理(N0)棉花在
生长期内干物质积累增加平缓;但施用氮肥的两个处理(N300、N450)在棉花播种
69 d(开花期)后干物质积累迅速增加，在播种108 d(盛铃期)后渐趋平缓。

从五个不同土壤处理(BC、1/2BC、ST、1/2ST、CK)看来，播种后91 d(盛花期)
之前，五个不同土壤处理间干物质积累差异不大;随后施用生物碳和秸秆的四个处
理棉花干物质积累迅速增加，且显著高于对照(CK)。

不施氮肥(N0)和低氮(N300)
条件下，高秸秆用量(ST)的处理在棉花播种108 d后(盛铃期后)，干物质积累仍能保持较高速率，但其它处理(BC、1/2BC、1/2ST、CK)趋向平缓;但在高氮(N450)
条件下，五个土壤处理棉花干物质积累仍在不断增加。

图1
图1 不同处理对棉花干物质积累动态的影响Fig.1 Effects of different treatments on dynamics of dry matter weight of the cotton
2.1.2 干物质重
不同处理对棉花茎、叶、铃及总干物质重的研究表明，土壤处理、施氮量及二者的交互作用对棉花干物质重的影响均达到极显著水平(P＜0.01)。

棉花各器官及总干
重均随施氮量的增加而显著增加(P＜0.01)，与不施氮肥的处理相比，施氮量从
300增加到450 kg/hm2，棉花总干物质重平均值分别增加了2.4和3.2倍。

施用秸秆和生物碳均能促进棉花生长，并显著增加干物质重(P＜0.01)。

在三个施氮量
水平下(N0，N300，N450)，低(1/2ST)和高秸秆用量处理(ST)棉花茎、叶、铃的
干重较对照平均增加了11.2%、7.4%、12.5%和61.8%、34.6%、58.3%，总干
重平均值较对照分别增加了 11.3%和 53.3%;低生物碳用量(1/2BC)和高生物碳用
量处理(BC)棉花茎、叶、铃的干重较对照平均增加了40.1%、16.3%、54.5%和37.3%、28.1%、35.6%，总干重平均值较对照分别增加了43.3%和33.7%。

低施碳量条件下(1.40 t/hm2)，1/2ST处理棉花除茎、叶干重与1/2BC处理差异不大
外(P＞0.05)，铃和总干重显著高于1/2BC处理(P＜0.01);而高施碳量条件下(2.80 t/hm2)，ST处理的棉花除茎干重与BC处理差异不显著外(P＞0.05)，叶、铃及总干重都显著高于BC处理(P＜0.01)。

土壤处理与施氮量的交互作用对棉花总干重的影响表现如下:不施氮肥条件下(N0)，五种土壤处理棉花总干物质重的大小顺序为ST＞1/2BC、BC＞1/2ST＞CK，ST
处理较其它四个处理增加9.4%～70.3%;低氮肥条件下(N300)为ST＞1/2BC＞BC、1/2ST＞CK，ST处理较其它处理增加 16.5%～60.0%;但在高氮肥条件下(N450)
表现为BC＞1/2BC、ST＞1/2ST＞CK，且BC处理较其它处理增加11.0%～
52.0%。

表 1
表1 不同处理对棉花植株干物质重的影响Table 1 Effects of different treatments on dry biomass of cotton注:表中同一列标注不同字母表示处理间
差异达到显著性水平，P＜0.05;*、＊＊表示土壤处理、施氮量或二者间交互作用
对棉花干物质重的影响分别达到0.05和0.01显著性水平。

下同Note:The value labeled with different letters in the same column are not significantly different among treatments at 0.05 level;*，＊＊ indicate that plant dry
biomass were influenced significantly by soil treatment，nitrogen rate or interaction of those at 0.05 and 0.01 level，respectively.The same as below 处理Treatment 棉花干物质重(t/hm2)Cotton dry matter weight施氮量Nitrogen rate土壤处理Soil treatment茎Stem叶Leaf铃Bud合计Total N0 CK 0.81b 1.06b 3.17b 5.04b 1/2ST 0.89b 1.17b 3.50b 5.57b ST 1.39a 1.51a 5.68a 8.58a 1/2BC 1.33a 1.32ab 5.19a 7.85a BC 1.02b 1.34ab 4.00b 6.35b
N300 CK 2.93b 2.56b 7.40e 12.88d 1/2ST 3.30b 2.89ab 8.34d 14.53c ST
4.33a 3.24a 13.04a 20.61a 1/2BC 3.17b 2.64b 11.88b 17.69b BC 2.96b 3.07a 9.82c 1
5.85c N450 CK 2.69c 3.35c 11.02c 17.05c 1/2ST 2.97c 3.30c 12.59b 18.85c ST 4.46b 4.50ab 13.14b 22.11b 1/2BC 3.97b 4.04b 15.32a 23.34b BC 4.98a 4.63a 1
6.31a 25.91a Two－way ANOVA(F value)Soil(S) 42.07＊＊
20.31＊＊ 59.15＊＊ 46.76＊＊Nitrogen(N) 609.87＊＊ 551.43＊＊ 856.61＊＊ 789.85＊＊Imteraction(N ×S) 17.58＊＊ 4.99＊＊ 13.69＊＊ 9.79＊＊
2.2 产量
土壤处理、施氮量和二者的交互作用显著影响棉花铃数、铃重及产量。

整体看，随施氮量增加，各处理棉花的铃数、铃重和产量均显著增加(P＜0.01)，两个氮肥处
理(N300、N450)的棉花平均值较不施氮肥处理(N0)分别增加64.1%和100.0%。

施用秸秆、生物碳都可显著提高棉花的铃数、铃重及籽棉产量(P＜0.01)。

三个施
氮量水平下(N0，N300，N450)，低秸秆施用量(1/2ST)和高秸秆施用量处理(ST)
的棉花铃数、铃重、籽棉产量较对照平均增加了 13.5%、4.5%、17.8% 和 13.2%、18.2%、33.9%;低生物碳(1/2BC)和高生物碳处理(BC)的棉花铃数、铃重、籽棉产量较对照平均增加了21.4%、7.9%、24.0%和18.7%、5.4%、25.5%。

低施碳量(1.40 t/hm2)时，不施氮肥(N0)和低氮(N300)条件下的棉花铃数、铃重、籽棉产量，1/2ST和1/2BC无显著差异(P＞0.05)，但在高氮(N450)条件下，1/2BC均
显著高于1/2ST(P＜0.01);而高施碳量(2.80 t/hm2)时，BC和ST处理的单株结铃数差异不大(P＞0.05)，但对单铃重和籽棉产量而言，N300条件下，BC处理显著低于ST处理;N0和N450条件下，BC和ST处理间差异不大(P ＞0.05)。

表2
土壤处理和施氮量的交互作用对棉花籽棉产量的影响如下:不施氮肥条件下(N0)，各土壤处理棉花总干物质重的大小顺序为ST、BC＞1/2BC、1/2ST＞CK，ST处理较其它四个处理增加3.8%～39.5%;低氮肥条件下(N300)为ST＞1/2BC、1/2ST ＞BC ＞CK，ST处理较其它处理增加7.2%～39.3%;但在高氮肥条件下(N450)表现为BC、ST＞1/2BC＞1/2ST＞CK，且BC处理较其它处理的棉花籽棉产量较CK 增加1.5%～24.8%。

表2
表2 不同处理棉花产量及其构成因子Table 2 Yield of cotton under different treatments处理Treatment 产量及产量构成因子Yield and yield components 施氮量Nitrogen rate土壤处理Soil treatment单株结铃数Boll number单铃重
(g)Boll weight 籽棉产量(kg/hm2)Yield N0 CK 3.37d 3.67c 2 823e 1/2ST
3.81c 3.86b 3 390d ST 3.94bc
4.34a 3 939a 1/2BC 4.09ab 3.95b 3 641c BC
4.15a 3.98b 3 794b N300 CK 4.77d 4.28b 4 697d 1/2ST
5.63ab 4.64b 5 987b ST 5.14c 5.54a 6 545a 1/2BC 5.98a 4.44b 6 104b BC 5.45bc 4.40b 5 518c N450 CK 5.90c 4.57a 6 208c 1/2ST
6.45ab 4.57a 6 566c ST 6.78a 4.89a 7 632a 1/2BC 6.94a 5.14a 7 029b BC
7.02a 4.81a 7 746a Two－way ANOVA(F value)Soil(S) 26.98＊＊ 9.54＊＊ 81.30＊＊Nitrogen(N) 590.08＊＊ 40.17＊＊ 1 430.00＊＊Imteraction(N × S) 2.65* 2.83* 10.07＊＊
3 讨论
秸秆还田能改善土壤的理化性状，提高土壤保水保肥能力，从而促进作物生长。

邹聪明等［21］的研究表明，在秸秆覆盖栽培模式下，玉米的苗期根长、根表面积以及根系活力都显著高于对照;霍竹等［22］的研究发现，秸秆还田可延缓玉米叶
片衰老，促进玉米营养元素从茎向籽粒的转运。

研究中，棉花秸秆还田的处理与对照相比，棉花总干物质重较对照平均增加38.5%，与上述研究结果一致。

大量研
究表明，秸秆还田可使作物增产6.3%～18.5%［23～25］，研究也表明，秸秆直接还田后增产18.7%～33.9%，且棉花籽棉产量随秸秆施用量的增加而增加。

但
陈来林等［26］的水稻秸秆还田研究表明，秸秆半量还田增产，但全量还田会减产;王丙国等［27］在河北的冬小麦研究表明，秸秆还田会造成减产。

这可能是由
于小麦、水稻秸秆还田后产生的自毒作用影响了作物生长，进而影响到产量。

生物碳具有高度芳香的化学结构，其生物化学及热稳定性较高［8］。

大量施用生物碳能有效降低土壤容重，促进作物的根系生长，增加干物质重［28］。

研究中，不施氮肥(N0)条件下，两个生物碳用量的处理之间棉花干物质重及棉花籽棉产量
差异不大;低施氮量下(300 kg/hm2)，低生物碳用量处理(1/2BC)的干物质重及籽
棉产量显著高于高生物碳用量处理(BC);然而在高施氮量下(450 kg/hm2)，随生物碳施用量的增加，棉花干物质重及籽棉产量均显著增加。

Asai等［29］的研究表明，生物碳配施氮肥后，水稻产量随生物碳施用量的增加而增加，但生物碳用量超过16 t/hm2后，水稻产量不在增加。

曲晶晶等［30］在湖南和江西的水稻研究
结果表明，单施生物碳(20、40 t/hm2)时，水稻产量与对照间无差异;生物碳配施
氮肥(N240kg/hm2)后，水稻产量显著高于对照;单施生物碳或生物碳配施氮肥后，生物碳不同施用量的处理间水稻产量均无差异。

但Steiner等［31］的研究结果
表明，在施用氮肥(30 kg/hm2)后，与不施生物碳的处理相比，生物碳(11 t/hm2)处理的作物干物质重减少了31.2%，产量减少了56.3%。

从上述研究结果可以看出，生物碳能否促进作物生长、提高产量的关键在于生物碳与氮肥的配比(即C/N)。

生物碳自身含碳量在50%以上，具有较高的C/N，这不仅影响生物碳性质，也会
影响土壤中有机碳和氮素的转化及有效性［32］。

施用生物碳能显著提高土壤
C/N，使土壤氮素有效性降低，作物吸收氮素的量减少，从而影响作物生长
［11］。

因此，在施用生物碳时应充分考虑土壤肥力并与氮肥配施，才能促进作物生长、提高产量。

研究以棉花秸秆为原料制备成生物碳，探讨了不同氮肥用量下生物碳及棉花秸秆等碳量施用后对棉花生长和产量的影响，结果表明:不施氮肥(N0)和低氮肥施用量(N300)条件下，秸秆施用量大的处理(ST)棉花干物质重和籽棉产量均显著高于生物碳(1/2BC、BC)处理;而在高氮肥施用量(N450)条件下，生物碳处理(1/2BC、BC)的棉花干物质重及籽棉产量均显著高于秸秆处理(1/2ST、ST)。

秸秆直接还田和制备成生物碳后还田相比较，研究二者对作物生长及产量影响的报道目前较少。

研究只进行了1年的田间试验，有研究表明，生物碳施用当年会造成作物生长和产量降低，但2年后作物产量显著增加［33］。

因此，施用生物碳对棉花生长和产量影响的长期效应有待与进一步研究。

4 结论
棉花秸秆直接还田或将其制备成生物碳后还田，都可促进棉花生长并提高棉花籽棉产量。

生物碳、秸秆及氮肥的施用量都会影响棉花生长和产量。

在生物碳和秸秆施用量较大的条件下，氮肥施用不足时，秸秆直接还田的效果要优于生物碳;氮肥施用充足时，生物碳能显著促进棉花生长并提高籽棉产量。

在生物碳和秸秆的施用量减少一半后，在相同施氮量条件下，生物碳的效果要显著优于秸秆直接还田。

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