Effect of biochar addition on soil water and nutrient contents and yield formation of millet in loess arid region
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摘要:
黄土旱区土壤有机质含量偏低，有限水肥资源难以高效利用。生物炭具有调节土壤孔隙环境和水肥有效性的潜力。有关生物炭调节黄土旱区土壤水肥运移，提升特色作物谷子产量的关联机制值得深入分析。为明确生物炭添加对陕北黄土旱区土壤水肥环境和谷子产量形成的影响，探讨生物炭在该地区的增产增效潜力，本研究以“晋谷21号”为材料，设置CK（0 t·hm−2）、C1（2 t·hm−2）、C2（4 t·hm−2）、C3（8 t·hm−2）、C4（16 t·hm−2）5个梯度的施炭处理，连续等量施炭2年，开展大田定位试验。结果表明：（1）添加适量生物炭能有效提升土壤含水量，但高施炭量不利于土壤水分的储存利用。连续施炭2年，谷子拔节期和成熟期C3土壤含水量较CK分别显著提升21.4%、30.5%，C4较C3分别降低8.83%、7.25%，但无显著差异。（2）连续2年增施生物炭，C4处理土壤pH值、有机质、氨态氮、硝态氮和速效钾含量较CK提升4.28% ~ 29.4%；土壤速效磷含量随增施生物炭的剂量先增后减，C4速效磷含量较CK显著下降7.27%。（3）添加生物炭能有效提升谷子生物量和产量，C3施炭条件下，谷子成熟期地上部生物量较CK显著提升17.8%，谷子产量相较于CK显著提升16.9%。综上，添加适量生物炭能有效改善陕北黄土旱区土壤水肥环境，调节谷子生物量积累，促进碳水化合物转化，提升谷子产量。
Abstract:The content of soil organic matter in loess arid region is low, and the limited resources of water and fertilizer in dry farmland lead to low water and nutrient use efficiencies. Biochar has the potential to regulate the soil porosity environment and the availability of water and fertilizer. Therefore, the related mechanisms of biochar promoting the grain yield and regulating the soil water and fertilizer transport in loess arid region are worthy of in-depth exploration. In order to clarify the effect of biochar addition on soil water and nutrient contents, and yield formation of millet in loess arid region in northern Shaanxi Province, "Jingu 21" was used in this study. Five levels of biochar application were applied, i.e. CK (0 t·hm−2), C1 (2 t·hm−2), C2 (4 t·hm−2), C3 (8 t·hm−2) and C4 (16 t·hm−2), and the same amount of carbon for each level was applied consecutively for 2 years. The results showed that (1) Adding proper amount of biochar could effectively increase soil water content, but excessive addition of biochar was not conducive to soil water storage and utilization. The soil water content under C3 at the jointing and maturing stages was significantly increased by 21.4% and 30.5% compared with CK, and of the water content under C4 decreased by 8.83% and 7.25% for respective growth stages compared with C3, but there was no significant difference. (2) Soil pH value, organic matter, ammonium, nitrate and available potassium contents under C4 increased by 4.28% - 29.4% compared with CK after two years of biochar application. The soil available phosphorus content increased first and then decreased with the increase of biochar application, and the available phosphorus content under C4 decreased by 7.27% compared with CK. (3) The addition of biochar effectively improved the biomass and yield of millet. Under C3, the above-ground biomass of millet at the mature stage increased by 17.8% compared with CK, and the yield of millet increased by 16.9% compared with CK. In conclusion, appropriate amount of biochar application can effectively improve the soil water and fertilizer nutrient contents in the loess arid region in northern Shaanxi, and consequently favorite the accumulation of grain biomass, the transformation of carbohydrate and yield gain.
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0 引 言
黄土旱区是我国重要的小杂粮优势产区。该区域干旱少雨，季节性降雨分布不均，旱灾多发。长期粗放型农田管理方式及过量化肥的施用加剧了土壤养分失衡，耕地土壤肥力日益下降，农田可持续生产力不足，农业可持续发展受限[1]。提高黄土旱区土壤水分利用效率，减少化学肥料的无效投入，提高土壤质量，促进土壤健康是黄土旱区农业可持续发展的必然要求[2]。生物炭作为一种环境友好型土壤改良剂，在改善土壤水肥环境、促进作物生长等方面效果显著，可以有效实现作物提质增产，推动农业生产绿色可持续发展[3 − 4]。因此，探讨生物炭在黄土旱区农业发展中蓄水保墒、提高土壤质量的有效性和应用潜力，具有一定的理论意义和生产应用前景。
生物炭是农林废弃物生物质资源在限氧环境下，经过热解得到的一类高度孔隙化、化学性质稳定且含碳量较高的固体有机物质[5]。土壤添加生物炭是一种新型农林废弃物炭化还田方式，具有“取之于农，用之于农”的特点[6]。生物炭灰分中含有较多的致碱矿物和碳酸盐，pH值较高[7]。添加生物炭可以有效提高南方水稻土pH值[8 − 9]，降低海滨盐碱地土壤容重，提高土壤孔隙度、有机碳含量及田间持水量[10]。由于生物炭自身活性养分和较大比表面积所吸附的多种营养元素，可以增加土壤中有机碳及速效养分含量，提高土壤的保肥性能[11 − 12]，进而促进作物根系生长，提高作物增产潜力[13 − 14]。但也有研究指出，土壤中添加过量的生物炭也可能会对土壤水分的储存利用及作物生长起到抑制作用[15 − 17]。因此，农业生物炭添加应充分考虑其制备材料、施用剂量、作用的作物种类、土壤类型及施用时间等差异，结合作物生长习性、土壤结构特征和气候变化规律，适时适量、科学合理施用[18 − 19]，发挥生物炭正效应。
谷子是黄土旱区小杂粮作物的重要代表，旱地谷子高产高效栽培对我国旱地农业可持续发展和饮食结构调整具有重要意义[20 − 21]。生物炭在作物栽培中提质增产效果显著，已将其应用于农业生产实践[22 − 23]，而生物炭在黄土旱区的应用研究目前还多局限于室内观测试验。室内观测试验表明生物炭添加能显著增加黄绵土水分入渗，减少土壤水分蒸发，有效促进谷子生物量的积累[24 − 25]。但施用生物炭能否在黄土旱区大田环境下优化土壤水肥环境，促进谷子增产，还有待在大田试验进一步验证。因此，本试验于2019-2020年在陕北黄土旱区采用生物炭梯度施用的方法，针对生物炭对谷子生长中土壤含水量、土壤养分、谷子地上部分生物量及产量的影响进行大田试验研究，旨在进一步明确生物炭施用对陕北黄土旱区土壤水肥环境与谷子产量形成的关联性，为生物炭在该地区谷子及其他作物中的应用提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2019年5月至2020年10月在陕西省榆林市鱼河峁镇崔焉村（109°93′ E，38°05′ N）进行，该地区属于温带大陆性干旱半干旱季风气候，夏季高温，冬季寒冷，年平均气温8.1 ℃，年平均日照时数2 925.7 h。年平均降水量353.4 mm，降雨不均，多集中在每年的7 ~ 9月，全年蒸发量为2 000 ~ 2 500 mm，为典型的干旱半干旱雨养农业区。谷子生育期内月平均降雨量与温度见图1。试验区土壤类型为黄绵土，土质绵软，土层较厚。耕层土壤（0 ~ 30 cm）基本性质：pH为8.31，有机质含量为3.4 g·kg−1，铵态氮含量为6.31 mg·kg−1，硝态氮含量为9.83 mg·kg−1，速效磷含量为6.4 mg·kg−1，速效钾含量为56.3 mg·kg−1。
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图 1 2019―2020年谷子生育期内月平均降雨量与温度Fig. 1 Average monthly rainfall and temperature during millet growing period from 2019 to 20201.2 试验材料
供试谷子品种选用该地区广泛种植的“晋谷21号”。供试生物炭购于河南立泽环保科技有限公司，原材料为玉米秸秆，500 ℃下厌氧热解制得；该生物炭pH为9.46，有机碳含量510 g·kg−1，铵态氮0.83 mg·kg−1，硝态氮31.2 mg·kg−1，速效磷258 mg·kg−1，速效钾654 mg·kg−1。底肥施用尿素380 kg·hm−2，磷酸二铵230 kg·hm−2。
1.3 试验设计
试验为单因素随机区组设计，共5个处理，按生物炭施用梯度分别为：对照不添加生物炭（CK）、添加2 t·hm−2（C1）、4 t·hm−2（C2）、8 t·hm−2（C3）、16 t·hm−2（C4）生物炭，共5个梯度。小区面积30 m2（5 m×6 m），每个小区3次重复，共15个小区。每年试验开始前将基肥和生物炭一次性均匀施入土壤，用旋耕机翻至0 ~ 30 cm耕层土壤中。植株密度约为16万株·hm−2，播种深度3 ~ 5 cm，行距50 cm，小区间留存50 cm保护行。全生育期为雨养环境，2年试验处理位置和施肥水平保持一致。
1.4 测定指标与方法
1.4.1 土壤含水量测定
在谷子拔节期、孕穗期和成熟期测定土壤含水量。各小区采用随机多点采样法，用直径4 cm的土钻，每10 cm一层，采至30 cm，密封保存；土壤样品按小区混匀，称取部分土样装入铝盒，称重记录鲜土重后在105 ℃的烘箱条件下持续烘干，然后再称重记录，计算土壤含水量（SWC）。
$$ S W C=M_w / M_s \times 100 \%$$ 式中：SWC表示土壤含水量；Mw表示土壤中水的质量；Ms表示干土重。
1.4.2 土壤养分测定
将谷子成熟期测土壤含水量余下的土样自然风干后过筛，测定土壤养分[26]。采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质含量，采用酚二磺酸比色法测定土壤硝态氮含量，采用2 mol·L−1KCl浸提-蒸馏法测定土壤铵态氮含量，采用钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量，采用NH4OAC浸提-火焰光度法测定速效钾含量。
1.4.3 谷子地上部分生物量及产量测定
在谷子拔节期、孕穗期和成熟期，每个小区随机选择长势相近的5棵植株，取其地上部分，在80 ℃的烘箱恒温烘干后称重，测定谷子地上部分生物量。谷子成熟期测产，每小区选取两行进行考种（去除边际效应），分别测量穗长、穗粗、单穗重、千粒重，后按小区全部收获，称重计算产量。
1.5 数据处理
利用软件Microsoft Office Excel 2010对采集的数据进行统计；应用SPSS26.0软件进行单因素方差分析（Duncan多重比较）和相关性分析, 显著性水平设置为α=0.05；利用Origin2021制图软件进行制图。
2 结果与分析
2.1 生物炭施用量对谷子耕层土壤含水量的影响
连续添加2年生物炭后，谷子不同生育期耕层土壤含水量随施炭量的增加呈先增后减的变化趋势（图2）。2019年土壤含水量随着生物炭施用剂量的增加而增加：谷子拔节期，C3、C4处理土壤含水量较CK分别显著增加17.3%、19.7%（P<0.05）；孕穗期较CK分别显著提升16.0%、16.6%，而较C1显著提升14.1%、14.7%（P<0.05）；成熟期，C3、C4处理土壤含水量较CK分别显著增加24.8%、30.3%（P<0.05）。2020年随生物炭施用剂量的增加，土壤含水量呈先增后减的变化规律：谷子拔节期和成熟期，C3处理土壤含水量较CK分别显著提高21.4%、30.5%（P<0.05），持续增施生物炭至C4水平时，两生育期土壤含水量较C3处理分别下降8.83%、7.25%；谷子孕穗期较高施炭量对土壤水分储存存在抑制作用，C3、C4处理时土壤含水量较CK分别下降1.12%、4.63%，但差异不显著。
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注：C1、C2、C3和C4代表施用生物炭的量分别为2 t·hm−2、4 t·hm−2 、6 t·hm−2 和8 t·hm−2，CK为不施生物炭处理。不同小写字母表示同一时期不同处理在0.05水平上差异显著。Note: C1、C2、C3 and C4 indicate biochar application were 2 t·hm−2、4 t·hm−2 、6 t·hm−2 and 8 t·hm−2，CK indicates no biochar application. Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level during the same period.图 2 2019―2020年谷子不同生育期土壤(0 ~ 30 cm)含水量Fig. 2 Soil water contents of soil (0 – 30 cm) in different growth stages of millet during 2019 to 20202.2 生物炭施用量对谷子耕层土壤pH值和养分含量的影响
随生物炭施用量的增加，土壤pH值、有机质、铵态氮、硝态氮、速效钾含量逐渐递增，土壤速效磷含量呈先增后减趋势（表1）。连续施炭2年后，2020年C4处理土壤pH值、有机质、铵态氮、硝态氮、速效钾含量较CK分别显著提升4.28%、28.7%、14.2%、29.4%、6.93%（P<0.05），土壤速效磷含量较CK和C3处理分别显著降低7.27%和10.1%（P<0.05），这说明添加较高量的生物炭会降低土壤的速效磷含量。综合来看，两年的施炭处理中，相同处理的pH值、有机质、氨态氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量相较上一年度均有所增加，说明生物炭施入土壤后能对土壤养分的提升起到持续的积极作用。
表 1 2019―2020年不同施炭处理耕层土壤养分含量和pH值Table 1 Nutrient contents and pH values of topsoil under different biochar treatments in 2019 to 2020年份
Year处理
TreatmentpH 有机质
Organic matter/
(g·kg−1)铵态氮
Ammonium nitrogen/
(g·kg−1)硝态氮
Nitrate nitrogen/
(mg·kg−1)速效磷
Available phosphorus/
(mg·kg−1)速效钾
Available potassium/
(mg·kg−1)2019 CK 8.38±0.03 b 4.74±0.20 b 3.43±0.06 a 6.37±0.28 c 6.28±0.03 c 88.4±0.96 c C1 8.61±0.01 a 4.98±0.08 b 3.62±0.12 a 6.85±0.24 bc 6.50±0.16 b 92.4±1.01 c C2 8.61±0.05 a 5.91±0.08 a 3.69±0.14 a 7.49±0.10 ab 7.32±0.06 a 103±1.59 b C3 8.63±0.05 a 5.99±0.10 a 3.73±0.06 a 7.85±0.20 a 7.05±0.04 a 105±1.23 ab C4 8.66±0.04 a 6.10±0.12 a 3.75±0.13 a 8.04±0.12 a 6.20±0.07 bc 107±1.76 a 2020 CK 8.41±0.08 b 5.47±0.10 c 3.59±0.08 b 6.71±0.20 b 7.70±0.10 c 105±0.70 ab C1 8.63±0.10 ab 5.79±0.10 c 3.79±0.04 ab 7.64±0.26 ab 8.67±0.10 a 106±2.29 b C2 8.74±0.09 ab 6.39±0.08 b 3.96±0.04 ab 8.01±0.22 a 8.30±0.08 b 107±2.61 ab C3 8.76±0.04 a 6.76±0.18 a 3.98±0.11 ab 8.43±0.24 a 7.94±0.04 c 110±2.63 ab C4 8.77±0.03 a 7.04±0.04 a 4.10±0.16 a 8.68±0.24 a 7.14±0.09 d 112±1.43 a 处理 Treatment（T） NS ** ** * ** ** 年份 Year（Y） NS ** * ** ** ** 处理×年份 T×Y NS NS NS NS ** NS 注：C1、C2、C3和C4代表施用生物炭的量分别为2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2和8 t·hm−2，CK为不施生物炭处理。不同字母表示处理间在0.05水平上差异显著，*和**表示在0.05和0.01水平上差异显著，NS表示在0.05水平上差异不显著。 Note：C1、C2、C3 and C4 indicate biochar application were 2 t·hm−2、4 t·hm−2 、6 t·hm−2and 8 t·hm−2，CK indicates no biochar application. Different letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level. * and ** indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels, NS indicates no significant difference at 0.05 level. 2.3 生物炭施用量对谷子地上部生物量的影响
谷子不同施炭处理地上部生物量积累均高于CK（图3）。随生物炭施用量的增加，2019年谷子拔节期、孕穗期及成熟期C4地上部生物量量较CK分别显著提升43.1%、45.4%和24.8%（P<0.05）。2020年谷子地上部生物量随生物炭施用剂量的增加呈先增后减的变化趋势，谷子拔节期、孕穗期及成熟期C3地上部生物量量较CK分别显著提升31.6%、29.9%、17.8%，孕穗期及成熟期 C4地上部生物量较C3分别显著下降13.5%、14.1%（P<0.05）。
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注：C1、C2、C3和C4代表施用生物炭的量分别为2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2和8 t·hm−2，CK为不施生物炭处理。不同小写字母表示同一时期不同处理在0.05水平上差异显著。Note: C1、C2、C3 and C4 indicate biochar application were 2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2 and 8 t·hm−2，CK indicates no biochar application. Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level during the same period.图 3 2019―2020年谷子不同生育期地上部生物量Fig. 3 Above-ground biomass of millet at different growth stages from 2019 to 20202.4 不同生物炭施用量对谷子产量及其构成要素的影响
生物炭施用量对谷子产量构成具有明显调控作用，促进了产量的提升，并存在年际间差异（表2）。2019年，随生物炭施用剂量的增加，谷子穗长、穗粗、单穗粒重、千粒重和产量逐渐递增，C4各项参数指标较CK分别显著提升25.6%、34.9%、44.3%、20.2%和15.2%（P<0.05）。2020年，同一施炭处理谷子各项参数指标较上一年度均有所下降，但2020年各施炭处理谷子各参数指标均较CK均有所提升，且随生物炭添加剂量先增后减。C3谷子穗长、穗粗、单穗粒重及产量较CK分别显著增长34.6%、38.7%、42.7%、16.9%（P<0.05），C4谷子穗粗、单穗粒重较C3分别显著下降8.61%、15.3%（P<0.05），穗长、千粒重及产量较C3下降8.03%、8.78%、1.56%，但差异不显著。
表 2 生物炭添加对谷子产量及其构成要素的影响Table 2 Effects of biochar addition on millet yield and its components年份
Year处理
Treatment穗长
Ear length/cm穗粗
Ear diameter/mm单穗粒重
Grain weight per panicle/g千粒重
Thousand seed weight/g产量
Yield/(kg·hm−2)2019 CK 16.2±1.03 b 15.0±1.50 b 11.4±1.35 b 2.77±0.17 b 3 677±54.8 b C1 18.6±0.36 ab 19.4±0.63 a 11.6±0.47 b 3.00±0.08 ab 3 758±23.5 b C2 18.0±0.67 ab 20.0±0.28 a 14.2±0.16 a 3.21±0.13 ab 4 099±128 a C3 19.3±0.70 a 20.2±0.43 a 15.2±0.46 a 3.24±0.16 ab 4 195±43.6 a C4 20.4±0.71 a 20.3±0.49 a 16.5±0.55 a 3.33±0.16 a 4 235±39.2 a 2020 CK 14.5±0.36 b 14.3±0.58 c 10.9±0.66 c 2.60±0.38 a 3 576±24.3 b C1 17.7±0.78 a 18.4±0.33 ab 10.7±0.68 c 2.90±0.13 a 3 658±26.3 b C2 17.6±0.64 a 18.8±0.80 ab 13.0±0.12 b 3.14±0.07 a 4 073±83.0 a C3 19.6±0.65 a 19.9±0.27 a 15.6±0.65 a 3.19±0.14 a 4 179±17.5 a C4 18.0±0.46 a 18.3±0.23 b 13.2±0.16 b 2.91±0.08 a 4 114±38.8 a 处理 Treatment（T） ** ** ** * ** 年份Year（Y） * * * NS NS 处理×年份 T×Y NS NS NS NS NS 注：C1、C2、C3和C4代表施用生物炭的量分别为2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2和8 t·hm−2，CK为不施生物炭处理。不同字母表示处理在0.05水平上差异显著，*和**表示在0.05和0.01水平上差异显著，NS表示在0.05水平上差异不显著。 Note: C1、C2、C3 and C4 indicate biochar application were 2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2and 8 t·hm−2，CK indicates no biochar application.Different letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level. * and ** indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels. NS indicates no significant difference at 0.05 level. 3 讨 论
生物炭因具有多孔结构、较大比表面积及大量高密度的电荷，在改善土壤结构的同时能够提高土壤的持水能力[27]。添加适量生物炭还会对土壤水分蒸发起到抑制作用[28 − 29]，但高剂量的生物炭会降低土壤持水性能[30]。本研究结果表明，2019年，随生物炭施用量的增加，土壤含水量逐渐增加，而2020年C4施炭条件下，谷子拔节期和成熟期土壤含水量较C3分别下降8.83%、7.25%，孕穗期土壤含水量较CK下降4.23%（图2）。连续性增施生物炭，土壤累积的生物炭量过高，使得土壤孔隙度过度增大，可能不利于土壤水分保持和储存；另一方面可能是因为2020年谷子孕穗期，区域降雨量偏少，高温增加土壤表面蒸发，添加中高剂量生物炭产生的土壤水分吸附力难以补偿土壤孔隙度变大后水分蒸发的速度，导致出现土壤含水量下降的不利现象。Zhang等[31]研究表明，4% ~ 6%的生物炭添加会加速土壤干裂，进一步加快蒸发速率。詹舒婷等[32]研究表明，添加生物炭会提升土壤温度，显著加速后期土壤水分蒸发。所以生物炭对土壤的保水性一方面受到生物炭施用量的影响，另一方面也受降雨量及温度等外界环境的影响。黄土旱区夏季旱热同期，在没有灌溉的条件下，添加大量生物炭存在阻碍土壤水分保持的风险，所以黄土旱区农业生产中，生物炭适量施用、提升旱地作物根际用水还有待深入探索。
生物炭本身含氮、磷、钾等矿质养分，且其较强的吸附能力，能有效提高土壤中阳离子交换量，进而提高土壤肥力[33 − 35]。本研究结果表明，连续施用2年生物炭后，土壤pH、有机质、铵态氮、硝态氮、速效钾含量随施炭量的增加逐渐递增，土壤速效磷含量则随生物炭施用量的增加先增后减。黄土旱区土壤多呈碱性，全磷的含量虽然相对较高，但由于土壤中大量游离碳酸钙的存在，大部分磷成为难溶性的磷酸钙盐，能被作物吸收利用的有效磷并含量不足[36]。生物炭具有调节土壤物理、化学环境，优化土壤矿物质转化效率，激发土壤中营养成分释放的作用，少量生物炭添加可为土壤补充有效磷含量。但在土壤中施入较高量的生物炭后，生物炭的吸附能力变强，生物炭会吸持土壤中的水分，使土壤中氧化还原电位降低[37]，较低的阳离子交换量（CEC）会降低磷的活性[38]，可能导致土壤中速效磷含量降低，影响作物生理功能。土壤磷含量在作物光合、能量转换等方面具有重要作用，生物炭施用量对陕北黄土旱区土壤中速效磷含量的影响机制仍需明确。
土壤水肥环境是作物生长和增产的基础和保障[39]，生物炭的添加改变了黄土旱区土壤水肥环境，不同生物炭施用量下，其对谷子生物量及产量具有显著的调控和再分配作用。本研究结果表明，2年试验中谷子所有施炭处理地上部生物量和产量较CK均有所增加。2019年地上部生物量和产量随着生物炭施用量的增加而增加，2020年C3处理时，谷子不同生育期地上部生物量和产量均达到峰值，持续添加生物炭至C4处理时，地上部生物量和产量较C3下降。一般认为生物炭在20 ~ 40 t·hm−2时可获得高作物产量[40 − 41]。本研究表现为连续施炭2年，施用量为8 t·hm−2时显著提升了谷子生物量和产量。Jin等[42]研究表明，添加11.4 t·hm−2能够获得最高作物产量。梁嘉萍等[13]在南疆盐碱地连续3年施用生物炭，结果认为10 t·hm−2是棉花和甜菜种植的合理施炭量。适量生物炭的添加能提高土壤保水保肥性能[43]，其养分吸附与缓释作用又能进一步提高土壤养分利用率，对作物生长起到持续的促进作用，进而提高作物产量[44]，但高剂量的生物炭可能会改变土壤酸碱度，与作物产生养分和水分的竞争关系，不利于作物根系生长和养分吸收利用。同时，增施生物炭显著提高土壤碳氮比值，影响土壤微生物群落结构和功能[45 − 46]，从而不利于作物地上部生物量的积累和产量的提高。此外，2020年谷子地上部生物量和产量较2019年均有所下降，这主要是因为2020年降雨量较少，在雨养环境下土壤中水分亏缺，生物炭效应和水分胁迫会叠加降低作物对土壤养分的吸收和利用，影响作物生长[47]。但同一年度相同生长环境下，各施炭处理所对应的谷子地上部分生物量和产量仍得到不同程度的提升，充分说明生物炭对黄土旱区谷子生长发育有正面影响和应用潜力，可为生物炭施用技术和梯度搭配，激发作物增产增效潜力研究提供科学参考。
4 结 论
两年连续性研究说明生物炭添加可有效调控黄土旱区土壤水肥环境，优化旱作谷子生物量分配和产量构成，主要结论如下：
（1）适量生物炭的添加能有效提升黄土旱区土壤含水量，但施用过量生物炭会削弱甚至抑制其对土壤水分储存利用的作用；（2）生物炭能有效提升土壤有机质、铵态氮、硝态氮、速效钾含量，但在黄土旱区土壤中添加过量生物炭会降低土壤速效磷含量；（3）生物炭能有效提升黄土旱区谷子地上部分生物量及产量，连续施用2年、施炭量为8 t·hm−2时，谷子不同生育期地上部生物量较CK提升17.8% ~ 31.6%，谷子产量相较于CK显著提升16.9%。综合而言，生物炭对黄土旱区土壤水分含量及土壤中的部分养分含量的提升具有积极作用，且具有增产效应，故生物炭在黄土旱区作物栽培中有应用研究价值，值得深入研究探讨。
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图 1 2019―2020年谷子生育期内月平均降雨量与温度
Figure 1. Average monthly rainfall and temperature during millet growing period from 2019 to 2020
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注：C1、C2、C3和C4代表施用生物炭的量分别为2 t·hm−2、4 t·hm−2 、6 t·hm−2 和8 t·hm−2，CK为不施生物炭处理。不同小写字母表示同一时期不同处理在0.05水平上差异显著。
Note: C1、C2、C3 and C4 indicate biochar application were 2 t·hm−2、4 t·hm−2 、6 t·hm−2 and 8 t·hm−2，CK indicates no biochar application. Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level during the same period.
图 2 2019―2020年谷子不同生育期土壤(0 ~ 30 cm)含水量
Figure 2. Soil water contents of soil (0 – 30 cm) in different growth stages of millet during 2019 to 2020
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注：C1、C2、C3和C4代表施用生物炭的量分别为2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2和8 t·hm−2，CK为不施生物炭处理。不同小写字母表示同一时期不同处理在0.05水平上差异显著。
Note: C1、C2、C3 and C4 indicate biochar application were 2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2 and 8 t·hm−2，CK indicates no biochar application. Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level during the same period.
图 3 2019―2020年谷子不同生育期地上部生物量
Figure 3. Above-ground biomass of millet at different growth stages from 2019 to 2020
表 1 2019―2020年不同施炭处理耕层土壤养分含量和pH值
Table 1 Nutrient contents and pH values of topsoil under different biochar treatments in 2019 to 2020
年份
Year处理
TreatmentpH 有机质
Organic matter/
(g·kg−1)铵态氮
Ammonium nitrogen/
(g·kg−1)硝态氮
Nitrate nitrogen/
(mg·kg−1)速效磷
Available phosphorus/
(mg·kg−1)速效钾
Available potassium/
(mg·kg−1)2019 CK 8.38±0.03 b 4.74±0.20 b 3.43±0.06 a 6.37±0.28 c 6.28±0.03 c 88.4±0.96 c C1 8.61±0.01 a 4.98±0.08 b 3.62±0.12 a 6.85±0.24 bc 6.50±0.16 b 92.4±1.01 c C2 8.61±0.05 a 5.91±0.08 a 3.69±0.14 a 7.49±0.10 ab 7.32±0.06 a 103±1.59 b C3 8.63±0.05 a 5.99±0.10 a 3.73±0.06 a 7.85±0.20 a 7.05±0.04 a 105±1.23 ab C4 8.66±0.04 a 6.10±0.12 a 3.75±0.13 a 8.04±0.12 a 6.20±0.07 bc 107±1.76 a 2020 CK 8.41±0.08 b 5.47±0.10 c 3.59±0.08 b 6.71±0.20 b 7.70±0.10 c 105±0.70 ab C1 8.63±0.10 ab 5.79±0.10 c 3.79±0.04 ab 7.64±0.26 ab 8.67±0.10 a 106±2.29 b C2 8.74±0.09 ab 6.39±0.08 b 3.96±0.04 ab 8.01±0.22 a 8.30±0.08 b 107±2.61 ab C3 8.76±0.04 a 6.76±0.18 a 3.98±0.11 ab 8.43±0.24 a 7.94±0.04 c 110±2.63 ab C4 8.77±0.03 a 7.04±0.04 a 4.10±0.16 a 8.68±0.24 a 7.14±0.09 d 112±1.43 a 处理 Treatment（T） NS ** ** * ** ** 年份 Year（Y） NS ** * ** ** ** 处理×年份 T×Y NS NS NS NS ** NS 注：C1、C2、C3和C4代表施用生物炭的量分别为2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2和8 t·hm−2，CK为不施生物炭处理。不同字母表示处理间在0.05水平上差异显著，*和**表示在0.05和0.01水平上差异显著，NS表示在0.05水平上差异不显著。 Note：C1、C2、C3 and C4 indicate biochar application were 2 t·hm−2、4 t·hm−2 、6 t·hm−2and 8 t·hm−2，CK indicates no biochar application. Different letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level. * and ** indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels, NS indicates no significant difference at 0.05 level. 
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表 2 生物炭添加对谷子产量及其构成要素的影响
Table 2 Effects of biochar addition on millet yield and its components
年份
Year处理
Treatment穗长
Ear length/cm穗粗
Ear diameter/mm单穗粒重
Grain weight per panicle/g千粒重
Thousand seed weight/g产量
Yield/(kg·hm−2)2019 CK 16.2±1.03 b 15.0±1.50 b 11.4±1.35 b 2.77±0.17 b 3 677±54.8 b C1 18.6±0.36 ab 19.4±0.63 a 11.6±0.47 b 3.00±0.08 ab 3 758±23.5 b C2 18.0±0.67 ab 20.0±0.28 a 14.2±0.16 a 3.21±0.13 ab 4 099±128 a C3 19.3±0.70 a 20.2±0.43 a 15.2±0.46 a 3.24±0.16 ab 4 195±43.6 a C4 20.4±0.71 a 20.3±0.49 a 16.5±0.55 a 3.33±0.16 a 4 235±39.2 a 2020 CK 14.5±0.36 b 14.3±0.58 c 10.9±0.66 c 2.60±0.38 a 3 576±24.3 b C1 17.7±0.78 a 18.4±0.33 ab 10.7±0.68 c 2.90±0.13 a 3 658±26.3 b C2 17.6±0.64 a 18.8±0.80 ab 13.0±0.12 b 3.14±0.07 a 4 073±83.0 a C3 19.6±0.65 a 19.9±0.27 a 15.6±0.65 a 3.19±0.14 a 4 179±17.5 a C4 18.0±0.46 a 18.3±0.23 b 13.2±0.16 b 2.91±0.08 a 4 114±38.8 a 处理 Treatment（T） ** ** ** * ** 年份Year（Y） * * * NS NS 处理×年份 T×Y NS NS NS NS NS 注：C1、C2、C3和C4代表施用生物炭的量分别为2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2和8 t·hm−2，CK为不施生物炭处理。不同字母表示处理在0.05水平上差异显著，*和**表示在0.05和0.01水平上差异显著，NS表示在0.05水平上差异不显著。 Note: C1、C2、C3 and C4 indicate biochar application were 2 t·hm−2、4 t·hm−2、6 t·hm−2and 8 t·hm−2，CK indicates no biochar application.Different letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level. * and ** indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels. NS indicates no significant difference at 0.05 level.
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