生物炭是生物质在低氧或缺氧条件下通过热化学转化形成的高度芳香化、富含碳的多孔颗粒有机物^[1]，生物炭在改善土壤理化性状、促进作物生长发育等方面的效果已得到广泛认可^[2]。生物炭制备常见技术包括高温限氧热解、气化热解、水热碳化、闪蒸炭化以及烘焙炭化 5种类型^[3]。各类工艺中，热解和气化是当前生物炭生产的主要技术手段，热解生物炭在农业生产领域的应用研究较为广泛。然而，热解法得到的生物炭一般只能保留一半的碳，且 pH 普遍偏高，是制约其在盐碱土壤应用的主要障碍^[4]。

生物炭可作为土壤改良剂单独使用，也可与肥料混合制成生物炭基肥，具有养分缓释、固碳减排、增产稳定等优点，符合国家化肥“零增长”的发展方向。目前被广泛研究应用的生物炭基肥种类主要包括炭基有机肥、氮肥、复合肥等，并在水稻、小麦、玉米等作物上取得了较好的施肥效果^[5-6]。但是，生物炭基肥的施用效果因其种类、制备工艺及土壤条件不同而产生一定的差异^[6]。国内外学者多关注于生物炭基肥在中性和酸性土壤中的改良及增产作用，几年来在盐碱土壤改良方面也做了很多有益探索，但相关应用研究尚处于起步阶段^[4]。

本试验所用磺化炭基复合肥采用山东鲁北化工股份有限公司和中国科学院过程工程研究所联合开发的有机废硫酸低温炭化新技术，以滨州当地芦苇为生物质原料，将其加入到废硫酸中，加热至 100～300℃使生物质和废硫酸中的酸溶油在硫酸作用下聚合炭化分离得到生物质磺化炭，并制备磺化炭基复合肥。磺化后的生物炭具有丰富的-SO₃H、-OH 等官能团^[7]。因此，本试验通过大田试验，评价磺化炭基复合肥对滨海盐渍土耕层养分及小麦生长的影响，以期为磺化炭基肥在盐渍土上的应用推广提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概括

试验于 2020 年 10 月至 2021 年 6 月在山东省滨州市滨城区秦皇台乡杀虎刘村（37°29′12″N， 118°9′39″E）进行，该地处于黄河三角洲腹地，属温带大陆性季风气候区，多年平均气温 12.7℃，年平均降水量 564.8 mm，无霜期 205 d。试验地土壤类型是滨海盐渍土，0～20 cm 土壤的部分理化性质为：pH 8.01（水土比 2 .5∶1），电导率 630.87 µS/cm，全盐含量 0.21%，全氮含量 0.69 g/kg，有机质含量 9.57 g/kg，铵态氮含量 7.20 mg/kg，硝态氮含量 7.74 mg/kg，有效磷含量 14.00 mg/kg，速效钾含量 186.00 mg/kg。

1.2 试验材料与设计

供试肥料为磷酸二铵（N 14%，P₂O₅ 43%）、普通三元复合肥（N 15%，P₂O₅ 15%，K₂O 15%），以磷酸二铵和普通复合肥为原料分别与生物炭进行混合造粒制备出含炭量 6%、8%、12%、16% 和 20% 的炭基复合肥。其生物炭采用有机废硫酸低温炭化新技术制成，原材料为当地芦苇秸秆，采用 BET 法在氮气介质下测定生物炭的比表面积、孔径和孔容（ASAP 2460，Micromeritics，美国），其基本性质见表1。供试肥料均由山东鲁北化工股份有限公司提供。供试小麦品种为师栾 02-1 号，属于半冬性中熟品种。

试验采用随机区组设计，共设 13 个处理，每个处理重复 3 次，共 39 个小区，分别为不施肥 （CK）；磷酸二铵处理（DP）；含炭 6%、8%、12%、 16% 和 20% 的磷酸二铵处理（CDP6%、CDP8%、 CDP12%、CDP16% 和 CDP20%）；普通复合肥处理 （CF）；含炭 6%、8%、12%、16% 和 20% 的炭基复合肥处理（CCF6%、CCF8%、CCF12%、CCF16% 和 CCF20%）。试验小区面积为 40 m² （5 m×8 m），小麦行距 17 cm，播种量 225 kg/hm²。各复合肥料基施量 900 kg/hm²，返青期追施 300 kg/hm²。田间管理按常规进行。

1.3 样品采集与测定

分别在小麦返青期、拔节期、孕穗期和成熟期采集土壤和植株样品。每个小区随机选取 30 cm 行长的具有代表性的小麦植株，105℃杀青 30 min， 75℃烘箱内烘干至恒重，测定干物质重。将所有样品磨细、过 0.25 mm 筛，混合均匀，得到分析样品，测定植株全氮、全磷、全钾含量。收获时采集具有代表性的 1 m² 小麦样品，考种后风干脱粒，计算不同施肥处理小麦有效穗数、穗粒数和千粒重。生育期内各试验小区采用对角线 5 点取样法，采集 0～20 cm 土层土壤样品混合均匀，四分法保留 500 g 土壤样品，带回实验室自然风干，研磨并分别过 2 和 0.25 mm 筛，测定土壤的理化性质。

土壤和植株各项指标的测定方法参见《土壤农化分析》^[8]，其中土壤 pH 采用酸度计测定，土水比为 1∶2.5；电导率采用 1∶5 土水比浸提，电导率仪测定；有效磷采用 0.5 mol/L NaHCO₃ 浸提，钼蓝比色法测定；速效钾采用 1 mol/L NH₄OAc 溶液浸提，火焰光度计测定；土壤硝态氮采用 2 mol/L 氯化钾浸提，紫外双波段比色法测定；铵态氮用靛酚蓝比色法测定；土壤全氮含量采用浓硫酸消煮-凯氏法测定； 有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定。植株经 H₂SO₄-H₂O₂ 法消煮后，全氮采用凯氏法测定，全磷采用钒钼黄比色法测定，全钾采用火焰光度计测定。

肥料利用率^[9]（%）=（施肥区作物吸收养分总量-不施肥区作物吸收养分总量）/ 施用肥料中该养分的总量 ×100

1.4 数据处理

试验数据通过 Excel 2010 和 SAS 8.2 进行处理和统计分析，ANOVA 方差分析及 Duncan 差异显著性检验，比较不同处理间在 P<0.05 的显著性水平。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对小麦产量和肥料利用率的影响

施肥显著增加了小麦籽粒产量，其中三元复合肥 CF 处理小麦籽粒产量显著高于磷酸二铵 DP 处理（表2）。随着生物炭添加比例的增加，两种炭基肥处理的小麦籽粒产量均呈先增加后降低的规律。CDP8% 和 CDP12% 处理小麦籽粒产量较 DP 处理分别增加 6.42% 和 5.82%，而 CDP6%、CDP16% 和 CDP20% 处理与 DP 处理之间小麦籽粒产量差异性不显著。与 CF 处理相比，CCF12% 处理小麦籽粒产量显著提高 4.92%，而 CCF20% 处理小麦籽粒产量则出现减产效果。

在产量构成方面，两种炭基肥处理的小麦穗粒数随生物炭添加比例的增加均呈先增加后降低的规律。磷酸二铵炭基肥处理中，CDP8% 和 CDP12% 处理小麦穗粒数最高，CDP6%、CDP16% 和 CDP20% 处理与 DP 处理之间小麦穗粒数差异不显著。三元炭基复合肥处理中，除 CCF6% 处理小麦穗粒数显著高于 CCF20% 处理外，各施肥处理间差异不显著。小麦穗数随生物炭添加比例的增加均呈先增加后降低的趋势。磷酸二铵炭基肥处理中 CDP8% 处理小麦穗数最高，三元炭基复合肥处理中 CCF12% 处理最高。施肥显著提高了小麦千粒重，且不同施肥处理间差异不显著。

注：数据表示方法为平均值 ± 标准误差，同列数据后标有相同小写字母表示处理间差异不显著（P>0.05）。下同。

随着生物炭添加比例的增加，磷酸二铵炭基肥处理的氮素利用率、籽粒氮素吸收量均呈先增加后降低的趋势（表3）。除 CDP8% 处理外，其他磷酸二铵炭基肥处理氮素利用率显著高于 DP 处理，其中 CDP16% 处理的氮素利用率最高，较 DP 处理提高了 41.19%，并且籽粒中氮素含量显著高于其他处理。三元炭基复合肥处理中 CCF12% 处理的氮素利用率显著高于 CCF6%、CCF8%、CCF16% 处理。与 CF 处理相比，三元炭基复合肥处理的氮素利用率显著提高 12.00%～22.02%，在籽粒氮素含量方面表现出先增加后降低的趋势，其中 CCF12% 处理中籽粒氮素累积量最高。与普通复合肥相比，两种生物炭基肥均能显著提高小麦磷素利用率。磷酸二铵炭基肥处理磷素利用率依次为 CDP16%>CDP20%>CDP6%、 CDP12%>CDP8%，其中 CDP16% 处理的磷素利用率较 DP 处理提高了 8.78 个百分点。三元炭基复合肥处理中，CCF6% 和 CCF8% 处理的磷素利用率较 CF 处理分别提高 10.96% 和 16.84%，而 CCF12%、CCF16% 和 CCF20% 处理磷素利用率较 CF 处理显著降低，在籽粒磷素累积量中表现出与磷肥利用率相一致的规律性。与普通复合肥相比，三元炭基复合肥处理显著提高了小麦钾素利用率，钾素利用率依次为 CCF12%、 CCF20%>CCF16%>CCF6%、CCF8%。相较 CF 处理，添加生物炭增加了籽粒中钾素累积量，增加幅度为 2.47%～11.87%，其中生物炭添加量为 6% 的三元复合肥处理籽粒钾素累积量最高。

2.2 不同施肥处理对小麦地上部生物量的影响

施肥显著增加小麦地上部生物量（表4）。在返青期，磷酸二铵炭基复合肥的小麦地上部生物量与普通二铵复合肥处理之间差异不显著。除 CCF6% 处理外，其他磷酸二铵炭基肥处理小麦地上部生物量显著高于 DP 处理。在拔节期，磷酸二铵炭基肥处理小麦地上部生物量显著高于 DP 处理，而 5 个不同生物炭添加比例的磷酸二铵炭基肥处理之间差异不显著。除 CCF6% 处理外，其他三元炭基复合肥处理的小麦地上部生物量显著高于 CF 处理，而 CCF8%、 CCF12%、CCF16% 和 CCF20% 处理之间差异不显著。在孕穗期和成熟期，随着生物炭添加比例的增加，两种炭基肥处理的小麦地上部生物量均呈先增加后降低的规律。在成熟期，CDP12% 处理小麦地上部生物量较 DP 处理增加 12.30%，CCF12% 处理小麦地上部生物量较 CF 处理显著提高 4.33%。

2.3 不同施肥处理对土壤速效养分含量的影响

施肥显著提高了 0～20 cm 土层土壤硝态氮含量（表5）。在小麦返青期和成熟期，CDP6% 处理的土壤硝态氮含量显著高于 DP 处理，CDP8%、 CDP12%、CDP16% 和 DP 处理之间差异不显著； 三元炭基复合肥处理之间土壤硝态氮含量差异不显著。在拔节期，CDP6% 和 CDP12% 处理的土壤硝态氮含量显著高于 CDP16% 和 CDP20% 处理。 CCF6%、CCF8% 和 CCF16% 处理土壤硝态氮含量显著高于 CF 处理。在孕穗期，两种生物炭基肥的土壤硝态氮含量与普通复合肥之间差异不显著。

施肥显著提高了 0～20 cm 土层土壤有效磷含量，三元炭基复合肥处理与普通复合肥处理之间差异不显著（表6）。在小麦返青期，CDP12% 处理土壤有效磷含量显著高于 CDP16% 和 CDP20% 处理。 CDP6%、CDP8% 和 CDP12% 处理土壤有效磷含量与 DP 处理差异不显著。在拔节期，CDP6% 和 CDP12% 处理土壤有效磷含量显著高于 CDP16% 和 CDP20% 处理。在孕穗期，CDP16% 处理土壤有效磷含量显著低于 CDP8% 和 CDP12% 处理，其他磷酸二铵炭基肥处理间差异不显著。在成熟期，CDP6%、CDP8% 和 CDP12% 处理土壤有效磷含量与 DP 处理相比无显著差异，CDP16% 和 CDP20% 处理土壤有效磷含量显著低于 DP 处理。

不同炭添加量的磷酸二铵炭基肥对小麦不同生育期土壤速效钾含量无显著性影响（表7）。在小麦返青期，CCF8% 处理土壤速效钾含量显著高于 CCF12%、CCF16% 和 CCF20% 处理，其他处理间差异不显著。在小麦拔节期，三元炭基复合肥处理土壤速效钾含量与普通复合肥差异不显著，且不同炭添加比例炭基肥对土壤速效钾含量无显著性影响。在孕穗和成熟期，CCF20% 处理土壤速效钾含量显著低于 CCF6% 和 CCF8% 处理，其他三元炭基复合肥与普通复合肥处理之间差异不显著。

不同施肥处理仅对小麦返青期 0～20 cm 土层土壤 pH 产生影响，对拔节期、孕穗期和成熟期土壤 pH 影响不显著（表8）。与 CK 相比，小麦返青期单施磷酸二铵和三元复合肥与土壤 pH 无显著性影响。 CDP8%、CDP12%、CDP16% 和 CDP20% 的小麦返青期土壤 pH 显著低于 DP 处理。与 CF 处理相比，不同炭添加量的三元炭基复合肥均显著降低了小麦返青期土壤 pH，而三元炭基复合肥处理之间差异性不显著。

3 讨论

3.1 生物炭基复合肥对小麦地上部干物质量及产量的影响

地上部干物质量积累是小麦产量形成的物质基础^[10]。在小麦返青期以后，施用不同炭添加比例的生物炭基复合肥对小麦地上部干物质量积累具有不同程度的促进作用，且随着辅料中生物炭添加量的增加，促进效果呈先增加后减少的趋势。原因可能是炭基肥中的生物炭对养分的吸持和缓释作用促进了小麦养分吸收，为地上部营养积累提供了保障^[11]。而过高的生物炭添加量会吸附土壤中更多的养分，造成作物不能及时吸收养分^[12-13]，再一方面可能是由于添加生物炭会增加土壤中的碳氮比，降低土壤中有效氮含量，不利于作物吸收养分^[14]。李正东等^[15]研究表明，以棉花秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、稻壳、花生壳和生活废弃物 6 种生物质原料生产的炭基复合肥对小麦产量提高效果显著，其中花生壳、棉花秸秆和玉米秸秆炭基复合肥增产效果最理想。在本试验中，以芦苇为生物质原料，采用有机废硫酸低温炭化新技术生产的生物炭基肥对小麦增产效果显著，随着生物炭添加比例的增加，两种炭基肥处理的小麦籽粒产量均呈先增加后降低的规律。CDP8%、CDP12% 和 CCF12% 处理的小麦穗数和穗粒数增加是小麦增产的主要原因，不同炭添加量的两种生物炭基肥对小麦千粒重无显著性影响。Huang 等^[16]在水稻上的研究也表明，长期施用生物炭主要通过增加单位面积穗数和穗粒数提高作物产量。

3.2 生物炭基复合肥对土壤速效养分及养分利用率的影响

炭基肥在提高土壤速效养分含量作用显著，但施用效果受多种因素的影响。Steiner 等^[17]研究发现，用硫酸铵 + 氯化钾 + 普通过磷酸钙 + 生物炭掺混制备的生物炭基复合肥可显著增加土壤全氮、有效磷含量，延长氮素供应期。在本试验中，施用生物炭基肥对小麦拔节期土壤硝态氮影响最为显著；三元生物炭基肥对土壤有效磷影响较小，可能是由于磷肥施用量较低，且供试土壤为滨海盐渍土，对磷吸附、固定比较强烈，因此，土壤有效磷含量变化较小。籽粒中磷素累积量随生物炭添加均呈现增加趋势，可能是生物炭通过影响冬小麦根系形态从而促进磷素的吸收^[18]。总体而言，生物炭能增加作物籽粒中磷素累积量，这也是磷素利用率提高的主要原因。磷酸二铵炭基肥和三元炭基复合肥对土壤速效钾影响较小，可能是由于土壤有效钾本底值较高，但随着生物炭替代比例的增加，土壤速效钾有降低的风险。三元炭基复合肥处理的钾素肥料利用率随着生物炭添加量增加而增加，而籽粒钾吸收量无显著性变化，说明添加生物炭促进了小麦秸秆部分对钾素的吸收利用。总体来讲，施用生物炭基复合肥对小麦各生育期土壤速效养分具有不同程度的提高作用，主要是因为生物炭较大的比表面积和较多的化学官能团可吸附硝酸根、铵根、磷酸根及其他水溶性盐离子，进而延缓肥料在土壤中的释放，降低淋溶和固定损失^[19]。

研究表明，施用生物炭具有提高肥料利用率的作用^[20]。本试验中，施用两种生物炭基肥均能显著提高小麦氮、磷素利用率，主要得益于生物炭的保肥和缓释性能。另外，生物炭较大的孔隙度和比表面积为土壤中有益菌群数量增加提供了附着位点和较大空间^[21-22]，有利于土壤中速效养分的活化，进而促进作物的养分吸收，提高养分利用率^[23]。

一般认为，施用生物炭或生物炭基肥可提高土壤 pH 和盐基饱和度，对酸性土壤改良和喜碱作物的生产具有积极意义^[6]。在本试验条件下，除 CDP6% 处理外，施用磺化炭基复合肥较普通复合肥显著降低了小麦返青期耕层土壤 pH，主要原因是施用的生物炭基肥是采用有机废硫酸制成，生成的磺化炭中吸附了硫酸，呈酸性^[8]。因此，本试验中施用的生物质磺化炭基肥推荐在碱性土壤上长期施用，对改良土壤酸碱性可能会产生积极的影响。

4 结论

施用磺化炭基复合肥显著影响小麦籽粒产量和地上部生物累积量，且随着生物炭添加比例的增加均呈先增加后降低的规律。其中，磷酸二铵炭基肥中 CDP8% 和 CDP12% 处理增产效果较好，三元炭基复合肥中 CCF12% 处理增产效果显著。

施用磺化炭基复合肥对小麦各生育期土壤速效养分具有不同程度的提高作用。炭添加量 6%～12% 的磺化炭基复合肥可显著增加小麦拔节期和孕穗期土壤硝态氮含量，并显著增加成熟期土壤有效磷含量，有利于籽粒中养分的累积，显著提高了小麦氮、磷素利用率。另外，施用炭基复合肥较普通复合肥显著降低了小麦返青期耕层土壤 pH，对小麦生育后期土壤 pH 无显著性影响。

参考文献