【摘 要】
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近年来,土壤肥力下降、耕地质量退化及水资源短缺严重威胁着我国粮食安全。在玉米生产系统中,耕地质量下降引起降雨和外源肥料利用不充分影响了玉米的水肥利用。为了确保农田环境的可持续发展和玉米生产系统产量安全的同时,利用生物炭达成双碳目标并优化水肥资源的利用,本试验以提高土壤水肥与玉米产量为目标,以生物炭为研究对象,通过随机区组试验,研究田间自然陈化第1年、第2年、第5年和第6年的生物炭在6 t·hm-2
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近年来,土壤肥力下降、耕地质量退化及水资源短缺严重威胁着我国粮食安全。在玉米生产系统中,耕地质量下降引起降雨和外源肥料利用不充分影响了玉米的水肥利用。为了确保农田环境的可持续发展和玉米生产系统产量安全的同时,利用生物炭达成双碳目标并优化水肥资源的利用,本试验以提高土壤水肥与玉米产量为目标,以生物炭为研究对象,通过随机区组试验,研究田间自然陈化第1年、第2年、第5年和第6年的生物炭在6 t·hm-2和12 t·hm-2施炭量下对玉米产量、水分利用效率、土壤含水率、储水量、硝态氮、碱解氮、全氮、有效磷、速效钾、容重和p H等方面的影响,主要研究结果如下:（1）生物炭陈化对玉米产量具有显著影响。生物炭对玉米产量构成的影响主要体现在单株穗数,自然陈化第1年、第2年和第5年12 t·hm-2施炭量较不施炭处理的单株穗数均显著提高,对穗行数和穗粒数影响较小。相同施炭年限下,12 t·hm-2施炭量的玉米产量多于6 t·hm-2;相同施炭量下,陈化第1年和第2年的玉米产量多于第5年和第6年。较不施炭处理相比,陈化第1年12 t·hm-2施炭量的增产率最大,达28.3%,陈化第5年6 t·hm-2施炭量生物炭增产率最低,达6.9%,而陈化第6年6 t·hm-2施炭量对玉米产量无提升效果,说明生物炭陈化第6年,6 t·hm-2施炭量的生物炭对玉米产量正向作用消失,需及时补炭。（2）生物炭陈化对土壤水分及储水量具有显著的影响。除陈化第5年6 t·hm-2、陈化第6年6 t·hm-2和12 t·hm-2处理外,其余生物炭处理较不施炭处理相比均显著提高了玉米的水分利用效率（P＜0.05）,提升幅度为5.4%~16.7%（2020）和2.0%~27.9%（2021）。施用生物炭对土壤含水率和土壤储水量的影响主要集中在0~30 cm土层,田间自然陈化第1年和第2年12 t·hm-2生物炭在0~30 cm土壤含水率和储水量均为最高,相同施炭年限下,12 t·hm-2施炭量的土壤含水率和储水量均显著高于6 t·hm-2施炭量;相同施炭量下,陈化第5年和第6年的生物炭处理的土壤含水率和储水量较陈化第1年和第2年显著降低,陈化第5年和第6年的6 t·hm-2处理较不施炭处理的土壤含水率和储水量无显著差异。（3）生物炭陈化对土壤肥力具有一定的影响。除陈化第6年6 t·hm-2处理外,其他生物炭处理均可以显著提高土壤硝态氮含量,根据灰色关联分析结果表明,灌浆期土壤硝态氮含量与产量有较高的关联度;陈化第1年、第2年、第5年和第6年生物炭处理较不施炭处理土壤速效钾含量均有显著提升,田间自然陈化第1年和第2年12 t·hm-2生物炭处理对土壤速效钾的提升最显著,较不施炭处理分别提高了78.8%和70.5%;田间自然陈化第1年和第2年12 t·hm-2和6 t·hm-2生物炭在所有生育期内土壤有效磷含量均显著高于不施炭处理,12 t·hm-2施炭量的土壤有效磷含量高于6 t·hm-2施炭量,陈化第1年和第2年12 t·hm-2处理的土壤有效磷含量显著高于陈化第5年和第6年12 t·hm-2处理,分别达10.5%和32.2%,综合分析全生育期有效磷含量,田间陈化第5年和第6年6 t·hm-2施炭量的土壤有效磷含量较不施炭处理无显著差异;对2020和2021年玉米生长发育指标和土壤养分之间进行冗余分析,结果表示,土壤碱解氮、有效磷和速效钾在两年试验中共解释了79.9%（2020）和77.9%（2021）的变化,是影响玉米生长发育的主要肥力指标。（4）构建了评价生物炭改善肥力的相关指数。将土壤碱解氮、全氮、有效磷、速效钾、容重和p H通过内梅罗指数法进行土壤综合肥力计算,结果表示施用生物炭较不施炭处理显著增加了土壤综合肥力。相同施炭年份下,12 t·hm-2施炭量土壤综合肥力优于6 t·hm-2,相同施炭量下,陈化第1年和第2年的土壤综合肥力优于第5年和第6年;通过构建土壤综合肥力演变的线性回归预测模型可知,6 t·hm-2施炭量对土壤肥力指数的有效年限约为施入土壤的第6~7年,12 t·hm-2施炭量对土壤肥力指数的有效年限约为施入土壤的第16~17年。综上,本研究发现生物炭陈化第1年、第2年、第5年均可以提高土壤水分和养分,12 t·hm-2施炭量优化效果好于6 t·hm-2施炭量,但随着田间陈化分解的年份增加,对土壤水肥和产量的提升效果会降低,因此在生物炭有效年份内及时补炭可以最好的合理高效综合利用生物炭,是节水保肥增产的最佳施炭模式。
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