生物炭（Biochar）一般指生物质如木材、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等在完全或部分缺氧和相对温度“较低”（＜700 ℃）条件下热裂解而形成的固态产物^[1]。生物炭通常含碳40%～75%，并含少量矿物质、灰分和挥发性有机化合物^[2]。Sombroek^[3]对亚马逊河谷古印第安人黑色土壤（Terra preta）的研究引起了全球众多学者对生物炭的广泛关注^{[4, 5]}。研究表明生物炭是一种具有多孔性、巨大表面积、羧基基团、较大吸附力和离子交换量（CEC）的粉状颗粒^[6]，这些特点赋予了生物炭具有改变土壤理化性质、保水、保肥等性能。张千丰等^[7]认为生物炭具有较高的CEC、弱碱性、低密度和较高的C/N等性质，可被用作土壤改良剂，改善土壤的理化性质，减小土壤容重，增大土壤孔隙度。王丹丹等^[8]认为施入生物炭可以有效地改善土壤容重，提高土壤田间持水量和土壤的导水性能，从而增大土壤含水率。何绪生等^[6]认为生物炭延缓肥料在土壤中的养分释放，降低养分损失，提高肥料养分利用率，生物炭是肥料的增效载体。生物炭的保水、保肥性能促进了作物发育，提高作物产量。生物炭虽然具有这些优点，但是国内外对生物炭的看法也有所分歧，如：Kishimoto等^[9]认为，在壤土中施加生物炭（0.5 t·hm^-2）大豆产量可增加50%，然而随着施用量的增加产量出现减少趋势；Gaskin等^[10]研究生物炭对黏性土壤影响中发现，添加量在11~22 t·hm^-2时，作物产量无显著性差异；张晗芝等^[11]研究在中层砂浆水稻土中施加生物炭对玉米的影响，发现在玉米苗期生物炭抑制了植株的生长发育，表现为添加量越大抑制效果越明显。总之，生物炭的研究大多仅限于室内和温室，大田试验对生物炭的研究还很少有人涉足。

内蒙古呼和浩特和林格尔县地处蒙古高原，属于干旱半干旱大陆季风性气候，是中国水资源匮乏、水土流失较为严重的地区。砂壤土是北方比较典型的土壤类型，尤其在内蒙古地区，其持水性能差、土壤贫瘠，严重制约了这一地区农业的发展^{[12, 13, 14]}。和林格尔县主要种植玉米，每年有大量的玉米秸秆，大多闲置废弃，生物炭技术有利于这一地区废弃物的资源化。本文在野外大田小区设置不同生物炭施用量，通过研究不同处理土壤物理性质及水肥利用效率对作物生长和产量的影响，寻求砂壤土中合理的生物炭用量，为生物炭在内蒙古乃至北方地区的大规模运用提供科学合理的理论依据。

试验于2013年5月中旬至10月上旬在内蒙古和林县内蒙古水利科学研究院试验基地进行。该地区属于温带半干旱大陆性季风气候，年均气温6~7 ℃，年均降雨量为392.8 mm。该试验区土壤为砂壤土。经测定土壤基本性质：砂粒质量分数64.15%、粉粒16.49%、粘粒19.36%，土壤容重1.39 g·cm^-3，孔隙度43.52%，田间持水率（体积分数）31%，pH值7.85，电导率141.8 μS·cm^-1；有机质质量比为6.66 g·kg^-1，碱解氮48.07 mg·kg^-1，速效磷12.06 mg·kg^-1，速效钾为146.98 mg·kg^-1。

试验选用生物炭为辽宁金和福农业开发有限公司的玉米秸秆生物炭产品。生物炭主要性质：C的质量分数为47.17%、N为0.71%、H为3.83%，C/N为67.03%，pH值9.04，有机质比为925.74 g·kg^-1，碱解氮为159.15 mg·kg^-1，速效磷为394.18 mg·kg^-1，速效钾为783.98 mg·kg^-1。将生物炭均匀施于土壤表面，用旋耕机翻混入耕层土壤。试验设计5个处理：对照即不施生物炭（CK），处理组生物炭施用量分别为10 t·hm^-2（T1）、20 t·hm^-2（T2）、40 t·hm^-2（T3）、60 t·hm^-2（T4）。每个处理3次重复，共计15个试验小区，小区面积为15 m²（5 m×3 m）。供试作物为番茄，品种为上海合作918，种植密度为4.5万株·hm^-2。底肥施用量：尿素[ω（N）=46%]408 kg·hm^-2，二胺[ω（P₂O₅）=46%]，163 kg·hm^-2，氯化钾[ω（KCl）=50%]300 kg·hm^-2。灌溉定额为105 m3（苗期-开花着果期45 m3、开花着果期-结果盛期40 m3、结果盛期-果实成熟期20 m3）。

在苗期-开花着果期、开花着果期-结果盛期、结果盛期-果实成熟期在各小区灌水前后用土钻分别在0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm五个土层取土，将各层取得土壤混合均匀装入铝盒测定土壤含水率，在各小区0~50 cm每10 cm取环刀测定土壤容重，在番茄各生育期测定各处理番茄生育指标以及在果实成熟期测定番茄产量。土壤含水率测定采用烘干称重法，土壤容重测定采用烘干称重法。

化肥农学效应（NUE）=（处理组番茄产量-对照组番茄产量）/处理组施肥量，单位为kg·kg^-1

水分利用率（WUE）=番茄产量/番茄全生育期耗水量，单位为kg·m^-3

由图 1可知，番茄全生育期株高随着土壤生物炭施用量的增加呈先增大后减小的趋势。苗期-开花着果期各处理株高均小于35 cm，施用生物炭的处理株高均大于对照组（CK），其中T3增幅最大，增幅为41.7%，各处理间差异不显著。随着番茄生育期的推进，各处理的生育指标变化较大，在开花着果-结果盛期株高依旧是T3增幅最大，增幅为16.4%，差异性显著。然而，在结果盛期-果实成熟期番茄株高虽然仍表现出先增大后减小的趋势，但T2的增幅最大，增幅为22.5%。这表明在不同生育期，适量施用生物炭对番茄株高的增加最为有利。

图 1 番茄全生育期各处理株高对比 Figure 1 Height of tomato plants in different treatments at different growth stages

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由图 2可知，全生育期番茄茎粗随着生物炭用量的增加呈先增大后减小的趋势，且施用生物炭的处理茎粗均大于对照组（CK）。在苗期-开花着果期番茄茎粗差异最为明显，T3茎粗增幅最大，为16.2%；在开花着果-结果盛期T1、T2、T3差异性显著，T4差异性不显著，T3增幅最大，为17.6%；在结果盛期-果实成熟期各处理间番茄茎粗差异性不显著，仍然是T3增幅最大，为7.3%。综上所述，生物炭在不同生育期对番茄的茎粗影响程度不一样。

图 2 番茄全生育期各处理茎粗对比 Figure 2 Diameter of tomato stems in different treatments at different growth stages

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由图 3可知，番茄产量随着生物炭施用量的增加呈先增加后减小的趋势，其中T3处理的产量最高。变化趋势符合方程y=-373.9x²+3 173.7x+4419，R²=0.993 9。各处理产量相比对照组（CK）依次增加27.2%、44%、56.1%、49.6%。这说明，生物炭的不同用量对番茄的产量影响存在一定的差异，但是施用生物炭均有利于产量的提高。

图 3 各处理对番茄产量的影响 Figure 3 Effects of tomato production in different treatments

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本试验容重计算公式：r_s=m/V（m为环刀内土壤干重，V为环刀体积）。由图 4可知，在土壤深度为0~20 cm范围内，土壤容重随着生物炭施用量的增加呈减小的趋势，而超过20 cm以后随着生物炭施用量的增加土壤容重变化规律不明显。土壤深度为0~10 cm，各处理土壤容重与对照（CK）相比分别减小7%、13%、20%、23%，差异性显著；土壤深度为10~20 cm，各处理土壤容重与对照（CK）相比分别减小10%、17%、27%、30%，差异性显著；在20~30 cm土壤容重差异性显著但规律不明显，30~40 cm、40~50 cm土壤容重差异性不显著。

图 4 生物炭对土壤容重的影响 Figure 4 Effects of biochar additions on soil bulk density

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本试验土壤孔隙度计算公式：P=（d-r/d）×100% P为土壤孔隙度；d为土粒密度，一般认为耕地土壤表土的土粒密度为2.65 g·cm^-3；r为土壤容重。由图 5可知土壤深度为0~20 cm范围内，土壤孔隙度随着生物炭施用量的增加呈增大的趋势，而大于20 cm的土壤孔隙度随着生物炭施用量的增加变化规律不明显。土壤深度为0~10 cm，各处理土壤孔隙度相比CK分别增大3%、10%、13%、14%，差异性显著；土壤深度为10~20 cm，各处理土壤孔隙度相比CK分别增大4%、14%、17%、19%，差异性显著；土壤深度为20~30 cm，土壤孔隙度差异显著但规律不明显；土壤深度为30~40 cm、40~50 cm土壤孔隙度差异不显著。

图 5 生物炭对土壤孔隙度的影响 Figure 5 Effects of biochar additions on soil porosity

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由表 1可知，在番茄全生育期各处理土壤深度为20 cm时土壤含水率均表现相同规律，土壤含水率随着生物炭施用量的增加呈先增大后减小的趋势，且施用生物炭处理土壤含水率均高于对照组（CK），在20~80 cm土层含水率变化规律不明显，因此没有写入文中。在全生育期T3处理0~10 cm、10~20 cm土层土壤含水率与对照（CK）相比增幅最大，各生育期0~10 cm增幅分别为20%、13.7%、21.7%，差异性显著；10~20 cm增幅分别为33.97%、17.04%、21.31%，差异性显著。

表 1 不同生物炭施用量对（0~20 cm）土壤含水率的影响 Table 1 Effect of different biochar rates on soil moisture（0~20 cm）

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本试验采取烘干法测定土壤含水率，通过各处理之间施用不同用量生物炭，来研究番茄的耗水规律。作物蒸腾蒸发量用水量平衡法进行计算，依据相邻两次土壤含水率测定结果，计算该时段作物腾发量。采用耗水公式如下：

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由于试验区地下水埋深大约在15~22 m之间，埋深较大所以地下水补给量可以忽略不计，即K=0，每次灌水定额都不是特别大不会产生深层渗漏因此排水量也可以忽略不计，即C=0，由于和林干旱少雨蒸发较大，在进行雨量计算时降雨量小于5 mm时不计入降雨量。故公式（1）可用公式（2）代替：

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由表 2可知，耗水量受生物炭施用量影响较大，随着生物炭施用量的增加番茄耗水量呈先减小后增大的趋势，且耗水量均大于灌水量，耗水量最大为对照组，最小为处理T3。从表中可以看出番茄在苗期-开花着果期耗水量较大，在结果盛期-果实成熟期耗水量较小。总耗水量处理T1与对照组（CK）相比耗水量相差较小，说明低生物炭用量对番茄耗水量的减小差异不明显。

表 2 各处理下番茄各生育期耗水量（m3） Table 2 Water consumption of tomato at different growth stages

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本文试验分析采用1.3.2中公式。从表 3可知，随着生物炭施用量的增加番茄的水分利用率呈先增大后减小的趋势，水分利用率由大到小依次为T3、T4、T2、T1、CK。与对照组相比各处理水分利用率至少增加27.2%，差异性明显。说明施用生物炭能有效提高水分利用效率。

表 3 各处理番茄水分利用效率 Table 3 Water use efficiency of tomato in different treatments

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土壤养分利用效率的定义为单位土壤养分消耗量所获得的经济产量，它反映了产量和土壤养分消耗量的关系^[15]，可以由1.3.2中公式进行计算。

由表 4可知，氮、磷、钾肥的利用效率均随着生物炭施用量的增加呈现先增加后减小的趋势，化肥利用效率由大到小依次为T3、T4、T2、T1、CK，从表中可以看出施用生物炭能够有效地促进化肥的利用，与对照组（CK）相比施用生物炭处理氮肥利用效率明显提高，最大增幅为180.4%，磷肥与钾肥最大增幅也较大，差异性显著。

表 4 各处理化肥利用效率 Table 4 Fertilizer use efficiency of tomato in each treatment

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土壤的物理性质包括：土壤质地、土壤结构、土壤比重、土壤容重、土壤孔隙度、空气和土壤水分等^[16]。生物炭具有多孔性和巨大的比表面积及羧基基团赋予生物炭强吸附能力^[6]，生物炭具有较小容重和强亲水性等特点。由于生物炭具有较小的容重，将生物炭与土壤混合能有效减小土壤的容重，试验结果与武玉等^[17]的研究成果相似，表明施用生物炭的小区在0~20 cm土层容重减小较为明显，而在20~50 cm效果不明显的原因是生物炭与土壤的混合深度大约为20 cm，20~50 cm土层生物炭对土壤容重影响小。本文孔隙度是采用公式P=（d-r/d）×100%计算得来，从该式可以看出P随着r的减小而增大，由于土壤容重随着生物炭施用量的增加而减小，随着生物炭施用量的增加孔隙度会不断增大，与Blackwell等^[18]的研究结果一致。20~50 cm效果不明显原因与容重相同。

随着生物炭施用量的增加土壤含水率呈现先增大后减小的趋势，与高海英等^[19]的研究结果基本一致。土壤中施用生物炭减小了土壤容重，增大了孔隙度，加之生物炭本身具有较大的比表面积及亲水性和强吸附性能，生物炭的施用增加了土壤持水性能从而增大土壤含水率，在相同情况下，土壤中生物炭施用量越大，土壤含水率就越高，但这种增加效应是有限的，过多施用生物炭会适得其反，本文在0~20 cm土层60 t·hm^-2生物炭施用量相对于其他对照反而减小了土壤含水率。在0~20 cm土层在高生物炭施用量情况下效果反而不佳的原因是，虽然生物炭具有多孔性和巨大的比表面积及羧基基团，并且赋予了生物炭亲水性等特点，但在一定生物炭施用量情况下是表现为亲水性，当生物炭施用量超过一定量时生物炭的这种亲水性能就会减弱，导致高生物炭施用量情况下土壤含水率反而较适中生物炭施用量土壤含水率有所下降。至于生物炭高施用量为什么会减小土壤含水率尚有待进一步研究。施用生物炭明显提高了水分利用效率，土壤施入生物炭有效地增大了土壤的孔隙度，提高了土壤的持水能力，增加了土壤通透性，促进根系发育，从而提高番茄对水分的利用率。由于生物炭本身的吸附能力促进土壤团聚体的形成，团聚体内部的持水孔隙水多空气少，既可以保存随水进入团聚体的水溶性养分，又适宜于嫌气性微生物的活动。有机质分解缓慢，有利于腐殖质的合成，所以有利于养分的积累，起到保肥的作用。团聚体间的充气孔隙中空气多，适宜于好气性微生物的活动，有机质分解快，产生的速效养分多，供肥性能良好。保肥供肥的矛盾得以协调，加之水能促进肥料的吸收，施用生物炭有效提高了土壤含水率，加大了作物对肥料的利用。生物炭从这两方面促进了作物对肥料的利用，提高了肥料的利用率。但是生物炭对水肥利用效率的影响还很少有人研究。

生物炭具有改变土壤理化性质的调剂作用^[20]，提高了作物对水、肥的利用效率，从而促进了作物的生长发育，提高了番茄的产量，但是作物对肥的需求不是越多越好，只有在水、肥、气相对适中的情况下才能达到高产的效果，本试验在生物炭施用量为40 t·hm^-2时正好达到水、肥、气的最佳环境，因此作物的株高、茎粗、产量均呈现先增大后减小的趋势（40 t·hm^-2生育指标、产量达到最大值）。

（1）生物炭能有效地改变土壤的理化性质。随着生物炭施用量的增加土壤容重逐渐减小，孔隙度逐渐增大，与对照组（CK）相比，耕作层土壤容重T1、T2、T3、T4分别平均减小8.5%、15%、23.5%、26.5%，孔隙度分别平均增大3.5%、12%、15%、16.5%。

（2）生物炭能明显提高作物对土壤水的利用效率。处理T3增幅最大，增幅为69.8%，与对照相比施用生物炭至少提高了27.7%的水分利用率。

（3）生物炭能明显提高作物肥料的利用率。处理T3增幅最大，增幅为180.4%，与对照相比施用生物炭至少提高了87.5%的肥料利用率。

（4）生物炭能促进作物生长提高作物产量。与CK相比，番茄各生育期株高至少增幅41.7%、916.4%、22.5%，茎粗增幅16.2%、17.6%、7.3%；与CK相比T1、T2、T3、T4番茄分别增产27.2%、44%、56.1%、49.6%。其中株高、茎粗、产量基本都是在生物炭用量为40 t·hm^-2时增幅最大。

综上所述，在砂壤土中40 t·hm^-2生物炭施用量是改良土壤，提高作物产量较为合适的选择。