稻壳生物炭对土壤养分、玉米产量及氮素利用率的影响

杨浩鹏，李飞跃*，周春火, 索改弟，赵建荣，谢 越，任兰天

(1.安徽科技学院 资源与环境学院，安徽 凤阳 233100;2.生物炭与农田土壤污染防治安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233400;3.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045;4.安徽科技学院 农学院，安徽 凤阳 233100)

据统计,我国每年农业生产中产生的秸秆类农业废弃物约10亿吨[1]。由于缺乏合理的利用途径,其中约有2亿吨秸秆被焚烧[2],这不仅造成资源浪费,还造成了环境污染。秸秆不仅能够为土壤提供多种营养元素,还能提供大量的有机碳源[3]。然而,其直接大量还田会影响作物苗期的生长,还存在病虫害发生的潜在隐患,并增加温室气体排放[4-5]。近年来,随着生物质炭化技术的发展,秸秆炭化后还田及其环境生态效应引起广大学者的关注[6]。

生物炭是生物质在无氧或者缺氧条件下,经过相对较低的温度(小于700 ℃)热解得到的产物[7]。由于其有机质含量高,比表面积巨大,孔隙度及官能团丰富等性质[8],使得生物炭具有修复土壤污染[9]、提高土壤质量[10]、增加作物产量等效果[11]。胡敏等[12]在河套区的试验表明不同用量的生物炭均能提高玉米产量。李培培等[13]研究发现,在沙质潮土施用16 t/hm2生物炭能使玉米增产9.48%。然而,也有研究表明,生物炭施用会降低作物产量[14]。Rajkovich等[15]在研究生物炭的种类和添加量对玉米生物量的影响时发现,当食品废物生物炭添加量超过26 t/hm2时,玉米生长会受到抑制甚至减产。

可见,生物炭对作物产量影响受到生物炭自身性质和施用量的多少、施用方式等因素的影响。本试验以稻壳生物炭为对象,研究其不同施用量对玉米产量和土壤养分状况的影响,以期为生物炭的田间施用,提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验区域与材料

试验区域位于安徽省滁州市凤阳县大庙镇东陵村,该区域属北亚热带湿润季风气候,年均气温14.9 ℃,年均降雨量904 mm。

土壤pH值5.9、有机质含量11.45 g/kg、全氮含量1.4 g/kg、碱解氮129.80 mg/kg、速效磷32.39 mg/kg、速效钾41.6 mg/kg。

试验用生物炭来源于阜阳海泉风雷新能源发电股份有限公司稻壳气化多联产产物,气化温度550～600 ℃。稻壳生物炭的pH值10.11,有机碳468 g/kg,全氮5.2 g/kg,C∶N为90,比表面积为229 m2/g。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组试验,设7个不同处理,空白对照组CK,不施生物炭处理记为BC0,生物炭施用量为5、10、20、30、40 t/hm2分别记为BC5、BC10、BC20、BC30、BC40。小区面积为20 m2(4 m×5 m),随机排列,每个处理3次重复。生物炭按用量撒施,旋耕均匀。供试玉米品种为裕丰303,播种量为54 000株/hm2,行距0.6 m,株距0.3 m。除空白对照组CK外,其余各处理基肥按氮126 kg/hm2,磷(P2O5)81.9 kg/hm2,钾(K2O)75.6 kg/hm2施用复合肥料,在玉米拔节期追施氮肥(尿素)37 kg/hm2,其他管理同当地常规管理。玉米于2018年6月23日播种,10月15日收获。

1.3 样品采集与测定

在玉米收获期按五点取样法采集0～20 cm的土壤样品,于阴凉处风干。参照土壤农化分析测定土壤中pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾[16]。

米收获时每小区采集5株典型代表的植株样品，于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至恒重。秸秆和玉米籽粒分别磨碎后过0.25～0.5 mm筛备用。植株氮、磷、钾参照土壤农化分析测定[16]。

1.4 相关指标计算

玉米氮素积累量(kg/hm2)=(籽粒产量×籽粒含氮量)+(秸秆产量×秸秆含氮量);

化肥氮利用率(%)=(施氮处理植株氮积累量-对照处理植株氮积累量)/化肥氮施用量×100;

化肥氮农学利用率(kg/kg)=(施氮处理籽粒产量-对照籽粒产量)/化肥氮施用量;

100 kg籽粒产量养分(N、P2O5、K2O)吸收量(kg)=100×玉米养分积累量/玉米产量[17]。

1.5 数据处理

试验所得数据均采用SPSS 19.0进行单因素方差分析,Duncan's多重比较判断不同处理差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤理化性质的影响

由表1可知,随着生物炭用量的增加,土壤pH逐渐升高,在生物炭用量从0 t/hm2增加到40 t/hm2时,pH增加了0.59个单位, 土壤全氮含量增幅为21.31%～56.56%。当生物炭施用量在30 t/hm2以下时,土壤有机质含量随生物炭施用量的增加变化不明显,而生物炭施用量为40 t/hm2时,土壤有机质含量显著增加,和BC0相比,提高了69.3%。土壤碱解氮在生物炭低施用量(小于20 t/hm2)时,随生物炭施用量增加而明显增加,与不施生物炭相比,BC5、BC10、BC20处理碱解氮含量分别增加1.19%、6.93%、33.08%;BC30、BC40处理分别降低6.28%和20.07%。生物炭施用也会提高土壤速效钾的含量,随生物炭用量增加,速效钾含量逐渐增加,与不施生物炭相比,各处理速效钾含量分别提高了24.31%～122.86%。生物炭低施用量对土壤速效磷含量变化影响不明显,与不施生物炭相比,施用量为40 t/hm2时,速效磷含量提高了17.76%。

表1 生物炭施用量对土壤理化性质的影响

2.2 生物炭对玉米产量和氮素利用率的影响

从表2可以看出,施用生物炭后玉米百粒重和产量均增加,生物炭施用量为30 t/hm2时,差异显著(P<0.05)。与不施生物炭相比,百粒重增加幅度为 20.06%～35.59%。施用生物炭后各处理增幅为6.73%～31.41%。与不施生物炭BC0相比, 生物炭施用量为5～30 t/hm2均能提高氮素利用率,氮素利用率增加幅度为30.34%～85.15%。当生物炭施用量达到40 t/hm2时,氮素利用率只提高了28.49%。随生物炭施用量增加,与不施生物炭BC0相比,化肥氮农学利用率提高幅度为 2.8～13.08 kg/kg。

表2 生物炭添加量对玉米产量及氮素利用率的影响

2.3 生物炭施用量与土壤理化性质、玉米产量等参数的相关分析

相关性分析结果如表3所示,生物炭的施用量与土壤pH、全氮含量、有机质含量呈正相关关系,相关系数分别为0.94、0.95和0.86。表明施用生物炭是影响土壤pH、全氮、有机质变化的原因。生物炭施用量与产量相关系数为0.51,表明生物炭施用量与产量间无正相关关系。

表3 生物炭与土壤性质和玉米产量相关性分析

3 结论与讨论

3.1 生物炭对土壤理化性质的影响

生物炭具有丰富的羟基、羧基、醚键、酯羰基等官能团,这些官能团水解后通常呈碱性[18]。同时生物炭也含有大量盐基离子,施入土壤后可以增加土壤盐基饱和度,从而提高土壤pH,本试验中生物炭施用达到40 t/hm2时土壤pH增加了0.59。王欢欢等[19]通过大田试验证明生物炭可以提高土壤碳含量。李飞跃等[20]通过盆栽试验证明,生物炭能提高土壤有机质含量。这是因为生物炭本身丰富的含碳量,生物炭自身含碳量可达40%～75%。本试验中生物炭施用量为5～30 t/hm2时,分别提高土碱解氮、速效磷、速效钾含量1.19%～33.08%、7.63%～13.81%、24.31%～122.86%。在生物炭低施用量情况下,生物炭对养分的吸附量较小,随着生物炭用量的提高,对养分的吸持能力逐渐增强[21]。这是因为生物炭具有巨大的比表面积[22],能吸附养分,减少养分流失[23],从而提高养分有效性。

3.2 生物炭对玉米产量和氮素利用率的影响

生物炭还田能提高作物产量,但其作用效果受施用量的影响。Uzoma等[24]研究表明,生物炭施用量为15 t/hm2的玉米产量要显著高于施用量为20 t/hm2的处理。谢祖彬等[25]研究发现,生物炭施用量超过80 t/hm2会降低作物产量,超过40 t/hm2会导致土壤氮素损失,本试验中生物炭施用量为40 t/hm2时玉米产量低于施用量为30 t/hm2,可能是因为土壤氮素损失的原因。

生物炭会降低土壤容重、增强土壤通透性,这有利于玉米根系的生长发育,因此提高玉米产量[26]。此外,生物炭由于其自身的高含碳量,施入土壤会带来大量含碳有机物,而含碳有机物正是提高土壤肥力的主要因素[27]。土壤有机质能改善土壤结构,提高土壤保水保肥能力,提高玉米产量,本试验中生物炭的添加能明显提高玉米产量,这与张娜、阚正荣[28-29]和王智慧等[30]研究一致。生物炭施入土壤后,增加土壤有益微生物的数量,改善土壤生态系统结构,提高作物根系对养分的吸收利用,提高了氮素的利用率[31-33]。

生物炭对玉米产量影响的其他研究结果见表4。虽然试验条件不同,但施用生物炭以后玉米产量均有不同程度提高,这与本研究结果一致。

表4 生物炭添加量对玉米产量影响的比较

综上所述,生物炭的施用能够改善土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量,与BC0相比,生物炭用量从5 t/hm2增加到30 t/hm2时,分别增加21.45%、24.32%、31.51%和79.27%。生物炭能显著提高玉米百粒重和产量,并提高玉米氮素利用率。由相关分析可知,生物炭施加量与有机质、pH和全氮相关系数分别为0.86、0.95和0.94,生物炭用量与土壤有机质、pH和全氮呈正相关关系。