APP下载

生物炭对潮土土壤肥力特征和氮肥利用效率的影响

2022-02-13张珂珂郭斗斗黄绍敏郭腾飞张水清岳艳军

河南农业科学 2022年12期
关键词:全氮氮肥土层

张珂珂,宋 晓,2,郭斗斗,黄绍敏,岳 克,郭腾飞,张水清,岳艳军

(1. 河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所,河南 郑州 450002;2. 河南省农业生态环境重点实验室,河南郑州 450002;3. 河南心连心化学工业集团股份有限公司,河南 新乡 453700)

生物炭是生物残体在低氧或缺氧和相对温度较低(400~700 ℃)条件下缓慢热解而形成的富含碳的产物[1],其微孔丰富、空隙发达,且具有高度芳香族的结构[2]。生物炭原料来源广泛、成本低,是一种经济型的土壤改良剂,并且在提升土壤肥力和气体减排方面表现出巨大的潜力,有较高的生态经济效益。生物炭施入土壤表现出负向激发效应,从而降低土壤CO2排放。生物炭对于固碳减排、提升土壤肥力和产量、维持农田可持续发展具有重要意义,已经成为提升农田耕地质量、实现碳封存的富碳材料。张帅等[3]、刘宇娟等[4]、TIAN 等[5]的研究表明,生物炭施入土壤后有利于增加土壤氮吸持容量、提高有机碳含量和碳氮比,进而提升土壤质量。刘遵奇等[6]研究了生物炭对草甸土土壤肥力的影响发现,生物炭显著增加土壤全氮和有效钾含量。但有些研究结果表明,生物炭对土壤肥力参数和碳库没有影响,甚至起到抑制作用[7-8]。导致上述研究结果不同的主要原因是土壤类型、生物炭的投入量及类型等不同。

较多研究认为,生物炭施入土壤后不仅提高土壤养分含量,还利于作物对养分的吸收,进而提高产量[9-11]。GETACHEW 等[12]的研究结果表明,在热带土壤上施生物炭玉米产量提高10%~29%。UZOMA 等[13]研究了生物炭对砂质土壤玉米的影响发现,施生物炭为15 t/hm2时,玉米产量最高,较不施肥处理提高了150%。张爱平等[14]在灌淤土上的研究结果也表明,水稻产量随生物炭用量增加而增加,当生物炭用量为9 000 kg/hm2时水稻增产率达到44.89%。但孟繁昊等[15]在内蒙古自治区包头市和通辽市2 个试验点的研究结果表明,春玉米产量随生物炭用量的增加呈先增后减的趋势,2 个试验点均在生物炭用量为8 kg/hm2时春玉米产量最高。可见,土壤类型及作物不同,作物高产需要的生物炭用量不同。近年来,关于生物炭在土壤环境影响方面的研究较多,其主要通过室内模拟试验研究生物炭在典型热带贫瘠土和风化土壤上的作用,探究生物炭对土壤养分和作物产量的影响[13,16],而关于生物炭对石灰性潮土土壤养分、作物产量及氮利用效率影响的研究较少。因此,拟以潮土为研究对象,测定连续2 a 施用生物炭后作物产量、植株对氮的吸收状况以及土壤养分的变化,阐明土壤养分含量和作物产量对生物炭施用的响应,旨在为生物炭合理施用、作物增产增效、保护农田生态环境提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况和试验材料

试验正位于河南省夏邑县夏皋庄(116.13°E、34.23°N)的试验基地进行,该地气候温和,雨量充沛,为温带季风气候,年平均气温14.10 ℃,无霜期约217 d,年平均降水量762 mm,降水量年内分布不均匀,多集中在夏季(6—8 月)。土壤类型为潮土,供试土壤有机质16.50 g/kg、全氮0.94 g/kg、有效磷4.97 mg/kg、有效钾129.01 mg/kg。供试生物炭(河南三利新能源公司)为花生壳在500 ℃高温厌氧条件下热解4 h 制得,基本性状:pH 值9.16,有机碳含量647.16 g/kg,氮含量15.22 g/kg,碳氮比为42.52。

1.2 试验设计

采用随机区组排列,设5个处理:不施肥不施炭(CK)、常规施肥(B0)、低量生物炭(B7.5,7 500 kg/hm2)、中量生物炭(B15,15 000 kg/hm2)和高量生物炭(B22.5,22 500 kg/hm2)。生物炭在小麦播种前一次性撒施,旋耕。除CK 外,小麦季各小区施N 175 kg/hm2、P2O595 kg/hm2、K2O 95 kg/hm2。供试氮、磷、钾肥分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和硫酸钾(K2O 30%)。每个处理3 个重复,小区面积为36 m2,共15 个小区,周围设1 m 的保护行。氮肥基追比为1∶1,50%氮肥于返青期开沟追施。磷肥和钾肥及50%氮肥在播前作为基肥一次性施入。试验所选用小麦品种为豫麦158。试验田水肥、病虫草害防治等田间管理措施均按照当地高产田进行。2017 年10 月12 日播种,2018 年5月26 日收获;2018 年10 月12 日播种,2019 年5 月25日收获。

1.3 样品采集及测试

1.3.1 土壤样品 于2019年小麦成熟期,用土钻采集土样,每个小区选取5 个采样点,分层(0~15、15~30 cm)采集土壤样品,将土壤样品分别保存于自封袋中带回实验室,晒干后过2 mm 孔径筛,用于测定有效磷、有效钾含量;部分过0.149 mm 孔径筛,用于测定全氮、有机碳含量。有机碳含量采用硫酸-重铬酸钾外加热法测定;土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定;有效磷含量采用Olsen 法测定;有效钾含量采用浸提-火焰光度法测定[17]。

1.3.2 植株样品 分别于2018、2019 年小麦成熟期,每个小区随机选择1 m 双行小麦植株带回实验室,测定干物质质量,调查产量构成三要素:穗数、穗粒数和千粒质量。随机取20株,分为茎秆和籽粒两部分,烘干、称质量后粉碎。籽粒吸氮量、茎秆吸氮量采用H2SO4-H2O2消煮法、凯氏定氮法测定。在小麦成熟期,每个小区单独收割6 m2测定小麦籽粒产量。

1.4 数据统计分析

小麦氮积累量等指标计算参照樊玉参等[18]的方法进行。

小麦氮积累量=秸秆氮含量×秸秆产量+籽粒氮含量×小麦产量;

氮肥利用率=(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%;

氮肥农学效率=(施氮处理籽粒产量-对照处理籽粒产量)/施氮量;

土壤碳氮比(C/N)=土壤有机碳含量/土壤全氮含量。

采用SPSS 19.0 对数据进行差异显著性检验(LSD法,α=0.05),采用Excel 2016 进行数据计算,采用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对潮土土壤养分的影响

2.1.1 对土壤有机碳、全氮含量的影响 土壤有机碳是衡量土壤肥力和表征土壤质量的重要因子。由图1A 可知,在0~15、15~30 cm 土层有机碳含量均随生物炭施用量的增加而增加,B22.5 处理有机碳含量最大。在0~15 cm 土层,B0 处理土壤有机碳含量较CK 处理提高17.98%,且差异显著(P<0.05)。施生物炭处理有机碳含量较B0 处理提高15.72%~35.11%。B7.5 处理与B0 处理有机碳含量差异显著(P<0.05);B22.5 处理有机碳含量较B15 处理提高7.94%,差异不显著。在15~30 cm 土层,B7.5、B15、B22.5 处理有机碳含量较B0 处理分别提高11.91%、22.55%、31.86%。B15 与B22.5 处理差异不显著。在垂直方向上,同一处理的土壤有机碳含量均表现为0~15 cm 土层高于15~30 cm 土层,0~15 cm 土层施生物炭处理有机碳含量平均占0~30 cm 土层有机碳含量的64%,说明施生物炭对土壤表层有机碳含量提高贡献较大。

土壤全氮含量能够影响土壤肥力与作物生长,是评价土壤可持续利用的重要指标之一。由图1B可知,土壤全氮含量变化趋势与有机碳含量一致,0~15、15~30 cm 土层土壤全氮含量均随生物炭施用量增加而增加。在0~15 cm 土层,B0 处理土壤全氮含量较CK 处理提高10.15%。B7.5、B15、B22.5 处理土壤全氮含量较B0 处理分别提高14.99%、24.19%、31.53%;B7.5、B15、B22.5 处理差异不显著。在15~30 cm 土层,B22.5处理土壤全氮含量较B7.5、B15处理分别提高18.42%、6.14%;B22.5 与B15 处理差异不显著。在垂直方向上,同一处理土壤全氮含量表现为0~15 cm 土层高于15~30 cm 土层,0~15 cm 土层施生物炭处理全氮含量平均占0~30 cm 土层全氮含量的60%,说明施生物炭对土壤表层全氮含量提高贡献较大。

图1 生物炭对潮土土壤有机碳、全氮的影响Fig.1 Effect of biochar application on organic carbon and total nitrogen in fluvo-aquic soil

2.1.2 对土壤C/N 的影响 土壤C/N 可以表征土壤有机质的分解程度及养分利用状况。由图2 可知,0~15 cm 土 层 土 壤C/N 维 持 在10.29~12.47,15~30 cm 土层C/N 维持在8.62~10.43。在0~15 cm 土层B22.5 处理土壤C/N 最大,比B0 处理提高11.88%。0~15、15~30 cm土层B22.5处理土壤C/N较B7.5处理分别提高0.93%、7.05%。综上,施生物炭对0~15 cm 土层土壤C/N有显著影响,能够显著提高土壤C/N。

图2 生物炭对潮土土壤C/N的影响Fig.2 Effect of biochar application on C/N in fluvo-aquic soil

2.1.3 对土壤有效磷、有效钾含量的影响 由图3A可知,在0~15 cm 土层,B0 处理有效磷含量较CK 处理显著提高17.52%。土壤有效磷含量随生物炭施用量的增加呈先增后减趋势,施生物炭处理较B0处理提高15.59%~29.35%。B15 处理土壤有效磷含量较B0、B22.5 处理分别提高29.35%、6.04%。在15~30 cm 土层,B7.5 处理土壤有效磷含量较B0 处理提高3.73%,差异不显著。B15 处理土壤有效磷含量较B0、B7.5、B22.5 处理分别提高19.92%、15.62%、11.12%。说明施高量生物炭反而会导致有效磷含量降低。在垂直方向上,0~15 cm 土层有效磷含量明显大于15~30 cm土层。

由 图3B 可 知,在0~15 cm 土 层,B7.5、B15、B22.5 处理土壤有效钾含量较B0 处理分别提高7.45%、20.45%、28.76%;B15、B22.5 处理与B7.5 处理差异均不显著。在15~30 cm 土层,B22.5 处理土壤有效钾含量最高,较B0 处理提高36.11%,较B15处理提高12.68%,其中,B7.5、B15、B22.5 处理与B0处理差异均显著(P<0.05)。

图3 生物炭对潮土土壤有效磷、有效钾的影响Fig.3 Effect of biochar application on available phosphorous and available potassium in fluvo-aquic soil

2.2 生物炭对小麦产量和养分吸收的影响

2.2.1 对小麦产量和生物量的影响 由表1 可知,施生物炭能提高小麦产量和生物量,B0、B7.5 处理2 a 平均产量较CK 处理分别提高18.95%、31.53%,2 a 平均生物量分别提高45.98%、57.28%。施生物炭处理(B7.5、B15、B22.5)2 a 平均产量和生物量均高于B0 处理,分别提高10.57%~31.05%和7.74%~31.56%。其中,B15 处理产量最高。施生物炭处理能促进穗数增加,且随生物炭用量的增加而增加。B7.5、B15、B22.5 处理2 a(2018—2019 年)平均穗数较CK 处理分别提高17.16%、26.16%、29.96%,较B0处理分别提高4.51%、12.54%、15.93%。施生物炭处理均能增加穗粒数、千粒质量,2 个年份均以B15处理最高。B15 处理2 a 平均千粒质量较B0 处理提高6.44%。B7.5、B15、B22.5 处理2 a 平均穗粒数较B0处理分别增加1.86、3.55、2.20粒。

表1 生物炭对小麦产量及产量构成因素的影响Tab.1 Effect of biochar application on yield and yield components of wheat

2.2.2 对养分吸收的影响 由表2 可知,施生物炭处理可提高小麦地上部氮吸收量。与B0处理相比,施生物炭处理2 a 平均籽粒吸氮量、茎秆吸氮量分别 提 高12.77%~38.45%、6.62%~28.98%。 2018、2019 年籽粒吸氮量均为B15 处理最高,较B22.5 处理分别提高5.69%、3.23%。2018 年茎秆吸氮量B15处理最高,比B7.5、B22.5 处理分别提高19.40%、0.94%,B15 与B22.5 处 理 差 异 不 显 著。2019 年B22.5 处理茎秆吸氮量最高,B15 与B22.5 处理差异不显著。2 a小麦总吸氮量均以B15处理最高。

表2 生物炭对小麦氮吸收和氮肥利用率的影响Tab.2 Effect of biochar application on wheat nitrogen nutrient uptake and nitrogen use efficiency

施生物炭处理能提高氮肥利用率,2 a平均氮肥利用率为26.31%~41.50%;B15 处理2 a 平均氮肥利用率较B0、B7.5、B22.5 处理分别提高21.77、15.19、2.61 个百分点。2018、2019 年氮肥利用率均以B15处理最高。表明生物炭施用量大于15 000 kg/hm2时,氮肥利用率降低,说明过量施用生物炭会导致氮肥利用率降低。施生物炭处理2 a 平均氮肥农学效率为9.21~13.75 kg/kg,且B15 处理最高,较B0 处理提高6.88 kg/kg。

3 结论与讨论

3.1 生物炭对潮土土壤养分的影响

土壤中碳、氮既是土地可持续利用和土壤质量评价的重要指标,也是土壤质量的核心。土壤中碳、氮含量是影响土壤肥力和产量高低的重要因子[16,19]。本研究结果表明,施生物炭均能提高0~15、15~30 cm 土层的有机碳、全氮含量及碳氮比,且有机碳、全氮含量随着生物炭用量的增加而增加,这与孟繁昊等[15]的研究结果一致。主要原因是生物炭中有大量碳元素[20],且结构稳定,施入土壤后形成最难分解的有机碳[21],短时间内不易发生变化,起到储存碳的作用[22-23]。并且生物炭具有巨大比表面积和多孔结构,对离子有较强的吸附力,进而提高土壤全氮含量[24]。生物炭性质稳定,不易发生垂直迁移,因此,土壤施入生物炭后能提高0~15 cm 土层有机碳含量;生物炭对氮吸附作用小于对有机碳的补充,对全氮含量的提升幅度小于有机碳,进而导致C/N的增加。

土壤有效磷、钾是作物可以直接吸收利用的养分。本研究结果表明,施生物炭对0~15、15~30 cm土层有效磷、有效钾含量均有提高作用,有效钾含量随生物炭增加而增加;有效磷含量表现为先增后减趋势,在B15 处理时达到最大,这与刘遵奇等[6]、张爱平等[14]的研究结果一致,即适量生物炭能提高土壤中有效磷含量,高量生物炭不利于有效磷含量的提高。而曹殿云等[25]在盐化水稻土上的试验结果表明,生物炭施用量为0、20、40 t/hm2时,随生物炭用量的增加有效磷呈现增加的趋势;郭俊娒等[26]经过连续2 a 添加玉米秸秆炭对土壤养分的研究结果表明,施玉米秸秆炭能显著提高有效钾、有效磷含量。上述研究结果不同,可能是生物炭用量以及原料、土壤类型不同所致。

3.2 生物炭对小麦产量及氮利用率的影响

生物炭对作物产量的提升效果除了与土壤类型、作物和肥水管理有关外,与生物炭原料和用量,以及施肥量有关[27],导致生物炭对作物产量的影响不同。LIANG 等[8]的研究结果表明,施秸秆炭处理能显著提高玉米产量。本研究结果表明,施中量生物炭(B15)处理小麦穗粒数、千粒质量及产量高于其他处理,而高量生物炭(B22.5)处理产量有所降低,但显著高于不施生物炭(B0)处理,宋大利等[28]、DAVID 等[29]的研究也得到相似结论,施高量生物炭导致减产,生物炭含碳量高致使土壤中可溶有机碳过高,土壤微生物和小麦竞争土壤氮,使小麦产量降低。

本研究结果表明,生物炭可以促进籽粒氮吸收,B15 处理籽粒吸氮量最高,较B0 处理提高38.45%。刘慧屿等[30]通过研究棕壤上施生物炭对作物养分吸收的影响发现,施秸秆生物炭可以促进作物对养分的吸收,这与本研究结果一致。刘宇娟等[4]的研究结果也表明,施生物炭处理较不施炭处理能显著增加作物对氮的吸收。本研究结果表明,施生物炭能提高氮肥利用率和氮肥农学效率,均以B15 处理最高,分别较B0 处理提高了21.77 个百分点、6.88 kg/kg。这一结论与杨浩鹏等[31]的研究结论相似,施生物炭可以提高氮肥利用效率,但生物炭配施低比例的化肥时,氮肥利用率降低。可能是施生物炭较多导致C/N较高,不利于土壤有机碳矿化,因此,土壤中氮的有效含量降低,氮肥利用率下降。而张爱平等[14]通过对黄灌区水稻田的研究发现,施用生物炭9 t/hm2时氮肥利用率和氮肥农学效率最高,分别提高22.09 个百分点、10.87 kg/kg。生物炭具有较多官能团和巨大的比表面积,能提高阳离子的交换量,吸附较多养分离子且释放缓慢,从而提高肥料利用效率。

综上,生物炭可显著提高土壤碳、氮储存量,进而提高土壤碳氮比。生物炭可显著提高有效钾含量,并随生物炭用量增加有效钾含量增加。有效磷含量随生物炭用量增加呈先增后减,以B15 处理最大,但其与B22.5 处理差异不显著。与不施生物炭处理相比,施生物炭可提高植株氮积累量,B15处理植株氮积累量最高,同时,施生物炭可增加小麦产量,提高氮肥利用率和氮肥农学效率,B15 较B0 处理氮肥利用率提高21.77个百分点,氮肥农学效率提高6.88 kg/kg。因此,生物炭施用量为15 000 kg/hm2时可提升潮土土壤肥力、增加小麦产量和氮肥利用效率。

猜你喜欢

全氮氮肥土层
预计今年氮肥消费或将增加
土钉喷锚在不同土层的支护应用及效果分析
土层 村与人 下
土层——伊当湾志
土层 沙与土 上
江淮小氮肥 耕耘六十年——纪念安徽小氮肥诞生六十周年
抓住机遇 主动作为 努力推进我国氮肥市场稳步前行
2017春季各地氮肥市场掠影
煤矸石山上不同种植年限和生长期香根草各部位全氮含量及其分配比例的比较
不同土地利用方式对黒垆土有机质和全氮分布规律的影响