生物炭与土壤调理剂对滨海荒芜重盐碱地先锋作物的影响*

2023-03-24杨莉琳唐书达朱向梅侯建伟

中国生态农业学报(中英文) 2023年3期

杨莉琳,唐书达,朱向梅,侯建伟

(铜仁学院农林工程与规划学院铜仁 554300)

我国有4/5 的盐碱地未得到开发利用,处于荒芜并持续退化状态[1]。近50年来,耕地面积缩减和资源耗损加大是我国农业和经济面临的严峻挑战,废弃物资源化以及退化荒芜重盐碱地开发利用是应对当前生态持续恶化、人口快速增长与资源过度消耗的重要战略措施之一。

生物炭是纤维类生物质在缺氧或限氧条件下经相对低温的热解处理,得到的富碳产物[1],据报道,生物炭可促进小白菜(Brassica rapavar.glabra)和棉花(Gossypiumspp.)的生长[2-4],提高枇杷(Eriobotrya japonica)产量[5]。滨海盐碱地施用生物炭的番茄(Solanum lycopersicum)植株耗水量显著降低,对土壤水利用率更高[6]。在改善土壤理化性质、提高土壤养分含量和有效性、调节微生物群落结构和活性、促进植物生长等方面也具有重要作用[7]。Hussain 等[8]建议,应立即关注生物炭的施用及其归宿的长期影响。土壤调理剂施入盐碱地能促进水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)和小麦(Triticum aestivum)叶片光合能力[2,9]。其中,腐植酸类(腐植酸、黄腐酸)调理剂对盐碱地具有较好的改良效果[10]。但是,以生物秸秆为主要原料的生物炭与以腐殖酸为主的调理剂结合施用对盐碱地的综合影响尚不需进一步探讨。

种植耐盐适生作物是生物改良盐碱地的重要措施之一。油葵(Helianthus annuus)具有耐盐碱、耐瘠薄的特点,常在盐碱、干旱贫瘠地区大量引种,在中国的油料作物中,其种植面积仅次于油菜(Brassica campestris),已成为第二大油料作物。棉花也是相对耐盐的经济作物,被广泛种植盐碱地区。但棉花或油葵哪种更适合作为先锋作物种植在滨海荒芜重盐碱地尚少见报道。

为此,本研究在荒芜滨海重盐碱地开展了施用生物炭与土壤调理剂种植耐盐适生植物的试验,研究生物炭和土壤调理剂对耐盐作物棉花和油葵的生长、养分吸收以及土壤肥力平衡与盐分消减的效果。旨在为科学合理地开发滨海荒芜重盐碱地、探索生物改良荒芜重盐碱地途径提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在河北省沧州市海兴县小山村山西凹,地处河北省东南部,为渤海低平原区,属暖温带半湿润半干旱季风气候区,年均气温12.1 ℃,1月份均温-4.5 ℃,极端最低气温-19.9 ℃,初霜期和终霜期多出现在10月下旬和4月中旬; 多年平均降水量为582.3 mm,6-8月降水量约占全年降水量的74%,冬春季降水量极少。地势低洼平坦,土壤为滨海砂壤质荒芜重盐碱土,0～100 cm 土层含盐量周年大于5 g·kg-1。地下水位埋深1.5～2.0 m,矿化度为9.3～12 g·L-1。

1.2 试验设计

本试验设生物炭(B)和腐殖酸型土壤调理剂(C)2 个因素。生物炭(B)设不施用(对照)与施用1.25 kg·m-22 个水平; 调理剂(C)施用量设3 个水平: 0 kg·m-2、0.83 kg·m-2和1.66 kg·m-2; 组成不施用生物炭条件下的C0、C1、C2 和施用生物炭条件下的BC0、BC1 和BC2 共6 个处理。按生物炭施用与否采取裂区设计,重复3 次。小区长8 m,宽7.5 m。供试生物炭为炭化玉米秸秆,其C-N-P-K 含量为534.5-10.5-3.99-15.3 g·kg-1,比表面积160.2 m2·g-1,总孔容积0.33 mL·g-1。土壤调理剂含有机质≥35.0%,总腐殖酸≥10.0%,MgO≥1.0%。

试验于上年的10月中旬土壤封冻前规划好试验小区,平整土地。待地表温度降至低于-4 ℃时抽取当地地下咸水,进行地表漫灌,灌水量180 mm。翌年开春3月初咸水冰开始融化时立即覆膜,4月28日播种前掀膜,手工均匀撒施生物炭和土壤调理剂,以及N-P2O5-K2O 含量为26-10-12 的控释肥60 g·m-2,旋耕播种棉花。品种为‘鲁棉-28’,播种行距为60 cm,株距为28～30 cm,栽植密度为54 000株·hm-2,播种后立即覆膜。播种后7～15 d 调查,棉花出苗率低于5%。于6月24日补种油葵,捅破地膜,点穴播种,品种为‘矮大头567DW’,株距20 cm,行距62.5 cm,出苗后平均密度为8.2 株·m-2。

1.3 调查测定项目与方法

调查时间: 分别于油葵生长盛期(播种后70 d)和收获期(播种后90 d)进行田间植株调查并采样。每个小区随机选取具有代表性的长势一致的油葵植株6 株挂牌定株观测株高、基茎粗、叶片数和葵盘直径。

植株样品处理: 采集挂牌的新鲜植物样品,按不同部位分剪、整理、包装,运回实验室后立即在105 ℃杀青2 h 后75 ℃烘干。样品粉碎并过60 目筛,用于测定植株各部位的养分含量。

测定方法: 植株样品用硫酸消煮,消煮液分别用于测定各养分和离子含量。N 用定氮仪测定,P 用钼蓝比色法紫外分光光度计测定,K、Na、Ca、Mg 用原子吸收法测定[11]。

1.4 数据分析

采用Excel 2013 进行数据整理、数据处理和绘图; 采用SAS 9.2 进行二因素方差分析; 采用Duncan新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 生物炭与土壤调理剂对油葵生长性状的影响

施用生物炭显著抑制油葵茎粗、株高与盘径生长,对油葵叶片数没有显著影响; 土壤调理剂则对茎粗、盘径、株高和叶重有显著影响,且这些指标随调理剂用量增加而增大(表1)。生长盛期(播种后70 d),施用生物炭处理比不施生物炭的茎粗平均减少18.4% (P＜0.01),盘径减少16.4% (P＜0.05)。与对照C0 相比,C1 与C2 处理的油葵茎分别增粗6.6%与26.3% (P＜0.05),盘径分别增大11.0%与30.0% (P＜0.05)。收获期(播种后90 d),施用生物炭比不施用生物炭的油葵株高平均下降5.9 cm (P＜0.01),茎干重平均下降20% (P＜0.1)。施用土壤调理剂油葵盘径平均增加2.6～4.2 cm,株高增高9.0～9.9 cm,叶片干重增加5.0%～35.0% (P＜0.05)。生物炭与土壤调理剂的交互作用对油葵茎粗、株高、盘径和叶干重影响显著(P＜0.05)。

表1 施用生物炭与土壤调理剂对油葵生物学性状的影响(单株)Table 1 Effect of application of biochar and soil conditioner on biological characteristics of oil sunflower (per plant)

2.2 生物炭与土壤调理剂对油葵产量及其性状的影响

施用生物炭对油葵地上部生物量、盘重、籽粒数和籽粒产量均没有显著影响,施用调理剂显著增加油葵地上部植株的生物量(P＜0.05)、盘重(P＜0.05)和籽粒产量(P＜0.01),且随土壤调理剂施用量增加而增大(表2)。

不施用生物炭组的C2 与C1 处理比C0 处理的油葵产量分别增加65.9% (P＜0.01)与29.1%; 施用生物炭组的BC2 与BC1 比BC0 处理的油葵盘分别增重了43.2% (P＜0.01)与3.1%。生物炭与土壤调理剂的交互作用显著影响盘重(P＜0.01) (表2)。

表2 施用生物炭与土壤调理剂对单株油葵产量性状的影响Table 2 Effect of biochar and soil conditioner on yield characteristics of oil sunflower (per plant)

2.3 生物炭与土壤调理剂对油葵植株养分含量的影响

油葵籽仁含N 量最高,为4.2%～4.7%,其次是叶片(2.2%～2.8%)、葵盘(1.0%～1.3%)和籽壳(0.8%～1.0%),茎秆的含N 量较少,仅0.5%～0.8% (图1A)。施用生物炭处理的油葵茎秆、叶片和籽壳的N 含量较不施用生物炭分别平均上升24.2% (P＜0.01)、12.0%(P＜0.05)与6.7% (P＜0.1),但对葵盘和籽仁的含N 量没有显著影响。施用调理剂处理的葵盘N 含量平均下降12.2%～14.5% (P＜0.05),单施调理剂降低籽壳和茎的N 含量; 低量调理剂(C1 和BC1,0.83 kg·m-2)显著降低籽仁含N 量(P＜0.01),但土壤调理剂用量为1.66 kg·m-2时,籽仁含N 量平均提高2.2%～6.6%(P＜0.01)。生物炭与土壤调理剂的交互作用显著提高油葵叶片(P＜0.05)和茎秆(P＜0.1)的N 含量。

油葵植株P 的分布与N 一样,在籽仁中含P 量最高,其次是叶片和葵盘,籽壳和茎秆的含P 量较少(图1B)。与不施生物炭组相比,施用生物炭处理的油葵茎秆、叶片和籽壳的P 含量分别平均增加15.2% (P＜0.1)、20.0% (P＜0.05)与43.3% (P＜0.01),对葵盘和籽仁影响不显著。施用调理剂有降低茎秆与籽壳的P 含量、增加籽仁P 含量的趋势。生物炭与土壤调理剂的交互作用显著提高油葵茎秆P 含量(P＜0.05)。

油葵植株的K 主要分布在茎秆、叶片和葵盘中,含量约5.3%～8.2%,其次是籽壳,含K 量为1.9%～2.3%,籽仁的含K 量最低,约0.82%～0.96% (图1C)。与不施生物炭相比,施用生物炭处理的茎秆与籽仁的K 含量分别平均上升21.8% (P＜0.01)与5.9%(P＜0.05),但叶片K 含量平均下降21.4% (P＜0.05); 对葵盘没有显著影响。施用土壤调理剂为0.83 kg·m-2时,籽仁K 含量比对照(C0,BC0)和高量土壤调理剂(C2,BC2)平均降低4.3%～13.2% (P＜0.05),而叶片的K 含量平均提高2.9%～28.8% (P＜0.05)。生物炭与土壤调理剂的交互作用对油葵植株各部位K 含量没有显著影响。

Ca 在油葵叶片中的含量最高,其次是葵盘和茎秆,籽壳和籽仁中含Ca 较少(图1D)。施用生物炭比不施用生物炭处理的油葵葵盘Ca 含量平均提升22.6% (P＜0.01); 施用土壤调理剂茎秆Ca 含量增加16.2%～20.9% (P＜0.05),施用调理剂为1.66 kg·m-2时,叶片的Ca 含量显著提高63.7%～69.2% (P＜0.001);生物炭与土壤调理剂的交互作用显著影响茎秆(P＜0.05)、葵盘(P＜0.05)和籽仁(P＜0.1)的Ca 含量(图1D)。

Mg 在油葵叶片中的含量最高,其次是茎秆和葵盘,籽仁和籽壳的Mg 含量最少(图1E)。施用生物炭比不施用生物炭处理的油葵茎秆和葵盘Mg 含量分别平均下降21.2% (P＜0.05)与9.4% (P＜0.1),油葵叶片、籽仁和籽壳的Mg 含量没有显著影响。单施土壤调理剂提高茎秆Mg 含量(P＜0.01),但是土壤调理剂生物炭同施时的交互作用则导致茎秆Mg 含量显著下降(P＜0.05)。

图1 生物炭与土壤调理剂对油葵植株各器官氮、磷、钾、钙、镁和钠含量的影响Fig.1 Effect of biochar and soil conditioner on N,P,K,Ca,Mg and Na contents of each organ of oil sunflower plant

Na 主要富集在油葵的茎秆,其次是叶片和葵盘(图1F),籽壳和籽仁中Na 含量很少。施用生物炭对油葵植株各部位的Na 含量影响不显著。但土壤调理剂显著降低油葵茎秆(P＜0.01)、叶片(P＜0.01)和葵盘(P＜0.01)的Na 含量。C2 与C1 比C0 处理的油葵叶片Na 含量分别降低46.3%与60.4% (P＜0.01),葵盘Na 含量分别降低46.7%与58.8% (P＜0.01);BC2 与BC1 处理比BC0 的油葵茎秆Na 含量分别降低38.4%与52.0% (P＜0.01),油葵叶片Na 含量分别降低56.5%与50.3% (P＜0.01),葵盘Na 含量分别降低57.1%与50.0% (P＜0.01)。生物炭与土壤调理剂的交互作用显著降低了油葵茎秆Na 含量(P＜0.05)。

3 讨论

3.1 生物炭与土壤调理剂对油葵生长的调控

生物炭能够促进很多作物生长或增产[12-14],譬如,可促进盐生植物田菁(Sesbania cannabina)和海滨锦葵(Kosteletzkya virginica)种子发芽、根系生长[15],加速玉米、番茄和藜麦(Chenopodium quinoa)生长[6,16-17]。适量施用生物炭对大豆(Glycine max)单株干物质积累与叶面积指数起促进作用,其促进作用在生育后期大于生育前期[18]。生物炭对作物生长发育和产量影响的效应表现不一,但总体来说是正向效应大于负向效应[19]。然而,本研究中施用生物炭显著抑制油葵生长,且前期的抑制作用更强(表1)。其原因应是施用生物炭容易吸附土壤盐分离子,尤其是Na+,导致根层土壤盐分含量提高,加重了油葵盐胁迫[20]。油葵虽然是耐盐植物,但其苗期的耐盐性较差,随着植株成长壮大,其耐盐性也相应增强,这可从生物炭处理显著抑制油葵植株前期生长,而对收获期植株及籽粒影响均不显著得以印证(表2)。代红翠等[21]的研究也证实了在碱性土壤中施用生物炭后会提高土壤pH 和电导率,从而抑制小麦出苗和幼苗生长。Hussain 等[8]报道,在高度退化和营养贫瘠的土壤中施用生物炭,作物产量经常得到改善,而施用于肥沃和健康的土壤并不总是能提高作物产量,也有生物炭发生抑制作用的报道[22-23]。

施用土壤调理剂则显著增加油葵植株生长和籽粒产量(表1,2),与樊丽琴等[24]研究一致,土壤调理剂促进盐碱地油葵生长,出苗整齐、叶片肥厚,提高叶片SPAD 值,增强了叶片光合能力,提高油葵产量。此外,调理剂对烤烟(Nicotiana tabacum)生长、产量及品质以及枇杷和棉花产量均有促进作用[5,9,25]。这与土壤调理剂改变盐碱地土壤胶体吸附性离子组成、改善土壤结构、增加土壤通透性,从而有利于作物根系生长与吸收养分有关[26],此外,土壤调理剂促进根际微生物活性和细菌群落向有益类群的转移,有助于促进植物生长和生物量有关[15]。

3.2 生物炭与土壤调理剂对油葵养分含量及分布的影响

施用生物炭显著增加油葵茎秆与籽壳N、P、K含量和叶片N、P 含量,其主要原因是生物炭是植株秸秆的炭化产物[19],三大营养元素含量较高,施入土壤后能再次被油葵吸收利用。其次生物炭具有丰富的多微孔结构,比表面积较大,可减少肥料养分淋失,从而提高了N、P 利用效率[19]。生物炭对油葵籽仁的N 含量没有显著影响,这与之前报道一致[27]。施用生物炭处理叶片K 含量显著降低,茎秆和籽仁K含量增加,表明K 除了在茎秆富集,还从叶片向籽仁发生了转移。

据Mangwandi 等[28]研究,生物炭用量不同、施用作物不同,对养分吸收的影响也不同。而Major 等[16]则认为,施用生物炭促使土壤中作物产量和养分吸收提高,其中77%～320%归功于有效钙和有效镁的增加,这是因为生物炭内部和周围的各种资源可能会改善某些养分的再利用。但本研究表明,施用生物炭引起油葵茎秆和葵盘Mg 含量降低,而葵盘Ca含量增加(图1E,D),表明生物炭有利于Ca 从叶片向葵盘和籽仁转移; 但不利于Mg 的吸收,甚至拒Mg。单施土壤调理剂降低油葵茎和籽壳的N、P 含量,提高籽仁的N、P 含量,而且油葵籽仁N 含量提高的代价是其余部位的N 含量均出现下降,茎秆和籽壳的P 下降,表明土壤调理剂促进N、P 向籽仁转移,促进K 从茎秆向叶和葵盘转移。

土壤调理剂用量在1.66 kg·m-2时,油葵茎、叶和葵盘的Ca 含量显著提升,表明土壤调理剂促进Ca吸收和运转; 同时也有利于茎秆富集Mg。生物炭与高量土壤调理剂结合施用进一步促进N、P 向籽仁转移,Ca 从叶片向葵盘转移,同时降低茎秆的Mg 含量。施用以腐殖酸为主的调理剂进入土壤的养分比化肥的营养全面,增加了油葵选择性吸收所需营养的机会。

都润等[29]研究认为油葵植株在盐胁迫下,Na 主要集中在茎秆,叶片中较少。本研究表明Na 主要分布在油葵茎秆,其次是叶片。尽管施用生物炭下各部位的Na 没有达到统计显著水平,但从图1F可见,仅施用生物炭的BC0 处理与不施用2 种物料的对照C0 相比,除了茎秆的Na 含量较高外,其余部位没有显著差异。施用土壤调理剂后或者生物炭与调理剂组合施用均显著降低茎秆、叶片和葵盘的Na 含量(图1F),应该主要归因于土壤调理剂的贡献。此外,植株吸收盐分减少应是油葵的选择性吸收的策略[29],在Na、K、Ca、Mg 都充足的条件下,茎秆更容易富集K 和Ca,而不是Na 和Mg。

3.3 开发荒芜重盐碱地先锋作物的选择

棉花和油葵都属于耐盐作物,但哪个更适合在荒芜重盐碱地作为先锋作物开荒种植并没有报道。本研究首选棉花试验,但是结果表明,棉花出苗率低于5%,表明不能作为先锋作物在荒芜重盐碱地开荒种植。而随后补种的油葵长势良好,并能正常收获。除了棉花与油葵种苗的耐盐性有差异外,还与环境因素以及播种时间有关。棉花是在4月底前种植,土壤温度较低,土壤盐分大,种子发芽困难是荒芜盐碱地种植棉花的另一个不利因素。而油葵播种时间稍晚,避开了上述不利因素。可见,如果是在荒芜重盐碱地开荒种植,油葵比棉花更适合作为先锋作物。