施用生物炭对冬小麦养分吸收、根际微生物和土壤理化性质的影响

袁 亮, 张春丽, 孟自力

(1.商丘职业技术学院,河南商丘 476000; 2.河南省商丘市梁园区农业农村局,河南商丘 476000;3.商丘市农林科学院,河南商丘 476000)

冬小麦在黄淮北片和南片均有大面积种植,由于农民单一化肥的施用和浅耕的耕种习惯导致土壤微生物生长环境被破坏、土壤板结严重[1]。土壤成分中包含多种有机物,不同种类的有机物之间之所以能够进行转化,其原因在于土壤微生物,土壤微生物被视作植物的营养元素获取来源之一,其最大的作用就是将土壤之中一些植物不能吸收的物质转化为可以吸收的物质,而小麦根际微生物种群的多少对于土壤之中各种元素的转化起到很重要的作用,影响到小麦对营养元素的吸收和利用[2-6]。生物炭本身具有的特点对调节土壤肥性方面带来诸多有益的方面。生物炭在结构方面所呈现出的细微孔隙分布较为复杂,该构造的表面积占比较大,在融入土壤表层后,增加了表层微生物的栖息场所,有利于其生存和繁衍,生物炭的加入使得土壤中有益菌群数量升高[7],也促进了植物根系生长过程中氮、磷、钾和一些微量元素含量的增加,并且土壤中可交换阳离子的数量也明显升高。然而,传统工艺处理过程中的玉米秸秆需要在高于400 ℃的条件下完成炭化,这一过程需要较高能耗,但在产率方面处于较低水平,此种处理方式的成本较高[7-10]。而低温炭化工艺则可以满足低于 300 ℃ 的处理条件,传统工艺的弊端问题得以化解。

基于此,本研究对比分析传统高温处理方式与低温处理方式之间的差异,围绕2种方式应用于冬小麦方面的效果展开分析,从技术角度为麦田应用低温生物炭处理工艺的研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试冬小麦品种商麦178由商丘市农林科学院提供,玉米秸秆生物炭以玉米秸秆为原料,在240 ℃和400 ℃条件下烧制而成,由河南省农业科学院提供,具体理化性质见表1。供试土壤为两合土,具体理化性质见表2。

表1 生物炭基本理化性质

表2 供试土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验于2021年10月至2022年6月在商丘市农林科学院(115.707°E,34.532°N)进行,年平均气温为14 ℃左右,年平均降水量达到700 mm。试验设置21个小区,每个小区面积为3 m2,长2.0 m、宽1.5 m,每个处理设置3次重复。将0～25 cm晾干后的耕层土壤和不同处理生物炭混匀,基础施肥为复合肥750 kg/hm2(氮、磷、钾含量均为15%),在小区周围埋50 cm深的塑料膜用于隔离土壤,10月10日采用人工点播播种,株距为4 cm,行距(共6行)为 20 cm,每穴2粒小麦种子,于出苗后定苗保证每穴1棵苗,人工监测适时喷水保持土壤湿度为田间持水量的60%～70%。试验设置的7个处理包括CK(不加生物炭)、DY1(添加1%的240 ℃玉米秸秆生物炭)、DY2(添加2%的240 ℃玉米秸秆生物炭)、DY3(添加4%的240 ℃玉米秸秆生物炭)、GY1(添加1%的400 ℃玉米秸秆生物炭)、GY2(添加2%的400 ℃玉米秸秆生物炭)、GY3(添加4%的400 ℃玉米秸秆生物炭)。

1.3 样品测定

小麦和土壤样品于播种后38 d采集。小麦样品在地上部和地下部收获后,使用去离子水完成清洗步骤,确保样品的干净程度,为去除样品表面残留水分,利用吸水纸进行处理,在105 ℃烘箱中杀青30 min后,65 ℃烘干至恒质量。小麦样品消解方法:用硫酸-过氧化氢消化后,测定植株全氮、全磷、全钾的含量[11]。风干处理后的土壤样品需要进行过筛处理,孔度分别为0.840、0.149 mm,经由处理所得到的土壤接下来用于土壤营养成分与相关数值的测定,包括速效磷含量、速效钾含量、有机质含量、碱解氮含量的测定以及pH值的测定[12]。

根际微生物测定:10月20号开始取根际土样测量细菌和真菌数量,每隔7 d随机取土测量1次,5次时间依次为10月20日、10月27日、11月3日、11月10日、11月17日。从根系附近5 mm范围内采取土壤样品,将采集的土壤样品放在阴凉处摊开晾干,筛除杂质将风干的土壤样品磨碎,过1 mm筛孔的土壤样品用来测定。 在计数环节采用平板表面涂抹法,土壤鲜样的称取量为10 g,以其为基础来配制悬浮液,悬浮液的浓度需要设置不同组别,配制过程需确保使用无菌水并处于无菌条件之下,分别取60 μL稀释105倍和102倍的土壤悬浮液,各自用于灭菌牛肉膏蛋白胨琼脂培养基的接种与马丁-孟加拉红培养基的接种,前者可对细菌进行测定,后者可对真菌进行测定。不同浓度的土壤悬浮液的重复采取次数均为3次,培养细菌的温度固定为37 ℃,培养4 d;培养真菌的温度固定为35 ℃,培养时间为4～7 d,选取每皿菌落数为30～160 CFU/g的1个稀释度对菌落进行统计,根据菌落数量 (CFU/g)=(菌落平均数×稀释倍数)/干土质量×100%来对数量进行计算并得出数值结果[13]。

1.4 数据分析

采用 Excel 2010、DPS数据处理系统等进行数据处理与分析作图。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对冬小麦氮、磷、钾养分含量的影响

由表3可知,相较于没有添加生物炭的空白对照组(CK),添加不同用量不同热解温度生物炭的小麦地上部氮、钾含量均有不同程度的增高,而DY3、GY1、GY2、GY3处理的磷含量出现比对照降低的现象。除GY1处理外,其他添加生物炭处理的小麦地上部含氮量均显著高于CK,表现为DY1处理>DY2处理>GY2处理>DY3处理>GY3处理,其中添加1%用量240 ℃生物炭(DY1)处理的小麦地上部含氮量最高,比基础施肥(CK)的小麦含氮量增加了19.91%。在添加了同一热解温度生物炭条件下,随着添加生物炭含量的增高,小麦地上部的钾含量也有显著增高趋势。且相较于添加了相同用量240 ℃生物炭的小麦,添加400 ℃生物炭小麦的钾含量有所降低,但差异不显著。另外,只有DY1、DY2处理的小麦地上部磷含量比对照组显著增高,其他处理均显著降低。综上所述,相同生物炭用量的条件下,240 ℃生物炭相较于400 ℃生物炭对提高小麦地上部氮、磷、钾养分含量的效果较好。

表3 施用生物炭对小麦地上部和地下部养分含量的影响

添加1%和2%用量的生物炭处理对小麦地下部氮含量的增幅均达到显著水平,添加1%用量 400 ℃ 生物炭(GY1)处理的小麦地下部氮含量最高,比CK增加了61.66%。

在添加生物炭条件下,小麦地下部磷含量除了DY2处理略有升高,其他处理均较CK显著降低。小麦地下部钾含量除了GY1处理较CK显著降低外,其他处理小麦地下部钾含量均有显著增高。

2.2 施用生物炭对小麦根际土壤微生物数量的影响

2.2.1 施用生物炭对小麦根际土壤细菌数量的影响 图1是冬小麦根际土壤稀释10万倍后1 g土壤悬浮液的细菌数量与其对应生物炭处理的关系,所有生物炭处理的细菌数量均高于CK,说明生物炭可以有效促进小麦根际细菌的生长,其中DY2处理一直保持最高值,其次是GY2和DY3处理,GY1处理表现最差。所有处理的细菌数量呈现缓慢波动增加的趋势。细菌的增长速度与小麦的生长发育有非常重要的关系[14]。之所以在小麦生长过程中细菌会呈现动态增长,是因为在小麦生长的不同时期,小麦所需营养含量不一样,其代谢出来有利于微生物的物质也就会呈现动态变化,总的来说微生物会在小麦生长最快的阶段达到最大值。

2.2.2 施用生物炭对小麦根际土壤真菌数量的影响 图2是冬小麦根际土壤稀释100倍后1 g土壤悬浮液的真菌数量与对应生物炭处理的关系,可以看出,对照的根际真菌数量呈现缓慢减少的趋势,各生物炭处理真菌数量均高于对照,小麦根际真菌数量大体表现为DY2处理>GY2处理>DY3处理>GY3处理>DY1处理>GY1处理。相较于图1中细菌数量最大值出现的日期来说,真菌数量最大值出现日期会提前,因为麦田土壤真菌数量的基数本身较大,所以最大值出现日期也会较细菌提前,此时相对一致保持较高真菌数量的是DY2和GY2处理,一致呈现波动增长的是DY3和GY3处理。

2.3 施用生物炭对土壤理化性质的影响

从表4可以看出,土壤的pH值因生物炭处理而出现了增势,与CK相比,GY2、GY3处理的土壤在pH值方面的增势较为突出,显著高于CK,GY3处理的土壤pH值最高。

表4 施用生物炭对土壤理化性质的影响

土壤有机质是反映土壤肥力的一项重要指标。由表4可知,用量、热解温度不同的生物炭处理均可令土壤有机质含量增加,表现为DY3处理>GY3处理>DY2处理>GY2处理>DY1处理>GY1处理,与CK相比,增幅分别为232.15%、194.56%、180.18%、136.13%、100.00%、93.36%。热解温度相同时,土壤有机质含量会随生物炭含量的增加而显著增加,其中,增加效果最优的热解温度为 240 ℃。可见,土壤中的有机质会因生物炭的加入而增多,进而提高土壤肥力。

由表4可知,相较于CK,除了GY1处理外,与CK相比,其他生物炭处理的土壤碱解氮含量均有显著降低趋势。当添加1%生物炭(GY1、DY1处理)时,与CK相比,生物炭的加入可令土壤内出现更多速效磷,但增势并不可持续;当生物炭用量增值一定数值(GY2、GY3、DY2、DY3处理)时,速效磷含量由升转降,降幅最大的是添加3%的240 ℃玉米秸秆生物炭(DY3)处理。相较于CK,生物炭处理的速效钾含量均显著增加,最大的是GY3处理,为632.71 mg/kg,是CK的1.88倍。使用生物炭的量一致时,240 ℃ 1%生物炭(DY1)处理的土壤速效磷、速效钾含量高于400 ℃ 1%生物炭(GY1)处理;400 ℃ 2%、4%生物炭(GY2、GY3)处理的土壤速效钾、速效磷含量显著高于DY2、DY3处理。

2.4 施用生物炭对小麦植株养分和土壤氮、磷、钾含量相关关系的影响

由图3可知,小麦植株全氮和土壤碱解氮含量呈线性正相关关系,拟合方程为y=0.014 6x+5.608 1,决定系数为r2=0.098,相关系数为0.31,呈中等相关关系。小麦植株全磷含量和土壤速效磷含量呈线性正相关关系,拟合方程为y=0.016 8x+2.540 0,r2=0.039 5,相关系数为0.20,呈弱相关关系。小麦植株全钾含量和土壤速效钾含量呈线性正相关关系,拟合方程为y=0.007 3x+4.476 6,r2=0.412 5,相关系数为0.64,呈强(显著)相关关系。

3 讨论与结论

植株因生物炭而在生长发育过程中会得到相应助力,原因在于生物炭改善了土壤性状,使土壤有机质含量增加,养分增多,吸附性增强,微生物被激活。与此同时,肥料利用率会因此而得到明显提高,作物产量相应增加,作物品质有所改善[15]。前人研究表明,添加生物炭能促进植株地上部干物质的积累。高海英在试验中添加炭基肥料使小麦的干物质质量显著增大[16]。刘阿梅等的研究表明,生物炭添加比例不同时,作物受到的促进作用也会呈现出差异,添加比例的增加会令作物鲜质量增加得更明显[17]。康日峰等研究发现,生物炭基肥料可令小麦吸收磷、氮的能力增强,吸收氮的增加率均值为19.07%,吸收磷的增加率均值为15.00%[18]。本研究表明,小麦植株在生物炭处理后的养分含量明显增加,且相对于裂解温度为400 ℃的生物炭,低温(240 ℃)生物炭对提高小麦地上部氮、磷、钾养分含量的效果较好,且对地上部的促进作用大于根部,这与前人的研究结论[15-18]一致。

生物炭在内部构造方面的特点使其在融入土壤表层后,增加了表层微生物的栖息场所,有利于其生存和繁衍,生物炭的加入使得土壤中有益菌群数量增加。本研究发现,生物炭可以有效促进小麦根际细菌的生长,其中DY2处理一直保持最高位状态,其次是GY2和DY3处理,GY1处理表现最差。对照组的真菌数量表现为缓慢降低趋势,试验组的真菌数量波动相较于对照组而言更加明显,真菌数量最低的的是GY1处理,最高的是DY2处理,其余处理表现为GY2处理>DY3处理>GY3处理>DY1处理,这说明生物炭的适当使用可以很快地提高植物根际微生物的数量,使二者达到相对需要的平衡状态,从而保证植物能够良好生长。但是使用过多的时候也会抑制住微生物的生长,所以选择适量使用是非常关键的,本试验数据表明,低温生物炭促进微生物数量增长的效果更显著。另外,在植物根际的微生物种群及数量也会随着植物的生长周期不断变化,这可以说是生物界的普遍适应和调节过程。

在生物炭与其他肥料同时使用时,也可增加土壤肥力,减少土壤肥料的流失,促进作物增产[19]。土壤因生物炭处理而提升了pH值,有机质含量增加,养分输送效率提升,土壤肥力进而增强,生长发育得到促进。唐志文等研究发现,土壤肥料的利用率因生物炭处理而提高了效率,固有理化性质得以改善,有机质平衡性增强[20]。经由试验可知,240 ℃ 生物炭的裂解温度较为适宜,能够带来较好的土壤改善效果,但试验中发现碱解氮含量均有所下降。张晗芝等也研究发现,氮含量因生物炭处理而下降,氮吸收效率降低[21],原因可能与生物炭本身具有较高的碳氮含量有关[22]。

相比于传统工艺而言,低温生物炭工艺在促进冬小麦养分吸收、根际微生物孳生以及改善理化性质方面具有较好效果,其凭借较低能耗、较高产率而带来更高的综合效益,应用前景较广。