張 影, 劉 星, 焦瑞鋒, 李東方, 任秀娟, 吳大付, 陳錫嶺

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生物質(zhì)炭與有機(jī)物料配施的土壤培肥效果及對(duì)玉米生長的影響*

張 影, 劉 星, 焦瑞鋒, 李東方, 任秀娟, 吳大付, 陳錫嶺

(河南科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院 新鄉(xiāng) 453003)

生物質(zhì)炭作為一種多功能的土壤培肥材料被廣泛應(yīng)用, 但其與傳統(tǒng)有機(jī)物料的對(duì)比及配施研究還比較少。通過盆栽試驗(yàn), 研究了生物質(zhì)炭與秸稈、發(fā)酵雞糞單施及配施對(duì)壤質(zhì)潮土和砂土養(yǎng)分含量、酶活性及玉米生長的影響, 并采用主成分分析方法對(duì)3種有機(jī)物料的培肥效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理, 分別為不添加有機(jī)物料(CK)、添加生物質(zhì)炭(BC)、小麥秸稈(WS)、發(fā)酵雞糞(CM)、秸稈和生物質(zhì)炭(WS+BC)、雞糞和生物質(zhì)炭(CM+BC)。研究結(jié)果表明, 各處理均增加了砂土玉米生物量和株高, 3種有機(jī)物料的提升幅度排序?yàn)? 雞糞>生物質(zhì)炭>秸稈, 雞糞還可增加壤質(zhì)潮土玉米生物量和株高。添加生物質(zhì)炭和有機(jī)物料還可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量, 其中生物質(zhì)炭的提升幅度最大。此外, 3種有機(jī)物料對(duì)土壤養(yǎng)分和酶活性的影響各異, 單施雞糞分別增加壤質(zhì)潮土和砂土的堿解氮22.08%和26.67%, 速效磷91.92%和53.65%, 脲酶活性40.54%和36.94%; 單施生物質(zhì)炭分別增加壤質(zhì)潮土和砂土速效磷83.52%和89.91%, 速效鉀79.38%和127.02%, 過氧化氫酶活性3.41%和11.22%, 卻降低了土壤堿解氮含量, 且與雞糞配施后會(huì)抑制雞糞中氮的有效性; 單施秸稈分別增加壤質(zhì)潮土和砂土速效鉀49.48%和63.02%, β-葡糖苷酶活性51.86%和59.09%; 生物質(zhì)炭與雞糞或秸稈配施可以更均衡地提升土壤肥力。通過主成分分析和相關(guān)分析發(fā)現(xiàn), 玉米生物量和株高與土壤氮、磷供應(yīng)正變化的第2主成分(PC2)得分呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。因此, 3種有機(jī)物料中, 雞糞對(duì)土壤氮、磷含量及相關(guān)酶活性影響最大; 秸稈對(duì)土壤鉀以及纖維素分解相關(guān)酶影響較大, 而生物質(zhì)炭對(duì)土壤肥力的提升作用更均衡, 且土壤肥力綜合得分最高。秸稈或雞糞配施生物質(zhì)炭可以更全面地提高土壤肥力。

生物質(zhì)炭; 有機(jī)物料; 玉米; 土壤肥力; 土壤酶活性

土壤肥力和生產(chǎn)能力是保證糧食安全的根本。在全球范圍內(nèi), 有限的耕地面積增長潛力是限制糧食生產(chǎn)的主要問題, 發(fā)展集約化農(nóng)業(yè), 提高單位耕地糧食產(chǎn)出是滿足日益增長糧食需求的唯一出路[1]。施肥是保證土壤肥力的主要手段, 是促使糧食產(chǎn)量增長的一個(gè)極其重要的因素[2]。近年來, 化肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速, 并且在糧食生產(chǎn)中發(fā)揮舉足輕重的作用, 是保證糧食高產(chǎn)的基本要素。然而, 有機(jī)肥在肥料中所占的比重越來越低, 化肥的過量施用使其在糧食增產(chǎn)中的作用逐年降低, 同時(shí)造成土壤質(zhì)量下降[3]。農(nóng)田土壤中的活性有機(jī)碳正在被逐年消耗, 導(dǎo)致土壤陽離子交換量下降, 加速礦質(zhì)養(yǎng)分淋失, 降低肥料利用率[4]。因此, 重視有機(jī)肥的施用, 提升農(nóng)業(yè)廢棄物的利用效率, 推廣有機(jī)無機(jī)肥配施技術(shù)是提升土壤肥力和糧食生產(chǎn)能力的必然趨勢。有機(jī)肥對(duì)土壤肥力的提升作用已被大量學(xué)者證明, 施用有機(jī)肥不僅可以提高土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性, 降低土壤容重, 改善土壤理化性狀[5-7], 還可以提高土壤微生物活性和酶活性[8-9]。

農(nóng)作物秸稈在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)高溫?zé)峤馓炕a(chǎn)生的生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用逐漸被關(guān)注。生物質(zhì)炭具有獨(dú)特的多孔隙結(jié)構(gòu), 并含有豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分, 可以改善土壤保水保肥能力和透氣性, 增加土壤微生物活性, 提高農(nóng)作物產(chǎn)量, 是一種新型的培肥改土材料[10-12]。生物質(zhì)炭還可以作為一種肥料增效劑, 減少化肥中養(yǎng)分淋失, 增加氮肥利用率, 保持土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性, 減緩有機(jī)肥中活性有機(jī)碳的分解速度, 并減少碳排放[13-15]。因此, 生物質(zhì)炭與有機(jī)肥料或化肥配施是近年來研究的熱點(diǎn), 也為肥料的高效利用提供了新的方向[7,16]。前人研究發(fā)現(xiàn), 生物質(zhì)炭與有機(jī)肥配施可以克服各自的弊端, 更全面地提升土壤碳庫儲(chǔ)量和養(yǎng)分含量, 并進(jìn)一步提升作物養(yǎng)分吸收效率, 增加作物產(chǎn)量[17-19]。但是, 有機(jī)肥和生物質(zhì)炭配合施用對(duì)土壤的改良效果可能受諸多因素的制約, 比如說有機(jī)肥的種類[19]、生物質(zhì)炭的制備材料和制備工藝[20-21]、土壤類型[22]等。因此, 本研究以河南省糧食主產(chǎn)區(qū)壤質(zhì)潮土和黃河泛濫沉積物發(fā)育而成的砂土為研究對(duì)象, 探究小麥秸稈生物質(zhì)炭、發(fā)酵雞糞和小麥秸稈對(duì)土壤養(yǎng)分狀況、酶活性以及玉米生長狀況的影響, 為生物質(zhì)炭和有機(jī)肥在田間的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤采自河南省新鄉(xiāng)市小麥-玉米一年2熟輪作主產(chǎn)區(qū)0~20 cm耕層, 土壤類型分別為壤質(zhì)潮土和黃河泛濫沉積物發(fā)育而成的砂土。壤質(zhì)潮土pH 8.01, 有機(jī)質(zhì)12.6 g·kg-1, 全氮0.92 g·kg-1, 堿解氮75.5 mg·kg-1, 速效磷24.8 mg·kg-1, 速效鉀192.3 mg·kg-1; 砂土pH 8.25, 有機(jī)質(zhì)8.3 g·kg-1, 全氮0.78 g·kg-1, 堿解氮63.0 mg·kg-1, 速效磷39.5 mg·kg-1, 速效鉀146.2 mg·kg-1。

供試玉米品種為‘滑玉-12’。有機(jī)物料分別為生物質(zhì)炭(BC)、小麥秸稈(WS)和發(fā)酵雞糞(CM)。小麥秸稈于2015年5月小麥?zhǔn)斋@前在田間采集得到, 帶回實(shí)驗(yàn)室烘干、粉碎后備用。發(fā)酵雞糞為市售產(chǎn)品, 由新鮮雞糞添加生物菌種高溫發(fā)酵、烘培、篩分而成。生物質(zhì)炭為自制秸稈碳, 首先將采集小麥秸稈烘干、粉碎, 將粉末填滿陶瓷坩堝并加蓋, 在限氧條件下升溫至350 ℃, 并保持4 h, 自然冷卻至室溫, 裝袋備用。供試有機(jī)物料的養(yǎng)分含量見表1。

表1 試驗(yàn)用有機(jī)物料養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)方法, 設(shè)置6個(gè)處理, 分別為: 對(duì)照(CK)、添加生物質(zhì)炭(BC)、添加小麥秸稈(WS)、添加發(fā)酵雞糞(CM)、添加小麥秸稈和生物質(zhì)炭(WS+BC)、添加發(fā)酵雞糞和生物質(zhì)炭(CM+BC), 每個(gè)處理重復(fù)3次, 生物質(zhì)炭、小麥秸稈和發(fā)酵雞糞的施用量均為風(fēng)干土質(zhì)量的1.5%。試驗(yàn)采用20 cm×10 cm (直徑×深度)塑料盆, 每盆裝風(fēng)干過篩(2 mm)土壤2.5 kg。播種前按每千克土N 0.20 g、P2O50.15 g、K2O 0.20 g 施入尿素、磷酸二氫銨和氯化鉀, 所有無機(jī)肥料和有機(jī)物料作為基肥一次施用。該試驗(yàn)于2015年5月20日布置, 并播種玉米種子, 每盆播種10粒, 出苗后每盆留長勢一致的植株3株, 所有處理日常管理一致。2015年7月20日調(diào)查玉米植株長勢, 并采集樣品。

1.3 樣品采集與分析

植物樣品采集: 將每盆3株植株全部取出, 先后用自來水、去離子水清洗干凈, 用吸水紙擦干, 從最上部節(jié)根處截?cái)? 分為地上部和根系, 將地上部和根系自然放置, 測量株高和根長, 然后將根系和地上部混合放置于牛皮袋中, 烘干稱重, 記干重生物量。土壤樣品采集: 植株樣品采集完畢后, 將每盆土壤完全混勻, 采用四分法將土壤樣品篩分至大約500 g, 置于陰涼處自然風(fēng)干, 并分別過1 mm和0.15 mm篩, 裝袋備用。

土壤養(yǎng)分含量和酶活性測定: 土壤pH采用pH計(jì)測定, 水土比為 2.5∶1; 土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法、土壤全氮采用硫酸加速劑消煮-凱氏定氮法、土壤堿解氮采用堿式擴(kuò)散法、土壤有效磷采用 0.5 mol×L-1NaHCO3浸提-鉬藍(lán)比色法、土壤速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測定[23]; 土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法、土壤蔗糖酶和纖維素酶活性利用3, 5-二硝基水楊酸比色法[24]、土壤L-天冬酰胺酶活性和土壤β-葡糖苷酶活性采用吳金水等介紹的方法測定[25]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SPSS PASW Statistics 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, SigmaPlot 10.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭與有機(jī)物料對(duì)玉米生物量及長勢的影響

由表2可知, 在兩種類型土壤上, 添加生物質(zhì)炭和有機(jī)物料對(duì)玉米根長無顯著影響, 卻不同程度對(duì)玉米株高和生物量有促進(jìn)作用。在壤質(zhì)潮土上, 添加生物質(zhì)炭和秸稈對(duì)玉米生物量及株高沒有顯著影響, 而添加雞糞的處理CM和CM+BC可以顯著提高玉米生物量和株高, 與對(duì)照相比, 生物量分別提高62.36%和72.70%, 株高分別提高21.09%和22.46%; 在砂土上, 各處理均可顯著提高玉米生物量和株高, 生物質(zhì)炭和雞糞的促進(jìn)效果優(yōu)于秸稈, BC、WS、CM、WS+BC、CM+BC處理較對(duì)照處理的玉米生物量分別提高57.15%、29.55%、58.70%、51.75%和69.33%, 株高較對(duì)照分別提高28.43%、21.93%、45.75%、29.72%和42.05%?？傮w來看, 3種有機(jī)物料中, 對(duì)玉米生物量和株高的影響依次為: 雞糞>生物質(zhì)炭>秸稈, 雞糞和生物炭配施表現(xiàn)出最佳的促進(jìn)效應(yīng)。

表2 生物質(zhì)炭與有機(jī)物料對(duì)玉米生物量及長勢的影響

CK: 對(duì)照; BC: 添加生物質(zhì)炭; WS: 添加小麥秸稈; CM: 添加發(fā)酵雞糞; WS+BC: 秸稈和生物質(zhì)炭配施; CM+BC: 發(fā)酵雞糞和生物質(zhì)炭配施。不同字母表示同一土壤類型不同處理之間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar. Different letters mean significant differences among treatments in the same soil type at 0.05 level.

2.2 生物質(zhì)炭與有機(jī)物料對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

供試的壤質(zhì)潮土和砂土呈堿性, pH分別為8.01和8.25, 添加堿性的生物質(zhì)炭對(duì)兩種土壤pH的影響并不顯著, 而WS+BC處理顯著增加了壤質(zhì)潮土和砂土pH, CM和CM+BC處理顯著降低了砂土pH。另外, 在壤質(zhì)潮土上, 單施秸稈和雞糞對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提升作用不顯著, 而添加生物質(zhì)炭的3個(gè)處理BC、WS+BC、CM+BC可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量, 增幅分別為63.15%、84.84%、83.72%; 砂土的有機(jī)質(zhì)含量較壤質(zhì)潮土低, 各處理對(duì)砂土有機(jī)質(zhì)的提升效果更明顯, BC、WS、CM、WS+BC和CM+BC處理均顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量, 增幅分別為115.62%、37.88%、51.93%、177.57%和114.09%。3種有機(jī)物料單施對(duì)土壤全氮含量影響不顯著, 而WS+BC、CM+BC顯著增加了壤質(zhì)潮土全氮含量, CM+BC顯著增加了砂土全氮含量(表3)?？傮w來看, 添加有機(jī)物料對(duì)緩沖性能較弱的砂土有機(jī)質(zhì)提升效果更明顯, 生物質(zhì)炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果最佳。

3種有機(jī)物料對(duì)土壤堿解氮的影響各異, 生物質(zhì)炭表現(xiàn)出降低土壤堿解氮的效應(yīng), 并在砂土中達(dá)到顯著水平, 秸稈對(duì)土壤堿解氮無顯著影響, 而雞糞可以顯著增加壤質(zhì)潮土和砂土中堿解氮含量, 增幅分別為22.08%和26.67%, 但是配施生物質(zhì)炭后, CM+BC處理對(duì)兩種土壤堿解氮影響不顯著。對(duì)于土壤速效磷, 在壤質(zhì)潮土上, 施用生物質(zhì)炭和雞糞表現(xiàn)出顯著的促進(jìn)效應(yīng), 而單施秸稈影響不顯著, BC、CM、WS+BC、CM+BC處理較對(duì)照分別提高83.52%、91.92%、80.33%和171.26%; 在砂土上, 3種有機(jī)物料均顯著增加了土壤速效磷含量, 其中生物質(zhì)炭和雞糞的提升效果優(yōu)于秸稈, BC、WS、CM、WS+BC和CM+BC處理較對(duì)照分別提高89.91%、36.69%、53.65%、92.88%和116.19%。生物質(zhì)炭和秸稈含有豐富的游離鉀元素, 表現(xiàn)出對(duì)土壤速效鉀含量的顯著提升效果, 在壤質(zhì)潮土上, BC、WS、WS+BC和CM+BC處理較對(duì)照增幅為79.38%、49.48%、129.89%、90.72%, 在砂土上增幅分別為127.02%、63.02%、146.02%和130.00%(表3)?？傮w來看, 3種有機(jī)物料對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響存在差異, 生物質(zhì)炭可以大幅度提升土壤速效磷和鉀含量, 卻抑制了土壤和有機(jī)物料中氮的有效性, 雞糞對(duì)土壤堿解氮和速效磷的提升效果明顯, 而秸稈可以提升土壤速效鉀含量, 生物質(zhì)炭與雞糞或秸稈配施能彌補(bǔ)各自不足, 更全面地提高土壤養(yǎng)分含量。

2.3 生物質(zhì)炭與有機(jī)物料對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶活性是土壤質(zhì)量重要的生物學(xué)指標(biāo)。由表4可知, BC、WS、WS+BC對(duì)砂土脲酶活性無顯著影響, 卻降低了壤質(zhì)潮土脲酶活性, 而CM和CM+BC處理可以顯著增加兩種土壤的脲酶活性。各處理對(duì)土壤L-天冬酰胺酶活性的影響各異, 在壤質(zhì)潮土上, WS、WS+BC、CM+BC可以顯著增加土壤L-天冬酰胺酶活性; 在砂土上, 各處理均可以顯著增加土壤L-天冬酰胺酶活性, 且單施秸稈的土壤L-天冬酰胺酶活性高于其他處理。各處理對(duì)兩種類型土壤蔗糖酶活性均無顯著影響, 但在砂土上, WS處理的土壤蔗糖酶活性顯著高于BC、CM、CM+BC處理。

過氧化氫酶是參與土壤中物質(zhì)和能量相互轉(zhuǎn)化的一種氧化還原酶。壤質(zhì)潮土中過氧化氫酶活性明顯高于砂土, 且砂土過氧化氫酶活性對(duì)外源有機(jī)物料的輸入更敏感。在壤質(zhì)潮土上, BC、WS+BC、CM+BC處理顯著增加了土壤過氧化氫酶活性, 而WS和CM處理影響不顯著; 在砂土上, 各處理均表現(xiàn)出增加土壤過氧化氫酶活性的效應(yīng), 且添加生物質(zhì)炭的處理BC、WS+BC、CM+BC顯著高于WS和CM處理。土壤纖維素酶是一種復(fù)合酶, 是降解土壤纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的一組酶的總稱。雖然秸稈中含有豐富的纖維素, 但添加秸稈對(duì)兩種土壤纖維素酶活性的影響并不顯著, 所有處理中只有WS+BC處理顯著增加了砂土中纖維素酶活性。土壤β-葡糖苷酶是土壤纖維素酶中的重要組成部分和限制因子, 添加秸稈的兩個(gè)處理WS、WS+BC可以大幅度提升兩種土壤β-葡糖苷酶的活性, 其他處理影響不顯著(表4)。

表3 生物質(zhì)炭與有機(jī)物料對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的影響

CK: 對(duì)照; BC: 添加生物質(zhì)炭; WS: 添加小麥秸稈; CM: 添加發(fā)酵雞糞; WS+BC: 秸稈和生物質(zhì)炭配施; CM+BC: 發(fā)酵雞糞和生物質(zhì)炭配施。不同字母表示同一土壤類型不同處理之間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar. Different letters mean significant differences among treatments in the same soil type at 0.05 level.

表4 生物質(zhì)炭與有機(jī)物料對(duì)土壤酶活性的影響

CK: 對(duì)照; BC: 添加生物質(zhì)炭; WS: 添加小麥秸稈; CM: 添加發(fā)酵雞糞; WS+BC: 秸稈和生物質(zhì)炭配施; CM+BC: 發(fā)酵雞糞和生物質(zhì)炭配施。不同字母表示同一土壤類型不同處理之間差異達(dá)顯著水平(<0.05)。CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar. Different letters mean significant differences among treatments in the same soil type at 0.05 level.

2.4 應(yīng)用主成分分析評(píng)價(jià)不同施肥條件下土壤肥力質(zhì)量

在壤質(zhì)潮土上, 應(yīng)用主成分分析對(duì)不同有機(jī)材料施用下土壤養(yǎng)分含量和酶活性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 所有主成分中只有第1主成分和第2主成分的特征值大于1, 方差貢獻(xiàn)率分別為47.39%和27.78%, 兩者的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)75.16%, 可以代表土壤肥力的主要影響因素。主成分是若干個(gè)指標(biāo)的線性組合, 由各單項(xiàng)在各主成分中的特征向量, 可列出由標(biāo)準(zhǔn)化變量所表達(dá)的兩個(gè)主成分PC1和PC2的關(guān)系式:

PC1=1+2-0.242 73+0.105 84+5-0.258 76-0.173 87+8+9+10+11(1)

PC2=1+0.172 32+3+4+0.167 85+6+7-0.111 98+0.214 89-

0.199 010-11(2)

式中:1代表有機(jī)質(zhì),2代表全氮,3代表堿解氮,4代表速效磷,5代表速效鉀,6代表脲酶,7代表蔗糖酶,8代表過氧化氫酶,9代表L-天冬酰胺酶,10代表纖維素酶,11代表β-葡糖苷酶。公式中各變量的系數(shù)可以理解為各因子對(duì)主成分PC1和PC2中所占的權(quán)重, 系數(shù)符號(hào)為正表示為正相關(guān), 符號(hào)為負(fù)表示為負(fù)相關(guān),下劃線表示對(duì)該主成分影響比較大的載荷因子, 每個(gè)因子的載荷絕對(duì)值越大, 表明對(duì)該主成分的貢獻(xiàn)越大。由圖1a可知, PC1和PC2反映了不同的土壤肥力指標(biāo)變化, PC1主要反映了有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、過氧化氫酶、L-天冬酰胺酶、纖維素酶和β-葡糖苷酶的變化, 且均為正相關(guān); PC2主要反映了有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、脲酶、蔗糖酶和β-葡糖苷酶的變化, 其中β-葡糖苷酶為負(fù)相關(guān), 其他均為正相關(guān)。

根據(jù)主成分關(guān)系式可以計(jì)算出各個(gè)處理PC1和PC2的得分, 進(jìn)一步通過綜合主成分函數(shù)模型計(jì)算出綜合主成分值, 各處理得分排序?yàn)? WS+BC>CM+BC>BC>WS>CM>CK(圖2)。另外, 通過各處理PC1和PC2得分可以看出, 不同有機(jī)物料對(duì)土壤肥力的影響側(cè)重不同, 秸稈可以增加PC1所反映土壤肥力指標(biāo), 雞糞顯著增加了PC2所反映土壤肥力指標(biāo), 而生物質(zhì)炭對(duì)PC1和PC2所反映土壤肥力指標(biāo)均有提高, 并且對(duì)PC1的增幅大于秸稈, 對(duì)PC2的增幅小于雞糞(圖1b)。

Ure: 脲酶; L-asp: L-天冬氨酸酶; Cel: 纖維素酶; β-glu: β-葡糖苷酶; Cat: 過氧化氫酶; Inv: 蔗糖酶; OM: 有機(jī)質(zhì); Total-N: 全氮; Avail-N: 堿解氮; Avail-P: 速效磷; Avail-K: 速效鉀。CK: 對(duì)照; BC: 添加生物質(zhì)炭; WS: 添加小麥秸稈; CM:添加發(fā)酵雞糞; WS+BC: 秸稈和生物質(zhì)炭配施; CM+BC: 發(fā)酵雞糞和生物質(zhì)炭配施。Ure: urease; L-asp: L-aspartase; Cel: cellulase; β-glu: β-glucosidase; Cat: catalase; Inv: invertase; OM: organic matter; Total-N: total N; Avail-N: available N; Avail-P: available P; Avail-K: available K. CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar.

在砂土上, 應(yīng)用主成分分析對(duì)不同有機(jī)材料施用條件下土壤養(yǎng)分含量和酶活性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 所有主成分中只有第1主成分、第2主成分和第3主成分的特征值大于1, 方差貢獻(xiàn)率分別為46.38%、21.45%和13.64%, 3個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)81.47%, 可以代表土壤肥力的主要影響因素。由標(biāo)準(zhǔn)化變量所表達(dá)的3個(gè)主成分PC1、PC2和PC3的關(guān)系式分別為:

PC1=1+0.200 12-0.128 53+4+5-0.092 86-7+8+0.222 19+0.165 810+0.167 311(3)

PC2=0.071 21+0.253 82+3+4+0.060 35+6-0.073 37+0.107 88-0.026 39-10-11(4)

PC3=0.022 41-2+3-0.017 74-0.101 65+6+0.068 17-0.051 58+9+10+11(5)

CK: 對(duì)照; BC: 添加生物質(zhì)炭; WS: 添加小麥秸稈; CM: 添加發(fā)酵雞糞; WS+BC: 秸稈和生物質(zhì)炭配施; CM+BC: 發(fā)酵雞糞和生物質(zhì)炭配施。CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar.

由圖3a可知, PC1、PC2和PC3反映了不同的土壤肥力指標(biāo)變化, PC1主要反映了有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、蔗糖酶和過氧化氫酶的變化, 且均為正相關(guān); PC2主要反映了堿解氮、速效磷、脲酶、纖維素酶和β-葡糖苷酶的變化, 其中纖維素酶和β-葡糖苷酶為負(fù)相關(guān), 其他指標(biāo)為正相關(guān); PC3主要反映了全氮、堿解氮、脲酶、L-天冬酰胺酶、纖維素酶和β-葡糖苷酶的變化, 其中全氮為負(fù)相關(guān), 其他指標(biāo)為正相關(guān)。

砂土上各處理主成分綜合得分排序與壤質(zhì)潮土一致, 排序?yàn)? WS+BC>CM+BC>BC>WS>CM>CK (圖2), 并且不同處理對(duì)土壤肥力的影響側(cè)重不同。秸稈可以增加PC1和PC3所反映土壤肥力指標(biāo), 雞糞可以增加PC2和PC3所反映土壤肥力指標(biāo), 生物質(zhì)炭增加了PC1和PC2所反映土壤肥力指標(biāo), 并且對(duì)PC1的增幅大于秸稈, 對(duì)PC2的增幅小于雞糞(圖3b)。另外, 通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn), 在壤質(zhì)潮土和砂土上, 玉米生物量和株高均與代表土壤氮磷供應(yīng)正變化的第2主成分(PC2)得分呈極顯著正相關(guān), 說明土壤氮磷供應(yīng)能力是限制玉米幼苗生長和生物量累積的主要因素(圖4)。

Ure: 脲酶; L-asp: L-天冬氨酸酶; Cel: 纖維素酶; β-glu: β-葡糖苷酶; Cat: 過氧化氫酶; Inv: 蔗糖酶; OM: 有機(jī)質(zhì); Total-N: 全氮; Avail-N: 堿解氮; Avail-P: 速效磷; Avail-K: 速效鉀。CK: 對(duì)照; BC: 添加生物質(zhì)炭; WS: 添加小麥秸稈; CM:添加發(fā)酵雞糞; WS+BC: 秸稈和生物質(zhì)炭配施; CM+BC: 發(fā)酵雞糞和生物質(zhì)炭配施。Ure: urease; L-asp: L-aspartase; Cel: cellulase; β-glu: β-glucosidase; Cat: catalase; Inv: invertase; OM: organic matter; Total-N: total N; Avail-N: available N; Avail-P: available P; Avail-K: available K. CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar.

3 討論與結(jié)論

有機(jī)肥是重要的培肥改土材料, 既可以釋放礦質(zhì)養(yǎng)分供植物吸收, 也可以增加土壤有機(jī)質(zhì), 改善土壤物理性狀, 促進(jìn)土壤微生物活性和酶活性[26-27]。有機(jī)肥來源廣泛、品種繁多, 種類和性質(zhì)是決定其培肥作用的主要因素。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 生物質(zhì)炭可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量, 但表現(xiàn)出降低土壤堿解氮的趨勢, 并抑制了雞糞中氮的有效性。生物質(zhì)炭是一種富碳材料, 并含有豐富的磷和鉀, 可以直接提高土壤碳儲(chǔ)量及速效態(tài)的磷和鉀, 但生物質(zhì)炭在裂解過程中會(huì)造成氮揮發(fā), 對(duì)土壤氮素的貢獻(xiàn)非常有限[21,28], 且其多孔隙結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)會(huì)吸附和固定土壤和肥料中的NH4+-N, 暫時(shí)降低土壤氮素的有效性[29]。發(fā)酵雞糞含有豐富的有機(jī)態(tài)氮和磷, 并且分解較快, 可以提高土壤的供氮和供磷能力。謝育平等[30]也發(fā)現(xiàn)施用雞糞可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷含量, 這與本研究結(jié)果一致。農(nóng)作物秸稈中的鉀素主要以離子態(tài)存在, 是一種重要的速效鉀素資源, 可以提高土壤速效鉀含量[31], 本研究也得到相似結(jié)論?？傮w來看, 3種有機(jī)物料對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響存在差異, 生物質(zhì)炭可以提高土壤速效磷和鉀含量, 卻抑制了土壤和有機(jī)物料中氮的有效性, 雞糞對(duì)土壤堿解氮和速效磷的提升效果明顯, 而秸稈可以提升土壤速效鉀含量。

土壤酶活性是重要的生物學(xué)指標(biāo), 對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)具有重要的作用, 相比土壤物理和化學(xué)性質(zhì), 土壤酶活性能更敏感地對(duì)土壤質(zhì)量的變化作出響應(yīng)[32-33]。本研究結(jié)果表明, 各處理對(duì)不同酶活性的影響各異, 但總體來看, 添加3種有機(jī)物料均可以提高土壤酶活性, 這與相關(guān)研究結(jié)論一致[8,34]。本研究中, 發(fā)酵雞糞顯著增加了兩種土壤脲酶活性, 而生物質(zhì)炭和秸稈影響不顯著, 甚至降低了壤質(zhì)潮土中脲酶活性。這可能是由于雞糞含有更豐富的有機(jī)氮素, 且其C/N較低, 施入土壤后有機(jī)氮更易于礦化, 刺激了土壤脲酶活性, 而生物質(zhì)炭和秸稈的C/N比較高, 表現(xiàn)出抑制壤質(zhì)潮土土壤脲酶的作用。土壤氧化還原酶是存在于土壤中的一種重要酶類, 其對(duì)外源生物質(zhì)炭的響應(yīng)目前還存在爭議。Yang等[35]和Masto等[36]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭可以大幅度提高土壤過氧化氫酶活性, 這與本研究結(jié)果一致。但是生物質(zhì)炭抑制土壤過氧化氫酶活性的報(bào)道也屢見不鮮[37-38], 供試土壤類型和生物炭制備條件及施用量的不同可能是導(dǎo)致上述結(jié)果的主要原因[39-40]。土壤纖維素酶是一種復(fù)合酶, 是降解土壤纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的一組酶的總稱, 土壤β-葡糖苷酶是土壤纖維素酶中的重要組成部分和限制因子。雖然秸稈中含有豐富的纖維素, 但添加秸稈對(duì)兩種土壤纖維素酶活性的影響并不顯著, 卻大幅度提升了兩種土壤β-葡糖苷酶的活性。因此, 本研究條件下, 土壤β-葡糖苷酶可能是限制秸稈中纖維素分解的主要因子。

土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)均可以影響農(nóng)作物的生長和生物量累積, 為了能夠綜合評(píng)價(jià)不同處理下土壤肥力質(zhì)量和限制玉米生長的主要土壤肥力因子, 可以采用主成分分析對(duì)土壤肥力因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[41-42]。通過主成分分析發(fā)現(xiàn), 在壤質(zhì)潮土和砂土上, 各處理的土壤肥力綜合得分排序均為: WS+BC>CM+BC>BC>WS>CM>CK, 但不同的外源有機(jī)物料對(duì)不同主成分得分的貢獻(xiàn)不同。在壤質(zhì)潮土上, 可以將所有的土壤肥力因子分成2個(gè)主成分, 添加生物質(zhì)炭和秸稈的土壤PC1得分較高, 而添加雞糞的土壤PC2得分最高, 生物質(zhì)炭次之, 秸稈無影響。通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn), 玉米生物量和株高與土壤肥力質(zhì)量綜合得分無顯著相關(guān)關(guān)系(數(shù)據(jù)未列出), 而與PC2得分呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。PC2主要反映了有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、脲酶、蔗糖酶的正變化, 由于各處理對(duì)土壤蔗糖酶活性影響均不顯著, 因此, 添加有機(jī)物料后, 其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)以及供氮、磷能力的提升是其促進(jìn)玉米生長的主要影響因子, 在砂土上也得到相似結(jié)論。這可能是由于本試驗(yàn)周期短, 以苗期玉米的生物量和株高為研究對(duì)象, 而氮和磷對(duì)苗期玉米植株的營養(yǎng)生長促進(jìn)作用更顯著。齊紅志等[43]研究也發(fā)現(xiàn), 氮虧缺對(duì)玉米苗期生長影響最大, 磷虧缺次之, 鉀虧缺影響最小。3種有機(jī)物料在田間條件下對(duì)玉米營養(yǎng)生長及籽粒產(chǎn)量的影響還有待進(jìn)一步研究。

綜上所述, 生物質(zhì)炭、發(fā)酵雞糞和秸稈均可以提高土壤養(yǎng)分含量及酶活性, 但表現(xiàn)出不同的側(cè)重點(diǎn)。生物質(zhì)炭可以提高土壤速效磷和鉀以及過氧化氫酶活性, 卻抑制了土壤和有機(jī)物料中氮的有效性; 雞糞對(duì)土壤堿解氮、速效磷以及脲酶活性的提升效果明顯, 而秸稈可以提升土壤速效鉀和β-葡糖苷酶活性。此外, 在本研究條件下, 土壤氮、磷供應(yīng)能力是影響玉米苗期生長狀況的主要因素, 雞糞表現(xiàn)出最佳的促進(jìn)效應(yīng), 生物質(zhì)炭次之, 小麥秸稈無明顯影響。采用主成分分析結(jié)合相關(guān)性分析的方法能夠準(zhǔn)確反映土壤肥力水平和預(yù)測土壤生產(chǎn)力狀況, 并可以更直觀地比較土壤肥力狀況對(duì)外源有機(jī)物料投入的響應(yīng)。整體來看, 秸稈和雞糞表現(xiàn)出不同的土壤培肥效應(yīng), 而生物質(zhì)炭對(duì)土壤肥力的提升作用更均衡, 且土壤肥力綜合得分最高, 根據(jù)土壤養(yǎng)分障礙因子, 生物質(zhì)炭與合適的有機(jī)物料配施是一種更全面的培肥改土措施。

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Effects of combined biochar and organic matter on soil fertility and maize growth*

ZHANG Ying, LIU Xing, JIAO Ruifeng, LI Dongfang, REN Xiujuan, WU Dafu, CHEN Xiling

(College of Resources and Environment Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)

As a new functional material, biochar can increase soil carbon pool, improve soil quality and increase crop yield because of its particulate physical and chemical properties and is thus widely used in agriculture. However, studies on the comparison between biochar and traditional organic matter and their combined application are relatively rare. Thus a pot experiment was conducted to study the effect of the separate application of biochar, straw and chicken manure or their combined application on nutrient status, enzyme activity of soil and maize growth in fluvo-aquic loamy and sandy soils. Principal component analysis and simple correlation analysis were also used to synthetically evaluate the effects of different treatments and to determine the main driving factors of maize growth. All in all, a total of six treatments were conducted: control (CK), biochar (BC), wheat straw (WS), chicken manure (CM), wheat straw plus biochar (WS+BC) and chicken manure plus biochar (CM+BC). The results showed that all treatments increased maize biomass and height in sandy soil, the order of treatments in terms of maize growth was CM+BC = CM > WS+BC, BC > WS > CK, and manure could also increase maize biomass and height in fluvo-aquic loamy soil. Biochar and organic matter increased soil organic matter content, with the former particularly inducing a sharp increase. Different treatments showed different effects on soil nutrients and enzyme activities in both fluvo-aquic loamy and sandy soils. Chicken manure respectively increased soil available N by 22.08% and 26.67%, available P by 91.92% and 53.65%, and urease activity by 40.54% and 36.94% in fluvo-aquic loamy and sandy soils. Biochar respectively increased soil available P by 83.52% and 89.91%, soil available K by 79.38% and 127.02%, and soil catalase activity by 3.41% and 11.22% in the two soil types. Wheat straw respectively increased soil available K by 49.48% and 63.02%, soil β-glucoside enzyme activity by 51.86% and 59.09% in both fluvo-aquic loamy and sandy soils. Overall, combined application of biochar and manure or straw complemented each other and thereby improved more comprehensively soil fertility. Principal component analysis and correlation analysis suggested that maize biomass and height were highly significantly correlated with the second principal component score (PC2), which led to the positive changes in soil N and P pool. Therefore, among the three forms of organic matter, chicken manure influenced soil N and P contents and the related enzyme activities the most. Straw greatly influenced soil K and cellulose degradation-related enzymes, while biochar more evenly enhanced soil fertility which led to the most comprehensive gains in soil fertility. Straw or chicken manure, combined with biochar, more comprehensively improved soil fertility.

Biochar; Organic matter; Maize; Soil fertility; Soil enzyme activity

ZHANG Ying, E-mail: yingzh2014@163.com

Feb. 13, 2017; accepted Mar. 30, 2017

S141

A

1671-3990(2017)09-1287-11

10.13930/j.cnki.cjea.170115

* 河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(農(nóng)業(yè)領(lǐng)域)(162102110018)資助

2017-02-13

2017-03-30

張影, 主要從事土壤養(yǎng)分循環(huán)及調(diào)控方面研究。E-mail: yingzh2014@163.com

* This study was supported by the Key Science and Technology Program of Henan Province (Agriculture) (162102110018).

張影, 劉星, 焦瑞鋒, 李東方, 任秀娟, 吳大付, 陳錫嶺. 生物質(zhì)炭與有機(jī)物料配施的土壤培肥效果及對(duì)玉米生長的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(9): 1287-1297

Zhang Y, Liu X, Jiao R F, Li D F, Ren X J, Wu D F, Chen X L. Effects of combined biochar and organic matter on soil fertility and maize growth[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(9): 1287-1297