楊浩鵬，李飛躍*，周春火, 索改弟，趙建榮，謝 越，任蘭天

(1.安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100;2.生物炭與農(nóng)田土壤污染防治安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233400;3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045;4.安徽科技學(xué)院 農(nóng)學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物約10億噸[1]。由于缺乏合理的利用途徑,其中約有2億噸秸稈被焚燒[2],這不僅造成資源浪費(fèi),還造成了環(huán)境污染。秸稈不僅能夠?yàn)橥寥捞峁┒喾N營(yíng)養(yǎng)元素,還能提供大量的有機(jī)碳源[3]。然而,其直接大量還田會(huì)影響作物苗期的生長(zhǎng),還存在病蟲害發(fā)生的潛在隱患,并增加溫室氣體排放[4-5]。近年來(lái),隨著生物質(zhì)炭化技術(shù)的發(fā)展,秸稈炭化后還田及其環(huán)境生態(tài)效應(yīng)引起廣大學(xué)者的關(guān)注[6]。

生物炭是生物質(zhì)在無(wú)氧或者缺氧條件下,經(jīng)過(guò)相對(duì)較低的溫度(小于700 ℃)熱解得到的產(chǎn)物[7]。由于其有機(jī)質(zhì)含量高,比表面積巨大,孔隙度及官能團(tuán)豐富等性質(zhì)[8],使得生物炭具有修復(fù)土壤污染[9]、提高土壤質(zhì)量[10]、增加作物產(chǎn)量等效果[11]。胡敏等[12]在河套區(qū)的試驗(yàn)表明不同用量的生物炭均能提高玉米產(chǎn)量。李培培等[13]研究發(fā)現(xiàn),在沙質(zhì)潮土施用16 t/hm2生物炭能使玉米增產(chǎn)9.48%。然而,也有研究表明,生物炭施用會(huì)降低作物產(chǎn)量[14]。Rajkovich等[15]在研究生物炭的種類和添加量對(duì)玉米生物量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)食品廢物生物炭添加量超過(guò)26 t/hm2時(shí),玉米生長(zhǎng)會(huì)受到抑制甚至減產(chǎn)。

可見,生物炭對(duì)作物產(chǎn)量影響受到生物炭自身性質(zhì)和施用量的多少、施用方式等因素的影響。本試驗(yàn)以稻殼生物炭為對(duì)象,研究其不同施用量對(duì)玉米產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分狀況的影響,以期為生物炭的田間施用,提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域與材料

試驗(yàn)區(qū)域位于安徽省滁州市鳳陽(yáng)縣大廟鎮(zhèn)東陵村,該區(qū)域?qū)俦眮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,年均氣溫14.9 ℃,年均降雨量904 mm。

土壤pH值5.9、有機(jī)質(zhì)含量11.45 g/kg、全氮含量1.4 g/kg、堿解氮129.80 mg/kg、速效磷32.39 mg/kg、速效鉀41.6 mg/kg。

試驗(yàn)用生物炭來(lái)源于阜陽(yáng)海泉風(fēng)雷新能源發(fā)電股份有限公司稻殼氣化多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物,氣化溫度550～600 ℃。稻殼生物炭的pH值10.11,有機(jī)碳468 g/kg,全氮5.2 g/kg,C∶N為90,比表面積為229 m2/g。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn),設(shè)7個(gè)不同處理,空白對(duì)照組CK,不施生物炭處理記為BC0,生物炭施用量為5、10、20、30、40 t/hm2分別記為BC5、BC10、BC20、BC30、BC40。小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m),隨機(jī)排列,每個(gè)處理3次重復(fù)。生物炭按用量撒施,旋耕均勻。供試玉米品種為裕豐303,播種量為54 000株/hm2,行距0.6 m,株距0.3 m。除空白對(duì)照組CK外,其余各處理基肥按氮126 kg/hm2,磷(P2O5)81.9 kg/hm2,鉀(K2O)75.6 kg/hm2施用復(fù)合肥料,在玉米拔節(jié)期追施氮肥(尿素)37 kg/hm2,其他管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理。玉米于2018年6月23日播種,10月15日收獲。

1.3 樣品采集與測(cè)定

在玉米收獲期按五點(diǎn)取樣法采集0～20 cm的土壤樣品,于陰涼處風(fēng)干。參照土壤農(nóng)化分析測(cè)定土壤中pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀[16]。

米收獲時(shí)每小區(qū)采集5株典型代表的植株樣品，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒重。秸稈和玉米籽粒分別磨碎后過(guò)0.25～0.5 mm篩備用。植株氮、磷、鉀參照土壤農(nóng)化分析測(cè)定[16]。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

玉米氮素積累量(kg/hm2)=(籽粒產(chǎn)量×籽粒含氮量)+(秸稈產(chǎn)量×秸稈含氮量);

化肥氮利用率(%)=(施氮處理植株氮積累量-對(duì)照處理植株氮積累量)/化肥氮施用量×100;

化肥氮農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)=(施氮處理籽粒產(chǎn)量-對(duì)照籽粒產(chǎn)量)/化肥氮施用量;

100 kg籽粒產(chǎn)量養(yǎng)分(N、P2O5、K2O)吸收量(kg)=100×玉米養(yǎng)分積累量/玉米產(chǎn)量[17]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析,Duncan's多重比較判斷不同處理差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知,隨著生物炭用量的增加,土壤pH逐漸升高,在生物炭用量從0 t/hm2增加到40 t/hm2時(shí),pH增加了0.59個(gè)單位, 土壤全氮含量增幅為21.31%～56.56%。當(dāng)生物炭施用量在30 t/hm2以下時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)含量隨生物炭施用量的增加變化不明顯,而生物炭施用量為40 t/hm2時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加,和BC0相比,提高了69.3%。土壤堿解氮在生物炭低施用量(小于20 t/hm2)時(shí),隨生物炭施用量增加而明顯增加,與不施生物炭相比,BC5、BC10、BC20處理堿解氮含量分別增加1.19%、6.93%、33.08%;BC30、BC40處理分別降低6.28%和20.07%。生物炭施用也會(huì)提高土壤速效鉀的含量,隨生物炭用量增加,速效鉀含量逐漸增加,與不施生物炭相比,各處理速效鉀含量分別提高了24.31%～122.86%。生物炭低施用量對(duì)土壤速效磷含量變化影響不明顯,與不施生物炭相比,施用量為40 t/hm2時(shí),速效磷含量提高了17.76%。

表1 生物炭施用量對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量和氮素利用率的影響

從表2可以看出,施用生物炭后玉米百粒重和產(chǎn)量均增加,生物炭施用量為30 t/hm2時(shí),差異顯著(P<0.05)。與不施生物炭相比,百粒重增加幅度為 20.06%～35.59%。施用生物炭后各處理增幅為6.73%～31.41%。與不施生物炭BC0相比, 生物炭施用量為5～30 t/hm2均能提高氮素利用率,氮素利用率增加幅度為30.34%～85.15%。當(dāng)生物炭施用量達(dá)到40 t/hm2時(shí),氮素利用率只提高了28.49%。隨生物炭施用量增加,與不施生物炭BC0相比,化肥氮農(nóng)學(xué)利用率提高幅度為 2.8～13.08 kg/kg。

表2 生物炭添加量對(duì)玉米產(chǎn)量及氮素利用率的影響

2.3 生物炭施用量與土壤理化性質(zhì)、玉米產(chǎn)量等參數(shù)的相關(guān)分析

相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示,生物炭的施用量與土壤pH、全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.94、0.95和0.86。表明施用生物炭是影響土壤pH、全氮、有機(jī)質(zhì)變化的原因。生物炭施用量與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)為0.51,表明生物炭施用量與產(chǎn)量間無(wú)正相關(guān)關(guān)系。

表3 生物炭與土壤性質(zhì)和玉米產(chǎn)量相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

3.1 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

生物炭具有豐富的羥基、羧基、醚鍵、酯羰基等官能團(tuán),這些官能團(tuán)水解后通常呈堿性[18]。同時(shí)生物炭也含有大量鹽基離子,施入土壤后可以增加土壤鹽基飽和度,從而提高土壤pH,本試驗(yàn)中生物炭施用達(dá)到40 t/hm2時(shí)土壤pH增加了0.59。王歡歡等[19]通過(guò)大田試驗(yàn)證明生物炭可以提高土壤碳含量。李飛躍等[20]通過(guò)盆栽試驗(yàn)證明,生物炭能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。這是因?yàn)樯锾勘旧碡S富的含碳量,生物炭自身含碳量可達(dá)40%～75%。本試驗(yàn)中生物炭施用量為5～30 t/hm2時(shí),分別提高土堿解氮、速效磷、速效鉀含量1.19%～33.08%、7.63%～13.81%、24.31%～122.86%。在生物炭低施用量情況下,生物炭對(duì)養(yǎng)分的吸附量較小,隨著生物炭用量的提高,對(duì)養(yǎng)分的吸持能力逐漸增強(qiáng)[21]。這是因?yàn)樯锾烤哂芯薮蟮谋缺砻娣e[22],能吸附養(yǎng)分,減少養(yǎng)分流失[23],從而提高養(yǎng)分有效性。

3.2 生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量和氮素利用率的影響

生物炭還田能提高作物產(chǎn)量,但其作用效果受施用量的影響。Uzoma等[24]研究表明,生物炭施用量為15 t/hm2的玉米產(chǎn)量要顯著高于施用量為20 t/hm2的處理。謝祖彬等[25]研究發(fā)現(xiàn),生物炭施用量超過(guò)80 t/hm2會(huì)降低作物產(chǎn)量,超過(guò)40 t/hm2會(huì)導(dǎo)致土壤氮素?fù)p失,本試驗(yàn)中生物炭施用量為40 t/hm2時(shí)玉米產(chǎn)量低于施用量為30 t/hm2,可能是因?yàn)橥寥赖負(fù)p失的原因。

生物炭會(huì)降低土壤容重、增強(qiáng)土壤通透性,這有利于玉米根系的生長(zhǎng)發(fā)育,因此提高玉米產(chǎn)量[26]。此外,生物炭由于其自身的高含碳量,施入土壤會(huì)帶來(lái)大量含碳有機(jī)物,而含碳有機(jī)物正是提高土壤肥力的主要因素[27]。土壤有機(jī)質(zhì)能改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤保水保肥能力,提高玉米產(chǎn)量,本試驗(yàn)中生物炭的添加能明顯提高玉米產(chǎn)量,這與張娜、闞正榮[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數(shù)量,改善土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高作物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收利用,提高了氮素的利用率[31-33]。

生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量影響的其他研究結(jié)果見表4。雖然試驗(yàn)條件不同,但施用生物炭以后玉米產(chǎn)量均有不同程度提高,這與本研究結(jié)果一致。

表4 生物炭添加量對(duì)玉米產(chǎn)量影響的比較

綜上所述,生物炭的施用能夠改善土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀含量,與BC0相比,生物炭用量從5 t/hm2增加到30 t/hm2時(shí),分別增加21.45%、24.32%、31.51%和79.27%。生物炭能顯著提高玉米百粒重和產(chǎn)量,并提高玉米氮素利用率。由相關(guān)分析可知,生物炭施加量與有機(jī)質(zhì)、pH和全氮相關(guān)系數(shù)分別為0.86、0.95和0.94,生物炭用量與土壤有機(jī)質(zhì)、pH和全氮呈正相關(guān)關(guān)系。