柳萌，何斌，趙鵬，黨永富，張夢茹，張雯雯

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南省西平縣土肥利用管理站，河南 西平 463900；3.河南奈安生物科技股份有限公司，河南 鄭州 450001)

自20世紀(jì)80年代以來，中國酸性土壤面積(pH<5.5)從1.13×107hm2增加到1.51×107hm2[1]，農(nóng)田土壤pH值平均下降0.5個單位[2]。據(jù)統(tǒng)計，1980—2010年河南省輕度酸性(pH值為5.5～6.5)土壤面積占全省面積比例增長至22.4%，酸性土壤(pH值為4.5～5.5)面積占比增長至7.7%，個別農(nóng)田點位土壤pH<4.5，酸性土壤類型多數(shù)為黃褐土和砂姜黑土[3]。1980年河南省土壤酸化區(qū)域主要分布在豫南的南陽和信陽地區(qū)，截至2017年，豫中部的平頂山、駐馬店和漯河等區(qū)域均呈現(xiàn)酸化趨勢，表明農(nóng)田土壤酸化區(qū)域正在由南向北擴展。土壤酸化會對農(nóng)作物根系產(chǎn)生毒害[4]，加速土壤養(yǎng)分流失[5-6]，影響土壤中有機質(zhì)、鐵鋁氧化物和團聚體穩(wěn)定性[7]，降低土壤微生物多樣性，土壤肥力下降，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降[8]。因此，探究新型酸性土壤改良劑的應(yīng)用及作用效果對阻控土壤酸化、改善農(nóng)田土壤環(huán)境和保障糧食安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前，已有的土壤酸化改良材料主要有石灰等堿性材料、工業(yè)副產(chǎn)品(如堿渣、赤泥、磷石膏)，土壤酸性調(diào)理劑、生物炭和其他有機物料等[9-11]。施用石灰可以有效緩解表層土壤酸化，增加土壤鈣鎂含量，但對深層土壤酸化作用有限，運輸成本高[11-12]；利用工業(yè)副產(chǎn)品、植物殘留物和有機廢料改良比較廉價，但可能加速土壤硝化、有重金屬污染風(fēng)險[13]；利用生物炭改良可以提高土壤pH值，增加微生物多樣性，但生產(chǎn)和機械成本高，有多環(huán)芳烴污染風(fēng)險[14-15]。聚谷氨酸被證實對植物有促生長作用[16]，炭吸附聚谷氨酸是在聚谷氨酸基礎(chǔ)上經(jīng)生物炭處理得到的新型材料，它比聚谷氨酸發(fā)酵產(chǎn)率高，具有良好的水溶性、可降解性和安全無毒等特性[17]。已有研究發(fā)現(xiàn)，在堿性褐土噴施生物炭吸附聚谷氨酸可以改善土壤環(huán)境，提高小麥產(chǎn)量[17]。在中性砂姜黑土噴施生物炭吸附聚谷氨酸能有效提高夏玉米的穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，增強其抗逆能力[18]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，碳吸附聚谷氨酸作為肥料增效劑在堿性和正常農(nóng)田中玉米和小麥上取得很好的應(yīng)用效果，但其對酸化農(nóng)田土壤理化特性和作物生長的調(diào)控作用還缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐。為探明碳吸附聚谷氨酸對酸化農(nóng)田土壤理化特性和作物生長的調(diào)控作用，本研究在夏玉米-冬小麥輪作模式的酸性農(nóng)田中施用生物炭吸附聚谷氨酸，研究其對不同土層土壤pH、物理結(jié)構(gòu)和作物產(chǎn)量的影響，來明確炭吸附聚谷氨酸對酸性農(nóng)田作物生產(chǎn)的作用效果，并對其作用機制進行初步探究，為中國酸性農(nóng)田改良和保障糧食安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持和理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地位于河南省西平縣小王莊(114.04°E,33.29°N)，地處北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，屬亞濕潤大陸性季風(fēng)性氣候，年平均氣溫14.8 ℃，降雨量852 mm。供試土壤類型為黃褐土，土壤質(zhì)地黏重，有機質(zhì)含量9.09 g·kg-1，全氮含量0.44 g·kg-1，速效磷含量64.11 mg·kg-1，速效鉀含量56.50 mg·kg-1，土壤pH值4.11。供試小麥品種為萬豐269，玉米品種為鄭原玉432。生物炭吸附聚谷氨酸產(chǎn)品由河南奈安生物科技股份有限公司提供，其成分為生物炭吸附聚谷氨酸(≥10 g·kg-1)和有機質(zhì)(≥80 g·kg-1)。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗于2019年10月—2020年10月進行，試驗共設(shè)置不施用生物炭吸附聚谷氨酸(CK)和施用生物炭吸附聚谷氨酸(F)2個處理，每個處理3個重復(fù)，每個小區(qū)面積100 m2。生物炭吸附聚谷氨酸施用量為67.5 kg·hm-2，分別于冬小麥季旋地前、旋地后和出苗期分3次施用，每次施用量按22.5 kg·hm-2溶于700 L水進行均勻噴施。冬小麥播量195 kg·hm-2。夏玉米播量30 kg·hm-2，行距60 cm，株距20 cm，密度8.8萬株·hm-2。冬小麥和夏玉米均按當(dāng)?shù)厥┓使芾?，基?75 kg·hm-2復(fù)合肥(N-P2O5-K2O，25-18-8)。病蟲草害防治等田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 樣品采集與分析

小麥?zhǔn)斋@期各小區(qū)分別收割1 m2計算產(chǎn)量，同時選取1 m雙行中具有代表性的20株小麥進行考種分析；在玉米收獲前每小區(qū)隨機選取8 m雙行全部收獲測產(chǎn)，并選取代表性玉米20穗，調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)，全部脫粒后每個小區(qū)取200粒稱質(zhì)量計算千粒質(zhì)量，3次重復(fù)。

酸性農(nóng)田表層土壤鹽基離子淋溶強烈導(dǎo)致不同土層深度的土壤酸度和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此，在收獲期分不同土層采集土壤，共分0～20、20～40、40～60 cm3層，每個小區(qū)采集1個混合樣本，每個樣本按“S”形采集五點。剔除礫石和植物殘根，粉碎過2 mm篩后風(fēng)干保存。土壤pH值在土水質(zhì)量比為 1∶2.5的條件下測量[19]；土壤水穩(wěn)性團聚體采用Yoder濕篩法分離測定[20]。稱取50.00 g風(fēng)干土，過2 cm篩，放置頂層的250 μm篩子中，下層放53 μm篩，將套篩放入鐵桶，加入去離子水浸泡5 min，以頻率35次·min-1和振幅4 cm震蕩10 min。分別將各級篩中的土粒沖洗到鋁盒里，水中的土壤(<53 μm)經(jīng)沉淀轉(zhuǎn)移鋁盒中，烘干至質(zhì)量恒定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析并采用t檢驗進行處理CK和F的組間差異顯著性以及小麥季和玉米季兩個作物生育期的差異顯著性分析，并用Sigma Plot 10.0作圖，采用Pearson相關(guān)性分析檢測土壤pH值、團聚體、作物產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等相關(guān)性。土壤團聚體穩(wěn)定性用團聚體平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter，MWD)和團聚體幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)指標(biāo)進行表征，相關(guān)計算公式如下：

式中：ri(mm)代表第i個篩子孔徑；ro=r1；rn=rn+1；mi是第i個篩子的團聚體質(zhì)量分數(shù)。

式中：mi是第i個篩子的團聚體質(zhì)量，m是稱土總質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭吸附聚谷氨酸對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的影響

與空白對照相比，施用生物炭吸附聚谷氨酸顯著提升了冬小麥和夏玉米產(chǎn)量，且對小麥的增產(chǎn)作用比玉米大(表1)。在本研究中，不施用生物炭吸附聚谷氨酸的冬小麥和夏玉米平均產(chǎn)量分別為1.3和6.0 t·hm-2，與已有報道當(dāng)?shù)厮峄r(nóng)田冬小麥和夏玉米平均產(chǎn)量分別為1.2和6.1 t·hm-2類似[21-22]。但與CK相比，施用生物炭吸附聚谷氨酸使小麥增產(chǎn)37%，小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)分別增加67%和31%(P<0.05)，且小麥產(chǎn)量與小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)(r>0.80，P<0.05)，表明施用生物炭吸附聚谷氨酸可以增加小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)，提高酸性農(nóng)田的小麥產(chǎn)量；與CK相比，F(xiàn)處理區(qū)玉米增產(chǎn)25%，玉米穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量分別增加45%和26%(P<0.05)，且與產(chǎn)量與玉米穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)(r>0.95，P<0.01)，表明施用生物炭吸附聚谷氨酸可以通過增加玉米穗粒數(shù)和子粒質(zhì)量，促進酸性農(nóng)田玉米增產(chǎn)。

表1 施用炭吸附聚谷氨酸對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of carbon adsorption of polyglutamic acid on the yield of winter wheat and summer maize

2.2 施用生物炭吸附聚谷氨酸對土壤pH值的影響

由圖1可得，在小麥季和玉米季酸性農(nóng)田土壤pH值隨土層深度增加而升高。與對照相比，在小麥季施用生物炭吸附聚谷氨酸使20～40 cm土層pH值提升0.81個單位(P<0.05)，表明施用生物炭吸附聚谷氨酸可以緩解小麥季該層土壤酸化。在對照處理區(qū)，玉米季20～40 cm土壤pH值比小麥季平均增加0.86個單位(P<0.05)，表明這兩種作物對土壤酸化的影響不同，種植玉米更有利于改善該層土壤酸化。施用生物炭吸附聚谷氨酸對小麥季0～20和40～60 cm以及玉米季所有土層的土壤pH值影響不顯著。

注：數(shù)據(jù)為均值±SD(n=3)。CK是酸性土壤不施生物炭吸附聚谷氨酸；F是酸性土壤施用生物炭吸附聚谷氨酸。同行不同字母表示處理CK和F之間的差異顯著(P<0.05)。下同。Note： The data were mean±SD (n=3).CK is acid soil without biochar-carbon adsorption of polyglutamic acid application; F is acid soil with biochar-carbon adsorption of polyglutamic acid application. The different lowercase letters in the same row indicate significant differences between treatments CK and F (P<0.05).The same as below.圖1 施用生物炭吸附聚谷氨酸對不同土層土壤pH值的影響Fig.1 Effect of biochar adsorption of polyglutamic acid on the soil pH of different soil layers

2.3 施用生物炭吸附聚谷氨酸對土壤團聚體含量的影響

土壤團聚體作為組成土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，其數(shù)量與質(zhì)量即反應(yīng)土壤結(jié)構(gòu)狀況，也影響土壤的肥力、抗蝕性以及土壤有機碳的固持和分解[23]。從土壤團聚體粒徑分布可得，小麥季和玉米季的所有土層均為土壤微團聚體比例占團聚體總量比例最大(>49.4%，表2)。在冬小麥和夏玉米輪作期，小麥季土壤0～20 cm土壤大團聚體比例最大為33.5%。在小麥季施用生物炭吸附聚谷氨酸使0～20 cm土層團聚體顯著增加(P<0.05)，其中，大團聚體降低40.4%，微團聚體增加40.2%，粉黏粒降低(P<0.05)。在小麥季施用生物炭吸附聚谷氨酸使 0～20 cm土層微團聚體顯著增加，而大團聚體和粉黏粒顯著減少(P<0.05；表2)。同時，0～20 cm土層微團聚體與大團聚體(r=-0.90，P<0.01)和粉黏粒(r=-0.95，P<0.01)呈顯著負相關(guān)。這些結(jié)果表明噴施生物炭吸附聚谷氨酸可能通過加速大團聚體分解和促進黏粉粒聚合增加土壤微團聚體數(shù)量。在玉米季F處理區(qū)0～20和20～40 cm土層大團聚體分別降低33.3%和44.1%(表2)，表明施用生物炭吸附聚谷氨酸促進土壤大團聚體的裂解。

表2 施用生物炭吸附聚谷氨酸對土壤團聚體含量的影響Table 2 Effects of biochar-carbon adsorped polyglutamic acid on the percentage of soil aggregates

續(xù)表2 施用生物炭吸附聚谷氨酸對土壤團聚體含量的影響Continuing table 2 Effects of biochar adsorption of polyglutamic acid on the percentage of soil aggregates

2.4 施用生物炭吸附聚谷氨酸對土壤團聚體質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的影響

團聚體的穩(wěn)定性一般用平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)表示[24]。MWD越大，土壤中的大團聚體越多；GMD越大，團聚體越穩(wěn)定。在小麥季，與CK相比施用生物炭吸附聚谷氨酸后，土壤0～20 cm土層的MWD和GMD顯著降低(P<0.05)；在玉米季處理區(qū)土壤0～20 cm土層的MWD顯著降低，且玉米季所有土層的MWD值低于小麥季(P<0.05；圖2)。有研究表明，在砂壤土施用高分子材料(保水劑)后，土壤大團聚體(>0.25 mm)出現(xiàn)先減少后增加的趨勢[25]。本研究表明在酸化黏土中施用生物炭吸附聚谷氨酸降低了土壤大團數(shù)量，生物炭吸附聚谷氨酸對酸性粘土團聚體周轉(zhuǎn)的長期調(diào)控機理還需要進一步探索。

圖2 施用生物炭吸附聚谷氨酸對土壤團聚體質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的影響Fig.2 Effects of biochar-carbon adsorped polyglutamate acid on the MWD and GMD of soil aggregates

表3 小麥產(chǎn)量和小麥季土壤指標(biāo)的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of wheat yield and soil indices in the wheat season

續(xù)表3 小麥產(chǎn)量和小麥季土壤指標(biāo)的相關(guān)分析Continuing table 3 Correlation analysis of wheat yield and soil indices at wheat’s season

表4 玉米產(chǎn)量和玉米季土壤指標(biāo)的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis of maize yield and soil indices in the maize season

3 結(jié)論與討論

不同作物對土壤酸化的敏感度不一樣。據(jù)統(tǒng)計，土壤酸化對玉米、水稻、小麥、大豆等作物的危害程度為小麥>大豆>玉米>水稻[26]，表明土壤酸化對小麥產(chǎn)量的影響最大。2016—2018年,河南省冬小麥和夏玉米平均產(chǎn)量分別為6.4和5.6 t·hm-2(國家統(tǒng)計局，http://www.stats.gov.cn/)，本研究對照酸性農(nóng)田中冬小麥和夏玉米的平均產(chǎn)量分別為1.3和6.0 t·hm-2，這表明酸性農(nóng)田中冬小麥的產(chǎn)量比本省近年平均產(chǎn)量減少80%，冬小麥比夏玉米更容易遭受土壤酸化的威脅。在酸性農(nóng)田中，施用生物炭吸附聚谷氨酸使小麥和玉米分別增產(chǎn)36%和25%，表明生物炭吸附聚谷氨酸可以顯著提高酸性農(nóng)田作物產(chǎn)量。生物炭吸附聚谷氨酸對冬小麥的增產(chǎn)作用比夏玉米大，可能是因為①相對于夏玉米，冬小麥對土壤酸化的響應(yīng)更敏感，農(nóng)田酸化使冬小麥的減產(chǎn)程度更大；②聚谷氨酸對高桿作物和矮桿作物的肥料效應(yīng)不同導(dǎo)致。噴施生物炭吸附聚谷氨酸顯著增加小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)，小麥產(chǎn)量與穗數(shù)和穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05；表3)，表明生物炭吸附聚谷氨酸可以增加小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)，提高冬小麥產(chǎn)量。施用生物炭吸附聚谷氨酸顯著增加玉米穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，玉米產(chǎn)量與穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)(P<0.01；表4)，表明生物炭吸附聚谷氨酸可以增加玉米的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，提高夏玉米產(chǎn)量。表3和表4顯示，相對于小麥產(chǎn)量與穗數(shù)和穗粒數(shù)的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)r為0.62～0.81)，玉米產(chǎn)量(相關(guān)系數(shù)r為0.88～0.96)與穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的相關(guān)性更大。這表明施用生物炭吸附聚谷氨酸對玉米和小麥的增產(chǎn)效應(yīng)不同，其通過增加玉米穗粒數(shù)和子粒質(zhì)量等產(chǎn)量要素對提高玉米產(chǎn)量的貢獻更大。已有研究發(fā)現(xiàn)，施用γ-聚谷氨酸顯著增加玉米生物量和養(yǎng)分吸收，谷氨酸處理無顯著增效作用，表明聚谷氨酸的增效作用不是其分解的單體而是其本身起主要作用[27]。γ-聚谷氨酸可以絡(luò)合鈣、鎂、鐵等中微量元素，提高土壤中微量元素養(yǎng)分的有效性[28]。因此，本研究表明炭吸附聚谷氨酸主要通過促進植物養(yǎng)分吸收，增加玉米穗粒數(shù)和子粒質(zhì)量，從而提高玉米產(chǎn)量。

土壤pH值是衡量土壤酸堿度的標(biāo)準(zhǔn)之一，與土壤質(zhì)量密切相關(guān)。土壤陽離子交換量和土壤有機碳含量對酸性土壤pH值緩沖能力具有決定性作用[29]，而過量施用生理酸性肥料(尤其氮肥)和作物收獲吸收大量土壤鹽基離子是我國農(nóng)田土壤酸化的主要誘導(dǎo)因素[2]。在小麥季和玉米季，施用生物炭吸附聚谷氨酸顯著增加兩種作物產(chǎn)量，這必然導(dǎo)致土壤鹽基離子損耗，而兩季施用生物炭吸附聚谷氨酸0～20 cm土層pH值無顯著變化(圖1)，可能因為：①玉米季該層土壤中生物炭吸附聚谷氨酸質(zhì)子化釋放土壤陽離子的量與作物吸收減少土壤陽離子的量相當(dāng)，從而土壤pH值不變；②同一田塊中，小麥產(chǎn)量不到玉米產(chǎn)量的四分之一，小麥生長比玉米消耗土壤離子更少，施用生物炭吸附聚谷氨酸釋放的部分土壤陽離子向下淋洗，導(dǎo)致小麥季0～20 cm土層pH值無顯著變化而20～40 cm土層pH增加(圖1)。在小麥季施用生物炭吸附聚谷氨酸顯著提升20～40 cm土層的土壤pH值(圖1)，表明施用生物炭吸附聚谷氨酸可以緩解該層土壤酸化。這可能由于聚谷氨酸分解產(chǎn)生的大量弱酸性羧基官能團(R-COO-)，羧基質(zhì)子化(R-COO-+H+R-COOH)釋放陽離子提高土壤的酸緩沖能力[30-31]。本研究同時發(fā)現(xiàn)噴施生物炭吸附聚谷氨酸然對玉米季20～40 cm土層pH值影響不顯著，這是因為玉米季對照區(qū)該層土壤pH值比小麥季顯著增加，玉米根系生長比小麥根系對酸性土壤的調(diào)節(jié)作用更大。

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)重要的組分和土壤養(yǎng)分的“儲存庫”，土壤團聚體數(shù)量和粒徑分布在一定程度上反映土壤養(yǎng)分供儲能力的高低。在小麥季施用生物炭吸附聚谷氨酸可以顯著增加表層(0～20 cm)土壤的團聚體數(shù)量(表2)。施用生物炭吸附聚谷氨酸使 0～20 cm土層的土壤微團聚體顯著增加，而大團聚體減少，表明施用生物炭吸附聚谷氨酸主要通過增加土壤微團聚體數(shù)量增加土壤團聚體總量，促進酸性土壤團聚體形成。這可能因為聚谷氨酸分子主鏈上含有大量的羧基、氨基等親水性官能團，具有超強吸附性，易于將土壤顆粒膠結(jié)成團聚體[32]。本試驗中，施用炭吸附聚谷氨酸使酸性黏壤大團聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性降低，這與李繼成[33]的研究結(jié)果類似，證實保水劑單獨施用增加土壤大團聚體數(shù)量，而保水劑與肥料同時施用則降低土壤大團聚體數(shù)量。這是因為保水劑分子的舒展性越好，越有利于絮凝土壤顆粒成團粒結(jié)構(gòu)；而肥料施用增加土壤電解質(zhì)溶液濃度，使保水劑分子鏈的舒展性降低，團聚作用下降[34]。研究表明，常規(guī)耕作方式下不同粒級團聚體有機碳和全氮貢獻率排序為(<0.25 mm)>(0.25～2 mm)>(2～5 mm)[35]，土壤團聚體有機碳和全氮的含量隨團聚體粒徑減少而呈現(xiàn)增加的趨勢，全氮和堿解氮含量主要集中在<0.25 mm的微團聚體。在小麥季0～20 cm土層的土壤微團聚體與小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(r>0.88，P<0.01)，表明生物炭吸附聚谷氨酸可能通過增加土壤表層微團聚體增加土壤養(yǎng)分供應(yīng)，促進小麥分蘗和子粒形成，進而提高小麥產(chǎn)量。

本試驗結(jié)果表明，在小麥季旋地前、旋地后和苗期分次噴施生物炭吸附聚谷氨酸可以使酸性農(nóng)田中冬小麥和夏玉米分別增產(chǎn)36%和25%。施用生物炭吸附聚谷氨酸對玉米和小麥的增產(chǎn)作用途徑不同。生物炭吸附聚谷氨酸主要通過促進玉米養(yǎng)分吸收等增加玉米子粒數(shù)量和質(zhì)量，提高夏玉米產(chǎn)量。生物炭吸附聚谷氨酸主要通過增加土壤表層微團聚體數(shù)量，促進小麥分蘗和子粒形成，提高冬小麥產(chǎn)量。