王向軍,張孟玉,姚光偉,趙雅名,平立鳳,3

(1.浙江科技學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院,杭州 310023;2.開化縣新農(nóng)村建設(shè)中心,浙江 衢州 324300; 3.浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310023)

蓮藕是我國種植面積最大的水生蔬菜,其營養(yǎng)豐富,具有良好的食用價(jià)值和藥用價(jià)值,能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。蓮藕屬于喜鉀作物,適宜生長(zhǎng)在中性土壤,然而蓮藕種植過程中存在過量施用化肥造成的土壤酸化、養(yǎng)分失調(diào)、水體污染等問題[2-3],嚴(yán)重制約了蓮藕產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

生物質(zhì)炭作為土壤改良劑,可提升土壤的pH,提高土壤碳、氮等養(yǎng)分含量和養(yǎng)分利用率,改變土壤微生物的組成和酶活性,從而提高土壤質(zhì)量[4]。生物質(zhì)炭是由農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在少氧或無氧條件下熱解產(chǎn)生的富含有機(jī)碳的炭化物[5]。水稻秸稈經(jīng)熱解炭化制備的生物質(zhì)炭具有豐富的孔隙、較大的比表面積,可吸附固持土壤中的養(yǎng)分,改良土壤,保水保肥[6]。生物質(zhì)炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè),可在提升土壤肥力的同時(shí)避免秸稈等農(nóng)林廢棄物因丟棄、焚燒而造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用[7-8]。

目前,關(guān)于生物質(zhì)炭施用對(duì)蔬菜土壤及其生長(zhǎng)狀況的影響研究主要集中于陸生蔬菜,Jin等[9]的研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭施用后能提升旱地紅壤的保肥保水性能,改善土壤酸化水平,油菜產(chǎn)量得到提升;Palansooriya等[10]總結(jié)相關(guān)研究結(jié)果后發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭可以改善旱地土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì),提升黃瓜、西紅柿、紅薯、油菜的生物量;而關(guān)于生物質(zhì)炭施用對(duì)蓮藕等水生蔬菜所處土壤和植株長(zhǎng)勢(shì)影響的研究亟待加強(qiáng)。因此,本研究探討水稻秸稈炭施用對(duì)蓮藕土壤化學(xué)性質(zhì)、酶學(xué)性質(zhì)和蓮藕植株生長(zhǎng)狀況的影響,以期為水稻秸稈炭應(yīng)用于蓮藕產(chǎn)業(yè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)所用土壤為紅黃壤,其基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of test soil

試驗(yàn)所用水稻秸稈炭原料取自杭州市某農(nóng)田的水稻秸稈,分別在350 ℃和650 ℃條件下,限氧熱裂解(炭化爐體內(nèi)部不與空氣接觸,熱解炭化過程中,沒有氧氣參與熱解過程,壓力為常壓)制備水稻秸稈炭,其基本性質(zhì)見表2。

表2 水稻秸稈炭基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of rice straw biochar

蓮藕品種為鄂蓮6號(hào),種植于容積為200 L的陶瓷大缸,口部?jī)?nèi)徑為30 cm,底部?jī)?nèi)徑為22 cm,高度為61 cm。蓮藕盆栽于2021年4月種植于浙江科技學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院校內(nèi)基地(120°01′E,30°13′N)日光溫室。

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)置7種處理(每種處理3個(gè)重復(fù)),具體處理如下:對(duì)照組(CK),純化肥(NPK),350 ℃水稻秸稈炭1%+化肥(E1),350 ℃水稻秸稈炭2%+化肥(E2),650 ℃水稻秸稈炭0.5%+化肥(G),650 ℃水稻秸稈炭1%+化肥(G1),650 ℃水稻秸稈炭2%+化肥(G2),其中水稻秸稈炭施用比例表示水稻秸稈炭與土壤的質(zhì)量百分比。蓮藕種植前一次性施入水稻秸稈炭,與土壤混合均勻后加入水,初始水深為5 cm,各大缸位置隨機(jī)排布。對(duì)照組(CK)不施用化肥和水稻秸稈炭,其余處理化肥施用總量如下:氮肥施用量為375 kg/hm2,磷肥(P2O5)施用量為150 kg/hm2,鉀肥(K2O)施用量為300 kg/hm2,分別于8月11日、8月21日施用,每次施用量為施用總量的一半。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

在蓮藕種植后每3個(gè)月采集0～20 cm土壤,每缸采用五點(diǎn)取樣法采集土壤,將其混合成一個(gè)土樣,置于聚氯乙烯袋中,土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后磨碎過20目篩和100目篩備用。土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法[11]如下:土壤pH值以水土比2.5∶1采用電位法測(cè)定;全氮采用濃硫酸-混合催化劑消解,采用流動(dòng)分析儀測(cè)定;全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定;全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;速效磷經(jīng)HCI-NH4F浸提后,采用鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀采用NH4OAC浸提-火焰光度法測(cè)定;有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定。土壤酶活性測(cè)定方法[12]如下:脲酶采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定;磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定;過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定。

每年7月,用卷尺測(cè)量各缸蓮藕植株立葉半徑、浮葉半徑,并隨機(jī)采集2片長(zhǎng)勢(shì)相同的立葉,用乙醇-丙酮浸提法[13]測(cè)定植株葉片葉綠素含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way analysis of variance,ANOVA)、相關(guān)性分析(Pearson)和顯著性檢驗(yàn)(Duncan);采用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻秸稈炭施用對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.1.1 水稻秸稈炭施用對(duì)土壤酸堿度的影響

水稻秸稈炭對(duì)土壤pH的影響如圖1所示。種植蓮藕3個(gè)月后,施用水稻秸稈炭對(duì)土壤pH的影響不顯著;而在種植蓮藕6個(gè)月后,水稻秸稈炭處理對(duì)土壤pH有一定的提升作用,其中G2處理土壤pH最高,較CK和NPK分別提升了0.38、0.46個(gè)單位,而NPK處理會(huì)降低藕土的pH,這與蔣玉根等[14]研究結(jié)果一致。水稻秸稈炭施用后提升土壤pH可能需要一定的時(shí)間,本研究結(jié)果表明,水稻秸稈炭施用3個(gè)月左右并不能顯著提升土壤pH,而施用6個(gè)月時(shí)提升作用更顯著,且650 ℃水稻秸稈炭的提升作用最好,這可能是650 ℃水稻秸稈炭的灰分含量較高,而灰分含量和pH呈正相關(guān)[15],灰分中的K、Ca、Na、Mg等鹽基離子以碳酸鹽或氧化物形式存在,碳酸鹽陰離子是導(dǎo)致生物質(zhì)炭呈現(xiàn)堿性的一種離子[16],所以土壤pH在650 ℃水稻秸稈炭作用下得到顯著提升,這與陳樂等[17]的研究結(jié)果一致。蓮藕適宜生長(zhǎng)的土壤pH值范圍為6.0～7.5,水稻秸稈炭的施用能緩解大量施用化肥造成的土壤酸化問題,有利于藕田土壤酸化的改良。

圖1 水稻秸稈炭對(duì)土壤pH的影響Fig.1 Effect of rice straw biochar on soil pH

2.1.2 水稻秸稈炭施用對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

表3 水稻秸稈炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of rice straw biochar on soil nutrient contents

在種植蓮藕3個(gè)月后,土壤速效鉀、速效磷含量隨著水稻秸稈炭施用量的增加而增加,相比CK和NPK處理,E2處理的土壤速效鉀含量最高,G2次之,而G2處理的土壤速效磷含量最高;對(duì)土壤堿解氮而言,E2處理的土壤堿解氮含量最高,較CK和NPK處理分別提升達(dá)25%和22%。在種植蓮藕6個(gè)月后,水稻秸稈炭施用后土壤速效鉀、速效磷含量得到顯著提升,且提升幅度隨施用量增加而增加,其中E2處理的土壤速效鉀含量最高,相比CK和NPK處理分別提升了260%和52%,這可能是水稻秸稈炭本身含有較高的鉀,施入土壤后其含量會(huì)提升[18]。G2處理的土壤速效磷含量最高,相比CK和NPK分別提升了17.8倍和2.6倍,且650 ℃較350 ℃水稻秸稈炭對(duì)土壤速效磷含量的提升效果更好,這可能是由于秸稈等生物質(zhì)原料中的磷在厭氧熱解過程中以可溶性形態(tài)保留下來,而隨著熱解溫度的升高磷素不斷富集[22];對(duì)土壤中的堿解氮而言,相比CK處理,施用化肥、水稻秸稈炭均能顯著增加其含量,其中G2處理對(duì)土壤堿解氮含量提升幅度達(dá)236%,且在施用量相同的情況下,650 ℃較350 ℃水稻秸稈炭提升幅度更大,這可能是650 ℃制備的水稻秸稈炭更有利于土壤脲酶活性的提升,從而有利于脲酶將土壤中的尿素轉(zhuǎn)化為堿解氮等有效態(tài)養(yǎng)分[23]。

2.1.3 水稻秸稈炭施用對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

水稻秸稈炭對(duì)土壤有機(jī)碳的影響如圖2所示。在種植蓮藕3個(gè)月后,施炭土壤(除G處理外)的有機(jī)碳含量顯著高于CK和NPK處理土壤,這可能是因?yàn)樗窘斩捥康奶己扛咔也灰捉到?施入土壤后會(huì)增加土壤有機(jī)碳庫[24];此外,土壤中的有機(jī)分子被水稻秸稈炭吸附,土壤有機(jī)小分子在其表面催化下聚合形成有機(jī)碳[25]。而在種植蓮藕6個(gè)月后,相比CK和NPK處理,施加350 ℃水稻秸稈炭能有效提升土壤有機(jī)碳含量,其中E2處理的土壤有機(jī)碳含量最高,分別增加了39%和27%;在水稻秸稈炭施用量相同的情況下,350 ℃較650 ℃水稻秸稈炭對(duì)土壤有機(jī)碳的提升作用更好,這可能是由于350 ℃水稻秸稈炭施用后更有利于蓮藕植株及根系的生長(zhǎng),而根系分泌物是土壤有機(jī)碳的直接來源[26],所以350 ℃水稻秸稈炭對(duì)土壤有機(jī)碳的提升效果更好。

圖2 水稻秸稈炭對(duì)土壤有機(jī)碳的影響Fig.2 Effect of rice straw biochar on soil organic carbon

2.2 水稻秸稈炭對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是微生物、動(dòng)植物活體及動(dòng)植物殘骸分解后在土壤中釋放的一種生物活性物質(zhì)。土壤酶的活性反映了一定的土壤生化反應(yīng)和養(yǎng)分循環(huán)狀況,是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[27]。土壤酶活性也是土壤中各種生化反應(yīng)的強(qiáng)度和趨勢(shì)指標(biāo),酶活性變化在很大程度上影響著土壤肥力的演變[28]。土壤酶按功能可分為氧化還原酶、水解酶、轉(zhuǎn)移酶、裂解酶和異構(gòu)酶,其中,脲酶、磷酸酶屬于水解酶,脲酶能水解土壤中的尿素,促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化,而磷酸酶能促進(jìn)土壤中有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化;蔗糖酶屬于轉(zhuǎn)移酶,能夠增加土壤中易溶性有機(jī)物質(zhì)的含量;過氧化氫酶則屬于氧化還原酶,能夠促進(jìn)有毒物質(zhì)過氧化氫的分解,從而減少其對(duì)植物的脅迫[23]。水稻秸稈炭施用對(duì)土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性的影響如圖3所示。

圖3 水稻秸稈炭對(duì)土壤酶活性的影響Fig.3 Effects of rice straw biochar on soil enzymatic activities

由圖3(a)、(b)、(c)分析可知,在蓮藕種植3個(gè)月后,相比CK處理,E1處理對(duì)土壤脲酶活性的提升效果最為顯著,提升幅度達(dá)21.9%,而G2處理對(duì)土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性具有顯著的提升作用,分別提升了20.7%、434%、153%,且提升作用隨施用量的增加而增加。在蓮藕種植6個(gè)月后,相比CK和NPK處理,水稻秸稈炭處理均能提升土壤脲酶活性,且在水稻秸稈炭施用量相同的情況下,650 ℃水稻秸稈炭的提升效果更好;對(duì)磷酸酶而言,E2處理對(duì)其提升作用最為顯著,且此時(shí)各處理磷酸酶活性相比3個(gè)月前有較大提升,這可能是磷酸酶對(duì)環(huán)境溫度較為敏感,種植蓮藕3個(gè)月時(shí)處于夏季,溫度較高,而種植蓮藕6個(gè)月后進(jìn)入秋季,環(huán)境溫度降低,高溫會(huì)抑制磷酸酶活性[29];對(duì)土壤蔗糖酶而言,E2、G2處理較CK和NPK處理對(duì)其提升作用最為顯著,分別提升了434%、328%和257%、186%。水稻秸稈炭施用后能提升土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶的活性,這可能是因?yàn)槠湄S富的孔隙結(jié)構(gòu)為微生物提供了較好的繁殖環(huán)境,較大的比表面積有利于養(yǎng)分的吸附,為微生物繁殖提供更多的酶促底物[6,30],從而提升了土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性。

由圖3(d)可知,在種植蓮藕3個(gè)月和6個(gè)月后,NPK處理對(duì)土壤過氧化氫酶活性起到提升作用,而對(duì)土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶而言,NPK處理的提升作用并不明顯;水稻秸稈炭施用后,相比CK和NPK處理,土壤過氧化氫酶活性降低,這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭吸附了酶分子,掩蓋了酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn),導(dǎo)致過氧化氫酶反應(yīng)強(qiáng)度的降低[31]。

土壤酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性見表4。由表4可知,蔗糖酶活性與土壤全氮、有機(jī)碳有顯著的正相關(guān)關(guān)系,與土壤全磷、速效磷、速效鉀有極顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與土壤全鉀有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系;磷酸酶活性與土壤堿解氮呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,與土壤全氮、全磷、速效磷、速效鉀、有機(jī)碳有極顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與土壤pH呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤全鉀有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析表明土壤化學(xué)性質(zhì)與土壤酶活性間有密切的關(guān)系,土壤酶活性的提升有利于增強(qiáng)土壤中氮、磷等養(yǎng)分的循環(huán)[32]。因此,水稻秸稈炭的施用可提高土壤養(yǎng)分含量,也提升了土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶的活性。

表4 土壤酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Correlation between soil enzymatic activities and soil chemical properties

2.3 水稻秸稈炭對(duì)蓮藕植株生長(zhǎng)的影響

施用水稻秸稈炭會(huì)影響蓮藕植株的生長(zhǎng),它對(duì)蓮藕立葉半徑、浮葉半徑、立葉葉綠素含量的影響如圖4所示。相比CK處理,水稻秸稈炭施用對(duì)蓮藕立葉、浮葉的生長(zhǎng)未能達(dá)到顯著性差異。此外,水稻秸稈炭的施用也會(huì)對(duì)蓮藕立葉葉綠素含量產(chǎn)生影響,相比CK處理,350 ℃水稻秸稈炭處理組均能提升蓮藕植株立葉葉綠素含量,且提升作用隨施用量的增加而增加,立葉葉綠素含量的增加有助于立葉的生長(zhǎng);而650 ℃水稻秸稈炭的提升作用較350 ℃水稻秸稈炭相對(duì)差些,只有G處理有一定的提升作用,但未達(dá)到顯著性差異。水稻秸稈炭施用后能提升植株的葉綠素含量,促進(jìn)蓮藕植株的生長(zhǎng),其可能的原因如下:1) 施用水稻秸稈炭后改善了土壤的化學(xué)性質(zhì),提升了土壤的養(yǎng)分含量,供應(yīng)給植株充足的養(yǎng)分,為其生長(zhǎng)奠定了良好的基礎(chǔ);2) 水稻秸稈炭施用后提升了土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶的活性,酶活性的提升加速了土壤中的碳、氮、磷循環(huán),促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的釋放,將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟梢岳玫酿B(yǎng)分形態(tài),從而促進(jìn)了植株葉綠素的合成,提升了植株葉片的光合效能,蓮藕植株的長(zhǎng)勢(shì)得到改善[32-34]。

圖4 水稻秸稈炭對(duì)蓮藕植株生長(zhǎng)的影響Fig.4 Effects of rice straw biochar on growth of lotus root plant

3 結(jié) 論

本文研究了水稻秸稈炭施用對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)、酶學(xué)性質(zhì)和蓮藕植株生長(zhǎng)的影響,得到如下結(jié)論:

1) 施用水稻秸稈炭能夠提升土壤pH,土壤全氮、全磷和速效養(yǎng)分含量的提升更有利于蓮藕生長(zhǎng);

2) 施用水稻秸稈炭能夠提升土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性,且提升作用隨施用時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng),但土壤過氧化氫酶活性在水稻秸稈炭施用后降低;

3) 350 ℃水稻秸稈炭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%施用量下可顯著提升蓮藕植株立葉葉綠素含量,蓮藕植株的生長(zhǎng)狀況有所改善。