2023, Vol. 44
2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源中心, 石家庄 050021
2. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, China
我国盐渍地面积99万km2, 其中, 近1/8(约12.3万km2)具有农业利用潜力且尚未开发而处于荒芜状态[1].处于生态、人口与经济压力激增的世界格局与大背景下, 运用农业废弃物资源等生物改良措施开发利用荒芜盐碱地是解决耕地面积缩减和资源利用率低下的双赢策略.
在干旱和半干旱地区, 有机改良剂用于受盐影响土壤的复垦及其机制的研究已经引起广泛关注[2].生物炭是农作物秸秆等有机物质在缺氧或限氧条件下热裂解转化得到的富含碳(C)的副产品[3], 被用作土壤改良剂[4, 5].据报道, 生物炭可改善土壤理化性质、提高土壤养分含量和有效性[6], 调节微生物群落结构和活性、促进植物生长[7]、减少N2O的排放[8, 9]和改良盐碱土[2].此外, 生物炭含碳量高并表现出一定的化学惰性, 在一定程度上可减缓农药毒性[10], 以及陆地生态系统碳循环.因此, 使用生物炭改良土壤是全球范围内评估提高土壤肥力和缓解气候变化的一种手段[11].Hussain等[10]建议, 应立即关注生物炭对不同土壤类型土壤功能及其归宿的长期影响.
施用土壤调理剂是改良盐碱地相对简单高效的重要措施之一, 可以通过调节土壤pH值, 降低土壤盐分、改善土壤结构以及调节微生物等作用来降低盐碱土壤对作物的危害程度, 达到缓解作物盐害、促进作物生长和提高产量的目的[12, 13], 在不同区域不同类型盐碱土的水稻、玉米和小麦均效果良好[14~16].有效增加土壤的通透性, 提高壤土的团聚体稳定性, 提高土壤微生物活性[17].
种植耐盐适生作物是改良盐碱地常用的生物措施, 油葵(Helianthus annuus Linn.)具有耐盐碱、耐瘠薄的特点, 常在盐碱和干旱贫瘠地区大量引种, 已成为世界第二大油料作物[18].但油葵能否作为先锋开荒作物种植在滨海荒芜重盐碱地以及生物炭或土壤调理剂对油葵的影响尚未见报道.
为此, 在滨海荒芜重盐碱地开展了施用生物炭和土壤调理剂这2种物料对先锋作物油葵种植地的养分与盐分改良效应研究, 通过探索生物改良技术措施、开发滨海荒芜重盐碱地、利用劣质水土资源变废为宝和缓解我国耕地面积缩减与环境恶化的局面, 实现循环农业、提升农业生产力、生态持续和经济活力.
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验区设在河北省沧州市海兴县小山山西凹, 地处河北省东南部, 为渤海低平原区, 属暖温带半湿润半干旱季风气候区, 年均气温12.1℃, 1月均温-4.5℃, 极端最低气温-19.9℃, 初霜期和终霜期多分别出现在10月下旬和4月中旬; 多年平均降水量为582.3 mm, 6~8月降水量约占全年降水量的74%, 冬春季降水量极少.地势低洼平坦, 土壤为滨海砂壤质荒芜重盐碱土, 0~100 cm土层含盐量周年大于5 g ·kg-1.地下水位埋深1.5~2.0 m, 矿化度为9.3~12 g ·L-1.
播种前试验地0~30 cm土层盐分含量为3.04 g ·kg-1, pH值为8.28, ω(NO3--N)为36.2 mg ·kg-1, ω(NH4+-N)为1.2 mg ·kg-1; ω(Olsen-P)为22.5 g ·kg-1, ω(SOM)为6.41 g ·kg-1, ω(全N)为0.58 g ·kg-1.
1.2 试验设计本试验设生物炭(B)和土壤调理剂(C)这2个因素.生物炭设不施用(对照)与施用1.25 kg ·m-2生物炭(B)这2个水平; 调理剂(C)施用量设3个水平, 分别为0、0.83和1.66 kg ·m-2, 组成不施用生物炭条件下的C0、C1、C2和施用生物炭条件下的BC0、BC1和BC2共6个处理.按生物炭施用与否采取裂区设计, 每个区组内不同处理顺序排列, 重复3次. 每个小区长8 m, 宽7.5 m, 小区面积为60 m2.供试生物炭主要成分为炭化玉米秸秆, ω(C)为534.5 g ·kg-1, ω(N)为10.5 g ·kg-1, ω(P)为3.99 g ·kg-1, ω(K)为15.3 g ·kg-1, 比表面积160.2 m2 ·g-1, 总孔容积0.33 mL ·g-1.土壤调理剂含ω(有机质)≥35.0%, ω(总腐殖酸)≥10.0%, ω(MgO)≥1.0%.
于试验前一年的深秋季节规划试验小区, 平整土地, 隆冬时节当地表温度低于-4℃时抽取当地地下咸水, 进行地表漫灌, 灌水量180 mm.翌年开春3月初咸水冰开始融化时立即覆膜, 播种前掀膜, 手工均匀撒施生物炭、调理剂, 以及N-P2 O5-K2 O含量为26-10-12控失肥60 g ·m-2, 旋耕播种棉花.品种为鲁棉-28, 播种行距为60 cm; 株距为28~30 cm, 栽植密度为3 600株·(667 m2)-1, 播种后立即覆膜.播种后7~15 d棉花出苗率低于5%.于6月24日补播种油葵, 捅破地膜, 点穴播种, 品种为矮大头567DW, 株距20 cm, 行距62.5 cm, 出苗后平均密度为8.2株·m-2.
1.3 土壤样品采集与测定方法分别于播种前和油葵收获后采集土壤样品, 每个小区内按照“之”字形设5个采样点, 每个样点用直径3.5 cm土钻按每30 cm一层分层次取样, 采至90 cm, 同一小区各采样点的相同土层样品混匀装入8号自封口塑料袋中并做标记. 所有土样立即冷藏于冰盒内尽快运回实验室.取新鲜土壤样品约50 g用于NO3--N和NH4+-N测定, 剩余土壤样品立即风干用于测定土壤养分和盐分.NO3--N和NH4+-N用1 mol ·L-1的KCl浸提(液土比为10 ∶1), 过滤后用双波长紫外分光光度计测定；土壤pH(H2 O)用pH计(Mettler Toledo, FiveEasy, FE20)测定, 无CO2去离子水土比为2.5 ∶1的浸提液；盐分含量采用水土比为5 ∶1的土壤饱和浸提液-过滤后滴定.土壤SOM用重铬酸钾-硫酸于170~180℃磷酸浴法; 全N采用半微量凯氏法.土壤Olsen-P用0.5 mol ·L-1的NaHCO3(pH 8.5)浸提(液土比为20 ∶1), 滤液在880 nm下钼蓝比色测定.土壤Kex用1.0 mol ·L-1的NH4OAc(pH7)浸提(液土比为10 ∶1), 过滤后用火焰光度计(Chicago lllinois, 60648, Cole Parmer Instr. Company)测定[19].
1.4 数据分析采用Excel 2013进行数据整理与绘图; 采用SAS 9.2进行2因素方差分析; 采用Duncan新复极差法进行差异显著性检验.
2 结果与分析 2.1 生物炭与调理剂对土壤盐分及pH的影响与不施生物炭相比, 施用生物炭处理的0~30 cm和60~90 cm土层含盐量平均上升11.4%(P < 0.05)与16.7%(P < 0.05).施用土壤调理剂则显著降低油葵0~30 cm土壤含盐量, 且随调理剂用量增加降盐效果越大(P < 0.05).生物炭与调理剂的交互作用极显著影响0~30 cm(P < 0.01)与60~90 cm土壤含盐量(P < 0.01), C2与C1分别比C0的0~30 cm土层盐含量下降31.0%与19.0%(P < 0.05); BC2与BC1分别比BC0的0~30 cm土壤盐含量降低22.7%与11.4%(P < 0.05).施用生物炭和调理剂对0~90 cm土层的pH影响不显著(表 1).
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表 1 油葵收获后不同处理的土壤盐分及pH 1) Table 1 Impact of biochar and conditioner on soil salt and pH after oil sunflower collection |
2.2 生物炭与调理剂对土壤无机氮含量的影响
施用生物炭引起0~90 cm的土层NO3--N含量显著下降[P < 0.05, 图 1(a)], 与不施用生物炭相比, 施用生物炭处理的0~30、30~60和60~90 cm土壤NO3--N含量分别平均降低15.2%(P < 0.05)、43.5%(P < 0.01)和42.0%(P < 0.01).施用调理剂对0~30 cm土层的NO3--N含量影响不显著, 但对30~90 cm土层NO3--N含量有显著影响(P < 0.05).生物炭与调理剂同时施用的交互作用对0~90 cm土壤剖面的NO3--N含量影响显著(P < 0.01), C2处理显著提高0~90 cm土壤NO3--N含量(P < 0.05), 而BC2处理则显著降低0~90 cm土壤NO3--N含量(P < 0.05).
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C0: 不施用调理剂和生物炭, C1: 施用调理剂0.83 kg ·m-2, C2: 施用调理剂1.66 kg ·m-2, BC0: 施用生物炭不施用调理剂, BC1: 施用生物炭+调理剂0.83 kg ·m-2, BC2: 施用生物炭+调理剂1.66 kg ·m-2; 括号左边的不同符号表示施用生物炭的差异; 括号内的不同符号或字母表示施用调理剂的差异; 括号右边的不同符号表示生物炭×调理剂的交互作用, *和**分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平差异显著, ns表示差异不显著 图 1 不同处理下NO3--N和NH4+-N含量 Fig. 1 Content of NO3--Nand NH4+-Nunder different treatments |
施用生物炭或调理剂以及其交互作用均对土壤剖面0~90 cm的NH4+-N含量有极显著影响[P < 0.01, 图 1(b)], 施用生物炭比不施用生物炭组的0~30、30~60和60~90 cm土壤NH4+-N含量分别平均增加4.8、3.2和2.1倍(P < 0.01).BC1处理0~90 cm的土壤NH4+-N含量极显著高于其它处理(P < 0.01), 对照C0的0~90 cm的土壤NH4+-N含量最低.
2.3 生物炭与调理剂对土壤有效磷含量的影响施用生物炭极显著增加土壤Olsen-P含量, 比不施用生物炭组0~30、30~60和60~90 cm土壤Olsen-P含量分别平均增加14.7%(P < 0.01)、21.0%(P < 0.05)和16.4%(P < 0.01).生物炭与调理剂组合施用进一步提升0~90 cm土壤Olsen-P含量, BC1处理增磷效果尤其显著, 0~30、30~60和60~90 cm的Olsen-P含量比其余5个处理提高7.9% ~28.2%(P < 0.01)、11.0% ~37.0%(P < 0.05)和4.6% ~28.2%(P < 0.01), 而不施用生物炭和调理剂的对照C0处理的Olsen-P最低(表 2).
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表 2 不同处理下土壤Olsen-P含量1)/mg ·kg-1 Table 2 Soil Olsen-P content under different treatments/mg ·kg-1 |
2.4 生物炭与调理剂对土壤有机质含量的影响
施用生物炭对土壤剖面0~90 cm的SOM含量影响不显著, 但施用调理剂显著提高0~30 cm土壤的SOM(P < 0.05), 对30~90 cm土层SOM含量影响不显著(表 3).生物炭与调理剂的交互作用显著影响0~30 cm的SOM含量, 其中, C2处理显著提高0~30 cm土壤SOM含量(P < 0.05).
2.5 生物炭与调理剂对土壤有效钾含量的影响施用生物炭和调理剂均显著提升0~90 cm土壤Kex含量, 与不施生物炭相比, 施用生物炭处理0~30、30~60和60~90 cm土壤Kex含量分别平均提高25.6%(P < 0.01)、13.4%(P < 0.05)和38.9%(P < 0.05).调理剂对60 cm以上土层的Kex含量有明显的提升作用.生物炭与调理剂组合施用的交互作用显著增加土壤剖面0~90 cm的Kex含量(P < 0.05), 其中BC2处理的土壤Kex含量最高, 对照处理C0的Kex含量最低(表 4).
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表 3 不同处理下SOM含量1)/g ·kg-1 Table 3 SOM content under different treatments/g ·kg-1 |
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表 4 不同处理下土壤Kex含量1)/mg ·kg-1 Table 4 Soil Kex content under different treatments/mg ·kg-1 |
3 讨论 3.1 生物炭与土壤调理剂处理对土壤盐分含量的影响
不少研究报道施用生物炭显著降低土壤盐分含量[20~22], 而Major等[23]报道, 生物炭施用后, 土壤pH值升高, 交换性酸度呈下降趋势, 代红翠等[24]报道, 生物炭同时提高土壤pH和EC.本研究结果表明, 施用生物炭土壤0~30 cm和60~90 cm土层的盐分含量升高(表 1).这也解释了生物炭抑制油葵植株的原因[25].土壤盐分的升高归因于生物质炭具有芳构化的超微多孔结构和巨大的表面积, 具有比较强的吸附分子、阴阳离子、极性和非极性物质的能力, 从而对土体的盐分离子有强烈的吸附作用所致.其次, 生物炭中的Ca2+和Mg2+等离子可交换盐碱土壤胶体中Na+; 导致Na+不易被植株吸收, 油葵植株部分的离子含量检测也证实了这一点[25].此外, 也可能与生物炭的施用量有关.关于生物炭对盐碱地土壤盐分的作用机制还需进一步研究.本文结果表明, 生物炭对土壤pH没有显著影响(表 1), 这与Zheng等[26]研究的结果一致.
不同于樊丽琴等[16]的研究结果, 本研究表明施用土壤调理剂显著降低油葵0~30 cm土壤含盐量, 且随调理剂用量增加降盐效果越大(表 1), 因而表现出促进油葵生长的积极影响[25].与南江宽等[27]试验的多种调理剂都有降盐效果一致.原因是调理剂中的腐殖酸能增加土壤的孔隙度, 增强土壤保水透水性能, 有利于土壤盐分淋洗, 从而降低土壤盐分[28, 29].张玉凤等[14]的报道, 施用调理剂后盐碱地土壤EC降低15.8% ~20.1%, pH值下降0.03.本研究中施用调理剂对土壤pH没有显著影响(表 1), 但长期施用调理剂可能有显著降低pH和EC的效果[2, 30], 这应与调理剂的腐殖酸中和土壤碱性降低土壤pH的功效有关[12].
3.2 生物炭与土壤调理剂处理对土壤无机氮含量的影响DeLuca等[31]报道, 生物炭能加快土壤硝化作用.但是, 据Gao等[4]总结2000~2017年文献综述, 施用生物炭土壤NO3--N平均减少12%, 而NH4+-N增加11%.Zheng等[26]研究报道, 生物炭处理的作物根际土壤中NH4+-N含量增加34.9% ~55.3%, 但非根际土壤中的NH4+-N含量降低了10.8% ~50.8%.生物炭处理根际和非根际土壤NO3--N含量分别降低了62.7% ~68.6%和63.9% ~89.3%.本研究结果表明, 施用生物炭引起0~90 cm土层NH4+-N显著提升2.1~4.8倍, 但NO3--N含量显著降低15.2% ~43.5%(图 1).生物炭对土壤无机氮形态和含量影响因生物炭和土壤类型而异, 也与生物炭对铵的吸附作用、土壤pH值、增强氨挥发损失, 以及形成微生物量氮及AOB等密切相关, 其中, 受生物炭的C ∶N比和土壤pH的影响最大[4].Wang等[32]研究发现, 生物炭抑制硝化作用是由于氨氧化细菌(AOB)丰度降低.而据罗煜等[33]报道, 生物炭能够强烈吸附土壤NH4+-N, 那么主要存在于土壤溶液中的NO3--N, 因移动性大不易被生物炭吸附而更容易被油葵吸收利用, 导致土壤NO3--N含量显著降低(图 1), 从而能有效降低无机氮以NO3--N形式淋失的风险.当然, 究竟是NO3--N还是NH4+-N是油葵吸收的主要无机氮形态还需要进一步研究.对这些问题的探索可为开展生物炭基新型氮肥及硝化抑制剂的科学研究提供思路.本研究表明, 调理剂有确切的提升土壤NH4+-N含量的效果, 而且当土壤调理剂施用量为1.66 kg ·m-2时, 0~90 cm土层的NO3--N含量也显著增加.这归因于调理剂富含的腐殖质中的有机氮矿化, 且以NO3--N为主要的矿化形态.当调理剂与生物炭结合施用(BC1和BC2)时, 出现NH4+-N含量增加, 而NO3--N减少, 再次佐证了生物炭抑制了土壤调理剂矿化产生的NH4+-N向NO3--N转化.
3.3 生物炭与土壤调理剂处理对土壤Olsen-P含量的影响本研究表明施用生物炭0~90 cm剖面土壤Olsen-P含量增加14.7% ~21.0%(表 2), 这与姜志翔等[34]研究的结果一致.施用生物炭增加土壤磷含量的原因与生物炭对磷的强烈吸附有关, 不同材质来源的生物炭对磷的吸附性能差别较大, 施入酸性土壤中, 可增加有效P吸附.在石灰性土壤中, 施用玉米秸秆和柳枝稷生物炭等碱性生物炭则降低吸附P的有效性[3].但Gao等[4]的研究表明, 在所有试验的不同土壤类型或试验条件下施用不同特性及材料来源的生物炭, 土壤表层的有效磷和微生物磷平均分别增加45.0%和48.0%[3, 4].用在宁夏低质淡灰钙土有效P显著增加[35].
土壤调理剂由于富含有机物, 用作土壤改良剂可显著提高土壤磷含量[6, 16, 30, 36, 37].本研究表明, 生物炭与调理剂组合施用进一步提升0~90 cm土壤Olsen-P含量(表 2).这些结果为制定广泛采用生物炭和调理剂提升土壤磷的有效性以及农业废弃物秸秆等资源化的管理策略提供了科学依据.
3.4 生物炭与土壤调理剂处理对土壤有机质含量的影响Xu等[37]研究结果, 营养不良的原料, 如玉米棒和玉米秸秆, 在热解或完全燃烧成灰烬时, 可作为有效的有机改良剂, 比施用营养不良材料的新鲜残留物, 生物量分别增加了400%和350%.有研究报道, 施用生物炭可提高土壤有机质含量[23, 37~39].但也有生物炭引起土壤有机质损失的报道[40, 41].Curnoe等[41]报道, 施用土壤调理剂可临时性增加SOM, 并且不增加NO3--N淋失的风险, 如果每年春季施用1次土壤调理剂, 对土壤养分水平、SOM和pH影响很小.黄腐酸或者与秸秆组合均能提高土壤有机质[22, 39, 42].本研究结果显示, 生物炭对土壤剖面0~90 cm的SOM含量影响不显著, 而调理剂显著提高0~30 cm土壤SOM(表 3).与之前报道的一致, 调理剂在改善土壤方面有确切效果[14, 20~22, 43~46], 施用土壤调理剂6 a, 土壤总的C、N和P显著增加, SOM累积1.6倍, 对盐碱地增肥降盐去碱效果良好[30].
3.5 生物炭与土壤调理剂处理对土壤有效钾含量的影响施用生物炭和调理剂均显著提升0~90 cm土壤Kex含量, 施用生物炭比不施生物炭处理0~90 cm土壤Kex含量提高13.4% ~38.9%(P < 0.05, 表 4).施用生物炭后, 土壤Kex含量显著提升, 是因为生物炭的来源主要是秸秆, 而秸秆是富K的部位, K在植物体内是以K+形式存在, 并不会因为秸秆炭化而损失.因此, 施用生物炭相当于K肥替代, 必然增加土壤Kex含量.这也解释了平衡施肥与生物炭组合提高作物产量的原因[8, 46, 47].其次, 生物炭和调理剂均能够吸附土壤速效钾和活化矿质钾的有机酸, 改善土壤微生物群落, 从而促进土壤中矿物质钾的活化[10, 37, 47].
4 结论施用生物炭增加0~30 cm和60~90 cm土层盐分含量, 极显著提高土壤0~90 cm剖面的NH4+-N、Olsen-P含量以及Kex含量, 起硝化抑制剂的作用, 对土壤剖面0~90 cm的SOM含量影响不显著.施用土壤调理剂则显著降低0~30 cm土壤含盐量, 提高0~30 cm土壤SOM含量.生物炭与调理剂均对土壤pH影响不显著.单施生物炭或调理剂或者二者组合施用均显著增加0~90 cm土壤NH4+-N、Olsen-P和Kex含量, 但生物炭对这3种养分指标的提升效果更显著.土壤调理剂在增加0~30 cm的SOM和降盐方面更有效.因此, 将生物炭与土壤调理剂结合施用, 将是利用生物改良剂提升滨海荒芜重盐碱地肥力、防止土壤NO3--N淋失、降低耕层盐分和减少土壤环境污染的有效策略.
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