2024, Vol. 44文章信息
- 詹增意, 郝丽伟, 岳岐, 刘帅, 曹殿云, 陈温福, 兰宇, 钱创建
- ZHAN Zengyi, HAO Liwei, YUE Qi, LIU Shuai, CAO Dianyun, CHEN Wenfu, LAN Yu, QIAN Chuangjian
- 施用生物炭对东北大豆草甸土理化性质及腐殖质组分的影响
- Effect of biochar application on the physicochemical properties and humus components of soybean meadow soil in Northeast China
- 生态学报. 2024, 44(17): 7797-7806
- Acta Ecologica Sinica. 2024, 44(17): 7797-7806
- http://dx.doi.org/10.20103/j.stxb.202312092684
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文章历史
- 收稿日期: 2023-12-09
- 网络出版日期: 2024-07-01
2. 黑龙江省农业科学院经济作物研究所, 哈尔滨 150086
2. Institute of Economic Crops, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China
大豆是我国重要的粮食和经济作物, 具有丰富的营养价值和广泛的用途, 并且其种植面积和产量均占全国1/3以上。但其产需的缺口却逐年增加, 因此稳定与提高大豆的产量和品质是当前大豆生产过程中的迫切需求。在农业生产中, 大豆的连作、化肥滥用和土壤养分供应不足及不平衡等问题都会导致耕地土壤板结、土壤有机质含量下降和土壤酸化、退化等问题, 从而影响我国大豆的产量[1]。
生物炭是以农林废弃物等生物质为原料, 通过热解将生物质转化为富含碳的微孔材料[2]。相比其他土壤改良剂, 生物炭具有原材料便宜易得、丰富的微孔结构和较大的比表面积等特点, 并且含有植物生长所必需的大量元素和中微量元素, 不仅可以提高土壤的养分, 更对土壤有机质和微生物活性有着显著的提升作用[3-4]。土壤有机质含量的提高有利于改善土壤的理化性质, 提高养分含量, 而土壤可提取的腐殖物质(Humus extracted, HE)占土壤有机质的50%-70%, 是土壤有机质的重要组成部分。其中Liu等[5]研究表明, 生物炭添加改变了土壤微生物环境, 促进其群落的演替, 能够有效地刺激土壤腐殖物质的形成。Chen等[6]对水稻土的研究表明, 生物炭添加显著提高了土壤pH值、阳离子交换量和土壤有机质含量。李昉泽等[7]对砖红壤的研究表明, 添加生物炭后砖红壤的土壤pH值、碱解氮、有效磷、速效钾、阳离子交换量和土壤有机质含量有显著提高。李红宇等[8]对水稻盐碱土的研究表明, 生物炭施用后能够有效的增加土壤速效养分、腐殖质和有机质的含量。刘兴等[9]对黑土和潮棕壤土的研究表明, 生物炭添加对土壤理化性质和微生物产生了显著影响, 与潮棕壤相比, 生物炭施用后对黑土的全量养分提升较大。王莉等[10]对大豆重茬黑土的研究表明, 大豆重茬对土壤腐殖质结合形态产生了影响, 重茬3年土壤的松结态腐殖质、稳结态腐殖质含量明显提高。而本研究以辽河平原典型的草甸土为研究对象, 通过连续2年的田间试验, 初步研究了生物炭逐年添加对大豆土壤理化性质、腐殖质组分及大豆产量的影响, 进一步完善和丰富耕地土壤保护和大豆高产优质栽培技术, 为生物炭和化肥合理施用及今后的深入研究提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验地概况本试验地位于辽河流域下游辽中卡力玛试验基地(41°47′N, 122°71′E), 处于温带湿润-半湿润季风气候, 年平均日照时数2575 h, 平均年降雨量694 mm, 平均温度8.1 ℃。本试验研究地土壤为草甸土, 其基础理化性质如表 1所示：
| 土壤性质Soil property | 值Value | 单位Units | 土壤性质Soil property | 值Value | 单位Units | |
| pH | 7.57 | 全磷Total P | 0.44 | g/kg | ||
| 电导率Electrical conductivity | 175.28 | μS/cm | 全钾Total K | 32.75 | g/kg | |
| 碱解氮Alkeline-N | 33.83 | mg/kg | 全氮Total N | 0.45 | g/kg | |
| 速效钾Olsen-K | 102.50 | mg/kg | 有机碳Organic carbon | 5.13 | g/kg |
供试作物为大豆(‘铁峰29’), 供试生物炭是以玉米秸秆为原材料制备, 制备方式为无氧条件下高温裂解制得, 通过500℃高温热解2小时制备而成, 将制备的生物炭通过2 mm筛, 彻底混匀。其生物炭的基础理化性质如表 2所示：
| 生物炭性质Biochar property | 值Value | 单位Units | 生物炭性质Biochar property | 值Value | 单位Units | |
| pH | 9.2 | 比表面积Surface area | 8.87 | m2/g | ||
| 全氮Total N | 12.17 | g/kg | 孔隙度Poresize | 16.23 | nm | |
| 有机碳Organic carbon | 660 | g/kg | 灰分Ash content | 15.57 | % |
本试验共设置了4个处理, 分别为①空白对照(CK)、②常规施肥(NPK)、③单施生物炭(B1)、④化肥+生物炭(NPK+B1)。试验开始于2019年, 于每年5月10日左右播种, 9月23日左右收获, 施肥前对土地进行人工翻耕松土, 添加生物炭时与土壤0-20 cm土层充分混匀, 大豆收获后, 每个小区随机选取三点, 用土钻采集0-20 cm土层的土壤, 充分混合均匀后装入自封袋中, 室内风干, 分别过20、60和100目筛后进行后续的测定。
如图 1所示, 本试验在大豆成熟期进行测定, 试验地每个小区长4 m, 宽2 m, 面积为8 m2, 采用随机区组设计, 每个处理三次重复, 试验各处理施用的化肥用量为尿素N(30 kg/hm2)、过磷酸钙P2O5 (90 kg/hm2)、硫酸钾K2O (90 kg/hm2), 生物炭添加量为3 t/hm2, 且为逐年添加。
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| 图 1 试验地点 Fig. 1 Experimental location |
土壤中全氮(TN)利用元素分析仪(Elementer Macro Cube, 德国)测定, 碱解氮(AN)的测定采用碱解扩散法, 土壤中全磷(TP)的测定用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法, 土壤有效磷(AP)的测定用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法(Olsen法), 土壤全钾(TK)的测定用碱熔-火焰光度法, 土壤速效钾(AK)的测定用乙酸铵浸提-火焰光度法, 土壤有机碳(OC)的测定用重铬酸钾容量法-外加热法测定, pH和电导率(EC)采用电位法和电导率测试仪测定[11]。
土壤腐殖质提取测定采用腐殖质组成修改法进行提取[12]。分别提取出腐殖物质(HE)、富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)。首先用去离子水提取出水溶性物质；然后用0.1 mol/L NaoH与0.1 mol/L Na4P2O7 · 10 H2O混合液为提取剂, 通过震荡、离心和过滤等步骤, 从土壤中提取出可提取的HE, 再加入1 mol/L H2SO4调节pH 1.0-1.5, (60-70 ℃)保温、静置过夜, 过滤分离出沉淀物HA和溶液FA, 测定溶液FA含量；HA含量为HE与FA含量之差。测定HE与FA中有机碳含量采用TOC分析仪(Analytik Jena 3100, 德国)。
1.5 数据整理与分析试验所得数据结果采用Excel和Origin 2018等软件进行整理数据并绘制图表, 利用SPSS 17.0软件进行数据处理系统进行方差分析和显著性检验。采用Origin 2018软件进行主成分PCA散点图分析；采用Duncan差异显著分析方法多重比较各种处理间差异的显著性, 差异显著性水平为P＜0.05。
2 结果 2.1 生物炭配施化肥对土壤理化性质的影响生物炭对土壤pH值、EC及OC的变化情况如表 3所示, 土壤△pH值的变化范围为0.13-0.20, 其中NPK+B1处理的土壤pH值较CK处理显著增加了4.76%和3.43%, 与NPK处理相比, NPK+B1处理显著增加土壤pH值4.20%和4.12%。土壤EC的变化范围为105.65-244.40 μs/cm, 其中NPK+B1处理的EC含量最高, 为195.85 μs/cm和244.40 μs/cm。且与CK处理相比, NPK+B1处理显著增加EC含量79.84%和117.52%, 与NPK处理相比, NPK+B1处理显著增加EC含量85.38%和49.22%。而土壤OC含量范围在5.17-6.56 g/kg, 其中NPK+B1处理的土壤OC含量最高, 为6.29 g/kg和6.56 g/kg, B1处理次之。且NPK+B1处理的土壤OC含量较CK处理显著增加了19.35%和26.89%。
| 处理Treatment | CK | NPK | B1 | NPK+B1 | |||||||
| 2019 | 2020 | 2019 | 2020 | 2019 | 2020 | 2019 | 2020 | ||||
| pH | 7.57±0.05c | 7.58±0.02bc | 7.61±0.13bc | 7.53±0.06c | 7.87±0.02ab | 7.74±0.07ab | 7.93±0.10a | 7.84±0.03a | |||
| 电导率EC/(μs/cm) | 108.90±4.33b | 112.36±11.05c | 105.65±1.53b | 163.79±6.92b | 115.55±3.84b | 113.45±5.92c | 195.8±21.97a | 244.4±11.03a | |||
| 有机碳Organic C/(g/kg) | 5.27±0.12b | 5.17±0.29b | 5.70±0.19ab | 6.02±0.10a | 6.19±0.31ab | 6.12±0.20a | 6.29±0.41a | 6.56±0.23a | |||
| CK：空白对照Blank control；NPK：氮磷钾肥Nitrogen phosphorus and potassium；B1：单施生物炭Single application of biochar；NPK+B1：氮磷钾肥配施生物炭Nitrogen phosphorus and potassium fertilizer combined with biochar; EC: 电导率Electrical conductivity; 不同小写字母表示相同年份不同处理间差异达到P＜0.05显著水平 | |||||||||||
从图 2生物炭施用对土壤养分的变化情况可知, 土壤AN含量变化为33.60-51.33 mg/kg, 其中NPK+B1处理的土壤AN含量最高, 为44.80 mg/kg和51.33 mg/kg, B1处理次之。且NPK+B1处理的土壤AN含量较CK处理显著增加了22.74%和52.77%, 与NPK处理相比, NPK+B1处理显著增加土壤AN含量18.93%和49.65%。而土壤TN含量变化为0.67-0.87 g/kg, 其中NPK+B1处理的土壤TN含量最高, B1处理次之。且NPK+B1处理的土壤TN含量较CK处理显著增加了20.90%和29.85%, 与NPK处理相比, 2020年NPK+B1处理显著增加土壤TN含量24.29%。
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| 图 2 2019年和2020年生物炭施用对土壤养分的影响 Fig. 2 Impact of returning biochar to farmland on soil nutrients in 2019 and 2020 CK：空白对照Blank control；NPK：氮磷钾肥Nitrogen phosphorus and potassium；B1：单施生物炭Single application of biochar；NPK+B1：氮磷钾肥配施生物炭Nitrogen phosphorus and potassium fertilizer combined with biochar, 不同小写字母表示相同年份不同处理间差异达到p＜0.05显著水平 |
土壤AP含量变化为10.23-22.50 mg/kg, 其中NPK+B1处理的土壤AP含量最高。且与CK处理相比, NPK处理显著增加土壤AP含量101.17%和97.03%, 同时NPK+B1处理显著增加土壤AP含量104.59%和115.72%。而土壤TP含量变化为0.32-0.59 g/kg, 其中NPK+B1处理的土壤TP含量最高, 为0.56 g/kg和0.59 g/kg, NPK+B1处理的土壤TP含量较CK处理显著增加了51.35%和84.38%。
土壤AK含量变化为116.67-148.00 mg/kg, 其中NPK+B1处理的土壤AK含量最高, 为135.00 mg/kg和148.00 mg/kg, B1处理次之。且与CK处理相比, NPK+B1处理显著增加土壤AK含量15.71%和25.78%, 与NPK处理相比, 2020年NPK+B1处理显著增加土壤AK含量18.88%。而土壤TK含量变化为23.50-33.75 g/kg, 其中NPK+B1处理的土壤TK含量最高, 为31.83 g/kg和33.75 g/kg, B1处理次之。且NPK+B1处理的土壤TK含量较CK处理显著增加了19.35%和43.62%, 与NPK处理相比, 2020年NPK+B1处理显著增加土壤TK含量32.35%。由此可见, 生物炭配施化肥提高了土壤的pH值、EC、AN、AP、AK、TN、TP、TK和OC的含量, 显著提高了土壤养分。
2.2 生物炭配施化肥对土壤腐殖质组分和腐殖化程度的影响从表 4生物炭施用对土壤腐殖质组分变化情况可知, 随着生物炭施用及配施化肥, 各处理土壤腐殖质组分间碳含量均表现为HM>HA>FA。土壤腐殖质组分呈增加的趋势, 并且土壤腐殖质的碳含量呈现的趋势为NPK+B1>B1、NPK>CK。NPK和B1处理的HA和FA含量与CK处理相比无显著差异, 且NPK+B1处理的土壤腐殖质组分显著增加, 其中HA含量分别增加24.49%和45.65%；FA含量分别增加22.67%和34.33%；HM含量分别增加26.35%和27.62%。综上分析可知, 生物炭施用及配施化肥均能提高土壤腐殖质HA、FA和HM的含量, 但是FA的增幅不如HA含量明显。
| 处理Trratment | 胡敏酸Humic acid/ (g/kg) | 富里酸Fulvic acid/ (g/kg) | 胡敏素Humin/ (g/kg) | |||||
| 2019年 | 2020年 | 2019年 | 2020年 | 2019年 | 2020年 | |||
| CK | 0.98±0.09b | 1.38±0.01b | 0.75±0.02b | 0.67±0.03b | 3.53±0.19b | 2.86±0.11b | ||
| NPK | 1.13±0.03ab | 1.45±0.07ab | 0.74±0.03b | 0.71±0.06ab | 3.83±0.21ab | 3.87±0.16a | ||
| B1 | 1.10±0.07ab | 1.80±0.34ab | 0.84±0.05ab | 0.80±0.02ab | 4.25±0.24a | 3.52±0.16ab | ||
| NPK+B1 | 1.22±0.04a | 2.01±0.06a | 0.92±0.05a | 0.90±0.10a | 4.46±0.16a | 3.65±0.35a | ||
从图 3中可以看出, NPK、B1和NPK+B1处理的HA/FA和HA/HE值含量较CK处理相比有所增加, 其中虽然2019年B1和NPK+B1的HA/HE值有所增加, 但HA/FA和HA/HE值变化无显著差异。相比于CK处理, 2020年NPK、B1和NPK+B1处理显著增加了HA/HE值含量, 从17.54%增加到21.05%, B1处理显著增加HA/FA含量27.18%。总体来说, 生物炭施用及配施化肥提高了土壤腐殖质腐殖化的活性, HA/FA和HA/HE值含量增加趋势明显, 说明生物炭施用及配施化肥到土壤中HA的增加幅度大于FA, FA受到了抑制。
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| 图 3 2019年和2020年各处理土壤的腐殖化程度 Fig. 3 The degree of soil humification in each treatment in 2019 and 2020 |
从图 4生物炭施用对大豆产量的变化情况可知, 大豆产量变化为1374.88-2678.92 kg/ha, 其中NPK+B1处理的大豆产量最高, 为2678.92 kg/ha, B1处理次之, 为2072.71 kg/ha。且与CK处理相比, 2019年NPK、B1和NPK+B1处理的大豆产量显著增加了40.07%、46.91%和99.67%, 与NPK处理相比, NPK+B1处理的大豆产量显著增加了42.55%。2020年NPK+B1处理的大豆产量较CK处理显著增加了90.36%。综上所述, 生物炭施用及配施化肥能够大幅增加大豆作物产量。
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| 图 4 2019年和2020年生物炭施用对大豆产量的影响 Fig. 4 The impact of biochar return on soybean yield in 2019 and 2020 |
对土壤理化特性与腐殖质组分分别进行相关性分析(图 5)和主成分分析(图 6)表明, pH值与土壤AK、TK、AN、TN和HA呈显著正相关关系。EC与土壤AK、TK、AP、TP、AN、TN、FA、HA和大豆产量呈显著正相关关系。AK与土壤TK、TP、AN、TN、OC、HA、FA和大豆产量呈显著正相关关系。AP与TP呈显著正相关关系。TP与土壤OC、HA、HM和大豆产量呈显著正相关关系。AN与土壤TN、FA、HA和大豆产量呈显著正相关关系。TN与土壤FA、HA、HM、OC和大豆产量呈显著正相关关系。OC与土壤FA、HA、HM和大豆产量呈显著正相关关系。FA与土壤HA和大豆产量呈显著正相关关系。HM与大豆产量呈显著正相关关系。
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| 图 5 腐殖质与土壤养分及产量的相关性分析 Fig. 5 Correlation analysis between humus and soil nutrients and yield EC: 电导率Electrical conductivity；AK: 速效钾Available K；TK: 全钾Total K；AP: 有效磷Available P；TP: 全磷Total P；AN: 碱解氮Available N；TN: 全氮Total N；FA: 富里酸Fulvic acid；HA: 胡敏酸Humic acid；HM: 胡敏素Humin；OC: 有机碳Organic carbon；Yield: 大豆产量Soybean yield |
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| 图 6 主成分分析散点图 Fig. 6 Scatter plot of principal component analysis |
土壤养分是影响土壤肥力的重要指标, 含有作物生长所必须的营养元素。而生物炭的应用已被证明可以显著改善土壤的理化性质[13]。试验结果表明, 随着种植年限的增加各处理土壤pH值含量均有所下降, 这与杨劲峰等[14]研究一致。此外, 与CK处理相比, B1和NPK+B1处理提高了土壤pH值含量, 这与樊洪等[15]研究一致, 可能是因为生物炭表面存在负电荷的酚类、羧基和羟基, 可以与土壤溶液结合, 从而提高土壤pH值。
土壤电导率(EC)是一种测量土壤盐含量的方法, 是养分可用性、利用效率、土壤质地和有效水容量的良好指标。NPK、B1和NPK+B1处理提高了土壤EC值, 这可能是由于生物炭及化肥中的阳基离子(K、Ca、Mg等)被释放溶解到土壤水分中, 从而导致土壤盐分增加。Chintala等[16]研究表明, 玉米秸秆生物炭可以显著增加土壤溶液中的EC, 这与本研究结果基本一致。
土壤有机碳是土壤的核心部分, 本研究中, 随着种植年限的增加B1处理的土壤OC含量有所下降, 可能是因为生物炭中还含有一些不稳定或易被微生物等分解的C, 被浸出丢失。而与CK处理相比2020年NPK、B1和NPK+B1处理显著增加了土壤OC含量, 这与他人的研究结果[17-22]相似, 原因可能是因为生物炭本身含有较高的碳含量, 不易被矿化分解；并且含有大量的芳香族有机化合物, 与其他物质相比很难被微生物降解。
研究发现, 与CK处理相比, NPK+B1处理显著提高了土壤AN、TN、AP、TP、AK和TK的含量。这可能是由于生物炭和化肥的应用提高了土壤养分的有效性, 且秸秆制成的生物炭含有游离的营养阳离子与土壤之间发生相互作用和反应, 如溶解和沉淀、吸附和解吸以及氧化还原反应等, 增强了对土壤养分的吸附能力, 减少了养分的损失。Cao等[23]研究表明, 生物炭的添加提高了土壤pH值、EC、TC和TP含量, 不仅改善了土壤性质, 而且有利于提高土壤生物磷；孔祥清等[24]研究表明, 生物炭增加了盐碱地的TN、TP、TK和土壤有机质含量, 生物炭处理的大豆产量最高, 是CK的2.22倍；符小文等[25]研究发现, 施加化肥处理条件下会提高大豆植株干物质及各器官氮素的积累量。而B1处理的AP和TP含量与CK相比不显著可能是由于生物炭具有较大的孔隙度, 会使土壤含水量增加, 土壤氧化还原电位(Eh)降低, 降低了磷的活性。NPK和B1处理的速效钾含量与CK相比不显著可能是因为生物炭和化肥的施用促进了土壤中矿物质钾的活化, 这与潘占东等[26]研究结果一致；而李红宇等[8]研究表明, 单施生物炭处理除TK外, 土壤TN、TP、AP和AK含量均显著增加, 这与本研究基本一致。总体来说, 生物炭配施化肥逐年施用提高了大豆土壤的养分含量, 主要是生物炭因其特殊的理化性质, 能够产生正、负电荷, 有效地吸附土壤中的养分, 增加土壤有机质, 降低淋溶损失, 提高土壤养分效率。
试验结果表明, 与CK处理相比, 生物炭施用大幅度提高了大豆的产量, 且NPK+B1处理大豆产量增幅最大, 提高了94.85%。这可能是由于生物炭的添加改善了土壤的物理结构和微生物活性, 其较高的孔隙率提高了土壤中的水分和有机质含量, 促进了大豆根系生长发育, 同时, 添加生物炭也改善了土壤微生物活性, 微生物的大量繁殖间接地提高了土壤养分条件, 提高了产量。黄连喜等[27]研究发现, 生物炭能够改善土壤结构, 促进大豆的根系向下生长。且侯伟男等[28]也发现, 生物炭对大豆生长发育有着促进的作用, 提高了大豆地上部分的株高、鲜重及干重；地下部分的根瘤数、根瘤鲜重及干重, 对大豆产量有明显的促进作用。
3.2 生物炭逐年施用对大豆土壤腐殖质组分的影响生物炭逐年施用可以增强土壤微生物新陈代谢、刺激残留物和腐殖物质的分解, 从而合成一种有机高分子化合物, 并促进腐殖质形成。而生物炭添加也能改变土壤腐殖质组分的含量, 其组分的积累和分解会进一步影响土壤肥力[29]。FA、HA和HM含量在NPK+B1处理时显著高于CK, 并且NPK和B1处理与CK相比也明显有所增加, 这一结果说明生物炭配施化肥有助于土壤腐殖质组分改善, 且生物炭配施化肥方式对土壤腐殖质累积效果较好。该结果与孟凡荣等[30]的研究结果相似, 可能是由于生物炭添加后被土壤微生物矿化分解, 促进了土壤腐殖质的形成。而关松等[31]研究表明, 施肥措施提高了农田土壤肥力, 但对土壤HA数量影响不显著。
而在不同的形成条件下土壤腐殖质的腐殖化和分子复杂程度可以用腐殖质活性指标胡敏酸/富里酸(HA/FA)或PQ值来作为衡量指标, 通过HA和FA的比值及HA在腐殖酸中所占的比例来确定土壤腐殖化过程的优劣[32]。与CK处理相比, NPK+B1处理的HA/FA明显提高, 可能是因为相较于HA, FA分子量更小, 易被生物炭吸附, 而2020年与CK处理相比, 其他处理显著增加了PQ值, 并且2020年相较2019年明显提高了土壤HA/FA, 可能是由于2020年土壤拥有其上一年大豆生长发育过程中的残留物和腐殖物质, 而生物炭及化肥的施用, 使腐殖质各组分增加, 腐殖质得到更新和补充, 土壤活性增强, 这与他人的研究结果[33]相似。
4 结论本研究以东北辽河平原常见的草甸土为研究对象, 通过连续2年的田间试验, 对土壤理化性质、腐殖质组分、腐殖化程度及大豆产量进行了测定分析。试验发现, 与CK处理相比, NPK+B1处理显著提高了土壤pH值、EC、OC、NPK速效养分、NPK全量养分、腐殖质组分(FA、HA、HM)和大豆产量, 并明显提高了土壤腐殖化程度(HA/HE、HA/FA), 且与NPK处理相比, 2020年NPK+B1处理显著提高了土壤pH、EC、AN、TN、AK、TK。由此可见, 生物炭配施化肥处理对土壤理化性质、腐殖质组分及其大豆产量具有持续性影响, 并能够提高土壤腐殖质的稳定性, 但具有时效性。通过相关性和主成分分析表明, pH、AK、TK、AN、TN、OC和大豆产量与土壤腐殖质组分呈显著正相关关系。综上所述, 生物炭配施化肥处理可以提升土壤的养分和腐殖化程度, 并提高大豆的产量, 为土壤养分失调和供应等方面发挥了可持续的作用, 为大豆连作土壤的可持续发展提供参考。
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