楊浩鵬，李飛躍*，索改弟，趙建榮，汪建飛，任蘭天,3

(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.安徽科技學(xué)院 農(nóng)學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展,我國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)化肥的需求量逐年增加[1]。從1980-2014年的30多年間,化肥用量從1 269.4萬(wàn)t增長(zhǎng)到5 995.9萬(wàn)t[2]。目前我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在氮肥施用量普遍過(guò)高、利用率低下、養(yǎng)分流失、資源浪費(fèi)等現(xiàn)象[3]。2015年國(guó)務(wù)院、農(nóng)業(yè)部先后出臺(tái)了《關(guān)于加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的意見(jiàn)》《全國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015-2030)》《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》等文件,力爭(zhēng)到2020年實(shí)現(xiàn)“一控兩減三基本”。因而,化肥減量增效成為農(nóng)業(yè)發(fā)展亟需解決的問(wèn)題[4-5]。生物炭是生物質(zhì)在缺氧條件下高溫?zé)峤夂蟮漠a(chǎn)物,其多呈堿性[6],富含有機(jī)碳且具有多孔結(jié)構(gòu)[7],還有巨大的比表面積[8]。生物炭施入土壤會(huì)改善土壤結(jié)構(gòu)[9-10],增強(qiáng)土壤保水保肥能力[11-12]。

生物炭還田能夠改善土壤理化性質(zhì),提高作物產(chǎn)量[13]。房彬等[14]研究表明,生物炭可以降低土壤容重、提高土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量等。韓翠蓮等[15]發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后能提高土壤養(yǎng)分含量及玉米產(chǎn)量。張愛(ài)平等認(rèn)為單施生物炭雖然能改善土壤質(zhì)量,但是并不能使作物表現(xiàn)出增產(chǎn)效果,甚至?xí)斐蓽p產(chǎn)[16-17]。此外,生物炭配合化肥施用,可達(dá)到作物增產(chǎn)[18]、肥料合理釋放的效果[19-20]。然而,生物炭配施化肥對(duì)土壤環(huán)境及作物產(chǎn)量的影響,受到生物炭類型、土壤類型及生物炭化肥配施比等多重因素的影響,仍需要開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究為生物炭配施化肥的高效利用提供理論數(shù)據(jù)支持。

為此,本研究以稻殼生物炭及其配施不同比例化肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)及氮素利用率的影響為目的進(jìn)行試驗(yàn),為生物炭配施化肥應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域與材料

試驗(yàn)地點(diǎn)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 ℃,年降雨量904.4 mm。試驗(yàn)地0～20 cm土壤pH值為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。

供試玉米品種為裕豐303,試驗(yàn)所用生物炭來(lái)源于阜陽(yáng)海泉風(fēng)雷新能源發(fā)電股份有限公司氣化多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)物,基本理化性質(zhì)為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。供試化肥為[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=20∶13∶12]。追肥所用的化肥為尿素,其含氮量為46%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn),設(shè)6個(gè)不同處理:不施肥不施炭空白(CK)、100%常規(guī)施肥(CK0)、單施生物炭20 t/hm2(BC)、20 t/hm2生物炭與60%、80%、100%常規(guī)化肥配施分別記為BC60、BC80、BC100,詳細(xì)方案見(jiàn)表1,生物炭按量撒施后旋耕均勻。試驗(yàn)小區(qū)面積為20 m2(5 m×4 m),小區(qū)隨機(jī)排列,每處理3次重復(fù)。玉米出苗后定植54 000株/hm2。在玉米拔節(jié)期進(jìn)行追肥。其他管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 Experimental design scheme

1.3 樣品采集及分析

土壤樣品在作物收獲后分別用五點(diǎn)法采集表層20 cm的土樣。土壤樣品采集后陰涼處風(fēng)干。參照土壤農(nóng)化分析測(cè)定土壤中pH、有機(jī)質(zhì)和全氮[21]。

植株樣品在收獲時(shí)采集,每個(gè)小區(qū)采集5株有代表性的植株,剩下的玉米在地平處收割,稱量小區(qū)總鮮重。采集后的樣品于105 ℃殺青30 min, 80 ℃烘至恒重,稱量干重,計(jì)算含水率。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、磷和鉀參照土壤農(nóng)化分析測(cè)定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

玉米氮素積累量等指標(biāo)計(jì)算方法參照李孝良等[22]。

玉米氮素積累量(kg/hm2)=(秸稈氮含量×秸稈產(chǎn)量)+(玉米氮含量×玉米產(chǎn)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；

化肥氮偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施氮處理作物產(chǎn)量/施氮量；

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

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

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用SPSS19.0進(jìn)行單因素方差分析,Duncan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 生物炭與化肥配施對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表2可知,生物炭配施化肥能提高土壤pH,BC處理對(duì)土壤pH提高幅度最大,比CK提高0.36個(gè)單位。與CK相比,BC和BC60處理會(huì)降低了土壤全氮含量,降低幅度為7.56%～19.33%;BC會(huì)降低土壤堿解氮含量,降低了8.16%。與CK0相比,BC80土壤全氮含量提高0.19 g/kg;BC100處理土壤全氮含量提高0.69 g/kg;生物炭配施化肥處理會(huì)提高土壤堿解氮和速效磷的含量,提高幅度為4.75%～21.38%和4.63%～13.10%;BC60、BC80、BC100處理顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,提高幅度為18.17%～23.36%;同時(shí)顯著提高土壤速效鉀含量,提高了9.55%～17.00%

表2 生物炭配施化肥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Table 2 Effect of biochar combined with chemical fertilizer on soil physical and chemical properties

2.2 生物炭與化肥配施對(duì)玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響

由表3可知,生物炭配施化肥能顯著提高玉米百粒重,與CK0相比,BC60、BC80、BC100處理分別提高百粒重幅度為1.76%～2.57%;BC60處理玉米產(chǎn)量有所下降,下降幅度達(dá)4.68%; BC80處理玉米產(chǎn)量基本持平;BC60、BC80、BC100處理形成100 kg籽粒所需N含量下降5.50%～23.31%,所需K2O含量下降6.44%～26.78%;BC100處理能顯著提高玉米產(chǎn)量,增幅達(dá)5.99%。

表3 生物炭配施化肥對(duì)玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響Table 3 Effect of the combination of chemical fertilizer with biochar on maize field and N utilization efficiency

2.3 生物炭與化肥配施對(duì)氮素利用率的影響

由表4可知,與CK0相比,BC60、BC80處理氮吸收總量降低幅度為9.67%～19.82%;BC60、BC80處理的氮素利用率分別降低了22.02%、10.18%。生物炭與化肥配施能顯著提高化肥氮農(nóng)學(xué)利用率和化肥氮偏生產(chǎn)力,與CK0相比,BC100處理對(duì)化肥氮農(nóng)學(xué)利用率提高最顯著,達(dá)到35.25%;BC60對(duì)化肥氮偏生產(chǎn)力提高最顯著,達(dá)到59.24%。

表4 生物炭配施化肥對(duì)玉米氮素利用效率的影響Table 4 Effects of biochar combined with fertilizer on nitrogen use efficiency of maize

3 結(jié)論與討論

3.1 生物炭配施化肥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

本試驗(yàn)中生物炭與化肥配施能使土壤pH提高0.59～0.65。Yuan等[23]在酸性土壤上的試驗(yàn)也表明生物炭可以提高土壤pH。生物炭酸堿性與原材料及制備工藝有關(guān),生物炭灰分中豐富的鈣、鎂礦質(zhì)元素及碳酸鹽等物質(zhì)在土壤中分解后能顯著提高土壤pH[24]。生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響取決于多種因素,首先生物炭自身含碳量高,施入土壤后能提高土壤有機(jī)物含量[25],其次,生物炭比表面積巨大,其吸附的有機(jī)小分子,能在其表面催化形成新的有機(jī)物[26],此外,生物炭還能通過(guò)促進(jìn)分解腐殖酸,形成土壤有機(jī)質(zhì)[27]。

土壤全氮及有效氮含量是影響作物產(chǎn)量最重要的因素之一。生物炭本身含氮量不高,但其與化肥配施后,能通過(guò)自身的吸附作用固定化肥中的氮素。同時(shí),生物炭也可以延緩氮素在土壤中的釋放速度,延長(zhǎng)肥效[28]。崔虎等[29]研究表明,生物炭與無(wú)機(jī)肥配施后,在水稻成熟期,田面水中氮磷的含量顯著高于單施無(wú)機(jī)肥處理。周志紅等[30]在紫色土和鈣土上的研究發(fā)現(xiàn),50 t/hm2生物炭施入土壤后明顯減少了土壤氮素流失,分別降低紫色土和鈣土41%和29%的氮素流失量。何緒生等[31]人認(rèn)為生物炭能減少氮素流失是因?yàn)樯锾繉?duì)氮素的吸持作用。

土壤速效磷和速效鉀含量也是與作物產(chǎn)量有關(guān)的因素。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),生物炭與化肥配施可提高土壤速效磷和速效鉀的含量,Zwieten等[32]發(fā)現(xiàn)10 kg/hm2生物炭可以提高沙土速效磷含量。生物炭熱解后,磷鉀等礦質(zhì)元素會(huì)發(fā)生富集,并大部分以可溶態(tài)存在[33]。生物炭施入土壤之后,可提高微生物的活性,促進(jìn)有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷的礦化和溶解,從而使磷素易被作物吸收[34]。生物炭中可溶態(tài)磷鉀元素釋放到土壤中,為土壤提供養(yǎng)分,同時(shí),由于生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積,肥料中釋放的磷酸鹽能被生物炭吸附固定。

3.2 生物炭配施化肥對(duì)玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響

生物炭配施80%化肥與單施化肥產(chǎn)量相差不明顯,表明在本試驗(yàn)基礎(chǔ)條件下生物炭能替代20%化肥氮。宋大利等研究表明,相比于單施150 kg/hm2化肥處理,7.5 t/hm2生物炭配施150 kg/hm2化肥能使玉米增產(chǎn)24.1%。這是由于生物炭比表面積巨大,密度小,能顯著降低土壤容重,提高土壤透氣性。提高肥料有效性,改善土壤水肥氣熱狀況,為植物根系生長(zhǎng)提供良好條件。生物炭與化肥配施能提高作物對(duì)磷素的吸收,降低對(duì)氮素的吸收比例,同時(shí),相比于單施生物炭處理,BC60處理還降低了氮素吸收總量。這是由于生物炭施入土壤后提高土壤C/N,降低土壤養(yǎng)分有效性尤其是氮素有效性。

3.3 生物炭與化肥配施對(duì)氮素利用率的影響

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物炭與化肥配施會(huì)提高氮素利用率,且隨著化肥配施比例的提高,氮素利用率也逐漸提高。但生物炭配施低比例的化肥時(shí),氮素利用率要低于單施化肥處理。原因可能是當(dāng)化肥比例低時(shí),土壤的C/N高,此時(shí)不利于土壤中有機(jī)氮的礦化,降低土壤中氮素的有效含量。生物炭提高氮素利用率得益于生物炭自身的多孔結(jié)構(gòu)和提高土壤陽(yáng)離子交換能力。同時(shí)生物炭施用能促進(jìn)土壤中硝化過(guò)程,提高土壤中硝態(tài)氮含量,生物炭的多孔結(jié)構(gòu)能吸附有機(jī)氮礦化釋放的硝態(tài)氮,保證養(yǎng)分的長(zhǎng)期有效性。

綜上所述,生物炭配施化肥后能顯著改善土壤理化性質(zhì),可使pH和有機(jī)質(zhì)分別提高11.19%～12.64%和18.17%～23.36%。生物炭與80%的化肥配施可使玉米不減產(chǎn),說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下,生物炭可以替代20%的化肥。