鄭云珠,孫樹臣
(聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,山東聊城 252059)
我國作為世界上重要的農(nóng)業(yè)大國之一,秸稈資源種類豐富、分布范圍廣,年產(chǎn)量約10億t,且具有逐年增長的態(tài)勢[1-2]。然而,秸稈還田率不足50%[3],嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性。因此,探尋合理的秸稈資源無害化利用一直是農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。
秸稈中富含農(nóng)作物生長所需的氮(N)、磷(P)、鉀(K)等營養(yǎng)元素[4],農(nóng)作物光合作用的產(chǎn)物約有一半貯存于秸稈中[5]。秸稈還田作為提高秸稈資源綜合利用的重要途徑,不僅可以有效改善土壤環(huán)境、促進(jìn)作物增產(chǎn)[4,6-7],同時(shí)還可以減輕由于焚燒和丟棄導(dǎo)致的資源浪費(fèi)及大氣、水體等污染[8],對(duì)于改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境及秸稈資源的再利用具有重要意義。然而有研究指出,秸稈還田會(huì)加大下茬作物灌溉水量、農(nóng)田病蟲害發(fā)生率及農(nóng)藥使用量等不利影響,從而增加種植成本[9]。也有研究指出,秸稈還田雖然可以顯著提高農(nóng)田碳的固定,同時(shí)也增加了農(nóng)田甲烷排放、氨揮發(fā)以及養(yǎng)分滲漏損失等負(fù)面影響[10]。因此,如何保證在秸稈還田效益最大化的同時(shí)降低其不利影響,不斷增加農(nóng)業(yè)收益成為當(dāng)前秸稈資源無害化利用亟待解決的重要問題。
近幾十年來,隨著對(duì)生物炭認(rèn)識(shí)的不斷加深,秸稈炭化還田在實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)、固碳減排、修復(fù)土壤污染等方面發(fā)揮巨大優(yōu)勢而日益成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[11-13]。生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在厭氧條件下經(jīng)高溫裂解(一般<700 ℃)形成的高含碳量物質(zhì),具有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)、較大的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)以及豐富的含氧官能團(tuán)等特性[14-15]。生物炭作為一種綠色土壤改良劑,可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度和持水能力[16],同時(shí)有利于增加土壤養(yǎng)分含量[17-18],進(jìn)一步改善農(nóng)作物生長所需的土壤環(huán)境,從而提高小麥[19]、玉米[20]、水稻[21]、大豆[22]等作物產(chǎn)量。在粉砂質(zhì)黏壤土的麥玉輪作系統(tǒng)中,施用16 t/hm2生物炭并配施化肥,可以顯著增加冬小麥、夏玉米地上生物量及籽粒產(chǎn)量,且促進(jìn)效果優(yōu)于8 t/hm2生物炭并配施化肥處理[23]。而在沙土的研究中發(fā)現(xiàn),施用生物炭雖然可以提高土壤水分,但對(duì)大豆產(chǎn)量卻沒有影響[24]。生物炭對(duì)作物增產(chǎn)的效果具有一定范圍,施用適量果樹枝生物炭(5 t/hm2)可以更好地促進(jìn)潮褐土中玉米增產(chǎn)以及對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用,而過量施用生物炭則導(dǎo)致增產(chǎn)效果減弱[25]。在壤土中施用小麥秸稈生物炭,小麥產(chǎn)量對(duì)生物炭施用量也具有同樣的響應(yīng),施用3 600 kg/hm2生物炭增產(chǎn)效果最好[26]。魏永霞等在黑土區(qū)一次性施用 75 t/hm2玉米秸稈生物炭后(后期不再施加),研究發(fā)現(xiàn)4年研究期內(nèi)的施炭處理可以提高土壤中有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效鉀含量,而隨著時(shí)間的推移養(yǎng)分含量有所降低,但施炭處理仍高于對(duì)照[27]。因此,農(nóng)作物產(chǎn)量及土壤肥力與生物炭施用量、土壤類型、施用方式及施用年限等因素密切相關(guān),如何科學(xué)地利用生物炭資源以實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)及土壤改良的雙重效益至關(guān)重要。
魯西平原作為華北平原的重要組成部分,冬小麥—夏玉米輪作是該地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)種植模式,同時(shí)也是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)。然而該區(qū)域高強(qiáng)度的麥玉輪作,導(dǎo)致土壤肥力下降,為實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)而過度使用化學(xué)肥料,隨之帶來農(nóng)作物品質(zhì)降低、土壤酸化、環(huán)境污染等負(fù)面影響[28]。因此,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)魯西平原農(nóng)作物的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)保障我國糧食安全具有重要意義。目前關(guān)于該地區(qū)麥玉輪作系統(tǒng)對(duì)秸稈生物炭還田的響應(yīng)結(jié)論尚未統(tǒng)一,且關(guān)于單季施入生物炭對(duì)兩季農(nóng)作物的持續(xù)性影響尚不明確。因此,本研究通過盆栽試驗(yàn),探討冬小麥季一次施用不同水平玉米秸稈生物炭量對(duì)冬小麥—夏玉米產(chǎn)量及土壤肥力的影響,以明確玉米秸稈生物炭對(duì)土壤肥力的影響,對(duì)比分析單季施用玉米秸稈生物炭對(duì)冬小麥、夏玉米兩季農(nóng)作物產(chǎn)量的影響,揭示土壤肥力指標(biāo)與作物產(chǎn)量之間的相互作用關(guān)系,從而為魯西平原的農(nóng)作物秸稈資源更加合理應(yīng)用于麥玉輪作系統(tǒng)提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于山東省聊城市聊城大學(xué)土壤生態(tài)環(huán)境教學(xué)科研基地(36°43′N,116°01′E)進(jìn)行。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫約為13.5 ℃,年均降水量約為540.4 mm,夏季降水量約占全年降水量的60%。本試驗(yàn)研究期內(nèi)的日均氣溫與日總降水量如圖1所示,冬小麥季(2019年11月至2020年5月)的平均氣溫和總降水量分別為8.5 ℃和 145.6 mm,夏玉米季(2020年6—9月)的平均氣溫和總降水量分別為25.0 ℃和682.1 mm。
供試土壤為石灰性潮土,pH值為8.81,有機(jī)質(zhì)含量為10.87 g/kg,全氮含量為0.72 g/kg,有效磷含量為18.50 mg/kg,速效鉀含量為100.44 mg/kg。生物炭為玉米秸稈在450 ℃條件下裂解2 h制成,pH值為7.44,全氮含量為15.45 g/kg,有效磷含量為1 151.85 mg/kg,速效鉀含量為5 300.21 mg/kg。供試小麥品種為濟(jì)麥22,玉米品種為鄭單958。
采用盆栽試驗(yàn),以不施用生物炭作為對(duì)照(CK),6種施用生物炭處理分別為B1(4 t/hm2)、B2(8 t/hm2)、B3(16 t/hm2)、B4(24 t/hm2)、B5(32 t/hm2)、B6(40 t/hm2),每個(gè)處理3次重復(fù),共計(jì)21個(gè)處理。盆栽桶選用內(nèi)徑為27 cm、高為30 cm的塑料花盆。盆栽土過5 mm篩并自然風(fēng)干,每個(gè)盆栽桶風(fēng)干土質(zhì)量均為11 kg,冬小麥種植前各盆栽桶先裝入風(fēng)干土至5 cm高處并壓實(shí),再將剩余風(fēng)干土與肥料、生物炭(過2 mm篩)充分混合后裝入盆栽至25 cm高處。所有盆栽桶裝填完成后灌溉相同量的水分,靜置1周后于2019年11月6日在每個(gè)盆栽桶中部播種20粒小麥,冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)間為2020年5月27日。夏玉米播種前將肥料與0~20 cm 土壤充分混合后,于2020年6月15日在盆栽桶中部播種2粒玉米,待出苗后定苗為1株,夏玉米于9月27日收獲。冬小麥季N、P、K施用量分別為225、125、90 kg/hm2,夏玉米N、P、K施用量分別為225、150、150 kg/hm2,其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?/p>
分別于冬小麥、夏玉米成熟期測定二者株高及夏玉米穗位高,全部收獲后于105 ℃殺青30 min,之后于75 ℃烘干至恒質(zhì)量。冬小麥測定地上干物質(zhì)量、有效穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及籽粒產(chǎn)量。夏玉米測定地上干物質(zhì)量、穗長、禿尖長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及籽粒產(chǎn)量。輪作周年產(chǎn)量即冬小麥與夏玉米2種作物產(chǎn)量之和。
采用Microsoft Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,用SPSS 26.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法檢測處理間的差異顯著性,各測定指標(biāo)間的相關(guān)性采用Pearson’s相關(guān)系數(shù)表示,用Origin 2017軟件進(jìn)行繪圖。
各生物炭處理下土壤pH值、電導(dǎo)率與對(duì)照相比均無顯著差異(表1)。生物炭處理中除B2處理外,其余處理對(duì)土壤pH值均具有略微降低的影響。生物炭處理土壤電導(dǎo)率(EC)均高于對(duì)照,且隨生物炭施用量的增加呈先增加后降低的趨勢,B3處理下EC最大。
表1 不同生物炭施用量對(duì)土壤pH和電導(dǎo)率的影響
表2 不同生物炭施用量對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響
2.3.1 對(duì)冬小麥生長及產(chǎn)量的影響 不同生物炭施用量對(duì)冬小麥株高的影響各異,除B6處理外,其余生物炭處理均提高了冬小麥的株高,其中B1處理的株高顯著比對(duì)照高8.98%(表3)。與對(duì)照相比,施用生物炭可以顯著提高地上部干物質(zhì)量19.93%~27.08%,而生物炭處理間無顯著性差異。不同生物炭施用量均可以促進(jìn)冬小麥的產(chǎn)量構(gòu)成要素(有效穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量)的增加,從而實(shí)現(xiàn)冬小麥增產(chǎn)18.65%~50.82%,具體表現(xiàn)為B4>B3>B2>B5>B6>B1>CK,其中B4處理籽粒產(chǎn)量顯著高于對(duì)照。
表3 不同生物炭施用量對(duì)冬小麥植株及籽粒產(chǎn)量的影響
2.3.2 對(duì)夏玉米生長及產(chǎn)量的影響 不同生物炭施用量對(duì)夏玉米生長、籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響見表4。生物炭處理對(duì)夏玉米株高影響的變化規(guī)律與穗位高一致,施用生物炭均可以促進(jìn)夏玉米株高及穗位高的提高,并均表現(xiàn)為隨生物炭施用量的增加呈先增后減的趨勢(B4處理達(dá)到最大值)。施用生物炭處理顯著增高了夏玉米株高7.07%~12.75%,B3、B4處理的穗位高分別顯著高于對(duì)照12.26%、13.07%。施炭處理均可促進(jìn)夏玉米地上部干物質(zhì)量的增加,但生物炭處理與對(duì)照之間未表現(xiàn)出顯著性差異。生物炭施用在促進(jìn)夏玉米穗長、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量增加的同時(shí),也促進(jìn)了禿尖長的增加。夏玉米籽粒產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加而逐漸增加,且生物炭處理間無顯著差異,B3、B4、B5、B6處理分別顯著比對(duì)照高45.62%、54.69%、57.97%、65.24%。
2.3.3 生物炭對(duì)冬小麥—夏玉米周年產(chǎn)量的影響 由圖2可以看出,施用生物炭可以增加冬小麥—夏玉米輪作的周年產(chǎn)量,并表現(xiàn)為隨生物炭施用量的增加而逐漸增加,B2、B3、B4、B5、B6處理周年產(chǎn)量分別顯著比對(duì)照高40.57%、45.00%、54.15%、54.50%、59.74%,施用生物炭處理間的作物周年產(chǎn)量無顯著性差異。
表4 不同生物炭施用量對(duì)夏玉米植株及籽粒產(chǎn)量的影響
表5 周年產(chǎn)量與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果
土壤是農(nóng)作物賴以生存的基礎(chǔ),適宜的土壤環(huán)境是農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的保證。大量研究表明,生物炭因其堿性特征及豐富的Ca2+、K+、Mg2+等鹽離子施入土壤后,可以提高土壤pH值及電導(dǎo)率[30-31]。而本研究發(fā)現(xiàn)生物炭各處理對(duì)土壤pH值、電導(dǎo)率的影響與對(duì)照相比均未達(dá)到顯著水平,其中生物炭處理(除B2處理外)均略微降低土壤pH值,這可能是由于本試驗(yàn)所施用的生物炭呈弱堿性且低于土壤pH值,施入土壤后對(duì)pH值具有一定的降低作用。有研究指出施用堿性生物炭可以顯著提高酸性土壤的pH值[32],而對(duì)本身呈堿性的土壤pH值影響不明顯[19,33]。李傳哲等通過在堿性土壤中施用酸改性生物炭(pH值為 7.12)研究發(fā)現(xiàn),施用 15 t/hm2與30 t/hm2生物炭均可降低0~10 cm土層土壤的pH值,但降低程度均未達(dá)到顯著水平,并提高了土壤肥力及作物產(chǎn)量[34],本研究結(jié)果與之相似。本研究施用生物炭后土壤pH值略微降低,同時(shí)也提高了土壤的養(yǎng)分含量及作物產(chǎn)量,通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),土壤pH值與作物周年產(chǎn)量之間呈負(fù)相關(guān),說明施用弱堿性生物炭對(duì)土壤pH值的降低可能是作物周年產(chǎn)量增加的重要原因之一。
生物炭通過影響土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)[42-43],進(jìn)而影響農(nóng)作物的生長與發(fā)育。生物炭施用量對(duì)作物產(chǎn)量的增加效果具有一定范圍,過量施用生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的增加效果減弱[44],本研究亦得出類似的結(jié)果。本研究施用生物炭對(duì)冬小麥—夏玉米輪作系統(tǒng)中的冬小麥均具有增產(chǎn)作用,表現(xiàn)出隨生物炭還田量的增加呈先增加后降低的變化趨勢,B4(24 t/hm2)處理增產(chǎn)效果最佳,這可能是由于生物炭效應(yīng)是有閾值的[45],當(dāng)施炭量較高時(shí),土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞,還可能增加土壤的C/N,導(dǎo)致氮素利用率降低[33],反而不利于作物生長。也有研究表明施用生物炭對(duì)作物產(chǎn)量無影響[46],甚至減產(chǎn)的情況發(fā)生[47]。本研究未發(fā)現(xiàn)施用生物炭導(dǎo)致作物減產(chǎn)的現(xiàn)象,施用生物炭對(duì)冬小麥、夏玉米兩季作物產(chǎn)量的增加均具有促進(jìn)作用,夏玉米籽粒產(chǎn)量更是表現(xiàn)出隨生物炭施用量的增加而逐漸增加,且增產(chǎn)效果整體上高于冬小麥,生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的促進(jìn)作用隨時(shí)間推移具有一定累積效應(yīng)[23]。在黏土中同樣發(fā)現(xiàn)玉米產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加而逐漸增加,19 t/hm2木屑生物炭使玉米產(chǎn)量顯著增產(chǎn)32%[48]。秦蓓等在鹽漬土中一次性施入棉桿生物炭后發(fā)現(xiàn),低量生物炭(1.5 t/667 m2)施用對(duì)作物增產(chǎn)主要表現(xiàn)在前2年,而高量生物炭(3.0 t/667 m2)對(duì)作物增產(chǎn)的效果主要表現(xiàn)在后2年[49]。謝迎新等在沙質(zhì)潮土麥玉輪作系統(tǒng)中,從每季秸稈炭化還田角度出發(fā)研究發(fā)現(xiàn),施用2.25~11.25 t/hm2生物炭對(duì)前3季小麥的地上生物量及籽粒產(chǎn)量均無顯著性影響,但從第4季開始逐漸表現(xiàn)出顯著性影響[50]。本研究在冬小麥種植前一次性施入不同水平的玉米秸稈生物炭量,可以不同程度地增加冬小麥、夏玉米兩季的籽粒產(chǎn)量,但發(fā)現(xiàn)第1季冬小麥僅在 24 t/hm2生物炭處理下籽粒產(chǎn)量顯著高于對(duì)照50.82%,第2季夏玉米施用16~40 t/hm2生物炭籽粒產(chǎn)量顯著高于對(duì)照45.62%~65.24%,生物炭對(duì)作物增產(chǎn)的效果在第2季夏玉米表現(xiàn)更為突出,尤其越高生物炭施用量對(duì)夏玉米增產(chǎn)的效果更佳,可能是由于生物炭施用量、施用時(shí)間、農(nóng)作物類型等原因?qū)е聝杉咀魑镌霎a(chǎn)效果的差異。
雖然在研究中發(fā)現(xiàn)單季施用不同量的玉米秸稈生物炭可以促進(jìn)冬小麥、夏玉米兩季作物的生長、增產(chǎn)以及土壤肥力的提高,并初步得出石灰性潮土區(qū)適宜的生物炭施用量。然而,生物炭對(duì)冬小麥—夏玉米輪作系統(tǒng)土壤肥力及作物產(chǎn)量的影響受多種因素的綜合作用,特別是生物炭還田后的長期影響可能更加復(fù)雜,同時(shí)田間的實(shí)際情況可能比盆栽環(huán)境更加復(fù)雜多變。因此,未來仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)生物炭還田的長期生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的田間定位研究。