楊莉琳,唐書達(dá),朱向梅,侯建偉
(銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院 銅仁 554300)
我國(guó)有4/5 的鹽堿地未得到開發(fā)利用,處于荒蕪并持續(xù)退化狀態(tài)[1]。近50年來(lái),耕地面積縮減和資源耗損加大是我國(guó)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),廢棄物資源化以及退化荒蕪重鹽堿地開發(fā)利用是應(yīng)對(duì)當(dāng)前生態(tài)持續(xù)惡化、人口快速增長(zhǎng)與資源過(guò)度消耗的重要戰(zhàn)略措施之一。
生物炭是纖維類生物質(zhì)在缺氧或限氧條件下經(jīng)相對(duì)低溫的熱解處理,得到的富碳產(chǎn)物[1],據(jù)報(bào)道,生物炭可促進(jìn)小白菜(Brassica rapavar.glabra)和棉花(Gossypiumspp.)的生長(zhǎng)[2-4],提高枇杷(Eriobotrya japonica)產(chǎn)量[5]。濱海鹽堿地施用生物炭的番茄(Solanum lycopersicum)植株耗水量顯著降低,對(duì)土壤水利用率更高[6]。在改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤養(yǎng)分含量和有效性、調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)和活性、促進(jìn)植物生長(zhǎng)等方面也具有重要作用[7]。Hussain 等[8]建議,應(yīng)立即關(guān)注生物炭的施用及其歸宿的長(zhǎng)期影響。土壤調(diào)理劑施入鹽堿地能促進(jìn)水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)和小麥(Triticum aestivum)葉片光合能力[2,9]。其中,腐植酸類(腐植酸、黃腐酸)調(diào)理劑對(duì)鹽堿地具有較好的改良效果[10]。但是,以生物秸稈為主要原料的生物炭與以腐殖酸為主的調(diào)理劑結(jié)合施用對(duì)鹽堿地的綜合影響尚不需進(jìn)一步探討。
種植耐鹽適生作物是生物改良鹽堿地的重要措施之一。油葵(Helianthus annuus)具有耐鹽堿、耐瘠薄的特點(diǎn),常在鹽堿、干旱貧瘠地區(qū)大量引種,在中國(guó)的油料作物中,其種植面積僅次于油菜(Brassica campestris),已成為第二大油料作物。棉花也是相對(duì)耐鹽的經(jīng)濟(jì)作物,被廣泛種植鹽堿地區(qū)。但棉花或油葵哪種更適合作為先鋒作物種植在濱?;氖徶佧}堿地尚少見(jiàn)報(bào)道。
為此,本研究在荒蕪濱海重鹽堿地開展了施用生物炭與土壤調(diào)理劑種植耐鹽適生植物的試驗(yàn),研究生物炭和土壤調(diào)理劑對(duì)耐鹽作物棉花和油葵的生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收以及土壤肥力平衡與鹽分消減的效果。旨在為科學(xué)合理地開發(fā)濱?;氖徶佧}堿地、探索生物改良荒蕪重鹽堿地途徑提供參考。
試驗(yàn)區(qū)設(shè)在河北省滄州市海興縣小山村山西凹,地處河北省東南部,為渤海低平原區(qū),屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫12.1 ℃,1月份均溫-4.5 ℃,極端最低氣溫-19.9 ℃,初霜期和終霜期多出現(xiàn)在10月下旬和4月中旬; 多年平均降水量為582.3 mm,6-8月降水量約占全年降水量的74%,冬春季降水量極少。地勢(shì)低洼平坦,土壤為濱海砂壤質(zhì)荒蕪重鹽堿土,0~100 cm 土層含鹽量周年大于5 g·kg-1。地下水位埋深1.5~2.0 m,礦化度為9.3~12 g·L-1。
本試驗(yàn)設(shè)生物炭(B)和腐殖酸型土壤調(diào)理劑(C)2 個(gè)因素。生物炭(B)設(shè)不施用(對(duì)照)與施用1.25 kg·m-22 個(gè)水平; 調(diào)理劑(C)施用量設(shè)3 個(gè)水平: 0 kg·m-2、0.83 kg·m-2和1.66 kg·m-2; 組成不施用生物炭條件下的C0、C1、C2 和施用生物炭條件下的BC0、BC1 和BC2 共6 個(gè)處理。按生物炭施用與否采取裂區(qū)設(shè)計(jì),重復(fù)3 次。 小區(qū)長(zhǎng)8 m,寬7.5 m。供試生物炭為炭化玉米秸稈,其C-N-P-K 含量為534.5-10.5-3.99-15.3 g·kg-1,比表面積160.2 m2·g-1,總孔容積0.33 mL·g-1。土壤調(diào)理劑含有機(jī)質(zhì)≥35.0%,總腐殖酸≥10.0%,MgO≥1.0%。
試驗(yàn)于上年的10月中旬土壤封凍前規(guī)劃好試驗(yàn)小區(qū),平整土地。待地表溫度降至低于-4 ℃時(shí)抽取當(dāng)?shù)氐叵孪趟?進(jìn)行地表漫灌,灌水量180 mm。翌年開春3月初咸水冰開始融化時(shí)立即覆膜,4月28日播種前掀膜,手工均勻撒施生物炭和土壤調(diào)理劑,以及N-P2O5-K2O 含量為26-10-12 的控釋肥60 g·m-2,旋耕播種棉花。品種為‘魯棉-28’,播種行距為60 cm,株距為28~30 cm,栽植密度為54 000株·hm-2,播種后立即覆膜。播種后7~15 d 調(diào)查,棉花出苗率低于5%。于6月24日補(bǔ)種油葵,捅破地膜,點(diǎn)穴播種,品種為‘矮大頭567DW’,株距20 cm,行距62.5 cm,出苗后平均密度為8.2 株·m-2。
調(diào)查時(shí)間: 分別于油葵生長(zhǎng)盛期(播種后70 d)和收獲期(播種后90 d)進(jìn)行田間植株調(diào)查并采樣。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取具有代表性的長(zhǎng)勢(shì)一致的油葵植株6 株掛牌定株觀測(cè)株高、基莖粗、葉片數(shù)和葵盤直徑。
植株樣品處理: 采集掛牌的新鮮植物樣品,按不同部位分剪、整理、包裝,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后立即在105 ℃殺青2 h 后75 ℃烘干。樣品粉碎并過(guò)60 目篩,用于測(cè)定植株各部位的養(yǎng)分含量。
測(cè)定方法: 植株樣品用硫酸消煮,消煮液分別用于測(cè)定各養(yǎng)分和離子含量。N 用定氮儀測(cè)定,P 用鉬藍(lán)比色法紫外分光光度計(jì)測(cè)定,K、Na、Ca、Mg 用原子吸收法測(cè)定[11]。
采用Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)處理和繪圖; 采用SAS 9.2 進(jìn)行二因素方差分析; 采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。
施用生物炭顯著抑制油葵莖粗、株高與盤徑生長(zhǎng),對(duì)油葵葉片數(shù)沒(méi)有顯著影響; 土壤調(diào)理劑則對(duì)莖粗、盤徑、株高和葉重有顯著影響,且這些指標(biāo)隨調(diào)理劑用量增加而增大(表1)。生長(zhǎng)盛期(播種后70 d),施用生物炭處理比不施生物炭的莖粗平均減少18.4% (P<0.01),盤徑減少16.4% (P<0.05)。與對(duì)照C0 相比,C1 與C2 處理的油葵莖分別增粗6.6%與26.3% (P<0.05),盤徑分別增大11.0%與30.0% (P<0.05)。收獲期(播種后90 d),施用生物炭比不施用生物炭的油葵株高平均下降5.9 cm (P<0.01),莖干重平均下降20% (P<0.1)。施用土壤調(diào)理劑油葵盤徑平均增加2.6~4.2 cm,株高增高9.0~9.9 cm,葉片干重增加5.0%~35.0% (P<0.05)。生物炭與土壤調(diào)理劑的交互作用對(duì)油葵莖粗、株高、盤徑和葉干重影響顯著(P<0.05)。
表1 施用生物炭與土壤調(diào)理劑對(duì)油葵生物學(xué)性狀的影響(單株)Table 1 Effect of application of biochar and soil conditioner on biological characteristics of oil sunflower (per plant)
施用生物炭對(duì)油葵地上部生物量、盤重、籽粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量均沒(méi)有顯著影響,施用調(diào)理劑顯著增加油葵地上部植株的生物量(P<0.05)、盤重(P<0.05)和籽粒產(chǎn)量(P<0.01),且隨土壤調(diào)理劑施用量增加而增大(表2)。
不施用生物炭組的C2 與C1 處理比C0 處理的油葵產(chǎn)量分別增加65.9% (P<0.01)與29.1%; 施用生物炭組的BC2 與BC1 比BC0 處理的油葵盤分別增重了43.2% (P<0.01)與3.1%。生物炭與土壤調(diào)理劑的交互作用顯著影響盤重(P<0.01) (表2)。
表2 施用生物炭與土壤調(diào)理劑對(duì)單株油葵產(chǎn)量性狀的影響Table 2 Effect of biochar and soil conditioner on yield characteristics of oil sunflower (per plant)
油葵籽仁含N 量最高,為4.2%~4.7%,其次是葉片(2.2%~2.8%)、葵盤(1.0%~1.3%)和籽殼(0.8%~1.0%),莖稈的含N 量較少,僅0.5%~0.8% (圖1A)。施用生物炭處理的油葵莖稈、葉片和籽殼的N 含量較不施用生物炭分別平均上升24.2% (P<0.01)、12.0%(P<0.05)與6.7% (P<0.1),但對(duì)葵盤和籽仁的含N 量沒(méi)有顯著影響。施用調(diào)理劑處理的葵盤N 含量平均下降12.2%~14.5% (P<0.05),單施調(diào)理劑降低籽殼和莖的N 含量; 低量調(diào)理劑(C1 和BC1,0.83 kg·m-2)顯著降低籽仁含N 量(P<0.01),但土壤調(diào)理劑用量為1.66 kg·m-2時(shí),籽仁含N 量平均提高2.2%~6.6%(P<0.01)。生物炭與土壤調(diào)理劑的交互作用顯著提高油葵葉片(P<0.05)和莖稈(P<0.1)的N 含量。
油葵植株P(guān) 的分布與N 一樣,在籽仁中含P 量最高,其次是葉片和葵盤,籽殼和莖稈的含P 量較少(圖1B)。與不施生物炭組相比,施用生物炭處理的油葵莖稈、葉片和籽殼的P 含量分別平均增加15.2% (P<0.1)、20.0% (P<0.05)與43.3% (P<0.01),對(duì)葵盤和籽仁影響不顯著。施用調(diào)理劑有降低莖稈與籽殼的P 含量、增加籽仁P 含量的趨勢(shì)。生物炭與土壤調(diào)理劑的交互作用顯著提高油葵莖稈P 含量(P<0.05)。
油葵植株的K 主要分布在莖稈、葉片和葵盤中,含量約5.3%~8.2%,其次是籽殼,含K 量為1.9%~2.3%,籽仁的含K 量最低,約0.82%~0.96% (圖1C)。與不施生物炭相比,施用生物炭處理的莖稈與籽仁的K 含量分別平均上升21.8% (P<0.01)與5.9%(P<0.05),但葉片K 含量平均下降21.4% (P<0.05); 對(duì)葵盤沒(méi)有顯著影響。施用土壤調(diào)理劑為0.83 kg·m-2時(shí),籽仁K 含量比對(duì)照(C0,BC0)和高量土壤調(diào)理劑(C2,BC2)平均降低4.3%~13.2% (P<0.05),而葉片的K 含量平均提高2.9%~28.8% (P<0.05)。生物炭與土壤調(diào)理劑的交互作用對(duì)油葵植株各部位K 含量沒(méi)有顯著影響。
Ca 在油葵葉片中的含量最高,其次是葵盤和莖稈,籽殼和籽仁中含Ca 較少(圖1D)。施用生物炭比不施用生物炭處理的油葵葵盤Ca 含量平均提升22.6% (P<0.01); 施用土壤調(diào)理劑莖稈Ca 含量增加16.2%~20.9% (P<0.05),施用調(diào)理劑為1.66 kg·m-2時(shí),葉片的Ca 含量顯著提高63.7%~69.2% (P<0.001);生物炭與土壤調(diào)理劑的交互作用顯著影響莖稈(P<0.05)、葵盤(P<0.05)和籽仁(P<0.1)的Ca 含量(圖1D)。
Mg 在油葵葉片中的含量最高,其次是莖稈和葵盤,籽仁和籽殼的Mg 含量最少(圖1E)。施用生物炭比不施用生物炭處理的油葵莖稈和葵盤Mg 含量分別平均下降21.2% (P<0.05)與9.4% (P<0.1),油葵葉片、籽仁和籽殼的Mg 含量沒(méi)有顯著影響。單施土壤調(diào)理劑提高莖稈Mg 含量(P<0.01),但是土壤調(diào)理劑生物炭同施時(shí)的交互作用則導(dǎo)致莖稈Mg 含量顯著下降(P<0.05)。
圖1 生物炭與土壤調(diào)理劑對(duì)油葵植株各器官氮、磷、鉀、鈣、鎂和鈉含量的影響Fig.1 Effect of biochar and soil conditioner on N,P,K,Ca,Mg and Na contents of each organ of oil sunflower plant
Na 主要富集在油葵的莖稈,其次是葉片和葵盤(圖1F),籽殼和籽仁中Na 含量很少。施用生物炭對(duì)油葵植株各部位的Na 含量影響不顯著。但土壤調(diào)理劑顯著降低油葵莖稈(P<0.01)、葉片(P<0.01)和葵盤(P<0.01)的Na 含量。C2 與C1 比C0 處理的油葵葉片Na 含量分別降低46.3%與60.4% (P<0.01),葵盤Na 含量分別降低46.7%與58.8% (P<0.01);BC2 與BC1 處理比BC0 的油葵莖稈Na 含量分別降低38.4%與52.0% (P<0.01),油葵葉片Na 含量分別降低56.5%與50.3% (P<0.01),葵盤Na 含量分別降低57.1%與50.0% (P<0.01)。生物炭與土壤調(diào)理劑的交互作用顯著降低了油葵莖稈Na 含量(P<0.05)。
生物炭能夠促進(jìn)很多作物生長(zhǎng)或增產(chǎn)[12-14],譬如,可促進(jìn)鹽生植物田菁(Sesbania cannabina)和海濱錦葵(Kosteletzkya virginica)種子發(fā)芽、根系生長(zhǎng)[15],加速玉米、番茄和藜麥(Chenopodium quinoa)生長(zhǎng)[6,16-17]。適量施用生物炭對(duì)大豆(Glycine max)單株干物質(zhì)積累與葉面積指數(shù)起促進(jìn)作用,其促進(jìn)作用在生育后期大于生育前期[18]。生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量影響的效應(yīng)表現(xiàn)不一,但總體來(lái)說(shuō)是正向效應(yīng)大于負(fù)向效應(yīng)[19]。然而,本研究中施用生物炭顯著抑制油葵生長(zhǎng),且前期的抑制作用更強(qiáng)(表1)。其原因應(yīng)是施用生物炭容易吸附土壤鹽分離子,尤其是Na+,導(dǎo)致根層土壤鹽分含量提高,加重了油葵鹽脅迫[20]。油葵雖然是耐鹽植物,但其苗期的耐鹽性較差,隨著植株成長(zhǎng)壯大,其耐鹽性也相應(yīng)增強(qiáng),這可從生物炭處理顯著抑制油葵植株前期生長(zhǎng),而對(duì)收獲期植株及籽粒影響均不顯著得以印證(表2)。代紅翠等[21]的研究也證實(shí)了在堿性土壤中施用生物炭后會(huì)提高土壤pH 和電導(dǎo)率,從而抑制小麥出苗和幼苗生長(zhǎng)。Hussain 等[8]報(bào)道,在高度退化和營(yíng)養(yǎng)貧瘠的土壤中施用生物炭,作物產(chǎn)量經(jīng)常得到改善,而施用于肥沃和健康的土壤并不總是能提高作物產(chǎn)量,也有生物炭發(fā)生抑制作用的報(bào)道[22-23]。
施用土壤調(diào)理劑則顯著增加油葵植株生長(zhǎng)和籽粒產(chǎn)量(表1,2),與樊麗琴等[24]研究一致,土壤調(diào)理劑促進(jìn)鹽堿地油葵生長(zhǎng),出苗整齊、葉片肥厚,提高葉片SPAD 值,增強(qiáng)了葉片光合能力,提高油葵產(chǎn)量。此外,調(diào)理劑對(duì)烤煙(Nicotiana tabacum)生長(zhǎng)、產(chǎn)量及品質(zhì)以及枇杷和棉花產(chǎn)量均有促進(jìn)作用[5,9,25]。這與土壤調(diào)理劑改變鹽堿地土壤膠體吸附性離子組成、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤通透性,從而有利于作物根系生長(zhǎng)與吸收養(yǎng)分有關(guān)[26],此外,土壤調(diào)理劑促進(jìn)根際微生物活性和細(xì)菌群落向有益類群的轉(zhuǎn)移,有助于促進(jìn)植物生長(zhǎng)和生物量有關(guān)[15]。
施用生物炭顯著增加油葵莖稈與籽殼N、P、K含量和葉片N、P 含量,其主要原因是生物炭是植株秸稈的炭化產(chǎn)物[19],三大營(yíng)養(yǎng)元素含量較高,施入土壤后能再次被油葵吸收利用。其次生物炭具有豐富的多微孔結(jié)構(gòu),比表面積較大,可減少肥料養(yǎng)分淋失,從而提高了N、P 利用效率[19]。生物炭對(duì)油葵籽仁的N 含量沒(méi)有顯著影響,這與之前報(bào)道一致[27]。施用生物炭處理葉片K 含量顯著降低,莖稈和籽仁K含量增加,表明K 除了在莖稈富集,還從葉片向籽仁發(fā)生了轉(zhuǎn)移。
據(jù)Mangwandi 等[28]研究,生物炭用量不同、施用作物不同,對(duì)養(yǎng)分吸收的影響也不同。而Major 等[16]則認(rèn)為,施用生物炭促使土壤中作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收提高,其中77%~320%歸功于有效鈣和有效鎂的增加,這是因?yàn)樯锾績(jī)?nèi)部和周圍的各種資源可能會(huì)改善某些養(yǎng)分的再利用。但本研究表明,施用生物炭引起油葵莖稈和葵盤Mg 含量降低,而葵盤Ca含量增加(圖1E,D),表明生物炭有利于Ca 從葉片向葵盤和籽仁轉(zhuǎn)移; 但不利于Mg 的吸收,甚至拒Mg。單施土壤調(diào)理劑降低油葵莖和籽殼的N、P 含量,提高籽仁的N、P 含量,而且油葵籽仁N 含量提高的代價(jià)是其余部位的N 含量均出現(xiàn)下降,莖稈和籽殼的P 下降,表明土壤調(diào)理劑促進(jìn)N、P 向籽仁轉(zhuǎn)移,促進(jìn)K 從莖稈向葉和葵盤轉(zhuǎn)移。
土壤調(diào)理劑用量在1.66 kg·m-2時(shí),油葵莖、葉和葵盤的Ca 含量顯著提升,表明土壤調(diào)理劑促進(jìn)Ca吸收和運(yùn)轉(zhuǎn); 同時(shí)也有利于莖稈富集Mg。生物炭與高量土壤調(diào)理劑結(jié)合施用進(jìn)一步促進(jìn)N、P 向籽仁轉(zhuǎn)移,Ca 從葉片向葵盤轉(zhuǎn)移,同時(shí)降低莖稈的Mg 含量。施用以腐殖酸為主的調(diào)理劑進(jìn)入土壤的養(yǎng)分比化肥的營(yíng)養(yǎng)全面,增加了油葵選擇性吸收所需營(yíng)養(yǎng)的機(jī)會(huì)。
都潤(rùn)等[29]研究認(rèn)為油葵植株在鹽脅迫下,Na 主要集中在莖稈,葉片中較少。本研究表明Na 主要分布在油葵莖稈,其次是葉片。盡管施用生物炭下各部位的Na 沒(méi)有達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平,但從圖1F可見(jiàn),僅施用生物炭的BC0 處理與不施用2 種物料的對(duì)照C0 相比,除了莖稈的Na 含量較高外,其余部位沒(méi)有顯著差異。施用土壤調(diào)理劑后或者生物炭與調(diào)理劑組合施用均顯著降低莖稈、葉片和葵盤的Na 含量(圖1F),應(yīng)該主要?dú)w因于土壤調(diào)理劑的貢獻(xiàn)。此外,植株吸收鹽分減少應(yīng)是油葵的選擇性吸收的策略[29],在Na、K、Ca、Mg 都充足的條件下,莖稈更容易富集K 和Ca,而不是Na 和Mg。
棉花和油葵都屬于耐鹽作物,但哪個(gè)更適合在荒蕪重鹽堿地作為先鋒作物開荒種植并沒(méi)有報(bào)道。本研究首選棉花試驗(yàn),但是結(jié)果表明,棉花出苗率低于5%,表明不能作為先鋒作物在荒蕪重鹽堿地開荒種植。而隨后補(bǔ)種的油葵長(zhǎng)勢(shì)良好,并能正常收獲。除了棉花與油葵種苗的耐鹽性有差異外,還與環(huán)境因素以及播種時(shí)間有關(guān)。棉花是在4月底前種植,土壤溫度較低,土壤鹽分大,種子發(fā)芽困難是荒蕪鹽堿地種植棉花的另一個(gè)不利因素。而油葵播種時(shí)間稍晚,避開了上述不利因素。可見(jiàn),如果是在荒蕪重鹽堿地開荒種植,油葵比棉花更適合作為先鋒作物。
生物炭顯著抑制油葵早期的生長(zhǎng),對(duì)后期生長(zhǎng)影響較小,最終對(duì)油葵籽粒數(shù)量和產(chǎn)量無(wú)顯著影響;土壤調(diào)理劑則顯著促進(jìn)油葵生長(zhǎng)、莖增粗與盤徑增大,增加葉干重,對(duì)提高油葵籽粒產(chǎn)量效果顯著。
生物炭提高油葵莖、葉和籽殼的N、P 含量,莖、籽殼和籽仁的K 含量,促進(jìn)葉片K、Ca 向籽仁轉(zhuǎn)移;但抑制Mg 吸收,對(duì)Na 吸收沒(méi)有顯著影響; 土壤調(diào)理劑促進(jìn)N、P 向籽仁轉(zhuǎn)移,提高莖、葉和葵盤的Ca含量和莖稈Mg 含量,減少Na 吸收。
生物炭與土壤調(diào)理劑組合施用可消弱生物炭對(duì)油葵生長(zhǎng)的抑制作用,提高油葵對(duì)N、P、K、Ca 的吸收,促進(jìn)N、P、K 向籽仁的轉(zhuǎn)移,降低對(duì)Na 和Mg 的吸收,增強(qiáng)油葵選擇性吸收養(yǎng)分和拒鹽能力。
油葵作為先鋒作物在濱?;氖徶佧}堿地開荒種植能夠成活,而棉花在荒蕪重鹽堿地開荒種植的出苗率低于5%,不適合作為先鋒作物。