袁 亮, 張春麗, 孟自力

(1.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南商丘 476000; 2.河南省商丘市梁園區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,河南商丘 476000;3.商丘市農(nóng)林科學(xué)院,河南商丘 476000)

冬小麥在黃淮北片和南片均有大面積種植,由于農(nóng)民單一化肥的施用和淺耕的耕種習(xí)慣導(dǎo)致土壤微生物生長(zhǎng)環(huán)境被破壞、土壤板結(jié)嚴(yán)重[1]。土壤成分中包含多種有機(jī)物,不同種類的有機(jī)物之間之所以能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)化,其原因在于土壤微生物,土壤微生物被視作植物的營(yíng)養(yǎng)元素獲取來(lái)源之一,其最大的作用就是將土壤之中一些植物不能吸收的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可以吸收的物質(zhì),而小麥根際微生物種群的多少對(duì)于土壤之中各種元素的轉(zhuǎn)化起到很重要的作用,影響到小麥對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用[2-6]。生物炭本身具有的特點(diǎn)對(duì)調(diào)節(jié)土壤肥性方面帶來(lái)諸多有益的方面。生物炭在結(jié)構(gòu)方面所呈現(xiàn)出的細(xì)微孔隙分布較為復(fù)雜,該構(gòu)造的表面積占比較大,在融入土壤表層后,增加了表層微生物的棲息場(chǎng)所,有利于其生存和繁衍,生物炭的加入使得土壤中有益菌群數(shù)量升高[7],也促進(jìn)了植物根系生長(zhǎng)過(guò)程中氮、磷、鉀和一些微量元素含量的增加,并且土壤中可交換陽(yáng)離子的數(shù)量也明顯升高。然而,傳統(tǒng)工藝處理過(guò)程中的玉米秸稈需要在高于400 ℃的條件下完成炭化,這一過(guò)程需要較高能耗,但在產(chǎn)率方面處于較低水平,此種處理方式的成本較高[7-10]。而低溫炭化工藝則可以滿足低于 300 ℃ 的處理?xiàng)l件,傳統(tǒng)工藝的弊端問(wèn)題得以化解。

基于此,本研究對(duì)比分析傳統(tǒng)高溫處理方式與低溫處理方式之間的差異,圍繞2種方式應(yīng)用于冬小麥方面的效果展開(kāi)分析,從技術(shù)角度為麥田應(yīng)用低溫生物炭處理工藝的研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試冬小麥品種商麥178由商丘市農(nóng)林科學(xué)院提供,玉米秸稈生物炭以玉米秸稈為原料,在240 ℃和400 ℃條件下燒制而成,由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供,具體理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試土壤為兩合土,具體理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 生物炭基本理化性質(zhì)

表2 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年10月至2022年6月在商丘市農(nóng)林科學(xué)院(115.707°E,34.532°N)進(jìn)行,年平均氣溫為14 ℃左右,年平均降水量達(dá)到700 mm。試驗(yàn)設(shè)置21個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為3 m2,長(zhǎng)2.0 m、寬1.5 m,每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。將0～25 cm晾干后的耕層土壤和不同處理生物炭混勻,基礎(chǔ)施肥為復(fù)合肥750 kg/hm2(氮、磷、鉀含量均為15%),在小區(qū)周圍埋50 cm深的塑料膜用于隔離土壤,10月10日采用人工點(diǎn)播播種,株距為4 cm,行距(共6行)為 20 cm,每穴2粒小麥種子,于出苗后定苗保證每穴1棵苗,人工監(jiān)測(cè)適時(shí)噴水保持土壤濕度為田間持水量的60%～70%。試驗(yàn)設(shè)置的7個(gè)處理包括CK(不加生物炭)、DY1(添加1%的240 ℃玉米秸稈生物炭)、DY2(添加2%的240 ℃玉米秸稈生物炭)、DY3(添加4%的240 ℃玉米秸稈生物炭)、GY1(添加1%的400 ℃玉米秸稈生物炭)、GY2(添加2%的400 ℃玉米秸稈生物炭)、GY3(添加4%的400 ℃玉米秸稈生物炭)。

1.3 樣品測(cè)定

小麥和土壤樣品于播種后38 d采集。小麥樣品在地上部和地下部收獲后,使用去離子水完成清洗步驟,確保樣品的干凈程度,為去除樣品表面殘留水分,利用吸水紙進(jìn)行處理,在105 ℃烘箱中殺青30 min后,65 ℃烘干至恒質(zhì)量。小麥樣品消解方法:用硫酸-過(guò)氧化氫消化后,測(cè)定植株全氮、全磷、全鉀的含量[11]。風(fēng)干處理后的土壤樣品需要進(jìn)行過(guò)篩處理,孔度分別為0.840、0.149 mm,經(jīng)由處理所得到的土壤接下來(lái)用于土壤營(yíng)養(yǎng)成分與相關(guān)數(shù)值的測(cè)定,包括速效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量的測(cè)定以及pH值的測(cè)定[12]。

根際微生物測(cè)定:10月20號(hào)開(kāi)始取根際土樣測(cè)量細(xì)菌和真菌數(shù)量,每隔7 d隨機(jī)取土測(cè)量1次,5次時(shí)間依次為10月20日、10月27日、11月3日、11月10日、11月17日。從根系附近5 mm范圍內(nèi)采取土壤樣品,將采集的土壤樣品放在陰涼處攤開(kāi)晾干,篩除雜質(zhì)將風(fēng)干的土壤樣品磨碎,過(guò)1 mm篩孔的土壤樣品用來(lái)測(cè)定。 在計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)采用平板表面涂抹法,土壤鮮樣的稱取量為10 g,以其為基礎(chǔ)來(lái)配制懸浮液,懸浮液的濃度需要設(shè)置不同組別,配制過(guò)程需確保使用無(wú)菌水并處于無(wú)菌條件之下,分別取60 μL稀釋105倍和102倍的土壤懸浮液,各自用于滅菌牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基的接種與馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基的接種,前者可對(duì)細(xì)菌進(jìn)行測(cè)定,后者可對(duì)真菌進(jìn)行測(cè)定。不同濃度的土壤懸浮液的重復(fù)采取次數(shù)均為3次,培養(yǎng)細(xì)菌的溫度固定為37 ℃,培養(yǎng)4 d;培養(yǎng)真菌的溫度固定為35 ℃,培養(yǎng)時(shí)間為4～7 d,選取每皿菌落數(shù)為30～160 CFU/g的1個(gè)稀釋度對(duì)菌落進(jìn)行統(tǒng)計(jì),根據(jù)菌落數(shù)量 (CFU/g)=(菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù))/干土質(zhì)量×100%來(lái)對(duì)數(shù)量進(jìn)行計(jì)算并得出數(shù)值結(jié)果[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2010、DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭對(duì)冬小麥氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響

由表3可知,相較于沒(méi)有添加生物炭的空白對(duì)照組(CK),添加不同用量不同熱解溫度生物炭的小麥地上部氮、鉀含量均有不同程度的增高,而DY3、GY1、GY2、GY3處理的磷含量出現(xiàn)比對(duì)照降低的現(xiàn)象。除GY1處理外,其他添加生物炭處理的小麥地上部含氮量均顯著高于CK,表現(xiàn)為DY1處理>DY2處理>GY2處理>DY3處理>GY3處理,其中添加1%用量240 ℃生物炭(DY1)處理的小麥地上部含氮量最高,比基礎(chǔ)施肥(CK)的小麥含氮量增加了19.91%。在添加了同一熱解溫度生物炭條件下,隨著添加生物炭含量的增高,小麥地上部的鉀含量也有顯著增高趨勢(shì)。且相較于添加了相同用量240 ℃生物炭的小麥,添加400 ℃生物炭小麥的鉀含量有所降低,但差異不顯著。另外,只有DY1、DY2處理的小麥地上部磷含量比對(duì)照組顯著增高,其他處理均顯著降低。綜上所述,相同生物炭用量的條件下,240 ℃生物炭相較于400 ℃生物炭對(duì)提高小麥地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的效果較好。

表3 施用生物炭對(duì)小麥地上部和地下部養(yǎng)分含量的影響

添加1%和2%用量的生物炭處理對(duì)小麥地下部氮含量的增幅均達(dá)到顯著水平,添加1%用量 400 ℃ 生物炭(GY1)處理的小麥地下部氮含量最高,比CK增加了61.66%。

在添加生物炭條件下,小麥地下部磷含量除了DY2處理略有升高,其他處理均較CK顯著降低。小麥地下部鉀含量除了GY1處理較CK顯著降低外,其他處理小麥地下部鉀含量均有顯著增高。

2.2 施用生物炭對(duì)小麥根際土壤微生物數(shù)量的影響

2.2.1 施用生物炭對(duì)小麥根際土壤細(xì)菌數(shù)量的影響 圖1是冬小麥根際土壤稀釋10萬(wàn)倍后1 g土壤懸浮液的細(xì)菌數(shù)量與其對(duì)應(yīng)生物炭處理的關(guān)系,所有生物炭處理的細(xì)菌數(shù)量均高于CK,說(shuō)明生物炭可以有效促進(jìn)小麥根際細(xì)菌的生長(zhǎng),其中DY2處理一直保持最高值,其次是GY2和DY3處理,GY1處理表現(xiàn)最差。所有處理的細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)緩慢波動(dòng)增加的趨勢(shì)。細(xì)菌的增長(zhǎng)速度與小麥的生長(zhǎng)發(fā)育有非常重要的關(guān)系[14]。之所以在小麥生長(zhǎng)過(guò)程中細(xì)菌會(huì)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)增長(zhǎng),是因?yàn)樵谛←溕L(zhǎng)的不同時(shí)期,小麥所需營(yíng)養(yǎng)含量不一樣,其代謝出來(lái)有利于微生物的物質(zhì)也就會(huì)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化,總的來(lái)說(shuō)微生物會(huì)在小麥生長(zhǎng)最快的階段達(dá)到最大值。

2.2.2 施用生物炭對(duì)小麥根際土壤真菌數(shù)量的影響 圖2是冬小麥根際土壤稀釋100倍后1 g土壤懸浮液的真菌數(shù)量與對(duì)應(yīng)生物炭處理的關(guān)系,可以看出,對(duì)照的根際真菌數(shù)量呈現(xiàn)緩慢減少的趨勢(shì),各生物炭處理真菌數(shù)量均高于對(duì)照,小麥根際真菌數(shù)量大體表現(xiàn)為DY2處理>GY2處理>DY3處理>GY3處理>DY1處理>GY1處理。相較于圖1中細(xì)菌數(shù)量最大值出現(xiàn)的日期來(lái)說(shuō),真菌數(shù)量最大值出現(xiàn)日期會(huì)提前,因?yàn)辂溙锿寥勒婢鷶?shù)量的基數(shù)本身較大,所以最大值出現(xiàn)日期也會(huì)較細(xì)菌提前,此時(shí)相對(duì)一致保持較高真菌數(shù)量的是DY2和GY2處理,一致呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)的是DY3和GY3處理。

2.3 施用生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

從表4可以看出,土壤的pH值因生物炭處理而出現(xiàn)了增勢(shì),與CK相比,GY2、GY3處理的土壤在pH值方面的增勢(shì)較為突出,顯著高于CK,GY3處理的土壤pH值最高。

表4 施用生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由表4可知,用量、熱解溫度不同的生物炭處理均可令土壤有機(jī)質(zhì)含量增加,表現(xiàn)為DY3處理>GY3處理>DY2處理>GY2處理>DY1處理>GY1處理,與CK相比,增幅分別為232.15%、194.56%、180.18%、136.13%、100.00%、93.36%。熱解溫度相同時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)隨生物炭含量的增加而顯著增加,其中,增加效果最優(yōu)的熱解溫度為 240 ℃。可見(jiàn),土壤中的有機(jī)質(zhì)會(huì)因生物炭的加入而增多,進(jìn)而提高土壤肥力。

由表4可知,相較于CK,除了GY1處理外,與CK相比,其他生物炭處理的土壤堿解氮含量均有顯著降低趨勢(shì)。當(dāng)添加1%生物炭(GY1、DY1處理)時(shí),與CK相比,生物炭的加入可令土壤內(nèi)出現(xiàn)更多速效磷,但增勢(shì)并不可持續(xù);當(dāng)生物炭用量增值一定數(shù)值(GY2、GY3、DY2、DY3處理)時(shí),速效磷含量由升轉(zhuǎn)降,降幅最大的是添加3%的240 ℃玉米秸稈生物炭(DY3)處理。相較于CK,生物炭處理的速效鉀含量均顯著增加,最大的是GY3處理,為632.71 mg/kg,是CK的1.88倍。使用生物炭的量一致時(shí),240 ℃ 1%生物炭(DY1)處理的土壤速效磷、速效鉀含量高于400 ℃ 1%生物炭(GY1)處理;400 ℃ 2%、4%生物炭(GY2、GY3)處理的土壤速效鉀、速效磷含量顯著高于DY2、DY3處理。

2.4 施用生物炭對(duì)小麥植株養(yǎng)分和土壤氮、磷、鉀含量相關(guān)關(guān)系的影響

由圖3可知,小麥植株全氮和土壤堿解氮含量呈線性正相關(guān)關(guān)系,擬合方程為y=0.014 6x+5.608 1,決定系數(shù)為r2=0.098,相關(guān)系數(shù)為0.31,呈中等相關(guān)關(guān)系。小麥植株全磷含量和土壤速效磷含量呈線性正相關(guān)關(guān)系,擬合方程為y=0.016 8x+2.540 0,r2=0.039 5,相關(guān)系數(shù)為0.20,呈弱相關(guān)關(guān)系。小麥植株全鉀含量和土壤速效鉀含量呈線性正相關(guān)關(guān)系,擬合方程為y=0.007 3x+4.476 6,r2=0.412 5,相關(guān)系數(shù)為0.64,呈強(qiáng)(顯著)相關(guān)關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

植株因生物炭而在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)得到相應(yīng)助力,原因在于生物炭改善了土壤性狀,使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加,養(yǎng)分增多,吸附性增強(qiáng),微生物被激活。與此同時(shí),肥料利用率會(huì)因此而得到明顯提高,作物產(chǎn)量相應(yīng)增加,作物品質(zhì)有所改善[15]。前人研究表明,添加生物炭能促進(jìn)植株地上部干物質(zhì)的積累。高海英在試驗(yàn)中添加炭基肥料使小麥的干物質(zhì)質(zhì)量顯著增大[16]。劉阿梅等的研究表明,生物炭添加比例不同時(shí),作物受到的促進(jìn)作用也會(huì)呈現(xiàn)出差異,添加比例的增加會(huì)令作物鮮質(zhì)量增加得更明顯[17]?？等辗宓妊芯堪l(fā)現(xiàn),生物炭基肥料可令小麥吸收磷、氮的能力增強(qiáng),吸收氮的增加率均值為19.07%,吸收磷的增加率均值為15.00%[18]。本研究表明,小麥植株在生物炭處理后的養(yǎng)分含量明顯增加,且相對(duì)于裂解溫度為400 ℃的生物炭,低溫(240 ℃)生物炭對(duì)提高小麥地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的效果較好,且對(duì)地上部的促進(jìn)作用大于根部,這與前人的研究結(jié)論[15-18]一致。

生物炭在內(nèi)部構(gòu)造方面的特點(diǎn)使其在融入土壤表層后,增加了表層微生物的棲息場(chǎng)所,有利于其生存和繁衍,生物炭的加入使得土壤中有益菌群數(shù)量增加。本研究發(fā)現(xiàn),生物炭可以有效促進(jìn)小麥根際細(xì)菌的生長(zhǎng),其中DY2處理一直保持最高位狀態(tài),其次是GY2和DY3處理,GY1處理表現(xiàn)最差。對(duì)照組的真菌數(shù)量表現(xiàn)為緩慢降低趨勢(shì),試驗(yàn)組的真菌數(shù)量波動(dòng)相較于對(duì)照組而言更加明顯,真菌數(shù)量最低的的是GY1處理,最高的是DY2處理,其余處理表現(xiàn)為GY2處理>DY3處理>GY3處理>DY1處理,這說(shuō)明生物炭的適當(dāng)使用可以很快地提高植物根際微生物的數(shù)量,使二者達(dá)到相對(duì)需要的平衡狀態(tài),從而保證植物能夠良好生長(zhǎng)。但是使用過(guò)多的時(shí)候也會(huì)抑制住微生物的生長(zhǎng),所以選擇適量使用是非常關(guān)鍵的,本試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,低溫生物炭促進(jìn)微生物數(shù)量增長(zhǎng)的效果更顯著。另外,在植物根際的微生物種群及數(shù)量也會(huì)隨著植物的生長(zhǎng)周期不斷變化,這可以說(shuō)是生物界的普遍適應(yīng)和調(diào)節(jié)過(guò)程。

在生物炭與其他肥料同時(shí)使用時(shí),也可增加土壤肥力,減少土壤肥料的流失,促進(jìn)作物增產(chǎn)[19]。土壤因生物炭處理而提升了pH值,有機(jī)質(zhì)含量增加,養(yǎng)分輸送效率提升,土壤肥力進(jìn)而增強(qiáng),生長(zhǎng)發(fā)育得到促進(jìn)。唐志文等研究發(fā)現(xiàn),土壤肥料的利用率因生物炭處理而提高了效率,固有理化性質(zhì)得以改善,有機(jī)質(zhì)平衡性增強(qiáng)[20]。經(jīng)由試驗(yàn)可知,240 ℃ 生物炭的裂解溫度較為適宜,能夠帶來(lái)較好的土壤改善效果,但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)堿解氮含量均有所下降。張晗芝等也研究發(fā)現(xiàn),氮含量因生物炭處理而下降,氮吸收效率降低[21],原因可能與生物炭本身具有較高的碳氮含量有關(guān)[22]。

相比于傳統(tǒng)工藝而言,低溫生物炭工藝在促進(jìn)冬小麥養(yǎng)分吸收、根際微生物孳生以及改善理化性質(zhì)方面具有較好效果,其憑借較低能耗、較高產(chǎn)率而帶來(lái)更高的綜合效益,應(yīng)用前景較廣。