稻殼生物炭對(duì)玉米生物量及土壤性狀的影響

李飛躍，陶進(jìn)國(guó)，汪建飛，李孝良

(1. 安徽科技學(xué)院　資源與環(huán)境學(xué)院，安徽　鳳陽(yáng)　233100；2.農(nóng)業(yè)部生物有機(jī)肥創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽　蚌埠　233000)

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稻殼生物炭對(duì)玉米生物量及土壤性狀的影響

李飛躍1，2，陶進(jìn)國(guó)1，汪建飛1，2，李孝良1，2

(1. 安徽科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，安徽鳳陽(yáng)233100；2.農(nóng)業(yè)部生物有機(jī)肥創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蚌埠233000)

摘要：采用盆栽試驗(yàn)，研究了稻殼生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)及土壤理化性狀的影響。結(jié)果表明，在玉米生長(zhǎng)的前10周，生物炭對(duì)玉米株高的生長(zhǎng)有抑制作用，但隨著玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，抑制作用逐漸消失。收獲時(shí)，生物炭對(duì)玉米生物量沒(méi)有顯著影響。隨著生物炭增加，土壤的有機(jī)碳和全氮增加，并且當(dāng)生物炭用量為5%時(shí)達(dá)到顯著水平。生物炭對(duì)土壤pH、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量沒(méi)有顯著影響。

關(guān)鍵詞：生物炭；玉米；生物量；理化性質(zhì)

生物質(zhì)廢棄物不合理處置，導(dǎo)致嚴(yán)重環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，亟需新的處理技術(shù)與方法。近年來(lái)，把生物質(zhì)廢棄物熱解轉(zhuǎn)化為生物炭，被認(rèn)為是一種有前景的固廢處置新途徑[1]。由于生物炭獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)，輸入土壤后還能夠起到固碳減排[2-3]、改良土壤[4-5]、修復(fù)土壤污染[6-7]、抑制土壤溫室氣體排放[8-9]、提高作物產(chǎn)量[10-11]等多重功能。

生物炭施用對(duì)作物產(chǎn)量的影響，直接關(guān)系到糧食安全問(wèn)題，并決定著該項(xiàng)技術(shù)的推廣力度，引起農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。一些研究結(jié)果表明，生物炭作為土壤改良劑能夠提高作物產(chǎn)量[10-12]，但也有少許研究結(jié)果證實(shí)了生物炭的施用減少了作物的產(chǎn)量[13-14]?？梢?jiàn)，生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的作用還沒(méi)有取得共識(shí)，仍需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。

生物炭的理化性質(zhì)主要取決于生物質(zhì)原材料和熱解溫度[15-16]。我國(guó)稻殼產(chǎn)量豐富，轉(zhuǎn)化生物炭時(shí)不需要進(jìn)行破碎前處理，此外，有關(guān)稻殼生物炭對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量影響的研究還較少，考慮到低溫?zé)峤饽塬@得較高的生物炭產(chǎn)量。本試驗(yàn)采用350℃稻殼生物炭為改良劑，研究其施入土壤后對(duì)玉米生物量及土壤理化性狀的影響。

1材料與方法

1.1土壤

試驗(yàn)所需土壤采自安徽科技學(xué)院西校區(qū)農(nóng)場(chǎng)耕作層(0～20 cm)，土壤風(fēng)干，破碎后過(guò)2 mm篩備用。土壤類型為黃褐土，土壤的基本性狀見(jiàn)表1。

1.2生物炭

原材料為稻殼，在350 ℃限氧條件下熱解轉(zhuǎn)化為稻殼生物炭，詳細(xì)制備過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。生物炭破碎后過(guò)2 mm篩備用，稻殼生物炭的基本性狀見(jiàn)表1。

表1　土壤和生物炭的基本性質(zhì)

1.3盆栽試驗(yàn)

試驗(yàn)在聚乙烯材料的花盆中進(jìn)行，花盆的容積為4 L。每個(gè)花盆內(nèi)裝土2 kg(盆內(nèi)土壤的高度為15 cm)，然后將生物炭與土壤混勻后裝入花盆內(nèi)。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，4次重復(fù)。生物炭的用量分別為土壤質(zhì)量的0%、1%和5%，分別記為CK、1%BC和5%BC。玉米于2014年5月23日播種，8月22日收獲，生長(zhǎng)周期持續(xù)13周。肥料的施入水平為N：150 mg/kg，P：75 mg/kg，K：75 mg/kg。N、P和K分別用氯化銨、磷酸二氫鉀和氯化鉀分析純?cè)噭┡渲盟芤菏┤胪寥乐?，最終使得花盆中土壤的含水量達(dá)到最大田間持水量的70%。每個(gè)花盆中播種3粒玉米，出芽后選擇長(zhǎng)勢(shì)較好的定苗?；ㄅ桦S機(jī)擺放在農(nóng)場(chǎng)空地上，每2～3 d補(bǔ)充一次水分，雨天避免雨水的影響。

1.4土壤和植株的分析

盆栽試驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)花盆內(nèi)的玉米植株的地上部分(秸稈和果實(shí))和地下部分分別收集。植株用自來(lái)水洗凈后，放入105 ℃的烘箱內(nèi)，殺青30 min，而后在80 ℃下烘干(48 h)至恒重，然后分別稱量地上部分和地下部分的干質(zhì)量。

玉米植株收獲后，每個(gè)花盆內(nèi)的土壤取出風(fēng)干，充分混勻后，然后過(guò)2 mm篩備用。按照參考文獻(xiàn)[18]的方法分別測(cè)定土壤的氨氮、硝態(tài)氮、pH、有機(jī)碳和總氮。

1.5數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 17.0 單因素分析，Duncan多重比較判斷處理間的差異顯著性(P<0.05)，用Excel 2010 繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1稻殼生物炭對(duì)玉米生物量的影響

2.1.1株高玉米5月23日播種，5月27日出苗。從第4周，開(kāi)始測(cè)量玉米植株的株高。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示?？傮w上隨著生長(zhǎng)的時(shí)間延長(zhǎng)，玉米植株的株高增加。玉米收獲時(shí)的株高，和4周時(shí)株高相比，CK、1%BC和5%BC處理的玉米植株分別增加了5.4、5.3和6倍。此外，前10周，添加生物炭土壤玉米株高均小于對(duì)照土壤玉米株高，生物炭表現(xiàn)為抑制玉米植株的生長(zhǎng)，并且總體上5%BC處理的抑制程度要大于1%BC；11周及以后，這種抑制作用才逐漸消失，表現(xiàn)為添加生物炭土壤玉米株高趕上或者是超過(guò)對(duì)照土壤玉米株高，特別是5%BC處理土壤的玉米株高，和對(duì)照處理相比，提高了5.68%。在整個(gè)試驗(yàn)期間，CK、1%BC和5%BC的處理的玉米株高均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異顯著水平(P≥ 0.05)。

圖1　生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)期株高的影響

2.1.2生物量玉米收獲時(shí)，和對(duì)照相比，添加1%生物炭處理抑制了玉米生物量，秸稈、果實(shí)、地下部分及總生物量，分別減少了0.98%、23.2%、13.3%和8.05%；添加5%生物炭處理，提高了玉米秸稈、地下部分和總生物量，分別為6.54%、1.86%和2.87%，果實(shí)卻減少了9.12%?？傮w上不同水平生物炭用量沒(méi)有造成處理間玉米各生物量之間的顯著差異(表2)。國(guó)內(nèi)外生物炭對(duì)玉米生物量的影響的研究結(jié)果見(jiàn)表3，這些研究結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果大體上相一致。

表2　每盆玉米植株的生物量

注：同一列中字母不同表示統(tǒng)計(jì)顯著(P<0.05)

表3　生物炭對(duì)玉米生物量影響的其它研究結(jié)果

2.2土壤性狀

表4　生物炭對(duì)土壤理化性狀的影響

注：同一列中字母不同表示統(tǒng)計(jì)顯著(P<0.05)

3結(jié)論與討論

在玉米生長(zhǎng)期的前10周內(nèi)，生物炭處理土壤對(duì)玉米生長(zhǎng)有一定程度的抑制作用(圖1)，這種抑制作用可能是由于生物炭具有很高的碳氮比的原因，微生物同化過(guò)程吸收了土壤中的氮，減少了土壤有效態(tài)氮，進(jìn)而降低了植物對(duì)氮的利用率[23]；此外，生物炭獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)(比表面積大、帶負(fù)電荷等)，對(duì)土壤養(yǎng)分起到吸附固持緩釋的作用[1,24]，還有玉米生長(zhǎng)早期根系不夠發(fā)達(dá)，從土壤中競(jìng)爭(zhēng)吸收養(yǎng)分的能力弱。隨著生物炭中易分解部分礦化完成，及玉米生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分吸收能力的增加，這種抑制作用在11周后逐漸消失(圖1)，這和張晗芝等研究結(jié)果具有一致性[21]。

本試驗(yàn)中，1%BC處理土壤抑制玉米生物量，5%BC處理土壤增加了玉米的生物量，各處理之間玉米生物量差異不顯著(表2)，這和以往的研究結(jié)果相一致。Major等研究生物炭對(duì)添加量(8 t/hm2和20 t/hm2)對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)第一年玉米的產(chǎn)量沒(méi)有顯著增加，而在隨后的第二、三、四年施用20 t/hm2的生物炭，其產(chǎn)量分別增加28%，30%和140%[25]。Rajkovich等研究了生物炭種類和添加量對(duì)玉米生物量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物糞便和作物秸稈生物炭提高了玉米生物量，而食品廢物生物炭減少了玉米生物量，并且當(dāng)生物炭的添加量超過(guò)2%時(shí)，玉米生長(zhǎng)受到抑制甚至?xí)p產(chǎn)[13]。Liu等通過(guò)對(duì)已發(fā)表論文統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭添加量< 30 t/hm2，作物產(chǎn)量能夠平均提高11%，并且指出結(jié)果取決于實(shí)驗(yàn)條件，酸性和沙性土壤的增產(chǎn)效應(yīng)更明顯[11]?？梢?jiàn)，生物炭的增產(chǎn)作用受作物類型、土壤類型和性質(zhì)、生物炭類型及用量等多種因素共同影響，相關(guān)影響機(jī)理還需要作更進(jìn)一步的研究。

隨著生物炭的用量增加，土壤的有機(jī)碳和全氮含量增加，當(dāng)生物炭添加量達(dá)到5%時(shí)，差異達(dá)到顯著水平。這是由于生物炭自身有機(jī)碳和全氮含量較高(表1)，此外，生物炭施入土壤后，能夠抑制土壤有機(jī)碳和氮的礦化、固碳和貯存養(yǎng)分[26]。生物炭對(duì)土壤pH的影響，受到生物炭和土壤性質(zhì)的影響，通常情況下，生物炭對(duì)酸性土壤pH提升作用比較明顯，對(duì)中性及堿性土壤pH影響不明顯，此外，低溫制備生物炭顯堿性的原因主要是含氧官能團(tuán)導(dǎo)致[27]，施入土壤后對(duì)土壤pH影響較小，本研究結(jié)果和張晗芝等研究結(jié)果相一致。生物炭施用提高了土壤銨態(tài)氮含量并且隨著添加量的增加而增加，硝態(tài)氮變化趨勢(shì)剛好相反，這可能是由于生物炭對(duì)銨態(tài)氮具有較強(qiáng)的吸附性，抑制了土壤硝化作用，導(dǎo)致硝態(tài)氮含量減少[28]。

和對(duì)照相比，添加1%生物炭抑制了玉米生物量的增長(zhǎng)，而5%生物炭促進(jìn)了玉米生物量的增長(zhǎng)，但總體未達(dá)到顯著差異水平。生物炭增加了土壤銨態(tài)氮、有機(jī)碳和全氮的含量，卻減少了土壤pH和硝態(tài)氮含量。

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(責(zé)任編輯：李孟良)

收稿日期：2016-03-10

基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2015A195)；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(gxyqZD2016213)；安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目(1604a0702011)；農(nóng)業(yè)部生物有機(jī)肥創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(BOFC2015KB05)；地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510879007)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(AH108792015007)；安徽科技學(xué)院穩(wěn)定人才項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：李飛躍(1983-)，男，安徽省蚌埠市人，博士，講師，主要從生物炭及其環(huán)境效應(yīng)研究。

中圖分類號(hào)：X71

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8772(2016)03-0020-05

Effects of Rice Husk Biochar Amendment on Corn Grow and Soil Properties

LI Fei-yue1, 2, TAO Jin-guo1, WANG Jian-fei1,2, LI Xiao-liang1,2

(1.College of Resource and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;2. Key Laboratory of Bio-organic Fertilizer Creation, Ministry of Agriculture, P.R.China, Bengbu 23300, China)

Abstract：Pot trial was used to investigate the effects of rice husk biochar amendment on corn grow and soil physico-chemical properties. The results show that biochar inhibit corn height grow before 10 weeks during the incubation period, but after then the inhibition effects of biochar gradually disappear. At the harvest period of corn, there is no significant difference between the control soil and soil with biochar addition in terms of corn biomass. Moreover, with rise of biochar addition, the soil organic carbon contents and total nitrogen contents increase, and biochar with 5% addition significantly increases the soil organic carbon contents and total nitrogen contents, compared to the control soil. However, biochar addition does not significantly affect the pH, ammonium nitrogen contents and nitrate nitrogen contents of soil.

Key words:Biochar; Corn; Biomass; Physico-chemical properties