牛糞生物質(zhì)炭基肥對(duì)青稞生長、產(chǎn)量及氮素利用的影響

孫全平，彭 君，索朗措姆，秦基偉，譚海運(yùn)，楊素濤，普布貴吉

（1省部共建青稞和牦牛種質(zhì)資源與遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，拉薩 850000；2西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，拉薩 850000）

0 引言

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在無氧或缺氧條件下緩慢高溫分解得到的一類穩(wěn)定的富含碳素的有機(jī)物質(zhì)，近年來作為土壤改良劑、碳源及肥料緩釋載體[1-2]。炭基肥是一種以生物質(zhì)炭為基質(zhì)，根據(jù)不同區(qū)域土地特點(diǎn)、不同作物生長特點(diǎn)以及科學(xué)施肥原理，添加有機(jī)質(zhì)或/和無機(jī)質(zhì)配制而成的生態(tài)環(huán)保型肥料[3]。研究表明，生物質(zhì)炭化后所具有的多孔隙度和大的比表面積有利于土壤保水[4]、提高土壤有機(jī)碳含量[5]、減少養(yǎng)分淋失[6]、提高氮素利用[7]、提升幼苗生物量[8]等，進(jìn)而改善土壤養(yǎng)分狀況[9]，為植物生長提供良好的環(huán)境，從而促進(jìn)作物生長。同時(shí)生物炭在對(duì)重金屬的吸附方面扮演著重要角色[10-11]。農(nóng)牧區(qū)群眾一般都是將牛糞經(jīng)自然風(fēng)干成牛糞餅后作燃料燒茶做飯，或者是簡單堆漚后直接施用到農(nóng)田，資源的利用效率偏低。據(jù)測(cè)算，一頭成年牦牛一年可產(chǎn)生糞便在2.65 t左右（平均一天產(chǎn)生7.25 kg牛糞計(jì)算）[12]。當(dāng)前，在自然條件較好的農(nóng)牧結(jié)合區(qū)，存在大量牛糞剩余未被利用的情況，在田間地頭和道路兩旁隨處可見。將牛糞制備成生物炭可實(shí)現(xiàn)牛糞無害化、資源化利用[13]。從而減少化肥投入，提高肥料利用率，促進(jìn)土壤的修復(fù)改良，實(shí)現(xiàn)青稞綠色增產(chǎn)。

青稞作為廣大藏區(qū)的主要糧食作物，保證其持續(xù)生產(chǎn)對(duì)該地區(qū)的糧食安全尤為重要[14]。過量的化肥施用不僅會(huì)影響到土壤質(zhì)量，還會(huì)威脅到高原地區(qū)的生態(tài)安全[15]。因此，在如何通過技術(shù)措施減少化肥用量，提高肥料的利用率，保證青稞產(chǎn)量基本維持現(xiàn)有水平不降低的問題上急需進(jìn)行技術(shù)研究。所以，本課題以牛糞為原料，將其制備成生物炭，將生物炭與化肥以不同比例混合配制成炭基肥，并與生物有機(jī)肥、牛糞草木灰與化肥不同配比的處理作比較，研究不同施肥處理對(duì)青稞（‘藏青2000’）生長、產(chǎn)量及氮素利用的影響，探索牛糞肥料化利用新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化肥減量增效，形成青稞種植業(yè)與牦牛養(yǎng)殖業(yè)循環(huán)發(fā)展的格局，為青稞綠色增產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試青稞品種為‘藏青2000’，目前為西藏全區(qū)主栽青稞品種；牛糞采自拉薩市堆龍區(qū)郊區(qū)農(nóng)田；牛糞生物質(zhì)炭基肥是由取自拉薩市堆龍德慶區(qū)的牛糞充分晾曬風(fēng)干后用自行設(shè)計(jì)制作的試驗(yàn)裝置在350～450℃溫度下限氧熱裂解炭化制成。牛糞草木灰是在室外將牛糞完全燃燒制得。牛糞、牛糞生物質(zhì)炭、牛糞草木灰的基本性質(zhì)見表1。

表1 牛糞生物質(zhì)不同狀態(tài)下的養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理，各施肥處理分別為（1）常規(guī)復(fù)合化肥（簡稱NF，N 90 kg/hm2，P45 kg/hm2，K 45 kg/hm2）；（2）20%生物質(zhì)炭基肥+80%化肥（簡稱B2C8）；（3）30%生物質(zhì)炭基肥+70%化肥（簡稱B3C7）；（4）40%生物質(zhì)炭基肥+60%化肥（簡稱B4C6）；（5）30%有機(jī)肥+70化肥配施（簡稱O3C7）；（6）100 kg/666.7 m2牛糞草木灰+70%化肥配施（簡稱CAC7）；（7）1500 kg/666.7 m2羊糞；（8）不施肥（簡稱CK）。每個(gè)處理3次重復(fù)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積25 m2(5 m×5 m)。四周設(shè)置保護(hù)行，各小區(qū)其他田間管理措施均一致。小區(qū)面積25 m2，播量15 kg/666.7 m2，行距25 cm。試驗(yàn)設(shè)在西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院4號(hào)試驗(yàn)地，播種時(shí)間2020年4月25日，成熟時(shí)間2020年8月19日，生育期共計(jì)116天。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與數(shù)據(jù)分析

1.3.1 田間試驗(yàn)測(cè)定內(nèi)容 在青稞出苗后的兩葉一心期隨機(jī)選取1 m2樣點(diǎn)數(shù)基本苗，重復(fù)3次；成熟期每小區(qū)隨機(jī)選取植株10株量株高、穗長，數(shù)穗粒數(shù)；收獲脫粒后，稱量各小區(qū)籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量；將清理后的種子數(shù)千粒重。青稞生育期各處理葉片葉綠素含量用葉綠素儀(CCM-200)。統(tǒng)計(jì)籽粒產(chǎn)量數(shù)據(jù)，用SPSS statistics 19軟件對(duì)各處理的產(chǎn)量做方差分析。

1.3.2 土壤樣品的測(cè)定 分別于播種前、各生育期、收獲后按“S”型采樣法在每小區(qū)內(nèi)用土鉆取0～20 cm土層樣品，混合均勻后用四分法留樣備用。土壤銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法；銷態(tài)氮采用紫外分光光度計(jì)-雙波長法；土壤常規(guī)項(xiàng)均用國標(biāo)方法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥料配比施用后土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

由圖1可見，隨著生育期的進(jìn)行，土壤銨態(tài)氮含量整體上呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。處理3、5、6的銨態(tài)氮含量先升高后降低，而對(duì)照組變化幅度較小且一直處在較高水平。處理6、7降低的最為明顯。成熟后土壤銨態(tài)氮含量最高的是對(duì)照組。

圖1 不同處理下青稞各生育期的銨態(tài)氮含量變化

草木灰與化肥配施和施用純羊糞的處理可以促進(jìn)作物對(duì)土壤中銨態(tài)氮的利用。成熟后的不同施肥處理的土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為對(duì)照組＞生物質(zhì)炭基肥＞有機(jī)肥＞草木灰＞羊糞，這是因?yàn)槭┯蒙镔|(zhì)炭基肥、有機(jī)肥、草木灰、羊糞等堿性物質(zhì)后，容易造成土壤中的氨的揮發(fā)損失，還可能與生物質(zhì)炭吸附養(yǎng)分緩慢釋放有關(guān)。

由圖2可見，與土壤銨態(tài)氮含量變化相比，土壤硝態(tài)氮含量變化更為明顯。不同處理苗期的硝態(tài)氮含量均較高，且各處理間差距較大，添加牛糞生物炭后，土壤硝態(tài)氮含量提高，處理4的土壤硝態(tài)氮含量最高，為54.10 mg/kg，比處理1的24.96 mg/kg高53.86%，而成熟后的差距較小?？赡苤饕c硝態(tài)氮的存在狀態(tài)有關(guān)，NO3-不能被土壤膠體吸附，容易被灌水和降雨溶淋損失。

圖2 不同處理下青稞各生育期的硝態(tài)氮含量變化

2.2 牛糞生物質(zhì)炭基肥對(duì)青稞生長、產(chǎn)量的影響

2.2.1 牛糞生物質(zhì)炭基肥對(duì)青稞農(nóng)藝性狀的影響 由表2可知，處理1、4、5、6基本苗較對(duì)照增加，而處理7的基本苗較對(duì)照減少，處理5的基本苗最高，說明牛糞生物炭與化肥、有機(jī)肥與化肥、草木灰與化肥合理配施可以提高青稞的田間基本苗，可能是施用不同類型的肥料后，改變了土壤的理化性質(zhì)有關(guān)，從而影響了種子的萌發(fā)狀況?；适┤肓繙p少至70%，牛糞生物炭施入量30%，株高最高103 cm（比對(duì)照高13.88%）。牛糞生物炭、有機(jī)肥和草木灰配施化肥都能提高青稞的千粒重。化肥施入量減少至80%，牛糞生物炭施入量20%，千粒重較高，與只施羊糞后的千粒重相當(dāng)。

表2 不同施肥處理對(duì)青稞農(nóng)藝性狀的影響

2.2.2 牛糞生物質(zhì)炭基肥施用對(duì)青稞生長期葉片葉綠素含量的影響 如圖3所示，青稞葉片中葉綠素含量從苗期到分蘗期的變化較小，乳熟期成倍增長，試驗(yàn)組均高于對(duì)照。處理2、3、4，隨著化肥用量的減少，牛糞生物炭用量的增加，葉綠素含量升高。草木灰與化肥配施的葉綠素含量最高。

圖3 不同生長時(shí)期青稞葉片葉綠素含量的變化

可見，牛糞生物炭可以促進(jìn)青稞的生長，這是對(duì)土壤養(yǎng)分高效利用的結(jié)果，與陳盈等[16]通過添加適量生物炭可以提高PSⅡ反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)換效率，以增強(qiáng)光合系統(tǒng)反應(yīng)中心的穩(wěn)定性，從而改善和提高了作物的光合能力的研究結(jié)果相一致。

2.2.3 牛糞生物質(zhì)炭基肥施用對(duì)青稞產(chǎn)量的影響 不同施肥處理對(duì)青稞產(chǎn)量的影響見表3，處理3化肥施入量減少至70%，牛糞生物炭施入量30%時(shí)，籽粒產(chǎn)量最高，為4830.75 kg/hm2（比對(duì)照高13.88%）。處理3、5、6，化肥施入量都減少至70%，施入相同量牛糞生物炭、有機(jī)肥、草木灰后，牛糞生物炭的籽粒產(chǎn)量較高。不同處理籽粒產(chǎn)量之間的差異達(dá)到極顯著；青稞生長后期，處理7成熟最晚，營養(yǎng)生長過于旺盛，導(dǎo)致出現(xiàn)了倒伏（倒伏率8%），但其秸稈產(chǎn)量最高，達(dá)到8221.95 kg/hm2。

表3 不同施肥處理對(duì)青稞產(chǎn)量的影響

2.3 牛糞生物質(zhì)炭基肥對(duì)青稞氮素利用的影響

同等氮輸入條件下，施用常規(guī)化肥的氮素利用率最高；減少化肥施用量，增加生物炭，氮素利用效率提高，40%牛糞生物質(zhì)炭基肥與60%化肥配施的氮素利用率為23.1%；商品有機(jī)肥和草木灰與化肥配施，氮素利用率最低，只有0.6%（圖4），可見，相比常規(guī)施用化肥，牛糞生物質(zhì)炭基肥與化肥配施，青稞的氮素利用率降低，但隨著牛糞生物質(zhì)炭基肥用量的增加，氮素利用率逐步升高。因此，牛糞生物炭可以作為土壤氮素遷移的載體，實(shí)現(xiàn)氮素高效利用。

圖4 不同施肥處理下的青稞氮素利用率

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對(duì)土壤理化性質(zhì)及微生物的影響

生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)且密度較低、容重小于土壤容重，施入農(nóng)田后對(duì)土壤有一定的稀釋作用[17]。生物炭的高孔隙度和表面面積，可以增加砂性土壤的田間持水量，抑制土壤氮磷養(yǎng)分淋失，提高肥料利用率[18-19]。在一定量下，施炭可增加土壤陰、陽離子交換量，減少養(yǎng)分損失，土壤的有機(jī)碳、全氮也會(huì)相應(yīng)增加[20]。生物炭吸附土壤中有機(jī)分子，通過表面催化活性促進(jìn)小分子聚合從而形成土壤有機(jī)質(zhì)，延長有機(jī)質(zhì)分解時(shí)間，從而有助于腐殖質(zhì)的形成，改善土壤肥力[21]。生物炭對(duì)于酸化土壤改良具有重要價(jià)值，其含有的養(yǎng)分元素可直接輸入土壤，其表面電荷和官能團(tuán)有利于土壤養(yǎng)分的保留[22-23]。

生物炭的施用會(huì)刺激氮細(xì)菌活性，其多孔性和巨大表面積能為微生物提供棲息地，有效吸附微生物，為其提供附著載體，從而改變土壤系統(tǒng)氮循環(huán)過程，土壤三大類微生物的數(shù)量隨生物炭用量的增加而顯著增加，在土壤溫度和含水量較高的條件下，微生物代謝活躍[24-25]。細(xì)菌多樣性顯著提升，尤其是增加了芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和變形菌門(Proteobacteria)等促生菌的豐度；減少酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)的豐度[26]。生物炭的施用還能促進(jìn)土壤中脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脫氫酶5種酶的活性[27]。高水平添加量對(duì)土壤蔗糖酶和脲酶的促進(jìn)作用顯著高于中低水平添加量[28]。因此，施用生物炭可顯著改善土壤微生物和酶活性[29]。

3.2 生物質(zhì)炭對(duì)植物生長和作物產(chǎn)量的影響

添加生物炭等外源物質(zhì)可有效改良土壤環(huán)境，平衡鹽與水分，促進(jìn)根系生長，從而促進(jìn)作物生長，是實(shí)現(xiàn)氮肥減施的重要途徑之一。

對(duì)于生物質(zhì)炭對(duì)植物生長的影響主要集中在玉米、小麥、水稻等大宗作物，在青稞上的應(yīng)用效果還未見報(bào)道。闞正榮等[30]研究結(jié)果顯示，施用生物炭顯著降低夏玉米全生育期的耗水量，提高水分利用效率。在施加氮肥情況下，生物炭高量炭處理較不施炭處理可顯著提高灌淤土全氮、全磷和速效鉀含量，但對(duì)速效磷含量沒有影響，生物炭和氮肥配施可以顯著增加水稻籽粒產(chǎn)量，水稻籽粒產(chǎn)量與生物炭用量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.962)[31]。張偉明等[32]研究表明，土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根長、根體積和根鮮重，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積，在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延緩了根系衰老。高溫生物炭納米顆粒對(duì)水稻可能更重要的是減輕藥害，增加生物量、根系活力、葉綠素含量，降低MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率，能誘導(dǎo)水稻植株發(fā)生氧化應(yīng)激[33]。這些都與本研究中所得出的的生物質(zhì)炭與化肥合理配施可以提高青稞的田間基本苗，提高青稞乳熟期葉片中葉綠素含量從而促進(jìn)青稞生長的研究結(jié)論相一致。

研究發(fā)現(xiàn)，施用15 t/hm2稻稈生物炭可以在穩(wěn)定水稻產(chǎn)量的同時(shí)減少20%～40%的化學(xué)氮肥施用量，實(shí)現(xiàn)水稻氮肥管理的“減量增效”[34]。中量(6.75 t/hm2)生物炭處理下小麥-玉米輪作試驗(yàn)中第四季玉米產(chǎn)量增加8.43%；中、高量(6.75 t/hm2)生物炭處理下四季作物總產(chǎn)量提高4.54%、4.92%[35]。劉悅等[36]研究表明，施用生物炭后小麥穗層赤霉病菌孢子的數(shù)量顯著降低，赤霉病病情指數(shù)降低，生物炭的處理較對(duì)照處理增產(chǎn)29.5%。本研究中牛糞生物炭配施化肥后青稞增產(chǎn)，比對(duì)照高13.88%，也達(dá)到了增產(chǎn)的效果。

由此可以看出，生物炭產(chǎn)品所具有的保水保肥、改良土壤和促進(jìn)作物生長的效果是由于生物炭所固有的性質(zhì)所決定的。施用生物質(zhì)炭基肥后，可減少化學(xué)氮肥施用量，提高作物生育期的水分利用效率，促進(jìn)根系和葉的生長，減輕病害等對(duì)作物生長發(fā)揮正向調(diào)控作用。對(duì)目前我區(qū)土壤面臨的鹽堿化、板結(jié)、肥料利用率低、重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)問題上，特別是化肥撿施增效，增施有機(jī)肥的大前景下，生物炭肥料產(chǎn)品將會(huì)發(fā)揮重要的作用。

3.3 生物質(zhì)炭在西藏農(nóng)田土壤中的應(yīng)用前景分析

本研究結(jié)果顯示，牛糞經(jīng)過高溫碳化后，氮和有機(jī)質(zhì)含量降低，而磷、鉀含量和pH升高。針對(duì)目前西藏農(nóng)田土壤中普遍存在的養(yǎng)分缺乏、土壤透氣性和持水性差的現(xiàn)狀，長期持續(xù)施用生物質(zhì)炭基肥后，通過生物質(zhì)碳對(duì)土壤理化性狀及微生物、土壤酶的作用，改善近些年因養(yǎng)分配比不合理、化肥過量施用和有機(jī)肥施用不足而引起的土壤問題，促進(jìn)作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，為高原特色農(nóng)產(chǎn)品的綠色生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

施用牛糞生物炭基肥后，青稞苗期的土壤硝態(tài)氮含量提高，草木灰與化肥配施和只施用羊糞可以促進(jìn)作物對(duì)土壤中銨態(tài)氮的利用。減少化肥施入，增加牛糞生物質(zhì)炭基肥，青稞的株高、千粒重增加；隨牛糞生物質(zhì)炭基肥用量的增加，青稞乳熟期的葉綠素含量升高，從而促進(jìn)青稞的生長；增加生物質(zhì)炭基肥用量，氮素利用效率提高；較常規(guī)施用化肥，牛糞生物質(zhì)炭基肥和化肥合理配施可以提高青稞的籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量。從生產(chǎn)投入到籽粒、秸稈產(chǎn)出綜合對(duì)比，30%牛糞生物質(zhì)炭基肥替代化肥施入的處理效果最佳，青稞籽粒產(chǎn)量最高，為4830.75 kg/hm2。