改性生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收和土壤理化性狀的影響

郭大勇，商?hào)|耀，王旭剛，常會(huì)慶，林 帆

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003; 2.河南省洛陽(yáng)市嵩縣氣象局，河南 洛陽(yáng) 471000)

改性生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收和土壤理化性狀的影響

郭大勇1，商?hào)|耀1，王旭剛1，常會(huì)慶1，林 帆2

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003; 2.河南省洛陽(yáng)市嵩縣氣象局，河南 洛陽(yáng) 471000)

為明確生物炭和改性生物炭在堿性低肥力土壤上的改良培肥效果，采用溫室盆栽試驗(yàn)的方法研究了不同施用水平[0(CK)、0.5%、1%、2%]生物炭和酸洗處理改性生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收和土壤理化性狀的影響。結(jié)果表明：相較于CK，改性生物炭促進(jìn)了玉米的地上部和根系干物質(zhì)積累,同時(shí)顯著增加了植株株高和葉面積，其中以2%施用水平表現(xiàn)最佳，其地上部干質(zhì)量、根系干質(zhì)量、株高、葉面積較CK分別提高了31.0%、61.7%、35.1%、48.2%；生物炭各施用水平處理玉米的地上部干質(zhì)量和株高均顯著下降，其中，1%和2%施用水平地上部干質(zhì)量?jī)H為CK的26.9%和29.2%。改性生物炭2%施用水平顯著增加了玉米地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量，而生物炭處理地上部和根系的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量均出現(xiàn)不同程度地下降。2種生物炭類(lèi)型均顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量；1%、2%生物炭處理土壤pH值分別顯著增加了0.25、0.28個(gè)單位，改性生物炭2%施用水平增幅最高也僅0.10個(gè)單位。在低肥力堿性土壤中施用生物炭建議采用酸洗改性處理，以避免生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育可能存在的負(fù)面影響，且改性后的生物炭施用量以2%為宜。

生物炭； 改性生物炭； 玉米； 養(yǎng)分吸收； 土壤理化性狀

生物炭(biochar) 是指木材、草、玉米稈或其他農(nóng)作物廢棄物等生物質(zhì)資源在低氧條件下通過(guò)高溫裂解(通常<700 ℃)碳化形成的性質(zhì)穩(wěn)定的木炭[1-3]。Terra preta do Indio(Indian dark earth)土壤由于含有大量的有機(jī)碳和具有高生產(chǎn)力的特征，成為關(guān)注的熱點(diǎn)[4]。據(jù)推測(cè)，上述土壤是施入生物炭和有機(jī)肥所形成的[5]。因此，生物炭為陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳提供了一個(gè)全新的思路和研究方法。一般情況下，秸稈碳資源直接還田，5～10 a后土壤中能保持10%～20%的原有碳，而以生物炭的方式還田則至少保持50%以上[3,6-8]。生物炭在土壤中的應(yīng)用不僅被證實(shí)固碳潛力巨大，而且可能對(duì)土壤質(zhì)量、糧食安全和未來(lái)碳匯市場(chǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

生物炭不僅能作為一種土壤改良劑促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且能夠更有效地固持吸收養(yǎng)分，通過(guò)改善土壤理化性狀提升土壤生產(chǎn)力，在降低溫室氣體排放的同時(shí)固碳，其對(duì)環(huán)境的益處顯而易見(jiàn)[9-11]。目前，生物炭對(duì)土壤生產(chǎn)力的影響研究主要集中在亞熱帶和熱帶地區(qū)[12-13]，該區(qū)域內(nèi)土壤pH值往往較低，陽(yáng)離子交換量小，生物炭的灰分元素能夠起到增產(chǎn)的作用；而在堿性土壤上，這種增產(chǎn)作用可能非常有限；同時(shí)由于生物炭具有固持吸附養(yǎng)分的特性，其在低肥力堿性土壤中對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響尚未可知。

我國(guó)的中低產(chǎn)田占到全國(guó)耕地總面積的2/3以上，且廣泛分布于我國(guó)東北平原、黃淮海平原和北方山地丘陵地區(qū)，有機(jī)質(zhì)貧乏被認(rèn)為是農(nóng)田低產(chǎn)的重要原因之一[14-15]，如何通過(guò)生物炭技術(shù)在提升土壤碳庫(kù)的同時(shí)增加作物產(chǎn)量是改造中低產(chǎn)田的重要途徑之一，但目前生物炭在低肥力堿性土壤上的研究仍然不足。雖然生物炭具有較多優(yōu)點(diǎn)，但依然有不足之處，一方面堿性土壤上施用生物炭會(huì)造成pH值升高，進(jìn)而導(dǎo)致作物對(duì)養(yǎng)分元素的吸收障礙；另一方面生物炭本身礦質(zhì)養(yǎng)分有限且碳源難以被利用，利用生物炭改性技術(shù)或制備碳基復(fù)合肥或可彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。一些研究者通過(guò)負(fù)載鐵鹽改性的方法研究了改性生物炭對(duì)土壤氮、磷吸附的影響[16-17]以及改性物炭對(duì)植物砷吸收的抑制作用[18]，但上述研究關(guān)注更多的是土壤本身，改性生物炭如何影響作物生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收的研究未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，擬采用盆栽試驗(yàn)，探討在堿性低肥力土壤中施加生物炭和改性生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收和土壤理化性狀的影響，以期為生物炭的利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于河南省洛陽(yáng)市河南科技大學(xué)周山校區(qū)(112°22′33′′E、34°38′18′′N(xiāo))。供試作物為玉米(ZeamaysL.)，品種為鄭單958。供試土壤為褐土，采自河南科技大學(xué)周山校區(qū)裸荒地，樣品過(guò)2 mm篩后風(fēng)干備用。生物炭由河南省新鄉(xiāng)市三利新能源公司提供，于500 ℃條件下小麥秸稈限氧熱解制成，生物炭樣品粉碎后過(guò)1 mm篩；改性生物炭由生物炭制成，在0.1 mol/L鹽酸溶液中浸泡24 h后，振蕩、反復(fù)過(guò)濾、沖洗，常溫下風(fēng)干備用。土壤、生物炭、改性生物炭的理化性狀見(jiàn)表1。

表1 土壤和生物碳的基本性質(zhì)

注：ND代表樣品養(yǎng)分含量低于檢測(cè)線。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)生物炭施加水平[0(CK)、0.5%、1%、2%]，每個(gè)水平下設(shè)置生物炭(B)和改性生物炭(HB)2個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4次。使用聚乙烯花盆(高度21 cm、底部直徑18.5 cm)，底部平鋪0.1 mm孔徑的尼龍網(wǎng)，分別將生物炭、改性生物炭與風(fēng)干土壤充分混勻后裝入花盆(6.5 kg/盆)。施基肥純氮140 mg/kg(尿素)、磷60 mg/kg(磷酸二氫鈣)和鉀120 mg/kg(氯化鉀)，后期不再追肥。

玉米于2015年7月10日進(jìn)行催芽萌發(fā)，7月13日選擇長(zhǎng)勢(shì)相同的玉米苗移栽到花盆中，每盆1株。玉米放入日光溫室后精細(xì)管理，為避免光線異同，每3 d調(diào)換一次位置，采用稱(chēng)質(zhì)量法進(jìn)行水分管理，保持田間持水量的65%左右。2015年9月14號(hào)收獲，生長(zhǎng)周期2個(gè)月。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

玉米收獲當(dāng)天測(cè)定葉片SPAD值、最大葉葉面積(葉面積=長(zhǎng)×寬×0.75)和株高，然后采集各盆中玉米地上部和地下部樣品，分別用自來(lái)水洗凈后蒸餾水潤(rùn)洗，105 ℃殺青1 h，然后75 ℃烘干至恒質(zhì)量，并稱(chēng)質(zhì)量。地上部和根系烘干后粉碎所得樣品與土壤樣品均采用H2SO4-H2O2法消解，凱氏定氮儀測(cè)定N含量，火焰光度法測(cè)定K含量；采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定土壤P含量，鉬黃比色法測(cè)定植株P(guān)含量；土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法；采用抖土法按土水比1∶2.5測(cè)定根際土壤pH值。以上方法均參照《土壤農(nóng)化分析》[19]中相關(guān)方法進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010和SPSS 13.0進(jìn)行分析，多重比較采用Duncan氏新復(fù)極差法分析，施用水平和改性生物炭之間的交互作用采用雙因素方差分析法分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與改性生物炭的掃描電鏡分析

由圖1可見(jiàn)，原生物炭表面粗糙，骨架明顯，有許多孔狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)在生物炭的表面存在大量灰分；酸處理過(guò)的生物炭(改性生物炭)蜂窩狀結(jié)構(gòu)清晰，孔內(nèi)沒(méi)有灰分物質(zhì)存在，說(shuō)明用酸處理過(guò)后，原生物炭的灰分幾乎全部清除，同時(shí)生物炭的孔性結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何改變。

A和B分別為供試生物炭1 000和500倍的掃描電鏡示意圖，C和D分別為酸處理后的供試生物炭1 000和500倍的掃描電鏡示意圖

2.2 生物炭與改性生物炭對(duì)玉米生物量、農(nóng)藝性狀和葉片SPAD值的影響

由表2可以看出，與CK相比，施用改性生物炭各處理顯著增加了根系干質(zhì)量、株高和葉面積；1%HB、2%HB處理顯著增加了地上部干質(zhì)量5.49、8.93 g/株。施用生物炭各處理玉米的地上部干質(zhì)量和株高均顯著下降，且株高隨施用量的增加呈下降趨勢(shì)；根冠比相較于CK則顯著上升。生物炭和改性生物炭各處理SPAD值均顯著低于CK，且1%HB、2%HB處理顯著高于相應(yīng)施加水平的生物炭處理。雙因素方差分析結(jié)果表明，生物炭類(lèi)型對(duì)玉米地上部干質(zhì)量、根系干質(zhì)量、根冠比、株高和SPAD值均有顯著影響，施用水平對(duì)地上部干質(zhì)量、根系干質(zhì)量、根冠比、株高、葉面積、SPAD值均有顯著影響，兩者互作對(duì)地上部干質(zhì)量、根系干質(zhì)量、株高、葉面積和SPAD值影響顯著。

2.3 生物炭與改性生物炭對(duì)玉米植株養(yǎng)分吸收利用的影響

2.3.1 地上部 由表3可見(jiàn)，與CK相比，施用改性生物炭植株地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分含量均有不同程度下降，而生物炭處理氮、鉀養(yǎng)分含量則有不同程度增加。同一施用水平，生物炭處理地上部氮、鉀含量顯著高于改性生物炭處理。通常，隨著植株干物質(zhì)積累量的增加，植株體內(nèi)的養(yǎng)分含量存在一定的稀釋效應(yīng)，這與改性生物炭和生物炭處理的干物質(zhì)積累量的結(jié)果相一致(表2)。生物炭處理與改性生物炭處理地上部磷含量均較CK有不同程度地下降，且同一施用水平下2種生物炭處理差異不顯著，這表明，無(wú)論是生物炭還是改性生物炭，均可能存在抑制植株對(duì)土壤磷吸收利用的效應(yīng)。氮、磷、鉀吸收量隨改性生物炭施用量的增加呈上升趨勢(shì)，2%HB處理地上部氮、磷、鉀吸收量最高，分別達(dá)到277.15、83.03、475.58 mg/kg；0.5%B處理氮、磷、鉀吸收量顯著高于1%B和2%B處理，1%B與2%B處理間無(wú)顯著性差異。雙因素方差分析顯示，生物炭類(lèi)型和施加水平對(duì)地上部氮、鉀含量和氮、磷、鉀吸收量均有顯著影響，二者互作對(duì)植株氮、磷、鉀含量以及吸收量均存在顯著影響。

表2 生物炭與改性生物炭對(duì)玉米干質(zhì)量、農(nóng)藝性狀和葉片SPAD值的影響

注：同列不同字母表示在0.05水平差異顯著；*、**、***分別表示P<0.05、P<0.01、P<0.001，下同。

表3 生物炭與改性生物炭對(duì)玉米植株地上部養(yǎng)分吸收利用的影響

2.3.2 地下部 由表4可知，與CK相比，生物炭處理和改性生物炭處理地下部氮含量均顯著下降；除2%B處理外，其他生物炭處理和改性生物炭處理地下部磷含量均顯著下降；除0.5%HB處理外，其他生物炭處理和改性生物炭處理地下部鉀含量均高于CK。生物炭處理和改性生物炭處理地下部氮、磷吸收量均較CK顯著下降，1%HB和2%HB處理鉀吸收量則較CK顯著增加。上述結(jié)果表明，低肥力堿性土壤上生物炭和改性生物炭可能通過(guò)吸附固持降低土壤有效氮、磷的供應(yīng)，進(jìn)而減少了地下部氮、磷的吸收量，而1%HB和2%HB處理玉米生長(zhǎng)發(fā)育良好時(shí)，植株體內(nèi)鉀素含量并沒(méi)有下降，同時(shí)其吸收量較CK也得到了顯著提高，這可能與供試土壤鉀素供應(yīng)水平較高相關(guān)。雙因素方差分析顯示，生物炭類(lèi)型對(duì)地下部氮、鉀含量和氮、磷吸收量有顯著影響，施用水平對(duì)地下部氮、磷、鉀含量及吸收量均有顯著影響，二者互作對(duì)地下部氮、磷、鉀含量和吸收量均有顯著影響。

表4 生物炭與改性生物炭對(duì)玉米植株地下部養(yǎng)分吸收利用的影響

2.4 生物炭與改性生物炭對(duì)土壤理化性狀的影響

由表5可知，與CK相比，生物炭和改性生物炭處理均顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量；使土壤全氮、全磷含量均有不同程度上升，尤以2%B處理上升幅度最大，分別為CK的2.61、1.67倍；土壤全鉀含量除0.5%HB處理與CK差異不顯著外，其他各處理均較CK顯著下降；1%B處理和2%B處理土壤含水量顯著高于其他處理，這可能是因?yàn)樯鲜?個(gè)處理的玉米長(zhǎng)勢(shì)最差，在溫室水分管理一致的條件下其根系吸收水分的能力也最差；各施用水平生物炭處理與2%HB處理土壤pH值均較CK顯著增加，但0.5%HB處理和1%HB處理的pH值與CK差異不顯著。雙因素方差分析結(jié)果表明，生物炭類(lèi)型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、含水量、pH值、全氮含量、全磷含量、全鉀含量均存在顯著影響，施用水平對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值、全氮含量、全磷含量和全鉀含量有顯著影響，二者互作對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、含水量、pH值、全氮含量和全磷含量有顯著影響。

表5 生物炭與改性生物炭對(duì)土壤理化性狀的影響

3 結(jié)論與討論

目前，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量的影響依然存在相當(dāng)大的不確定性，雖然統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，生物炭對(duì)作物產(chǎn)量增加有顯著的正相關(guān)作用，且平均增幅達(dá)到了10%，但上述結(jié)果主要基于熱帶和亞熱帶的中酸性土壤[12]。堿性土壤或高生物炭施用條件下，由于陽(yáng)基離子不是作物生長(zhǎng)的限制性因子且生物炭具有一定的吸附作用，生物炭對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育可能存在負(fù)面影響。施用生物炭后也有作物產(chǎn)量不變或減產(chǎn)的報(bào)道，較高的生物炭施用量會(huì)固持土壤中的氮素，造成土壤有效氮素的減少，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量下降，同時(shí)在不同的作物類(lèi)型和土壤類(lèi)型上，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響也存在顯著差異[20-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，在低有機(jī)質(zhì)含量的堿性土壤上，施用普通生物炭顯著降低了玉米的地上部干質(zhì)量和株高，且降低幅度隨著施用量增加整體呈增大趨勢(shì)，其中施用1%、2%生物炭處理玉米地上部干質(zhì)量?jī)H為CK的26.9%、29.2%，而施用0.5%、1%、2%改性生物炭處理地上部干質(zhì)量較CK分別增加了0.8%、19.1%、31.0%。因此，生物炭的應(yīng)用需要充分考慮作物類(lèi)型、土壤立地條件或?qū)ι锾坎捎孟鄳?yīng)的改性處理。

pH值是影響作物養(yǎng)分有效性的重要土壤因素之一。生物炭中芳香烴官能團(tuán)能吸附土壤溶液中的H+，使土壤溶液H+濃度降低[23]，生物炭中的硅酸鹽、碳酸鹽和碳酸氫鹽也可以與土壤溶液中的H+結(jié)合而使土壤pH值上升[24]；通常生物炭本身又具有一定堿性，其含有的鹽基離子進(jìn)入土壤后會(huì)有一定的釋放，交換土壤中的H+和Al3+，從而降低致酸離子濃度，提高鹽基飽和度并增加土壤pH值[25]。本研究表明，施用0.5%、1%改性生物炭的土壤pH值與CK無(wú)顯著性差異，施用2%改性生物炭處理雖然顯著增加了pH值但增幅僅為0.10個(gè)單位，而施用1%、2%的普通生物炭處理土壤pH值顯著升高了0.25、0.28個(gè)單位。在高有機(jī)質(zhì)含量土壤中，由于土壤有機(jī)質(zhì)的緩沖性能，通常土壤pH值變化較小[26-27]，而本試驗(yàn)中由于供試土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，其對(duì)土壤pH值的緩沖能力可能相對(duì)較弱。生物炭一方面會(huì)吸附固持土壤中的養(yǎng)分，另一方面增加堿性土根際土壤pH值后會(huì)造成土壤養(yǎng)分有效性降低[28]，這也可能是本試驗(yàn)中雖然0.5%、1%水平的改性生物炭增加了玉米的干物質(zhì)積累量，然而氮、磷積累量出現(xiàn)下降的原因；另一個(gè)不可忽視的原因在于，玉米生長(zhǎng)過(guò)程中根系會(huì)分泌酸類(lèi)物質(zhì)以活化土壤中的養(yǎng)分，根際土壤pH值上升會(huì)降低螯合態(tài)鐵的有效性，堿性土中約40%的土壤存在缺鐵現(xiàn)象，苗期又是玉米對(duì)缺鐵較為敏感的時(shí)期[29]，這可能是造成本試驗(yàn)普通生物炭處理玉米苗期生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制的主要原因，該結(jié)果也與張晗芝等[30]的研究結(jié)論相似。雖然有研究表明，添加生物炭能促進(jìn)鐵氧化過(guò)程，提高小麥籽粒鐵含量[31-32]，但生物炭對(duì)堿性土根際土壤鐵氧化還原過(guò)程及玉米鐵營(yíng)養(yǎng)的影響機(jī)制仍待進(jìn)一步的研究。

綜上所述，堿性土壤上施用經(jīng)酸處理的改性生物炭更利于促進(jìn)玉米植株的地上部和地下部干物質(zhì)積累，施用未處理的生物炭則抑制了玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，且表現(xiàn)出施用量越大抑制作用越明顯的趨勢(shì)；施用生物炭和改性生物炭均能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但施用未處理生物炭顯著增加了土壤pH值，施用改性生物炭處理與CK差異較小，生物炭導(dǎo)致低有機(jī)質(zhì)堿性土pH值升高可能是抑制玉米生長(zhǎng)發(fā)育的重要原因之一，建議在堿性土壤中對(duì)生物炭進(jìn)行酸洗改性處理，以降低生物炭可能帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。

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Effects of Modified Biochar on Growth,Nutrients Uptake of Maize and Soil Physicochemical Properties

GUO Dayong1,SHANG Dongyao1,WANG Xugang1,CHANG Huiqing1,LIN Fan2

(1.Agricultural College,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China; 2.Song County Meteorological Bureau of Luoyang of Henan Province,Luoyang 471000,China)

To evaluate the effect of biochar and modified biochar on improving soil fertility,a greenhouse pot culture experiment was carried out to study the effects of biochar and modified biochar on growth and nutritional status of maize,soil physicochemical properties under different application levels [0(CK)，0.5%，1%，2%] in alkaline and low organic matter soil.The results showed that compared to CK,modified biochar increased ground dry weight and root dry weight,meanwhile significantly increased plant height and leaf area,2% level performed the best with increments of ground dry weight,root dry weight,maize height and leaf area by 31.0%,61.7%，35.1% and 48.2%,respectively.Biochar significantly decreased maize ground dry weight and height,ground dry weight of 1% biochar and 2% biochar treatments were only 26.9% and 29.2% of CK.The 2% modified biochar significantly increased ground N,P,K uptake in maize,while biochar treatments decreased ground and root N,P,K uptake in maize.Both biochar types significantly increased soil organic matter contents,1% biochar and 2% biochar treatments significantly increased soil pH values by 0.25 and 0.28,while 2% modified biochar treatment reached the highest among modified biochar treatments with the increment of 0.10.This research suggested biochar was better to be acid disposed when applied in alkaline and low organic matter soils to avoid the negative effects of biochar on the growth of crops,and 2% rate was recommended for practice.

biochar; modified biochar; maize; nutrients uptake; soil physicochemical properties

2016-08-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571319，U1504402)；河南科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(402413480052)

郭大勇(1979-)，男，安徽宣城人，講師，博士，主要從事生物炭與土壤地球化學(xué)過(guò)程研究。 E-mail:pancywang@163.com

S156.2；S513

A

1004-3268(2017)02-0022-06