施用生物炭對(duì)灰漠土養(yǎng)分及棉花生長(zhǎng)的影響

侯艷艷，朱新萍，徐萬里，顧美英，廖 娜，唐光木，王 旭

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；3. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南南陽 473000)

0 引 言

【研究意義】生物炭作為一類高度芳香化和富含碳、穩(wěn)定性能高的有機(jī)物質(zhì)在改善土壤性質(zhì)和提高土壤肥力方面有著重要的作用?；夷潦切陆饕r(nóng)業(yè)土壤，其自身的障礙特性(白、板、干)限制了灰漠土的生產(chǎn)力；棉花是新疆主要的農(nóng)作物，在農(nóng)業(yè)秸稈中棉花秸稈約占三分之一，如果將其直接還田，棉稈中帶的病蟲害可能導(dǎo)致還田質(zhì)量不穩(wěn)定，對(duì)種子形成危害。棉花秸稈炭化還田為新疆棉花秸稈的利用提供新途徑?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生物炭(又稱生物焦、生物質(zhì)炭、生物黑炭等)是由植物或廢棄物在高溫缺氧或部分缺氧情況下產(chǎn)生的一種高度芳香化物質(zhì)。生物炭具有改善土壤理化性質(zhì)、保水保肥的特點(diǎn)。研究顯示，生物炭能夠保持土壤水分[1]，增加土壤的滲透性[2]。 Downiea等[3]發(fā)現(xiàn)富含生物炭的土壤中CEC值比周邊土壤中高。也有研究認(rèn)為土壤與生物質(zhì)炭混合后，隨著時(shí)間的推移，生物炭老化，土壤CEC的值顯著增加[4]。也有研究表明，生物炭對(duì)肥力較高土壤的CEC影響不明顯，而肥力較低的土壤CEC對(duì)生物炭的加入更為敏感[5]。大部分研究結(jié)果認(rèn)為生物炭在一定程度上促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)[6,7]，但也有研究認(rèn)為添加高量生物炭會(huì)抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育[8]，而生物炭對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期的作物在不同的土壤類型上的影響也各不相同[9]。在灰漠土上施用生物炭有效提高了作物生物量，并促進(jìn)其生長(zhǎng)[10]。也有研究顯示施用生物炭抑制了玉米初期的生長(zhǎng)，且添加量高的處理抑制作用最顯著[11]。通常生物炭加入到土壤后主要是通過增加土壤的養(yǎng)分、改變土壤理化性能和微生物群落來影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，影響程度與生物炭自身性質(zhì)及土壤質(zhì)地有關(guān)[12]。【本研究切入點(diǎn)】近年來，生物炭成為各領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，生物質(zhì)炭對(duì)土壤肥力和作物生長(zhǎng)影響的研究，主要集中在風(fēng)化土、酸性土壤上[13]，不同的土壤質(zhì)地對(duì)不同原料的生物質(zhì)炭的響應(yīng)也不同。【擬解決的關(guān)鍵問題】以新疆棉花秸稈為試材，典型的灰漠土為對(duì)象，研究棉稈炭對(duì)新疆灰漠土養(yǎng)分及棉花生長(zhǎng)的影響，為棉花秸稈的資源化利用，以及生物質(zhì)炭對(duì)灰漠土肥力的改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試生物炭來自棉花秸稈，將其剪成1～2 cm左右的短枝條，放在馬弗爐中，450℃炭化1 h，制備試驗(yàn)所需棉稈炭。將棉稈炭自然風(fēng)干，研磨過0.25 mm篩備用。

供試土壤灰漠土，采自國家灰漠土土壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地(N43°95′26″，E87°46′45″)。土壤質(zhì)地為壤土。列出供試土壤基本理化性質(zhì)。表1

表1 供試土壤和棉稈炭基本性質(zhì)
Table 1 Basic properties of the soil and biochar in the pot experiment

pHEC(mS/cm)有機(jī)碳Organiccarbon(g/kg)全氮TotalN(g/kg)全磷TotalP(g/kg)全鉀TotalK(g/kg)堿解氮AvailableN(mg/kg)速效磷AvailableP(mg/kg)速效鉀AvailableK(mg/kg)CECcmol(+)(kg)灰漠土Graydesertsoil88502269104705916354884270110772384棉稈炭Cottonstalk-char9373704170421761058214553820094105221196

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以棉稈炭為試驗(yàn)材料，灰漠土為研究對(duì)象，試驗(yàn)設(shè)計(jì)共設(shè)6個(gè)處理，空白對(duì)照處理、NPK處理、NPK+有機(jī)肥(1.5 t/667 m2，耕層土重的1%，每年施入)、NPK+棉稈炭(1.5 t/667 m2，1%耕層土重，一次施用)、NPK+生物質(zhì)炭(3.0 t/667 m2，2%耕層土重，一次施用)、NPK+生物質(zhì)炭(6.0 t/667 m2，4%耕層土重，一次施用)，分別以CK、NPK、NPKM、NPK 1.5Bc、NPK 3.0Bc、NPK 6.0Bc，3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)。氮肥40%基施，60%追施，P2O5(9.2 kg/667 m2)，K2O (4 kg/667 m2)作為基肥一次性施入。種植作物為棉花，品種為新陸早45號(hào)，小區(qū)面積6.4 m×5 m。

1.2.2 樣品采集

樣品采集：于2014年9月棉花吐絮期，每處理采用3點(diǎn)法采集0～20 cm土層樣品，共計(jì)6個(gè)處理，每處理3次重復(fù)。將采集的土壤樣品混勻后風(fēng)干過篩，測(cè)定土壤的全量氮、磷、鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH及陽離子交換量(CEC)等指標(biāo)[15]。

每處理隨機(jī)采集5株植物樣，用于生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定。

測(cè)產(chǎn)：每個(gè)處理采用對(duì)角線法取2個(gè)樣點(diǎn)，計(jì)算株數(shù)和鈴數(shù)。 每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)收取吐絮鈴15個(gè)，晾曬干后稱重量，計(jì)算平均單鈴重； 根據(jù)株數(shù)和鈴數(shù)算出平均單株成鈴數(shù)；籽棉667 m2產(chǎn)量(kg/667 m2)=收獲密度(株/667 m2)×平均單株成鈴數(shù)(個(gè)/株)×單鈴重(g/鈴)/1 000×校正系數(shù)(85%)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

Excel 2010進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，SPSS17.0進(jìn)行顯著性分析 (P<0.05)，SigmaPlot 10.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉稈炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.1.1 棉稈炭對(duì)土壤全量養(yǎng)分含量的影響

研究表明，加入棉稈炭，土壤全氮含量隨著棉稈炭施用量的增加而增加，相比CK處理增加的幅度在5.6%～18.7%、5.9%～18.9%，但不同處理間差異不顯著(P>0.05)。施用有機(jī)肥可以土壤中全氮的含量增加0.929 g/kg，相比CK處理增加了13.9%，差異也不顯著(P>0.05)。圖1

研究表明，NPKM、NPK處理組相比CK全磷含量減少，減少在5.8%～8.8%，但差異不顯著(P>0.05)；棉稈炭處理相較于對(duì)照CK，NPK1.5Bc、 NPK3.0Bc處理中土壤的全磷含量降低了，降低在15%～35%，而NPK6.0Bc處理增加了土壤全磷的含量，增幅為7.9%；在添加棉稈炭處理中，土壤全磷含量隨著棉稈炭的增加而增加，NPK1.5Bc全磷的含量最低，為0.56 g/kg，NPK3.0Bc、NPK6.0Bc處理組土壤中全磷的含量相比NPK1.5Bc處理增加了17.3%～45.4%，但各處理組之間差異不顯著(P>0.05)。圖2

不同處理中，土壤中全鉀的含量隨著棉稈炭的施用量增加略微增加，各處理之間差異不顯著(P>0.05)。圖3

圖1 施用棉稈炭灰漠土全量N養(yǎng)分變化
Fig.1 Changes of Total N Nutrients in gray desert soil of different amounts of BC

圖2 施用棉稈炭灰漠土全量P養(yǎng)分變化
Fig.2 Changes of Total P Nutrients in gray desert soil of different amounts of BC

圖3 施用棉稈炭灰漠土全量K養(yǎng)分變化
Fig.3 Changes of Total K Nutrients in gray desert soil of different amounts of BC

2.1.2 棉稈炭對(duì)土壤有效態(tài)養(yǎng)分含量的影響

研究表明，NPK和NPKM處理土壤堿解氮的含量顯著高于對(duì)照CK處理 (P<0.05)，相比CK處理，堿解氮分別提高了75.37%和79.65%，說明常規(guī)施肥和有機(jī)肥施用能夠顯著提高土壤中堿解氮的含量，維持土壤相對(duì)穩(wěn)定的肥力水平。添加棉稈炭，相比CK處理顯著提高了土壤堿解氮含量，提高在31.27%～44.10%，但不同處理間差異不顯著(P>0.05)；同時(shí)可以看出，添加棉稈炭處理土壤堿解氮含量顯著低于NPK、NPKM處理(P<0.05)，降低在21.69%～36.86%，這可能是因?yàn)槊薅捥控S富的多孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積增加了氮素的固持和吸附作用。圖4

不同處理間對(duì)速效磷的影響相差較大，不同處理間土壤速效磷的含量表現(xiàn)為NPKM>CK >NPK1.5Bc >NPK6.0Bc>NPK> NPK3.0Bc，NPKM處理相比CK和NPK處理提高了11.25%和57.63%，相比添加棉稈炭處理，提高在16.49%～86.52%；不同棉稈炭處理，土壤速效磷低于CK處理，相比CK處理，降低在4.7%～67.65%；棉稈炭處理間，土壤速效磷含量NPK1.5Bc處理最大，相比NPK6.0Bc和NPK3.0Bc提高了26.38%和60.10%。圖5

相比CK處理，不同處理都顯著增加了土壤速效鉀的含量(P<0.05)。相比對(duì)照CK處理，NPK和NPKM處理速效鉀分別提高了5.38%和29.49%；相比CK處理，添加棉稈炭處理，顯著提高了土壤速效鉀含量，提高在36.4%～98.5% (P>0.05)；同時(shí)可以看出，添加棉稈炭處理土壤速效鉀含量高于NPK、NPKM處理(P<0.05)，分別提高在29.4%～88.3%和5.30%～53.29%。圖6

圖4 施用棉稈炭灰漠土速效N變化
Fig.4 Changes of available N in gray desert soil of different amounts of BC

圖5 施用棉稈炭灰漠土速效P變化
Fig.5 Changes of available P in gray desert soil of different amounts of BC

圖6 施用棉稈炭灰漠土速效K變化
Fig.6 Changes of available K in gray desert soil of different amounts of BC

2.1.3 棉稈炭對(duì)土壤pH、CEC的影響

研究表明，每個(gè)處理組相對(duì)于對(duì)照組CK來說，pH值都有所降低NPK、NPKM處理pH顯著低于CK(P<0.05)，分別降低了0.17和0.28個(gè)單位；添加棉稈炭處理，相比CK，pH值也是降低的，降低了0.08～0.13個(gè)單位，NPK1.5Bc降低最顯著(P<0.05)；棉稈炭處理間，隨著棉稈炭的增加，pH值也隨之增大，增加了0.05個(gè)單位；添加棉稈炭處理與NPK和NPKM相比分別增加了0.04～0.09和0.15～0.20個(gè)單位，差異性顯著(P<0.05)，但從整體上來看pH是降低的。圖7

研究表明，NPK和NPKM處理中，土壤CEC的含量低于對(duì)照CK處理 (P>0.05)，分別降低了15.05%和7.40%，差異不顯著(P>0.05)；各處理組與NPK處理相比，CEC都是增加的，差異不顯著(P>0.05)。添加棉稈炭處理中NPK3.0Bc處理，相對(duì)CK處理，土壤CEC的含量是降低的，降低了43.66%，而NPK1.5Bc、NPK6.0Bc處理，相對(duì)與CK土壤CEC的含量是增加的，分別增加了6.26%和22.3%；NPKM和棉稈炭處理組土壤CEC的含量都高于NPK處理，相比NPK，CEC分別增加了7.12%、22.26%、9.49%、40.71%。圖8

圖7 棉稈炭對(duì)土壤pH影響
Fig.7 Change of pH in gray desert soil of different amounts of cotton stalk -char

圖8 棉稈炭對(duì)土壤CEC影響
Fig.8 Change of CEC in gray desert soil of different amounts of cotton stalk -char

2.2 棉稈炭對(duì)棉花生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

2.2.1 棉稈炭對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響

研究表明，NPKM處理組，棉花生長(zhǎng)相較于CK和其他處理組，棉花長(zhǎng)勢(shì)較弱，莖粗和地上地下生物量都有所下降，可能是由于有機(jī)肥的持續(xù)緩效性，表現(xiàn)不顯著(P>0.05)。隨著棉稈炭的增加，棉花的莖粗、株高及生物量也隨著增加，差異不顯著(P>0.05)。添加棉稈炭處理，相比CK組，各生長(zhǎng)指標(biāo)都略有提高，提高幅度最大的是NPKBC6.0處理組，分別提高了1.98%、3.98%、4.06%、13.78%、5.44%，各處理間差異不顯著(P>0.05)。表2

表2 棉稈炭下棉花生長(zhǎng)變化
Table 2 Effect of cotton stalk on crop growth

處理Treatment莖粗Stemsthick(cm)株高Plantheight(cm)地上部Aboveground(g)地下部Underground(g)單株生物量Biomassperplant(g)CK967±141a6840±696a3219±1302a530±298a3749±1510aNPK976±220a6988±752a3150±1313a534±191a3684±1494aNPKM864±128a6993±675a2905±773a497±118a3402±896aNPKBC15962±069a7081±456a3494±676a572±123a4066±782aNPKBC30967±171a6997±1187a3320±1091a529±126a3850±1158aNPKBC60986±101a7112±486a3350±1093a603±126a3953±1200a

2.2.2 施用棉稈炭對(duì)棉花單株葉面積及產(chǎn)量的影響

研究表明，各處理間棉花單株葉面積表現(xiàn)為NPK6.0Bc>NPK1.5Bc > NPKM> NPK3.0Bc> NPK> CK。NPKM處理與CK、NPK相比，棉花單株葉面積顯著增加，增幅分別為30.8%、27.4%；棉稈炭處理組中，相比CK組，NPK1.5Bc、NPK6.0Bc顯著提高了單株葉面積，提高35.4%、39.5%，(P<0.05)，而NPK3.0Bc相比CK也提高了單株葉面積，但差異不顯著(P>0.05)；在棉稈炭處理組間，NPK3.0Bc相較其他兩組，降低了棉花單株葉面積，降幅分別為10.4%、13.8%。添加棉稈炭，相比NPKM，NPK1.5Bc、NPK6.0Bc提高了也棉花單株葉面積，但提高不顯著(P>0.05)，而NPK3.0Bc棉花單株葉面積顯著降低了，降幅為6.7%。

研究表明，NPK相比于CK，棉花產(chǎn)量略微提高，但不顯著(P>0.05)，NPKM處理，相比CK顯著提高了棉花的產(chǎn)量，提高了12.4%；添加棉稈炭，相比CK處理提高了棉花產(chǎn)量，提高在8.9%～21.3%；同時(shí)也可以看出，添加棉稈炭處理中NPK1.5Bc、NPK3.0Bc棉花產(chǎn)量低于NPKM處理，降低了3.1%，而NPK6.0Bc增加了棉花產(chǎn)量，增幅為 7.9% 。而在棉稈炭處理組間，NPK6.0Bc比其他兩組顯著提高了棉花產(chǎn)量，提高了11.4%。表3

表3 棉稈炭下棉花單株葉面積及產(chǎn)量變化
Table 3 Effect of cotton stalk on leaf area and yield of cotton

處理Treatment單株葉面積Leafareasperplant(104mm2)籽棉產(chǎn)量Theseedcottonyield(kg/667m2)CK990±116c31581±897cNPK1017±101c31948±1593cNPKM1296±098a35496±2313abNPK15Bc1341±082ab34412±2338bcNPK30Bc1214±070c34381±1139bcNPK60Bc1382±084ab38300±1700a

3 討 論

3.1 棉稈炭對(duì)灰漠土養(yǎng)分的影響

棉稈炭的加入提高了灰漠土中養(yǎng)分的有效性。研究表明，土壤的全氮和堿解氮含量隨著棉稈炭添加量的增加而增加。已有的研究證明[15]在不施肥的情況下，5和10 g/kg生物炭用量的土壤堿解氮含量與對(duì)照相比分別提高了30.9%和15.0%，但各處理間差異不顯著(P>0.05)。其原因可能是由于棉稈炭含碳量達(dá)417.04 g/kg，施入到土壤中時(shí)，碳氮比提高，使得有效氮含量降低，從而降低土壤氮素利用率；另一個(gè)重要原因就是新疆土壤pH的背景值較高，再加上棉稈炭也是堿性，使其堿化程度加劇，降低了氮的有效性。

研究中，在灰漠土中加入棉稈炭提高了土壤中全磷含量，這與玉米秸稈炭加入到酸性紅壤和堿性潮土[16]中的結(jié)果相一致，且土壤中全磷的含量隨著生物炭添加量的增加而增加。土壤pH值也是影響土壤磷素有效態(tài)轉(zhuǎn)化的重要因素，研究中，當(dāng)土壤pH值降低時(shí)，土壤中速效磷的含量增加，pH值升高時(shí)，則相反，速效磷含量降低，這與Parvage[17、18]等的研究結(jié)果相似，但與Deluca等的研究發(fā)現(xiàn)相反[19]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在堿性土壤中生物炭對(duì)有效磷的吸附率與pH值的變化趨勢(shì)相同[20]。

研究中，在添加棉稈炭的灰漠土中全鉀的含量與國內(nèi)大多的研究相一致，對(duì)土壤中全鉀的影響不大。而添加棉稈炭顯著增加了土壤中速效鉀的含量，而且隨著用量增加而增加，這與前人研究一致[21]，究其原因在于生物炭一方面可以直接帶入營養(yǎng)元素鉀，另一方面生物炭促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的保留[22]。

3.2 棉稈炭對(duì)灰漠土pH、CEC的影響

不同生物質(zhì)炭加入不同土壤中使土壤pH升高或降低一直是現(xiàn)在爭(zhēng)議的問題，研究發(fā)現(xiàn)，以造紙廢物為原料的生物炭，施在酸性鐵質(zhì)土上，土壤的pH值增加[5]，但對(duì)堿性鈣質(zhì)土壤pH的影響不明顯[23]。試驗(yàn)結(jié)果中表明，施用生物炭后，土壤的pH值比對(duì)照組有所下降，NPK1.5Bc處理的生物炭，其pH值明顯下降，降低了0.14個(gè)單位，添加生物炭使裸地土壤pH值降低，這可能給新疆堿性土壤的改良帶來很大的幫助，土壤肥力也將改善。因此，加入棉稈炭后新疆土壤pH值升高和降低的具體機(jī)制還需進(jìn)一步探討。

土壤陽離子交換量(CEC)是土壤保肥能力的重要指標(biāo)之一，土壤質(zhì)地、生物炭類型以及生物炭的老化都對(duì)土壤的CEC有影響[11]。試驗(yàn)結(jié)果表明，加入棉稈炭可以提高土壤陽離子交換量，有研究表明生物炭的CEC越大，對(duì)土壤的作用效果越明顯[24]。其次，生物炭的作用效果與土壤的類型密切有關(guān)，生物炭能顯著提高酸性土壤的CEC，尤其是砂土和低有機(jī)質(zhì)含量的土壤[5]，但對(duì)石灰性土壤作用不明顯[23]。此外，土壤 CEC的值也會(huì)隨著生物炭的老化而增加[4]。

3.3 棉稈炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響

生物炭在一定程度上改善了土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育并提高產(chǎn)量。在試驗(yàn)中添加棉稈炭，棉花產(chǎn)量比對(duì)照組增加7.9%～21.3%。有機(jī)肥比對(duì)照增產(chǎn)12.4%。生物炭的種類、施用量、土壤質(zhì)地和施肥狀況等因素都對(duì)作物增產(chǎn)有影響[25]。有研究結(jié)果顯示施用生物炭雖然促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)、提高了產(chǎn)量，同時(shí)也降低了作物的營養(yǎng)品質(zhì)[26]。張晗芝等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，加入生物炭會(huì)顯著抑制在玉米苗期的生長(zhǎng)，但隨著玉米的生長(zhǎng)這種作用會(huì)慢慢消失。也有研究證明[27]在土壤中加入氮肥和生物炭時(shí)，可以增加蘿卜的干物質(zhì)產(chǎn)量，由此可見生物炭和肥料協(xié)同作用能增加作物產(chǎn)量。而有一些報(bào)道說生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)起抑制作用，如Asai等[28]認(rèn)為不加入外源氮肥，只是施加生物炭時(shí)作物的產(chǎn)量會(huì)降低，Jeffery[24]研究發(fā)現(xiàn)加入污泥生物炭則降低了作物的產(chǎn)量。因此，綜合考慮生物炭類型、土壤質(zhì)地、施肥狀況等多方面的因素，正確的施用生物炭在改善土壤肥力，提高養(yǎng)分利用效率、作物生產(chǎn)力有重要作用[29]。

4 結(jié) 論

添加棉稈炭主要對(duì)棉田土壤速效養(yǎng)分影響較大。土壤中堿解氮含量隨著棉稈炭的增加而增加，比對(duì)照組CK增加了31.27%～44.10%；加入棉稈炭也提高了灰漠土速效鉀的含量，比CK組增加了36.4%～98.5% (P<0.05)，比NPK處理組相比，速效鉀含量增加了29.4%～88.3%。由于棉稈炭經(jīng)炭化后呈堿性，當(dāng)施入土壤后會(huì)增加土壤的pH值，但隨時(shí)間不斷延長(zhǎng)，其值有所下降。棉稈炭對(duì)灰漠土的陽離子交換量有一定的提升作用，但不顯著，而其隨時(shí)間的推移有增加效果。棉稈炭對(duì)棉花的生長(zhǎng)影響程度并不顯著，但對(duì)棉花產(chǎn)量有顯著影響，NPK6.0Bc比對(duì)照CK增產(chǎn)21.3%，有機(jī)肥比CK增產(chǎn)12.4%。

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