添加稻草生物炭對水稻土磷含量和形態(tài)的影響

張 婷，佟忠勇，張廣才，潘林林，姜雪楠，葉 超，張雅楠，李 麗，關(guān)連珠

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院，土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110866; 2.沈陽市鐵西區(qū)森林公園，遼寧 沈陽 110026)

遼寧濱海地區(qū)有著大面積的鹽堿地，經(jīng)過種水稻改良，其已從不毛之地變成遼寧省重要的糧食生產(chǎn)基地[1]。但多年來重用輕養(yǎng)，整體土壤肥力狀況卻有所惡化[2]。因此，尋求投入合理、持續(xù)性的濱海鹽堿土培肥方法是當(dāng)前濱海鹽堿地利用改良中亟待解決的難題。利用稻草還田培肥濱海鹽漬型水稻土是一個(gè)好方法。秸稈還田是當(dāng)今農(nóng)業(yè)的一種可持續(xù)發(fā)展方式，現(xiàn)有研究認(rèn)為，其具有改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)，減少過量施用化肥帶來的土壤退化和污染的作用[3]。稻草還田方式多種多樣，有直接還田、腐熟還田，還有近年來新興的生物炭還田等方式。各種還田方式對土壤肥力的影響不盡相同，還需要進(jìn)一步深入研究。磷素是作物生長必需的營養(yǎng)元素之一，是植物體內(nèi)多種重要化合物的組分，以各種形式參與植物體的代謝，是重要的土壤養(yǎng)分肥力指標(biāo)。施入土壤的大量磷素很快轉(zhuǎn)化為無效態(tài)儲(chǔ)備起來，造成土壤有效磷含量不足，是磷肥利用率低下和土壤供磷量缺乏的主要原因。因此，探索適宜的稻草還田方式，可以為解決這一系列問題提供理論參考和數(shù)據(jù)支持。秸稈還田會(huì)影響土壤速效磷水平從而影響作物產(chǎn)量[4]。將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物碳化為生物炭施用，被認(rèn)為可能是未來有效的秸稈處理方式和改良土壤質(zhì)量的重要途徑之一[5]。研究表明，水稻和玉米秸稈生物炭均可改良紅壤性水稻土酸度，提高土壤養(yǎng)分含量和微生物量水平；2種秸稈生物炭的添加均改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，其中以水稻秸稈炭的影響更為明顯[6-7]。生物炭還可以通過改變土壤 pH、CEC等性質(zhì)，影響氮素轉(zhuǎn)化過程以及提高磷素有效性[8]。土壤中無機(jī)磷的形態(tài)與土壤肥力水平密切相關(guān)。關(guān)于秸稈還田對增加作物產(chǎn)量、提高土壤肥力和改善環(huán)境的作用已有大量報(bào)道[9-13]，但這些研究主要集中在旱地作物上。稻草還田對水稻土肥力和作物產(chǎn)量的影響有一些研究。其中，對土壤磷含量及無機(jī)磷形態(tài)的研究也很多，得出的結(jié)果表明，秸稈還田對土壤磷養(yǎng)分有積極影響。然而，關(guān)于不同稻草還田方式和生物炭對濱海鹽漬水稻土的磷養(yǎng)分影響的對比研究并不多見。

本研究通過研究稻草不同添加方式對濱海鹽漬型水稻土磷養(yǎng)分含量和形態(tài)的影響，分析總結(jié)合理的稻草還田方法，以期為稻草資源化利用和鹽漬型水稻土合理施肥提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)土壤取自遼寧西南部盤錦市大洼縣陳溫福院士試驗(yàn)田內(nèi)(E 122°3′51″，N 40°56′9″)，是典型濱海鹽漬土水稻田，土壤基本理化性狀為pH值7.87，有機(jī)質(zhì)22.27 g/kg，全氮1.31 g/kg，全磷0.42 g/kg，全鉀25.31 g/kg。采用多點(diǎn)混合取樣法，采集0～20 cm耕層土壤，風(fēng)干后過2 mm篩備用。試驗(yàn)用3種稻草的處理方法是：未腐熟稻草是將稻草粉碎至1.5 mm，備用；腐熟稻草是將粉碎稻草加水濕潤后裝入容器中置于培養(yǎng)箱恒溫12個(gè)月培養(yǎng)至完全腐爛成粉末，有酒香味，備用；生物炭是將粉碎至1.5 mm稻草在厭氧條件下升溫至450 ℃，并在450 ℃持續(xù)5 h。3種處理后的稻草的基本理化性質(zhì)見表1。供試秸稈生物炭的掃描電鏡圖見圖1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

稻草還田量根據(jù)目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水稻留高茬和稻草直接還田的常用量(9 000 kg/hm2)，進(jìn)行換算，在室內(nèi)培養(yǎng)過程中采用土質(zhì)量的1%使用，相當(dāng)于田間實(shí)際用量的2.5倍。將未腐熟稻草、腐熟稻草和生物炭分別施入土壤充分混勻后放入6 L塑料桶中進(jìn)行淹水培養(yǎng)，每桶土質(zhì)量3 kg，加水至高于土壤15 cm左右。同時(shí)設(shè)置不施任何物質(zhì)的空白對照。每個(gè)處理5次重復(fù)，共4×5=20桶，放入25 ℃恒溫箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中定期攪拌，改善土壤通氣狀況，并定期補(bǔ)水。分別于培養(yǎng)第30，60，90，180天時(shí)進(jìn)行采樣，風(fēng)干，過篩，備用。

表1 不同稻草添加物的基本理化性質(zhì)Tab.1 The basic physical and chemical properties of the different additive of rice straw

圖1 供試水稻秸稈生物質(zhì)炭的掃描電鏡(SEM)照片F(xiàn)ig.1 SEM image of the tested rice straw biochar

1.3 測定項(xiàng)目及方法

土壤全磷含量測定采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法，土壤有效磷含量測定采用Olsen法[14-15]，土壤無機(jī)磷形態(tài)測定采用顧益初等[16]分級方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)采用 MS Office Excel 2007和IBM SPSS 20.0軟件進(jìn)行，處理間差異性分析采用最小顯著性檢驗(yàn)法(LSD)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同稻草添加方式下水稻土全磷含量的變化

從表2可以看出，3種方式制備的稻草添加物施入土壤，均使土壤含磷量提高。各處理全磷含量為0.497～1.092 g/kg，其中稻草生物炭(S)施入對比對照(CK)含量顯著提高。腐熟稻草(F)和未腐熟稻草(Z)對土壤全磷含量也有較大的影響。4種處理含量從高到低依次為添加稻草生物炭處理(S)>添加腐熟稻草處理(F)>添加未腐熟稻草處理(Z)>對照(CK)。同時(shí)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的變化，全磷含量呈現(xiàn)略微下降趨勢。

表2 不同稻草施入方式對土壤全磷含量的影響Tab.2 Effects of different straw application on soil total phosphorus content g/kg

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到P<0.05顯著水平。表3-9同。

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant the differences at 0.05 levels.The same as Tab.3-9.

2.2 不同稻草施入方式下水稻土有效磷含量的變化

由表3可以看出，各處理土壤有效磷含量為9.046～18.520 mg/kg，3種添加物處理均能提高土壤有效磷含量。稻草生物炭的添加與其他2個(gè)處理相比有明顯優(yōu)勢，土壤有效磷含量從高到低依次為添加稻草生物炭(S)>添加腐熟稻草處理(F)>添加未腐熟稻草處理(Z)>對照(CK)，且4組處理隨培養(yǎng)時(shí)間的延長，有效磷含量呈先上升后下降的趨勢，前期有效磷含量持續(xù)上升，稻草生物炭(S)和CK在培養(yǎng)90 d時(shí)達(dá)到最大值。

表3 不同稻草添加對土壤有效磷含量的影響Tab.3 Effects of different straw application on soil available phosphorus content mg/kg

2.3 不同稻草施入方式對水稻土無機(jī)磷組分的影響

從表4-9可以看出，土壤各形態(tài)無機(jī)磷含量由大到小的排列順序?yàn)椋篛-P>Ca10-P>Fe-P>Al-P>Ca2-P>Ca8-P?？梢姡寥罒o機(jī)磷以O(shè)-P為主，約占無機(jī)磷總量的50%左右；Ca-P含量其次，大約占無機(jī)磷總量的30%，其中又以Ca10-P為主。與對照相比，土壤添加3種稻草后，各形態(tài)無機(jī)磷含量中，Ca2-P、Ca8-P和Fe-P含量明顯增加，平均含量分別提高了63.72%，60.07%，9.34%，而O-P和Ca10-P平均含量分別降低了28.17%，6.54%。其中，稻草生物炭的變化最為顯著，腐熟稻草與未腐熟稻草變化次之。說明添加不同稻草處理均使土壤無機(jī)磷組分中的O-P和Ca10-P向Ca2-P、Fe-P和Ca8-P形態(tài)轉(zhuǎn)化，稻草生物炭的效果最好。

表4 不同培養(yǎng)時(shí)間土壤Ca2-P含量的變化Tab.4 Changes of soil Ca2-P content in different culture time mg/kg

表5 不同培養(yǎng)時(shí)間土壤Ca8-P含量的變化Tab.5 Changes of soil Ca8-P content in different culture time mg/kg

表6 不同培養(yǎng)時(shí)間土壤Al-P含量的變化Tab.6 Changes of soil Al-P content in different culture time mg/kg

表7 不同培養(yǎng)時(shí)間土壤Fe-P含量的變化Tab.7 Changes of soil Fe-P content in different culture time mg/kg

表8 不同培養(yǎng)時(shí)間土壤O-P含量的變化Tab.8 Changes of soil O-P content in different culture time mg/kg

表9 不同培養(yǎng)時(shí)間土壤Ca10-P含量的變化Tab.9 Changes of soil Ca10-P content in different culture time mg/kg

隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，Ca8-P含量呈現(xiàn)下降趨勢，其中生物炭處理先下降，后小幅度上升，另外2種稻草添加處理變化不明顯；在Al-P含量方面，稻草生物炭處理和腐熟稻草處理隨培養(yǎng)時(shí)間的增加不斷減少，未腐熟稻草處理先減少，在培養(yǎng)60 d后含量逐漸增加；Fe-P含量3種處理趨勢一致，均是先增加，培養(yǎng)60 d時(shí)含量最高，后又均呈現(xiàn)降低趨勢；Ca10-P含量先增加，后減少；稻草生物炭Ca2-P含量與其他2個(gè)處理及對照相比含量較高，達(dá)到顯著水平，且隨著培養(yǎng)時(shí)間增加含量變化不大；O-P含量生物炭處理變化并不明顯，腐熟稻草和未腐熟稻草處理O-P含量呈上升趨勢。說明在本試驗(yàn)條件下，稻草生物炭活化無機(jī)磷成為有效磷的主要機(jī)制是使Ca2-P在不同的培養(yǎng)時(shí)間與其他2個(gè)處理及空白對照相比一直保持在很高的含量水平上。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同稻草施入對水稻土全磷及有效磷含量的影響

生物炭本身的養(yǎng)分含量及其有效性決定了其對土壤肥力的改良效果。腐熟秸稈和未腐熟秸稈同樣含有磷素，從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，施入3種稻草對土壤全磷含量有影響，是因?yàn)?種添加物本身把磷帶入了土壤。在制備過程中，原材料中的磷保留在生物炭中，這部分磷隨著生物炭和稻草添加到土壤中成為水溶性磷和可交換性磷的直接來源。才吉卓瑪[17]的試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。同時(shí)，黃欣欣等[18]研究也證明，土壤磷素收支表觀平衡為盈余時(shí)，隨秸稈用量的增加，土壤全磷、無機(jī)磷總量以及無機(jī)磷中Ca2-P、Ca8-P含量均增加。不同無機(jī)形態(tài)磷對石灰性土壤的速效磷供應(yīng)都有一定作用，從相關(guān)系數(shù)的相對大小可初步判斷Ca2-P對速效磷影響最大[19]，由于試驗(yàn)過程中施入的生物炭的含磷量大于另外2種有機(jī)物料，因此，處理S的全磷含量大于其他F和Z。

不同的稻草施入土壤會(huì)使土壤可利用磷增加，直接釋放是生物炭增加土壤有效磷含量的重要途徑[20]，同時(shí)，稻草秸稈可以提高土壤中磷酸酶等微生物活性，釋放了土壤無效態(tài)磷，進(jìn)而提高了有效磷的含量，在試驗(yàn)初期，磷肥不再被吸附、固定，大大提高了土壤的供磷能力，速效磷含量明顯上升[21]，本試驗(yàn)結(jié)果表明，稻草生物炭的活化效果大于腐熟稻草和未腐熟稻草。

3.2 不同稻草施入對水稻土無機(jī)磷組分的影響

研究表明，施用有機(jī)肥可以使土壤中的部分無機(jī)磷固定為有機(jī)磷，并對土壤各形態(tài)無機(jī)磷的含量組成產(chǎn)生很大影響。另外，土壤無機(jī)磷各形態(tài)中Ca2-P易被作物吸收利用，是作物的有效磷源[22]，添加3種稻草使土壤無機(jī)磷形態(tài)中較容易被作物吸收利用的Ca2-P、Ca8-P、Fe-P含量與對照相比增加，而不容易被作物吸收利用的形態(tài)則總體呈下降趨勢。原因是稻草添加物自身特殊的孔隙結(jié)構(gòu)為土壤微生物的棲息和繁殖提供了合適的“溫床”，同時(shí)也減少了微生物之間的生存競爭。生物炭及稻草的添加均能提高微生物活性，有利于土壤中較容易被吸收利用的Ca2-P、Ca8-P、Fe-P的釋放，而不容易被吸收利用的O-P或Ca10-P的含量不變或者降低。向土壤中施加的生物炭能通過對自身有機(jī)磷的礦化作用來提高土壤磷素的有效性，促進(jìn)土壤中的難溶態(tài)磷轉(zhuǎn)化成植物可利用的可溶態(tài)磷，提高植物對土壤磷素的吸收利用效率[23]。生物炭處理較腐熟稻草和未腐熟稻草處理來說，對土壤無機(jī)磷各形態(tài)含量的活化表現(xiàn)出了較理想的結(jié)果，與活化土壤全磷及有效磷結(jié)果一致。

稻草生物炭、腐熟稻草和未腐熟稻草施入土壤后，均能提高土壤全磷和有效磷含量，其中添加稻草生物炭(S)的土壤全磷含量最高。稻草生物炭、腐熟稻草和未腐熟稻草處理通過提高土壤無機(jī)磷組分中有效磷源(Ca2-P、Ca8-P、Fe-P )含量，減少無效磷源(O-P、Ca10-P)含量，而活化了土壤磷素，其中添加稻草生物炭(S)的處理效果最好。

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