生物炭對(duì)混施沼肥秸稈還田腐解特性的影響

王忠江 王澤宇 張 正 林貴英 劉 卓 崔 峰

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030；3.武漢光谷藍(lán)焰新能源股份有限公司，武漢 430070)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈，在眾多的秸稈利用技術(shù)中[1-4]秸稈還田以其能夠提高土壤孔隙度、改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、利于下季作物增產(chǎn)，以及利用量大等特點(diǎn)成為近年來秸稈利用和研究的熱點(diǎn)[5-9]。但還田后秸稈由于其碳氮比過高等原因致使其降解速度緩慢，因此如何實(shí)現(xiàn)還田后秸稈的高效、快速腐解成為近年來科研工作者的關(guān)注焦點(diǎn)[5,10-12]。目前，針對(duì)配施大量礦物氮肥降低秸稈還田后碳氮比[13]所引起的環(huán)境污染和土壤質(zhì)量下降等問題，已有部分科研工作者提出利用沼氣厭氧發(fā)酵后富含氮素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的沼肥，進(jìn)行秸稈配施沼肥還田的研究[14-15]，取得了較好的秸稈腐解效果，作為一種新的秸稈還田方式，其不僅加快了還田后秸稈的降解速度，而且充分利用了厭氧發(fā)酵后副產(chǎn)物——沼肥[16]。然而，玉米秸稈主要由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素構(gòu)成，木質(zhì)素屬于高分子芳香類聚合物，難以水解，而纖維素被木質(zhì)素和半纖維素以共價(jià)鍵形式包圍其中，難以被微生物利用[5]。秸稈在配施沼肥還田后，雖然能夠在一定程度上調(diào)節(jié)腐解過程中的碳氮比，但是沼肥在土壤中流失嚴(yán)重[15-16]，難以長(zhǎng)時(shí)間維持較高的秸稈降解速率。

生物炭是生物質(zhì)材料在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)高溫慢熱解(小于700℃)產(chǎn)生的一類高度芳香化、難熔性固態(tài)物質(zhì)[17]，由于其疏松多孔的結(jié)構(gòu)及巨大的表面積能夠儲(chǔ)存水分和養(yǎng)分，可以改善土壤的保肥能力和通透性，增加微生物活性等優(yōu)點(diǎn)[17-21]，成為近年來配施有機(jī)肥料或化肥的研究熱點(diǎn)[21]，也為秸稈配施沼肥還田的高效利用提供了新的研究方向。目前，生物炭的研究主要圍繞在生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)[17,21]、微生物群落結(jié)構(gòu)[6,22]、土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳分布[19,23]等方面的影響，并已經(jīng)取得一定的成果，但是對(duì)于生物炭的配施對(duì)秸稈降解的影響研究較少，生物炭與沼肥配施同步玉米秸稈翻埋還田的研究未見報(bào)道。因此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上探討生物炭對(duì)秸稈與沼肥同步翻埋還田腐解的影響規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)過程中玉米秸稈降解率、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、有機(jī)碳、總氮等累積降解特征進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 供試材料

表1 土壤特性參數(shù)Tab.1 Characteristics of soils

試驗(yàn)施用的生物炭由武漢光谷藍(lán)焰新能源股份有限公司生產(chǎn)，為竹產(chǎn)品炭，竹炭的制備溫度為620℃，BET單點(diǎn)比表面積為(2.64±0.59)m2/g，BET多點(diǎn)比表面積為(3.89±0.56)m2/g，單點(diǎn)吸附總孔體積為(0.013±0.002)cm3/g，吸附平均孔徑為(13.74±0.70)nm，孔徑分布曲線如圖1所示，粉碎過40目篩后備用。

圖1 生物炭孔徑分布曲線Fig.1 Pore size distribution curves of biochar

試驗(yàn)用玉米秸稈取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)東門農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)田，玉米品種為“東農(nóng)253”。待玉米收獲后，立即用鐮刀割取玉米秸稈地上部分，均勻晾曬7 d后，使用9ZT-1型鍘草機(jī)將玉米秸稈處理成2 cm長(zhǎng)的秸稈段，并在試驗(yàn)前測(cè)定供試秸稈相關(guān)指標(biāo)，見表2。

表2 玉米秸稈特性參數(shù)Tab.2 Characteristics of corn stover

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室溫條件下，采用尼龍網(wǎng)袋(100目)法進(jìn)行試驗(yàn)。尼龍網(wǎng)袋的尺寸：長(zhǎng)20 cm、寬15 cm。秸稈與沼肥按照2∶3的比例均勻混合，靜置30 min，待玉米秸稈充分吸附沼肥后裝入尼龍網(wǎng)袋并封口。每袋裝秸稈和沼肥混合物(秸稈混合物)120 g，埋入試驗(yàn)土柱15 cm處。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，各處理如下：秸稈混合物+壤土(B1)、秸稈混合物+壤土+生物炭(B2)、秸稈混合物+砂土(S1)、秸稈混合物+砂土+生物炭(S2)。其中B2和S2還田土壤中生物炭含量為5%。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用4個(gè)3 cm厚的聚乙烯材料制成的長(zhǎng)80 cm、寬60 cm、高65 cm的土槽，分別鋪20 cm厚的壤土或砂土作為底土。將裝有沼肥和秸稈混合物的尼龍網(wǎng)袋平鋪在高50 cm、直徑15 cm、厚度1 mm的聚乙烯土柱當(dāng)中，尼龍網(wǎng)袋底層裝土壤4.2 kg壓實(shí)到土柱高度20 cm處，尼龍網(wǎng)袋上層裝土壤2.0 kg壓實(shí)到土柱高度35 cm處，確保所有土柱中土壤容重均為1.05 g/cm3。土柱底部留漏水孔，豎直放入土槽中，土柱之間用土壤填滿，保持土層溫度及試驗(yàn)過程土柱側(cè)面避光[24]。試驗(yàn)過程中，每隔7 d取樣一次，共取15次，每次取樣后原來埋尼龍網(wǎng)袋處用試驗(yàn)土壤填平。取樣后去除附著在尼龍網(wǎng)袋表面的泥土，然后將尼龍網(wǎng)袋在蒸餾水中上下浸提50次，沖洗干凈并在100℃條件下干燥[14]，之后用JFSD-100型粉碎機(jī)粉碎后測(cè)定秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、總氮、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每個(gè)指標(biāo)測(cè)定3次取平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。每?jī)纱稳雍笙蛎總€(gè)試驗(yàn)土柱表面均勻噴施50 mL自來水，保持土壤表面濕潤(rùn)、不板結(jié)。

秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量采用ANKOM A200i型半自動(dòng)纖維素分析儀(USA)測(cè)定[4]，將干燥后的玉米秸稈粉碎過1 mm篩孔，準(zhǔn)確稱取0.5 g篩下物，裝入F57專用濾袋中，封口，根據(jù)改進(jìn)的范氏洗滌法，用ANKOM A200i型半自動(dòng)纖維分析儀測(cè)定半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量；秸稈質(zhì)量采用干燥法測(cè)定[25]；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[25]；秸稈總氮含量采用Foss Kjeltec 2300型全自動(dòng)凱式定氮儀根據(jù)儀器標(biāo)準(zhǔn)分析方法測(cè)定[16]。秸稈降解率計(jì)算式為

(1)

式中D1——秸稈降解率，%

M0——秸稈降解前干質(zhì)量，g

ME——秸稈降解后干質(zhì)量，g

組分累積降解率計(jì)算式為

(2)

其中

MS=M0XS

(3)

式中D2——組分累積降解率，%

MS——組分初始質(zhì)量，g

Md——降解時(shí)間d時(shí)秸稈干質(zhì)量，g

XS——組分初始含量，%

Xd——降解時(shí)間d時(shí)組分含量，%

數(shù)據(jù)處理與分析軟件為Microsoft Excel 2013、Origin 9.1和SPSS 22.0。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米秸稈降解規(guī)律

還田后秸稈降解率隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 玉米秸稈降解率變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trends of decomposition rate of corn stover

由圖2可以看出，4個(gè)試驗(yàn)組秸稈降解率的整體變化規(guī)律基本一致，秸稈的腐解過程主要分為3個(gè)時(shí)期：快速腐解期、腐解減緩期、腐解停滯期。不同處理秸稈各個(gè)時(shí)期所占時(shí)間不同，這與戴志剛等[7]的研究結(jié)果一致，具體表現(xiàn)為：S2在試驗(yàn)前期14 d腐解迅速，并在49 d時(shí)降解率達(dá)到55.33%，而S1、B2、B1達(dá)到該降解率的時(shí)間分別為56、70、84 d，在此之后各組降解率再次攀升并趨于穩(wěn)定。形成這種現(xiàn)象主要是由于在秸稈降解過程中，秸稈中可溶性物質(zhì)及半纖維素等組分首先降解，當(dāng)降解到一定時(shí)間后難降解的木質(zhì)素會(huì)阻礙降解的進(jìn)行[5]，直到降解木質(zhì)素的微生物破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)后，秸稈的降解速率再次增加直至穩(wěn)定[11]。在整個(gè)降解過程中，添加生物炭組的秸稈(B2、S2)降解率始終高于未添加生物炭組秸稈(B1、S1)，且砂土試驗(yàn)組秸稈(S1、S2)降解率始終高于壤土試驗(yàn)組(B1、B2)秸稈的降解率，經(jīng)過105 d的培養(yǎng)，B1、B2、S1、S2秸稈的降解率分別為69.96%、74.63%、78.19%、79.14%，各組降解率差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

由圖2還可以看出，在壤土的還田試驗(yàn)中秸稈降解率前期和后期差異較小，中期差異較大，這種差異主要是由于添加生物炭后提高了土壤的孔隙度，便于秸稈降解微生物與氧氣的接觸，同時(shí)生物炭為微生物的繁殖提供了較大的生存空間。此外，生物炭的吸附性使得沼肥能夠長(zhǎng)時(shí)間的在秸稈腐解層附近停留，為微生物的降解和繁殖營(yíng)造了適宜的碳氮比[13-14]，促進(jìn)了微生物的繁殖。而在砂土的還田試驗(yàn)中，S1和S2的秸稈腐解率的差異較在壤土中B1和B2的秸稈腐解率差異明顯，主要是由于砂土和壤土相比土壤間的空隙較大，沼肥中的氮素?fù)p失速度更快、損失比例更大，添加生物炭后由于生物炭高吸附性的特點(diǎn)使砂土的固氮效果得到極大改善，提高了土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體的營(yíng)養(yǎng)水平和水分條件[26]，促進(jìn)了秸稈還田土壤微生物的群落演替[22]，利于秸稈的降解。

2.2 玉米秸稈半纖維素累積降解率

還田后秸稈的半纖維素累積降解率變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 玉米秸稈半纖維素累積降解率變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trends of cumulative decomposition rate of hemicellulose in corn stover

由圖3可以看出，壤土2個(gè)試驗(yàn)組和砂土2個(gè)試驗(yàn)組半纖維素累積降解率變化規(guī)律基本一致，即試驗(yàn)開始后各試驗(yàn)組半纖維素累積降解率先快速上升，經(jīng)歷短暫的腐解減緩期后半纖維素再次快速腐解直至趨于穩(wěn)定，在整個(gè)過程中添加生物炭組秸稈的半纖維素降解率始終高于各自對(duì)應(yīng)的未添加生物炭組。具體表現(xiàn)為在壤土中前42 d秸稈的半纖維素降解率差異不顯著，試驗(yàn)中期和后期差異較為明顯，這主要是因?yàn)榻到馇捌诮斩捊到馕⑸镏饕钤诮斩捄徒斩捤降恼臃蕵?gòu)成的環(huán)境中，隨著微生物的不斷繁殖、數(shù)量和種類的擴(kuò)增，達(dá)到秸稈和土壤單位面積所能承受的極限，而比表面積大的生物炭能夠提高單位面積微生物的種群數(shù)量[22]，提高秸稈降解的速度，并能長(zhǎng)期保持這種降解優(yōu)勢(shì)。而在砂土中2個(gè)試驗(yàn)組的差異在前期較為明顯，且由于生物炭對(duì)沼肥有較好的保持能力，營(yíng)造了適宜的腐解碳氮比，使得S2組半纖維素的降解率并未表現(xiàn)出明顯的降解減緩的現(xiàn)象，由快速腐解期直接進(jìn)入腐解停滯階段；同時(shí)在S1組試驗(yàn)過程中，砂土和秸稈為微生物提供的生存空間有限，且沼肥在砂土中流失嚴(yán)重[15-16]，較長(zhǎng)的木質(zhì)素腐解時(shí)間使得降解半纖維素的微生物隨沼肥在土壤中不斷繁殖和擴(kuò)散，當(dāng)木質(zhì)素與半纖維素解開共價(jià)鍵后，半纖維素與微生物得以充分接觸，降解率將有一個(gè)明顯的提升階段[5]。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，2個(gè)壤土試驗(yàn)組秸稈半纖維素累積降解率維持在75%左右，而砂土的2個(gè)試驗(yàn)組秸稈半纖維素累積降解率維持在85%附近，且在壤土和砂土中，添加生物炭組降解率均比未添加組高出5個(gè)百分點(diǎn)。

2.3 玉米秸稈纖維素累積降解率

還田后秸稈纖維素累積降解率變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 玉米秸稈纖維素累積降解率變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trends of cumulative decomposition rate of cellulose in corn stover

由圖4可以看出，砂土2個(gè)不同處理的試驗(yàn)組在整個(gè)試驗(yàn)過程中均呈現(xiàn)纖維素累積降解率高于壤土的2個(gè)試驗(yàn)組，且未添加生物炭組的降解率均低于對(duì)應(yīng)的添加生物炭組。這種現(xiàn)象主要是因?yàn)榻到饫w維素的土壤纖維素酶是一種復(fù)合酶，其中土壤β-葡糖苷酶是其重要的組成部分和限制因子，秸稈配施生物炭能顯著提升土壤2種纖維素酶的活性[21]，從而促進(jìn)纖維素的降解。從圖4還可以看出，除S2組外，其他3組纖維素在試驗(yàn)初期降解緩慢，通過與秸稈的降解率對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，各組纖維素累積降解率達(dá)到50%時(shí)所用的時(shí)間與秸稈的降解率基本一致，這說明秸稈的降解率與纖維素的降解率有顯著的相關(guān)性(P<0.05)，這與王旭東等[8]的研究結(jié)果一致。經(jīng)過105 d的腐解，各試驗(yàn)組纖維素的累積降解率由大到小排序?yàn)镾2組(76.59%)、S1組(73.99%)、B2組(68.88%)、B1組(62.10%)。

2.4 玉米秸稈木質(zhì)素累積降解率

還田后秸稈木質(zhì)素累積降解率變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 玉米秸稈木質(zhì)素累積降解率變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trends of cumulative decomposition rate of lignin in corn stover

由圖5可以看出，4個(gè)試驗(yàn)組木質(zhì)素累積降解率規(guī)律基本一致，即試驗(yàn)前期木質(zhì)素快速降解，試驗(yàn)中期木質(zhì)素降解速度較慢，49 d后木質(zhì)素降解速度又開始逐漸增加,且添加生物炭組木質(zhì)素的累積降解率顯著高于對(duì)應(yīng)的未添加生物炭組累積降解率(P<0.05)。這種現(xiàn)象的主要原因是由于木質(zhì)素是秸稈中最穩(wěn)定的組分，是秸稈降解的主要限制因素[4,8]，與半纖維素和纖維素相比，木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且不規(guī)則，對(duì)酶水解作用呈抗性[27]。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，玉米秸稈中致密的表皮組織和維管束遭到破壞，細(xì)胞壁變薄，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松[11,28]，解除了木質(zhì)素的包裹作用，進(jìn)而促進(jìn)了微生物對(duì)半纖維素和纖維素的降解，這與曹瑩菲等[29]的研究結(jié)果一致。而施用生物炭后提高了土壤微生物的活性和酶活性，對(duì)秸稈組織的降解程度更好，進(jìn)而促進(jìn)木質(zhì)素的降解。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，4個(gè)試驗(yàn)組木質(zhì)素累積降解率分別為B1組51.65%、B2組63.81%、S1組64.95%和S2組68.34%，且在壤土中添加生物炭能夠顯著提高秸稈木質(zhì)素累積降解率(P<0.05)。從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)，B2組降解率與S1組降解率差異不顯著(P>0.05)，這表明施加生物炭后能夠顯著改善土壤的空隙結(jié)構(gòu)，使得壤土具有類似砂土疏松、透氣的性質(zhì)，促進(jìn)微生物對(duì)木質(zhì)素的降解。

2.5 玉米秸稈有機(jī)碳累積降解率

還田后秸稈有機(jī)碳累積降解率變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 玉米秸稈有機(jī)碳累積降解率變化趨勢(shì)Fig.6 Variation trends of cumulative decomposition rate of organic carbon in corn stover

由圖6可以看出，在腐解過程中，秸稈中有機(jī)碳呈現(xiàn)持續(xù)釋放狀態(tài)，試驗(yàn)前期4個(gè)試驗(yàn)組均保持較高的有機(jī)碳降解率，在試驗(yàn)中后期降解率維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平并最終趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榻斩掃€田增加了土壤中的腐殖酸等有機(jī)質(zhì)，主要是通過秸稈中有機(jī)碳的礦質(zhì)化作用[9-10]，秸稈中有機(jī)碳累積降解率越高，秸稈的腐解量越大，秸稈和生物炭配施增強(qiáng)了土壤微生物對(duì)秸稈的礦質(zhì)化作用[23]，同時(shí)配施生物炭還田能夠有效保持土壤的含水率及各種營(yíng)養(yǎng)成分，使秸稈在多種酶的協(xié)同作用下轉(zhuǎn)化為疏松多孔的腐殖質(zhì)。此外，通過對(duì)比木質(zhì)素累積降解規(guī)律不難發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素累積降解率越高的試驗(yàn)組，其秸稈有機(jī)碳的累積降解率也越高，這與王旭東等[8]研究的不同肥力條件下玉米秸稈腐解效果一致。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，除B1試驗(yàn)組有機(jī)碳累積降解率為76.67%外，其他3個(gè)試驗(yàn)組累積降解率均維持在85%左右。

2.6 玉米秸稈總氮累積降解率

還田后秸稈的總氮累積降解率變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 玉米秸稈總氮累積降解率變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trends of cumulative decomposition rate of total nitrogen in corn stover

由圖7可以看出，4個(gè)試驗(yàn)組秸稈總氮累積降解規(guī)律總體上與有機(jī)碳類似，整體上呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，但同時(shí)也存在差異，B1組秸稈在前21 d總氮釋放緩慢，這主要由于氮素作為植物重要的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，被微生物分解為可溶于水的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮，壤土質(zhì)地較其他試驗(yàn)組土壤黏重[26]，導(dǎo)致秸稈中氮素釋放后流失緩慢，而添加了生物炭的B2組土壤由于生物炭改變了土壤的通透性并且具有較強(qiáng)的吸附作用，使得釋放后的氮素能夠相對(duì)比較容易地?cái)U(kuò)散到周圍的土壤中。由圖7還可以看出，累積降解率的拐點(diǎn)出現(xiàn)在第49天，4個(gè)試驗(yàn)組在拐點(diǎn)處的累積降解率變幅介于19.80%～41.33%，這與代文才等[3]的研究結(jié)果相符。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各試驗(yàn)組總氮累積降解率由大到小為S2組(71.57%)、S1組(67.68%)、B2組(65.37%)、B1組(59.20%)。

3 結(jié)論

(1)土壤中添加生物炭對(duì)混施沼肥秸稈還田具有顯著的促進(jìn)作用，在105 d的試驗(yàn)周期內(nèi)，秸稈混合物+壤土(B1)、秸稈混合物+壤土+生物炭(B2)、秸稈混合物+砂土(S1)、秸稈混合物+砂土+生物炭(S2)的降解率分別為69.96%、74.63%、78.19%、79.14%。

(2)本試驗(yàn)條件下，培養(yǎng)前49 d均為秸稈各組分快速腐解期，并且半纖維素的快速腐解期出現(xiàn)得較早。此外，秸稈降解各組分之間表現(xiàn)為秸稈的降解率與纖維素降解率具有顯著的相關(guān)性；添加生物炭對(duì)秸稈木質(zhì)素的降解具有顯著的促進(jìn)作用，而木質(zhì)素的降解又與有機(jī)碳的降解具有正相關(guān)性。

(3)在整個(gè)試驗(yàn)過程中，秸稈混合物+砂土+生物炭(S2)組秸稈各組分累積降解率均在91 d最先進(jìn)入腐解停滯期；秸稈混合物+壤土(B1)組的各組分累積降解率均低于其他3個(gè)試驗(yàn)組，說明秸稈與沼肥同步翻埋還田后，土壤的透氣性越好、養(yǎng)分保持越好的土壤環(huán)境更加利于秸稈的腐解。