水熱及裂解生物炭對水稻產(chǎn)量及氮素利用率的影響

王悅滿, 馮彥房, 楊林章, 劉 楊, 侯朋福, 李輝信, 薛利紅①

(1.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院, 江蘇 南京 210095; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/ 農(nóng)業(yè)部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 江蘇 南京 210014)

生物炭因其較大的比表面積、豐富的空隙結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的理化性質(zhì)而在土壤改良和固炭減排等方面具有重要作用[1]。生物炭制備形式主要包括常規(guī)裂解生物炭(pyrochar)和水熱生物炭(以下簡稱水熱炭,hydrochar)。常規(guī)裂解生物炭是含碳有機生物質(zhì)在低氧或缺氧條件下經(jīng)高溫熱解(<700 ℃)形成的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物[2]。水熱炭是以生物質(zhì)為原料,在150～350 ℃和自生壓力條件下,經(jīng)水熱反應得到的以碳為主體、含氧官能團豐富、熱值高的黑色固體產(chǎn)物[3]。

與傳統(tǒng)高溫裂解炭化技術(shù)相比,水熱炭化技術(shù)有以下優(yōu)勢:制備溫度低;原料不受含水量限制,耗能少;CO2釋放量少[4];水熱炭熱值高,可作為一種新型的生物燃料[5];產(chǎn)率較高[6];炭材料表面保留了更多的含氧、含氮官能團[7],使其成為一種高效的生物質(zhì)預處理手段和生物質(zhì)全組分轉(zhuǎn)化方式。

水熱炭化技術(shù)應用前景廣闊,主要包括廢棄生物質(zhì)資源化[8]和納米材料制備[9]2個方面。然而,將水熱炭應用于農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域的報道尚不多見。目前,水熱炭研究多集中于其自身理化特性[10]及其在土壤培養(yǎng)體系[11]中的應用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。REZA等[12]觀察到在土壤中添加水熱炭可以顯著改變土壤生態(tài)學和棲息微生物的功能。MATTHIASC等[13]的研究結(jié)果表明,高水熱炭施用量(φ=20%)對孢子萌發(fā)和叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)群落存在積極影響。MALGHANI等[14]研究發(fā)現(xiàn),在黏土中施加w=1%水熱炭可增加CO2和CH4排放量,同時減少N2O排放量。但也有研究表明水熱炭施用量較高(φ>10%)對蒲公英生長有害[15]。

為了解水熱炭和裂解生物炭對水稻生長及氮素利用效率影響的差異,筆者采用土柱試驗,考察了這2種生物炭對水稻生長、產(chǎn)量及氮素利用率的影響,為水熱炭的稻田應用提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

供試水稻品種為武運粳23號,供試土壤為江蘇省宜興周鐵稻田0～20 cm耕層土。土壤自然風干后過2 mm孔徑篩備用。土壤性質(zhì)如下:pH值為6.38〔m(土)∶V(水)=1∶2.5〕,w(TN)、w(TP)和w(TK)分別為1.56、0.96和4.12 g·kg-1,w(有機質(zhì))為22.8 g·kg-1。

供試生物炭為分別通過高溫裂解法(500 ℃)和水熱炭化法(260 ℃)制備得到的鋸末裂解生物炭(PSBC)和鋸末水熱炭(HSBC)。PSBC制備方法如下:將鋸末生物質(zhì)(SBC)置于馬弗爐中,以5 ℃·min-1的速率升溫至500 ℃,保持8 h,同樣以5 ℃·min-1的速率降至室溫,最終得到黑色固體產(chǎn)物。HSBC制備方法如下:稱取SBC 600 g,將其與6 L水均勻混合,置于容積為10 L的密閉高壓反應釜中,在260 ℃恒溫條件下保持1 h。冷卻后取出固相并在70 ℃條件下烘干至恒重,研磨,過2 mm孔徑篩備用。PSBC和HSBC的pH值分別為8.08和3.67,w(C)分別為87.32%和56.73%,w(灰分)分別為2.05%和12.14%。

用于水稻土柱試驗的容器呈圓柱體,高50 cm,內(nèi)徑為30 cm,每個土柱裝土35 kg。鋸末PSBC和HSBC分別設(shè)置w=0.5%和w=3%這2個生物炭添加量。共設(shè)置PSBC-0.5%、PSBC-3%、HSBC-0.5%和HSBC-3%這4組處理,另外設(shè)置施氮肥(CKU)和不施氮肥(CK)2組對照,共6組處理(表1),每處理設(shè)置3個重復。土柱試驗在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所實驗場開展。

水稻于2016年7月6日移栽,每盆3穴,每穴3株。除CK不施氮肥外,其他處理均施氮肥。移栽前1 d施入基肥:氮肥(以N計)用量為96 kg·hm-2(占總施氮量的40%),磷肥(以P2O5計)用量為96 kg·hm-2,鉀肥(以K2O計)用量為192 kg·hm-2。于7月18日和8月19日分別施入氮肥(以N計)追肥96和48 kg·hm-2。所有處理磷肥和鉀肥均在施基肥時一次性施入,直至水稻收獲前不追加施肥。除了烤田期8月6日至8月13日以外,土柱日常保持3～5 cm水層,灌溉水為自來水。11月8日收獲水稻。

1.2 測定項目與方法

水稻成熟后進行收獲,土柱單產(chǎn)單收,先獲取稻穗,再獲取水稻地上部分。分離籽粒和稻穗稈,將稻穗稈與水稻地上部分一起風干稱重。水稻籽粒自然風干后用于測定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重等產(chǎn)量性狀。

植株和籽粒含氮量采用濃H2SO4-H2O2法消煮、靛酚藍比色法測定。生物炭浸提液制備方法:稱取20.0 g生物炭,加入300 mL去離子水,以400 r·min-1攪拌3 h,然后用0.45 μm孔徑濾膜抽濾得到。生物炭浸提液TOC含量采用總有機碳分析儀(vario TOC cub)測定。

表1試驗處理

Table1Testtreatments

處理是否添加生物炭原材料制備方式施加量w/%氮肥用量/(kg·hm-2) PSBC-0.5%是鋸末高溫裂解0.5240 PSBC-3%是鋸末高溫裂解3.0240 HSBC-0.5%是鋸末水熱炭化0.5240 HSBC-3%是鋸末水熱炭化3.0240 CKU否———240 CK否———0

PSBC-0.5%和PSBC-3%分別指鋸末裂解生物炭施加量w為0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分別指鋸末水熱炭施加量w為0.5%和3%,CKU為施氮肥對照,CK為不施氮肥對照?！啊北硎緹o數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

籽粒收獲指數(shù)(HI)為水稻實際所得籽粒質(zhì)量與水稻地上部生物量的比值[16]。氮肥偏生產(chǎn)力指單位投入的肥料氮所生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量。氮肥吸收利用率由施氮肥作物收獲時地上部吸氮總量與未施氮肥作物收獲時地上部吸氮總量的差值再除以化肥氮投入量得到。氮肥農(nóng)學效率由施氮肥區(qū)作物產(chǎn)量與無氮肥區(qū)作物產(chǎn)量的差值再除以施氮量得到[17]。

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析,采用OriginPro 8.6軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加不同類型生物炭對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

圖1顯示,與CKU相比,PSBC-0.5%處理產(chǎn)量增加0.65%,HSBC-0.5%處理減少1.44%。添加量較低時,2種生物炭對水稻產(chǎn)量的影響均未達顯著水平。然而,PSBC-3%處理產(chǎn)量下降7.10%,而HSBC-3%處理水稻大幅減產(chǎn),減幅達64.73%。CKU產(chǎn)量比CK處理高55.23%。

PSBC-0.5%和PSBC-3%分別指鋸末裂解生物炭施加量w為0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分別指鋸末水熱炭施加量w為0.5%和3%,CKU為施氮肥對照,CK為不施氮肥對照。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間產(chǎn)量差異顯著(P<0.05)

表2顯示,與CKU相比,所有施炭處理對水稻有效穗數(shù)和千粒重均無顯著影響。

表2施加不同類型生物炭對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

Table2Effectsofapplyingdifferenttypesofbiocharonriceyield-componentstraits

處理有效穗數(shù)/盆-1每穗總粒數(shù)結(jié)實率/%千粒重/g PSBC-0.5%35.67±2.08a99.57±3.83a95.71±1.77a23.18±0.29a PSBC-3%32.33±2.89a100.59±6.10a97.47±1.11a23.43±0.26a HSBC-0.5%34.67±2.52a97.68±3.83a97.18±1.50a23.86±0.15a HSBC-3%30.33±7.51a39.90±6.67c63.76±6.12b23.09±1.24a CKU34.33±2.08a98.74±3.71a97.43±0.51a24.21±0.34a CK32.67±2.52a67.30±1.69b97.74±0.15a23.20±0.36a

PSBC-0.5%和PSBC-3%分別指鋸末裂解生物炭施加量w為0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分別指鋸末水熱炭施加量w為0.5%和3%,CKU為施氮肥對照,CK為不施氮肥對照。同列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示處理間某指標差異顯著(P<0.05)。

HSBC-3%處理有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重較CKU分別下降11.65%、59.59%、34.56%和4.63%,其中,HSBC-3%處理和CKU之間有效穗數(shù)和千粒重均無顯著差異。PSBC-0.5%處理有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)分別提高3.90%和0.84%,PSBC-3%處理每穗總粒數(shù)增加1.87%,HSBC-0.5%處理有效穗數(shù)增加0.99%。

2.2 施加不同類型生物炭對土壤氮素形態(tài)的影響

圖2顯示,HSBC-3%處理穗肥期土壤銨態(tài)氮含量顯著高于其他處理(P<0.05)。對于成熟期耕層土壤,除了HSBC-0.5%處理土壤銨態(tài)氮含量顯著低于CKU以外,其他施炭處理與CKU相比均無顯著差異。土壤硝態(tài)氮含量明顯低于銨態(tài)氮含量。穗肥期土壤硝態(tài)氮含量為4.33～6.06 mg·kg-1,成熟期土壤硝態(tài)氮含量在2.53～3.13 mg·kg-1之間。穗肥期PSBC-3%和HSBC-3%處理土壤硝態(tài)氮含量顯著低于CKU(P<0.05),PSBC-0.5%和HSBC-0.5%處理與CKU相比無顯著差異。成熟期PSBC-0.5%和PSBC-3%處理土壤硝態(tài)氮含量顯著低于CKU,HSBC-0.5%和HSBC-3%處理與CKU相比均無顯著差異。

PSBC-0.5%和PSBC-3%分別指鋸末裂解生物炭施加量w為0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分別指鋸末水熱炭施加量w為0.5%和3%,CKU為施氮肥對照,CK為不施氮肥對照。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間銨態(tài)氮或硝態(tài)氮含量差異顯著(P<0.05)

2.3 施加不同類型生物炭對水稻籽粒收獲指數(shù)的影響

由圖3可知,除HSBC-3%處理以外,其他施炭處理水稻收獲指數(shù)與CKU相比增加3.92%～5.88%,HSBC-3%處理較CKU下降24.12%。

PSBC-0.5%和PSBC-3%分別指鋸末裂解生物炭施加量w為0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分別指鋸末水熱炭施加量w為0.5%和3%,CKU為施氮肥對照,CK為不施氮肥對照。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間收獲指數(shù)差異顯著(P<0.05)

HSBC-3%處理產(chǎn)量減少幅度(圖1)約為收獲指數(shù)減少幅度的2.7倍,說明與地上部生物量相比,水稻籽粒產(chǎn)量減少幅度更大。CK處理因未施氮,產(chǎn)量較低,收獲指數(shù)也比CKU低22.04%。

2.4 施加不同類型生物炭對吸氮量和氮素利用率的影響

由表3可知,CK處理水稻莖葉和籽粒含氮量都低于CKU及其他施炭處理。PSBC-0.5%、PSBC-3%和HSBC-0.5%處理莖葉含氮量比CKU高2.42%～5.49%,而HSBC-3%處理莖葉含氮量比CKU低0.22%。PSBC-0.5%和HSBC-0.5%處理莖葉含氮量比PSBC-3%和HSBC-3%分別增加3.00%和5.73%。所有施加生物炭處理籽粒含氮量均高于CKU和CK,而4個添加生物炭處理莖葉吸氮量均低于CKU。其中,PSBC-3%和HSBC-3%處理莖葉吸氮量低于CK,且HSBC-3%處理表現(xiàn)得更加顯著。PSBC-0.5%和HSBC-0.5%處理籽粒吸氮量比CKU高23.68%和0.41%;PSBC-3%處理籽粒吸氮量比CKU低2.76%,但比CK高54.99%;而HSBC-3%處理籽粒吸氮量顯著低于CKU和CK,下降67.46%和48.14%。莖葉和籽粒吸氮量隨著生物炭添加量的增加而降低。在等量施肥條件下,PSBC-0.5%和HSBC-0.5%處理氮肥偏生產(chǎn)力基本與CKU持平,PSBC-3%處理氮肥偏生產(chǎn)力較CKU下降7.10%,而HSBC-3%處理則顯著低于CKU,氮肥偏生產(chǎn)力降低約64.73%。PSBC-0.5%處理氮肥吸收利用率較CKU提高57.46%,氮肥農(nóng)學效率提高1.86%。

表3施加不同類型生物炭對水稻吸氮量及氮素吸收利用效率的影響

Table3EffectsofdifferenttypesofbiocharonNuseefficiencyandtotalNuptakebyrice

處理含氮量/(g·kg-1)吸氮量/(kg·hm-2)莖葉籽粒莖葉籽粒氮肥偏生產(chǎn)力/(kg·kg-1)氮肥吸收利用率/%氮肥農(nóng)學效率/(kg·kg-1)PSBC-0.5%4.80±0.41a17.41±0.44a47.39±0.35ab202.79±15.19a48.60±4.86a41.68±6.38a17.50±4.86aPSBC-3%4.66±0.11a14.82±0.76b42.53±1.29b159.44±14.48b44.85±4.09a21.59±6.73b13.75±4.09aHSBC-0.5%4.80±0.13a14.44±0.57bc48.67±5.55ab164.64±4.85b47.59±3.22a26.32±4.21b16.49±3.22aHSBC-3%4.54±0.01ab16.98±0.14a27.86±4.88c53.35±5.94d17.03±7.73c-28.72±1.87c-18.01±1.55bCKU4.55±0.05ab14.15±0.09bc49.72±3.74ab163.96±2.82b48.28±0.54a26.47±1.95b17.18±0.54aCK4.25±0.06b13.81±0.48c47.27±3.74ab102.87±5.61c31.10±2.75b——

PSBC-0.5%和PSBC-3%分別指鋸末裂解生物炭施加量w為0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分別指鋸末水熱炭施加量w為0.5%和3%,CKU為施氮肥對照,CK為不施氮肥對照。同列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示處理間某指標差異顯著(P<0.05)?！啊北硎緹o數(shù)據(jù)。

3 討論

過量施用裂解生物炭對水稻產(chǎn)量會有一定的負面影響。VINH等[18]研究表明添加2.5 t·hm-2生物炭使得春季和夏季稻谷分別減產(chǎn)24.7%和17.9%;CARVALHO等[19]施用生物炭1.5 a后糧食產(chǎn)量下降。這可能是因為較高生物炭施用量對土壤中有機氮礦化作用影響不明顯,甚至降低了氮礦化速率,導致氮對植物的有效性降低[20]。筆者試驗中PSBC-3%處理對水稻產(chǎn)量的影響也符合這一特征。

筆者研究發(fā)現(xiàn),水熱炭過量施用對水稻生長的負面影響相比常規(guī)裂解生物炭更為顯著。初步考察水熱炭過量施用對水稻生長和氮素利用率產(chǎn)生負面影響的原因,測定穗肥期和成熟期耕層土壤浸提態(tài)銨態(tài)氮和硝氮含量(圖2),發(fā)現(xiàn)HSBC-3%處理穗肥期和成熟期土壤銨態(tài)氮含量反而高于其他處理。由于土壤硝氮含量明顯低于銨態(tài)氮,且處理間差異不大,并未對土壤供氮能力產(chǎn)生主導影響。因此,推測水熱炭對土壤供氮能力總體上未產(chǎn)生明顯負面效應,不是筆者研究中導致HSBC-3%處理氮素利用率下降的最主要原因。

鑒于土壤供氮能力可能不是影響高施加量水熱炭處理氮素利用率降低的主導原因,筆者進而從水熱炭浸出液有機成分角度進行探討。有研究表明,水熱炭浸出液中含有較多有機物質(zhì),如有機酸、有機酚[20],在將其添加到土壤后易揮發(fā)分解,易揮發(fā)性物質(zhì)在短期內(nèi)影響氮礦化和微生物活性[21]。因此,水熱炭大量施用會對作物產(chǎn)生不利影響[14,22]。POERSCHMANN等[23]在分析用伊樂藻制備水熱炭過程中產(chǎn)生的工藝用水和清洗水熱炭的洗滌用水時發(fā)現(xiàn)低分子量羧酸、酚和酚酸是其主要的有機產(chǎn)物。這些有機成分,特別是有機酚類加入土壤后有抑制土壤生物活性的作用[24],還有可能損害作物根部和地上部從而抑制作物生長,導致產(chǎn)量銳減和氮素流失[7,25]。李陽等[26]發(fā)現(xiàn)高劑量(80.0～160.0 g·kg-1)生物炭浸出液對小麥根、芽的生長起抑制作用,最大抑制率分別為18.64%和19.92%。GUNDALE等[27]觀察到低溫制備的生物炭含有較多的揮發(fā)物質(zhì),對植物生長產(chǎn)生抑制作用,并且推測可能是由于低溫炭化過程中形成的有機物(如酚類)引起的毒性作用所致。

為了便于從總量角度量化水熱炭浸提液中有機物質(zhì)含量,而浸提液TOC含量可定量反映水體中有機物質(zhì)含量[28],因此,筆者測定了浸提液TOC含量。結(jié)果表明HSBC浸提液ρ(TOC)高達432.33 mg·L-1,而PSBC浸提液ρ(TOC)僅為3.40 mg·L-1,前者約為后者的127倍。筆者試驗中,HSBC-3%處理水稻產(chǎn)量顯著降低,而HSBC-0.5%對水稻生長的影響不顯著;這可能與表土對一定量的外源有機物質(zhì)擾動具有強有力的緩沖能力有關(guān),而較多水熱炭的施加超出了土壤緩沖能力而對作物生長產(chǎn)生不利影響。因此,推測大量施加HSBC引入的可溶性有機物可能是抑制水稻生長的關(guān)鍵因素,進而可能對水稻氮素利用率產(chǎn)生影響。

除了水熱炭可溶性有機物的大量引入外,過量施加水熱炭會造成土壤pH值較低,也可能對水稻生長產(chǎn)生影響。有研究表明,水熱炭與裂解生物炭pH值具有顯著差異,特別是水熱炭pH值一般呈酸性,且總體介于3.0～6.0之間[29],而筆者試驗所用水熱炭pH值亦在此范圍內(nèi);而裂解生物炭pH值一般偏堿性[30-31]。筆者試驗中制備的PSBC和HSBC的pH值差異很大,其對應的浸提液pH值分別為8.08和3.80,差異也很大。但在將生物炭施加到土壤中之后,除了PSBC-0.5%處理土壤pH值與CKU相比顯著下降外,其他施炭處理土壤pH值與CKU相比差異均未達顯著水平(P>0.05),而且所有處理和對照pH值都在6.14～6.37之間,接近中性(圖4)。所以土壤pH值的擾動可能不是對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生影響的主要原因。PSBC-0.5%處理水稻產(chǎn)量略增加,這可能與裂解生物炭添加導致的土壤微環(huán)境改良、肥料利用率提高以及自身一定的肥力效應有關(guān)。該結(jié)果與文獻報道的生物炭增加水稻產(chǎn)量結(jié)果[32]一致。

PSBC-0.5%和PSBC-3%分別指鋸末裂解生物炭施加量w為0.5%和3%,HSBC-0.5%和HSBC-3%分別指鋸末水熱炭施加量w為0.5%和3%,CKU為施氮肥對照,CK為不施氮肥對照。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間土壤pH值差異顯著(P<0.05)

綜上所述,筆者研究發(fā)現(xiàn)水熱炭施加量是影響水稻生長的關(guān)鍵因素?？紤]到水熱炭表面富含的有機物質(zhì)易溶于水,過量施加可能導致水稻大幅減產(chǎn),因此,在將水熱炭應用于稻田時需嚴格控制其施加量,或者對其表面進行物理化學或生物預處理,以減少其環(huán)境應用時產(chǎn)生的負面效應。目前,針對裂解生物炭工程改良措施的研究較多,對水熱炭的工程改良措施研究尚處于起步階段。未來可以開展應用水熱炭進行工程改良的研究,以實現(xiàn)水熱炭炭化技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域的推廣應用,同時實現(xiàn)其經(jīng)濟和環(huán)境效益。

4 結(jié)論

低用量裂解生物炭PSBC-0.5%能夠增加水稻產(chǎn)量、收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力和籽粒吸氮量,提高氮肥吸收利用率和農(nóng)學效率。而高用量PSBC-3%處理水稻產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、籽粒吸氮量、氮肥吸收利用效率和農(nóng)學效率有所降低,但收獲指數(shù)與CKU相比增長5.00%。與裂解生物炭處理相比,高施加量水熱炭HSBC-3%處理幾乎對所有指標都具負面效應(P<0.05),這可能與水熱炭不當施用所釋放的大量有機物質(zhì)如有機酚、有機酸有關(guān)。而較低施加量水熱炭對水稻生長沒有明顯負面效應。因此,可將施用低量(w=0.5%)PSBC作為一種增加作物經(jīng)濟效益和提高氮肥利用率的方法加以推廣。水熱炭作為一類新型炭基材料,其稻田應用的環(huán)境效應和對水稻生長影響的機制還需要進一步研究,以全面評價其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用前景。