不同配料顆粒秸稈施用對土壤速效養(yǎng)分及小麥生長的影響

范 庭，劉 娜，張 霞，張育林，2，王旭東，于 堅

(1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院，農業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.陜西省土地整治重點實驗室，陜西 西安 710075；3北京新禾豐農化資料有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隨著集約化農業(yè)生產的發(fā)展，耕地土壤質量出現(xiàn)了普遍下降的現(xiàn)象?；实氖┯迷诤艽蟪潭壬涎a充了土壤中一些大量元素，但同時也帶來了部分地區(qū)養(yǎng)分不平衡[1]、土壤板結[2]和重金屬污染[3]等問題。秸稈還田不僅可以補充土壤養(yǎng)分，減少化肥的投入量，還可以改善土壤理化性狀，促使作物增產[4]。由于地理位置特殊，河西走廊多地出現(xiàn)鹽漬化、板結化等土壤質量下降的問題。鹽漬化不僅影響作物吸收土壤中的水分和養(yǎng)分，甚至對農作物還有離子毒害作用[5]。有研究表明，秸稈還田可以有效降低土壤鹽漬化引發(fā)的問題[6]。但我國西北地區(qū)由于土壤溫度普遍較低，加上不合理的灌溉措施，常規(guī)秸稈還田技術在當?shù)卮嬖谝欢ǖ谋锥?，如秸稈直接還田腐解慢，易造成土壤空洞現(xiàn)象，不利于土壤團聚體的形成和農作物扎根；秸稈覆蓋還田在播種時容易堵塞機具，有的種子被秸稈覆蓋壓實，影響正常出苗，導致當?shù)亟斩掃€田數(shù)量少，且還田效果差，最終導致大量的作物秸稈被用作牲畜的草料，甚至向省外輸出[7]。因此，怎樣更好地將作物秸稈這一農業(yè)“垃圾”變廢為寶，推進可持續(xù)農業(yè)的發(fā)展是眾多農業(yè)研究人員致力解決的熱點問題[8-10]。最新研究表明，秸稈造粒還田能夠提高秸稈有機碳礦化率及養(yǎng)分釋放速率[11]。張莉等[12]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈顆粒還田可以快速提高土壤及小麥植株養(yǎng)分含量。因此，將秸稈進行壓縮造粒還田在西北地區(qū)是一種應用前景非?？捎^的還田技術。

缺磷是鹽堿土作物普遍出現(xiàn)的癥狀。河西走廊地區(qū)由于土壤高pH值的影響，土壤中磷的有效性很低。目前有許多關于磷素活化劑在鹽堿土改良中應用的研究[13-14]。其中硫磺和生物炭是兩種常見的改良材料，在鹽堿土中施用是比較經(jīng)濟的。有研究表明，施用硫磺粉處理的土壤有效磷含量較對照顯著提高[15]。此外，氮肥配施硫肥能顯著提升小麥干物質積累量及籽粒產量[16]。因此，硫磺不僅可作為磷素活化劑的代表性物質，還可以作為中量元素補充作物的養(yǎng)分。生物炭在農業(yè)領域具有極大的潛在研究價值，其本身含有大量的礦質營養(yǎng)元素，施入土壤可將這些營養(yǎng)元素歸還到土壤中。有研究顯示，在土壤中添加生物炭可有效提高土壤中的速效養(yǎng)分含量，增強土壤保肥能力[17]；其施入土壤中可作為可溶性養(yǎng)分被作物吸收利用，促進植物生長。李偉[18]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥配施生物炭顯著提升了冬小麥-夏玉米輪作體系下的作物產量。

現(xiàn)階段秸稈顆粒還田的研究主要集中在以玉米秸稈為原料制作秸稈顆粒的基礎上，且對西北地區(qū)春小麥種植土壤環(huán)境條件未曾開展研究。目前針對硫磺粉、生物炭和秸稈配施的研究較少，兩者配施是否能提升土壤養(yǎng)分含量和作物產量，還需深入研究。為響應國家“糧藏于地，糧藏于技”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針，解決常規(guī)秸稈還田在我國西北地區(qū)養(yǎng)分利用率低的問題，本研究以小麥秸稈為原料，添加不同配比的硫磺粉和麥秸生物炭，研制新型秸稈顆粒并進行盆栽試驗，研究不同配料秸稈施用對土壤速效養(yǎng)分及小麥生長的影響，以尋求適合我國西北地區(qū)的秸稈還田技術，實現(xiàn)土壤與作物間的養(yǎng)分高效循環(huán)，為當?shù)剞r作物增產增收提供技術指導和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤于2018年8月采自甘肅省高臺縣巷道鎮(zhèn)紅聯(lián)村，土壤類型為灌耕土，系統(tǒng)命名為灌淤旱耕人為土。采樣深度為耕層0～20 cm。采集的土壤風干后過2 mm篩備用。供試土壤基礎理化性質為：黏粒(<0.002 mm)24.28%、粉粒(0.002～0.05 mm) 29.43%、砂粒(0.05～1 mm)46.29%，pH值為8.12，有機碳為8.2 g·kg-1，全氮0.85 g·kg-1，速效磷20.70 mg·kg-1，速效鉀25.88 mg·kg-1。

供試秸稈顆粒的原料為小麥收獲后地上部，于2018年6月采自甘肅省高臺縣紅聯(lián)村。秸稈顆粒中添加的外源材料選用硫磺粉(養(yǎng)分活化劑)和麥秸生物炭(養(yǎng)分吸附劑)。不同處理方式及秸稈養(yǎng)分含量見表1。小麥秸稈的C、N、P、K百分含量分別為47.50%、0.78%、0.13%、1.66%。生物炭的裂解溫度為350℃，其C、N、P、K百分含量分別為51.40%、1.27%、0.11%、5.43%。硫磺粉為天津市天力化學試劑公司生產，S含量≥99.50%。供試小麥品種為永良11號。

秸稈顆粒造粒方法：造粒前將部分小麥秸稈晾曬風干(含水率低于10%)后打碎成糠狀(過2 mm網(wǎng)篩)，并噴施尿素溶液，調節(jié)其C∶N為25∶1。選用SKJ-220型造粒機進行造粒。其生產工藝流程為：將備用秸稈原料送到震動料斗，由送料器送到加料器口，在螺旋攪拌器的作用下推到制粒機內，由于制粒機中2個齒輪反向等速轉動和碾壓，使秸稈粉末通過碾壓后制成秸稈顆粒。成品顆粒為直徑8 mm，長度約1～2 cm的圓柱體。

1.2 試驗方法

采用盆栽試驗，于2019年5月在西北農林科技大學科研教學旱棚試驗區(qū)進行。選取直徑為15 cm、深度為17 cm的塑料盆，每盆裝土2 kg，共設10個處理，具體處理方式見表1。分別將各處理材料與土樣充分混勻后裝盆，重復4次，共計40盆，隨機排列，使盆栽土壤的含水量保持在田間持水量的50%，培養(yǎng)一個星期。培養(yǎng)結束后每盆種植小麥2株，使土壤含水量維持在田間持水量的80%。小麥種植28 d后于拔節(jié)中后期收獲地上部，再分別采集各處理土壤樣品。土樣風干后測定各處理土壤硝、銨態(tài)氮含量(1mol·L-1KCL浸提，流動分析儀測定)、速效磷含量(鉬藍比色法)、速效鉀含量(火焰光度法)。植物樣用去離子水沖洗干凈，60℃烘干至恒重，測定其生物量及全氮含量(半微量開氏法)、全磷含量(釩鉬黃比色法)、全鉀含量(火焰光度計法)[19]。

表1 不同秸稈處理及其基礎性狀

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)處理選用SPSS 19.0軟件，采用單因素方差分析，多重比較選用LSD法對各處理土壤速效養(yǎng)分含量、植株生物量和植株養(yǎng)分含量進行差異顯著性分析。運用Origin Pro 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理秸稈顆粒添加后土壤速效養(yǎng)分含量的變化

2.1.1 土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量變化 由圖1可知，秸稈處理方式不同，土壤硝態(tài)氮含量有所不同。各處理土壤經(jīng)28 d培養(yǎng)后，WK處理的硝態(tài)氮含量為3.34 mg·kg-1，WK、W、W6與CK處理間均無顯著差異；添加硫磺的3個處理中，土壤硝態(tài)氮含量隨硫磺粉用量的增加而降低，WS3、WS5、WS10處理的土壤硝態(tài)氮含量分別為3.95、3.52、3.47 mg·kg-1，3個處理間無顯著差異，其中WS3較W和WK處理分別提高14.44%、15.44%，差異均達顯著水平(P<0.05)；添加生物炭的3個處理間無顯著差異，WC5、WC10、WC15的硝態(tài)氮含量分別為5.56、3.91、3.45 mg·kg-1，其中以WC10處理最高，較W和WK處理分別提高13.56%、14.58%，差異顯著(P<0.05)。添加外源材料的6個處理間無顯著差異。各處理土壤硝態(tài)氮含量以WS3處理最高。

注：CK(無秸稈)，W(剪碎秸稈，每公斤土施用12 g秸稈)，W6(剪碎秸稈，每公斤土施用24 g秸稈)，WK(秸稈顆粒)，WS3、WS5、WS10分別代表添加3%、5%、10%的硫磺秸稈顆粒，WC5、WC10、WC15分別代表添加5%、10%、15%的生物炭秸稈顆粒。顆粒用量為每公斤土施用24 g秸稈。不同小寫字母代表各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: CK (no straw), W (chopped straw, 12 g straw per kg of soil), W6 (chopped straw, 24 g straw per kg of soil), WK (straw granule), adding 3% (WS3), 5% (WS5), 10% (WS10) sulfur straw granule, adding 5% (WC5), 10% (WC10), 15% (WC15) biochar straw granule, granule amount was 24 g straw per kg of soil. Different lowercase letters represent significant differences between treatments (P<0.05). The same below.

由圖2可知，不同的秸稈處理方式土壤銨態(tài)氮含量有所不同。各處理土壤經(jīng)28 d培養(yǎng)后，WK處理的銨態(tài)氮含量為1.84 mg·kg-1，較CK提高52.72%，較W處理提高26.19%，差異均達顯著水平(P<0.05)，但與W6處理無顯著差異；添加硫磺的3個處理間無顯著差異，WS3、WS5、WS10處理的土壤銨態(tài)氮含量分別為1.69、1.83、1.80 mg·kg-1，較W處理分別提高24.02%、34.56%、32.35%，差異顯著(P<0.05)，與WK處理相比，均無顯著差異；添加生物炭的3個處理中，土壤銨態(tài)氮含量隨生物炭用量的增加而降低，WC5、WC10、WC15的銨態(tài)氮含量分別為1.92、1.83、1.74 mg·kg-1，3個處理間無顯著差異，但較W處理分別提高40.93%、34.80%、27.70%，差異顯著(P<0.05)，與WK處理相比，均無顯著差異。添加外源材料處理中，WC5顯著高于WS3處理。總體上，以WC5處理的土壤銨態(tài)氮含量最高。

圖2 不同處理土壤銨態(tài)氮含量

2.1.2 土壤速效磷含量變化 由圖3可知，秸稈處理方式不同，土壤速效磷含量也不同。WK處理的速效磷含量為27.07 mg·kg-1，WK、W、W6和CK處理間無顯著差異；添加硫磺的3個處理中，土壤速效磷含量隨硫磺用量的增加而升高，WS5和WS10顯著高于WS3處理，WS3、WS5、WS10處理的土壤速效磷含量分別為30.01、33.01、34.60 mg·kg-1，較W處理分別提高11.20%、19.72%、23.42%，差異均達顯著水平(P<0.05)，其中WS5和WS10較WK處理分別提高18.00%、21.77%，差異顯著(P<0.05)；添加生物炭的3個處理中，WC5顯著高于WC10和WC15處理，WC5、WC10、WC15處理的速效磷含量分別為31.87、28.36、28.99 mg·kg-1，其中WC5處理較W和WK處理分別提高16.38%、15.07%，差異均達顯著水平(P<0.05)。添加外源材料的土壤速效磷含量表現(xiàn)為WS10>WS5>WC5>WS3>WC15>WC10。總體上，土壤速效磷含量以WS10處理最高。

圖3 不同處理土壤速效磷含量

2.1.3 土壤速效鉀含量變化 由圖4可知，秸稈處理方式不同，土壤速效鉀含量有所不同。WK處理的速效鉀含量為54.67 mg·kg-1，較CK提高44.03%，差異達顯著水平(P<0.05)，WK與W、W6處理間無顯著差異；添加硫磺的3個處理間無顯著差異，WS3、WS5、WS10處理的土壤速效鉀含量分別為53.94、55.13、52.73 mg·kg-1，與W、W6和WK處理均沒有顯著差異；添加生物炭的3個處理間無顯著差異，WC5、WC10、WC15處理的速效鉀含量分別為57.73、55.17、56.70 mg·kg-1，其中WC5處理較W處理提高9.05%，差異達顯著水平(P<0.05)，但與W6和WK處理相比，無顯著差異。添加外源材料的處理中，WC5顯著高于WS10處理?？傮w上，土壤速效鉀含量以WC5處理最高。

圖4 不同處理土壤速效鉀含量

2.2 不同處理秸稈顆粒添加對春小麥生長的影響

2.2.1 不同處理秸稈顆粒添加對春小麥生物量的影響 從圖5可以看出，各秸稈顆粒處理的小麥地上部生物量均顯著高于CK、W和W6處理；W6與W處理相比，無顯著差異；WK處理的小麥地上部生物量為0.56 g，較W和W6處理分別提高46.14%、34.86%，差異達顯著水平(P<0.05)；在秸稈顆粒中添加硫磺對小麥地上部生物量也有增加作用，各處理小麥的生物量表現(xiàn)為WS5>WS10>WS3，處理間沒有顯著差異，但WS5處理的小麥地上部生物量較WK處理提高29.61%，差異達顯著水平(P<0.05)；添加生物炭的各秸稈顆粒處理中，小麥的地上部生物量隨生物炭用量的增加而增加，但處理間無顯著差異，其中WC15處理較WK處理提高29.48%，差異顯著(P<0.05)。添加硫磺和生物炭的各秸稈顆粒處理間沒有顯著差異。總體上，各處理小麥地上部生物量從高到低的順序為WS5>WC15>WS10>WC10>WS3>WC5>WK>W6>W>CK。

圖5 不同秸稈處理春小麥生物量

2.2.2 不同處理秸稈顆粒添加對春小麥植株全氮含量的影響 由圖6可知，各秸稈顆粒處理的小麥全氮含量均顯著高于CK，且均顯著高于W和W6處理。WK處理的小麥植株氮含量為0.44 g·kg-1，較W和W6處理分別提高81.94%和32.73%，差異均達顯著水平(P<0.05)；添加硫磺的各秸稈顆粒處理中，小麥全氮含量表現(xiàn)為隨硫磺用量的增加而增加，WS10顯著高于WS3處理，WS3和WS5處理與WK處理無顯著差異，但WS10較WK處理提高11.44%，達顯著水平(P<0.05)；添加生物炭的3個秸稈顆粒處理間無顯著差異，且均與WK處理無顯著差異，但均顯著高于W和W6處理。添加外源材料的處理中，WS3顯著低于其他處理?？傮w上，各處理小麥植株全氮含量表現(xiàn)為WS10>WS5>WC15>WC5>WC10>WK>WS3>W6>CK>W。

圖6 不同秸稈處理春小麥植株全氮含量

2.2.3 不同處理秸稈顆粒添加對春小麥植株全磷含量的影響 由圖7可知，各秸稈顆粒處理的小麥全磷含量均顯著高于CK、W和W6處理。W和W6處理間無顯著差異；WK處理的小麥全磷含量為0.03 g·kg-1，較W和W6處理分別提高93.11%、62.57%，差異均達顯著水平(P<0.05)；添加硫磺的各秸稈顆粒處理中，小麥全磷含量表現(xiàn)為WS10>WS3>WS5，3個處理的小麥全磷含量無顯著差異，但都明顯高于WK處理，其中WS10較WK處理提高21.82%(P<0.05)；添加生物炭的各秸稈顆粒處理之間，小麥全磷含量無顯著差異，其中WC10處理的小麥全磷含量較WK處理提高19.80%(P<0.05)。添加外源材料的6個處理間無顯著差異?？傮w上，小麥全磷含量整體趨勢表現(xiàn)為WS10>WC10>WS3>WS5>WC5>WC15>WK>W6>CK>W。

圖7 不同秸稈處理春小麥植株全磷含量

2.2.4 不同處理秸稈顆粒添加對春小麥植株全鉀含量的影響 由圖8可知，各秸稈顆粒處理與CK相比，小麥全鉀含量均顯著提高，W6與CK相比無顯著差異。各秸稈顆粒處理中，WK處理的小麥全鉀含量為0.52 g·kg-1，與W處理無顯著差異，但顯著高于W6處理；添加硫磺的3個秸稈顆粒處理中，小麥全鉀含量表現(xiàn)為隨硫磺用量的增加而增加，WS5和WS10處理顯著高于WS3處理，3個處理均顯著高于W6處理，且WS5、WS10較W處理分別提高9.50%、14.96%，差異顯著(P<0.05)，但與WK處理無顯著差異；添加生物炭的3個秸稈顆粒處理中，WC15處理顯著高于WC5和WC10處理，3個處理的小麥全鉀含量均顯著高于W6處理，且WC15處理較W和WK處理分別提高16.14%、12.53%，差異顯著(P<0.05)。添加外源材料的處理中，WS3顯著低于其他處理?？傮w上，各處理小麥全鉀含量表現(xiàn)為WC15>WS10>WS5>WC5>WC10>WK>W>WS3>CK>W6。

圖8 不同秸稈處理春小麥植株全鉀含量

3 討 論

3.1 不同處理秸稈顆粒添加對土壤速效氮、磷、鉀含量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，添加3%硫磺秸稈顆粒處理的土壤硝態(tài)氮含量較對照、剪碎秸稈、秸稈顆粒處理均顯著提高，這很可能是因為適量的硫磺粉添加后，加速了土壤中微生物對其的分解，使氮素轉化過程加快；添加10%生物炭秸稈顆粒處理的土壤硝態(tài)氮含量較對照、剪碎秸稈、秸稈顆粒處理也顯著提高，這應該是由于適量的生物炭添加后導致顆粒中的氮素更易釋放。土壤中施入秸稈后，其銨態(tài)氮含量較對照顯著提高，且各秸稈顆粒處理的銨態(tài)氮含量較剪碎秸稈更高，這是由于秸稈顆粒制作前進行了粉碎處理，吸水膨脹后加大了顆粒與土壤的接觸面積，使微生物活性增強；添加硫磺的顆粒與秸稈顆粒處理無明顯差異；添加生物炭的顆粒處理較秸稈顆粒處理的土壤銨態(tài)氮含量略有提高，這應該是由于生物炭本身含有的部分氮素釋放的結果。這與張珺穜等[20]發(fā)現(xiàn)秸稈粉碎后造粒還田，能夠快速提高土壤中的氮含量的研究結果相一致。秸稈顆粒中添加硫磺粉后，土壤速效磷含量較對照、剪碎秸稈、秸稈顆粒顯著提高，且隨硫磺粉用量的增加而增加，這很可能是由于添加硫磺粉后，秸稈顆粒中的硫磺部分氧化，活化了秸稈顆粒中的磷和土壤固定的磷，從而使土壤速效磷含量升高；添加10%、15%生物炭秸稈顆粒處理的速效磷含量較秸稈顆粒處理略有提高，添加5%生物炭處理的速效磷含量最高，這應該是由于生物炭濃度高會導致一部分磷被顆粒吸附。施用秸稈能快速提高土壤中的速效鉀含量，秸稈顆粒和剪碎秸稈相比無明顯差異，這是由于秸稈中的鉀大多以離子態(tài)的形式存在，不論是剪碎秸稈，還是秸稈顆粒中的鉀均能快速釋放；秸稈顆粒中添加硫磺后土壤速效鉀含量變化不大，顆粒中添加生物炭后，土壤速效鉀含量略有提高，這是由于生物炭本身含有較高的鉀素釋放到土壤中引起的。這與有關研究認為將秸稈高溫裂解為生物炭后再還田，土壤速效鉀含量明顯提高的結果[21]相一致。因此，秸稈顆粒在提升土壤肥力方面明顯優(yōu)于剪碎秸稈，秸稈顆粒中添加適量外源材料可進一步提升土壤肥力。

3.2 不同處理秸稈顆粒添加對春小麥生物量及植株全量氮、磷、鉀含量的影響

小麥地上部生物量是反映其后期產量的重要指標。本研究發(fā)現(xiàn)，與對照和剪碎秸稈處理相比，秸稈顆粒能夠顯著增加小麥地上部生物量。這一方面是由于秸稈顆粒是經(jīng)粉碎后擠壓成型，在其造粒之前就已經(jīng)把較難腐解的纖維素、木制素結構破壞，其施入土壤后遇水膨脹分散，比表面積增加，導致顆粒中的養(yǎng)分較剪碎秸稈更易釋放到土壤中，從而被小麥吸收利用[11]；另一方面是由于秸稈顆粒施入土壤后，吸入一定水分發(fā)生膨脹，降低了土壤緊實度，進而改善土壤孔隙結構，秸稈顆粒吸水膨脹后還能與土壤充分接觸，避免了添加剪碎秸稈造成小麥扎根困難的缺陷。這與叢萍等[22]的研究結果相一致。此外，還有研究認為秸稈顆粒還田提高了小麥的光合性能，促進了植株碳水化合物的合成，從而使其積累較高的生物量[12]。本研究結果還表明向秸稈顆粒中添加硫磺粉之后，小麥的生物量較秸稈顆粒均有所提升。這可能是因為秸稈顆粒中的硫磺活化了土壤中原本固有的難以被植株吸收利用的磷，降低了土壤中的C/P，提高了土壤微生物的活性[23]。在秸稈顆粒中添加生物炭后，小麥生物量也有提升。這是由于生物炭本身就含有一定養(yǎng)分，不僅能夠釋放自身養(yǎng)分，還能夠吸附離小麥根系較遠土壤中的養(yǎng)分，從而被小麥吸收利用[24]。因此，秸稈顆粒與剪碎秸稈處理相比，能有效提升小麥的生物量，在顆粒中添加適量的外源材料，顆粒的養(yǎng)分有效性更高。

4 結 論

1)與剪碎秸稈相比，施用秸稈顆粒在提升土壤速效養(yǎng)分方面更有優(yōu)勢，添加適量的硫磺粉和生物炭效果更明顯。土壤硝態(tài)氮含量以WS3處理最佳，較W處理提高14.44%；土壤銨態(tài)氮含量以WC5處理最佳，較W處理提高40.93%；土壤速效磷含量以WS10處理最佳，較W處理提高23.42%；土壤速效鉀含量以WC5處理最佳，較W處理提高9.05%。

2)與剪碎秸稈相比，秸稈顆粒顯著促進了小麥生長，添加適量的硫磺粉和生物炭進一步提升了小麥的生物量和養(yǎng)分含量。小麥地上部生物量以WS5處理最高，較WK處理提高29.61%；小麥全氮、全磷含量均以WS10處理最高，分別較WK處理提高11.44%、21.82%；小麥全鉀含量以WC15處理最高，較WK處理提高12.53%。