施用生物炭對冬小麥養(yǎng)分吸收、根際微生物和土壤理化性質的影響

袁 亮, 張春麗, 孟自力

(1.商丘職業(yè)技術學院,河南商丘 476000; 2.河南省商丘市梁園區(qū)農業(yè)農村局,河南商丘 476000;3.商丘市農林科學院,河南商丘 476000)

冬小麥在黃淮北片和南片均有大面積種植,由于農民單一化肥的施用和淺耕的耕種習慣導致土壤微生物生長環(huán)境被破壞、土壤板結嚴重[1]。土壤成分中包含多種有機物,不同種類的有機物之間之所以能夠進行轉化,其原因在于土壤微生物,土壤微生物被視作植物的營養(yǎng)元素獲取來源之一,其最大的作用就是將土壤之中一些植物不能吸收的物質轉化為可以吸收的物質,而小麥根際微生物種群的多少對于土壤之中各種元素的轉化起到很重要的作用,影響到小麥對營養(yǎng)元素的吸收和利用[2-6]。生物炭本身具有的特點對調節(jié)土壤肥性方面帶來諸多有益的方面。生物炭在結構方面所呈現(xiàn)出的細微孔隙分布較為復雜,該構造的表面積占比較大,在融入土壤表層后,增加了表層微生物的棲息場所,有利于其生存和繁衍,生物炭的加入使得土壤中有益菌群數(shù)量升高[7],也促進了植物根系生長過程中氮、磷、鉀和一些微量元素含量的增加,并且土壤中可交換陽離子的數(shù)量也明顯升高。然而,傳統(tǒng)工藝處理過程中的玉米秸稈需要在高于400 ℃的條件下完成炭化,這一過程需要較高能耗,但在產率方面處于較低水平,此種處理方式的成本較高[7-10]。而低溫炭化工藝則可以滿足低于 300 ℃ 的處理條件,傳統(tǒng)工藝的弊端問題得以化解。

基于此,本研究對比分析傳統(tǒng)高溫處理方式與低溫處理方式之間的差異,圍繞2種方式應用于冬小麥方面的效果展開分析,從技術角度為麥田應用低溫生物炭處理工藝的研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試冬小麥品種商麥178由商丘市農林科學院提供,玉米秸稈生物炭以玉米秸稈為原料,在240 ℃和400 ℃條件下燒制而成,由河南省農業(yè)科學院提供,具體理化性質見表1。供試土壤為兩合土,具體理化性質見表2。

表1 生物炭基本理化性質

表2 供試土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗于2021年10月至2022年6月在商丘市農林科學院(115.707°E,34.532°N)進行,年平均氣溫為14 ℃左右,年平均降水量達到700 mm。試驗設置21個小區(qū),每個小區(qū)面積為3 m2,長2.0 m、寬1.5 m,每個處理設置3次重復。將0～25 cm晾干后的耕層土壤和不同處理生物炭混勻,基礎施肥為復合肥750 kg/hm2(氮、磷、鉀含量均為15%),在小區(qū)周圍埋50 cm深的塑料膜用于隔離土壤,10月10日采用人工點播播種,株距為4 cm,行距(共6行)為 20 cm,每穴2粒小麥種子,于出苗后定苗保證每穴1棵苗,人工監(jiān)測適時噴水保持土壤濕度為田間持水量的60%～70%。試驗設置的7個處理包括CK(不加生物炭)、DY1(添加1%的240 ℃玉米秸稈生物炭)、DY2(添加2%的240 ℃玉米秸稈生物炭)、DY3(添加4%的240 ℃玉米秸稈生物炭)、GY1(添加1%的400 ℃玉米秸稈生物炭)、GY2(添加2%的400 ℃玉米秸稈生物炭)、GY3(添加4%的400 ℃玉米秸稈生物炭)。

1.3 樣品測定

小麥和土壤樣品于播種后38 d采集。小麥樣品在地上部和地下部收獲后,使用去離子水完成清洗步驟,確保樣品的干凈程度,為去除樣品表面殘留水分,利用吸水紙進行處理,在105 ℃烘箱中殺青30 min后,65 ℃烘干至恒質量。小麥樣品消解方法:用硫酸-過氧化氫消化后,測定植株全氮、全磷、全鉀的含量[11]。風干處理后的土壤樣品需要進行過篩處理,孔度分別為0.840、0.149 mm,經由處理所得到的土壤接下來用于土壤營養(yǎng)成分與相關數(shù)值的測定,包括速效磷含量、速效鉀含量、有機質含量、堿解氮含量的測定以及pH值的測定[12]。

根際微生物測定:10月20號開始取根際土樣測量細菌和真菌數(shù)量,每隔7 d隨機取土測量1次,5次時間依次為10月20日、10月27日、11月3日、11月10日、11月17日。從根系附近5 mm范圍內采取土壤樣品,將采集的土壤樣品放在陰涼處攤開晾干,篩除雜質將風干的土壤樣品磨碎,過1 mm篩孔的土壤樣品用來測定。 在計數(shù)環(huán)節(jié)采用平板表面涂抹法,土壤鮮樣的稱取量為10 g,以其為基礎來配制懸浮液,懸浮液的濃度需要設置不同組別,配制過程需確保使用無菌水并處于無菌條件之下,分別取60 μL稀釋105倍和102倍的土壤懸浮液,各自用于滅菌牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基的接種與馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基的接種,前者可對細菌進行測定,后者可對真菌進行測定。不同濃度的土壤懸浮液的重復采取次數(shù)均為3次,培養(yǎng)細菌的溫度固定為37 ℃,培養(yǎng)4 d;培養(yǎng)真菌的溫度固定為35 ℃,培養(yǎng)時間為4～7 d,選取每皿菌落數(shù)為30～160 CFU/g的1個稀釋度對菌落進行統(tǒng)計,根據(jù)菌落數(shù)量 (CFU/g)=(菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù))/干土質量×100%來對數(shù)量進行計算并得出數(shù)值結果[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2010、DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)處理與分析作圖。

2 結果與分析

2.1 施用生物炭對冬小麥氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響

由表3可知,相較于沒有添加生物炭的空白對照組(CK),添加不同用量不同熱解溫度生物炭的小麥地上部氮、鉀含量均有不同程度的增高,而DY3、GY1、GY2、GY3處理的磷含量出現(xiàn)比對照降低的現(xiàn)象。除GY1處理外,其他添加生物炭處理的小麥地上部含氮量均顯著高于CK,表現(xiàn)為DY1處理>DY2處理>GY2處理>DY3處理>GY3處理,其中添加1%用量240 ℃生物炭(DY1)處理的小麥地上部含氮量最高,比基礎施肥(CK)的小麥含氮量增加了19.91%。在添加了同一熱解溫度生物炭條件下,隨著添加生物炭含量的增高,小麥地上部的鉀含量也有顯著增高趨勢。且相較于添加了相同用量240 ℃生物炭的小麥,添加400 ℃生物炭小麥的鉀含量有所降低,但差異不顯著。另外,只有DY1、DY2處理的小麥地上部磷含量比對照組顯著增高,其他處理均顯著降低。綜上所述,相同生物炭用量的條件下,240 ℃生物炭相較于400 ℃生物炭對提高小麥地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的效果較好。

表3 施用生物炭對小麥地上部和地下部養(yǎng)分含量的影響

添加1%和2%用量的生物炭處理對小麥地下部氮含量的增幅均達到顯著水平,添加1%用量 400 ℃ 生物炭(GY1)處理的小麥地下部氮含量最高,比CK增加了61.66%。

在添加生物炭條件下,小麥地下部磷含量除了DY2處理略有升高,其他處理均較CK顯著降低。小麥地下部鉀含量除了GY1處理較CK顯著降低外,其他處理小麥地下部鉀含量均有顯著增高。

2.2 施用生物炭對小麥根際土壤微生物數(shù)量的影響

2.2.1 施用生物炭對小麥根際土壤細菌數(shù)量的影響 圖1是冬小麥根際土壤稀釋10萬倍后1 g土壤懸浮液的細菌數(shù)量與其對應生物炭處理的關系,所有生物炭處理的細菌數(shù)量均高于CK,說明生物炭可以有效促進小麥根際細菌的生長,其中DY2處理一直保持最高值,其次是GY2和DY3處理,GY1處理表現(xiàn)最差。所有處理的細菌數(shù)量呈現(xiàn)緩慢波動增加的趨勢。細菌的增長速度與小麥的生長發(fā)育有非常重要的關系[14]。之所以在小麥生長過程中細菌會呈現(xiàn)動態(tài)增長,是因為在小麥生長的不同時期,小麥所需營養(yǎng)含量不一樣,其代謝出來有利于微生物的物質也就會呈現(xiàn)動態(tài)變化,總的來說微生物會在小麥生長最快的階段達到最大值。

2.2.2 施用生物炭對小麥根際土壤真菌數(shù)量的影響 圖2是冬小麥根際土壤稀釋100倍后1 g土壤懸浮液的真菌數(shù)量與對應生物炭處理的關系,可以看出,對照的根際真菌數(shù)量呈現(xiàn)緩慢減少的趨勢,各生物炭處理真菌數(shù)量均高于對照,小麥根際真菌數(shù)量大體表現(xiàn)為DY2處理>GY2處理>DY3處理>GY3處理>DY1處理>GY1處理。相較于圖1中細菌數(shù)量最大值出現(xiàn)的日期來說,真菌數(shù)量最大值出現(xiàn)日期會提前,因為麥田土壤真菌數(shù)量的基數(shù)本身較大,所以最大值出現(xiàn)日期也會較細菌提前,此時相對一致保持較高真菌數(shù)量的是DY2和GY2處理,一致呈現(xiàn)波動增長的是DY3和GY3處理。

2.3 施用生物炭對土壤理化性質的影響

從表4可以看出,土壤的pH值因生物炭處理而出現(xiàn)了增勢,與CK相比,GY2、GY3處理的土壤在pH值方面的增勢較為突出,顯著高于CK,GY3處理的土壤pH值最高。

表4 施用生物炭對土壤理化性質的影響

土壤有機質是反映土壤肥力的一項重要指標。由表4可知,用量、熱解溫度不同的生物炭處理均可令土壤有機質含量增加,表現(xiàn)為DY3處理>GY3處理>DY2處理>GY2處理>DY1處理>GY1處理,與CK相比,增幅分別為232.15%、194.56%、180.18%、136.13%、100.00%、93.36%。熱解溫度相同時,土壤有機質含量會隨生物炭含量的增加而顯著增加,其中,增加效果最優(yōu)的熱解溫度為 240 ℃?？梢?土壤中的有機質會因生物炭的加入而增多,進而提高土壤肥力。

由表4可知,相較于CK,除了GY1處理外,與CK相比,其他生物炭處理的土壤堿解氮含量均有顯著降低趨勢。當添加1%生物炭(GY1、DY1處理)時,與CK相比,生物炭的加入可令土壤內出現(xiàn)更多速效磷,但增勢并不可持續(xù);當生物炭用量增值一定數(shù)值(GY2、GY3、DY2、DY3處理)時,速效磷含量由升轉降,降幅最大的是添加3%的240 ℃玉米秸稈生物炭(DY3)處理。相較于CK,生物炭處理的速效鉀含量均顯著增加,最大的是GY3處理,為632.71 mg/kg,是CK的1.88倍。使用生物炭的量一致時,240 ℃ 1%生物炭(DY1)處理的土壤速效磷、速效鉀含量高于400 ℃ 1%生物炭(GY1)處理;400 ℃ 2%、4%生物炭(GY2、GY3)處理的土壤速效鉀、速效磷含量顯著高于DY2、DY3處理。

2.4 施用生物炭對小麥植株養(yǎng)分和土壤氮、磷、鉀含量相關關系的影響

由圖3可知,小麥植株全氮和土壤堿解氮含量呈線性正相關關系,擬合方程為y=0.014 6x+5.608 1,決定系數(shù)為r2=0.098,相關系數(shù)為0.31,呈中等相關關系。小麥植株全磷含量和土壤速效磷含量呈線性正相關關系,擬合方程為y=0.016 8x+2.540 0,r2=0.039 5,相關系數(shù)為0.20,呈弱相關關系。小麥植株全鉀含量和土壤速效鉀含量呈線性正相關關系,擬合方程為y=0.007 3x+4.476 6,r2=0.412 5,相關系數(shù)為0.64,呈強(顯著)相關關系。

3 討論與結論

植株因生物炭而在生長發(fā)育過程中會得到相應助力,原因在于生物炭改善了土壤性狀,使土壤有機質含量增加,養(yǎng)分增多,吸附性增強,微生物被激活。與此同時,肥料利用率會因此而得到明顯提高,作物產量相應增加,作物品質有所改善[15]。前人研究表明,添加生物炭能促進植株地上部干物質的積累。高海英在試驗中添加炭基肥料使小麥的干物質質量顯著增大[16]。劉阿梅等的研究表明,生物炭添加比例不同時,作物受到的促進作用也會呈現(xiàn)出差異,添加比例的增加會令作物鮮質量增加得更明顯[17]?？等辗宓妊芯堪l(fā)現(xiàn),生物炭基肥料可令小麥吸收磷、氮的能力增強,吸收氮的增加率均值為19.07%,吸收磷的增加率均值為15.00%[18]。本研究表明,小麥植株在生物炭處理后的養(yǎng)分含量明顯增加,且相對于裂解溫度為400 ℃的生物炭,低溫(240 ℃)生物炭對提高小麥地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的效果較好,且對地上部的促進作用大于根部,這與前人的研究結論[15-18]一致。

生物炭在內部構造方面的特點使其在融入土壤表層后,增加了表層微生物的棲息場所,有利于其生存和繁衍,生物炭的加入使得土壤中有益菌群數(shù)量增加。本研究發(fā)現(xiàn),生物炭可以有效促進小麥根際細菌的生長,其中DY2處理一直保持最高位狀態(tài),其次是GY2和DY3處理,GY1處理表現(xiàn)最差。對照組的真菌數(shù)量表現(xiàn)為緩慢降低趨勢,試驗組的真菌數(shù)量波動相較于對照組而言更加明顯,真菌數(shù)量最低的的是GY1處理,最高的是DY2處理,其余處理表現(xiàn)為GY2處理>DY3處理>GY3處理>DY1處理,這說明生物炭的適當使用可以很快地提高植物根際微生物的數(shù)量,使二者達到相對需要的平衡狀態(tài),從而保證植物能夠良好生長。但是使用過多的時候也會抑制住微生物的生長,所以選擇適量使用是非常關鍵的,本試驗數(shù)據(jù)表明,低溫生物炭促進微生物數(shù)量增長的效果更顯著。另外,在植物根際的微生物種群及數(shù)量也會隨著植物的生長周期不斷變化,這可以說是生物界的普遍適應和調節(jié)過程。

在生物炭與其他肥料同時使用時,也可增加土壤肥力,減少土壤肥料的流失,促進作物增產[19]。土壤因生物炭處理而提升了pH值,有機質含量增加,養(yǎng)分輸送效率提升,土壤肥力進而增強,生長發(fā)育得到促進。唐志文等研究發(fā)現(xiàn),土壤肥料的利用率因生物炭處理而提高了效率,固有理化性質得以改善,有機質平衡性增強[20]。經由試驗可知,240 ℃ 生物炭的裂解溫度較為適宜,能夠帶來較好的土壤改善效果,但試驗中發(fā)現(xiàn)堿解氮含量均有所下降。張晗芝等也研究發(fā)現(xiàn),氮含量因生物炭處理而下降,氮吸收效率降低[21],原因可能與生物炭本身具有較高的碳氮含量有關[22]。

相比于傳統(tǒng)工藝而言,低溫生物炭工藝在促進冬小麥養(yǎng)分吸收、根際微生物孳生以及改善理化性質方面具有較好效果,其憑借較低能耗、較高產率而帶來更高的綜合效益,應用前景較廣。