稻壳生物炭对玉米生物量及土壤性状的影响

李飞跃，陶进国，汪建飞，李孝良

(1. 安徽科技学院　资源与环境学院，安徽　凤阳　233100；2.农业部生物有机肥创制重点实验室，安徽　蚌埠　233000)



稻壳生物炭对玉米生物量及土壤性状的影响

李飞跃1，2，陶进国1，汪建飞1，2，李孝良1，2

(1. 安徽科技学院资源与环境学院，安徽凤阳233100；2.农业部生物有机肥创制重点实验室，安徽蚌埠233000)

摘要：采用盆栽试验，研究了稻壳生物炭对玉米生长及土壤理化性状的影响。结果表明，在玉米生长的前10周，生物炭对玉米株高的生长有抑制作用，但随着玉米的生长发育，抑制作用逐渐消失。收获时，生物炭对玉米生物量没有显著影响。随着生物炭增加，土壤的有机碳和全氮增加，并且当生物炭用量为5%时达到显著水平。生物炭对土壤pH、铵态氮、硝态氮的含量没有显著影响。

关键词：生物炭；玉米；生物量；理化性质

生物质废弃物不合理处置，导致严重环境污染和资源浪费，亟需新的处理技术与方法。近年来，把生物质废弃物热解转化为生物炭，被认为是一种有前景的固废处置新途径[1]。由于生物炭独特的结构及理化性质，输入土壤后还能够起到固碳减排[2-3]、改良土壤[4-5]、修复土壤污染[6-7]、抑制土壤温室气体排放[8-9]、提高作物产量[10-11]等多重功能。

生物炭施用对作物产量的影响，直接关系到粮食安全问题，并决定着该项技术的推广力度，引起农业相关领域研究者的广泛关注。一些研究结果表明，生物炭作为土壤改良剂能够提高作物产量[10-12]，但也有少许研究结果证实了生物炭的施用减少了作物的产量[13-14]。可见，生物炭对作物产量的作用还没有取得共识，仍需要开展进一步研究。

生物炭的理化性质主要取决于生物质原材料和热解温度[15-16]。我国稻壳产量丰富，转化生物炭时不需要进行破碎前处理，此外，有关稻壳生物炭对农作物产量影响的研究还较少，考虑到低温热解能获得较高的生物炭产量。本试验采用350℃稻壳生物炭为改良剂，研究其施入土壤后对玉米生物量及土壤理化性状的影响。

1材料与方法

1.1土壤

试验所需土壤采自安徽科技学院西校区农场耕作层(0～20 cm)，土壤风干，破碎后过2 mm筛备用。土壤类型为黄褐土，土壤的基本性状见表1。

1.2生物炭

原材料为稻壳，在350 ℃限氧条件下热解转化为稻壳生物炭，详细制备过程见文献[17]。生物炭破碎后过2 mm筛备用，稻壳生物炭的基本性状见表1。

表1　土壤和生物炭的基本性质

1.3盆栽试验

试验在聚乙烯材料的花盆中进行，花盆的容积为4 L。每个花盆内装土2 kg(盆内土壤的高度为15 cm)，然后将生物炭与土壤混匀后装入花盆内。

试验设3个处理，4次重复。生物炭的用量分别为土壤质量的0%、1%和5%，分别记为CK、1%BC和5%BC。玉米于2014年5月23日播种，8月22日收获，生长周期持续13周。肥料的施入水平为N：150 mg/kg，P：75 mg/kg，K：75 mg/kg。N、P和K分别用氯化铵、磷酸二氢钾和氯化钾分析纯试剂配置水溶液施入土壤中，最终使得花盆中土壤的含水量达到最大田间持水量的70%。每个花盆中播种3粒玉米，出芽后选择长势较好的定苗。花盆随机摆放在农场空地上，每2～3 d补充一次水分，雨天避免雨水的影响。

1.4土壤和植株的分析

盆栽试验结束后，每个花盆内的玉米植株的地上部分(秸秆和果实)和地下部分分别收集。植株用自来水洗净后，放入105 ℃的烘箱内，杀青30 min，而后在80 ℃下烘干(48 h)至恒重，然后分别称量地上部分和地下部分的干质量。

玉米植株收获后，每个花盆内的土壤取出风干，充分混匀后，然后过2 mm筛备用。按照参考文献[18]的方法分别测定土壤的氨氮、硝态氮、pH、有机碳和总氮。

1.5数据分析

所有试验数据利用SPSS 17.0 单因素分析，Duncan多重比较判断处理间的差异显著性(P<0.05)，用Excel 2010 绘图。

2结果与分析

2.1稻壳生物炭对玉米生物量的影响

2.1.1株高玉米5月23日播种，5月27日出苗。从第4周，开始测量玉米植株的株高。试验结果如图1所示。总体上随着生长的时间延长，玉米植株的株高增加。玉米收获时的株高，和4周时株高相比，CK、1%BC和5%BC处理的玉米植株分别增加了5.4、5.3和6倍。此外，前10周，添加生物炭土壤玉米株高均小于对照土壤玉米株高，生物炭表现为抑制玉米植株的生长，并且总体上5%BC处理的抑制程度要大于1%BC；11周及以后，这种抑制作用才逐渐消失，表现为添加生物炭土壤玉米株高赶上或者是超过对照土壤玉米株高，特别是5%BC处理土壤的玉米株高，和对照处理相比，提高了5.68%。在整个试验期间，CK、1%BC和5%BC的处理的玉米株高均未达到统计学意义上的差异显著水平(P≥ 0.05)。

图1　生物炭对玉米生长期株高的影响

2.1.2生物量玉米收获时，和对照相比，添加1%生物炭处理抑制了玉米生物量，秸秆、果实、地下部分及总生物量，分别减少了0.98%、23.2%、13.3%和8.05%；添加5%生物炭处理，提高了玉米秸秆、地下部分和总生物量，分别为6.54%、1.86%和2.87%，果实却减少了9.12%。总体上不同水平生物炭用量没有造成处理间玉米各生物量之间的显著差异(表2)。国内外生物炭对玉米生物量的影响的研究结果见表3，这些研究结果与本试验结果大体上相一致。

表2　每盆玉米植株的生物量

注：同一列中字母不同表示统计显著(P<0.05)

表3　生物炭对玉米生物量影响的其它研究结果

2.2土壤性状

表4　生物炭对土壤理化性状的影响

注：同一列中字母不同表示统计显著(P<0.05)

3结论与讨论

在玉米生长期的前10周内，生物炭处理土壤对玉米生长有一定程度的抑制作用(图1)，这种抑制作用可能是由于生物炭具有很高的碳氮比的原因，微生物同化过程吸收了土壤中的氮，减少了土壤有效态氮，进而降低了植物对氮的利用率[23]；此外，生物炭独特的结构与性质(比表面积大、带负电荷等)，对土壤养分起到吸附固持缓释的作用[1,24]，还有玉米生长早期根系不够发达，从土壤中竞争吸收养分的能力弱。随着生物炭中易分解部分矿化完成，及玉米生长对养分吸收能力的增加，这种抑制作用在11周后逐渐消失(图1)，这和张晗芝等研究结果具有一致性[21]。

本试验中，1%BC处理土壤抑制玉米生物量，5%BC处理土壤增加了玉米的生物量，各处理之间玉米生物量差异不显著(表2)，这和以往的研究结果相一致。Major等研究生物炭对添加量(8 t/hm2和20 t/hm2)对玉米产量的影响，发现第一年玉米的产量没有显著增加，而在随后的第二、三、四年施用20 t/hm2的生物炭，其产量分别增加28%，30%和140%[25]。Rajkovich等研究了生物炭种类和添加量对玉米生物量的影响，结果发现，动物粪便和作物秸秆生物炭提高了玉米生物量，而食品废物生物炭减少了玉米生物量，并且当生物炭的添加量超过2%时，玉米生长受到抑制甚至会减产[13]。Liu等通过对已发表论文统计分析发现，当生物炭添加量< 30 t/hm2，作物产量能够平均提高11%，并且指出结果取决于实验条件，酸性和沙性土壤的增产效应更明显[11]。可见，生物炭的增产作用受作物类型、土壤类型和性质、生物炭类型及用量等多种因素共同影响，相关影响机理还需要作更进一步的研究。

随着生物炭的用量增加，土壤的有机碳和全氮含量增加，当生物炭添加量达到5%时，差异达到显著水平。这是由于生物炭自身有机碳和全氮含量较高(表1)，此外，生物炭施入土壤后，能够抑制土壤有机碳和氮的矿化、固碳和贮存养分[26]。生物炭对土壤pH的影响，受到生物炭和土壤性质的影响，通常情况下，生物炭对酸性土壤pH提升作用比较明显，对中性及碱性土壤pH影响不明显，此外，低温制备生物炭显碱性的原因主要是含氧官能团导致[27]，施入土壤后对土壤pH影响较小，本研究结果和张晗芝等研究结果相一致。生物炭施用提高了土壤铵态氮含量并且随着添加量的增加而增加，硝态氮变化趋势刚好相反，这可能是由于生物炭对铵态氮具有较强的吸附性，抑制了土壤硝化作用，导致硝态氮含量减少[28]。

和对照相比，添加1%生物炭抑制了玉米生物量的增长，而5%生物炭促进了玉米生物量的增长，但总体未达到显著差异水平。生物炭增加了土壤铵态氮、有机碳和全氮的含量，却减少了土壤pH和硝态氮含量。

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(责任编辑：李孟良)

收稿日期：2016-03-10

基金项目：安徽省高校自然科学研究项目(KJ2015A195)；安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2016213)；安徽省科技攻关项目(1604a0702011)；农业部生物有机肥创制重点实验室开放课题(BOFC2015KB05)；地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目(201510879007)；安徽省大学生创新创业训练计划项目(AH108792015007)；安徽科技学院稳定人才项目。

作者简介：李飞跃(1983-)，男，安徽省蚌埠市人，博士，讲师，主要从生物炭及其环境效应研究。

中图分类号：X71

文献标识码：A

文章编号：1673-8772(2016)03-0020-05

Effects of Rice Husk Biochar Amendment on Corn Grow and Soil Properties

LI Fei-yue1, 2, TAO Jin-guo1, WANG Jian-fei1,2, LI Xiao-liang1,2

(1.College of Resource and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;2. Key Laboratory of Bio-organic Fertilizer Creation, Ministry of Agriculture, P.R.China, Bengbu 23300, China)

Abstract：Pot trial was used to investigate the effects of rice husk biochar amendment on corn grow and soil physico-chemical properties. The results show that biochar inhibit corn height grow before 10 weeks during the incubation period, but after then the inhibition effects of biochar gradually disappear. At the harvest period of corn, there is no significant difference between the control soil and soil with biochar addition in terms of corn biomass. Moreover, with rise of biochar addition, the soil organic carbon contents and total nitrogen contents increase, and biochar with 5% addition significantly increases the soil organic carbon contents and total nitrogen contents, compared to the control soil. However, biochar addition does not significantly affect the pH, ammonium nitrogen contents and nitrate nitrogen contents of soil.

Key words:Biochar; Corn; Biomass; Physico-chemical properties