生物质炭与有机物料配施的土壤培肥效果及对玉米生长的影响*

张 影, 刘 星, 焦瑞锋, 李东方, 任秀娟, 吴大付, 陈锡岭



生物质炭与有机物料配施的土壤培肥效果及对玉米生长的影响*

张 影, 刘 星, 焦瑞锋, 李东方, 任秀娟, 吴大付, 陈锡岭

(河南科技学院资源与环境学院 新乡 453003)

生物质炭作为一种多功能的土壤培肥材料被广泛应用, 但其与传统有机物料的对比及配施研究还比较少。通过盆栽试验, 研究了生物质炭与秸秆、发酵鸡粪单施及配施对壤质潮土和砂土养分含量、酶活性及玉米生长的影响, 并采用主成分分析方法对3种有机物料的培肥效果进行综合评价。试验设6个处理, 分别为不添加有机物料(CK)、添加生物质炭(BC)、小麦秸秆(WS)、发酵鸡粪(CM)、秸秆和生物质炭(WS+BC)、鸡粪和生物质炭(CM+BC)。研究结果表明, 各处理均增加了砂土玉米生物量和株高, 3种有机物料的提升幅度排序为: 鸡粪>生物质炭>秸秆, 鸡粪还可增加壤质潮土玉米生物量和株高。添加生物质炭和有机物料还可提高土壤有机质含量, 其中生物质炭的提升幅度最大。此外, 3种有机物料对土壤养分和酶活性的影响各异, 单施鸡粪分别增加壤质潮土和砂土的碱解氮22.08%和26.67%, 速效磷91.92%和53.65%, 脲酶活性40.54%和36.94%; 单施生物质炭分别增加壤质潮土和砂土速效磷83.52%和89.91%, 速效钾79.38%和127.02%, 过氧化氢酶活性3.41%和11.22%, 却降低了土壤碱解氮含量, 且与鸡粪配施后会抑制鸡粪中氮的有效性; 单施秸秆分别增加壤质潮土和砂土速效钾49.48%和63.02%, β-葡糖苷酶活性51.86%和59.09%; 生物质炭与鸡粪或秸秆配施可以更均衡地提升土壤肥力。通过主成分分析和相关分析发现, 玉米生物量和株高与土壤氮、磷供应正变化的第2主成分(PC2)得分呈极显著正相关关系。因此, 3种有机物料中, 鸡粪对土壤氮、磷含量及相关酶活性影响最大; 秸秆对土壤钾以及纤维素分解相关酶影响较大, 而生物质炭对土壤肥力的提升作用更均衡, 且土壤肥力综合得分最高。秸秆或鸡粪配施生物质炭可以更全面地提高土壤肥力。

生物质炭; 有机物料; 玉米; 土壤肥力; 土壤酶活性

土壤肥力和生产能力是保证粮食安全的根本。在全球范围内, 有限的耕地面积增长潜力是限制粮食生产的主要问题, 发展集约化农业, 提高单位耕地粮食产出是满足日益增长粮食需求的唯一出路[1]。施肥是保证土壤肥力的主要手段, 是促使粮食产量增长的一个极其重要的因素[2]。近年来, 化肥产业发展迅速, 并且在粮食生产中发挥举足轻重的作用, 是保证粮食高产的基本要素。然而, 有机肥在肥料中所占的比重越来越低, 化肥的过量施用使其在粮食增产中的作用逐年降低, 同时造成土壤质量下降[3]。农田土壤中的活性有机碳正在被逐年消耗, 导致土壤阳离子交换量下降, 加速矿质养分淋失, 降低肥料利用率[4]。因此, 重视有机肥的施用, 提升农业废弃物的利用效率, 推广有机无机肥配施技术是提升土壤肥力和粮食生产能力的必然趋势。有机肥对土壤肥力的提升作用已被大量学者证明, 施用有机肥不仅可以提高土壤的团聚体结构和稳定性, 降低土壤容重, 改善土壤理化性状[5-7], 还可以提高土壤微生物活性和酶活性[8-9]。

农作物秸秆在完全或部分缺氧的情况下经高温热解炭化产生的生物质炭在农业上的应用逐渐被关注。生物质炭具有独特的多孔隙结构, 并含有丰富的矿质养分, 可以改善土壤保水保肥能力和透气性, 增加土壤微生物活性, 提高农作物产量, 是一种新型的培肥改土材料[10-12]。生物质炭还可以作为一种肥料增效剂, 减少化肥中养分淋失, 增加氮肥利用率, 保持土壤有机质的稳定性, 减缓有机肥中活性有机碳的分解速度, 并减少碳排放[13-15]。因此, 生物质炭与有机肥料或化肥配施是近年来研究的热点, 也为肥料的高效利用提供了新的方向[7,16]。前人研究发现, 生物质炭与有机肥配施可以克服各自的弊端, 更全面地提升土壤碳库储量和养分含量, 并进一步提升作物养分吸收效率, 增加作物产量[17-19]。但是, 有机肥和生物质炭配合施用对土壤的改良效果可能受诸多因素的制约, 比如说有机肥的种类[19]、生物质炭的制备材料和制备工艺[20-21]、土壤类型[22]等。因此, 本研究以河南省粮食主产区壤质潮土和黄河泛滥沉积物发育而成的砂土为研究对象, 探究小麦秸秆生物质炭、发酵鸡粪和小麦秸秆对土壤养分状况、酶活性以及玉米生长状况的影响, 为生物质炭和有机肥在田间的推广应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自河南省新乡市小麦-玉米一年2熟轮作主产区0~20 cm耕层, 土壤类型分别为壤质潮土和黄河泛滥沉积物发育而成的砂土。壤质潮土pH 8.01, 有机质12.6 g·kg-1, 全氮0.92 g·kg-1, 碱解氮75.5 mg·kg-1, 速效磷24.8 mg·kg-1, 速效钾192.3 mg·kg-1; 砂土pH 8.25, 有机质8.3 g·kg-1, 全氮0.78 g·kg-1, 碱解氮63.0 mg·kg-1, 速效磷39.5 mg·kg-1, 速效钾146.2 mg·kg-1。

供试玉米品种为‘滑玉-12’。有机物料分别为生物质炭(BC)、小麦秸秆(WS)和发酵鸡粪(CM)。小麦秸秆于2015年5月小麦收获前在田间采集得到, 带回实验室烘干、粉碎后备用。发酵鸡粪为市售产品, 由新鲜鸡粪添加生物菌种高温发酵、烘培、筛分而成。生物质炭为自制秸秆碳, 首先将采集小麦秸秆烘干、粉碎, 将粉末填满陶瓷坩埚并加盖, 在限氧条件下升温至350 ℃, 并保持4 h, 自然冷却至室温, 装袋备用。供试有机物料的养分含量见表1。

表1 试验用有机物料养分含量

1.2 试验设计

采用盆栽试验方法, 设置6个处理, 分别为: 对照(CK)、添加生物质炭(BC)、添加小麦秸秆(WS)、添加发酵鸡粪(CM)、添加小麦秸秆和生物质炭(WS+BC)、添加发酵鸡粪和生物质炭(CM+BC), 每个处理重复3次, 生物质炭、小麦秸秆和发酵鸡粪的施用量均为风干土质量的1.5%。试验采用20 cm×10 cm (直径×深度)塑料盆, 每盆装风干过筛(2 mm)土壤2.5 kg。播种前按每千克土N 0.20 g、P2O50.15 g、K2O 0.20 g 施入尿素、磷酸二氢铵和氯化钾, 所有无机肥料和有机物料作为基肥一次施用。该试验于2015年5月20日布置, 并播种玉米种子, 每盆播种10粒, 出苗后每盆留长势一致的植株3株, 所有处理日常管理一致。2015年7月20日调查玉米植株长势, 并采集样品。

1.3 样品采集与分析

植物样品采集: 将每盆3株植株全部取出, 先后用自来水、去离子水清洗干净, 用吸水纸擦干, 从最上部节根处截断, 分为地上部和根系, 将地上部和根系自然放置, 测量株高和根长, 然后将根系和地上部混合放置于牛皮袋中, 烘干称重, 记干重生物量。土壤样品采集: 植株样品采集完毕后, 将每盆土壤完全混匀, 采用四分法将土壤样品筛分至大约500 g, 置于阴凉处自然风干, 并分别过1 mm和0.15 mm筛, 装袋备用。

土壤养分含量和酶活性测定: 土壤pH采用pH计测定, 水土比为 2.5∶1; 土壤有机质采用重铬酸钾容量法、土壤全氮采用硫酸加速剂消煮-凯氏定氮法、土壤碱解氮采用碱式扩散法、土壤有效磷采用 0.5 mol×L-1NaHCO3浸提-钼蓝比色法、土壤速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定[23]; 土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法、土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法、土壤蔗糖酶和纤维素酶活性利用3, 5-二硝基水杨酸比色法[24]、土壤L-天冬酰胺酶活性和土壤β-葡糖苷酶活性采用吴金水等介绍的方法测定[25]。

1.4 数据分析

所有数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS PASW Statistics 18.0进行统计分析, SigmaPlot 10.0绘图。

2 结果与分析

2.1 生物质炭与有机物料对玉米生物量及长势的影响

由表2可知, 在两种类型土壤上, 添加生物质炭和有机物料对玉米根长无显著影响, 却不同程度对玉米株高和生物量有促进作用。在壤质潮土上, 添加生物质炭和秸秆对玉米生物量及株高没有显著影响, 而添加鸡粪的处理CM和CM+BC可以显著提高玉米生物量和株高, 与对照相比, 生物量分别提高62.36%和72.70%, 株高分别提高21.09%和22.46%; 在砂土上, 各处理均可显著提高玉米生物量和株高, 生物质炭和鸡粪的促进效果优于秸秆, BC、WS、CM、WS+BC、CM+BC处理较对照处理的玉米生物量分别提高57.15%、29.55%、58.70%、51.75%和69.33%, 株高较对照分别提高28.43%、21.93%、45.75%、29.72%和42.05%。总体来看, 3种有机物料中, 对玉米生物量和株高的影响依次为: 鸡粪>生物质炭>秸秆, 鸡粪和生物炭配施表现出最佳的促进效应。

表2 生物质炭与有机物料对玉米生物量及长势的影响

CK: 对照; BC: 添加生物质炭; WS: 添加小麦秸秆; CM: 添加发酵鸡粪; WS+BC: 秸秆和生物质炭配施; CM+BC: 发酵鸡粪和生物质炭配施。不同字母表示同一土壤类型不同处理之间差异达显著水平(<0.05)。CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar. Different letters mean significant differences among treatments in the same soil type at 0.05 level.

2.2 生物质炭与有机物料对土壤养分的影响

供试的壤质潮土和砂土呈碱性, pH分别为8.01和8.25, 添加碱性的生物质炭对两种土壤pH的影响并不显著, 而WS+BC处理显著增加了壤质潮土和砂土pH, CM和CM+BC处理显著降低了砂土pH。另外, 在壤质潮土上, 单施秸秆和鸡粪对土壤有机质的提升作用不显著, 而添加生物质炭的3个处理BC、WS+BC、CM+BC可以显著提高土壤有机质含量, 增幅分别为63.15%、84.84%、83.72%; 砂土的有机质含量较壤质潮土低, 各处理对砂土有机质的提升效果更明显, BC、WS、CM、WS+BC和CM+BC处理均显著增加了土壤有机质含量, 增幅分别为115.62%、37.88%、51.93%、177.57%和114.09%。3种有机物料单施对土壤全氮含量影响不显著, 而WS+BC、CM+BC显著增加了壤质潮土全氮含量, CM+BC显著增加了砂土全氮含量(表3)。总体来看, 添加有机物料对缓冲性能较弱的砂土有机质提升效果更明显, 生物质炭对土壤有机质的提升效果最佳。

3种有机物料对土壤碱解氮的影响各异, 生物质炭表现出降低土壤碱解氮的效应, 并在砂土中达到显著水平, 秸秆对土壤碱解氮无显著影响, 而鸡粪可以显著增加壤质潮土和砂土中碱解氮含量, 增幅分别为22.08%和26.67%, 但是配施生物质炭后, CM+BC处理对两种土壤碱解氮影响不显著。对于土壤速效磷, 在壤质潮土上, 施用生物质炭和鸡粪表现出显著的促进效应, 而单施秸秆影响不显著, BC、CM、WS+BC、CM+BC处理较对照分别提高83.52%、91.92%、80.33%和171.26%; 在砂土上, 3种有机物料均显著增加了土壤速效磷含量, 其中生物质炭和鸡粪的提升效果优于秸秆, BC、WS、CM、WS+BC和CM+BC处理较对照分别提高89.91%、36.69%、53.65%、92.88%和116.19%。生物质炭和秸秆含有丰富的游离钾元素, 表现出对土壤速效钾含量的显著提升效果, 在壤质潮土上, BC、WS、WS+BC和CM+BC处理较对照增幅为79.38%、49.48%、129.89%、90.72%, 在砂土上增幅分别为127.02%、63.02%、146.02%和130.00%(表3)。总体来看, 3种有机物料对土壤速效养分的影响存在差异, 生物质炭可以大幅度提升土壤速效磷和钾含量, 却抑制了土壤和有机物料中氮的有效性, 鸡粪对土壤碱解氮和速效磷的提升效果明显, 而秸秆可以提升土壤速效钾含量, 生物质炭与鸡粪或秸秆配施能弥补各自不足, 更全面地提高土壤养分含量。

2.3 生物质炭与有机物料对土壤酶活性的影响

土壤酶活性是土壤质量重要的生物学指标。由表4可知, BC、WS、WS+BC对砂土脲酶活性无显著影响, 却降低了壤质潮土脲酶活性, 而CM和CM+BC处理可以显著增加两种土壤的脲酶活性。各处理对土壤L-天冬酰胺酶活性的影响各异, 在壤质潮土上, WS、WS+BC、CM+BC可以显著增加土壤L-天冬酰胺酶活性; 在砂土上, 各处理均可以显著增加土壤L-天冬酰胺酶活性, 且单施秸秆的土壤L-天冬酰胺酶活性高于其他处理。各处理对两种类型土壤蔗糖酶活性均无显著影响, 但在砂土上, WS处理的土壤蔗糖酶活性显著高于BC、CM、CM+BC处理。

过氧化氢酶是参与土壤中物质和能量相互转化的一种氧化还原酶。壤质潮土中过氧化氢酶活性明显高于砂土, 且砂土过氧化氢酶活性对外源有机物料的输入更敏感。在壤质潮土上, BC、WS+BC、CM+BC处理显著增加了土壤过氧化氢酶活性, 而WS和CM处理影响不显著; 在砂土上, 各处理均表现出增加土壤过氧化氢酶活性的效应, 且添加生物质炭的处理BC、WS+BC、CM+BC显著高于WS和CM处理。土壤纤维素酶是一种复合酶, 是降解土壤纤维素转化为葡萄糖的一组酶的总称。虽然秸秆中含有丰富的纤维素, 但添加秸秆对两种土壤纤维素酶活性的影响并不显著, 所有处理中只有WS+BC处理显著增加了砂土中纤维素酶活性。土壤β-葡糖苷酶是土壤纤维素酶中的重要组成部分和限制因子, 添加秸秆的两个处理WS、WS+BC可以大幅度提升两种土壤β-葡糖苷酶的活性, 其他处理影响不显著(表4)。

表3 生物质炭与有机物料对土壤养分状况的影响

CK: 对照; BC: 添加生物质炭; WS: 添加小麦秸秆; CM: 添加发酵鸡粪; WS+BC: 秸秆和生物质炭配施; CM+BC: 发酵鸡粪和生物质炭配施。不同字母表示同一土壤类型不同处理之间差异达显著水平(<0.05)。CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar. Different letters mean significant differences among treatments in the same soil type at 0.05 level.

表4 生物质炭与有机物料对土壤酶活性的影响

CK: 对照; BC: 添加生物质炭; WS: 添加小麦秸秆; CM: 添加发酵鸡粪; WS+BC: 秸秆和生物质炭配施; CM+BC: 发酵鸡粪和生物质炭配施。不同字母表示同一土壤类型不同处理之间差异达显著水平(<0.05)。CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar. Different letters mean significant differences among treatments in the same soil type at 0.05 level.

2.4 应用主成分分析评价不同施肥条件下土壤肥力质量

在壤质潮土上, 应用主成分分析对不同有机材料施用下土壤养分含量和酶活性进行综合评价, 所有主成分中只有第1主成分和第2主成分的特征值大于1, 方差贡献率分别为47.39%和27.78%, 两者的累积方差贡献率达75.16%, 可以代表土壤肥力的主要影响因素。主成分是若干个指标的线性组合, 由各单项在各主成分中的特征向量, 可列出由标准化变量所表达的两个主成分PC1和PC2的关系式:

PC1=1+2-0.242 73+0.105 84+5-0.258 76-0.173 87+8+9+10+11(1)

PC2=1+0.172 32+3+4+0.167 85+6+7-0.111 98+0.214 89-

0.199 010-11(2)

式中:1代表有机质,2代表全氮,3代表碱解氮,4代表速效磷,5代表速效钾,6代表脲酶,7代表蔗糖酶,8代表过氧化氢酶,9代表L-天冬酰胺酶,10代表纤维素酶,11代表β-葡糖苷酶。公式中各变量的系数可以理解为各因子对主成分PC1和PC2中所占的权重, 系数符号为正表示为正相关, 符号为负表示为负相关,下划线表示对该主成分影响比较大的载荷因子, 每个因子的载荷绝对值越大, 表明对该主成分的贡献越大。由图1a可知, PC1和PC2反映了不同的土壤肥力指标变化, PC1主要反映了有机质、全氮、速效钾、过氧化氢酶、L-天冬酰胺酶、纤维素酶和β-葡糖苷酶的变化, 且均为正相关; PC2主要反映了有机质、碱解氮、速效磷、脲酶、蔗糖酶和β-葡糖苷酶的变化, 其中β-葡糖苷酶为负相关, 其他均为正相关。

根据主成分关系式可以计算出各个处理PC1和PC2的得分, 进一步通过综合主成分函数模型计算出综合主成分值, 各处理得分排序为: WS+BC>CM+BC>BC>WS>CM>CK(图2)。另外, 通过各处理PC1和PC2得分可以看出, 不同有机物料对土壤肥力的影响侧重不同, 秸秆可以增加PC1所反映土壤肥力指标, 鸡粪显著增加了PC2所反映土壤肥力指标, 而生物质炭对PC1和PC2所反映土壤肥力指标均有提高, 并且对PC1的增幅大于秸秆, 对PC2的增幅小于鸡粪(图1b)。

Ure: 脲酶; L-asp: L-天冬氨酸酶; Cel: 纤维素酶; β-glu: β-葡糖苷酶; Cat: 过氧化氢酶; Inv: 蔗糖酶; OM: 有机质; Total-N: 全氮; Avail-N: 碱解氮; Avail-P: 速效磷; Avail-K: 速效钾。CK: 对照; BC: 添加生物质炭; WS: 添加小麦秸秆; CM:添加发酵鸡粪; WS+BC: 秸秆和生物质炭配施; CM+BC: 发酵鸡粪和生物质炭配施。Ure: urease; L-asp: L-aspartase; Cel: cellulase; β-glu: β-glucosidase; Cat: catalase; Inv: invertase; OM: organic matter; Total-N: total N; Avail-N: available N; Avail-P: available P; Avail-K: available K. CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar.

在砂土上, 应用主成分分析对不同有机材料施用条件下土壤养分含量和酶活性进行综合评价, 所有主成分中只有第1主成分、第2主成分和第3主成分的特征值大于1, 方差贡献率分别为46.38%、21.45%和13.64%, 3个主成分的累积方差贡献率达81.47%, 可以代表土壤肥力的主要影响因素。由标准化变量所表达的3个主成分PC1、PC2和PC3的关系式分别为:

PC1=1+0.200 12-0.128 53+4+5-0.092 86-7+8+0.222 19+0.165 810+0.167 311(3)

PC2=0.071 21+0.253 82+3+4+0.060 35+6-0.073 37+0.107 88-0.026 39-10-11(4)

PC3=0.022 41-2+3-0.017 74-0.101 65+6+0.068 17-0.051 58+9+10+11(5)

CK: 对照; BC: 添加生物质炭; WS: 添加小麦秸秆; CM: 添加发酵鸡粪; WS+BC: 秸秆和生物质炭配施; CM+BC: 发酵鸡粪和生物质炭配施。CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar.

由图3a可知, PC1、PC2和PC3反映了不同的土壤肥力指标变化, PC1主要反映了有机质、速效磷、速效钾、蔗糖酶和过氧化氢酶的变化, 且均为正相关; PC2主要反映了碱解氮、速效磷、脲酶、纤维素酶和β-葡糖苷酶的变化, 其中纤维素酶和β-葡糖苷酶为负相关, 其他指标为正相关; PC3主要反映了全氮、碱解氮、脲酶、L-天冬酰胺酶、纤维素酶和β-葡糖苷酶的变化, 其中全氮为负相关, 其他指标为正相关。

砂土上各处理主成分综合得分排序与壤质潮土一致, 排序为: WS+BC>CM+BC>BC>WS>CM>CK (图2), 并且不同处理对土壤肥力的影响侧重不同。秸秆可以增加PC1和PC3所反映土壤肥力指标, 鸡粪可以增加PC2和PC3所反映土壤肥力指标, 生物质炭增加了PC1和PC2所反映土壤肥力指标, 并且对PC1的增幅大于秸秆, 对PC2的增幅小于鸡粪(图3b)。另外, 通过相关分析发现, 在壤质潮土和砂土上, 玉米生物量和株高均与代表土壤氮磷供应正变化的第2主成分(PC2)得分呈极显著正相关, 说明土壤氮磷供应能力是限制玉米幼苗生长和生物量累积的主要因素(图4)。

Ure: 脲酶; L-asp: L-天冬氨酸酶; Cel: 纤维素酶; β-glu: β-葡糖苷酶; Cat: 过氧化氢酶; Inv: 蔗糖酶; OM: 有机质; Total-N: 全氮; Avail-N: 碱解氮; Avail-P: 速效磷; Avail-K: 速效钾。CK: 对照; BC: 添加生物质炭; WS: 添加小麦秸秆; CM:添加发酵鸡粪; WS+BC: 秸秆和生物质炭配施; CM+BC: 发酵鸡粪和生物质炭配施。Ure: urease; L-asp: L-aspartase; Cel: cellulase; β-glu: β-glucosidase; Cat: catalase; Inv: invertase; OM: organic matter; Total-N: total N; Avail-N: available N; Avail-P: available P; Avail-K: available K. CK: untreated control; BC: adding biochar; WS: adding wheat straw; CM: adding chicken manure; WS+BC: adding wheat straw and biochar; CM+BC: adding chicken manure and biochar.

3 讨论与结论

有机肥是重要的培肥改土材料, 既可以释放矿质养分供植物吸收, 也可以增加土壤有机质, 改善土壤物理性状, 促进土壤微生物活性和酶活性[26-27]。有机肥来源广泛、品种繁多, 种类和性质是决定其培肥作用的主要因素。本研究结果发现, 生物质炭可以显著提高土壤有机质、速效磷、速效钾含量, 但表现出降低土壤碱解氮的趋势, 并抑制了鸡粪中氮的有效性。生物质炭是一种富碳材料, 并含有丰富的磷和钾, 可以直接提高土壤碳储量及速效态的磷和钾, 但生物质炭在裂解过程中会造成氮挥发, 对土壤氮素的贡献非常有限[21,28], 且其多孔隙结构和含氧官能团会吸附和固定土壤和肥料中的NH4+-N, 暂时降低土壤氮素的有效性[29]。发酵鸡粪含有丰富的有机态氮和磷, 并且分解较快, 可以提高土壤的供氮和供磷能力。谢育平等[30]也发现施用鸡粪可以显著提高土壤有机质、碱解氮和速效磷含量, 这与本研究结果一致。农作物秸秆中的钾素主要以离子态存在, 是一种重要的速效钾素资源, 可以提高土壤速效钾含量[31], 本研究也得到相似结论。总体来看, 3种有机物料对土壤速效养分的影响存在差异, 生物质炭可以提高土壤速效磷和钾含量, 却抑制了土壤和有机物料中氮的有效性, 鸡粪对土壤碱解氮和速效磷的提升效果明显, 而秸秆可以提升土壤速效钾含量。

土壤酶活性是重要的生物学指标, 对土壤养分循环具有重要的作用, 相比土壤物理和化学性质, 土壤酶活性能更敏感地对土壤质量的变化作出响应[32-33]。本研究结果表明, 各处理对不同酶活性的影响各异, 但总体来看, 添加3种有机物料均可以提高土壤酶活性, 这与相关研究结论一致[8,34]。本研究中, 发酵鸡粪显著增加了两种土壤脲酶活性, 而生物质炭和秸秆影响不显著, 甚至降低了壤质潮土中脲酶活性。这可能是由于鸡粪含有更丰富的有机氮素, 且其C/N较低, 施入土壤后有机氮更易于矿化, 刺激了土壤脲酶活性, 而生物质炭和秸秆的C/N比较高, 表现出抑制壤质潮土土壤脲酶的作用。土壤氧化还原酶是存在于土壤中的一种重要酶类, 其对外源生物质炭的响应目前还存在争议。Yang等[35]和Masto等[36]研究发现生物质炭可以大幅度提高土壤过氧化氢酶活性, 这与本研究结果一致。但是生物质炭抑制土壤过氧化氢酶活性的报道也屡见不鲜[37-38], 供试土壤类型和生物炭制备条件及施用量的不同可能是导致上述结果的主要原因[39-40]。土壤纤维素酶是一种复合酶, 是降解土壤纤维素转化为葡萄糖的一组酶的总称, 土壤β-葡糖苷酶是土壤纤维素酶中的重要组成部分和限制因子。虽然秸秆中含有丰富的纤维素, 但添加秸秆对两种土壤纤维素酶活性的影响并不显著, 却大幅度提升了两种土壤β-葡糖苷酶的活性。因此, 本研究条件下, 土壤β-葡糖苷酶可能是限制秸秆中纤维素分解的主要因子。

土壤的物理、化学和生物学性质均可以影响农作物的生长和生物量累积, 为了能够综合评价不同处理下土壤肥力质量和限制玉米生长的主要土壤肥力因子, 可以采用主成分分析对土壤肥力因子进行综合评价[41-42]。通过主成分分析发现, 在壤质潮土和砂土上, 各处理的土壤肥力综合得分排序均为: WS+BC>CM+BC>BC>WS>CM>CK, 但不同的外源有机物料对不同主成分得分的贡献不同。在壤质潮土上, 可以将所有的土壤肥力因子分成2个主成分, 添加生物质炭和秸秆的土壤PC1得分较高, 而添加鸡粪的土壤PC2得分最高, 生物质炭次之, 秸秆无影响。通过相关分析发现, 玉米生物量和株高与土壤肥力质量综合得分无显著相关关系(数据未列出), 而与PC2得分呈极显著正相关关系。PC2主要反映了有机质、碱解氮、速效磷、脲酶、蔗糖酶的正变化, 由于各处理对土壤蔗糖酶活性影响均不显著, 因此, 添加有机物料后, 其对土壤有机质以及供氮、磷能力的提升是其促进玉米生长的主要影响因子, 在砂土上也得到相似结论。这可能是由于本试验周期短, 以苗期玉米的生物量和株高为研究对象, 而氮和磷对苗期玉米植株的营养生长促进作用更显著。齐红志等[43]研究也发现, 氮亏缺对玉米苗期生长影响最大, 磷亏缺次之, 钾亏缺影响最小。3种有机物料在田间条件下对玉米营养生长及籽粒产量的影响还有待进一步研究。

综上所述, 生物质炭、发酵鸡粪和秸秆均可以提高土壤养分含量及酶活性, 但表现出不同的侧重点。生物质炭可以提高土壤速效磷和钾以及过氧化氢酶活性, 却抑制了土壤和有机物料中氮的有效性; 鸡粪对土壤碱解氮、速效磷以及脲酶活性的提升效果明显, 而秸秆可以提升土壤速效钾和β-葡糖苷酶活性。此外, 在本研究条件下, 土壤氮、磷供应能力是影响玉米苗期生长状况的主要因素, 鸡粪表现出最佳的促进效应, 生物质炭次之, 小麦秸秆无明显影响。采用主成分分析结合相关性分析的方法能够准确反映土壤肥力水平和预测土壤生产力状况, 并可以更直观地比较土壤肥力状况对外源有机物料投入的响应。整体来看, 秸秆和鸡粪表现出不同的土壤培肥效应, 而生物质炭对土壤肥力的提升作用更均衡, 且土壤肥力综合得分最高, 根据土壤养分障碍因子, 生物质炭与合适的有机物料配施是一种更全面的培肥改土措施。

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Effects of combined biochar and organic matter on soil fertility and maize growth*

ZHANG Ying, LIU Xing, JIAO Ruifeng, LI Dongfang, REN Xiujuan, WU Dafu, CHEN Xiling

(College of Resources and Environment Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)

As a new functional material, biochar can increase soil carbon pool, improve soil quality and increase crop yield because of its particulate physical and chemical properties and is thus widely used in agriculture. However, studies on the comparison between biochar and traditional organic matter and their combined application are relatively rare. Thus a pot experiment was conducted to study the effect of the separate application of biochar, straw and chicken manure or their combined application on nutrient status, enzyme activity of soil and maize growth in fluvo-aquic loamy and sandy soils. Principal component analysis and simple correlation analysis were also used to synthetically evaluate the effects of different treatments and to determine the main driving factors of maize growth. All in all, a total of six treatments were conducted: control (CK), biochar (BC), wheat straw (WS), chicken manure (CM), wheat straw plus biochar (WS+BC) and chicken manure plus biochar (CM+BC). The results showed that all treatments increased maize biomass and height in sandy soil, the order of treatments in terms of maize growth was CM+BC = CM > WS+BC, BC > WS > CK, and manure could also increase maize biomass and height in fluvo-aquic loamy soil. Biochar and organic matter increased soil organic matter content, with the former particularly inducing a sharp increase. Different treatments showed different effects on soil nutrients and enzyme activities in both fluvo-aquic loamy and sandy soils. Chicken manure respectively increased soil available N by 22.08% and 26.67%, available P by 91.92% and 53.65%, and urease activity by 40.54% and 36.94% in fluvo-aquic loamy and sandy soils. Biochar respectively increased soil available P by 83.52% and 89.91%, soil available K by 79.38% and 127.02%, and soil catalase activity by 3.41% and 11.22% in the two soil types. Wheat straw respectively increased soil available K by 49.48% and 63.02%, soil β-glucoside enzyme activity by 51.86% and 59.09% in both fluvo-aquic loamy and sandy soils. Overall, combined application of biochar and manure or straw complemented each other and thereby improved more comprehensively soil fertility. Principal component analysis and correlation analysis suggested that maize biomass and height were highly significantly correlated with the second principal component score (PC2), which led to the positive changes in soil N and P pool. Therefore, among the three forms of organic matter, chicken manure influenced soil N and P contents and the related enzyme activities the most. Straw greatly influenced soil K and cellulose degradation-related enzymes, while biochar more evenly enhanced soil fertility which led to the most comprehensive gains in soil fertility. Straw or chicken manure, combined with biochar, more comprehensively improved soil fertility.

Biochar; Organic matter; Maize; Soil fertility; Soil enzyme activity

ZHANG Ying, E-mail: yingzh2014@163.com

Feb. 13, 2017; accepted Mar. 30, 2017

S141

A

1671-3990(2017)09-1287-11

10.13930/j.cnki.cjea.170115

* 河南省科技攻关计划项目(农业领域)(162102110018)资助

2017-02-13

2017-03-30

张影, 主要从事土壤养分循环及调控方面研究。E-mail: yingzh2014@163.com

* This study was supported by the Key Science and Technology Program of Henan Province (Agriculture) (162102110018).

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