生物炭配施化肥对土壤理化性质、氮素利用率和玉米产量的影响

杨浩鹏，李飞跃*，索改弟，赵建荣，汪建飞，任兰天,3

(1.安徽科技学院 资源与环境学院，安徽 凤阳 233100;2.生物炭与农田土壤污染防治安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233400;3.安徽科技学院 农学院，安徽 凤阳 233100)

随着农业的发展,我国农业对化肥的需求量逐年增加[1]。从1980-2014年的30多年间,化肥用量从1 269.4万t增长到5 995.9万t[2]。目前我国农业生产中存在氮肥施用量普遍过高、利用率低下、养分流失、资源浪费等现象[3]。2015年国务院、农业部先后出台了《关于加快转变农业发展方式的意见》《全国农业可持续发展规划(2015-2030)》《到2020年化肥使用量零增长行动方案》等文件,力争到2020年实现“一控两减三基本”。因而,化肥减量增效成为农业发展亟需解决的问题[4-5]。生物炭是生物质在缺氧条件下高温热解后的产物,其多呈碱性[6],富含有机碳且具有多孔结构[7],还有巨大的比表面积[8]。生物炭施入土壤会改善土壤结构[9-10],增强土壤保水保肥能力[11-12]。

生物炭还田能够改善土壤理化性质,提高作物产量[13]。房彬等[14]研究表明,生物炭可以降低土壤容重、提高土壤pH、有机质含量等。韩翠莲等[15]发现生物炭施入土壤后能提高土壤养分含量及玉米产量。张爱平等认为单施生物炭虽然能改善土壤质量,但是并不能使作物表现出增产效果,甚至会造成减产[16-17]。此外,生物炭配合化肥施用,可达到作物增产[18]、肥料合理释放的效果[19-20]。然而,生物炭配施化肥对土壤环境及作物产量的影响,受到生物炭类型、土壤类型及生物炭化肥配施比等多重因素的影响,仍需要开展相关试验研究为生物炭配施化肥的高效利用提供理论数据支持。

为此,本研究以稻壳生物炭及其配施不同比例化肥处理对玉米产量、土壤理化性质及氮素利用率的影响为目的进行试验,为生物炭配施化肥应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区域与材料

试验地点位于安徽省滁州市凤阳县大庙镇东陵村,该区域属北亚热带湿润季风气候,年均气温14.9 ℃,年降雨量904.4 mm。试验地0～20 cm土壤pH值为5.9、有机质含量11.45 g/kg、全氮含量1.4 g/kg、碱解氮129.80 mg/kg、速效磷32.39 mg/kg、速效钾41.6 mg/kg。

供试玉米品种为裕丰303,试验所用生物炭来源于阜阳海泉风雷新能源发电股份有限公司气化多联产产物,基本理化性质为pH值10.11,有机碳468 g/kg,全氮5.2 g/kg,C/N为90,比表面积为229 m2/g。供试化肥为[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=20∶13∶12]。追肥所用的化肥为尿素,其含氮量为46%。

1.2 试验设计

采取单因素随机区组试验,设6个不同处理:不施肥不施炭空白(CK)、100%常规施肥(CK0)、单施生物炭20 t/hm2(BC)、20 t/hm2生物炭与60%、80%、100%常规化肥配施分别记为BC60、BC80、BC100,详细方案见表1,生物炭按量撒施后旋耕均匀。试验小区面积为20 m2(5 m×4 m),小区随机排列,每处理3次重复。玉米出苗后定植54 000株/hm2。在玉米拔节期进行追肥。其他管理同当地常规管理。

表1 试验设计方案Table 1 Experimental design scheme

1.3 样品采集及分析

土壤样品在作物收获后分别用五点法采集表层20 cm的土样。土壤样品采集后阴凉处风干。参照土壤农化分析测定土壤中pH、有机质和全氮[21]。

植株样品在收获时采集,每个小区采集5株有代表性的植株,剩下的玉米在地平处收割,称量小区总鲜重。采集后的样品于105 ℃杀青30 min, 80 ℃烘至恒重,称量干重,计算含水率。秸秆和玉米籽粒分别磨碎后过0.25～0.5 mm筛备用。植株氮、磷和钾参照土壤农化分析测定[21]。

1.4 数据处理与分析

玉米氮素积累量等指标计算方法参照李孝良等[22]。

玉米氮素积累量(kg/hm2)=(秸秆氮含量×秸秆产量)+(玉米氮含量×玉米产量)；

化肥氮利用率(%)=(施氮处理植株氮积累量-对照处理植株氮积累量)/化肥氮施用量×100；

化肥氮偏生产力(kg/kg)=施氮处理作物产量/施氮量；

化肥氮农学利用率(kg/kg)=(施氮处理籽粒产量-对照处理籽粒产量)/施氮量；

100 kg籽粒产量养分(N、P2O5、K2O)吸收量(kg)=100×玉米养分(N、P2O5、K2O)积累量/玉米产量。

试验所得数据均采用SPSS19.0进行单因素方差分析,Duncan多重比较判断不同处理差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物炭与化肥配施对土壤理化性质的影响

由表2可知,生物炭配施化肥能提高土壤pH,BC处理对土壤pH提高幅度最大,比CK提高0.36个单位。与CK相比,BC和BC60处理会降低了土壤全氮含量,降低幅度为7.56%～19.33%;BC会降低土壤碱解氮含量,降低了8.16%。与CK0相比,BC80土壤全氮含量提高0.19 g/kg;BC100处理土壤全氮含量提高0.69 g/kg;生物炭配施化肥处理会提高土壤碱解氮和速效磷的含量,提高幅度为4.75%～21.38%和4.63%～13.10%;BC60、BC80、BC100处理显著提高土壤有机质含量,提高幅度为18.17%～23.36%;同时显著提高土壤速效钾含量,提高了9.55%～17.00%

表2 生物炭配施化肥对土壤理化性质的影响Table 2 Effect of biochar combined with chemical fertilizer on soil physical and chemical properties

2.2 生物炭与化肥配施对玉米产量和养分吸收的影响

由表3可知,生物炭配施化肥能显著提高玉米百粒重,与CK0相比,BC60、BC80、BC100处理分别提高百粒重幅度为1.76%～2.57%;BC60处理玉米产量有所下降,下降幅度达4.68%; BC80处理玉米产量基本持平;BC60、BC80、BC100处理形成100 kg籽粒所需N含量下降5.50%～23.31%,所需K2O含量下降6.44%～26.78%;BC100处理能显著提高玉米产量,增幅达5.99%。

表3 生物炭配施化肥对玉米产量和养分吸收的影响Table 3 Effect of the combination of chemical fertilizer with biochar on maize field and N utilization efficiency

2.3 生物炭与化肥配施对氮素利用率的影响

由表4可知,与CK0相比,BC60、BC80处理氮吸收总量降低幅度为9.67%～19.82%;BC60、BC80处理的氮素利用率分别降低了22.02%、10.18%。生物炭与化肥配施能显著提高化肥氮农学利用率和化肥氮偏生产力,与CK0相比,BC100处理对化肥氮农学利用率提高最显著,达到35.25%;BC60对化肥氮偏生产力提高最显著,达到59.24%。

表4 生物炭配施化肥对玉米氮素利用效率的影响Table 4 Effects of biochar combined with fertilizer on nitrogen use efficiency of maize

3 结论与讨论

3.1 生物炭配施化肥对土壤理化性质的影响

本试验中生物炭与化肥配施能使土壤pH提高0.59～0.65。Yuan等[23]在酸性土壤上的试验也表明生物炭可以提高土壤pH。生物炭酸碱性与原材料及制备工艺有关,生物炭灰分中丰富的钙、镁矿质元素及碳酸盐等物质在土壤中分解后能显著提高土壤pH[24]。生物炭对土壤有机质的影响取决于多种因素,首先生物炭自身含碳量高,施入土壤后能提高土壤有机物含量[25],其次,生物炭比表面积巨大,其吸附的有机小分子,能在其表面催化形成新的有机物[26],此外,生物炭还能通过促进分解腐殖酸,形成土壤有机质[27]。

土壤全氮及有效氮含量是影响作物产量最重要的因素之一。生物炭本身含氮量不高,但其与化肥配施后,能通过自身的吸附作用固定化肥中的氮素。同时,生物炭也可以延缓氮素在土壤中的释放速度,延长肥效[28]。崔虎等[29]研究表明,生物炭与无机肥配施后,在水稻成熟期,田面水中氮磷的含量显著高于单施无机肥处理。周志红等[30]在紫色土和钙土上的研究发现,50 t/hm2生物炭施入土壤后明显减少了土壤氮素流失,分别降低紫色土和钙土41%和29%的氮素流失量。何绪生等[31]人认为生物炭能减少氮素流失是因为生物炭对氮素的吸持作用。

土壤速效磷和速效钾含量也是与作物产量有关的因素。本试验发现,生物炭与化肥配施可提高土壤速效磷和速效钾的含量,Zwieten等[32]发现10 kg/hm2生物炭可以提高沙土速效磷含量。生物炭热解后,磷钾等矿质元素会发生富集,并大部分以可溶态存在[33]。生物炭施入土壤之后,可提高微生物的活性,促进有机磷和无机磷的矿化和溶解,从而使磷素易被作物吸收[34]。生物炭中可溶态磷钾元素释放到土壤中,为土壤提供养分,同时,由于生物炭的多孔结构和巨大的比表面积,肥料中释放的磷酸盐能被生物炭吸附固定。

3.2 生物炭配施化肥对玉米产量和养分吸收的影响

生物炭配施80%化肥与单施化肥产量相差不明显,表明在本试验基础条件下生物炭能替代20%化肥氮。宋大利等研究表明,相比于单施150 kg/hm2化肥处理,7.5 t/hm2生物炭配施150 kg/hm2化肥能使玉米增产24.1%。这是由于生物炭比表面积巨大,密度小,能显著降低土壤容重,提高土壤透气性。提高肥料有效性,改善土壤水肥气热状况,为植物根系生长提供良好条件。生物炭与化肥配施能提高作物对磷素的吸收,降低对氮素的吸收比例,同时,相比于单施生物炭处理,BC60处理还降低了氮素吸收总量。这是由于生物炭施入土壤后提高土壤C/N,降低土壤养分有效性尤其是氮素有效性。

3.3 生物炭与化肥配施对氮素利用率的影响

本试验发现生物炭与化肥配施会提高氮素利用率,且随着化肥配施比例的提高,氮素利用率也逐渐提高。但生物炭配施低比例的化肥时,氮素利用率要低于单施化肥处理。原因可能是当化肥比例低时,土壤的C/N高,此时不利于土壤中有机氮的矿化,降低土壤中氮素的有效含量。生物炭提高氮素利用率得益于生物炭自身的多孔结构和提高土壤阳离子交换能力。同时生物炭施用能促进土壤中硝化过程,提高土壤中硝态氮含量,生物炭的多孔结构能吸附有机氮矿化释放的硝态氮,保证养分的长期有效性。

综上所述,生物炭配施化肥后能显著改善土壤理化性质,可使pH和有机质分别提高11.19%～12.64%和18.17%～23.36%。生物炭与80%的化肥配施可使玉米不减产,说明在本试验条件下,生物炭可以替代20%的化肥。