隋阳辉 ,高继平,王延波,肖万欣,刘晶,史磊,赵海岩,张洋
1. 辽宁省农业科学院玉米研究所,辽宁 沈阳 110161;2. 沈阳农业大学农学院,辽宁 沈阳 110866
玉米是中国最重要的粮食、饲料和经济作物之一。玉米增产是保障中国粮食、能源安全的关键。在人增地减矛盾日益突出的形势下,人们通过改良玉米品种、配套先进的栽培技术和加大生产投入稳步提高玉米单产。其中,增加氮肥的投入就是有效措施之一(肖焱波等,2005)。然而,在玉米产量大幅度提升的背后,过量且不合理的氮肥投入也带来了氮肥利用率下降、生产成本提高、大气、水体污染等一系列问题,严重影响了玉米生产的可持续发展(郭俊娒,2015;巨晓棠等,2014;张卫峰等,2013)。
生物炭一般指农林废弃物等生物质如作物秸秆、木屑等,在限氧条件下,经热裂解形成的相对稳定的富炭产物(Lehmann et al.,2009;陈温福等,2014)。生物炭具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积和芳香化结构,因此广泛用于农业、环境、能源等领域,同时具有农业资源循环再利用、土壤培肥改良和固碳减排等作用(孟军等,2011)。
目前,中国关于生物炭对土壤养分的研究多数集中在障碍型土壤及贫瘠土壤上(Arif et al.,2017;谢祖彬等,2011)。有研究表明,600 ℃制备的竹炭能够通过离子交换作用吸附铵态氮,并在70 d内累计减少损失率达15.2%(Ding et al.,2010)。还有研究发现,生物炭能够通过吸附作用减少土壤中NO3−的流失,提高作物的利用率(盖霞普等,2015)。随着研究的不断深入,研究人员发现生物炭与化肥配施会起到一定的正向作用(Arif et al.,2017)。Lehmann(2002)研究发现,生物炭与肥料配施的情况下,土壤对NH4+的吸附与固持作用明显增强,水稻对氮肥的利用率显著提高,从而降低了氮肥损失。生物炭配施氮肥的情况下能显著促进红壤上小麦的氮素吸收,进而增加小麦生物量(Van Zwieten et al.,2010)。根系作为营养吸收的主要器官,对生物炭的添加表现出玉米根系表观形态和生理活性增强(蒋健等,2015)。目前生物炭与氮肥配施对玉米根系不同径级生长的研究还相对较少,因此有关生物炭配施氮肥是否引起玉米根系径级分布变化促进玉米地上部生长仍需加强研究。本研究以连作玉米为研究对象,针对玉米生产中根系早衰、旱田养分流失等问题,研究生物炭配施氮肥对玉米不同径级根系生长、干物质积累及土壤养分储存的影响,探讨生物炭配施氮肥优化根系形态的主要因素,为促进化肥精简化施用、优化玉米根系结构提供科学参考。
定位试验开始于 2017年,试验地点位于辽宁省农业科学院沈北新区试验基地(42.0344°N,123.5698°E)。该区域属于北温带大陆性季风气候。年平均气温7.5—8.7 ℃,全年无霜期147—164 d。该地区夏季高温多雨,冬季寒冷干燥。试验地土壤类型为棕壤。试验开始前土壤基本性质如下:pH=6.3,有机质 14.1 g·kg−1,碱解氮 94.7 mg·kg-1,全氮 1.08 g·kg−1,全磷 0.52 g·kg−1,全钾 18.05 g·kg−1,有效磷 27.2 mg·kg−1,速效钾 79 mg·kg−1。
供试玉米品种为郑单958,株型紧凑,是稳产、优质、广适的玉米品种。试验用生物炭以玉米秸秆为原材料,在450 ℃缺氧条件下热裂解产生,再加工处理形成直径2 mm的颗粒(辽宁省金和福农业开发有限公司提供),碳和氮含量分别为 46.6%和1.21%,pH值为9.2。生物炭的制备参照Sui et al.(2016)的方法,出炭率约为35%。
大田试验采用随机区组设计,设置7个处理:对照(不施氮、不施炭,CK),常规施氮量(N 225 kg·hm−2,N1),减氮 10%(N 203 kg·hm−2,N2),低量生物炭配施常规施氮量(生物炭8.4 t·hm−2配施氮肥 (N 225 kg·hm−2),C1+N1),低量生物炭配施减氮 10%(生物炭 8.4 t·hm−2配施氮肥 203 kg N·hm−2,C1+N2),高量生物炭配施常规施氮量(生物炭 21 t·hm−2配施氮肥 N 225 kg·hm−2,C2+N1),高量生物炭配施减氮10%(生物炭21 t·hm−2配施氮肥 (N 203 kg·hm−2),C2+N2)。所有处理均正常施用 P、K肥,其中 P肥施过磷酸钙(P2O5120 kg·hm−2),K 肥施氯化钾(K2O 90 kg·hm−2)。生物炭于播前按每个小区不同用量人工撒于地表,均匀旋入土10 cm左右。氮磷钾肥于播前全部作为基肥一次性施入土壤。每个处理设3次重复,21个小区,每小区面积57.6 m2(6 m×9.6 m)。为研究生物炭配施氮肥的后效作用,故本试验只采集了生物炭施用后第二年的数据。
1.4.1 土壤化学性状
播种前及收获期随机选取各处理0—20 cm耕层土壤,按五点法采集,混匀后立即带回实验室,去除杂质,经自然风干,研磨后过100目筛,按照土壤农化分析常规方法(鲍士旦,2000)测定土壤基本化学性质。分别用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量;用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量;用元素分析仪(German Elementar Company,2003)测定土壤全氮、全碳含量;用0.5 mol·L−1NaHCO3浸提‒分光光度计比色法测定土壤有效磷含量。
1.4.2 玉米根系生长和形态测定
玉米大喇叭口期/成熟期采用原位取样法,取长×宽×高为 60 cm×30 cm×60 cm的土体(如图 1),取2株相邻的玉米为一次重复,每小区取6株作为3次重复。将根系与土壤分开,用去离子水清洗干净,放于自封袋中;使用根系扫描仪 Epson Expression 110000XL对根系进行图像采集,然后使用WinRhizo软件对图像进行分析,主要包括根总长、根体积、根表面积、根直径等指标。并按根系直径等级(<2 mm,2—3 mm,3—4 mm,>4 mm)进行系统分析。扫描后将每一个样品装入纸袋在105 ℃下杀青30 min,85 ℃下烘干至恒质量。
图1 原位取根Fig. 1 Root sampling in situ
采用Excel 2019和SPSS 17.0统计软件进行数据统计,采用 Duncan新复极差法进行双因素方差分析,并用OriginPro 8.5进行绘图。
由表1可知,与对照相比,单一施肥处理(N1C0和 N2C0)显著提高有机质含量,且 N1C0显著高于N2C0;常规施氮水平(N1)下添加生物炭,随着施炭量增加,土壤有机质含量显著降低;减氮条件配施高量生物炭处理N2C2的土壤有机质含量显著高于对照(P˂0.05)。与常规施氮处理相比,减氮处理或配施生物炭处理对土壤有机质的影响均显著降低。单一施肥(N1C0和N2C0)或配施生物炭处理的土壤碱解氮含量均显著高于对照,其中单一施氮肥N1C0和N2C0的土壤碱解氮含量较对照分别增加为9.43%和13.55%;常规施氮水平(N1)下,随着生物炭施用量增加,土壤碱解氮含量升高;相同生物炭量下,随着氮肥减少,土壤碱解氮含量降低;氮肥配施生物炭处理的土壤碱解氮含量较对照增幅为6.11%—29.86%。与常规施氮处理相比,减氮配施高量生物炭处理显著提高土壤碱解氮含量(P˂0.05),且提高18.68%。与对照相比,单施氮肥显著提高土壤有效磷含量;常规施氮配施少量生物炭(N1C1)与对照相比,提高土壤有效磷含量41.7%;相同氮水平下,随着施炭量增加土壤有效磷含量反而降低。
常规氮肥配施生物炭处理的土壤全氮含量随着生物炭量的增加而显著提高(P˂0.05),减氮条件下配施低量生物炭处理的全氮含量最高,达 1.13 mg·g−1,高于对照(0.91 mg·g−1)24.1%。就土壤全碳含量而言,氮肥配施生物炭能显著提高土壤全碳含量,并随生物炭量增加而提高。进一步分析土壤碳氮比,氮肥配施生物炭显著降低土壤碳氮比(表1)。
表1 生物炭与氮肥配施对收获期(0—20 cm)耕层土壤常规养分的影响Table 1 Effect of biochar combined with nitrogen fertilizer on topsoil (0–20 cm) nutrient
如图2所示,大喇叭口期与成熟期,玉米根系指标对生物炭配施氮肥的响应不一致。与对照(CK)相比,大喇叭口期,单施氮肥或与生物炭配施处理增加玉米根系直径、根长、根表面积和根体积。其中,N1C1处理显著增加根直径;N2C1处理显著增加根长;N1C1和N2C1处理显著增加根表面积;N1C1处理显著增加根体积。成熟期时,与对照(CK)相比只有氮肥配施生物炭N1C1处理根直径显著降低;单施氮肥N1C0或配施生物炭N1C1处理显著增加根长,其中N1C1处理根长最长,达9486.08 cm,比对照提高32.4%。根表面积与根长的表现相似,单施氮肥N1C0或配施生物炭N1C1处理显著增加根表面积,其中单施氮肥N1C0处理的根表面积最高,达2666.93 cm2。单施氮肥N1C0处理的根体积相比其他处理最高。从大喇叭口期到成熟期,根系形态指标相对变化值各不相同。其中,氮肥配施生物炭N1C1处理对根直径、根长、根体积的相对变化最大;N1C2和N2C2处理对根长、根表面积、根体积的相对变化最小。
图2 生物炭与氮肥配施对玉米根系生长的影响Fig. 2 Effects of biochar combined with nitrogen fertilizer on maize root develop
为了探明炭氮配施对玉米不同粗细级别根系生长的影响,按照根系直径大小,将玉米根系划分为0—2、2—3、3—4、>4 mm 4个级别,并对不同径级的根长特性进行了统计分析(表2)。由表2可知,大喇叭口期,单施氮肥或配施生物炭处理均增加玉米根系各径级的根长。N1水平下,根系各径级(除D>4 mm)的根长均随着生物炭量的增加而降低;减氮10%水平(N2),只有根系径级3—4、>4 mm的根长随生物炭量的增加而降低。与对照相比,N2C1处理显著增加0—2、2—3根系径级的根长约38.9%和82.5%。与对照相比,成熟期常规施氮或配施低量生物炭处理均显著提高 0—2 mm径级根系的总根长26.0%和37.9%;但是,减氮配施高量生物炭显著降低0—2 mm根系的总根长。单施氮肥或配施生物炭对2—3、3—4径级的根长无显著影响;只有常规施氮处理显著增加根系直径>4 mm的根长,提高约40.5%。
表2 生物炭与氮肥配施对玉米根系径级分布的影响Table 2 Effect of biochar combined with nitrogen fertilizer on maize root diameter class distribution
比根长指(SRL,m·g−1)是指单位根生物量的根长,这一特性体现了根系的经济特性。研究认为<2 mm的细根对水分和养分吸收有重要作用,因此本研究选取0—2 mm的细根计算比根长。如表3所示,与对照相比,大喇叭口期,单施氮肥或配施生物炭处理降低比根长,但差异不显著。成熟期,除常规施氮外,其他处理提高了比根长(P>0.05),其中N1C1处理较CK提高17.6%。从整个生育期来看,N1C1和N2C1处理的比根长变化最大。从玉米单株干物质来看,与 CK相比,N1C1和 N2C1处理显著增加大喇叭口期玉米单株干物质;而成熟期,仅有N1C0处理显著增加单株干物质,其他处理差异不显著。单施氮肥或配施生物炭处理均对玉米根冠比无显著影响。
表3 生物炭与氮肥配施对玉米对根冠生长的影响Table 3 Effects of biochar combined with nitrogen fertilizer on the growth of shoot and roots
土壤养分不仅是供给作物生长的养料,其含量状况还是耕地土壤肥力的重要标志(高祥照等,2000)。玉米生长过程中,需要大量的营养元素,其中以氮、磷、钾为主,氮素对作物产量更是起到关键作用(赵兰坡等,2006)。外施氮肥常常作为增加土壤养分有效性、提高产量的有效方法(Sanchez et al.,1983)。研究表明,生物炭可以改变土壤对氮素的截留与转化(Wang et al.,2020),进而提高土壤氮素的有效性(刘悦等,2017)。虽然,生物炭自身并不提供重要的营养元素,但它能长期滞留在土壤中并有效的增强对 NH4+、K+和Mg2+的吸附作用(Lee et al.,2018;Yu et al.,2020)。孟繁昊等(2018)通过对内蒙古东、西部2点试验发现,生物炭和氮肥配施可显著提高土壤有机碳、全氮含量,进而改变土壤碳氮比。在本研究中,单纯减氮或配施生物炭与常规施氮量相比,均显著降低土壤有机质含量的7.2%—24.2%,可能是由于生物炭加快土壤系统中有机质的分解(刘赛男等,2019)。土壤碱解氮能够表征短期内土壤的供氮能力。与对照相比,常规施氮或配施生物炭显著提高土壤碱解氮的6.1%—29.9%、全氮的9.9%—24.2%和全碳含量的 12.6%—15.2%,尤其与常规氮量相比,配施生物炭仍提高土壤碱解氮2.9%—18.7%、全氮9%—13%、全碳19.4%—22.2%。本研究结果与孟繁昊等(2020)的研究结果类似。可能与生物炭具有稳定的芳香烃结构和丰富的孔隙结构有关。这一结构特点能促进农田土壤碳素封存,吸附更多的铵离子,减少氮素流失,进而提高土壤全氮含量(Lehmann et al.,2003;尚杰等,2016;战秀梅等,2015)。包立等(2018)对大棚土壤添加生物炭的研究发现,施用生物炭能提高大棚土壤有效磷含量,这与本研究结果不一致。本研究表明,氮肥配施生物炭与单纯施氮肥相比,土壤有效磷含量显著降低。可能是与生物炭制备条件(Gao et al.,2019;朱艳等,2020)和制备原材料(孙宁婷等,2021)有关。朱艳等(2020)对不同炭化温度的改性生物炭吸附性能进行研究,对比发现热裂解温度是影响磷吸附性能的主要因素,不同炭化温度制备的生物炭对磷吸附性能差异较大。而不同生物炭种类对磷流失的影响不同,秸秆炭比竹炭对减少全磷流失效果更好(孙宁婷等,2021)。另外,Jin et al.(2019)通过5年的大田试验研究认为,生物炭配施氮肥对土壤养分的作用效力随着时间的推移而减弱,这可能本研究有效磷含量降低的另一个原因。
根系作为植物与土壤之间的“桥梁”,是吸收养分最主要的器官,还是与生物炭接触最密切的部位。根系的生长、发育对植物地上部的生长具有很大的调控作用(Barberon et al.,2014),而根的发育也反映了局部土壤养分状态(Moller et al.,2011)。程效义等(2016)研究表明,生物炭配施氮肥可改良土壤结构、增加养分,进而促进玉米灌浆期根系生长。而本研究表明,不同生育时期玉米根系对生物炭的响应不一致。大喇叭口期,与常规氮肥相比,低量生物炭配施氮肥提高了根直径,减氮10%配施低量生物炭促进根长生长,但差异不显著。成熟期与常规氮肥相比,常规氮肥配施低量生物炭促进玉米根长生长,但差异不显著;氮肥配施生物炭均显著降低根系表面积和根体积。说明常规氮肥配施低量生物炭能延缓玉米细根衰老,这与蒋健等(2015)的结果相似。朱倩等(2019)认为,生物炭对大豆根系发育的影响主要是促进了细根(<0.5 mm)的伸长和增长。本研究中,与常规氮肥相比,配施低量生物炭显著提高玉米成熟期0—2 mm径级根系的总根长,提高约9.4%。Kim et al.(2016)研究发现,5%(w/w)生物炭添加量配施化肥显著提高玉米干重。本研究结果与Kim et al.(2016)的结果不完全一致,本研究发现,低量生物炭配施氮肥显著增加营养生长期玉米单株干物质积累,但对成熟期单株玉米干重影响不显著。究其原因,可能与土壤类型或生物炭属性有关。还有研究认为,生物炭对玉米生长的影响与土壤的初始 pH值有关。当生物炭添加到土壤pH值为4.8—5.0的粘质土/砂质土时,玉米生物量显著增加;当添加到土壤pH值4.8以下时,生物炭对玉米生长的影响不显著(Pan et al.,2020)。
与常规氮肥相比,配施低量生物炭可促使成熟期玉米根系变细,提高0—2 mm径级根系的根长;配施高量生物炭可提高土壤碱解氮含量。与减氮10%相比,配施低量生物炭可促进营养生长期0—3 mm径级根系生长。低量生物炭配施常规氮肥可提高营养生长期玉米单株干物质积累。因此,推荐8.4 t·hm−2生物炭配施225 kg·hm−2氮肥可作为沈阳地区适宜玉米植株生长的生物炭施用量。