逐年全量秸稈炭化還田對水稻產量和土壤養分的影響

排油煙機清洗 / 為探究逐年全量秸稈生物質炭化還田模式對水稻產量及土壤養分的影響,在浙北一處中產單季稻田連續開展4 年(2013-2016)的田間試驗。試驗包含三個處理:CK:對照(無任何水稻秸稈或生物質炭還田);RS:水稻秸稈全量還田(8 t.hm-2.a-1);RSB:全量水稻秸稈炭化還田(2.8 t.hm-2.a-1)。收獲期測定水稻株高、籽粒產量、土壤pH、陽離子交換量(CEC)、總碳(TC)、總氮(TN)、有效態營養元素P、K、Ca、Mg、Zn、Al、Fe和Mn 含量,並在此基礎上探究全量秸稈炭化還田對水稻產量和土壤養分的影響機制。結果表明:RSB 能顯著提高水稻株高和籽粒產量(P<0.05),且增幅大於RS;RSB 能明顯提高土壤TC、TN、有效態P、K、Ca、Mg 含量,降低過量有效態Al、Fe、Mn 含量;RSB 對土壤養分的提高更大程度上是由於秸稈生物質炭間接增強瞭土壤C、N 元素及速效養分的累積;RSB 增產的關鍵因素是土壤TC、TN、有效態K、Mg 含量的提高以及有效態Al 含量的降低。逐年全量秸稈生物質炭化還田持續增產增肥效果顯著,是稻田生態系統極具潛力的秸稈資源利用模式。前 言中國是世界上水稻種植面積最廣的國傢,每年產生的水稻秸稈量高達2 億多t。水稻秸稈富含氮、磷、鉀等營養元素,被認為是一種豐富的可再生資源。農業農村部推廣的秸稈直接還田雖能促進養分循環、減少化肥施用、提升農作物產量,然而也會促進稻田溫室氣體甲烷的大量排放,長期還田還會導致稻田病蟲害以及僵苗等現象發生。生物質炭(Biochar)是生物質在缺氧條件下低溫熱解產生的高度芳香化物質,具有高pH、高碳含量與較強的陽離子交換能力、較大的比表面積和豐富的營養元素含量等優良特性,目前越來越多地被應用於土壤改良和作物增產。研究發現,水稻秸稈生物質炭化還田具有提高水稻產量、提升土壤碳庫儲備以及減少稻田溫室氣體排放等作用,是替代秸稈直接還田的理想措施。然而關於水稻秸稈生物質炭化還田對水稻產量和土壤養分的影響研究基本采用一次性、高劑量(高於等劑量,等劑量=秸稈產量×炭化得率)的還田模式,未曾有單季稻作制下,連續的等量水稻秸稈炭化還田對水稻產量和土壤養分的影響研究。而且,在一次性高劑量還田模式下,水稻秸稈生物質炭對水稻產量的提高會隨著還田時間的延長而減弱。此外,受水稻生長季節性、單位面積秸稈產量和秸稈生物質炭化得率等因素的限制,生產實踐過程中稻田不可能普遍實施基於秸稈資源異位轉移方式的高劑量炭化還田模式。因此,若在稻田生態系統中采用逐年全量秸稈生物質炭化還田模式,即逐年將產生的水稻秸稈生物質全量炭化後原位還田,既能實現秸稈資源的完全利用,又能不斷向稻田補充生物質炭,維持其營養水平,理論上將比一次性高劑量還田模式更有應用前景。為探究逐年全量秸稈生物質炭化還田模式在實際生產中對稻田增產和土壤改良的持續效應,本文擬選擇浙江省北部一處多年種植單季稻的中產稻田進行4 年的定位試驗,每年定期測定水稻株高和籽粒產量及土壤pH、CEC、TC、TN、有效態P、K、Ca、Mg 等營養元素含量,並在此基礎上探究秸稈生物質炭對土壤養分和水稻產量的影響機理,旨在為我國開發和應用秸稈炭化還田技術提供理論和實踐依據。1 材料和方法1.1試驗地概況和實驗材料選擇浙江省杭州市餘杭區(30°22′N,119°51′E)一處多年種植單季稻的水田作為試驗田,根據中國土壤數據庫的分類,試驗田土種是泥質田,以黏壤土為主。氣候為典型的亞熱帶季風氣候,年平均氣溫17.2 ℃,年均降雨量1490 mm。本實驗所采用的生物質炭是以水稻秸稈為原料,切碎至粒徑5 mm 後經自制的自燃內熱式炭化爐在450~500 ℃下高溫裂解2 h 制成。實驗采用的土壤、水稻秸稈和秸稈生物質炭的基本理化性質如表 1 所示。1.2試驗準備和設計試驗期為2013 年7 月至2016 年11 月,采用水稻單季的種植方式,每年水稻7 月初移栽,11 月底收獲。共設三個處理:CK排油煙機清潔 /:對照(無任何水稻秸稈和生物質炭還田);RS:水稻秸稈全量還田(8 t.hm-2);RSB:全量秸稈生物質炭化還田[2.8 t.hm-2水稻秸稈生物質炭=8 t.hm-2 水稻秸稈×0.35(炭化爐炭化得率)]。每個處理設置3 個重復區塊,共計9 個區塊,每個區塊的面積是:4 m×5 m=20 m2。在每年耕種前對各區塊修建田埂,並用薄膜包被,防止串水。切碎後的秸稈(5 mm)和秸稈生物質炭在每年水稻移栽前分別施入耕作層(15 cm),常規翻土混勻後淹水。水稻品種為粳稻秀水134(Oryza sativaL),采用秧苗移栽的方式,控制每個區塊秧苗數量一致。稻田采用前期淹水,後期澇幹的常規管理方式。各處理按照傳統施肥方法施加等量化肥,分別是氮肥(以純N 計)270 kg.hm-2,磷肥(以P2O5計)75 kg.hm-2,鉀肥(以K2O計)90 kg.hm-2。其中氮肥類型為尿素,以基肥、分蘗肥和穗肥按照4:3:3 的比例輸入。磷肥和鉀肥為過磷酸鈣和氯化鉀,以基肥的形式一次性施入。1.3試驗樣品的采集、處理及指標測定在2013―2016 年期間,每年收獲期測定水稻株高和籽粒產量。在每個小區內隨機取6 株水稻測量株高,實測每個小區內所有水稻植株的籽粒產量並換算成每公頃產量。同時,采集根際土壤,自然條件下風幹後過2 mm 篩,裝入塑封袋用於pH、CEC 及有效態P、K、Ca、Mg、Zn、Fe、Al 和Mn(以下簡稱M3-P、K等)等營養元素的測定。其中,采用pH 電位計(Seven Compact,METTLER TOLEDO,Switzerland)測定土壤pH(土:水質量體積比為1:2.5);土壤和秸稈生物質炭的CEC 采用氯化鋇平衡法測得,有效態營養元素采用Mehlich3 提取液提取,電感耦合等離子發射光譜儀(ICP)和鉬銻抗比色法測定,具體測量方法參照文獻[8]。此外,將風幹土磨細過100目篩後采用元素分析儀(Flash EA1112,ThermoFinnigan,Italy)測定TC、TN含量。1.4數據處理和分析數據經Excel 2013 預處理後用SPSS 20.0 單因素方差分析(One-way ANOVA)中的最小顯著性差異法(LSD)分析進行處理間各項指標的顯著性差異檢驗,P<0.05 視為統計學上具有顯著性差異。運用SPSS 20.0 軟件對水稻四年平均產量、pH、CEC 和土壤養分含量進行Pearson 相關性分析。2 結果與分析2.1對水稻株高和籽粒產量的影響從表 2 可看出,與CK 相比,RSB 和RS 均能促進水稻生長和產量的提高(P<0.05),其中RSB 第一年增產7.6%,第二年增產10.6%,第三、第四年分別增產14.5%和9.7%,平均每年增產10.7%。RS 第1~4 年分別增產5.2%、10.5%、15.5%、7.0%,平均每年增產9.6%。除瞭2015 年,其他年份RSB 對株高和產量的增幅均大於RS。2.2對稻田土壤pH 和CEC 的影響土壤pH 和CEC 是重要的土壤化學指標,pH 可以影響土壤養分元素的形態,CEC 可以評價土壤保肥能力。與CK 相比,RSB 和RS 對pH 平均每年增加0.13 和0.04 個單位,對CEC 平均增加0.14、0.07 cmol.kg-1(表 3)。由於添加量小,土壤酸性強,緩沖作用大,RSB 對土壤pH 的影響並不顯著。2.3對稻田土壤TC 和TN 的影響2013―2016 年,RSB 和RS 均能持續提高稻田土壤TC 含量(圖 1),其中RSB 第1~4 年的增幅分別為6.91%、15.23%、12.69%、27.89%,RS 第1~4 年的增幅分別為10.68%、10.84%、12.28%、15.18%。4 年內,RSB 和RS 對土壤TC 含量的年均增量分別為3.05 g. kg-1和2.50 g . kg-1,年均增幅分別為15.77%和11.81%。而在試驗持續第4 年,RSB 的土壤TC 含量從第一年的22.51 g.kg-抽油煙機清潔 /1提升到瞭27.78 g.kg-1,已顯著高於CK 與RS(P<0.05),因此從4 年的綜合效應來看,RSB 的累積作用比RS 更明顯。同樣,RSB 和RS 也能持續提高稻田土壤TN 含量(圖 1),4 年內RSB 和RS 對土壤TN 含量的年均增量分別為0.13 g.kg-1和0.24 g.kg-1,年均增幅分別為5.12%和9.24%,小於土壤TC 的增幅。此外,從4 年的綜合效應來看,RSB 和RS 可以實現土壤TN 的顯著累積(P<0.05),第4 年RSB 和RS 與CK 相比分別增加瞭8.56%和12.58%。2.4對稻田土壤有效態營養元素含量的影響P、K、Ca、Mg、Zn、Fe 和Mn 是植物生長的必需營養元素,但是土壤Fe 和Mn 元素過量會對水稻產生毒害作用,而Al 是酸性土壤中抑制植物生長的主要因素之一。因此,土壤速效養分的豐缺程度與水稻產量息息相關。由圖 2 可知,與CK 相比,RSB 和RS 均能持續提高土壤M3-P、K、Mg、Ca 含量,RSB 和RS 對M3-P、K、Mg、Ca 平均增幅分別為40.0%、37.0%、5.6%、3.7%和48.1%、31.2%、4.4%、2.4%。但是,RSB 和RS 對某些土壤營養元素含量的影響程度存在差異。比如,在試驗第4 年,RSB 的M3-K、Ca 含量顯著高於RS(P<0.05)。此外,與CK 相比,RSB 能夠顯著降低土壤M3- Al、Fe、Mn 含量(P<0.05)。RSB 在試驗第3 年顯著降低瞭M3-Al 含量(P<0.05),在試驗第2 年顯著降低瞭M3-Fe、Mn 含量(P<0.05)。與RS 相比,RSB 在試驗第1 年顯著降低瞭M3-Al 含量(P<0.05)。3 討 論3.1全量秸稈炭化還田對土壤養分的影響及其機理4 年田間試驗表明,RSB 能明顯提高土壤TC、TN(圖 1)、有效態P、K、Ca、Mg 含量(圖 2)。秸稈生物質炭還田對土壤養分的提高作用,可能有以下兩方面的原因:一是秸稈生物質炭直接輸入導致其攜帶的養分進入土壤,二是秸稈生物質炭本身促進瞭土壤養分的累積。為考察秸稈生物質炭對土壤養分的影響機理,假設試驗土壤容重為1.0 g.cm-3,耕層土厚度為15 cm。按照全量秸稈生物質炭還田量2.8 t.hm-2可估算出RSB 每年向土壤中添加的TC、TN 分別為1.00 g.kg-1和0.02 g.kg-1,添加的M3-P、K、Mg、Ca 分別為2.24、6.16、2.99 mg.kg-1和6.16 mg.kg-1。由圖 1 和圖 2 可知,RSB 對土壤TC、TN 的增量分別為3.05 g.kg-1和0.13 g.kg-1,對M3-P、K、Ca、Mg 的增量分別為4.66、21.61、10.29、36.80 mg.kg-1。秸稈生物質炭自身攜帶的TC、TN 和速效P、K、Ca、Mg 對土壤養分的增加貢獻率分別為30.3%、15.3%、48.07%、28.50%、29.06%、16.74%,均不足50%。這表明,土壤養分的提高更大程度上是由於秸稈生物質炭間接增強瞭土壤碳氮元素及速效養分的累積。目前,已有大量文獻報道瞭生物質炭輸入對土壤有機碳形成負激發效應。其機理可能為:(1)生物質炭與黏土礦物結合,提高土壤團聚體穩定性,減緩有機質的分解;(2)生物質炭改變微生物群落結構,使微生物碳代謝效率降低。此外,4 年的定位試驗表明秸稈生物質炭添加能夠促進水稻生長(表 2),因此推測水稻根系向土壤分泌的“新碳”增多。考慮到本試驗中土壤M3-Al、Fe 含量豐富(圖 2),這些“新碳”會受到土壤團聚體的保護形成鐵鋁氧化物結合態而穩定下來。值得註意的是,RS 雖然同樣能夠促進土壤TC 的累積,但是累積效果卻不如RSB。這可能是因為,秸稈中大分子有機物在土壤中易腐解成小分子有機物,進而被微生物降解轉化為CH4和CO2,排放到大氣中。但是,秸稈生物質炭的碳以穩定的芳環結構存在,不易礦化。同時,一些文獻表明,生物質炭洗抽油煙機 /主要是通過提高土壤對銨氮的吸附能力,減少稻田氧化亞氮排放和氨揮發,增加土壤固氮微生物種類和數量來促進土壤氮素的固定。關於生物質炭本身提高土壤速效養分P、K、Ca、Mg 含量的機理可能是:(1)秸稈生物質炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結構以及大量帶負電荷的-COOH、-COH、-OH 等含氧官能團,能吸附土壤營養元素、提高土壤持水性,從而減少養分流失;(2)添加生物質炭影響瞭土壤微生物對養分的循環過程,促進土壤有效態P、K 的生成;(3)添加生物質炭能提高土壤pH(表 3),有研究表明隨著土壤pH 的升高,有效態P、K 含量增加。不同於秸稈生物質炭還田,秸稈直接還田對土壤速效養分的提高與秸稈腐解有關。秸稈腐解一方面釋放攜帶的營養元素,另一方面生成小分子有機物質與土壤礦物反應,促進土壤本身養分的釋放。此外,從圖 2 可知,秸稈生物質炭添加可以降低土壤M3-Al、Fe、Mn 含量,這可能與土壤pH 及TC 含量升高有關。從表 2 可知,RSB 對土壤pH 提高的平均幅度為0.13 個單位。土壤pH 升高使有效態Al、Fe、Mn 形態發生變化,變成難溶性的氫氧化物或氧化物沉淀。同時,有文獻表明生物質炭會促進土壤生成大量胡敏酸。胡敏酸的分子量大,聚合度高,與鋁鐵錳絡合成鹽類,使鋁鐵錳活性降低。3.2水稻產量與土壤養分的內在聯系進一步將水稻籽粒4 年平均產量和pH、CEC 及其他養分含量的4 年平均值做相關性分析(圖 3)。Pearson 相關系數表明水稻產量和土壤TC、M3-K、Mg 含量呈極顯著正相關關系(P<0.01),和TN、M3-Al 含量分別呈顯著正相關和負相關關系(P<0.05)。有文獻指出,土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)分別與土壤TC、TN 呈極顯著正相關關系,RSB 和RS 能明顯提高土壤TC、TN 含量(圖 1),從而促進土壤MBC、MBN 的提高。MBC、MBN 是土壤有機質的重要活性組分,參與土壤養分轉化和循環的各個過程,對植物養分吸收和生長發育具有積極影響。當土壤K<110 mg.kg-1 時(Mehlich3 通用浸提法),屬於嚴重缺K 的狀態。本試驗地測得的土壤有效K為77.6 mg.kg-1,明顯 < 110 mg.kg-1。秸稈生物質炭還田能明顯提高土壤有效K的含量(圖 2),緩解土壤K 的虧缺,促進水稻生長。因此,RSB 增產的關鍵因素是土壤TC、TN、有效K、Mg 含量的提高及有效Al 含量的減少。此外,RSB比RS增產效果更明顯的原因可能是對土壤TC、M3-K、Mg 含量及有效Al 含量的影響效率更高。3.3與一次性高劑量生物質炭還田模式的比較與一次性高劑量還田模式相比,逐年全量秸稈生物質炭化還田模式能維持較高水平的增產效應。試驗開展的4年間,RSB 對水稻產量的增幅在7.6%~ 14.5%之間,平均增產10.7%(表 2)。而在同一氣候和地形水平下,一次性施用22.5 t.hm-2水稻秸稈生物質炭在還田第2~5 年隻分別增產6.1%、2.2%、2.9%、3.1%。這主要是由於在一次性高劑量還田模式後期,生物質炭在土壤中發生縱向遷移,且吸附位點漸趨飽和,於是表層土壤速效養分含量不再提高,水稻增產減弱。相反,逐年全量秸稈生物質炭化還田模式能不斷為土壤補充養分,並提供新的吸附位點,增強土壤自身固定養分的能力,使水稻產量維持在較高水平。事實證明,逐年全量秸稈生物質炭化還田持續增產增肥效果顯著,是稻田生態系統極具潛力的秸稈資源利用模式。4 結 論(1)全量秸稈炭化還田能顯著提高水稻株高和籽粒產量,且增幅大於秸稈直接還田。(2)全量秸稈炭化還田能明顯提高稻田土壤TC、TN、有效態P、K、Mg、Ca 含量,降低土壤過量的有效Al、Fe、Mn 含量。(3)全量秸稈炭化還田對土壤養分的提高更大程度上是由於秸稈生物質炭本身增強瞭土壤固定C、N 及速效養分的能力。(4)全量秸稈炭化還田對水稻增產的關鍵因素是土壤TC、TN 和有效K、Mg 含量的提高以及土壤有效Al 含量的降低。(編洗抽油煙機推薦 /輯:Wendy)

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