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田间陈化生物质炭提高稻田土壤团聚体稳定性和磷素利用率

宋燕凤 张前前 吴震 段鹏鹏 熊正琴

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田间陈化生物质炭提高稻田土壤团聚体稳定性和磷素利用率

    作者简介: 宋燕凤 E-mail: 2017103083@njau.edu.cn;
    通讯作者: 熊正琴, E-mail:zqxiong@njau.edu.cn
  • 基金项目: 公益性行业农业科研专项(201503106);国家自然科学基金项目(41977078)。

Field-aged biochar improves soil aggregation stability and phosphorus use efficiency in paddy field

    Corresponding author: XIONG Zheng-qin, E-mail:zqxiong@njau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  生物质炭因其巨大的比表面积和稳定的结构而被用作土壤改良剂。然而关于田间陈化生物质炭对土壤肥力和养分利用效率影响的研究相对缺乏。通过定位试验,分析田间不同陈化年限的生物质炭对水稻产量和养分利用效率的影响。  【方法】  田间定位试验设在江苏南京,供试土壤为粘质水稻土。共设置5个处理,分别是不施磷肥对照 (CK)、施用磷肥 (P) 及磷肥配施新鲜生物质炭 (PB0y,2017年施入)、2年陈化生物质炭 (PB2y,2015年施入) 和5年陈化生物质炭 (PB5y,2012年施入)。在水稻收获后采集土壤样品进行团聚体分级,测定大团聚体 (250~2000 μm)、微团聚体 (53~250 μm)、粉粒 (2~53 μm)、粘粒 (< 2 μm) 含量以有效磷含量和基本理化性质,同时测定水稻产量和磷素利用效率。  【结果】  与P处理相比,PB2y和PB5y处理显著提高250~2000 μm大团聚体的比例 (69.2%~107.8%) ,降低2~53 μm粉粒 (13.1%~14.7%) 和 < 2 μm粘粒 (6.9%~41.9%) 的比例,而PB0y与P处理相比各粒级比例均无显著差异;PB0y、PB2y和PB5y处理土壤有机碳 (SOC) 提高了18.5%~58.5%,全磷含量提高了5.7%~17.1%,但2~53 μm粒级SOC含量无显著差异。与P处理相比,PB0y处理对水稻产量和磷素利用效率影响不显著,PB2y和PB5y处理均可显著提高水稻产量 (13.7%和16.3%) 和磷素利用率 (35.4%和45.5%)。由结构方程模型可知,陈化生物质炭 (PB2y和PB5y) 通过改善土壤养分状况 (SOC、全磷含量、碳磷比等) 和土壤结构 (250~2000 μm大团聚体比例增加),保证了水稻产量和磷储量。  【结论】  与新鲜生物质炭相比,陈化生物质炭可有效增加250~2000 μm大团聚体比例以及土壤有效磷和全磷的保护,从而促进植物对磷的吸收利用,达到增加产量和磷素利用效率的目的。5年陈化生物质炭的改良效果好于2年陈化生物质炭。
  • 图 1  2017年水稻生长季降水量和气温

    Figure 1.  Daily precipitation and temperature during the rice growing season in 2017

    图 2  不同年限田间陈化生物质炭处理下土壤团聚体和颗粒组成及其有机碳、全磷含量和碳磷比变化

    Figure 2.  Soil aggregate and particle composition, and its SOC, total P contents and SOC/total P with field-aged biochar at different years

    图 3  陈化生物质炭对水稻产量和磷素利用效率的影响

    Figure 3.  The crop yield and phosphorus use efficiency affected by field-aged biochar

    图 4  土壤理化性质和土壤团聚体平均重量直径对水稻产量和磷素利用效率的结构方程模型

    Figure 4.  The structural equation model of the effect of soil physiochemical properties and the mean weight diameter of aggregates (MWD) on rice yields and phosphorus use efficiency

    图 5  土壤结构 (即平均重量直径) 和团聚体组分、有机碳含量、水稻产量以及磷素利用效率的相关关系

    Figure 5.  Linear regression relationship between soil structure (i.e. MWD) and aggregate components, SOC content, rice yields and phosphorus use efficiency

    表 1  田间陈化生物质炭对土壤理化性质的影响

    Table 1.  Effects of field-aged biochar on soil physicochemical properties

    土壤性质 Soil propertyCKPPB0yPB2yPB5y
    pH (1:5 H2O)6.08 ± 0.03 a5.56 ± 0.05 c5.70 ± 0.28 bc5.85 ± 0.14 abc5.98 ± 0.24 ab
    EC (1:5 H2O,mS/m)89.00 ± 4.01 c97.00 ± 2.65 bc98.55 ± 3.94 b101.00 ± 6.47 b112.00 ± 3.02 a
    土壤容重BD (g/cm3)1.22 ± 0.01 a1.20 ± 0.02 a1.19 ± 0.04 ab1.16 ± 0.01 b1.15 ± 0.02 b
    WFPS (%)72.55 ± 5.55 a72.14 ± 3.97 a75.52 ± 7.55 a76.02 ± 4.92 a79.76 ± 5.54 a
    有机碳 SOC (g/kg)14.85 ± 0.57 c15.22 ± 0.55 c18.03 ± 0.88 b22.28 ± 1.71 a24.13 ± 1.72 a
    全氮 Total N (g/kg)1.18 ± 0.10 c1.49 ± 0.36 bc1.61 ± 0.05 ab1.67 ± 0.05 ab1.85 ± 0.11 a
    全磷 Total P (g/kg)0.72 ± 0.03 c1.05 ± 0.10 b1.11 ± 0.07 ab1.17 ± 0.01 ab1.23 ± 0.14 a
    碳氮比 SOC/total N12.64 ± 1.21 ab10.63 ± 2.41 b11.19 ± 0.28 ab13.34 ± 0.78 a13.11 ± 1.19 ab
    碳磷比 SOC/total P20.74 ± 0.80 a14.65 ± 1.90 c16.20 ± 0.71 bc19.05 ± 1.23 ab19.86 ± 3.59 ab
    有效磷Available P (mg/kg) 14.05 ± 0.98 c18.25 ± 2.47 b19.88 ± 2.27 b22.22 ± 2.39 b28.85 ± 2.46 a
    速效钾 Available K (mg/kg)72.15 ± 3.85 b82.18 ± 8.85 b96.57 ± 7.75 a108.00 ± 5.36 a105.14 ± 2.85 a
    注(Note):CK—不施磷肥对照 Without P fertilizer control; P—磷肥 Phosphate fertilizer; PB0y、PB2y、PB5y 分别表示磷肥配合新鲜生物质炭、2 年陈化生物质炭、5 年陈化生物质炭 PB0y, PB2y and PB5y are treatments of applying phosphate fertilizer with fresh biochar, and field-aged biochar at 2-year and 5-year, respectively; 数值为平均值 ± 标准差 Data refers to mean ± SD; 同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters in the same row indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    [19] 逄焕成杨劲松严惠峻 . 微咸水灌溉对土壤盐分和作物产量影响研究. 植物营养与肥料学报, 2004, 10(6): 599-603. doi: 10.11674/zwyf.2004.0608
    [20] 林葆林继雄李家康 . 长期施肥的作物产量和土壤肥力变化. 植物营养与肥料学报, 1994, 1(1): 6-18. doi: 10.11674/zwyf.1994.0102
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-17
  • 网络出版日期:  2020-05-29
  • 刊出日期:  2020-04-01

田间陈化生物质炭提高稻田土壤团聚体稳定性和磷素利用率

  • 基金项目: 公益性行业农业科研专项(201503106);国家自然科学基金项目(41977078)。
  • 摘要:   【目的】  生物质炭因其巨大的比表面积和稳定的结构而被用作土壤改良剂。然而关于田间陈化生物质炭对土壤肥力和养分利用效率影响的研究相对缺乏。通过定位试验,分析田间不同陈化年限的生物质炭对水稻产量和养分利用效率的影响。  【方法】  田间定位试验设在江苏南京,供试土壤为粘质水稻土。共设置5个处理,分别是不施磷肥对照 (CK)、施用磷肥 (P) 及磷肥配施新鲜生物质炭 (PB0y,2017年施入)、2年陈化生物质炭 (PB2y,2015年施入) 和5年陈化生物质炭 (PB5y,2012年施入)。在水稻收获后采集土壤样品进行团聚体分级,测定大团聚体 (250~2000 μm)、微团聚体 (53~250 μm)、粉粒 (2~53 μm)、粘粒 (< 2 μm) 含量以有效磷含量和基本理化性质,同时测定水稻产量和磷素利用效率。  【结果】  与P处理相比,PB2y和PB5y处理显著提高250~2000 μm大团聚体的比例 (69.2%~107.8%) ,降低2~53 μm粉粒 (13.1%~14.7%) 和 < 2 μm粘粒 (6.9%~41.9%) 的比例,而PB0y与P处理相比各粒级比例均无显著差异;PB0y、PB2y和PB5y处理土壤有机碳 (SOC) 提高了18.5%~58.5%,全磷含量提高了5.7%~17.1%,但2~53 μm粒级SOC含量无显著差异。与P处理相比,PB0y处理对水稻产量和磷素利用效率影响不显著,PB2y和PB5y处理均可显著提高水稻产量 (13.7%和16.3%) 和磷素利用率 (35.4%和45.5%)。由结构方程模型可知,陈化生物质炭 (PB2y和PB5y) 通过改善土壤养分状况 (SOC、全磷含量、碳磷比等) 和土壤结构 (250~2000 μm大团聚体比例增加),保证了水稻产量和磷储量。  【结论】  与新鲜生物质炭相比,陈化生物质炭可有效增加250~2000 μm大团聚体比例以及土壤有效磷和全磷的保护,从而促进植物对磷的吸收利用,达到增加产量和磷素利用效率的目的。5年陈化生物质炭的改良效果好于2年陈化生物质炭。

    English Abstract

    • 生物质炭是指生物质在相对高温条件下,经厌氧热解而形成的一类较稳定且含碳丰富的固体物质,具有丰富的表面活性官能团、较多的孔隙和较大的比表面积,是一种呈碱性且吸附能力强的多用途材料[1]。近20年来,生物质炭施用到土壤中能改善土壤pH条件和养分状况,改善土壤结构和保水能力[2-4],具有固碳减排和增产增效的潜力[5-6]。因此,生物质炭在农业生产和污染修复领域广受关注和推广。

      生物质炭含有较多的可溶性成分,在短期内能够促进微生物生长,或直接供植物吸收利用促进植物生长[7]。但是生物质炭在田间经过长期的干湿交替、风化、雨水侵蚀和微生物利用等作用被氧化破碎、颗粒变小,比表面积、含氧官能团和吸附性能增加[8],因其性质不同于新施入的生物质炭而被称为陈化生物质炭。陈化生物质炭促进土壤矿物及根系和微生物的相互胶结,改善土壤结构和保水保肥能力。米会珍等[9]研究表明,生物质炭施入2年后显著增加大团聚体的形成,且显著增加大、微团聚体有机碳的贡献率。Major等[10]也发现生物质炭施加1年后,对作物产量没有显著影响,而施加2和3年后均提高了作物产量,表明生物质炭效果受到陈化时间的影响[11-12]。然而目前生物质炭研究多集中在短期效应上,缺乏大田生物质炭陈化的长期试验研究。例如,Jeffery等[13]通过meta分析表明,生物质炭应用的田间研究试验平均时间为1.3年 (范围0.29~4年),盆栽试验小于1年 (通常仅1~2个月)。并且Glaser等[14]通过meta分析发现在农业土壤中,生物质炭无论是短期或中长期施用均增加磷的可利用性。磷在碱性土壤中的溶解度主要受磷与Ca2+的相互作用调节,而在酸性土壤中,磷的植物有效性主要由Al3+和Fe2+/Fe3+通过形成Al-和Fe-磷酸盐来调节。生物质炭施用于酸性土壤会增加土壤pH,导致磷对Fe和Al氧化物的吸附降低[15]。此外,生物质炭中高含量的Ca2+和Mg2+以及钙质物质的存在可以形成磷酸钙和磷酸镁,从而减少植物对磷的吸收[15]。鉴于我国目前磷矿稀缺,磷素利用效率普遍偏低和生物质炭对磷营养影响的研究缺乏的实际[16],迫切需要探究生物质炭陈化过程对作物生长和磷素养分改善的机制。

      本研究的目的是阐明生物质炭田间陈化不同年限对土壤团聚体粒级和养分 (碳和磷) 分布的影响,以及对水稻产量和磷素利用效率的影响。本研究假设田间陈化生物质炭在长期水稻–小麦轮作系统下,将显著增加大团聚体比例和大、微团聚体营养分布,改善土壤结构,促进根系生长及对水分和养分的吸收[17],从而提高磷素利用效率和水稻产量。

      • 试验地位于江苏省南京市江宁区秣陵镇 (31°48′N、118°50′E),该地位于典型的亚热带季风气候区,年平均气温15.6℃,年平均降水117天,年均降水量1106.5 mm,年均日照时间为1927.4 h,试验观测期间日降水和气温见图1

        图  1  2017年水稻生长季降水量和气温

        Figure 1.  Daily precipitation and temperature during the rice growing season in 2017

        试验地土壤类型为水稻土,质地为粘壤土。供试生物质炭为在400℃的高温限氧条件下炭化的小麦秸秆,购自河南三利新能源有限公司。其基本性质为:pH 9.2、总碳437.0 g/kg、总氮7.2 g/kg、阳离子交换量24.3 cmol/kg、表面积16.77 m2/g、灰分21.4%。

      • 田间定位试验开始于2012年,生物质炭在田间陈化不同年限后于2017年6月至2017年11月开展对水稻–小麦轮作系统中土壤结构和水稻产量的影响试验。试验采用随机区组设计,共设5个处理:CK (不施磷肥),P (施磷肥),PB0y (磷肥和新鲜生物质炭,2017年6月施入),PB2y (磷肥和2年陈化生物质炭,2015年6月施入),PB5y (磷肥和5年陈化生物质炭,2012年6月施入)。生物质炭均在小麦收获后、水稻移栽前施入,翻耕混匀。为保证生物质炭田间施入时的均一性,自2012年同一批购入后一部分保存在长1 m × 宽1 m的密封PVC塑料袋 (天津麦福德包装制品有限公司) 中,连续3次抽真空、充N2以保证O2含量低于0.5%。其他田间管理措施均按当地农民每年水稻–小麦轮作体系常规管理进行。水稻季采用淹水—烤田—复水—落干模式;小麦季自然落干,无灌溉。水稻季、小麦季钙镁磷肥 (以P2O5计) 60 kg/hm2和氯化钾 (以K2O计) 120 kg/hm2均在基肥时一次性施入,每一季作物尿素氮肥施用量为N 250 kg/hm2,以4∶3∶3 (基肥∶追肥∶追肥) 的比例分3次施入。生物质炭用量均为40 t/hm2,施入后田间自然陈化。每个处理3次重复,共计15个小区,每个小区面积为20 m2 (5 m × 4 m),各小区之间设有 20 cm 宽、40 cm 深的水泥隔板和独立的灌水排水系统。在该试验观测期内,2017年6月17日施入基肥同时移栽水稻,7月29日烤田阶段开始,持续一周左右,7月18日和8月28日追肥,10月25日水稻收获。

      • 2017年10月水稻收获后,多点采集每个处理小区0―20 cm深度的土样后混合,并将混合土样密封保存在塑料袋中运回实验室,防止水分流失,用于团聚体分级和基础理化性质测定。

      • 依据鲍士旦[18]的测定方法,土壤容重采用环刀法测定;土壤充水孔隙度 (WFPS) 由土壤质量含水量和土壤容重计算而得;土壤pH按水土比5∶1浸提,用Mettler-Toledo pH计 (FE28,上海) 测定;电导率按水土比5∶1浸提,用Mettler-Toledo电导率仪 (FE30-K,上海) 测定;土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化的方法测定;全氮含量采用元素分析仪 (Vario MAX,艾力蒙塔,德国) 测定;土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4消煮、钼锑抗比色法测定;土壤有效磷含量采用HCl-H2SO4提取、钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用NH4OAc溶液浸提、火焰光度法测定。水稻收获后每个小区随机取3点1 m × 1 m区域计产,测定水稻生物量。同时田间脱粒后将籽粒带回实验室,风干计产。每个小区随机取10株水稻,测定水稻籽粒的磷 (P) 含量,计算磷素利用效率。

        WFPS (%) 和磷素利用效率 (%) 计算公式如下:

        WFPS = 质量含水量 × 土壤容重/土壤孔隙度×100%

        土壤孔隙度 = 1 – 土壤容重/土壤颗粒密度,本研究采用土壤颗粒密度平均值为2.65 g/cm3

        磷素利用效率 = (施磷区水稻籽粒总吸磷量 – 不施磷区水稻籽粒总吸磷量)/磷肥施用量 × 100%。

      • 团聚体分级采用经修改的Six[19]的湿筛法。具体为:将相当于100 g干土的鲜土放在2 mm筛上,轻轻浸在去离子水中10 min,手动将筛子上下移动3 cm,2 min内重复50次,实现团聚体分离,使所有土样通过2 mm筛,将稳定的 > 2000 μm的物质 (包括植物残渣和石砾等) 从筛网上洗出并收集,将通过2 mm筛的样品过0.25 mm筛,可得250~2000 μm的大团聚体 (Macro-aggregate,MacroA),并将其转移到预先称重的烧杯中干燥。用相同的方法,将通过0.25 mm筛的样品多次通过0.053 mm筛,保留在筛网上的为53~250 μm的微团聚体 (Micro-aggregate,MicroA)。将通过0.053 mm筛的样品转移到离心瓶中,逐步离心,先600 r/min离心4 min,将上清液转移到其他离心瓶,得2~53 μm的粉粒 (SiltF);继续4200 r/min离心36 min,去除上清液,得到 < 2 μm的粘粒 (ClayF)。将筛分获得的MacroA、MicroA、SiltF和ClayF团聚体样品冷冻干燥、称重,计算不同团聚体粒级比例。土壤团聚体稳定性用平均重量直径 (MWD,μm) 表示,计算公式如下:

        $MWD = \sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{{\bar R}_i} \times {w_i}} \right)} \bigg/\sum\limits_{i = 1}^n {{w_i}} $

        式中:wi为第i粒级团聚体质量所占的百分含量;${{{\bar R}_i}}$为第i粒级团聚体的平均直径。

      • 采用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0软件对数据进行统计分析;采用单因素方差分析 (one-way ANOVA) 和Duncan法进行方差分析和多重比较 (α = 0.05);用Origin Pro 2017软件作图和相关性分析。利用IBM SPSS Amos 22软件构建结构方程模型检验SOC、全磷含量、土壤团聚体平均重量直径、水稻产量和磷素利用效率之间的假设因果关系。为了简化模型,在结构方程模型分析之前我们使用主成分分析压缩多变量数据,其中选择包括全碳含量、全磷含量、碳氮比和碳磷比的主成分作为描述土壤理化性质的代表性参数 (可以解释总体变异的81.7%)。结构方程模型构建过程中,根据Duan等[20]采用的拟合标准进行评估,如卡方/自由度、概率水平、调整的拟合优度指数、近似均方根误差和赤池信息标准。

      • 表1所示,与CK处理相比,P处理的pH和碳磷比显著降低,全磷和有效磷显著提高。与P处理相比,PB0y和PB2y处理pH、EC、全氮、全磷、有效磷有增加趋势,但差异不显著;而PB5y处理分别显著提高7.5%、15.5%、24.2%、17.1%、58.0%;PB0y、PB2y和PB5y处理的SOC和速效钾均显著提高,其中SOC随着生物质炭陈化年限增加而增加,分别提高18.5%、46.4%和58.5%。同时,与P处理相比,PB2y和PB5y处理的土壤容重分别显著降低3.3%和4.2%,碳磷比显著提高30.0%和35.6%。由此表明,陈化生物质炭仍具有改善土壤肥力的潜力。

        表 1  田间陈化生物质炭对土壤理化性质的影响

        Table 1.  Effects of field-aged biochar on soil physicochemical properties

        土壤性质 Soil propertyCKPPB0yPB2yPB5y
        pH (1:5 H2O)6.08 ± 0.03 a5.56 ± 0.05 c5.70 ± 0.28 bc5.85 ± 0.14 abc5.98 ± 0.24 ab
        EC (1:5 H2O,mS/m)89.00 ± 4.01 c97.00 ± 2.65 bc98.55 ± 3.94 b101.00 ± 6.47 b112.00 ± 3.02 a
        土壤容重BD (g/cm3)1.22 ± 0.01 a1.20 ± 0.02 a1.19 ± 0.04 ab1.16 ± 0.01 b1.15 ± 0.02 b
        WFPS (%)72.55 ± 5.55 a72.14 ± 3.97 a75.52 ± 7.55 a76.02 ± 4.92 a79.76 ± 5.54 a
        有机碳 SOC (g/kg)14.85 ± 0.57 c15.22 ± 0.55 c18.03 ± 0.88 b22.28 ± 1.71 a24.13 ± 1.72 a
        全氮 Total N (g/kg)1.18 ± 0.10 c1.49 ± 0.36 bc1.61 ± 0.05 ab1.67 ± 0.05 ab1.85 ± 0.11 a
        全磷 Total P (g/kg)0.72 ± 0.03 c1.05 ± 0.10 b1.11 ± 0.07 ab1.17 ± 0.01 ab1.23 ± 0.14 a
        碳氮比 SOC/total N12.64 ± 1.21 ab10.63 ± 2.41 b11.19 ± 0.28 ab13.34 ± 0.78 a13.11 ± 1.19 ab
        碳磷比 SOC/total P20.74 ± 0.80 a14.65 ± 1.90 c16.20 ± 0.71 bc19.05 ± 1.23 ab19.86 ± 3.59 ab
        有效磷Available P (mg/kg) 14.05 ± 0.98 c18.25 ± 2.47 b19.88 ± 2.27 b22.22 ± 2.39 b28.85 ± 2.46 a
        速效钾 Available K (mg/kg)72.15 ± 3.85 b82.18 ± 8.85 b96.57 ± 7.75 a108.00 ± 5.36 a105.14 ± 2.85 a
        注(Note):CK—不施磷肥对照 Without P fertilizer control; P—磷肥 Phosphate fertilizer; PB0y、PB2y、PB5y 分别表示磷肥配合新鲜生物质炭、2 年陈化生物质炭、5 年陈化生物质炭 PB0y, PB2y and PB5y are treatments of applying phosphate fertilizer with fresh biochar, and field-aged biochar at 2-year and 5-year, respectively; 数值为平均值 ± 标准差 Data refers to mean ± SD; 同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Different lowercase letters in the same row indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 图2所示,各处理主要的团聚体粒级为粉粒。与P处理相比,PB2y和PB5y处理使大团聚体显著增加69.2%~107.8%,粉粒和粘粒减少13.1%~14.7%和6.9%~41.9%,而PB0y与P处理相比,各粒级比例均无显著差异。SOC和全磷含量主要分布在大团聚体和微团聚体中,与P处理相比,PB0y、PB2y和PB5y处理使SOC含量分别增加96.7%~117.0%和10.7%~49.6%,全磷含量分别增加22.0%~38.6%和19.5%~68.6%,同时也使粉粒和粘粒中的全磷含量增加42.5%~74.8%和45.0%~49.8%;且随着生物质炭陈化年限增加,SOC和全磷含量增加,碳磷比降低,而粉粒中SOC含量无显著差异,施磷肥处理各粒级碳磷比遵循以下顺序:大团聚体 > 微团聚体 > 粘粒 > 粉粒。

        图  2  不同年限田间陈化生物质炭处理下土壤团聚体和颗粒组成及其有机碳、全磷含量和碳磷比变化

        Figure 2.  Soil aggregate and particle composition, and its SOC, total P contents and SOC/total P with field-aged biochar at different years

      • 图3所示,施用磷肥显著提高水稻产量和磷素利用效率。与P处理相比,PB0y处理的水稻产量和磷素利用效率差异不显著;PB2y和PB5y处理产量分别显著提高13.7%和16.3%,磷素利用效率提高35.4%和45.5%;随着生物质炭陈化年限的增加,增产增效更显著。

        图  3  陈化生物质炭对水稻产量和磷素利用效率的影响

        Figure 3.  The crop yield and phosphorus use efficiency affected by field-aged biochar

      • 图4所示,结构方程模型分析表明,模型可以解释水稻产量和磷素利用效率总变异的90%和97%。其中,SOC和全磷含量对土壤团聚体平均重量直径 (路径系数 = 0.71)、土壤团聚体平均重量直径对土壤有效磷含量 (路径系数 = 0.81) 均具有极显著的影响,土壤有效磷的增加显著提高植株含磷量 (路径系数 = 0.97),且水稻产量和磷素利用效率直接受植株含磷量 (路径系数为0.73和0.63) 的极显著影响。因此土壤理化性质和土壤团聚体平均重量直径可通过直接影响土壤有效磷和植株含磷量间接影响作物产量和磷素利用效率。

        图  4  土壤理化性质和土壤团聚体平均重量直径对水稻产量和磷素利用效率的结构方程模型

        Figure 4.  The structural equation model of the effect of soil physiochemical properties and the mean weight diameter of aggregates (MWD) on rice yields and phosphorus use efficiency

      • 图5所示,土壤团聚体平均重量直径与大团聚体呈极显著正相关 (P < 0.001),与SOC含量、水稻产量和磷素利用效率呈显著正相关 (P < 0.01),与微团聚体相关性不显著 (P > 0.05)。增加大团聚体极显著增加土壤团聚体平均重量直径,从而显著增加SOC含量、水稻产量和磷素利用效率。由此可见,改善团聚体稳定性能有效提高作物产量和养分利用效率。

        图  5  土壤结构 (即平均重量直径) 和团聚体组分、有机碳含量、水稻产量以及磷素利用效率的相关关系

        Figure 5.  Linear regression relationship between soil structure (i.e. MWD) and aggregate components, SOC content, rice yields and phosphorus use efficiency

      • 有机质影响土壤结构和理化性质,是团聚体形成和稳定的主要因素之一,然而土壤营养和理化性质在粒级尺度上的变化受到的关注很少[21]。本研究中,大团聚体与土壤团聚体平均重量直径有极显著正相关关系 (图5A),且PB0y、PB2y和PB5y处理都增加了大团聚体比例 (图2A),表明生物质炭可以促进大团聚体的形成,增强团聚体稳定性[22]。这主要因为生物质炭在陈化过程中可以与粘土矿物相结合,促进大团聚体的形成[23],也影响微生物代谢及作物和根系的生长发育,间接地提高土壤有机物质 (如根系及其分泌物) 含量,进而提高土壤团聚体稳定性[5, 24]。此外,本研究中陈化生物质炭降低土壤容重 (表1),也验证了其对团聚体形成的影响。Muñoz等[25]认为生物质炭降低土壤容重主要归因于生物质炭较低的容重和颗粒密度,或生物质炭和土壤之间的相互作用。

        相比P处理,5年陈化生物质炭可提高土壤pH (表1)。同时,陈化生物质炭还增加SOC和全磷含量,且大团聚体和微团聚体中SOC和全磷含量显著高于其他粒级 (图2)。这是因为生物质炭富含K、Ca、Mg和Na等阳离子,可以增加阳离子交换量[26]。团聚体分级理论也证实了这一点,即较大的团聚体本身由较小的团聚体和将它们结合在一起的有机结合物 (即根和植物残留物等) 组成,因此有机质含量随团聚体粒级的增加而增加[24]。Schmidt等[27]研究也发现,施用生物质炭后增加土壤阳离子交换量和持水能力,进而增加土壤有机质。同时热解作用将生物质炭中的有机磷转化为无机磷,导致磷的富集,并且由于生物质炭具有与表面官能团相关的化学吸附和离子交换能力,从而保留更多的磷[28]。DeLuca等[29]研究发现生物质炭通过增加土壤碱度提高土壤有效磷含量,这与本研究结果一致 (表1)。这可能因为土壤pH的增加提高了PO43–-P的溶解度,而作物主要摄取正磷酸盐阴离子 (PO43–) 形式的磷[30],从而提高磷的可利用性。生物质炭也促进植物根系的生长,活化根系周围的磷,增加土壤磷的有效性[31]

        结构方程模型分析显示,SOC对土壤团聚体平均重量直径有极显著的积极影响 (图4),同时相关性分析也显示,SOC与土壤团聚体平均重量直径呈显著正相关 (图5),表明陈化生物质炭可以保持土壤有机质水平和团聚体稳定性[32]。这主要与生物质炭陈化后氧化官能团增加以及土壤中保留了较高的碳有关[23],有助于土壤颗粒和生物质炭两者结合、促进团聚体形成。此外,生物质炭作为核心增加团聚作用,并且通过增加根系和微生物粘液的分泌增加有机质,进而增加土壤团聚体[33]

      • 徐敏等[34]研究表明,生物质炭能改善土壤物理性质,提高土壤养分含量,促进作物生长,提高作物产量。与P处理相比,PB0y处理的水稻产量提高不显著,而PB2y和PB5y处理产量均显著提高 (图3)。Jones等[31]研究也发现生物质炭在施用后第1季对玉米产量或养分含量没有影响,但发现果园草生物量和质量在第2年和第3年增加。随着时间推移,生物质炭效应更强。产生这种正向效应的原因主要有以下两个方面:一是生物质炭自身含有一定数量的对作物生长发育有益的元素 (如C、N、P、K等),可为作物生长发育提供良好的养分供应[35];二是生物质炭有助于改善土壤理化性状,如pH、容重、孔隙度、持水性等[36],使土壤团聚体增加,土壤结构更稳定,从而作物能够更有效地捕获营养物质[37],促进作物增产。正如本研究表明,陈化生物质炭处理降低土壤容重,增加土壤团聚体和养分,改善土壤质量,为作物生长提供良好的土壤环境。

        本研究表明,陈化生物质炭也提高磷素利用效率 (图3)。生物质炭可以影响磷储量和其循环利用,包括:1) 生物质炭表面的羟基和含氧阴离子的氢键可以吸附无机阴离子 (如PO43–) 以提供营养[38];2) 生物质炭也可以是可溶性磷的直接来源,随着时间的推移,可以与磷的金属络合物 (Al3+,Fe3+和Ca2+) 相互作用,促进微生物活动和磷矿化,增加磷的有效性[7];3) 由于生物质炭的吸附作用和团聚体的物理保护,大微团聚体中有大量有机磷的积累[39];4) 生物质炭能够增加根际细菌丰度,将有机磷转化为生物可利用磷,进一步增加磷的可利用性[40]。Sukartono等[41]表明,生物质炭可提高土壤肥力、磷吸收和作物产量。这与本研究结构方程模型分析结果一致,即SOC、全磷含量和土壤团聚体平均重量直径可通过直接影响土壤有效磷含量和植株含磷量,从而影响作物产量和磷素利用效率 (图4)。同时相关性分析也显示,土壤团聚体平均重量直径与水稻产量和磷素利用效率显著正相关 (图5),这表明陈化生物质炭能够通过改善土壤养分和结构,在增加磷储量的同时,促进其循环利用,进而增加产量和磷素利用效率。综上所述,陈化生物质炭可以改善土壤质量,稳定土壤结构,促进作物养分吸收,最终达到增产增效的目的。

      • 陈化生物质炭显著提高了大团聚体粒级 (250~2000 μm) 的比例以及大团聚体和微团聚体中有机碳和全磷含量,改善了土壤结构和养分循环,从而提高了水稻产量和磷素利用效率,且随着陈化年限的增加效果更加显著。因此,陈化生物质炭一方面可以改善土壤结构,另一方面可以在增加土壤碳储存、减少磷损失的同时,增加磷的循环利用,提高作物产量,促进可持续农业发展。

    参考文献 (41)

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