生物质炭添加量对盐碱土壤特性及棉花苗期生长的影响_王钰婷.pdf

2023年 1月 灌溉排水学报 第 42卷 第 1 期 Jan.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.1 Vol.4272 文章编号：1672-3317（2023）01-0072-08生物质炭添加量对盐碱土壤特性及棉花苗期生长的影响 王钰婷1,2，田广丽1，田雨雨1,2，赵青青1,2，甄 博1，李会贞1，周新国1*（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院 研究生院，北京 100080）摘 要：【目的】研究不同生物质炭添加量对盐碱土壤特性及棉花苗期生长的影响，为生物质炭在盐碱地上的应用提供科学的理论依据。【方法】通过桶栽试验，以棉花（中 S9612）为研究对象，设置添加生物质炭量 0%（BC0）、1%（BC1）、3%(BC3)和 5%(BC5)4 个处理，分析了生物质炭对盐碱土壤水盐运移、土壤基本理化指标、土壤酶活性和棉花苗期生长指标的影响。【结果】与 BC0 处理相比，生物质炭可以提高 020 cm 土层质量含水率，质量含水率的增加量与生物质炭添加量成反比，但对 2030 cm 土层质量含水率无显著影响；生物质炭能够降低 020 cm 土层土壤含盐量；生物质炭对土壤 pH、全磷（TP）和速效磷无显著影响；对土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全钾（TK）、速效钾、过氧化物酶（POD）和纤维二糖苷酶（FTG）有显著正影响，且 BC1 处理的 POD 和 FTG 活性增加最显著；但对土壤碱解氮和多酚氧化酶（PPO）存在显著负影响；BC1 处理显著增加苗期棉花的茎粗和地上部干物质量，对株高无显著影响，BC3 处理对棉花株高、茎粗和地上部干物质量都无显著影响，BC5 处理显著降低了苗期棉花的株高、茎粗和地上部干物质量；且添加生物质炭引起棉花茎叶全氮量的减少。【结论】生物质炭可以增加土壤养分，提高土壤部分酶活性，但只有 1%生物质炭添加量对棉花苗期生长具有促进作用，5%生物质炭添加量反而会抑制作物生长。关 键 词：盐碱土壤；生物质炭；土壤基本理化特性；土壤酶活性；作物生长 中国分类号：S156.4 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2022168 OSID：王钰婷,田广丽,田雨雨,等.生物质炭添加量对盐碱土壤特性及棉花苗期生长的影响J.灌溉排水学报,2023,42(1):72-79.WANG Yuting,TIAN Guangli,TIAN Yuyu,et al.Optimizing Biochar Amendment to Improve Soil Property and Cotton Seedling Growth in Saline SoilsJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(1):72-79.0 引 言【研究意义】土壤盐碱化会破坏土壤理化性质，降低土壤养分有效性，使得土壤板结，耕地质量下降甚至丧失耕种能力，导致作物减产，造成农业土地资源浪费和农业经济效益大幅下滑，进而危害国家粮食安全。我国盐碱地分布范围广、面积大、类型多，总面积约 1亿 hm21，其中有 80%的盐碱土具有再生产的潜力。随着耕种面积的减少，盐碱地作为我国重要的后备耕地资源，对其修复治理是十分必要的。【研究进展】传统的盐碱地改良方法主要有工程措施、化学措施和综合措施2。近年来，生物质炭作为一种新兴改良剂被广泛研究并应用于农业领域中，其不仅对土壤生产功能的健康发展具有显著的正效应3，同时也实现了大量秸秆的资源化利收稿日期：2022-03-30 基金项目：中国农业科学院科技创新工程项目（CAAS-ZDRW202201）；水稻对高温与涝渍耦合胁迫的生理生态响应及根系解剖学机制项目（222102110339）作者简介：王钰婷（1997-），女，山西大同人。硕士研究生，主要从事盐碱地改良；排水理论与新技术。E-mail: 通信作者：周新国（1970-），男，河南信阳人。研究员，博士生导师，主要从事农田排水技术研究。E-mail: 用，并缓解了秸秆焚烧带来的环境问题。生物质炭通常是指用树木和作物秸秆等有机材料在限制氧或无氧条件下高温裂解炭化形成的固态物质4，自身富含 C 以及多种矿质营养元素，具有巨大的比表面积、多孔性、高吸附性以及长期稳定性。目前，诸多研究表明生物质炭可以改善土壤理化性质5-7，增加土壤养分8-9和碳固存量10-12，调节土壤酶活性及微生物群落结构13-14。刘园等15通过 2 a 的小麦-玉米轮作试验表明，生物质炭降低了土壤质量，增加了土壤含水率，提高了作物产量。蒋雪洋等16研究发现，生物质炭可以提高稻田土壤团聚体稳定性，增加土壤有机碳量、全氮量和全磷量。Lehmann 等17指出，生物质炭通过吸附 NO3-和 NH4+，减少土壤的氨挥发与氮素流失，提高氮肥利用率。Feng 等18针对棉花苗期的研究发现，施入生物质炭有利于土壤中的氨基酸代谢，对氮素同化效率有显著影响，可以提高田间氮素利用率。高珊等19通过大麦-玉米轮作试验表明，生物质炭提高土壤磷酸酶的活性，显著促进土壤磷素转化，提升土壤磷肥利用率。吴涛等20研究发现，生物质炭通过提高土壤功能菌丰度及土壤王钰婷 等：生物质炭添加量对盐碱土壤特性及棉花苗期生长的影响 73 碳氮等转化酶活性，从而改善土壤养分供应能力，促进作物生长。综上所述，生物质炭在土壤改良中表现出了巨大潜力，这使其在盐碱地上的应用也越来越受到关注。已有研究表明，在盐碱土壤中添加生物质炭可以增加土壤养分，减轻盐胁迫，促进作物生长21-23。但也有研究指出，生物质炭导致盐碱土壤 pH值和含盐量显著增加，降低养分有效性24-25。【切入点】由于生物质炭本身呈碱性，其对盐碱土壤的理化性质及作物生长是否具有积极效应仍需进一步探讨。棉花是耐盐作物，被喻为盐碱地种植的先锋作物26，其对盐碱地的开发利用十分重要，但棉花在不同生长阶段对盐分的敏感程度不同，棉花耐盐能力随着生育进程而逐渐提高，苗期棉花对盐分最敏感27，保证棉花在苗期正常生长对棉花冠层形成和后期生长具有不可忽视的作用。【拟解决的关键问题】因此，本研究通过桶栽试验，研究和揭示生物质炭对土壤理化性质、土壤酶活性及棉花苗期生长的影响，以期为生物质炭在盐碱地上的科学应用提供理论支撑。1 材料与方法 1.1 试验材料与试验设计 桶栽试验于 2021 年 610 月在中国农业科学院农田灌溉研究所新乡综合实验基地（3518N，11354E）的塑料避雨大棚下进行。该试验区日照时间为 2 399 h，年平均气温为 14，无霜期为 220 d。供 试 土 壤 选自 新 疆 第一 师 阿 拉 尔市 第 十 六团（40224057N，80308158E）的膜下滴灌棉田，取土深度为 020 cm，土壤类型属沙壤土。经碾压、粉碎、风干、过筛（5 mm）后，在干燥条件下保存备用。土壤 pH 值为 8.6，含盐量为 4.30 g/kg，有机碳为 4.54 g/kg，铵态氮为 0.392 mg/kg，硝态氮为 19.080 mg/kg，有效磷为 6.980 mg/kg，速效钾为29.384 mg/kg，全钾为 13.036 g/kg。试验苗期氮肥用量为纯氮 0.06 g/kg，NP2O5K2O=234，化肥类型为尿素（含 N 46%），过磷酸钙（含 P2O5 16%），硫酸钾（含 K2O 50%）。化肥具体用量：尿素为 0.131g/kg，过磷酸钙为 0.563 g/kg，硫酸钾为 0.240 g/kg，所有肥料均以固体形式均匀施于整桶。试验所用生物质炭在河南立泽环保科技有限公司购买，由玉米秸秆在 500600 的高温下缺氧裂解炭化制得。该生物质炭 pH值为 9，水分系数为 1.025 5，有机碳量 410.898 g/kg，全氮量 8.354 g/kg，全磷量 2.327 g/kg，全钾量30.594 g/kg，P2O5量 5.329 g/kg，K2O 量 19.156 g/kg。试验于 2021 年 6 月 14 日播种，供试棉花种子是中国农业科学院棉花研究所提供的“中 S9612”。试验用桶规格为（内径高）：20 cm50 cm，采用分层装土的方式，每桶装土 20 kg，装土深度均为 40 cm。试验以 020 cm 土层的生物质炭添加量（占土壤干量的百分比）为试验因素，分别为不添加生物质炭（BC0）、1%生物质炭添加量（BC1）、3%生物质炭添加量（BC3）和 5%生物质炭添加量（BC5），共计 4 个处理，每个处理 15 桶。每桶播种 3 粒，待棉花生长至“两叶一心”时，定苗，即每桶各留一株长势与本处理相同的棉花幼苗。各处理灌水时间保持一致，均采用滴箭进行灌水，滴箭插于土层 5 cm 处，滴头流量为 1 L/h，通过称质量法计算灌水量，使 土壤 质 量含 水率 保 持 在田 间 持水 率的75%90%。苗期具体灌水方案见表 1。表 1 苗期灌水方案表 Table 1 Seedling irrigation scheme 处理 灌水量/(L 桶-1)0614 0617 0623 0704 0720 0730 BC0 0.30 1.06 0.87 1.62 1.60 1.14 BC1 0.30 0.80 1.08 0.90 1.39 0.80 BC3 0.30 0.57 0.49 0.75 0.81 0.67 BC5 0.30 0.48 0.15 0.57 0.59 0.47 1.2 样品采集及测定 本试验于棉花苗期（2021年 7 月 23 日，灌水后2 d）进行破环性取样。株高（cm）采用直尺从土面垂直测量到棉株顶端；茎粗（mm）采用电子游标卡尺测量子节叶以上第一主茎节位中间；之后将棉花茎和叶分别剪下、洗净，放置于烘箱，在 105 下，杀青 30 min，在 75 烘干 48 h 至恒质量，测定茎和叶干物质积累量；将棉花干茎和干叶分别磨细，用浓 H2SO4消煮，AA3 型全自动流动分析仪测定茎叶全氮量。试验采用 3 点取样法随机取土，取土深度分为010、1020 cm 和 2030 cm，将各层土样分别混合均匀作为土壤样品，之后用本试验用土分层回填。一部分鲜土样品过 2 mm筛后立即冷藏，用于测定土壤酶活性；一部分鲜土通过烘干法测定土壤质量含水率；其余土壤样品自然风干，用于测定土壤基本理化特性。土壤理化性质采用常规方法进行测定28。土壤含盐量采用质量法测定；土壤 pH值采用蒸馏水浸提（土水比 15），pH 计测定；土壤有机碳量（SOC）采用外加热重铬酸钾容量法测定；土壤全氮量（TN）采用开氏消煮法提取，AA3 型全自动连续流动分析仪测定；土壤全磷量（TP）采用 HClO4-H2SO4消煮浸提，钼锑抗比色法测定；土壤全钾量（TK）采用 NaOH 熔融，火焰光度法测定；土壤碱灌溉排水学报 http:/ 74 解 氮 采 用碱 解 扩散 法测 定；土壤 速 效磷 采用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用 NH4OAc 浸提，火焰光度法测定；土壤过氧化物酶（POD）、纤维二糖苷酶（FTG）和多酚氧化酶（PPO）采用微孔板荧光法，Infinite F50 酶标分析仪测定。1.3 数据处理 试验数据使用 Excel 2010 和 R4.0.2 进行处理和统计分析，采用 Origin 2019 进行绘图，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和 Tukeys HSD 多重比较法进行差异显著性检验（p0.05）。相关性分析采用皮尔逊（Pearson）相关分析法并用 psych 包进行显著性检验，p-value 采用 FDR 法对其进行修正。2 结果与分析 2.1 添加生物质炭对盐碱土壤水盐分布特征的影响 图 1 为生物质炭对 030 cm 土层水盐分布的影响。由图 1 可知，与 BC0 处理相比，BC1、BC3、BC5 处理 020 cm 土层质量含水率分别增加了18.32%、12.10%、9.01%，说明土壤质量含水率的增