秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化_耿明昕.pdf

http:/Email:jlndxb 吉林农业大学学报 2023，45（2）：178-187Journal of Jilin Agricultural University秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化*耿明昕，关松*，孟维山，王曦若吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118摘 要：针对黑土“变瘦”、土壤有机质（SOM）下降和酸化问题，通过2年田间原位模拟试验，采用13C-核磁共振及差热与热重分析技术，研究了模拟秸秆还田与生物炭施用对SOM量、质以及缓解酸化的影响。基于连续2年秸秆全量还田，设8个处理：无秸秆和生物炭添加为对照（ck）；015 cm土层土壤与秸秆混合（SI15，模拟秸秆浅旋还田）；035 cm土层土壤与秸秆混合（SI35，模拟秸秆深混还田）；2535 cm土层4倍量秸秆埋置（SEDI，模拟秸秆富集深还）；515 cm土层秸秆埋置（SE15，模拟秸秆浅翻压还田局部区域与土壤不混合）；2535 cm土层秸秆埋置（SE35，模拟秸秆深翻压还田局部区域与土壤不混合）；015 cm土层土壤与4 t/hm2生物炭混合（BC4）以及与12 t/hm2生物炭混合（BC12，模拟生物炭还田）。结果表明：与ck相比，SI15、BC4和BC12处理显著提高SOM含量16.26%30.35%。SI15、SI35、SEDI、BC4和BC12处理显著增加土壤pH 0.120.28，施用生物炭对缓解土壤酸化作用最大。添加秸秆和生物炭对SOM结构特征影响不同，SI15和SI35使SOM的脂族性和亲水性得到发展，有利于提高SOM活性，发挥土壤肥力，而BC4和BC12提高SOM的芳香性和疏水性，有利于碳封存。SOM提升对缓解土壤酸化具有显著效应。关键词：秸秆；生物炭；土壤有机质；13C核磁共振；土壤酸化中图分类号：S153 文献标志码：A 文章编号：1000-5684（2023）02-0178-10DOI：10.13327/j.jjlau.2021.1759引用格式：耿明昕，关松，孟维山，等.秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化 J.吉林农业大学学报，2023，45（2）：178-187.Effects of Straw Returning and Biochar Application on Soil Organic Matter and Mitigate Soil Acidification of Black Soil*GENG Mingxin，GUAN Song*，MENG Weishan，WANG XiruoCollege of Resources and Environment，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，ChinaAbstract：In order to solve the problems of black soil thinning,soil organic matter(SOM)decline and acidification,the influencing mechanism of simulated straw returning and biochar application on SOM quantity,quality and acidification alleviation was studied by using 13C-cross-polarization-magic angle rotation NMR(13C-CP/MAS NMR)and differential thermal and thermogravimetric analysis technology through a 2-year field in-situ simulation tests.Based on the full amount of straw returning to soil for 2 consecutive years,eight treatments were set up:no addition of straw and biochar(ck),mixing of soil and straw in 0-15 cm soil layer(SI15,simulation of straw shallow rotation returning),mixing of soil and straw in 0-35 cm soil layer(SI35,simulation of straw deep-mixing returning);burying of the quadruple amount of straw in 25-35 cm soil layer(SEDI,simulation of straw en*基金项目：国家自然科学基金项目（42077022），吉林农业大学科技创新基金项目（202010193079）作者简介：耿明昕，女，硕士研究生，研究方向：土壤环境与生物化学研究。收稿日期：2022-05-02*通信作者：关松，E-mail：耿明昕，等：秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural Universityrichment and deep returning),burying of straw in 5-15 cm soil layer(SE15,simulation of straw shallow tilling and pressing without mixing with soil in some local areas),burying of straw in 25-35 cm soil layer(SE35,simulation of straw deep tilling and pressing without mixing with soil in some local areas),mixing of 0-15 cm soil layer with 4 t/hm2 biochar(BC4)and 12 t/hm2 biochar(BC12,simulation of biochar returning).The results showed that SI15,BC4 and BC12 treatments significantly increased SOM content by 16.29%-30.38%,compared with ck.Moreover,SI15,SI35,SEDI,BC4 and BC12 treatments significantly increased soil pH by 0.12-0.28 units.Biochar addition had the greatest effect on soil acidification mitigation.The addition of straw and biochar had different effects on the structural characteristics of SOM.SI15 and SI35 developed the aliphatic and hydrophilic nature of SOM,which was conducive to improving SOM activity and enhancing soil fertility,while BC4 and BC12 improved the aromatic and hydrophobic nature of SOM,which was conducive to carbon sequestration.The improvement of SOM has a significant ameliorative effect on mitigating soil acidification.Key words：straw；biochar；soil organic matter；13C NMR；soil acidification黑土是稀有珍贵的自然资源，我国东北黑土面积约为30万km2 1，物理化学性状好，土壤肥力高，是中国主要的粮食作物和商品粮供应基地。近年来，由于黑土高强度农业集约化利用，黑土质量发生退化，土壤有机质（SOM）下降。主要表现为黑土层“变薄”、黑土“变瘦”“变硬”等问题。另外，由于自然因素和人为不合理的种植结构与过量施用化肥，黑土酸化问题也日益突出，也是黑土肥力退化的重要表现之一。黑龙江省土壤调查显示，在 19792006 年近 30 年时间，黑土 pH 由7.22降为5.71，下降1.512；从19922012年20年吉林省黑土区长期施用氮磷钾化肥使草甸黑土pH由6.51降至6.0，下降了0.513；吉林省农业科学院黑土肥力监测长期定位试验表明，19902015 年 25 年时间施用氮磷钾化肥使黑土 pH 由7.6降至6.2，下降了1.44。黑土区土壤酸化问题已经凸显，制约了黑土区农业的可持续发展，对黑土区粮食生产安全产生威胁。因此，急需采取有效措施阻控黑土酸化。大量研究已经表明，秸秆还田会有效增加SOM5-9。目前，秸秆还田方式有秸秆覆盖还田10-12、浅旋还田7，13-14、秸秆翻压还田15-17、秸秆深埋还田等18-21，但不同秸秆还田方式因与土壤的混合程度和还田深度等不同而影响秸秆有机质化。目前，关于不同秸秆还田方式对SOM数量与质量影响效应的横向对比研究较少。秸秆等有机物料因富含碱性物质能够提高土壤pH和交换性盐基离子含量、降低土壤交换性铝含量22-23，但植物残体对土壤 pH 的影响也存在矛盾结果24-26。因此，有必要阐明不同秸秆还田方式对土壤酸度的影响机制。生物炭是由农作物秸秆、木材、禽类粪便等在低温或缺氧环境下，通过高温热解制备而成。生物炭富含芳香碳，具有高热稳定性、低可溶性、大比表面积和高孔隙度以及高吸附性能27-29，可有效提升SOM30-31。而且，制备生物炭的原料中阳离子如Ca、K、Mg、Na和Si在热解过程中形成碳酸盐或氧化物32，具有较强碱性，在改善土壤酸性应用上具有潜力。因此，研究秸秆与生物炭对黑土SOM数量与质量及缓解酸化的影响机制，对于保护黑土资源、提升黑土质量、有效保护黑土地这一“耕地中的大熊猫”、实现黑土区粮食生产安全以及农业废弃物资源再利用具有重要的意义。1材料与方法1.1研究地概况试验地位于吉林农业大学教学科研基地（北纬4348 40，东经12523 38）。试验地所处气候条件为温带半湿润大陆性季风气候，年降水量500650 mm，年均温度 06.7。土壤类型为发育于黄土母质上的中层黑土，壤质黏土。土壤基本性质：土壤有机质 17.91 g/kg，全氮 1.08 g/kg，碱 解 氮 68.66 mg/kg，全 磷 0.53 g/kg，全 钾 24.32 g/kg，有 效 磷 20.31 mg/kg，速 效 钾 130.20 mg/kg。179吉林农业大学学报 2023 年 4 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，April1.2供试有机物生物炭由辽宁金和福农业发展有限公司提供。生物炭基本性质：pH 10.53，碱解氮 704.42 mg/kg，有机碳 471.86 g/kg，全氮8.75 g/kg，H 21.14 g/kg，O 和 S 498.25 g/kg，由 VARIO EL-元素分析仪（Elementar Analysensysteme GmbH Inc，Germany）测定。1.3试验设计试验采用田间原位模拟试验，地面不种植作物，无化肥施入。基于12 t/hm2秸秆全量还田，将一定数量