秸秆腐解及其热转化产物对黑土的培肥效果_白月.pdf

http:/Email:jlndxb 吉林农业大学学报 2023，45（1）：42-50Journal of Jilin Agricultural University秸秆腐解及其热转化产物对黑土的培肥效果*白月1，窦森1*，孙建华2，李双翼1，鲁强1，段宏美1，郑爽11.吉林农业大学资源与环境学院，长春130118；2.长春市瑞图测绘有限公司，长春130000摘 要：为研究秸秆腐解及其热转化产物对黑土的培肥效果，解决黑土肥力下降和秸秆热转化产物未能合理利用的问题。通过连续2年的盆栽试验，设置对照（ck）、玉米秸秆（CS）、腐熟秸秆（HCS）、生物炭（BC）、玉米秸秆灰（ASH）、玉米秸秆粗灰渣（CHZ）和玉米秸秆细灰渣（XHZ）与黑土混合7个处理，研究秸秆腐解及其热转化产物对土壤养分、土壤有机碳（SOC）、腐殖质组成以及玉米产量的影响。结果表明：与ck相比，BC处理显著降低了土壤紧实度，提高了土壤养分含量和作物产量，碱解氮、有效磷和速效钾分别比 ck 增加了 12.99%16.49%、32.80%38.37%和26.04%34.78%，盆栽试验第 2年，与其他处理相比，BC 和 ASH 处理土壤养分增加幅度最大，且BC处理提升作物产量作用最大；BC处理也显著增加了土壤SOC及其腐殖质组分胡敏酸（HA）和胡敏素（HM）含量，提高了PQ 值（HA 在可提取腐殖质中所占的比例），BC处理增加SOC幅度最大，2019 年和 2020 年分别比 ck 处理增加了 22.08%和 22.51%，其次是 ASH 处理，分别比 ck 增加了 17.10%和18.18%。综合来看，BC处理是短期内提高土壤肥力的最佳选择，而长期效应还需要在田间开展长久、深入的试验研究。关键词：玉米秸秆；腐熟秸秆；生物炭；秸秆灰；粗/细灰渣；腐殖质组成；黑土中图分类号：S141.4 文献标志码：A 文章编号：1000-5684（2023）01-0042-09DOI：10.13327/j.jjlau.2021.1205引用格式：白月，窦森，孙建华，等.秸秆腐解及其热转化产物对黑土的培肥效果 J.吉林农业大学学报，2023，45（1）：42-50.Effects of Stover Decomposition and Thermal Conversion Products on Fertility Improvement of Black Soil*BAI Yue1，DOU Sen1*，SUN Jianhua2，LI Shuangyi1，LU Qiang1，DUAN Hongmei1，ZHENG Shuang11.College of Resources and Environment，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China；2.Changchun Ruitu Surveying and Mapping Co.，Ltd.，Changchun 130000，ChinaAbstract：The experiment is designed to study the effects of stover decomposition and its thermal transformation products on black soil fertility,and solve the problem of black soil fertility decline and unreasonable utilization of stover thermal transformation products.Seven treatments including control(ck),corn stover(CS),humified corn stover(HCS),biochar(BC),corn stover ash(ASH),corn stover coarse ash(CHZ)and corn stover fine ash(XHZ)mixed with black soil were set up through two consecutive years of pot experiment.The effects of stover decomposition and its thermal transformation products on soil nutrients,soil organic carbon(SOC),humus composition and corn yield were studied.The results showed that:compared with ck,BC treatment significantly reduced soil compac*基金项目：国家自然科学基金项目（42077022），吉林省重点研发计划项目（20200402098NC）作者简介：白月，女，在读硕士研究生，研究方向：土壤环境与生物化学。收稿日期：2021-04-12*通信作者：窦森，E-mail：白月，等：秸秆腐解及其热转化产物对黑土的培肥效果吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural Universitytion,increased soil nutrient content and crop yield,and alkali-hydrolyzable nitrogen,available phosphorus and available potassium increased by 12.99%-16.49%,32.80%-38.37%and 26.04%-34.78%,respectively,compared with ck.In the second year of pot experiment,compared with other treatments,BC and ASH treatments had the greatest increase in soil nutrients,and BC treatment had the greatest effect on improving crop yield.BC treatment also significantly increased the content of soil SOC and humic acid(HA)and humin(HM),and increased PQ value（the radio of HA proportion in ex-tractable humus),BC treatment increased SOC the most,22.08%and 22.51%higher than ck treatment,followed by ASH treatment,which increased 17.10%and 18.18%compared to ck.In summary,BC treatment is the best choice to improve soil fertility in the short term,but the long-term effects need to be studied further in the field.Key words：corn stover；humified corn stover；biochar；stover ash；coarse/fine ash；humus composition；black soil我国秸秆资源丰富，农作物秸秆综合利用总量达7亿t1，目前秸秆还田是解决土壤肥力下降和秸秆焚烧的主要措施。Huang等2认为，秸秆直接还田可以增加土壤的蓄水保墒能力，提高土壤理化性质，增加有机质的积累，从而提高作物的产量。Chen等3和油宏康4研究发现，玉米秸秆经过腐熟技术还田后，耕层土壤有机碳含量和有效养分明显提升。Zhang等5研究表明，秸秆和腐熟秸秆还田均有利于增加HA分子的脂族性，使土壤结构更简单；而秸秆生物质炭还田有利于土壤有机碳的固定。李培培等6也曾发现，与秸秆直接还田相比，秸秆炭化还田更有利于提高土壤硝化细菌的活性，从而改善土壤的理化性质，但炭化生产设备具有产量低、能耗高、寿命短的问题。王健等7研究表明，含水量约为15%的秸秆平均热量值为 14 226 kJ/kg，相当于标准煤热值的48.57%，即2 kg秸秆约折合1 kg标准煤，而且秸秆的含硫量仅为煤炭的1/4，用秸秆代替煤炭还可以减少二氧化硫的排放，故越来越多的生物发电厂将秸秆作为发电原料。秸秆通常含有3%5%的灰分8，发电过程中这种灰以灰渣和灰（从燃烧炉下口收集的密度大的为灰渣，从上口收集的密度小的为秸秆灰）的形式被收集，含有丰富的营养成分，如钾、镁、磷和钙，可用作高效农业肥料9，而且灰渣可以通过调节土壤酸碱性，增加土壤有效养分，提高土壤肥力10。我国每年秸秆用于燃料化利用总量约为8 890万t，故合理有效利用秸秆的热转化产物（灰及灰渣），既可以解决灰（渣）污染环境问题，又可以变废为宝，带来良好的经济效益。近年来，对灰渣的研究和资源化利用多集中在化工、建筑等行业，在农业利用方面应用较少，本文通过盆栽试验研究了等碳量下秸秆腐解及其热转化产物对土壤基本性质、有机碳含量、腐殖质组成以及玉米产量的影响，揭示了其对黑土固碳和培肥的作用，为在田间开展长久、深入的试验提供理论依据。1材料与方法1.1材料1.1.1供试土壤供试土壤采自吉林农业大学教学试验田（北纬4348 43.57，东经12523 38.50），土壤类型为黑土，按照美国分类标准为黏淀湿润软土（Argiudolls）11，土壤质地为黏质壤土，其pH为6.95；有机质含量16.10 g/kg，碱解氮含量52.26 mg/kg，速效磷含量 65.22 mg/kg，速效钾含量194 mg/kg。1.1.2供试材料供试玉米秸秆（CS）：本试验所用的秸秆为成熟期的玉米秸秆（包括玉米叶片茎秆），取自吉林省长春市吉林农业大学试验田，于秋收后采集并用粉碎机粉碎至 35 cm。供试腐熟秸秆（HCS）：玉米秸秆在 25 下保温 1 年，将样品经 60 烘干后，粉碎过 35 cm 筛。供试玉米秸秆生物质炭（BC）：由长春市万合木炭开发有限公司在 450 马弗炉中氧气受限的条件下制备而成。供试玉米秸秆灰（ASH）、秸秆粗灰渣（CHZ）和秸秆细灰渣（XHZ）：均是玉米秸秆在辽源发电厂经过高温焚烧后产生的热处理产物（燃烧炉下口收集的密度大的为灰渣，从上口收集的密度小的为秸秆灰）。供试材料基本性质见表1。43吉林农业大学学报 2023 年 2 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，February1.2试验设计本试验开始于 2019 年 5 月 3 日，将土样过2 cm筛，去除石块、碎屑等杂质，取12.5 kg土装入直径为30 cm，高35 cm，重0.29 kg的聚乙烯塑料桶中，玉米秸秆添加量按年产量 1.2 万 kg/hm2全量还田进行计算，每桶添加玉米秸秆67 g，相当于每桶添加27.46 g碳量。并在等碳量条件下（每桶含碳量 27.46 g）施用秸秆腐解和热转化产物，调节 C N为 25 1。试验共设 7个处理（表 2），分别是ck、CS、HCS、BC、ASH、CHZ、XHZ。每个处理3次重复，并播种3粒玉米种子（品种为“乐盈”），出苗后2周进行筛苗，选取长势较好的保留。仅在第1年施入有机物料，于2019年10月采集样品后，称量玉米根茬质量，并将根茬还于土壤中，第2年继续播种。1.3土壤样品的采集分别于2019年10月2日和2020年10月1日采集每个处理的根茬土，并进行相应的分析和测定。1.4测定方法土壤紧实度采用 SC90