生物炭施用對持水量、pH值和棉花長勢、產(chǎn)量的影響,農(nóng)藝學(xué)論文

生物炭施用對持水量、pH值和棉花長勢、產(chǎn)量的影響,農(nóng)藝學(xué)論文新疆是我們國家重要的農(nóng)墾區(qū),肩負(fù)著維護民族團結(jié)、邊疆穩(wěn)定和提高各族人民生活水平的重任。以灌溉為特征的綠洲農(nóng)業(yè)是新疆的經(jīng)濟基礎(chǔ),維系著全疆95%以上人口的生計[1],在社會經(jīng)濟和民族和諧中起著舉足輕重的作用。建國以來綠洲土地一直面臨人口增加所帶來的墾植壓力。近期國家要進行西部大開發(fā),舉全國之力在喀什建立經(jīng)濟特區(qū),進而帶動全疆經(jīng)濟跨越式發(fā)展,實現(xiàn)新疆的長治久安。這一舉措將使新疆地區(qū)面臨更大的人口壓力,由此對綠洲土地生產(chǎn)力提出了更高層次要求,尋求新技術(shù)提高綠洲土地生產(chǎn)力是新時期新疆經(jīng)濟發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。生物炭技術(shù)是將作物秸稈或林業(yè)廢棄物等生物質(zhì)材料或其衍生物進行碳化,然后以適當(dāng)方式和標(biāo)準(zhǔn)施用于土壤以獲得相應(yīng)經(jīng)濟、生態(tài)和環(huán)境收益的科學(xué)和技術(shù)理念[2,3]。對這種人造土壤的研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)碳化物能夠改善土壤質(zhì)量,保持土壤肥力,具有節(jié)水、節(jié)肥、固碳和提高作物產(chǎn)量等作用[2,4,5]。在世界很多地區(qū)的實驗研究中,生物炭技術(shù)的應(yīng)用都顯示出了增產(chǎn)的效果[6-9],見諸報導(dǎo)的增產(chǎn)率可達200%,因作物不同和生物炭施用技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的不同而存在較大差異[2,10-14]。因而利用生物炭技術(shù)提高綠洲土地生產(chǎn)力可能是一條很有潛力的途徑,然而這方面的研究卻特別有限[15]。據(jù)此開展生產(chǎn)炭在新疆應(yīng)用的增產(chǎn)效果研究具有實際意義。棉花是新疆農(nóng)業(yè)的支柱性經(jīng)濟作物,種植面積逐年增加[16]。棉產(chǎn)量對全區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民收入具有舉足輕重的作用。因而認(rèn)識生物炭應(yīng)用對棉花的增產(chǎn)效果尤其具有重要意義。水是新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最根本的制約因素。灌溉用水隨著開墾面積的增加而日趨緊張,為此不得不采取不同區(qū)域和田塊輪流灌溉的方式。生物炭是一種比外表積和空隙度都較大的物質(zhì),其施用能在多大程度上改善土壤的儲水能力,是直接關(guān)系到其增產(chǎn)效果的一個重要問題。干旱的氣候背景,灌溉農(nóng)業(yè)和高達2000mm以上的年蒸發(fā)量[17]決定了新國土壤高堿度和次生鹽堿化的必然性[18]。而源于秸稈等生物質(zhì)的生物炭是一種堿性物質(zhì)[19,20],其應(yīng)用于綠洲土地怎樣影響土壤的酸堿度是認(rèn)識生物炭應(yīng)用于綠洲土地效果的另一重要問題。基于上述考慮,我們選擇了地處南疆的喀什綠洲為研究對象,研究了生物炭施用于土壤后對持水量、pH值和棉花長勢、產(chǎn)量的影響,本文報導(dǎo)這一研究結(jié)果。1材料與方式方法1.1試驗區(qū)大概情況田間試驗選擇于新疆喀什地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心試驗地(392345N,755843E)。此地點位于喀什噶爾河沖積三角洲的中部,是喀什農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強度最集中的區(qū)域。年均氣溫12℃,年降雨量約為64mm。土壤類型為鹽化灌淤土,該類土壤是新疆綠州農(nóng)業(yè)區(qū)的典型土壤類型[21]。土壤性質(zhì)見表1。1.2試驗設(shè)計試驗所用生物炭是由小麥秸稈碳化而成。碳化最高溫是550℃,該碳化溫度是生物炭生產(chǎn)的最佳溫度,在這里溫度條件下,生物炭的含碳量、產(chǎn)率、離子交換能力等都能夠得到合理的兼顧[22],碳化升溫速率為18℃/min,碳化產(chǎn)率(生物炭質(zhì)量/秸稈質(zhì)量)為30%。所得生物炭理化性質(zhì)如表1所示。由該表可見生物炭在C、N、P和K含量方面顯著高于土壤的相應(yīng)含量,并且具有高含量的作物可直接利用的N(如NH+4、NO-3-N)、P(如A-P)和K。這是由于生物質(zhì)碳化經(jīng)過是一個碳的富集經(jīng)過,也是生物質(zhì)中其他元素如N、P和K的富集經(jīng)過。由于碳化在缺氧條件下進行,所以NH+4-N的含量遠高于NO-3-N。1.2.1室內(nèi)實驗1.2.1.1實驗設(shè)計實驗裝置如此圖1所示。生物炭與土壤的混合物被裝于一個底面積為60cm2,高度為30cm的PVC圓柱中,圓柱下端鋪3cm厚的石英砂,底部管口處墊尼龍網(wǎng),以緊封管底。所用土壤經(jīng)自然風(fēng)干并過2mm篩,按1.2g/cm3的田間土壤容重與生物炭進行不同重量比的均勻混合。華而不實表層5cm按田間施肥量施入化肥。試驗設(shè)計4個處理:1)不添加生物炭(C0);2)生物炭添加量為土壤干重的1%(C1);3)生物炭添加量為5%(C5);4)生物炭添加量為10%(C10)。四個處理分別相當(dāng)于每公頃施用生物炭0、10、50、100t。每個處理設(shè)3個重復(fù)。土柱裝好后按每公頃240kgN肥和120kgP2O5的施肥量施入尿素和普鈣。此施肥量與蔬菜基地常用施肥量一致。實驗裝置完成后,天天參加相當(dāng)于降水量10mm的去離子水,持續(xù)六天共計60mm,以使尿素充分反響。9天后加大模擬降雨量至天天20mm,持續(xù)4天。當(dāng)首輪模擬降雨總量到達140mm時,取淋洗液進行測定。第二輪模擬降水總量50mm,持續(xù)5天。如此重復(fù)六輪。1.2.1.2田間持水量和pH的測試分析田間持水量的測定參照中國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T-1121.22-2018)完成。在完成最后一次土壤模擬降水和淋濾實驗后,取土稱重,105℃烘干后再稱重,然后計算含水量。土壤淋濾液直接用來測試pH值,所用測試儀器為pIONeer65型便攜式多參數(shù)儀(雷迪美特,法國)。1.2.2田間實驗。田間試驗于2020年4月開場,實驗小區(qū)面積為305m2。根據(jù)生物炭施用方式方法分為3種處理,分別為:1)對照(CK),不施用生物炭;2)將生物炭以條施或溝施的方式施入土壤(C1),施用量為干土重的5%;3)將生物炭以混合法施入土壤(C2),施用量也為干土重的5%。干土重量計算的土壤容重為1.15g/cm3,深度為15cm。所用條施方式方法是待棉花幼苗長至株高42cm左右時(2020年6月18日)在棉花壟之間開溝,溝深10~12cm,將生物炭施入溝中,再翻入地下,翻入深度15~20,上面用土覆蓋。所用混合方式方法是將生物炭均勻地施入實驗小區(qū)土壤表層,再用鐵锨翻入土壤之中。棉花種植遵照當(dāng)?shù)貞T用方式。棉花品種為中棉所44(598系)。一膜四行。播種日期為2020年4月8日。播前施復(fù)合肥150kg/hm2、磷酸二銨750kg/hm2、磷肥150kg/hm2。機械犁地深翻25cm,噴除草劑,耙耱平整,機械鋪膜,膜上穴播。棉花生育期機械中耕4次,化控4次,時間分別為5月20日,用藥量7.5g/hm2;6月8日,用藥量22.5g/hm2;7月1日,用藥量52.5g/hm2;8月4日,用藥量97.5g/hm2。葉面肥噴2次,分別為6月8日和7月25日,各噴施磷酸二氫鉀1500g/hm2,硼肥750g/hm2。灌水和追肥各3次,華而不實一水為6月28日,追施尿素300kg/hm2;二水為7月20日,追施尿素150kg/hm2;三水為8月20日,追施尿素150kg/hm2。每次灌水至表土以上約10cm。棉花在4月15日出苗,4月29日定苗,6月10日現(xiàn)蕾,6月25日開花,9月17日收獲。棉花長勢和產(chǎn)量的統(tǒng)計各設(shè)三個小區(qū),面積為1~2m2不等,以實際框定面積為準(zhǔn)。對各統(tǒng)計小區(qū)的的有關(guān)參數(shù)進行實測,然后用外推法計算每公頃的統(tǒng)計結(jié)果。產(chǎn)量計算根據(jù)喀什農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心的標(biāo)準(zhǔn):只統(tǒng)計直徑大于2cm棉鈴,棉鈴重均按5.6g計;衣分按40%計。皮棉產(chǎn)量=收獲株數(shù)單株結(jié)鈴數(shù)單鈴重(g)衣分(%);折實產(chǎn)量=皮棉產(chǎn)量0.85。1.3數(shù)據(jù)處理試驗數(shù)據(jù)采用origin8.0和SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計分析。各處理之間的顯著性差異采用單因素方差分析法(One-wayANOVA),顯著性水平為0.05。2實驗結(jié)果及討論2.1生物炭對土壤田間持水量的影響對照組土壤的田間持水量為30%,隨著生物炭施用量的增加,田間持水量增加(圖2)。1%的生物炭施用量提高土壤的田間持水量至31%,5%的生物炭施用量增加田間持水量到45%,而10%的施用量提高到61%。與對照相比,三種生物炭施用比例的田間持水量提高率分別是2%,49%和100%。這一效果的產(chǎn)生無疑源于生物炭顆粒本身多孔的特性以及生物炭顆粒與土壤顆粒之間的新增孔隙。新疆棉田灌溉采用的是分區(qū)分片輪流進行的方式,對一個特定的棉田而言,其整個棉花生長經(jīng)過只能得到三次灌溉,每次灌溉之間的時間間隔為20~30天,兩次灌溉之間棉花生長所需水分完全依靠于土壤的供應(yīng)。生物炭的施用大幅度地提高了田間的持水量,進而提高了土壤在每次灌溉之間向作物供水的能力,這一特性對新疆乃至干旱地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都具有重要的實際意義。2.2生物炭施用對土壤pH的影響土壤淋濾液的理化性質(zhì)是土壤溶液的反映,而后者與作物的生長具有直接聯(lián)絡(luò)。因而考察生物炭對土壤淋濾液的影響有利于認(rèn)識生物炭對作物的影響。不同生物炭施用量的六輪淋濾實驗結(jié)果顯示,生物炭的添加提高了土壤溶液的pH(圖3)。C0、C1、C5和C10處理中淋濾液的平均pH值分別為8.21、8.29、8.51和8.57。生物炭施用量越高,pH值的增加量越大,10%的生物炭施用量使淋濾液的pH值增加了0.36。生物炭中含有大量的K、Ca、Mg等堿性離子和芳香族化合物,且其芳香族化合物上有OH基團。這些離子或基團溶于水后呈堿性,在淋濾實驗經(jīng)過中,隨著降雨量的增加,生物炭中的堿性基團和堿性離子溶于水中并淋出,導(dǎo)致淋濾液pH升高[23]。因而生物炭本身的化學(xué)性質(zhì)是影響土壤pH值的一個重要因素。在淋濾經(jīng)過中,淋濾液的pH值均表現(xiàn)出了先升高而后降低的現(xiàn)象,對照組土壤也不例外。因而這一現(xiàn)象顯然不是由于生物炭的施用所造成的。前人研究表示清楚,土壤從干到濕的變化經(jīng)過會造成華而不實NO-3-N、Fe3+、Mn4+等離子的復(fù)原反響[24]:2NO-3+10e-+12H+N2+6H2O(1)Fe(OH)3+e-+3H+Fe2++3H2O(2)MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2O(3)這些反響均消耗土壤中的H+,進而也導(dǎo)致土壤pH的增加。據(jù)此,我們以為淋濾經(jīng)過中pH值的這一變化行為是土壤濕潤經(jīng)過離子復(fù)原反響的結(jié)果。生物炭的施用固然提高了土壤的pH值,但并沒有改變這一變化特征,表示清楚生物炭施用并不會顯著地影響土壤土壤濕潤經(jīng)過中的上述基本反響。上述pH值的變化拐點于290mm模擬降水量左右,表示清楚在這里降水量左右土壤中NO-3-N、Fe3+、Mn4+等離子的復(fù)原反響基本完成,土壤中堿性離子的淋出量逐步降低,進而造成土壤溶液pH值的降低。這一實驗結(jié)果表示清楚生物炭施用于干旱區(qū)堿性土壤固然能夠明顯地提高土壤的pH值,但提高作用不大。由于綠洲農(nóng)業(yè)的漫灌壓堿和灌溉生產(chǎn)方式,隨著時間的推移和土壤淋濾作用的加強,因生物炭施用所造成的pH值的升高必然會得到進一步降低。2.3生物炭對棉花長勢和產(chǎn)量的影響2.3.1對株高、單株結(jié)鈴數(shù)和果枝數(shù)的影響棉花的株高是指株頂?shù)降孛娴木嚯x,單株果枝數(shù)是指平均一棵棉株主莖上的果枝數(shù),單株結(jié)鈴數(shù)是指平均一株棉花的有效結(jié)鈴數(shù)量。這些參數(shù)都對棉花產(chǎn)量具有程度不同的影響。相對于對照組CK71cm的平均植株高,C1的植株高度略有增加,平均增加率為1%,但C2卻有10%的增加率。此差異主要是由于生物炭的施用改善了土壤的水肥條件,進而提高了其株高。由于這一原因,在打頂時C2的高度已顯著高于對照組。CK的單株果枝數(shù)平均為9.3枝,C1和C2與CK相比分別增加了1%和13%。單株結(jié)鈴數(shù)與對照相比,C1和C2分別增加8%和156%(圖4)。2.3.2對棉花產(chǎn)量的影響實驗中統(tǒng)計了棉花的皮棉產(chǎn)量和折實產(chǎn)量兩項指標(biāo)。皮棉是指脫離了棉籽的棉纖維,折實產(chǎn)量是在皮棉產(chǎn)量基礎(chǔ)上再乘以折實系數(shù)0.85的結(jié)果。對照組的折實產(chǎn)量為1767kg/hm2。與對照相比,C1和C2的折實增產(chǎn)量分別增加了5%和26%。對C2處理棉田100朵棉花的抽查結(jié)果顯示,其單鈴重為5.6g,與新疆棉區(qū)產(chǎn)量統(tǒng)計中常用單鈴重一樣。表示清楚生物炭增產(chǎn)效果不是通過提高棉花的單鈴重實現(xiàn),而是通過提高棉花單株結(jié)鈴數(shù)和果枝數(shù)而產(chǎn)生。2.4不同生物炭施用方式的效果差異原因討論上述結(jié)果均表示清楚,C1和C2兩種生物炭施用方式在棉花長勢和產(chǎn)量方面表現(xiàn)出了很大的差異。生物炭的條施方式與對照相比,長勢和產(chǎn)量幾乎持平,但混合施用方式卻表現(xiàn)出了顯著的促進效果。棉花生長經(jīng)過的觀察顯示,條施方式中生物炭施用一周后出現(xiàn)了棉株枯萎現(xiàn)象,但兩周后又自然恢復(fù)。造成這一現(xiàn)象確切的生物地球化學(xué)原因當(dāng)前還不清楚,田間觀察結(jié)果表示清楚可能是條施生物炭經(jīng)過中由于開溝損害了棉苗的部分根系,和/或新生根系觸及了100%的生物炭,后者較高的堿性損害了作物的生理作用,因面影響了棉花的生長,并最終影響到生物炭對棉花的增產(chǎn)效果。在生物炭混合施用方式中沒有出現(xiàn)條施方式中的現(xiàn)象,但卻會影響棉籽的出苗率,進而降低單位面積的植株數(shù)。土壤鹽度是影響新疆棉花發(fā)芽率的一個重要因素[25],隨著鹽度的增加,出苗率逐步降低[26,27]。生物炭在生產(chǎn)經(jīng)過中富集K、Na、Ca和Cl等化學(xué)物質(zhì),能否是華而不實鹽離子如Na+、Cl-等對種子出芽造成了毒害是一個非常值得研究的課題。3結(jié)論生物炭的施用顯著地提高了新疆農(nóng)業(yè)區(qū)土壤的田間持水量,當(dāng)生物炭施用量為10%時,田間持水量倍增。作為一種堿性物質(zhì),生物炭的施用同時也提高了土壤的pH值,當(dāng)施用量為10%時,pH被平均提高了0.36。但生物炭的這一作用會隨土壤灌溉和淋濾作用的增加而很快降低。生物炭的施用提高棉花的產(chǎn)量。實驗數(shù)據(jù)顯示,條施或溝施方式下生物炭對棉花作物的增產(chǎn)效果不明顯,但混施方式表現(xiàn)出了顯著的增產(chǎn)效果。5%的施用量提高皮棉產(chǎn)量可達26%的水平。這種增產(chǎn)效果產(chǎn)生的地球化學(xué)原因是生物炭的施用增加了土壤的營養(yǎng)成分和供水能力,進而加強了植