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 SC900 土壤紧实度仪测定；pH 采用 pHS-3C 型 pH 计测定12；电导率通过电导率仪测定（土水比为1 5）；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾采用火焰光度法测定；微生物量碳采用氯仿熏蒸提取法13测定；土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定；腐殖质组成采用腐殖质组成修改法14测定。1.5数据处理采用 Microsoft Office Excel 2010进行试验数据的整理与作图，SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析（PCHZCSXHZASHHCSBC，而在2020年，ASH处理紧实度明显下降，表现为ckCHZCSXHZHCSASHBC，说明随着时间增加，施用生物炭和秸秆灰能够显著降低土壤紧实度。2.1.2土壤pH和电导率各个处理对土壤pH和电导率的影响见表3。与ck相比，试验第1年和试验第2年各处理土壤的pH 虽然也呈上升趋势，但差异不显著；2019年和2020年土壤电导率比ck均有所降低，但差异也不显著。随着还田时间的增加，秸秆腐解及其热转化产物对土壤pH和电导率无显著影响。2.1.3土壤养分各处理对土壤养分的影响见表4，在同一年份内，不同处理间碱解氮、有效磷、速效钾比ck均有不同程度的增加，对于2019年碱解氮和有效磷而言，大小依次为 BCHCSASH图1秸秆腐解及其热转化产物对土壤紧实度的影响Fig.1Effect of stover decomposition and its thermal transformation products on soil compactness表3秸秆腐解及其热转化产物对土壤pH和电导率的影响Table 3Effects of stover decomposition and thermal transformation products on soil pH and electrical conductivity年份20192020处理ckCSHCSBCASHCHZXHZckCSHCSBCASHCHZXHZpH6.530.09a6.550.11a6.580.15a6.600.13a6.560.14a6.540.12a6.550.09a6.520.07a6.530.10a6.540.12a6.590.13a6.550.11a6.530.09a6.540.11a电导率/(Scm-1)128.98.3a126.57.0a120.211.4a119.010.6a122.310.4a128.111.1a125.09.9a129.412.3a127.97.4a125.910.1a120.311.9a124.110.9a128.89.4a126.76.6a注：同列不同小写字母代表同一年份不同处理间差异显著（PCSCHZck，其中，BC、HCS、ASH和XHZ处理均与ck处理之间差异显著（PHCSASHXHZCSckCHZ，其中，BC处理与ck之间差异显著。2020年碱解氮和有效磷表现为BCASHHCSXHZCSCHZck，其中，各处理均与ck处理之间差异显著（PASHHCSXHZCSCHZck，其中，BC处理与 ck之间差异显著。综合2019年和2020年各处理土壤养分变化，BC处理的养分增加幅度最大，碱解氮、有效磷和速效钾分别比 ck 处理增加了 12.99%16.49%、32.80%38.37%和26.04%34.78%，其次是ASH处理。2.2秸秆腐解及其热转化产物对土壤有机质及其各组分含量的影响2.2.1土壤有机碳各处理对黑土有机碳（SOC）含量的影响见图 2，SOC 的含量为 8.8311.32 g/kg，在同一年份内，不同处理间SOC比ck均有不同程度的增加。在试验第1年（2019年），CS、HCS、BC、ASH、CHZ和XHZ处理比ck分别增加 了 8.04%，19.03%，22.08%，17.10%，1.81%，12.34%，SOC 大 小 依 次 为 BCHCSASHXHZ CSCHZck，其中，BC、HCS、ASH 和 XHZ 处理均与 ck 处理之间差异显著（PASHHCSXHZCSCHZck，各处理比ck均差异显著（P0.05）。综合2019年和2020年各处理SOC变化，BC处理增加幅 度 最 大，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%。2.2.2土壤微生物量碳各处理2年的微生物量碳（SMBC）含量见图3。在同一年份内，不同处表4秸秆腐解及其热转化产物对土壤养分的影响Table 4Effect of stover decomposition and its thermal transformation products on soil nutrientsmg/kg年份20192020处理ckCSHCSBCASHCHZXHZckCSHCSBCASHCHZXHZ土壤养分碱解氮78.152.45c80.101.50c89.361.33a91.041.31a85.291.72b79.650.71c83.701.80b81.751.89d83.471.27c89.600.19b92.371.53a91.060.90ab83.251.54c85.741.60c有效磷25.641.70d27.230.43d32.620.54ab34.050.53a31.800.55bc27.060.41d30.370.52c26.091.50d30.290.52c32.641.55bc36.100.55a35.321.51ab29.720.57c31.460.66c速效钾105.9510.68b112.8411.93ab126.6111.98ab133.5411.99a126.5311.93ab105.9011.90b119.7420.64ab109.4011.34b119.7420.65b133.4311.93ab147.3411.98a133.5823.90ab112.8711.95b126.6311.89ab不同小写字母代表同一年份不同处理间差异显著(PASHHCS XHZCSCHZck，各处理均与 ck 处理之间差异显著（P0.05），其中，BC处理的增加幅度最大，其次是ASH处理。说明秸秆热转化产物还田会提高土壤微生物的活性和数量，使土壤质量向好的方向发展，且 BC 处理最为显著，其次是 ASH处理。2.2.3土壤腐殖质含量与PQ值2年各处理对黑土各腐殖质组分含碳量的影响见表5，各处理的水浮物有机碳（WFS-C）含量为0.520.85 g/kg，水溶性有机碳（WSS-C）含量为0.150.25 g/kg，胡敏酸碳含量（HA-C）含量为 2.533.89 g/kg，富里酸碳含量（FA-C）含量为0.911.41 g/kg，胡敏素碳含量（HM-C）含量为 3.565.37 g/kg。可以看出，HM-C 的含量最大，HA-C 和 FA-C 次之，WFS-C 和 WSS-C 最小。在同一年份内，不同处理间各个指标（FA-C除外）比ck均有不同程度的增加。在2019年，对于HM-C而言，各处理均与ck处理之间差异显著（PHCSASHXHZCSCHZck，其中，BC、HCS、ASH和XHZ处理与ck处理之间差异显著；各处理WFS-C和WSS-C比ck均有不同程度的上升，但差异不显著。对于2020年HM-C和HA-C而言，大小依次为BCASHHCSXHZCSCHZck，其中，BC、HCS、ASH 和 XHZ 处理均与ck处理之间差异显著（PASHHCSXHZCSCHZck，其中，BC、ASH、HCS、XHZ和CS处理均与ck处理之间差异显著（PHCSASHXHZCSCHZck，其中，BC处理与ck之间差异显著，BC处理的百粒重比ck增加了18.41%；在 2020 年，CS、HCS、BC、ASH、CHZ 和 XHZ 处理的 百 粒 重 比 ck 分 别 增 加 了 5.97%、9.63%、15.18%、9.98%、4.35%，6.58%，对于行粒数和产量而言，大小依次为BCASHHCSXHZCSCHZck，其中，BC、HCS、ASH和XHZ处理均与ck处理之间差异显著（P0.05）。综合2019年和2020年各处理玉米产量的变化，BC处理的产量增加幅度最大，其次是ASH处理。3讨论3.1秸秆腐解及其热转化产物对土壤养分和玉米产量的影响本试验结果表明，与 ck 相比，施用生物炭（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，其次是施加秸秆灰（ASH）处理。施入秸秆生物质炭对土壤养分的提升及玉米的生长效果最好，秸秆灰次之，这可能是因为秸秆经过高温炭化后（生物质炭），具有稳定的理化性质和固碳能力15，且生物炭施入土壤后可以通过羧基和羟基等酸性官能团将NH4+-N保留在土壤中，从而有效降低了土壤中氮素的流失，提高了土壤氮素的保持力，并改善了NH4+-N和NO3-N的吸附和固定，而这是植物吸收氮素必需的形式，当这些形式被生物炭吸附后，它们可以再次释放，以供植物吸收和利用，从而促进作物的生长和发育16。秸秆经过高温焚烧发电产生的灰，质轻疏松17，施入土壤后有利于调节土壤的孔隙度和保水保墒能力，从而为植株根系的生长提供良好的生长环境，进而通过质流、扩散和离子交换等将养分运输到植物体内，增加了玉米的产量，同时也增强了根系微生物的活性，增加了土壤的养分。而腐熟秸秆中含有大量的功能细菌，对土壤固碳和培肥起到重要的作用，且其在腐解过程中会产生多种特效代谢产物，从而促进玉米的生长发育，但腐熟秸秆中功能菌的作用时间较短，故其在还田第2年的百粒重和产量低于第1年。结合2年的表6秸秆腐解及其热转化产物对玉米产量的影响Table 6Effect of stover decomposition and its thermal transformation products on corn yield年份20192020处理ckCSHCSBCASHCHZXHZckCSHCSBCASHCHZXHZ穗行数14.001.10a14.001.00a14.330.58a14.670.58a14.330.58a14.000.00a14.001.00a14.000.00b14.330.58ab14.330.58ab15.000.00a14.670.58ab14.330.58ab14.330.58ab行粒数33.330.52c34.671.53bc36.670.58a38.001.00a36.331.15ab34.330.58c34.671.53bc35.171.17c36.001.00bc37.331.15b39.330.58a37.670.58b35.330.58c36.001.00bc百粒重/g33.031.24c35.671.89bc37.491.11ab39.111.11a37.431.05ab35.130.32c36.090.39bc34.980.90d37.070.05bc38.351.05bc40.291.29a38.470.41b36.500.27c37.280.29bc每盆产量/kg0.160.02d0.170.01bcd0.200.02ab0.220.01a0.190.01bc0.170.01cd0.180.02bcd0.170.01c0.190.01bc0.210.01b0.240.01a0.210.01b0.190.01c0.190.01bc48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 University试验结果可以看出，添加秸秆生物质炭和秸秆灰对玉米产量的影响主要表现在增加行粒数和百粒重上，从而达到增产的效果。秸秆热转化产物优于其他处理是因为秸秆经过高温焚烧后，颗粒细碎且均匀，施入土壤后调节了土壤的水分和空气，提高土壤的蓄水保墒能力18，从而增强了微生物的活性，促进了养分的转化及玉米根系的发育，为玉米的生长提供了良好的环境。刘伟刚19研究表明，与秸秆不还田相比，连续7年的秸秆还田增加了冬小麦地上部分生物量，茎叶生物量平均增加了3.5%，颖壳生物量平均增加了3.3%，收获指数无显著变化，且添加秸秆腐熟剂更易提高土壤养分，增加冬小麦产量。Huang等2研究表明，生物质炭可以显著提高土壤养分，促进植株的生长，从而增加玉米产量。张熙栋等20研究表明，添加生物质炭可以改善土壤的理化性质，促进土壤阳离子的吸附21，增加土壤的速效养分，从而促进玉米植株的生长。而宋朝玉等22研究表示，玉米秸秆经长时间还田后，土壤中 K 含量增加，而 P 含量变化不大。本研究结果与其有不同之处，可能归因于土壤类型或试验时间的差异。3.2秸秆腐解及其热转化产物对土壤腐殖质的影响本试验结果表明，BC处理显著增加了土壤的SOC 和各腐殖质组分 C 含量，HA-C 和 HM-C 含量呈上升趋势，FA-C与之相反。施入生物质炭能增加土壤HA-C和HM-C含量以及PQ值，这可能是由于生物炭是富碳材料，将其施入土壤相当于直接向土壤中输入外源有机质，可以直接增加土壤有机碳含量；此外，生物炭是具有较大比表面积的高碳芳族物质，因此它可以将有机物吸收到土壤中，并形成稳定的碳保护机制23；而且当生物质炭进入土壤后，其脂族碳部分容易矿化，转化为HA等物质，从而改善土壤腐殖质组分，提高土壤的 PQ值24；还有可能因为生物质炭的加入，刺激了土壤酶25，为微生物的代谢循环提供了良好的条件，微生物活性增强，加速了土壤中动植物残体向腐殖质的转化，从而影响了土壤腐殖质组分的变化26。Song等27的研究也证明了这一观点。Pei等28研究表明，经生物质炭改良的土壤，微生物活性增强，土壤呼吸速率明显提高，土壤有机碳的含量及其利用率得到很大提升，进而加强了土壤的固碳与培肥能力。Yang等29研究发现，在水稻土中施加生物质炭可以有效降低有机碳的释放，改善土壤中不稳定的碳，从而提高土壤有机碳的转化与固定，使土壤性质向良性发展。除了生物质炭，施加秸秆灰也可以改善腐殖质组成，秸秆灰可以促进土壤的氧化还原，提高土壤中酶的含量，加强微生物的活性，从而促进了土壤中动植物残体向腐殖质的转化30；且 ASH 处理在试验第2年更有利于土壤有机碳提高，这是由于土壤中微生物的活性及其频繁的转化，加速了秸秆灰的分解31，使得HM、HA的含量以及PQ值随着还田时间的增加均有不同程度的上升，且随着还田时间的延长，会使得大量的 FA 转化缩合形成HA32，进而增加了土壤的PQ值。汪婷婷等33研究表明，秸秆灰中植物必需的营养元素具有良好的水溶性和枸溶性，其中约50%的钾、25%的钙和镁、37%的铁可以被作物吸收，具有良好的肥料效应。且秸秆灰可以替代草炭作为番茄育苗的基质34。未来在常规的短期种植中，建议施加生物质炭，但炭化生产设备具有产量低、能耗高、寿命短的问题，故可以施用玉米秸秆灰代替生物质炭，关于长期理想的选择还需要在田间试验开展长久、深入的研究。本试验结果表明，与ck相比，施用生物炭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，且BC处理也显著增加了土壤SOC及其腐殖质组分胡敏酸和胡敏素碳含量，提高了PQ 值，BC处理对土壤培肥效果最好，其次是施加秸秆灰处理。参考文献：1 石祖梁.中国秸秆资源化利用现状及对策建议 J.世界环境，2018（5）：16-18.2 Huang W，Wu J F，Pan X H，et al.Effects of long-term straw return on soil organic carbon fractions and enzyme activities in a double-cropped rice paddy in South China 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