生物炭施用对夏填闲甜高粱氮素吸收及土壤氮层间运移的影响

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  摘    要:集約化设施土壤氮素积累日益严重,导致土壤氮素环境风险增大。试验不同用量水平生物炭,即0%,0.5%,2%,4%,8%等5个处理,研究生物炭施用对夏填闲甜高粱氮素吸收及土壤氮素变化的影响。结果表明,随着生物炭用量增加,饲用甜高粱总生物量和总吸氮量呈现先增加后减少的趋势,2%生物炭处理吸收设施土壤氮素效果最好,吸氮量为194.95 kg·hm-2,0.5%生物炭处理次之,吸氮量为158.54 kg·hm-2。甜高粱种植前后,土壤全氮含量和土壤硝态氮含量均显著降低,减少幅度也是先增大后减小,其中2%和0.5%生物炭处理对土壤氮层间运移有良好阻控效果。5个生物炭处理中,全氮含量在2%生物炭处理降幅最大为35.49%,土壤表层硝态氮含量亦以2%生物炭处理降幅最大为69.7%,0.5%生物炭处理次之,为65.4%。综上,在本试验条件下,0.5%~2%生物炭施用水平对降低设施土壤氮素环境风险有显著效果。
  关键词:生物炭;设施土壤;氮素吸收;运移
  中图分类号:S514;S156.2                 文献标识码:A                DOI 编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2021.03.011
  Effects of Biochar Application on Nitrogen Absorption of Summer Catch Sweet Sorghum and Nitrogen Transport Between Soil Layers
  QIAO Yazhen, WANG Dafeng, LU Shuchang, LI Xiawen, TAN Tingting, CHEN Lin, LIN Zixin, GUO Rong
  (College of Agronomy and Resource Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China)
  Abstract:Soil nitrogen accumulation in intensive facilities is becoming more and more serious, which leads to the increase of soil nitrogen environmental risk. The experiment was conducted with biochar and sweet sorghum, five different biochar levels including 0%, 0.5%, 2%, 4%, and 8% were set, and the effects of biochar application on nitrogen absorption of sweet sorghum and soil nitrogen change were studied. The results showed that with the increase of biochar dosage, the total biomass and nitrogen uptake of forage sweet sorghum showed a trend of first increase and then decrease, 2% biochar treatment had the best effect of absorbing soil nitrogen, and the nitrogen uptake was 194.95 kg·hm-2, followed by 0.5% biochar treatment, which was 158.54 kg·hm-2.Before and after planting sweet sorghum, soil total nitrogen content and soil nitrate nitrogen content decreased significantly, and the reduction range also showed a trend of increased first and then decreased, in which 2% and 0.5% biochar treatment had a good control effect on soil nitrogen interlayer transport.Among the five biochar treatments,the total nitrogen content of 2% biochar treatment decreased by 35.49%,the surface nitrate nitrogen content in 2% and 0.5% biochar treatment decreased by 69.7%, 65.4%, respectively.In comprehensively, 0.5%-2% biochar application level werethe optimal level, which had a significant effect on reducing the environmental risk of nitrogen in greenhouse soil.
  Key words: biochar; greenhouse soil; nitrogen absorption; transport   近年来,我国设施蔬菜产业发展迅猛,设施菜田面积不断增加[1]。在生产方式高度集约化的背景下,土壤氮肥过度使用,施用量远远超过作物生长所需,施入农田中的氮肥,当季被作物利用的仅有30%~40%[2],未被植物吸收和利用的养分,大部分残留在土壤中,导致作物根层长期处于富氮状态,氮素淋洗加剧,造成土壤酸化、面源污染等环境生态问题[3-4]。我国华北地区雨季主要集中在夏季,夏季敞棚休闲期已成为我国北方设施菜地土壤硝态氮淋失的重要时期[5]。针对设施蔬菜生产中土壤氮累积问题,不同学者提出了多种改良措施。Vos等[6]认为填闲作物指主要作物收获后在多雨季节种植作物,用以吸收土壤氮素、降低耕作系统中的氮淋溶损失;施用土壤调理剂改善土壤质量,如添加生物炭可减少硝态氮的淋溶,提高土壤氮素固持能力[7]。填闲作物一般都具有数量可观的地上部和地下部生物量[8],可通过根系吸收固定一部分土壤氮素。种植填闲作物可以降低氮素淋失,增加营养和有机质,改善土壤结构[9-10]。
  近年來,有研究通过施用生物炭等土壤调理剂可以解决设施蔬菜生产中土壤氮环境风险问题。陈温福等[11]将农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解而形成的稳定的富碳产物称为生物炭。生物炭吸附性强且为多孔结构,能够扩大土壤中的氮容量并束缚氮的移动,减缓氮的淋洗[12-13]及土壤中的养分释放速度,显著改善土壤理化性状。
  目前,用填闲以减少氮素淋洗的研究多集中在不同填闲作物对土壤氮吸收及氮变化的影响上,效果有限,而在施用生物炭以减缓土壤氮素淋洗的研究当中,对施用量的研究尚不深入,其最佳用量有待明确。基于此,本试验提出在夏季休闲期种植饲用甜高粱,并结合施用不同水平生物炭,探究甜高粱的氮素吸收以及土壤中氮素运移影响情况,确定适宜的生物炭用量,旨在为解决设施土壤氮素面源污染问题、降低环境风险提供参考依据。
  1 材料和方法
  1.1 试验区概况
  试验区位于天津市武清区大孟庄镇后幼庄村,土壤质地为中壤土,夏季7—8月为休闲季。冬春茬蔬菜施肥量大,有机肥投入量比较大,秋冬茬叶菜施肥量较低。试验前耕层土壤养分情况:土壤全氮平均含量为4.56 g·kg-1,硝态氮平均含量60.83 mg·kg-1,土壤养分含量较高,氮累积比较严重,存在氮环境风险。1.2 供试材料
  供试作物:饲用甜高粱,品种为‘甜杂2号’,天津农学院自育品种,种植密度为15.0万株·hm-2,株行距为13 cm×50 cm。
  供试调理剂:木本源生物炭,含碳量60%,购于中向国际有限公司。
  1.3 试验设计
  试验在2020年冬春茬番茄收获后进行,试验按生物炭的施用量设计5个处理,分别为C1(0%)、C2(0.5%)、C3(2%)、C4(4%)、C5(8%),每个处理3次重复。试验时间为2020年6—8月,整个过程不施加任何肥料。
  1.4 测试方法
  生物量:收获后,将饲用甜高粱分部位称质量,其中根生物量为土壤 0~20 cm 土层根质量,计算根和地上部的鲜质量比率,以折算小区的根和地上部总鲜质量。同时在烘箱内105 ℃下杀青1 h,然后在75 ℃烘干至恒质量,称其干质量并计算干生物量,并制备相应样品,测定不同部位含水量,最后计算不同部位干生物量( 下文所有生物量均为干生物量) 。土壤全氮采用硫酸消煮,凯氏定氮法;土壤硝态氮采用氯化钙溶液浸提,紫外分光光度法。根据公式计算植物吸氮量。
  植物吸氮量=收获植株的干生物量×含氮量
  1.5 统计分析
  数据采用Excel 2010方法进行数据处理,采用SPSS 17.0软件进行统计分析。
  2 结果与分析
  2.1 不同处理饲用甜高粱生物量状况
  由图1可知,从地上部分看,随着生物炭施炭量的增加,生物量先增加后减少,其中C3生物量最高,为7 050.15 kg·hm-2,显著高于其他处理(P<0.05);根部状况与地上部状况一致,亦表现为C3处理显著优于其他处理(P<0.05)。各处理总干生物量表现为C3>C2>C4>C5>C1,处理间差异显著(P<0.05)。在甜高粱干生物量中,各个处理均为地上部干生物量占比最大,其中C3处理即2%生物炭施用水平可获得最大地上、根系及总生物量。
  2.2 不同处理饲用甜高粱氮素吸收状况
  由表1可知,地上部吸氮量显著高于地下部吸氮量,不同处理下饲用甜高粱各部位的吸氮量均以C3处理为最高,其总植株吸氮量为194.95 kg·hm-2,其次是C2处理,为158.54 kg·hm-2;各处理对氮素吸收量表现为 C3>C2>C4>C5>C1,其中除C4和C5差异不显著(P>0.05)外,处理间差异均显著(P<0.05)。
  2.3 不同处理设施土壤氮素状况
  2.3.1 设施土壤表层全氮含量状况 如图2所示,不同处理种植饲用甜高粱对设施土壤表层全氮含量均有显著降低,降幅为4.24%~35.49%,说明种植填闲饲用甜高粱有利于降低设施土壤表层的氮素含量。该试验地点长期进行定位试验,长期不同施肥方式可能导致了种植前土壤全氮含量的不同。种植前后土壤全氮变化表现为:C3>C2>C4>C5>C1,其中,C3处理种植饲用甜高粱前后表层土壤的全氮含量变化最大,说明2%生物炭施用水平可以更好地降低设施土壤全氮含量。
  2.3.2 设施土壤表层硝态氮含量状况 如图3所示,各个处理均能显著降低0~30 cm土层土壤硝态氮含量,其中C3处理降低幅度最大,为69.7%,其次是C2处理,降低了65.4%,C1处理降低最低,为20.6%。说明C3处理即2%生物炭水平施用下种植饲用甜高粱能更好降低表层硝态氮含量。   2.3.3 饲用甜高粱种植前后设施土壤硝态氮层间运移状况 如图4所示,种植饲用甜高粱后不同土层中硝态氮含量与种植前相比大多都有所降低。其中,0~30 cm硝态氮含量降低幅度最大的为C3处理,30~60 cm和60~90 cm降低幅度最大的为C4处理,90~120 cm土层中硝态氮降幅最大的处理是C1;除C4处理90~120 cm土层硝态氮含量较种植前有所增加以及C1在30~60 cm土层硝态氮有部分上升外,其他处理较种植前均有所降低。4个土层硝态氮降幅的总值及平均值变化趋势均为C3>C2>C4>C5>C1,其中最佳处理为C3,即2%生物炭施用水平下硝态氮含量降低最为明显。
  3 结论与讨论
  本研究发现,随着土壤中生物炭含量的增加,作物的生物量和吸氮量均呈现先增加后减少的趋势,即在一定范围内施加生物炭可以促进饲用甜高粱的生长,这与余端等[14]的研究结论一致;从设施土壤氮素含量变化情况来看,2%生物炭施用水平下种植饲用甜高粱可以更好地降低设施土壤全氮含量以及表層硝态氮含量,而0.5%生物炭施用水平下效果仅次之。同时,饲用甜高粱硝态氮其他土层含量种植后较种植前相比均有所降低,说明施用生物炭均能显著降低设施土壤硝态氮含量,降低设施土壤氮素环境风险;李建荣等[15]研究土壤中8 t·hm-2生物炭促进植株生长发育、提高作物产量较为合适的选择,与本实验最佳用量不同,考虑其原因可能是由于其研究是与氮肥共同施用,且种植作物为玉米,所以产生用量的不同;种植甜高粱前后C4(4%)处理90~120 cm土层硝态氮含量较种植前有所增加,可能是在作物生长过程硝态氮出现了向下淋洗的问题,C1(0%)在30~60 cm土层硝态氮有部分上升,可能是由于在作物生长过程中出现了硝态氮的积累。
  从饲用甜高粱生物量、吸氮量来看,C3处理较好,即2%生物炭施用水平下能更好的促进饲用甜高粱生长,在土壤氮运移方面,C3(2%)处理较好,C2(0.5%)处理次之,能够很好的阻控土壤氮素层间运移,有效降低设施土壤氮素环境风险。综合来看,0.5%~2%生物炭水平为适宜水平。
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