生物质炭施用两年后黄淮海平原黄潮土土壤性质、作物产量及温室气体排放的变化

【摘要】：世界农业正面临提高土壤生产力、降低温室气体排放和应对气候变化的严峻挑战。近年来,包括作物秸秆的生物质废弃物热裂解生产生物质炭的产业化技术日益成熟,但其农田施用后对土壤性质、作物产量与温室气体减排的作用及其可持续性认识还不充分。本研究以黄淮海平原典型的低产土壤—石灰性黄潮土为研究对象,研究生物质炭田间试验下施用2年后对旱地作物(施用后第4季小麦和第5季玉米)土壤性质、作物产量和养分吸收以及温室气体排放的变化,分析探讨一次性施用下生物质炭效应的多年可持续性,期望为合理施用生物质炭改良土壤和推进农业生物质炭应用提供科学依据。研究围绕2010年开始的河南商丘旱地土壤—作物生物质炭田间试验,处理为不同用量(0、20和40 t ha-1)生物质炭,生物质炭于当年小麦收获后施入,其后进行常规农业生产。前期已经对生物质炭施用后第1季玉米和第2季小麦进行了土壤性质、作物产量和温室气体排放的观测研究。本研究于2011年10月--2012年9月对该田间试验进行了第4季小麦和第5季玉米的土壤采样分析和温室气体排放的监测,并结合前期结果,分析讨论生物质炭施用2年后的土壤改良和作物生产以及温室气体减排的变化。主要研究结果如下：(1)土壤性质的变化：施用生物质炭处理对土壤pH、碱解氮和速效磷含量均无显著影响,但显著提高了土壤有机碳和速效钾含量,且随着生物质炭用量的增加而增加。与对照处理相比,生物质炭用量20和40 t ha1下土壤有机碳分别提高了18.44%和30.95%(小麦季),24.23%和36.65%(玉米季)；速效钾分别提高了41.67%和66.67%(小麦季),36.36%和90.91%(玉米季)。生物质炭施用量为20和40 t ha-1时,小麦季土壤全氮含量比对照分别增加了7.69%和10.00%,而玉米季未观测到变化。生物质炭施用量为40 t ha-1时显著提高了玉米季土壤水分含量,同时土壤容重显著降低。生物质炭处理对土壤NH4+-N具有一定的吸附作用,但对N03-N含量无显著影响。(2)作物产量和养分吸收：生物质炭施用对作物产量无显著变化,但显著影响了小麦和玉米对养分的吸收。与对照处理相比,生物质炭用量20和40 t ha-1下小麦茎叶中氮含量分别增加了27.39%和34.42%,而玉米茎叶中氮含量仅在20 t ha-1下显著增加了30.71%。施用生物质炭对小麦和玉米茎叶中磷和钾含量及籽粒蛋白质含量均无显著影响。生物质炭施用量为20和40 t ha-1时,小麦茎叶和植株氮累积量分别较对照显著增加了35.14%、48.15%和8.71%、11.98%,而玉米植株各部分的氮累积量无显著变化。(3)温室气体排放：生物质炭一次性施用2年后第5季玉米土壤CO2和CH4排放均无显著变化,但生物质炭处理降低了土壤N2O排放,进而降低了全球增温潜势(GWP(CH4+N2O))和温室气体碳排放强度(GHGI)。当生物质炭施用量为40 t ha-1时,N2O、GWP(CH4+N2O)和GHGI对照分别降低了31.54%、31.62%和37.69%。生物质炭一次性施用2年后土壤有机碳和速效钾含量仍比对照显著提高。同时,土壤N2O排放、全球增温潜势和温室气体碳排放强度仍显著降低。生物质炭的这种效应随着施用量的增加而增强,在用量40 t ha-1下其持续效应具有显著的稳定性。联系前期研究结果,本田间试验5个作物季内,生物质炭对提高土壤有机碳、速效钾和保水性以及降低土壤容重具有持续的稳定性,尽管施用3年内生物质炭对作物产量没有显著影响。因此,生物质炭的施用可作为低产旱地改善土壤质量和稳产低碳的一种有效持续的技术途径。同时,这种土壤上生物质炭改良一次性施用可以持续3年,为合理施用生物质炭改良土壤提供了参考。