2019 年 11 月灌溉排水学报第 38 卷第 11 期 Nov. 2019 Journal of Irrigation and Drainage No.11 Vol.38 文章编号 :1672 3317(2019)11 0022 06 添加生物炭对降低冬小麦幼苗盐害并 促进其生长的效果研究 校康 1, 孙亚乔 1*, 马卫国 2 (1. 长安大学环境科学与工程学院旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室, 西安 710000; 2. 蒲城县第三高级中学, 陕西渭南 715505) 摘要 : 黄河三角洲盐碱农田具有 盐 板 瘦 的特点, 以 NaCl 为主要成分的盐渍危害直接影响着滨海土壤质量 生物炭添加可改善土壤性质, 促进作物生长 目的 明晰炭添加对盐渍土盐分离子和冬小麦幼苗生长的影响 方法 研究依托田间试验探究了低剂量 (0~4 g/kg) 的芦苇炭添加对盐渍土盐离子 麦苗体内钾钠比 钾素利用率及幼苗生物量的影响 结果 施用生物炭可降低土壤溶液中的盐离子 增加冬小麦幼苗体内钾钠比和麦苗钾素利用率, 有助于提升幼苗生物量 ; 以 4 g/kg 炭添加量下的降盐 增量效果最为明显 土壤溶液中的 Na + 较 CK 降低了 9.43%, 幼苗 K/Na 和钾素利用率分别提升了 56.80% 和 25.48%, 麦苗生物量增加了 15.72% 结论 炭添加可通过固持土壤溶液中的 Na + 提升麦苗 K/Na 和钾素利用率来促进其生物量的增加 研究可为生物炭用于盐渍土改良的降盐培肥和增效增产的过程机理提供理论依据, 为生物炭用于盐渍化土壤改良的可行性提供初步指导 关键词 : 离子固持率 ; 钾钠比 ; 钾素利用率 ; 麦苗生物量 ; 芦苇炭中图分类号 :S512.1 +1 文献标志码 :A doi:10.13522/j.cnki.ggps.20190200 校康, 孙亚乔, 马卫国. 添加生物炭对降低冬小麦幼苗盐害并促进其生长的效果研究 [J]. 灌溉排水学报,2019, 38(11):2227. 0 引言 [12] 黄河三角洲是由黄河携带泥沙在入海口淤积而成的新生陆地, 是我国三大河口三角洲之一 该区 [34] 地下水埋深较浅 矿化度高, 受区域地形影响, 盐水不便排出 ; 而沉积土壤又以砂土为主, 强烈的毛管作用使得地下水的盐分表聚明显 其中, 以 NaCl 为主要成分的盐渍危害, 严重限制当地农业经济收益和可持 [57] 续发展 一般认为, 有机质量低是制约盐渍土生产力的主要原因之一, 可通过添加外源有机质 ( 如秸秆 [89] 腐殖酸 生物炭等 ) 来改良盐碱地 近年来, 被誉为 黑色黄金 的生物炭, 已成为护理土壤健康的优良材料 其是由生物质在缺氧条件下经高温热裂解生成的孔状物质, 具有比表面积大 含氧活性基团多和营养 [10] [11] 元素丰富等特性 ; 可用于改善土壤 提升肥力, 也可用于增加土壤碳汇 减少 N 2O 和 CH 4 等温室气体的排 [1213] 放 目前, 关于生物炭添加对盐渍土改良的报道较少, 且多集中在室内试验或盆栽试验阶段 较为一致的 [14] 结论有 : 生物炭添加对土壤物理性质 ( 如土壤水分 体积质量 团聚体 ) 影响较大, 而对土壤 ph 全盐量的影 [15] [1617] 响较小 生物炭添加后主要是通过离子交换和络合反应来降低土壤盐分危害 在黄河三角洲滨海盐渍土区, 以 NaCl 为主要成分的盐渍危害对土壤质量和作物生长极为不利, 尤其在冬小麦生长的积盐和返盐期 当前, 立足田间试验来探究添加生物炭对该阶段土壤盐分离子和作物生长的影响很少报道, 而这一作用过程对于明晰生物炭影响冬小麦幼苗生长 乃至后期的灌浆 结实过程都尤为重要 为此, 选取黄河三角洲滨海盐渍土, 通过添加芦苇炭, 比较分析了低剂量芦苇炭施用对盐渍土盐分离 22 收稿日期 :20190502 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (41877190) 作者简介 : 校康 (1995), 女, 陕西渭南人 硕士研究生, 主要从事土壤改良相关研究 Email: kxiaocau@163.com 通信作者 : 孙亚乔 (1977), 女, 浙江绍兴人 副教授, 主要从事水文地球化学和生态环境保护研究 Email: sunyaqiao @126.com
子 作物体内 K/Na 植株钾素利用率及麦苗生物量的影响 旨在从炭品固钠 作物泌钠汲钾过程揭示生物炭促麦苗生长的作用机理, 为生物炭用于盐渍土改良提供一定理论依据和技术支撑 1 材料与方法 1.1 试验材料研究区位于神仙沟流域, 地处东营市河口区, 其地理位置为北纬 37 56 42 37 56 59, 东经 118 41 03 118 41 41 该地区属暖温带大陆性季风气候, 冬寒夏热, 四季分明, 年平均气温 12.3, 年平均降水 [18] 量 692 mm, 且降雨多集中在夏季 该区地势南高北低, 西高东低 由于长期受海水浸渍, 该区域土壤以盐化潮土和滨海盐土为主, 深层土壤较浅层土壤含盐量高, 且基本盐分组成为钠型氯化物, 该区域地下水矿化度 10~40 g/l, 高达 200 g/l [1920] 本试验地块位于黄河三角洲综合训练基地农业用地开发利用试验场, 试验地块内布设有试验小区, 小区规格为 2 m 10 m, 各小区随机排列, 共计 16 个试验小区 于 2017 年 9 月秋收时按 S 形线路在试验小区采集耕层 (0~20 cm) 土壤, 带回实验室经处理后进行土壤基本性质测定, 测定土壤 ph 值为 8.15, 全盐量为 2.80, 有机质量为 6.30 g/kg,na + K + Ca 2+ Mg 2+ Cl 2 SO 4 量分别为 12.33 3.26 [2122] 8.43 3.47 13.33 2.42 mmol/kg 试验所需的生物炭为田间制备的芦苇炭, 其基本离子量如表 1 所示 表 1 芦苇炭离子量 mmol/kg 供试材料 Na + K + Ca 2+ Mg 2+ Cl SO4 2 芦苇炭 364.73 407.58 259.16 57.44 299.46 42.63 试验设 CK( 对照, 不添加生物炭 ) T1(1 g/kg 炭添加量 ) T2(2 g/kg 炭添加量 ) 和 T3(4 g/kg 炭添加量 ) 处理, 每个处理设 4 个重复, 炭添加剂量以 0~20 cm 土层风干土混合生物炭 ( 粒径 1 mm) 计 1.2 试验方法试验小区冬小麦播种时间为 2017 年 10 月 15 日, 供试冬小麦品种为济麦 22, 种子百粒质量为 4.70 g, 播种量 188 kg/hm 2, 犁沟间距 15 cm, 播种采用旋耕松土 (2 次,20 cm/ 次, 旋耕过程中可将土壤与生物炭充分混匀 ) 犁沟下播的方式进行 冬小麦苗期采样在 2018 年 3 月 12 日进行 麦苗生物量采用刈割 质量法获取, 具体操作为,2018 年 3 月, 采用 1 m 1 m 样方结合五点采样法在试验小区采集冬小麦的地上部分样品, 每个小区共计 5 个样点, 样品采集完成后, 置于纸质信封袋中保存 105 杀青 15 min 后 85 烘干 4 h, 称质量, 算数平均后换算为单个小区麦苗生物量 之后, 采用粉碎机粉碎后过 100 目筛保存 幼苗采集结束后, 同时在各样方采集 0~20 cm 土层土壤, 取 5 个样方混合土样, 作为各处理土壤样品 1 土壤的 ph 值用 ph 计 (FiveEasy Plus,METTLER TOLEDO) 测定, 土壤浸提液的土水比为 1 5;2 土壤或生物炭的阳离子 (Na + Ca 2+ Mg 2+ K + ) 和阴离子 (Cl 2 SO 4 ) 使用离子色谱进行测定 (ICS3000,Dionex), 土壤浸提液的土水比为 1 5;3 植物样品经 H 2SO 4H 2O 2 消解后, 采用 ICPMS(PerkinElmer(Hong Kong)Ltd) 测定植物体内全钾量 全钠量 试验所涉及的计算公式如下 : 离子固持率 (Immobilization rate, IR), 用以指示炭 土体混合体系对土壤溶液中离子的交换 吸附或络合 的能力, 其计算式为 : IR (%) ( ) = n + n b s n bs 100, (1) n b + n s 式中 :IR 为离子固持率 (%);n b 为生物炭所含离子总的物质的量 (mmol);n s 为盐渍土所含离子总的物质的量 (mmol);n bs 为炭 土混合体系中所含离子总的物质的量 (mmol) 植株钾素利用率 (Potassium use efficiency,pue), 用于指示冬小麦吸收的钾素对于麦苗生物量的贡献率, 其计算式为 : PUE = B C, (2) 式中 :PUE 为植株钾素利用率 (kg/kg);b 为麦苗生物量 (kg);c 为麦苗体内的全钾量 (kg) 研究采用 Excel 2013 进行基础数据处理与图件绘制, 采用 SPSS 17.0 进行统计分析, 对各处理间的数据作单因素方差分析 (Oneway ANOVA,Duncan 法 ) 23
2 结果与分析 2.1 生物炭促进土壤降盐的过程 自冬小麦种植至幼苗生长阶段, 伴有较为强烈的表土积盐和返盐过程, 而此过程又无灌溉措施压盐, 直 接威胁冬小麦幼苗生长 离子固持率的分析结果表明 ( 表 2), 生物炭添加具有固持土壤溶液中阳离子, 降低 其量的作用 随生物炭用量的提高,Na + K + Mg 2+ 和 Ca 2+ 的固持率平均提高且各处理间差异显著 ; 以 K + 的固 持效果最为明显 土壤溶液中离子量的降低有助于缓解溶液渗透压, 促进作物吸收水分和汲取养分 生物 炭添加后土壤溶液中阳离子量的降低可能是由于生物炭具有较大的比表面积 (30 g/m 2 ) 和较多羧基 (1 009 [22] mmol/kg) 酚羟基 (450 mmol/kg) 含氧官能团, 可有效吸附 Na + 并释放 H + ; 相反, 生物炭添加后土壤溶液中 阴离子出现较小幅的溶出, 这可能与生物炭本身含有较多的 Cl 和 SO 4 2, 且阴离子交换能力弱有关 [17] 处理 CK T1 T2 T3 Na + 注各列不同小写字母表示差异达 5% 显著水平 1.77 ±0.03a 4.21 ±0.06b 9.43 ±0.06c 2.2 生物炭促进作物减害的过程 K + 9.02±0.01a 19.19±0.02b 32.04±0.02c 表 2 添加生物炭影响下的离子固持率 % Mg 2+ 1.73±0.01a 4.80±0.02b 5.04±0.01c Ca 2+ 3.96±0.03 7.00±0.03 8.57±0.02 Cl 0.35±0.03a 0.99±0.05b 2.45±0.02c SO4 2 1.62±0.00a 1.08±0.01b 4.12±0.01c 添加生物炭对冬小麦幼苗体内钾钠比的影响结果表明 ( 图 1), 冬小麦幼苗体内的钾钠比呈随芦苇炭添 加量增加而上升的规律, 且各处理间差异显著 较 CK 而言,1 2 4 g/kg 生物炭添加量下冬小麦幼苗体内的 钾钠比分别增加了 23.18% 45.15% 和 56.80% 这表明添加低剂量的生物炭便具有提升植株体内钾钠比的 作用 钾钠比可用于反映作物吸收钾和钠的能力, 钾钠比越高, 说明作物吸收 K + 并挤脱 Na + 的能力越强 钾 是植物生长所需的必须营养元素之一, 而过量的钠则会引起植株细胞渗透压的增加, 导致植物生理干旱, 抑 制其生长 可见, 添加生物炭有助于吸钾泌钠, 促进作物生长 添加生物炭可降低土壤溶液中 Na +, 提高土 壤溶液中 K + 量 [2324] 图 1 添加生物炭对冬小麦幼苗体内钾钠比的影响 图 2 添加生物炭对冬小麦幼苗钾素利用率的影响 2.3 生物炭促进作物增效的过程图 2 反映了添加生物炭对冬小麦幼苗钾素利用率的影响 由图 2 可知, 增加生物炭用量有助于提升冬小麦幼苗钾素利用率 如 1 2 4 g/kg 添加生物炭量下冬小麦幼苗钾素利用率较 CK 分别增加了 10.50% 14.84% 和 25.48%, 且各处理间有较大差异 植株钾素利用率反映了作物吸收的钾素对于冬小麦幼苗生物量的相对贡献率, 施用生物炭有助于提升冬小麦幼苗钾素利用率, 这将有利于后期作物生长 植株钾素利用率的提升与炭添加后土壤固持并缓释 K +, 植株吸钾泌盐的过程密切相关 2.4 冬小麦苗期生物量变化特征添加生物炭 (1 2 4 g/kg) 可逐步提升冬小麦幼苗生物量, 尤其是 4 g/kg 添加生物炭量下冬小麦幼苗生物量得到了有效提升, 较 CK 高出 15.72%, 且作用效果尤为明显 苗壮则高产, 幼苗生物量的提升将有助于后期冬小麦的生长和增产 冬小麦幼苗生物量的增加与添加生物炭下土壤盐分离子的降低 冬小麦幼苗体 24
内钾钠比的升高 植株钾素利用率的提升是相互联系的 土壤溶液中的盐分离子的降低是基础, 生物炭补 充的丰沛的 K + 是关键, 这些作用直接促进了幼苗钾钠比的升高和钾素利用效率的提升, 促进了麦苗生物量 的增加 图 3 添加生物炭对冬小麦幼苗生物量的影响 3 讨论 以降盐或增产为目的的水盐调控措施已有较多研究 但当前黄河三角洲地区面临着环境日趋干旱和 淡水资源紧缺的现状, 引水压盐措施将难以为继, 盐分管理需要新的思路和理念 [25] 通过添加外源有机物可降低土壤含盐量 调节土壤溶液离子组成, 有助于该地区盐碱农田改良 作为 由黄河三角洲当地的生物质制成的富含碳素和充沛 K + 的生物炭, 不失为增加土壤碳库和调节土壤溶液中盐 分离子组成较为优选地绿色环境材料之一, 有望为黄河三角洲盐渍土改良提供新的思路和技术选项 生物 炭因具有疏松多孔的结构和比表面积大 阳离子交换能力强的特征, 将其施加到盐碱农田, 可改善土壤孔隙 度 土壤抗氧化酶活性 土壤入渗性能 土壤含盐量和土壤溶液离子组成, 进而提高作物产量 [2628] 如 : 岑睿 [29] 等发现施加生物炭 ( 施加量 30 t/hm) 到黏土后, 耕作层土壤含水率 土壤累积入渗量分别增加了 8.90% [30] [31] [32] 45.45%; 黄哲等 王浩等以及张圣也发现生物炭添加可改善土壤抗氧化酶 ( 超氧化物歧化酶 (SOD) 过 氧化物酶 (POD)) 活性 控制土壤水分蒸发, 提高土壤保水能力和水分有效性, 且以低剂量添加对土壤水环 [33] 境 土壤抗氧化酶活性的改善效果最为明显 ; 朱成立等发现生物炭能缓解微咸水灌溉条件下土壤盐分表聚 [34] 现象, 使叶片 K/Na 比升高, 缓解盐胁迫造成的离子毒害 ; 冉成等通过用生物炭处理水稻田, 使水稻田年生 物产量增加了 50% 左右 不难看出, 添加生物炭在提高土壤保水能力 土壤含水率 土壤抗氧化酶活性等方 面较有优势, 可为作物生长与增产创造有利因素 本研究主要针对冬小麦苗期 ( 伴随着冬季隐蔽性积盐和春季返盐过程 ), 选取富含 K + 的芦苇炭为原材 料, 通过添加低剂量的芦苇炭从离子层面探讨了其在调节土壤溶液离子组成及含量的作用 在此基础上, 引入 K/Na 和钾素利用率从降低植株盐分危害和提升钾素利用率的角度探讨了富钾生物炭在植株减害和养 分增效方面的作用, 并选取植株生物量为指示指标, 验证了其作用效果 生物炭添加下土壤溶液离子量得 以降低 幼苗体内钾钠比和钾素利用率明显提升, 这助力了冬小麦幼苗生物量的增加, 且生物炭量越高, 改 善效果越显著 ; 以 4 g/kg 炭添加量最为优越 含盐量高导致植株钾素利用率低可能是限制盐渍土作物产量 的又一因素, 合理施用富钾生物炭可有效调节土壤溶液离子组成及含量, 提升植株体内钾钠比和钾素利用 率, 从而提高盐渍土上的植株生物量 4 结论 1) 添加生物炭具有固持土壤溶液中阳离子, 降低其离子量的作用 2) 添加生物炭具有提升麦苗体内钾钠比和钾素利用率的作用 3) 添加生物炭下土壤溶液离子量得以降低 幼苗体内钾钠比和钾素利用率明显提升, 助力了冬小麦幼 苗生物量的增加, 其效果以 4 g/kg 炭添加量最为明显, 较 CK 高出 15.72% 25
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Effects of Biochar for Abating Salt Stress and Promoting Seeding Growth of Winter Wheat in a Saline Soil XIAO Kang 1, SUN Yaqiao 1*, MA Weiguo 2 (1.School of Environmental Science and Engineering, Chang an University, Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education, Xi an 710000, China; 2. Third Middle Schoolof Pucheng, Weinan 715505, China) Abstract: The surface soil of the Yellow River Delta is rich in salt, which makes the soil salinized, compact and barren. The salinization hazard with NaCl as the main component directly affects the quality of coastal soil. Adding biochar to salinealkali farmland can improve soil properties and promote crop growth. Objective The purpose of this paper is to clarify the changes of soil salt ions and winter wheat seedling growth after adding biochar to saline soil. Method A field experiment was conducted to investigate the effects of low dose (0~4 g/kg) of Reed carbon on soil salt ions, potassium sodium ratio in wheat seedlings, potassium utilization efficiency and seedling biomass. Result The application of biochar could reduce the salt ions in soil solution, increased the potassiumsodium ratio in the winter wheat seedlings and the potassium use efficiency of the wheat seedlings, and increased the seedling biomass of winter wheat; The salt reduction and the incremental effect under the addition of 4 g/kg biochar use was the most obvious. Compared with CK, the Na + in soil solution decreased by 9.43%, the K/Na and potassium use efficiency of seedlings increased by 56.80% and 25.48%, respectively, and the biomass of wheat seedling increased by 15.72%. Conclusion Biochar application can promote the increase of biomass by holding Na + in soil solution and increasing K/Na and potassium utilization of winter wheat seedlings. The research can provide a theoretical basis for the process mechanism of biochar for salt reduction and fertilization, increase efficiency and increase yield, and provide preliminary guidance for the feasibility of biochar for salinized soil improvement. Key words: immobilization rate; K/Na; potassium use efficiency; biomass of wheat seedings; reed biochar 责任编辑 : 白芳芳 27