CN114478081B - 生物炭在田地中的应用及基于生物炭的氮肥减施增效方法 - Google Patents

生物炭在田地中的应用及基于生物炭的氮肥减施增效方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了生物炭在田地中的应用及基于生物炭的氮肥减施增效方法，将植物秸秆经过高温厌氧条件下炭化，制得生物炭与土混合后回填至环形施肥沟内，氮肥作为底肥施撒。棉秆生物炭施用量为10t/hm2～30t/hm2；氮肥的减量施用量为150kg/hm2，为常规用量的一半；生物炭作为一种新型肥料，不仅可以作为土壤改良剂，提高土壤肥力，改善植物生境，提高土地生产力及作物产量，其对土壤的透气、保水、保肥性有不同程度的改善，施加生物炭对土壤肥力有吸持和缓释的作用。本发明综合改良方法能够提升灌区小麦耕地的生态质量，实现化肥减施增效，提升小麦产量。

Description

生物炭在田地中的应用及基于生物炭的氮肥减施增效方法
技术领域
本发明涉及生物炭及农业种植技术领域，更具体的说是涉及生物炭在田地中的应用及基于生物炭的氮肥减施增效方法。
背景技术
生物炭作为新型环境友好型材料，因其较高的农业利用价值而引起广泛关注及应用。随着农田生态系统固氮减排工作深入及土壤质量退化和环境污染问题的出现，国内外围绕生物炭开展了广泛研究。研究认为，利用生物炭(秸秆炭化)进行改土还田，不仅可以提高作物产量，同时也可为生态环境污染修复提供合理有效地解决方式，对农业可持续发展具有重大意义。
新疆地处亚欧大陆腹地，属荒漠干旱性气候，土壤贫瘠，盐渍化严重。不合理施肥灌溉进一步加重了土壤的次生盐渍化，严重影响农田生态环境及作物生长，成为制约农业生产发展的“瓶颈”。虽有学者通过水利灌溉措施、农业轮作等方式对土壤进行改良，并取得大量成果，但仍存在局限性。同时，棉花作为新疆的主要农作物，其生产收获后残留下的大量棉花秸秆，处理不当不仅造成严重的环境污染也会形成资源浪费，而棉花秸秆炭化还田则可为新疆棉花秸秆的利用提供新途径。因此，根据新疆土壤特性，开展生物炭在作物生产上的应用，对促进耕地的可持续发展、提高作物生产力、改善农田生态环境等均具有科学价值和现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于生物炭添加的麦田氮肥减施增效方法，目的在于克服现有技术中存在的问题，提供生物炭在北疆灌区麦田氮肥减施、土壤改良和小麦提质增产中的应用。本发明将生物炭应用于北疆灌区麦田氮肥减施、土壤改良和小麦提质增产中，不仅解决传统土壤改良方法中存在的成本高、费时长、缺少生态可持续性的问题，而且对北疆灌区麦田土壤改良和小麦提质增产具有良好的效果，并为新疆棉花秸秆资源合理利用提供新途径。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
首先，本发明提供了生物炭在田地土壤改良和农作物提质增产中的应用。
生物炭优选可以改善灌区土壤结构、提高土壤养分含量和酶活性实现土壤改良；土壤养分优选包括全氮、全磷、全钾、有机质、速效磷和速效钾；土壤微生物为土壤细菌数量。本发明通过在土壤上根据土地面积添加一定比例的生物炭，不仅可以提高土壤养分含量和土壤细菌数量及活性，达到改良土壤的目的，而且实现了肥料的高效利用，提高经济效益和环境效益。
优选的，所述生物炭为植物秸秆经高温厌氧碳化制得。
优选的，所述植物秸秆为棉花秸秆。
优选的，所述的碳化温度为450-500℃，通过控制生物炭的制备温度，制备的生物炭表面官能团较为丰富，利于土壤改良和植物生长。
优选的，所述生物炭用量为10-30t/hm2，根据土地面积添加适宜的生物炭量，不仅改善北疆灌区土壤结构、提高土壤养分含量和酶活性，而且增强土壤微生物活性，提高土壤微生物功能多样性。
优选的，所述田地为北疆灌区田地。
优选的，所述农作物为小麦。
本发明还提供了一种如上技术方案所述的基于生物炭的氮肥减施增效方法，包括以下步骤：
步骤一：制作施肥沟，沟深20-25cm；
步骤二：制备生物炭：采用高温厌氧处理植物秸秆，得到生物炭；
步骤三：将生物炭与土混合后回填至环形施肥沟内。
进一步的，所述步骤三中还包括化肥施用，具体为与生物炭和土混合回填至环形施肥沟内或将生物炭与土混合后回填至环形施肥沟内后再表层施化肥后翻耕20cm。
优选的，所述的化肥包括氮肥、磷肥，所述氮肥的氮素用量为150kg/hm2，所述磷肥的磷素用量为102kg/hm2。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种生物炭在田地中的应用及基于生物炭的氮肥减施增效方法，具有如下有益效果：
本发明提供生物炭在北疆灌区麦田氮肥减施、土壤改良和小麦提质增产中应用。将生物炭用于北疆灌区麦田氮肥减施、土壤改良和小麦提质增产，不仅解决传统土壤改良方法中选在成本高、费时长、缺少生态可持续性的问题，而且对北疆灌区麦田土壤改良和小麦提质增产具有良好的效果，并为新疆棉花秸秆资源合理利用提供新途径。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一、北疆灌区麦田施用生物炭的田间试验：
试验于2019年9月-2020年8月在新疆昌吉自治州奇台县农科院麦类作物实验站完成。供试小麦品种为“新冬22号”，种子由新疆农业科学院提供。供试生物炭材料购于新疆农业科学院，采用立式炭化炉烧制，原材料为棉花秸秆，制备温度为450℃。基本性质：pH值9.37、全氮21.76g/kg、全磷10.58g/kg、全钾21.45g/kg、碱解氮5.38mg/kg、速效磷200.94mg/kg。
麦田土壤基本性质：pH值8.25、全氮3.21g/kg、有机质23.22g/kg、碱解氮91.34mg/kg、速效钾235.7mg/kg、速效磷10.1mg/kg。
田间小区试验，生物炭用量设置2个水平(0、30t/hm2)，氮肥用量设置3个水平(0、150、300kg/hm2)，共6个处理(CK、B、N1、N2、BN1、BN2)，每个处理3个重复，共计18个小区，每小区面积为9m2(3m×3m)。冬小麦的播种方式为条播，行距0.2m，播种量为450×104株/hm2。生物炭与氮肥均作为底肥在冬小麦播种前均匀施于土壤表面并翻至土壤耕层(20cm)，另各处理补充磷肥为过磷酸钙(P2O516％)，且各处理含量保持一致，于冬小麦播种前一次性施入。冬小麦灌溉方式为滴灌，其他田间肥水管理措施均同一般高产田。
二、土壤样品采集：
于冬小麦播种前采用“S”型五点取样法取试验区耕层(0～20cm)混合土样，去除多余杂质后将其置于室内风干保存，用于土壤基础理化性质的测定。
于冬小麦各生育时期在各处理小区采集0～20cm耕层土壤，混合均匀后，将其小麦根系等细小颗粒杂质挑选出来，一部分过2mm筛后置于室内风干，用于土壤养分指标的测定，另一部分土样置于0～4℃冰箱保存，用于土壤细菌数量测定。
三、指标测定：
土壤细菌数量测定：于冬小麦拔节期、孕穗期、开花期、成熟期测定细菌数量，细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基进行可视化培养，用稀释平板涂抹培养计数法分析。
土壤养分测定：于冬小麦拔节期、孕穗期、开花期和成熟期测定土壤养分。土壤全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用HClO4-H2SO4法测定；全钾、速效钾采用火焰光度计法测定；土壤有机质采用重铬酸钾－浓硫酸外加热法。
冬小麦产量形成的测定：SPAD值测定采用叶绿素仪(SPAD-502型)；
干物质测定：按茎秆(包括叶鞘)、叶片、穗分样；成熟期按茎秆(包括叶鞘)、叶片、穗轴+颖壳、籽粒分样，置于烘箱105℃杀青30min，80℃烘至恒重，冷却后称其干物质量，同时计算干物质转运特征参数。
冬小麦产量测定：于成熟期选取各处理小区长势均匀一致的1m样段小麦调查穗数，取10株小麦调查穗粒数、千粒重，并计算理论产量。
四、结果分析
表1生物炭与氮肥配施对土壤养分的影响
Figure BDA0003538799700000051
Figure BDA0003538799700000061
注：表中的数字均为平均值±标准差；不同小写字母的数值在0.05水平上差异显著。CK、B、N1、N2、BN1、BN2分别代表不施肥对照、单施生物炭30t/hm2、单施氮肥150kg/hm2、单施氮肥300kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥150kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥300kg/hm2。
由表1可知，不同施肥处理对土壤有机质影响不同，在不同生育期变化趋势表现一致，即生物炭配施氮肥处理(BN1、BN2)优于单施生物炭处理(B)优于氮肥(N1、N2)处理。其中在孕穗期，B处理达到最大值，BN2次之。分别较CK增加26％、16％。在开花期，BN1处理最大，BN2次之，其中BN1处理较CK、N1、N2处理差异显著，分别增加15.7％、37.28％和35.53％。在成熟期，生物炭与氮肥配施(BN1、BN2)可以显著提高土壤有机碳含量，在BN1处理下最高，有机质含量较CK增幅分别为24％、7％；B、BN1、BN2较N2处理呈显著增加趋势，表现为BN2>BN1>N2。
生物炭与氮肥配施后对麦田土壤全磷含量的影响主要体现在成熟期。具表现为BN2>N1>BN1>CK>N2>B。以BN2处理最高，且较B、N1处理显著增加全磷含量，分别增加23.1％、23.0％。本结果表明，生物炭与氮肥配施处理优于生物炭、氮肥单施处理。
施肥处理对土壤速效磷的含量影响较大在孕穗、开花期。在氮肥处理下，随氮肥施用量的增加呈下降趋势，生物炭添加对土壤速效磷含量表现出轻微抑制，配施氮肥均得到改善，且随施氮量的增加逐步增加。在两个生育期内均表现为BN2最高、BN1处理次之，且在孕穗期较单施生物炭处理呈显著降低趋势，在开花期较单施氮肥(N1、N2)处理显著增加，增幅为35～52％。在成熟期，生物炭添加提高速效磷含量，随氮肥施用量的增加，速效磷含量呈先增加后下降趋势，配施生物炭处理亦表现相同趋势，为BN1>B>N1>CK>BN2>N2。结果表明，单施生物炭处理对速效磷含量的增加趋势不稳定，配施氮肥后此状况可得以改善。结合全磷可以发现，生物炭与氮肥配施可以促进土壤磷素有效性的提高。
不同施肥处理(除N1)在不同生育期均能提高土壤全氮含量；整体趋势保持一致，生物炭配施氮肥优于单施生物炭优于单施氮肥处理。各生育期均以BN2处理含量最高，BN1次之，N1最低。整体趋势表现为BN2>BN1>B>N2>N1>CK，较CK、氮肥(N1、N2)处理差异显著(P<0.05)且与BN1处理差异不显著。分别较CK提高14％、11％。单施生物炭处理、氮肥处理对土壤全氮影响差异不显著，生物炭处理均高于氮肥处理。而氮肥配施生物炭较CK均呈显著上升趋势，随着施氮量的增加而增加。
各施肥处理均可显著改善土壤全钾含量，整体来看，除孕穗期外，不同施肥处理较对照来看均有显著差异，其中均以单施生物炭处理最低。在拔节期表现为BN1处理最高，达22.69g/kg，BN2处理次之。在成熟期表现为BN2处理最高，BN1处理次之，整体趋势表现为BN2>BN1>N2>CK>B>N1。说明，生物炭、氮肥单施均对土壤全钾含量无显著性差异，在生物炭与氮肥配施条件下无论氮肥量的多少均较两者单施及CK有显著差异。由此表明，生物炭与氮肥配施较两者单施更有利于提高土壤全钾含量
各施肥处理对土壤速效钾含量的影响整体趋势表现一致，均以生物炭配施氮肥处理优于单施氮肥处理优于氮肥处理，且生物炭单施与配施处理，处理间差异不显著。其中在拔节期、孕穗期、开花期生物炭配施氮肥处理均显著高于氮肥处理，单施氮肥处理较CK处理为明显差异。在成熟期表现为单施氮肥(N1、N2)处理较低氮配施生物炭BN1处理差异显著。添加生物炭处理与生物炭配施氮肥处理均可提高土壤速效钾含量，增幅分别为22％、26％、17％。说明，生物炭添加较单一施用氮肥处理可显著提高土壤速效钾含量，配施氮肥处理下表现更为显著，说明合理的配施比例更有利于速效钾含量的提高。
表2生物炭与氮肥配施对土壤细菌数量的影响(×106cfu·g-1)
拔节期 孕穗期 开花期 成熟期
CK 0.70±0.31a 0.39±0.14a 0.78±0.19a 2.93±0.12b
B 1.13±0.26a 0.38±0.06a 1.21±0.52a 3.60±0.75a
N1 0.40±0.06a 0.67±0.20a 0.88±0.22a 3.28±0.48a
N2 0.99±0.31a 0.64±0.05a 0.52±0.2a 2.88±0.15ab
BN1 0.61±0.35a 0.35±0.06a 0.50±0.15a 2.68±0.57ab
BN2 0.34±0.08a 0.68±0.28a 0.91±0.32a 2.38±0.79ab
注：表中的数字均为平均值±标准差；不同小写字母的数值在0.05水平上差异显著。CK、B、N1、N2、BN1、BN2分别代表不施肥对照、单施生物炭30t/hm2、单施氮肥150kg/hm2、单施氮肥300kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥150kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥300kg/hm2。
由表2可知，生物炭与氮肥配施，不同施肥处理对麦田土壤细菌数量影响不同。随生育期的推进，细菌数量整体呈增加趋势，各施肥处理均表现为成熟期细菌数量最高，但均较对照没有显著性差异。
表3物炭与氮肥配施对植株SPDA含量变化的影响
Figure BDA0003538799700000081
Figure BDA0003538799700000091
注：表中的数字均为平均值±标准差；不同小写字母的数值在0.05水平上差异显著。CK、B、N1、N2、BN1、BN2分别代表不施肥对照、单施生物炭30t/hm2、单施氮肥150kg/hm2、单施氮肥300kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥150kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥300kg/hm2。
由表3可知，生物炭与氮肥配施。从抽穗期到开花期(花后0天)，不同处理冬小麦随着生育进程的推移呈“先升后降”的单峰曲线变化，均在开花期达到最大值。生物炭与氮肥不同配施方式对冬小麦叶片SPAD值的变化趋势基本一致，BN2处理在几个处理中均最高；与CK相比，各处理在抽穗期、开花期(花后0天)小麦叶片SPAD值无明显差异；之后小麦叶片SPAD值呈下降趋势，在花后5d、15d，BN2较CK降幅较小达到差异显著，与B、N1、BN1、BN2无显著差异；花后20d，BN2＞BN1、N2、N1＞B、CK的趋势。由此表明，生物炭与氮肥配施可以延缓冬小麦叶片SPAD值含量的降低，可维持较长叶片功能期，促进光合产物形成，进而促进小麦产量的增加。
表4生物炭与氮肥配施对冬小麦干物质积累及转运的影响
Figure BDA0003538799700000092
注：表中的数字均为平均值±标准差；不同小写字母的数值在0.05水平上差异显著。CK、B、N1、N2、BN1、BN2分别代表不施肥对照、单施生物炭30t/hm2、单施氮肥150kg/hm2、单施氮肥300kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥150kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥300kg/hm2。
由4可知，生物炭与氮肥配施影响冬小麦营养器官向籽粒转运的能力。同一施炭水平下，冬小麦花前花后干物质积累及转运指标均呈波动性变化。单施氮肥时，随施氮量的增加，花前、花后各指标基本均呈先增加后降低的趋势，处理间差异不显著。生物炭与氮肥配施时，随施氮量的增加，花前、花后各指标亦呈波动性变化，花前各指标均在B1N1水平下达到最高，分别为0.64g、37.62％、43.53％。花前干物质转运率及其对籽粒贡献率均较B1N2差异显著(P<0.05)，而花后干物质同化量及其对籽粒的贡献率呈先降低后增加的趋势，B1N1与B1N2间差异显著(P<0.05)。由此可见，生物炭与氮肥配施主要是通过改变植株花前干物质积累及转运来影响其后期产量形成的。
表5生物炭与氮肥配施冬小麦成熟期各器官干物质积累量与分配比例的影响
Figure BDA0003538799700000101
注：表中的数字均为平均值±标准差；不同小写字母的数值在0.05水平上差异显著。CK、B、N1、N2、BN1、BN2分别代表不施肥对照、单施生物炭30t/hm2、单施氮肥150kg/hm2、单施氮肥300kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥150kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥300kg/hm2。
由表5可知，生物炭与氮肥配施，小麦成熟期不同器官干物质积累量和分配比例均表现为籽粒>茎秆+叶鞘+叶片>穗轴+颖壳。生物炭与氮肥配施对穗轴+颖壳、叶片+茎鞘+茎秆和籽粒部位的干物质积累量及分配比例基本达显著水平。在同一施炭水平下，随施氮量的增加，小麦成熟期各器官干物质分配量、分配比例呈波动性变化趋势。单施氮肥时，随施氮量的增加，各器官干物质积累量及分配比例(叶片、茎鞘、茎秆除外)均呈增加趋势，且在N2水平下达最大，但此时叶片、茎鞘、茎秆的分配比例最低，为33.23％。生物炭与氮肥配施时，随施氮量的增加，植株各器官干物质积累量及分配比例均呈先增加后降低趋势，除籽粒器官外的其他器官均在B1N2水平下达到最高，分别为0.58g、1.39g，较各处理差异显著。结合植株干物质积累及分配比例分析，各施肥处理在成熟期对植株籽粒干物质积累影响较小，处理间差异不显著，进一步说明，生物炭与氮肥配施主要通过改变植株花前干物质积累及转运来影响其后期产量形成。
表6生物炭与氮肥配施冬小麦产量及其构成因素的影响
处理 穗数(×104/hm2) 穗粒数 千粒重/g 产量kg/hm2 收获指数
CK 487.33±10.83bc 32.78±1.16c 42.03±0.52d 6700.97±166.24c 0.49±0.01b
B 567.00±2.65ab 33.65±0.77bc 43.93±0.29c 8380.19±175.29b 0.51±0.01b
N1 562.33±44.72ab 32.71±1.48c 45.40±0.41b 8334.56±667.08b 0.45±0.01c
N2 416.00±19.86c 40.90±0.15a 47.79±0.32a 8132.95±397.14bc 0.46±0.01c
BN1 525.00±14.04ab 36.32±0.06b 46.69±0.50ab 8896.28±126.93ab 0.55±0.01a
BN2 591.33±30.74a 36.21±1.51b 46.46±0.51ab 9986.36±291.54a 0.49±0.01b
注：表中的数字均为平均值±标准差；不同小写字母的数值在0.05水平上差异显著。CK、B、N1、N2、BN1、BN2分别代表不施肥对照、单施生物炭30t/hm2、单施氮肥150kg/hm2、单施氮肥300kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥150kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥300kg/hm2。
由表6可知，生物炭与氮肥配施显著提高冬小麦理论产量，平均变幅为6700～9986kg/hm2，增幅为49.04％，B1N2处理下产量最高，其与B1N1处理差异不显著。分析产量构成因素发现，不同施肥处理下穗数变幅为416～591×104穗·hm-2，粒数32～40粒，千粒重为42～46g。其中穗粒数、千粒重均在B0N2处理下最高，穗数在B1N2处理下最高。另外，生物炭与氮肥配施还可影响冬小麦收获指数，变幅为0.45～0.55，在B1N1处理下达最高，各处理间差异显著。在同一施氮水平下，随施炭量的增加，各产量构成因素及产量均呈上升趋势，在B1时达到最大。结合产量及构成因素分析，在同一施炭量下，在施炭量为B0时，施用氮肥虽然也能提高冬小麦产量，但施氮量过高B0N2不利于穗数形成，从而使得产量增幅不明显。在施炭量为B1时，随施氮量的增加均能提高冬小麦穗数，说明生物炭施用可促进小麦分蘖成穗有利增产。
表7生物炭与氮肥配施时氮肥偏生产力及农学利用效率
处理 氮肥偏生产力 氮肥农学利用率
B0N0 - -
B0N1 55.56±4.44a 10.89±3.73ab
B0N2 27.11±1.32b 4.68±1.32b
B1N0 - -
B1N1 59.31±0.85a 14.26±0.88a
B1N2 33.29±2.97b 10.67±2.99ab
注：表中的数字均为平均值±标准差；不同小写字母的数值在0.05水平上差异显著。CK、B、N1、N2、BN1、BN2分别代表不施肥对照、单施生物炭30t/hm2、单施氮肥150kg/hm2、单施氮肥300kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥150kg/hm2、生物炭30t/hm2配施氮肥300kg/hm2。
由表7可知，生物炭与氮肥配施低量氮肥处理时氮肥偏生产力和氮肥农学利用率始终高于高量氮肥处理，处理间差异显著，同一施氮水平下添加生物炭可进一步提高该两项指标。说明，生物炭与氮肥配施可促进冬小麦籽粒产量形成。
综上所述，本发明中生物炭配施低量氮肥，不仅提高了土壤微生物群落丰富度，而且增加了土壤养分含量，提高了作物对养分的利用效率，对北疆灌区麦田土壤改良及作物增产效果良好。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.生物炭与氮肥减量配施在北疆灌区壤土田地改良和冬小麦提质增产及氮肥减量施用中的应用，其特征在于，所述生物炭用量为30t/hm2，所述氮肥的用量为150kg/hm2。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述生物炭为植物秸秆经高温厌氧碳化制得。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的碳化温度为450-500℃。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制作施肥沟；
步骤二：制备生物炭；
步骤三：将生物炭与土混合后回填至环形施肥沟内。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述步骤三中还包括化肥施用，具体为与生物炭和土混合回填至环形施肥沟内或将生物炭与土混合后回填至环形施肥沟内后再施化肥。
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