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作者简介:

姜晓敏(1999-),在读硕士,主要研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-mail: 3441734453@qq.com。

通讯作者:

杨彩红,E-mail: yangch@gsau.edu.cn。

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目录contents

    摘要

    为探究灌淤土对不同耕作方式及不同生物炭添加量的反应,对其养分含量及酶活性进行测定,以期为河西走廊地区选择适宜的耕作方式与培肥制度提供科学依据。采用 8 年田间定位试验,设置 4 种耕作方式(N:玉米免耕,M:玉米少耕,F:玉米秋翻,S:玉米深松)和 3 种生物炭用量(B1:2.5 t/hm2 ,B2:5.0 t/hm2 ,B3:7.5 t/hm2 )的交互处理,以玉米免耕不施生物炭为对照(CK),共计 13 个处理。结果表明:(1)在 0 ~ 20 cm 土层,与 CK 相比,不同处理均能显著提高灌淤土土壤有机碳、速效养分和酶活性(P<0.05),不同耕作方式下土壤有机碳、速效养分含量及土壤酶活性随生物炭施用量增加而增加;(2)在 20 ~ 40 cm 土层;与 CK 相比,不同处理均能提高灌淤土土壤有机碳、速效养分和酶活性,但各处理间差异不显著(P>0.05);(3)不同处理均能够增加玉米产量,但各处理间差异不显著(P>0.05),各施生物炭处理较 CK 处理增产效果在 0.07% ~ 21.30% 之间,FB3 处理产量最高,显著高于其他处理(P<0.05);(4)相关性分析表明,土壤养分与土壤酶活性呈显著正相关关系 (P<0.05)。深松耕作配合生物炭添加能够有效提升土壤养分及酶活性,有利于作物生长,为该区较适宜的耕作方式,可施入 7.5 t/hm2 以上的生物炭作为灌淤土改良剂。

    Abstract

    In order to explore the response of irrigated silt soil to different tillage methods and different biochar additions, the nutrient content and enzyme activity were measured,in order to provide a scientific basis for selecting suitable tillage methods and fertilization systems in the Hexi Corridor region. An 8-year field experiment was conducted with four tillage methods(N:no-tillage,M:less-tillage,F:autumn ploughing,S:subsoiling )and three biochar application rates(B1:2.5 t/hm2 ,B2:5.0 t/hm2 ,B3:7.5 t/hm2 )in maize field,and without tillage and no application of biochar was the control(CK). The results showed that:(1)In the 0-20 cm soil layer,compared with CK,different treatments significantly increased soil organic carbon,available nutrients and enzyme activity(P<0.05). Soil organic carbon,available nutrients and soil enzyme activity increased with the increase of biochar application rate under different tillage methods.(2)In 20-40 cm soil layer,compared with CK,different treatments increased soil organic carbon, available nutrients and enzyme activity,but there was no significant difference among treatments(P>0.05).(3) Different treatments could increase maize yield,but there was no significant difference among treatments(P>0.05). Compared with CK treatment,the yield-increasing effect of each biochar treatment was between 0.07% and 21.30%, and the yield of FB3 treatment was the highest,which was significantly higher than that of other treatments(P<0.05). (4)Correlation analysis showed that there was a significant positive correlation between soil nutrients and soil enzyme activities(P<0.05). Subsoiling tillage combined with biochar addition could effectively improve soil nutrients and enzyme activity,which was conducive to crop growth,and it was a more suitable tillage method in this area. Biochar above 7.5 t/hm2 could be applied as an important additive for the improvement of irrigated silt soil.

  • 以甘肃民勤为代表的河西走廊,是我国玉米 (Zea mays L.)主要的种植基地之一,玉米长期连作、化肥农药过量施用,造成犁底层增厚、土壤容重增加、透气性变差、土壤结构被破坏,部分农田土壤养分失衡、灾害频发、玉米产量和品质逐年下降。作物的生长发育离不开适宜的土壤水肥条件[1]。合理的轮耕措施能够减少长期单一耕作措施带来的消极影响,如降低土壤容重,改善土壤结构[2],促进养分在耕层间均匀分布[3],从而实现作物高产[4]。因此,在河西绿洲区开展合理的耕作措施和适宜的培肥制度研究具有现实意义。

  • 生物炭作为土壤改良剂,具有吸附性强且孔隙结构丰富等特点。生物炭可以有效改善土壤通气条件,还可以增加土壤保肥能力,有利于改善土壤理化性质[5-7]。研究发现,施加生物炭对提高土壤持水量以及增加土壤酶活性具有一定调节作用。近年来,生物炭被广泛应用于土壤改良的重要添加剂。王智慧等[8]研究表明,生物炭施入土壤可以有效改善土壤养分状况、提高土壤酶活性并促进作物增产稳产。袁访等[9]研究表明,生物炭添加会显著增加土壤养分含量,进而增加土壤酶活性。但邹春娇等[10]和顾美英等[11]的研究表明,生物炭添加反而会降低土壤养分含量和酶活性,甚至降低作物产量[12]。因此,生物炭添加对土壤养分含量和酶活性的影响显著,而研究不同耕作措施、不同梯度生物炭添加及其二者交互对土壤有机碳和速效养分含量、酶活性和玉米产量影响的研究较少,因此,本试验采用不同耕作措施和不同梯度生物炭添加交互的模式,探究灌淤土对生物炭添加量和不同耕作方式的响应,以期为河西走廊地区玉米田种植选择合理的耕作培肥措施提供科学依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 研究区概况

  • 试验地位于甘肃省民勤县苏武乡泉水村 (33°37′10″N,103°07′16″E),具有冬冷夏热,光热充足,昼夜温差大的气候特点,为典型的温带干旱荒漠性气候。当地年均温约 7.6℃,年均无霜期约 160 d,属温带干旱灌溉农业区。该地年降水量稀少,年均降水量约 115 mm,年均蒸发量约2650 mm,干燥度 >5.5,当地常年盛行西北风,干旱和风蚀较为严重,2023 年试验进行期间每月平均气温和降水量见图1。该区耕作土壤为灌淤土,普遍种植玉米和向日葵,具有耕层质地轻、土性热、保肥和保水性差、开垦种植早、熟化程度高的特点[13]。试验前供试土壤基本理化性质见表1。

  • 图1 2023 年试验区玉米生育期降水量及日均气温

  • 表1 供试土壤基本特征

  • 1.2 试验材料

  • 试验田种植玉米品种为大丰 899,购于山西大丰种业有限公司。生物炭材料由河南星源环保材料有限公司提供,是在 500℃高温厌氧环境下以玉米秸秆为原料高温炭化形成。其基本特性见表2。

  • 表2 生物炭的基本理化性质

  • 1.3 试验设计

  • 试验设计 4 种耕作方式,分别为免耕(N)、少耕(M)、秋翻(F)以及深松(S)和 3 种生物炭添加量,分别为 B1(2.5 t/hm2)、B2(5.0 t/hm2) 以及 B3(7.5 t/hm2 ),以玉米免耕耕作不添加生物炭为对照(CK),共计 13 个处理,每个处理 3 次重复,随机区组排列,同一重复不同耕作方式的小区面积相同且位置相邻,试验设计如表3 所示。生物炭于 2023 年 3 月在玉米播种前由旋耕机混翻均匀一次性施入土壤,再结合播前整地翻耕、耙耱,混均在土壤耕层,后期不再施入生物炭。

  • 2023 年试验田玉米于 2023 年 4 月 27 日播种, 9 月 28 日收获,种植密度设定为 7.2 万株 /hm2,株距 20 cm,行距 30 cm。采用统一的施肥措施,所施用化肥为尿素、磷酸二铵、普钙、氯化钾,各处理化肥用量统一为每年施用 N 180 kg/hm2,P2O5 95~98 kg/hm2,磷酸二铵、普钙、氯化钾全部基施。整个生育期灌水 34.1~36.3 m3 /hm2。不同耕作方式下玉米地的施肥、灌水、管理方式等均相同,仅在耕作方式上不同。本试验中铺设的地膜,少耕、秋翻、深松田每年更换一次,免耕则从试验开始一直到试验结束[14-15]

  • 表3 试验设计

  • 1.4 土样采集

  • 2023 年 9 月底于玉米成熟期以五点取样法取 0~20 和 20~40 cm 土层的土样,用于土壤养分含量和酶活性测定。

  • 1.5 测定项目及方法

  • 土壤有机碳(TOC)、碱解氮(AN)、有效磷 (AP)、速效钾(AK)含量测定使用的方法分别为重铬酸钾外加热法、碱解扩散法、钼锑抗比色法、火焰光度法[16]

  • 土壤脲酶(S-UE)、土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤碱性磷酸酶(S-AKP)和土壤过氧化氢酶 (S-CAT)活性测定使用的方法分别为苯酚钠-次氯酸钠比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法、磷酸苯二钠比色法和高锰酸钾滴定法[17]

  • 玉米成熟期,在每小区取 20 株长势均匀的植株,测定玉米产量构成要素及其产量。

  • 1.6 数据分析

  • 采用 SPSS 24.0 进行双因素方差分析,Duncan 法检验差异显著性,绘图使用 Origin 2021。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 不同耕作方式和生物炭对土壤养分的影响

  • 由表4 可知,与 CK 相比,生物炭添加增加土壤 TOC、AN、AP 和 AK 含量,且生物炭添加量越高,TOC、AN、AP 和 AK 含量也随之增加。不同土层之间,土壤 TOC、AN、AP 和 AK 含量总体表现为 0~20 cm 高于 20~40 cm。

  • 就土壤 TOC 而言,在 0~20 cm 土层,双因素方差分析表明(表4),耕作方式、生物炭及二者交互均极显著影响土壤 TOC 含量(P<0.01),不同耕作处理之间,S 处理土壤 TOC 平均含量较 N、 M 和 F 处理分别提高 6.27%、4.33% 和 8.66%,与 N、F 处理差异显著(P<0.05);不同生物炭处理之间,与 CK 相比,土壤 TOC 含量随生物炭添加量的增加而增加,N、M、F、S 处理增幅分别为 4.67%~9.08%、2.72%~16.76%、0.86%~17.72%、 1.38%~27.81%。在 20~40 cm 土层,耕作方式和生物炭显著影响土壤 TOC 含量(P<0.05),与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 TOC 含量,但各处理间差异不显著(P>0.05)。

  • 就土壤 AN 而言,耕作处理和生物炭处理对土壤 AN 含量有极显著影响(P<0.01)。在 0~20 cm 土层,不同耕作处理之间,S 处理土壤 AN 平均含量显著高于 N、M 和 F 处理(P<0.05),分别提高 15.55%、15.75% 和 27.97%;不同生物炭处理之间,除 F 处理外,土壤 AN 含量随生物炭添加量的增加而增加,N、M、S 处理增幅分别为 4.52%~11.98%、2.33%~12.71%、15.38%~26.40%。在 20~40 cm 土层,不同耕作处理之间,F 处理土壤 AN 平均含量显著高于 N 和 M 处理(P<0.05),分别提高 6.04% 和 12.95%;不同生物炭处理之间,土壤 AN 含量随生物炭添加量的增加而增加,N、M、F 与 S 处理增幅分别为 6.06%~19.97%、6.18%~12.90%、13.44%~24.38% 和 14.12%~21.52%。

  • 就土壤 AP 而言,耕作处理和生物炭处理对土壤 AP 有极显著差异(P<0.01),耕作方式和生物炭互作对土壤 AP 含量有显著差异(P<0.05)。在 0~20 cm 土层,不同耕作处理之间,S 处理土壤 AP 平均含量显著高于 N、M 和 F 处理(P<0.05),分别提高 17.32%、13.42% 和 29.87%;不同生物炭处理之间,除 F 处理外,土壤 AP 含量随生物炭添加量的增加而增加,N、M、S 处理增幅分别为 19.21%~21.93%、18.01%~28.38%、26.75%~38.57%。在 20~40 cm 土层,与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 AP 含量,但有些处理间差异不显著(P>0.05)。

  • 就土壤 AK 而言,在 0~20 cm 土层,耕作处理和生物炭处理对土壤 AK 含量有极显著差异 (P<0.01),不同耕作处理之间,S 处理土壤 AK 平均含量显著高于 N、M 和 F 处理(P<0.05),分别提高 3.38%、2.50% 和 9.86%。在 20~40 cm 土层,耕作处理对土壤 AK 含量有显著差异(P<0.05),生物炭处理对土壤 AK 含量有极显著差异(P<0.01)。

  • 表4 不同耕作方式和生物炭用量对土壤养分的影响

  • 注:同一列不同小写字母表示不同生物炭添加量之间差异显著(P<0.05),不同大写字母表示不同耕作方式之间差异显著。方差分析中,* 和 ** 分别表示在 0.05 和 0.01 水平差异显著,ns 表示差异不显著。下同。

  • 2.2 不同耕作方式和生物炭对土壤酶活性的影响

  • 2.2.1 不同耕作方式和生物炭对土壤脲酶活性的影响

  • 如图2 所示,双因素方差分析表明,耕作方式和生物炭均极显著影响土壤 S-UE 活性(P<0.01), S-UE 活性均随土层加深而减小。在 0~20 cm 土层中,耕作方式和生物炭交互显著影响 S-UE 活性(P<0.05);不同耕作处理之间,S 处理 S-UE 活性平均含量显著高于 N 和 F 处理(P<0.05),分别提高 19.61% 和 25.49%;不同生物炭处理之间,与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 S-UE 活性,同一耕作方式下,均表现出 B3>B2>B1 的趋势,S-UE 活性 N、M、F 和 S 处理增幅分别为 11.11%~34.69%、15.78%~48.39%、6.25%~23.81% 和 21.95%~49.21%。在 20~40 cm 土层中,不同耕作处理之间,M 处理 S-UE 活性平均含量显著高于 N、F 和 S 处理(P<0.05),分别提高 15.63%、25.00% 和 9.38%;不同生物炭处理之间,与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 S-UE 活性,同一耕作方式下,均表现出 B3>B2>B1 的趋势,S-UE 活性 N、M、F 和 S 处理增幅分别为 11.11%~34.69%、15.79%~48.39%、5.88%~23.81% 和 21.95%~49.21%。

  • 图2 不同耕作方式和生物炭对土壤脲酶活性的影响

  • 注:图柱上不同小写字母表示不同生物炭添加量之间差异显著,不同大写字母表示不同耕作方式之间差异显著(P<0.05)。方差分析中,T 表示耕作方式,B 表示生物炭,T×B 表示耕作方式 × 生物炭,* 和 ** 分别表示在 0.05 和 0.01 水平差异显著,ns 表示差异不显著。下同。

  • 2.2.2 不同耕作方式和生物炭对土壤蔗糖酶的影响

  • 如图3 所示,双因素方差分析表明,耕作方式和生物炭均极显著影响土壤 S-SC 活性(P<0.01), S-SC 活性均随土层加深而减小。在 0~20 cm 土层中,耕作方式和生物炭交互显著影响 S-SC 活性 (P<0.05);不同耕作处理之间,S 处理 S-SC 活性平均含量显著高于 N、M 和 F 处理(P<0.05),分别提高 3.95%,3.70% 和 9.15%;不同生物炭处理之间,与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 S-SC 活性,同一耕作方式下,均表现出 B3>B2>B1 的趋势,S-SC 活性 N、M、F 和 S 处理增幅分别为 5.90%~14.59%、8.12%~13.39%、0.85%~8.83% 和 9.77%~17.22%。在 20~40 cm 土层中,不同耕作处理之间,S 处理 S-SC 活性平均含量显著高于 N、M 和 F 处理(P<0.05),分别提高 33.64%、3 1.82% 和 16.36%;不同生物炭处理之间,与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 S-SC 活性,同一耕作方式下,均表现出 B3>B2>B1 的趋势,S-SC 活性 N、M、F 和 S 处理增幅分别为 6.06%~19.48%、 12.68%~22.50%、24.39%~36.73% 和 38.00%~47.01%。

  • 2.2.3 不同耕作方式和生物炭对土壤碱性磷酸酶的影响

  • 如图4 所示,双因素方差分析表明,耕作方式和生物炭均极显著影响土壤 S-AKP 活性(P<0.01),酶活性均随土层加深而减小。在 0~20 cm 土层中,不同耕作处理之间,M 处理 S-AKP 平均含量较 N 处理显著提高 9.56%(P<0.05); 不同生物炭处理之间,与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 S-AKP 活性,同一耕作方式下,均表现出 B3>B2>B1 的趋势,S-AKP 活性 N、M、F 和 S 处理增幅分别为 12.07%~21.54%、17.07%~30.14%、 19.05%~23.88% 和 18.85%~25.55%。在 20~40 cm 土层中,不同耕作处理之间,S 处理 S-AKP 平均含量显著高于 N、F 处理(P<0.05),分别提高 15%、19%; 不同生物炭处理之间,与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 S-AKP 活性,同一耕作方式下,均表现出 B3>B2>B1 的趋势,S-AKP 活性 N、M、F 和 S 处理增幅分别为 7.51%~15.91%、 10.84%~22.11%、1.33%~15.91% 和 16.85%~35.65%。

  • 图3 不同耕作方式和生物炭对土壤蔗糖酶活性的影响

  • 图4 不同耕作方式和生物炭对土壤碱性磷酸酶活性的影响

  • 2.2.4 不同耕作方式和生物炭对土壤过氧化氢酶活性的影响

  • 如图5 所示,双因素方差分析表明,耕作方式和生物炭均极显著影响土壤 S-CAT 活性(P<0.01), S-CAT 活性均随土层加深而减小。在 0~20 cm 土层中,不同耕作处理之间,S 处理 S-CAT 活性平均含量较 F 处理显著提高 8.09%(P<0.05)。不同生物炭处理之间,与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 S-CAT 活性,同一耕作方式下,均表现出 B3>B2>B1 的趋势,S-CAT 活性 N、M、F 和 S 处理增幅分别为 6.83%~12.28%、6.25%~14.77%、 1.32%~8.54% 和 8.00%~18.03%。在 20~40 cm 土层中,耕作方式和生物炭交互显著影响 S-CAT 活性;不同耕作处理之间,M 处理 S-CAT 平均含量显著高于 N、F 和 S 处理(P<0.05),分别提高 4.83%、 7.59% 和 2.07%;不同生物炭处理之间,与 CK 相比,不同处理均能提高土壤 S-CAT 活性,同一耕作方式下,均表现出 B3>B2>B1 的趋势,S-CAT活性 N、M、F 和 S 处理增幅分别为 1.50%~7.75%、 7.36%~13.25%、0.23%~3.68% 和 6.89%~7.75%。

  • 综上所示,M 和 S 处理下的土壤酶活性高于其他 2 种耕作处理,说明少耕和深松耕作配合高施量生物炭可以提高土壤酶活性。

  • 图5 不同耕作方式和生物炭对土壤过氧化氢酶活性的影响

  • 2.2.5 耕作方式、生物炭和土层交互作用下土壤酶活性三因素方差分析

  • 三因素方差分析表明(表5),耕作方式、生物炭和土层对土壤酶活性影响极显著(P<0.01); 耕作方式和生物炭交互作用对土壤酶活性无极显著影响(P>0.01);耕作方式和土层交互作用对土壤 S-UE、S-SC 和 S-AKP 有极显著影响(P<0.01); 生物炭和土层交互作用对 S-UE、S-SC 和 S-CAT 有极显著影响;耕作方式、生物炭和土层三者的交互作用对土壤酶活性无极显著影响。

  • 表5 耕作方式、生物炭和土层交互作用下土壤酶活性三因素方差分析

  • 注:T:耕作方式;B:生物炭;L:土层。

  • 2.3 不同耕作方式和生物炭对玉米产量的影响

  • 从表6 可以看出,与 CK 相比,不同处理均能提高玉米产量,但各处理间差异不显著(P>0.05)。双因素方差分析表明,耕作方式显著影响玉米百粒重(P<0.05),耕作方式和生物炭交互极显著影响百粒重(P<0.01),耕作方式和生物炭极显著影响玉米产量(P<0.01)。不同耕作处理之间, F 处理平均单株粒重较 N、M 和 S 处理,分别提高 9.16%、3.15% 和 7.94%,与 N、S 处理差异显著(P<0.05);百粒重和单株粒重在不同生物炭处理间无显著差异(P>0.05)。F 处理玉米平均产量较 N、M 和 S 处理分别提高 9.19%、2.09% 和 7.72%,与 N、S 处理差异显著(P<0.05)。与 CK 相比,MB3 处理增产效果最为显著,N、M、F 和 S 处理玉米产量增幅分别为 0.07%~16.13%、12.96%~21.30%、 16.73%~20.87% 和 9.49%~14.65%。

  • 2.4 土壤酶活性与土壤养分之间的相关性分析

  • 不同处理土壤养分、土壤酶活性和玉米产量的相关性分析如图6 所示。0~20 cm 土层土壤 TOC、AN、AP、AK 含量间呈显著正相关关系(P<0.05),土壤 S-UE、S-SC、S-AKP 与 S-CAT 活性间呈显著正相关(P<0.05),S-UE、S-AKP 与玉米产量呈显著正相关(P<0.05)(图6 左)。20~40 cm 土层土壤 TOC 含量与 AK、S-SC、S-AKP 呈显著正相关(P<0.05),土壤 S-UE 与 S-AKP、 S-CAT 活性间呈显著正相关(P<0.05),土壤TOC、AN、AP、AK 含量与玉米产量呈显著正相关 (P<0.05)(图6 右)。

  • 表6 不同耕作方式和生物炭对玉米产量及产量相关因素的影响

  • 图6 0~20 cm(左)、20~40 cm(右)土层下土壤酶活性与土壤养分之间的相关性分析

  • 注:TOC:有机碳;AN:碱解氮;AP:有效磷;AK:速效钾;S-UE:土壤脲酶;S-SC:土壤蔗糖酶;S-AKP:土壤碱性磷酸酶;S-CAT:土壤过氧化氢酶;MY:玉米产量;* 表示 P<0.05,** 表示 P<0.01;圆越大表示相关系数越大,圆越小表示相关系数越小;红色表示正相关,蓝色表示负相关。

  • 3 讨论

  • 3.1 土壤养分对耕作方式和生物炭的响应

  • 土壤有机碳是评价土壤的重要指标之一[18]。Kahlon 等[19]研究认为免耕能减少土壤扰动,从而提高土壤有机碳含量,也有研究表明深松耕作更利于土壤有机碳在表层积累[20]。本研究表明,在 0~20 cm 土层,生物炭添加能够显著增加土壤有机碳含量,且添加量越多土壤有机碳含量越高,这与郭书亚等[21]的研究结果基本一致。本研究中,在土壤表层玉米深松添加生物炭 7.5 t/hm²,土壤有机碳含量比玉米免耕不施生物炭处理显著提高了 27.81%,比添加等量生物炭配合免耕、少耕和秋翻处理分别提高了 6.27%、4.33% 和 8.66%,因此,深松耕作配合 7.5 t/hm² 生物炭对有机碳含量的增加具有促进作用,分析其原因可能是生物炭本身含碳量高,通过吸附起到抑制有机碳分解、封存有机碳的效果,从而有利于土壤中有机碳含量的增加[22],深松耕作将施入的生物炭带到土壤深层,促进腐殖质的形成和累积,土壤深层中较为稳定的腐殖质也被翻入土壤表层,使耕层土壤有机碳含量增加[23]

  • 添加生物炭不仅可以增加土壤有机碳含量,还可以增加土壤速效养分含量。朱长伟等[24]研究表明,小麦深耕-玉米深松能显著增加 20~40 cm 土层中的速效养分含量,本研究中,玉米深松能够显著增加深层(20~40 cm)土壤速效养分含量,这一结果与前人研究结果基本一致。陈山等[25]、高利华等[26]和石晓宇等[27]研究表明,添加生物炭可以提高土壤碱解氮和有效磷含量,且随生物炭添加量的增加而显著增加。本研究结果表明,不同耕作方式配合生物炭能够显著增加土壤速效养分含量,玉米深松耕作添加生物炭 7.5 t/hm²,土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量比玉米免耕不施生物炭处理分别提高了 21.52%、38.57% 和 11.65%,分析其原因可能是因为深松耕作能够深入犁底层,改善深层土壤的孔隙状况,加快土壤养分的转化,从而促进速效养分的积累和释放。

  • 3.2 土壤酶活性对耕作方式和生物炭的响应

  • 土壤酶活性是评价土壤肥力的重要指标[28-29]。脲酶主要作为土壤氮元素在土壤中流动循环的主要物质,其活性可以反映土壤对于氮素的利用程度。蔗糖酶可以加速糖类的分解,促进碳素在土壤中的流动,而过氧化氢酶表征土壤腐殖化和有机物积累的程度,土壤酶活性影响着土壤中的微生态环境,对平衡土壤中的碳、氮具有重要作用。

  • 本研究表明,添加生物炭后能够显著增加土壤耕层酶活性,并随生物炭添加量增加而增加,这与尚杰等[30]和王文慧等[31]研究的结果基本一致。本研究表明,不同耕作方式下,均表现为施加生物炭处理的土壤酶活性比不施生物炭处理高,且随着生物炭添加量的增加土壤酶活性也增加。由于生物炭本身具有独特的性能与结构,可以促进微生物的吸收利用,从而提高土壤酶活性。不同耕作方式对土壤酶活性的影响不同,刘水[32]和赵雪淞等[33]的研究表明,免耕和翻耕耕作能显著提高土壤表层养分含量和酶活性;冀保毅[34]的研究则表明,深耕耕作能够显著增加深层土壤酶活性。在土壤耕层,除碱性磷酸酶外,其余 3 种土壤酶活性均表现为深松耕作整体高于其他 3 种耕作方式,在土壤深层,蔗糖酶和过氧化氢酶则表现为少耕 +7.5 t/hm2 生物炭处理最高,脲酶和碱性磷酸酶则表现为深松 + 7.5 t/hm2 生物炭处理最高,同时随着生物炭添加量的增加,土壤酶活性呈上升趋势,尤其是高添加量 7.5 t/hm² 生物炭对土壤酶活性影响更为显著,这与张雨萌[35]的研究结果一致,这是因为深松耕作在一定程度上降低了土壤的硬度与紧实度,改善了土壤的通气状况和微环境,促进了根系腐殖质和微生物的形成及积累,有利于增加土壤酶活性,深松耕作较其他耕作方式能更有效地提高对生物炭的利用,因此,当生物炭添加量为 7.5 t/hm² 时,配合深松耕作土壤耕层酶活性达到最高。

  • 本研究还发现,0~20 cm 土层土壤酶活性整体高于 20~40 cm 土层,这是因为土壤表层养分含量高、透气性好,为微生物提供了适宜的活动环境,不同的耕作方式会影响土壤养分在土层之间的分布。土壤酶活性及土壤养分间均呈显著正相关,这是因为土壤养分是土壤微生物活动和生存的基础,土壤养分含量越高土壤酶活性越强。4 种土壤酶活性之间均呈显著正相关,分析其原因可能是因为土壤中的酶会产生相互促进的化学物质,从而相互促进,进而影响土壤微生物活动。

  • 3.3 玉米产量对耕作方式和生物炭的响应

  • 合理的耕作方式配合适宜的生物炭用量可以促进作物品质和产量的提高。当前已有大量的研究证明生物炭的施用可以得到改良土壤以及作物增产的效果[36]。本研究结果发现,玉米产量与生物炭添加量呈正相关,各施生物炭处理较未施生物炭 (CK)处理增产效果在 0.21%~12.71% 之间,当深松耕作配合施用 7.5 t/hm2 生物炭时玉米产量达到最高,这是由于深松使得土壤中坚硬的犁底层受到破坏,扩增了耕层深度,增加了根系的生长面积,创造了一个有利于生根的环境。生物炭施入土壤后,使得土壤物理、化学和生物学性质发生改变,促进了养分在土壤库中的转化与保蓄,增加了土壤肥力,增强了土壤对作物生长过程中所需养分的供给能力。因此,在河西绿洲区玉米田深松的耕作下,连续添加生物炭 7.5 t/hm2 有利于实现农田土壤结构改良并保证作物稳产、增产的目的。

  • 4 结论

  • 与玉米免耕不添加生物炭相比,不同耕作方式生物炭处理均能够显著提高 0~20 和 20~40 cm 土层土壤有机碳、速效养分含量和土壤酶活性(P<0.05),不同耕作方式下土壤养分含量及土壤酶活性随生物炭添加量增加而增加。与玉米免耕不添加生物炭相比,不同处理在一定程度上均能提高玉米产量,增产效果在 0.07%~21.30% 之间,但各处理间差异不显著(P>0.05),秋翻 +7.5 t/hm2 处理增产效果最为显著。相关性分析表明,土壤养分与土壤酶活性之间呈显著正相关关系(P<0.05)。

  • 本研究认为深松耕作配合添加生物炭是改善土壤微生物特性及肥力的有效措施,深松 +7.5 t/hm2 生物炭能够有效提升土壤养分及酶活性,有利于作物生长,为该区较适宜的耕作方式,可施入 7.5 t/hm2 以上的生物炭作为灌淤土改良剂。

  • 参考文献

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