牛粪和生物炭对苹果根系生长、土壤特性和氮素利用的影响*

王 芬, 刘 会, 冯敬涛, 田 歌, 刘相阳, 葛顺峰**, 姜远茂**



牛粪和生物炭对苹果根系生长、土壤特性和氮素利用的影响*

王 芬1, 刘 会1, 冯敬涛1, 田 歌1, 刘相阳2, 葛顺峰1**, 姜远茂1**

(1. 山东农业大学园艺科学与工程学院/作物生物学国家重点实验室 泰安 271018; 2. 陕西枫丹百丽生物科技有限公司 千阳 721100)

以两年生红富士/平邑甜茶苹果为试材, 采用15N同位素示踪技术, 研究牛粪与生物炭不同配比对苹果根系生长、土壤特性和氮素吸收利用的影响, 为苹果生产中合理施肥及可持续发展提供依据。试验共设6个处理: 对照(CK)、100%牛粪(T1)、75%牛粪+25%生物炭(T2)、50%牛粪+50%生物炭(T3)、25%牛粪+75%生物炭(T4)和100%生物炭(T5)。结果表明, 牛粪和生物炭混施可显著改善土壤理化性状, 增加土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量, 降低土壤容重。苹果根际土壤中的微生物均以细菌占绝对优势, 放线菌次之, 真菌含量最少; 添加牛粪和生物炭均显著提高了根际土壤的细菌、放线菌和真菌数量, 其中T2处理细菌、放线菌和真菌数量均达到最高。牛粪和生物炭混施还可促进苹果根系生长, 根尖数、根表面积和根系活力等指标均在T2处理达到最高, 分别较对照提高47.90%、33.47%、44.67%。表明T2处理可显著促进苹果根系的生长和根系活力的提高。与对照相比, 牛粪和生物炭混合处理显著提高了苹果各器官的Ndff值、全氮量和15N吸收量, 提高了15N利用率和15N残留率, 降低了15N损失率。各处理15N利用率和15N残留率趋势为牛粪和生物炭混合处理最高, 单施牛粪或生物炭处理次之, 对照最低;15N损失率呈相反的变化趋势。其中以T2处理效果最好,15N利用率和15N残留率最高,15N损失率最低,15N利用率较对照提高5.51%,15N损失率较对照降低14.52%。综合分析认为, 75%牛粪+25%生物炭处理(T2)对苹果根系生长、土壤特性和氮素吸收利用的效果最好。

苹果; 牛粪; 生物炭; 根系; 氮素利用; 土壤养分; 土壤微生物

苹果()是我国第一大类水果, 2016年中国苹果种植面积和产量分别为232.8万hm2和4 388万t, 已成为果区农民增收的重要支柱产业。果农为了追求高产和大果, 氮肥用量持续增加, 纯氮施用量高达400~600 kg·hm-2[1]。但是, 我国果园立地条件较差, 土壤养分贫瘠, 有机质含量普遍偏低, 土壤保肥能力较差, 苹果园氮肥的过量施用不仅降低了氮肥利用率, 还会导致树体代谢紊乱, 土壤酸化板结、有益微生物数量减少以及氮素面源污染等环境问题[2-3], 严重限制了苹果产业的可持续发展。因此, 防止果园土壤质量退化, 增强土壤保肥能力, 进而提高氮肥利用效率, 对于提高土壤可持续生产能力、果树生产节氮增效和保护生态环境具有重要意义。

研究表明, 添加生物炭(biochar)或有机肥等外源物质可有效改良土壤环境, 促进根系生长, 也是实现氮肥减施的重要途径之一[4]。生物炭是生物质在无氧或缺氧条件下缓慢高温分解得到的一类稳定的富含碳素的有机物质, 近年来作为土壤改良剂、碳源及肥料缓释载体备受关注[5-7]。生物炭在土壤中能够长期保持稳定, 可以改善土壤理化性质, 提高土壤微生物活性[8-9], 还可显著提高红枣()的产量和品质[10]。但研究发现, 只添加生物炭对作物增产效果不显著[11], 这可能与生物炭有效养分含量较低有关。还有研究表明, 生物炭与肥料混施或复合后可促进作物生长及产量提高[12]。牛粪(cow dung)是一种丰富的有机肥资源, 占畜禽粪便的1/3, 其有机质含量丰富, 含有较高的氮、磷、钾及微量元素, 牛粪制成肥料还田后, 有利于提高土壤的有机质和肥力, 改良土壤结构, 改善土壤理化性状和微生物环境[13-15]。研究发现, 施用牛粪可显著提高西瓜()的根际微生物数量、微生物多样性指数、根系吸收面积及氮素利用率[16], 还可显著提高葡萄()成熟期土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量, 对其产量和品质都有显著提高作用[17]。但过量牛粪会导致番茄()烧苗, 还会导致土壤氮素不能有效释放, 阻碍西瓜根系对其有效的吸收利用[16,18]。因此, 牛粪和生物炭各有优点和不足, 若将二者联合施用, 有可能平衡缺点, 促进土壤环境的优化。

近年来, 许多学者分别利用牛粪和生物炭在小麦()[19]、水稻()[20]等作物上进行了深入的研究, 但是将二者综合考虑特别是在苹果上的研究鲜有报道。因此, 本试验以2年生富士苹果为试材, 通过牛粪与生物炭不同配比处理, 研究其对苹果根系生长、土壤特性和氮素吸收利用的影响, 以期为苹果生产中合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试验设计

试验于2015年2—10月在山东农业大学园艺试验站防雨棚进行, 供试土壤为壤土, 土壤有机质14.11 g·kg-1, 全氮0.82 g·kg-1, 速效磷37.73 mg·kg-1, 速效钾193.14 mg·kg-1。试材为2年生红富士/平邑甜茶(2年生根1年生干), 选取生长势基本一致且无病虫害的苹果60株, 设6个处理, 单株为1次重复, 重复10次。于3月25日将红富士/平邑甜茶移栽入盆, 每盆10 kg土, 待长势平稳后(4月3日), 施入牛粪和生物炭, 各处理配比情况见表1; 同时, 每盆施入15N-尿素(上海化工研究院生产, 丰度10.16%)2.0 g, 普通尿素8.0 g, 硫酸钾(含K2O 50%)9.2 g, 过磷酸钙(含P2O514%)18.0 g, 施肥后立即浇水, 进行常规管理。

供试牛粪和生物炭均由陕西枫丹百丽生物科技有限公司提供。牛粪经腐熟、风干后施用, 基本理化性状为: 有机质216.85 g·kg-1, 全氮24.81 g·kg-1, 全磷2.99 g·kg-1, 全钾4.72 g·kg-1。生物炭原料为木材, 碳化温度为400 ℃, 其基本理化性状为: 有机炭286.32 g·kg-1, 全氮4.16 g·kg-1。

表1 试验处理及其牛粪和生物炭施用量设计

1.2 测定项目及方法

10月5日植株基本停止生长时(共处理186 d), 整株破坏性取样, 测定根系形态、根系活力、全氮和15N丰度; 同时进行土壤取样, 测定土壤理化性质及根际土壤可培养微生物数量等指标。

1.2.1 土壤理化性质

土壤容重用不锈钢环刀(高5 cm, 直径5 cm)采集原状土样, 烘干法测定。土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别采用重铬酸钾容量法、碱解扩散吸收法、钼蓝比色法和火焰光度法进行测定, 均为3次重复。

1.2.2 根际土壤可培养微生物数量

无菌环境下采用抖根法采集苹果根际土壤, 采用稀释平板计数法测定根际土壤中微生物数量, 细菌、放线菌和真菌分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、改良高氏Ⅰ号培养基和马丁氏培养基进行培养、分离与计数, 均设3次重复。

1.2.3 根系形态和根系活力

每处理选取3株苹果, 苹果根系经去离子水清洗后, 平铺于透明塑料板上, 在水中展开, 用专业版WinRHIZO(2007版)根系分析软件进行根总表面积、根尖数、根系总长度扫描分析; 根系活力用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法[21]测定。

1.2.4 样品全氮和15N丰度

每处理选取3株苹果, 整株样品解析为叶片、1年生枝、2年生枝、中心干、粗根(>0.2 cm)和细根(≤0.2 cm)。样品按清水、洗涤剂、清水、1%盐酸、3次去离子水顺序冲洗后, 在105 ℃下杀青30 min, 随后在80 ℃下烘干至恒重, 电磨粉碎后过60目筛, 混匀后装袋备用。样品全氮用凯氏定氮法测定, 植株和土壤15N丰度在中国农业科学院农产品加工研究所用MAT-251质谱仪测定。

1.3 数据处理

Ndff=(植物样品中15N丰度-自然丰度)/(肥料中15N

丰度-自然丰度)×100% (1)

15N利用率=(Ndff×器官全氮量)/施肥量×100% (2)

15N残留率=土壤中15N残留量/15N施用量×100% (3)

15N损失率=100%-15N利用率-15N残留率 (4)

用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析, Duncan’s检验法进行差异显著性比较(<0.05), 应用Microsoft Excel 2007软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同添加牛粪和生物炭处理对土壤理化性质的影响

与对照相比, 添加牛粪和生物炭能显著改善土壤理化性状, 增加土壤的有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量, 降低土壤容重(表2)。各处理随牛粪添加量的逐渐降低, 有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量均呈现下降的趋势, 以T1处理含量最高, 分别较对照提高97.31%、19.01%、24.37%、32.73%, T1与T2处理间差异不显著。土壤容重随生物炭添加量的升高呈降低趋势, T4和T5处理间差异不显著, 但显著低于CK和T1处理, T5处理容重最小, 较对照降低12.61%。

表2 不同添加牛粪和生物炭处理对土壤理化性质的影响

同列不同小写字母分别表示各处理间差异显著(<0.05)。Data followed by different lowercase letters in the same row are significantly different at 5%.

2.2 不同添加牛粪和生物炭处理对苹果根际土壤可培养微生物数量的影响

由表3可知, 添加牛粪和生物炭能显著提高苹果根际土中细菌、放线菌和真菌的数量。根际土壤中的微生物均以细菌占绝对优势(2.41×108~3.38×108CFU·g-1), 放线菌次之(7.89×106~1.67×107CFU·g-1), 真菌含量最少(1.94×104~3.75×104CFU·g-1)。细菌、放线菌和真菌数量呈相同的变化趋势, 各处理由高到低为T2>T3>T4>T1>T5>CK。T2、T3和T4处理间细菌数量无显著差异, 但均显著高于T5和CK; T2和T3处理放线菌、真菌数量无显著差异, 均显著高于其他处理。

表3 不同添加牛粪和生物炭处理对苹果根际土壤微生物数量的影响

同列不同小写字母分别表示各处理间差异显著(<0.05)。Data followed by different lowercase letters in the same column are significantly different at 5%.

2.3 不同添加牛粪和生物炭处理对苹果生物量、根系生长和根系活力的影响

牛粪和生物炭混施显著提高了植株总干重、总根长、根尖数、根表面积和根系活力(表4)。T2和T3处理总干重显著高于其他处理; T2和T3处理间总根长、根尖数差异不显著, 但均显著高于其他处理; T2、T3和T4处理间根表面积、根系活力差异不显著, 但显著高于T5和CK。总干重、根尖数、根表面积和根系活力等指标均在T2处理达到最高, 分别较对照提高54.32%、47.90%、33.47%、44.67%, 表明T2处理可显著促进苹果生长和根系活力的提高。

表4 不同添加牛粪和生物炭处理对植株生物量、根系形态指标和根系活力的影响

同列不同小写字母分别表示各处理间差异显著(<0.05)。Data followed by different lowercase letters in the same column are significantly different at 5%.

2.4 不同添加牛粪和生物炭处理对苹果各器官Ndff、全氮量和15N吸收量的影响

Ndff指植株器官从肥料中吸收分配到的15N量对该器官全氮量的贡献率, 它反映了植株器官对肥料15N的吸收征调能力。由表5可知, 各处理均以根系的Ndff值最高, 茎次之, 叶最低。与对照相比, 添加牛粪和生物炭可显著提高植株各器官的Ndff值, T2和T3处理间差异不显著, T2处理各器官的Ndff值均达到最大, 根、茎、叶分别较对照提高38.62%、43.03%、43.35%。由此可见牛粪和生物炭混合处理显著提高了苹果各器官对氮素的吸收征调能力。

由表5可见, 牛粪和生物炭混合处理可显著提高苹果的全氮量和15N吸收量, 分别为对照的1.12~1.42倍、1.18~1.55倍, 其中T2处理苹果全氮量(1.84g·株-1)和15N吸收量(0.17 g·株-1)均达到最高, 分别较对照提高41.54%和54.55%。

表5 不同添加牛粪和生物炭处理对苹果各器官Ndff、全氮量和15N吸收量的影响

同列不同小写字母分别表示各处理间差异显著(<0.05)。Data followed by different lowercase letters in the same column are significantly different at 5%.

2.5 不同添加牛粪和生物炭处理对肥料15N去向的影响

与对照相比, 牛粪和生物炭混合处理显著提高了苹果植株的15N利用率和15N残留率, 降低了15N损失率(图1)。各处理15N利用率和15N残留率趋势为牛粪和生物炭混合处理较高, 单施牛粪或生物炭处理次之, 对照最低;15N损失率呈相反的变化趋势。其中以T2处理效果最好,15N利用率和15N残留率最高,15N损失率最低,15N利用率(17.22%)比对照(11.71%)提高了5.51%,15N损失率(44.26%)比对照(58.78%)降低了14.52%。

图1 不同添加牛粪和生物炭处理对肥料15N去向的影响

3 讨论

研究表明, 施用生物炭可显著提高土壤有机碳的积累, 显著改善土壤通透性, 进而改善土壤肥力, 优化土壤环境[22]。但生物炭矿质养分含量低, 其直接养分作用是有限的[12]。研究发现长期或高量施用生物质炭可能会对土壤有机碳的品质产生不良影响, 减弱土壤有机质的活性, 可能会影响农业土壤的质量[23]。而牛粪中含有大量的矿物质元素和丰富的营养物质, 其质地细密, 矿物质元素和营养物质总量也相对较多, 生产中作为肥料原料应用较多[24]。本研究发现, 添加牛粪和生物炭可显著改善土壤理化性质, 增加土壤的有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量, 并且各处理随牛粪添加量的逐渐降低, 有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量均呈现下降的趋势, 均以单施牛粪处理(T1)含量最高; 牛粪与生物炭配施显著降低了土壤容重, 且随生物炭添加量的逐渐增加, 土壤容重呈下降趋势, 可能因为生物炭本身空隙结构发达, 密度低, 施入土壤后有一定的稀释作用。说明牛粪占比越多对提高土壤的养分含量有利, 生物炭占比越多对降低土壤容重更有利, 有利于改善土壤通透性。

微生物是土壤生态系统中最具活力的组成部分, 是土壤中物质转化和养分循环的驱动力, 它们参与土壤有机质分解、腐殖质形成、土壤养分转化和循环等过程[25-26]。研究表明, 牛粪为微生物提供了能源与基质, 可提高西瓜根际土壤的微生物数量[16]; 施入生物炭可提高土壤中微生物的数量、繁殖率与活性[27-28]。本研究也发现, 牛粪和生物炭单施或混施均可显著提高苹果根际土中细菌、放线菌和真菌的数量。这与Dempster等[29]发现高量施用生物炭会降低土壤微生物数量的研究结果不一致, 可能与本试验生物炭用量未达过量有关。本试验根际土壤中的微生物均以细菌占绝对优势, 放线菌次之, 真菌含量最少。相对来说, 牛粪对有益微生物数量的提高效果优于生物炭, 但二者联合效果更好, 其中75%牛粪+25%生物炭处理(T2)细菌、放线菌和真菌的数量均达到最高, 说明有益微生物数量的提高既需要牛粪提供的营养物质又需要生物炭对土壤通气性的改善。

良好的土壤环境促进了根系的生长和氮素的吸收。本研究发现, 牛粪和生物炭混施还可促进植株生长, 根系形态指标和根系活力显著增强, 其中75%牛粪+25%生物炭处理(T2)根系形态指标和根系活力均达到最高, 显著高于单施牛粪处理(T1), 可见高量施用牛粪虽然可提高土壤的营养物质, 但可能会导致根系受到一定程度的抑制, 这与井大炜等[16]在西瓜上的研究相一致。氮肥施入土壤后一部分被树体吸收, 另部分在土壤中以各种形态残留, 其他的氮素通过各种途径损失至环境中。研究发现, 添加牛粪可显著提高西瓜的吸氮量, 并显著提高氮素利用率[16]; 添加生物炭可抑制反硝化作用, 减少NO3-的损失, 还能有效降低氨挥发, 降低氮肥损失率[30-32]。本试验结果表明, 牛粪和生物炭混施可显著提高苹果各器官的Ndff值、全氮量和15N吸收量, 说明牛粪和生物炭混合处理显著提高了各器官对氮素的征调能力, 促进了苹果对15N的吸收, 从而提高了15N利用率。并且牛粪和生物炭特殊的理化性质可有效提高土壤对氮肥的固定吸附能力, 降低肥料15N的损失率, 氮肥损失显著减少。牛粪和生物炭混施较单施牛粪或生物炭效果更好, 其中75%牛粪+25%生物炭处理(T2)15N利用率和15N残留率最高,15N损失率最低。

4 结论

牛粪和生物炭混施改善了土壤肥力与土壤结构, 使土壤微生物获得了充足的碳源和氮源, 有利于微生物数量的提高, 能使更多的肥料氮被同化到微生物体内或被转化为较稳定的有机含氮代谢物而得以保存, 促进土壤对氮的固持, 从而降低氮素损失风险; 同时还促进了根系生长, 氮素吸收量增加, 有利于提高氮肥利用率。牛粪弥补了生物炭养分低的缺陷, 生物炭可改善土壤通透性并赋予牛粪和氮肥养分缓释性能的互补和协同作用, 二者混施可互补不足, 更好的优化土壤环境。综合分析认为, 75%牛粪+25%生物炭处理对苹果根系生长、土壤特性和氮素吸收利用的效果最好。

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Effects of cow dung and biochar on root growth, soil properties and nitrogen utilization of apple*

WANG Fen1, LIU Hui1, FENG Jingtao1, TIAN Ge1, LIU Xiangyang2, GE Shunfeng1**, JIANG Yuanmao1**

(1. College of Horticultural Science and Engineering, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, China; 2. Shaanxi BELLE Ferndean Biotechnology Co. Ltd., Qianyang 721100, China)

Two-year-old ‘Fuji’ apple (Borkh. cv Red Fuji/) trees were used to study the effect of cow dung and biochar on soil properties, and apple root growth, nitrogen uptake and utilization using15N isotope tracer technique. The study aimed at providing reference for rational fertilization and sustainable apple development and production. There were 6 treatments in the study — no cow dung or biochar (CK), 100% cow dung (T1), 75% cow dung + 25% biochar (T2), 50% cow dung + 50% biochar (T3), 25% cow dung + 75% biochar (T4) and 100% biochar (T5). The results showed that combined application of cow dung and biochar improved soil physical and chemical properties, and increased soil contents of organic matter, alkali-hydrolyzale nitrogen, available phosphorus and available potassium, but reduced soil bulk density. The soil contents of organic matter, alkali-hydrolyzale nitrogen, available phosphorus and available potassium decreased gradually with decreasing cow dung proportion, and they were highest under T1, which increased by respectively 97.31%, 19.01%, 24.37% and 32.73% over CK. There was no significant difference between T1 and T2 in terms of the contents of the variables. Soil bulk density decreased with gradual increase in biochar proportion. The difference between T4 and T5 treatments was not significant. Soil bulk density under T4 or T5 treatment was significantly lower than that of CK and T1. Bacteria population was highest in rhizosphere soil, followed by actinomyces, and fungus content was lowest. The addition of cow dung and biochar significantly increased the number of bacteria, actinomycetes and fungus in rhizosphere soil. The population of bacteria, actinomycetes and fungus was highest in T2 treated soil. The cow dung and biochar mixture also promoted apple root growth. Root tip, root surface area and root activity were highest in T2 treated soil, with respective increases of 47.90%, 33.47% and 44.67% over that of CK. Compared with CK, the cow dung plus biochar significantly improved the Ndff value, total nitrogen and15N absorption of various organs of apple. It also increased15N utilization and residual rate, while reducing15N loss rate. The utilization rate and the residual rate of15N were higher under treatments of mixed cow dung and biochar. Single application of cow dung or biochar was second and CK treatment the lowest. The loss rate of15N showed the reverse trend. T2 treatment showed best with the highest15N utilization rate and residue rate and lowest15N loss rate. Under T2 treatment, while15N utilization ratio increased by 5.51%,15N loss rate decreased by 14.52% compared with CK. Comprehensive analysis showed that the 75% cow dung + 25% biochar treatment (T2) had the best effect on apple root growth, soil characteristics and nitrogen absorption and utilization.

Apple; Cow dung; Biochar; Root; Nitrogen utlization; Soil nutrients; Soil microbia

GE Shunfeng, E-mail: geshunfeng210@126.com; JIANG Yuanmao, E-mail: ymjiang@sdau.edu.cn

Apr. 18, 2018;

Jul. 5, 2018

S661.1

A

1671-3990(2018)12-1795-07

10.13930/j.cnki.cjea.180394

* 国家重点研发计划项目(2016YFD0201100)、国家自然科学基金项目(31501713)和国家现代农业产业技术体系建设资金项目(CARS-27)资助

葛顺峰, 主要从事果树营养生理与氮、磷循环研究, E-mail: geshunfeng210@126.com; 姜远茂, 主要从事果树营养生理和土壤肥力研究, E-mail: ymjiang@sdau.edu.cn

王芬, 主要研究方向为苹果氮素营养。E-mail: 757086004@qq.com

2018-04-18

2018-07-05

* This study was supported by the National Key R&D Program of China (2016YFD0201100), the National Natural Science Foundation of China (31501713) and the National Modern Agricultural Industry Technology System Construction Fund Project of China (CARS-27).

王芬, 刘会, 冯敬涛, 田歌, 刘相阳, 葛顺峰, 姜远茂. 牛粪和生物炭对苹果根系生长、土壤特性和氮素利用的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(12): 1795-1801

WANG F, LIU H, FENG J T, TIAN G, LIU X Y, GE S F, JIANG Y M. Effects of cow dung and biochar on root growth, soil properties and nitrogen utilization of apple[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1795-1801