木質素對土壤供氮特征及冬小麥生長的影響

張 杰汪 洪李書田劉榮樂

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部作物營養與施肥重點開放實驗室,北京,100081;2.中國農業科學院研究生院,北京,100081)

·木質素利用·

木質素對土壤供氮特征及冬小麥生長的影響

張 杰1汪 洪1李書田1劉榮樂2

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部作物營養與施肥重點開放實驗室,北京,100081;2.中國農業科學院研究生院,北京,100081)

采用盆栽實驗方法,研究木質素施入土壤后對土壤的供氮特征及對冬小麥干物質積累和氮素營養的影響。研究結果表明,木質素能提高土壤微生物量氮含量,調控氮素釋放,提高冬小麥拔節期、灌漿期及成熟期土壤礦質態氮含量。成熟期木質素處理與化肥處理相比,植株干物重、氮含量、氮素積累量分別增加了7%～8%、6%～10%、16%。

木質素;土壤供氮特征;干物質;氮素營養;冬小麥生長

(＊E-mail:rlliu@caas.net.cn)

Abstract:Pot experimentswere carried out to study the effectof lignin application on the characteristic of soil nitrogen supply and nitrogenN uptake bywinterwheat.Results showed that the lignin can increase soilmicrobial biomass nitrogen content,regulate nitrogen release and improve mineral nitrogen content in the soil during the jointing,filling,harvesting periods.Compared with fertilizer trea tment,lignin treatment can increase dry substance by 7%～8%,nitrogen uptake by 6%～10%,nitrogen accumulation amount by 16%in the plant at harvest.In conclusion,lignin can improve soil nitrogen supply,promote the N uptake of thewheat and it isof benefit to improve the application efficiency of nitrogen fertilizer.

Key words:lignin;soil nitrogen supplymodes;dry substance;nitrogen nutrition;growth ofwinterwheat

農業生產活動大量施用氮肥,因肥料理化性能不良導致氮肥養分利用率低下,不僅造成農業生產成本增加,而且過量的氮遷移進入水體導致富營養化等污染,嚴重破壞了水生態環境,致使優質水資源短缺加劇。目前我國肥料以速效肥為主,氮肥利用率僅為30%～40%,不僅造成了大量營養元素的浪費,而且引發了水資源及環境污染等一系列問題[1-2]。隨著農業形態的改變,農民堆肥、圈肥施用量的減少,致使農田瘠薄,因而對有機肥料的需求量大大增加[3]。木質素作為一種有機化合物,在農業肥料改良方面的作用越來越受到廣泛的關注[4]。

制漿造紙產生的木質素,主要存在于制漿廢液中。國外利用木材造紙,造紙廢液通過堿回收,將木質素燃燒轉變成熱能,解決了造紙廢液的環境污染問題。我國為草漿生產大國,造紙纖維原料(麥草、稻草等)制漿廢液很難通過堿回收處理。這些制漿造紙廢液難于處理,而不經處理直接排放又會造成嚴重環境污染。制漿造紙廢液主要有機成分是木質素。經過制漿工藝過程,廢液中木質素的大分子鏈已經有不同程度的降解,結構單元上有較多的酚羥基、磺酸基、羧基和羰基,經過氧化處理還形成了醌類結構[5]。制漿造紙過程產生的木質素的特性與纖維原料、制漿方法、工藝條件以及木質素的分離提取方式有密切關系[6]。

木質素是由苯丙烷結構單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接而成的天然高聚物[7]。在土壤中,木質素在土壤微生物作用下經歷腐殖化過程,其分解產物及形成的腐殖質對土壤理化性質會產生影響。本課題通過盆栽實驗研究不同制漿工藝方法獲得的兩種木質素對土壤微生物量氮、礦質態氮以及植株干物質積累、氮素積累的影響,以期對制漿造紙廢液資源化利用提供科學依據。

1 實 驗

1.1 材料

木質素取自山東某造紙公司,鑒于制漿方法中脫木質素的工藝不同,采用了兩種不同工藝方法獲得的木質素進行實驗。①銨法木質素(A):通過堿性亞銨法麥草制漿獲得制漿廢液;②堿法木質素(J):通過傳統堿法麥草制漿獲得制漿廢液。實驗用木質素通過蒸發濃縮獲得。供試木質素的理化性質見表1。

表1 木質素理化性質

供試土壤為潮土,取自山東聊城冬小麥-夏玉米試驗地0～20 cm耕層土壤。實驗用土壤風干后過2 mm篩。供試土壤的基本性質為:有機質1.18%, pH值8.04,全氮1.14 g/kg,全磷9.97 g/kg,全鉀20.05 g/kg,水解氮74.40 mg/kg,微生物量氮4.4 mg/kg。供試氮肥為尿素,磷肥、鉀肥為磷酸二氫鉀。供試作物為冬小麥(衡觀35)。

1.2 方法

1.2.1 實驗方法

盆栽實驗于中國農業科學院溫室中進行,室內分析于農業部作物營養與施肥重點開放實驗室中進行。設4個處理,3次重復,分別為①土壤(CK);②化肥(N);③銨法木質素4 g/kg(AN);④堿法木質素4 g/kg(JN)。除土壤處理外,其他處理均施氮0.30 g/kg,P2O50.18 g/kg,K2O 0.12 g/kg,其中氮肥采用1/2基施,1/2拔節期追施,磷鉀肥全部基施。分別稱取5 kg風干土壤,與相應肥料混勻后裝入塑料桶中,于2008年10月30日播種,出苗后每盆留5株苗,小麥生長期間用質量差值法校準調節土壤水分。同一處理一次性設置15盆,分別在小麥苗期(2008年12月10日)、返青期(2009年3月20 日)、拔節期(4月20日)、灌漿期(5月18日)、成熟期(6月28日)取樣。土壤分風干樣和新鮮樣分別保存,植株105℃殺青(初步干燥)30 min, 75℃下烘干磨碎,過0.25 mm篩,保存。

1.2.2 分析方法

土壤微生物量氮用氯仿熏蒸滅菌-K2SO4浸提法。稱取相當于25.00 g烘干基的新鮮土壤樣于50 mL小燒杯中,同時準備同樣的未熏蒸土壤樣作為對照,含水量調節至田間含水量的40%,密封于放有少量水和1 mol/L NaOH溶液的塑料盒中,25℃下預培養7天。將預培養的土壤樣連同燒杯置于底部有少量NaOH、少量水和去乙醇氯仿的真空干燥器中,抽真空后保持氯仿沸騰5 min,然后將干燥器移至25℃黑暗條件下,與未熏蒸的土壤樣一起培養24 h。將土壤樣轉移到三角瓶中,加入100 mL 0.5 mol/L K2SO4浸提劑,振蕩30 min后過濾,取5 mL土壤提取液于硬質開氏管中,加入0.19 mol/L CuSO4溶液0.4 mL、濃H2SO47.0 mL消化至澄清后再回流2 h,冷卻后測定土壤全氮。土壤微生物量氮(BN)=2.22 EN,其中,EN=熏蒸與未熏蒸土壤全氮的差值[8]。

土壤銨態氮、硝態氮用KCl浸提法。稱取10.00 g新鮮土壤樣于三角瓶中,加入50 mL 2 mol/L KCl浸提劑,振蕩30 min后過濾,銨態氮用靛酚藍比色法測定,硝態氮用紫外分光光度計法測定[9]。

植株全氮用H2SO4-H2O2消化-半自動定氮儀測定[9]。

1.2.3 數據統計

土壤礦質態氮=土壤硝態氮+土壤銨態氮

積累量=干物重×含氮量

階段積累量=某生育期積累量-上一生育期積累量

完成率=某階段積累量/最高積累量×100%

所有數據均采用SPSS16.0軟件進行分析。

2 結果與討論

2.1 木質素對土壤微生物量氮的影響

土壤微生物量氮含量是土壤微生物對氮素礦化和固持作用的綜合反映,它通過土壤微生物對土壤中礦質態氮的固持和微生物對有機氮的分解而成為土壤氮素循環與轉化過程中非常重要的部分[10-11]。圖1為不同處理下小麥各個生育期土壤微生物量氮含量。施肥前土壤微生物量氮含量為4.4 mg/kg。施肥后隨生長時間延長而提高,在灌漿期達到最高,之后開始明顯降低。在苗期土壤處理中土壤微生物量氮含量最低,其他處理土壤微生物量氮含量較高,這是因為無論單施化肥還是化肥與木質素配施都能提供較多的養分,促進微生物生長。到返青期土壤微生物量氮含量與苗期相比,數量上都有所增加,這與氣溫升高、根系分泌物增多有密切關系。木質素處理土壤可以為微生物生長提供大量的碳源和能源,同時化肥又為微生物的生長提供了較多的氮源,刺激微生物的生長,所以土壤微生物量氮含量較高,與土壤處理和化肥處理相比達到顯著差異。銨法木質素處理較堿法木質素處理土壤微生物量氮含量高,但未達到顯著差異。灌漿期土壤微生物量氮含量達到最高,原因是灌漿期氣溫升高,溫度變化對有機氮的礦化作用和硝化作用產生很大影響[12-14]。銨法木質素處理土壤微生物量氮含量最高,為33.60 mg/kg,堿法木質素處理次之,化肥處理為22.77 mg/kg,高于土壤處理,而且各處理間均差異顯著。收獲期各處理土壤微生物量氮含量與灌漿期相比均有所下降。土壤微生物量氮下降的原因一方面是木質素施入土壤后,經過了分解較強階段后,進入緩慢分解階段,微生物繁殖所需的碳源、能源下降;另一方面是在拔節期氣溫高,凈礦化量大,礦化的氮是被植物吸收,而不是被微生物同化[15],土壤當中養分濃度降低限制了微生物數量的增長和個體發育[16]。木質素處理土壤微生物量氮含量顯著高于化肥處理和土壤處理,這是因為木質素與化肥配施能為微生物提供更多的碳源和氮源,所以木質素能增加土壤微生物量氮含量,提高微生物固持氮素的能力。

圖1 木質素對土壤微生物量氮的影響

2.2 木質素對土壤礦質態氮的影響

隨著冬小麥生長時間的延長,其吸氮強度不斷增強,土壤礦質態氮含量從苗期至灌漿期逐漸降低,但不同處理下降幅度不同,到成熟期有所回升(見圖2)。由于缺少外源氮的加入,土壤處理土壤礦質態氮含量最低,與其他處理差異顯著。苗期化肥處理土壤礦質態氮含量最高,兩種木質素處理次之,因為尿素施入土壤后由酰胺態氮水解成銨態氮,木質素能減緩這一過程。返青期土壤礦質態氮含量較苗期有所降低,由于冬小麥生長緩慢,土壤礦質態氮下降幅度不大。拔節期至灌漿期為冬小麥干物質積累的時期,營養生長與生殖生長同時進行,各處理土壤礦質態氮均迅速減少,至灌漿期達到最小。化肥處理土壤礦質態氮減少最多,拔節期、灌漿期低于兩種木質素處理,可能是因為冬小麥生長初期木質素處理土壤固持了更多氮,隨著氣溫升高,礦化作用增強被釋放出來。冬小麥灌漿結束至成熟期生長緩慢,吸氮強度減弱,同時土壤礦化作用繼續增強,微生物死亡釋放出氮素,所以成熟期土壤礦質態氮含量升高。兩種木質素處理土壤礦質態氮含量提高幅度均大于化肥處理,差異達到顯著水平。

圖2 木質素對土壤礦質態氮的影響

2.3 木質素對冬小麥干物質積累量及干物質累積速率的影響

隨著冬小麥生長發育的進行,其干物質積累量在整個生育期都是呈增加趨勢。苗期到返青期冬小麥干物質積累量緩慢增加,拔節期隨著冬小麥生長加快,其干物質積累量也迅速增加,到成熟期達到最大。在苗期各處理的干物質積累量沒有明顯差別,返青期至成熟期土壤處理由于缺少速效養分生物量最低,木質素處理干物質積累量高于化肥處理,到成熟期銨法木質素處理、堿法木質素處理植株干物重比化肥處理分別高8%、7%(見表2)。

本實驗對冬小麥從返青期到成熟期這一階段的干物質積累量進行回歸分析,采用Logistic方程y=k/ (1+ae-bx)加以描述,式中的y為干物質積累量,x為返青后生長天數,a、b、k為待定參數,對方程求導可得到干物質積累速率。由圖3可以看出,各處理中冬小麥返青后干物質積累速率基本一致,均呈S型曲線,表現為慢-快-慢的規律。植株干物質積累速率均呈現明顯的單峰曲線,最大值出現在返青后31天左右,土壤處理每株為62.59 mg/d,化肥處理每株為106.18 mg/d,銨法木質素處理每株為116.95 mg/d,堿法木質素處理每株為116.39 mg/d。在整個觀察期內土壤處理干物質積累速率始終最低,化肥處理在返青后59天內都低于木質素處理,后期與木質素處理差異不大,兩種木質素處理基本相同。通過分析可知,木質素能提高冬小麥干物質積累速率,起到協調和促進植株生長發育的作用,但不改變干物質積累規律。

表2 木質素對植株干物質積累量的影響

圖3 木質素對植株干物質積累速率的影響

2.4 木質素對冬小麥吸氮量及氮素積累的影響

隨著生育期的推進,各處理植株含氮量變化趨勢基本一致(見圖4),苗期植株含氮量最高,返青期次之,拔節期因植株生物量迅速增加,稀釋效應使植株體內的氮素含氮量迅速下降,灌漿期下降較緩,到成熟期基本維持不變或稍有回升。木質素處理植株含氮量始終維持較高水平,與化肥處理、土壤處理達到顯著差異水平,說明木質素能增加冬小麥植株氮素含量,但兩種木質素處理之間差異不顯著。

圖4 木質素對植株含氮量的影響

各處理植株氮素積累量隨生長時間的延長總體呈增加的趨勢,每個生育期植株氮素積累量都為土壤處理最低,化肥處理次之,木質素處理較高,而且差異達到顯著水平,兩種木質素差異不顯著,說明木質素能夠提高冬小麥對氮素的吸收和積累,從而提高氮肥的當季利用率。由表3可以看出,冬小麥植株氮素階段積累量、階段積累量占最大積累量的比例變化趨勢差異較大。土壤處理和化肥處理植株氮素階段積累量最大值均出現在灌漿期,拔節期較低,而木質素處理在拔節期和灌漿期階段積累量都較大,延長了氮素在植株體內快速積累的時間,增加了積累量。從播種到苗期,土壤處理完成了最大積累量的22%,其他處理均為14%。到灌漿期結束,銨法木質素完成了最大積累量的94%,堿法木質素為96%,化肥處理為90%,土壤處理最低,僅為81%。

表3 木質素對植株氮積累量的影響

3 結果與討論

3.1 經過不同處理的冬小麥的各個生育時期土壤微生物量氮含量變化趨勢基本一致。苗期土壤微生物量氮含量最低,返青期后土壤微生物量氮含量迅速升高,灌漿期出現最大值。成熟期土壤微生物量氮含量有所下降。苗期木質素處理與化肥處理土壤微生物量氮含量差異不大,從返青期到成熟期為銨法木質素處理>堿法木質素處理>化肥處理,所以木質素能提高微生物固持氮素的能力,提高土壤微生物量氮含量,銨法木質素作用效果較堿法木質素強。

3.2 整個生育期各處理土壤礦質態氮均表現為先降低到成熟期有所回升的趨勢。苗期和返青期木質素處理土壤礦質態氮含量較化肥處理低,從拔節期到成熟期木質素處理土壤礦質態氮含量高于化肥處理,因此,木質素能調控氮素釋放,改善土壤供氮狀況。

3.3 各處理返青后干物質積累速率基本一致,木質素處理干物質積累速率返青期至成熟期都高于土壤處理,在返青后59天內(約為灌漿期前后)高于化肥處理,整個生育期內木質素處理干物重都高于其他處理,所以木質素的施用不改變植株干物質積累規律,但能提高干物質積累速率,增加干物質積累量。木質素處理相對于其他處理延長了氮素在植株體內快速積累的時間,從而增加植株氮素含量和累積量。

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(責任編輯:趙旸宇)

Effects of L ign in Application on Soil Nitrogen Supply and Growth ofW interW heat

ZHANG Jie1WANG Hong1L I Shu-tian1L IU Rong-le2,＊

(1.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning,Chinese Academy of Agricultural Science,M inistry of Agriculture Key Lab of Crop Nutrition and Fertilization,Beijing,100081;2.Graduate School,Chinese Academ y of Agricultural Science,Beijing,100081)

張 杰女士,在讀碩士研究生;主要研究方向:土壤肥力管理。

X793

A

0254-508X(2010)08-0034-05

2010-04-14(修改稿)

本課題得到國家高技術研究發展計劃(863)課題(編號:2008AA06Z307)資助。