连续添加玉米秸秆及其腐解和炭化材料对黑土腐殖质的影响

摘要

我国农作物秸秆产量巨大;但利用率较低;大量秸秆被焚烧和闲置。为了合理利用农作物秸秆;从而达到改善土壤性质的目的;国内外学者对秸秆还田做了大量研究。但是具体哪一种还田方式对改善土壤性质和提高作物产量的效果更好;还没有在同等条件下进行对比和研究。因此;本文通过室内培养试验和盆栽试验;研究在等碳量情况下施用玉米秸秆、腐熟秸秆和玉米秸秆生物质炭对土壤腐殖质和玉米生长及产量的影响;为秸秆还田方式的改进提供参考。 试验设置4个处理;分别是不施加有机物料的对照（CK）、施加玉米秸秆（CS）、施加腐熟玉米秸秆（HCS）和施加玉米秸秆生物质炭（Bc）。玉米秸秆添加量按全量还田折算;腐熟秸秆和生物质炭按玉米秸秆的碳量进行添加。腐殖质组成测定包括水溶性物质（WSS）、可提取腐殖物质（HE）、富里酸（FA）、胡敏酸（HA）和胡敏素（HM）;通过元素组成、红外光谱（IR）、差热分析（DTA）和固态 13C核磁共振（NMR）测定H A结构;通过穗行数、行粒数、百粒重进行产量的计算。研究结果如下： 1、玉米秸秆、腐熟秸秆和生物质炭的结构性质的比较 玉米秸秆在腐解和炭化后化学结构发生了很大的变化;尤其是经高温热裂解炭化后的生物质炭含C量明显增加;O和H元素含量下降;秸秆腐解后C和H元素含量降低;N和 O 元素含量增加;C/N 比极小;O/C 比增大。玉米秸秆和腐熟秸秆结构中含有较多的脂族性C-H和C-O健;芳香链烃较少;而生物质炭含有较多的芳香C=C结构;脂族性结构较少。 2、添加有机物料可以提高土壤有机碳含量 添加有机物料的土壤总有机碳（SOC）含量均呈上升趋势;不同培养时期和连续两年添加有机物料的土壤SOC含量变化规律相似;均表现为Bc>HCS>CS>CK。培养90 d和180 d时;Bc、HCS和CS处理SOC含量显著增加14.66%和10.51%、10.25%和8.30%、5.90%和5.12%;培养360 d后;Bc、HCS和CS处理SOC含量显著增加13.36%、10.02%和6.21%;各处理之间差异显著。连续两年添加有机物料的盆栽试验;Bc、HCS和CS处理下SOC含量分别增加了20.59%和18.20%、18.12%和17.36%、11.08%和1.45%;差异显著。 3、添加有机物料在改善腐殖质组成方面的作用 添加有机物料均有利于增加腐殖质各组分有机碳含量;提高土壤腐殖化程度;其中Bc处理最显著;腐熟秸秆和玉米秸秆次之。培养90 d的土壤;Bc、HCS和CS处理PQ值分别增加了12.11%、7.77%和4.77%;培养180 d的土壤;Bc、HCS和CS处理分别增加了11.98%、9.11%和5.47%;培养360 d的土壤;PQ值分别增加了11.96%、10.71%和6.43%。2年盆栽试验添加有机物料的土壤PQ值均有所增加;Bc、HCS和CS处理分别增加5.35%和11.30%、3.99%和7.00%、2.28%和4.61%。 4、添加不同有机物料对腐殖质结构的影响各有异同 Bc、HCS和CS处理HA分子结构的O/C比均小于CK;在1 720 cm-1处HA吸收峰的相对强度均减小;羰基官能团减少;说明添加有机物料使得 HA 分子氧化度下降。CS和HCS处理H/C比增加;在1 620 cm-1处HA吸收峰的相对强度均减小;2 920/1 620比值均增大;高/中温放热和失重比降低;脂族C/芳香C比值增大;烷基C/烷氧C和疏水C/亲水C比值减小;Bc处理反之。说明添加玉米秸秆和腐熟秸秆使得土壤HA分子缩合度、芳香性和疏水性下降;脂族性和活性增强;分子结构简单化;而添加生物质炭使得HA分子脂族比例下降;缩合度和芳香性增强;更有利于增强HA分子的疏水性和稳定性。不同培养时期的土壤和连续两年添加有机物料的土壤 HA 和 FA 的 ΔlgK 值均表现为HCS>CS>CK>Bc。说明添加玉米秸秆和腐熟秸秆均有利于 HA 和 FA 分子向简单化方向发展;且添加腐熟秸秆处理最显著。 5、添加有机物料有利于玉米生长;提高玉米产量 综合两年的盆栽试验;添加生物质炭的玉米株高最高;其次是腐熟秸秆处理;添加玉米秸秆略有增高;但与对照处理相比差异不显著。添加有机物料的处理两年玉米产量均显著增加;表现为Bc>HCS>CS>CK。连续两年添加有机物料对玉米穗行数无影响;但行粒数和百粒重均有所增加。可见;添加有机物料对玉米产量的影响主要体现在增加行粒数和籽粒饱满度上;从而达到增产的效果。因此;添加生物质炭更有利于玉米生长;提高玉米产量;腐熟秸秆和玉米秸秆次之。

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