张 杰汪 洪李书田刘荣乐

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,农业部作物营养与施肥重点开放实验室,北京,100081;2.中国农业科学院研究生院,北京,100081)

·木质素利用·

木质素对土壤供氮特征及冬小麦生长的影响

张 杰1汪 洪1李书田1刘荣乐2

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,农业部作物营养与施肥重点开放实验室,北京,100081;2.中国农业科学院研究生院,北京,100081)

采用盆栽实验方法,研究木质素施入土壤后对土壤的供氮特征及对冬小麦干物质积累和氮素营养的影响。研究结果表明,木质素能提高土壤微生物量氮含量,调控氮素释放,提高冬小麦拔节期、灌浆期及成熟期土壤矿质态氮含量。成熟期木质素处理与化肥处理相比,植株干物重、氮含量、氮素积累量分别增加了7%～8%、6%～10%、16%。

木质素;土壤供氮特征;干物质;氮素营养;冬小麦生长

(＊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

农业生产活动大量施用氮肥,因肥料理化性能不良导致氮肥养分利用率低下,不仅造成农业生产成本增加,而且过量的氮迁移进入水体导致富营养化等污染,严重破坏了水生态环境,致使优质水资源短缺加剧。目前我国肥料以速效肥为主,氮肥利用率仅为30%～40%,不仅造成了大量营养元素的浪费,而且引发了水资源及环境污染等一系列问题[1-2]。随着农业形态的改变,农民堆肥、圈肥施用量的减少,致使农田瘠薄,因而对有机肥料的需求量大大增加[3]。木质素作为一种有机化合物,在农业肥料改良方面的作用越来越受到广泛的关注[4]。

制浆造纸产生的木质素,主要存在于制浆废液中。国外利用木材造纸,造纸废液通过碱回收,将木质素燃烧转变成热能,解决了造纸废液的环境污染问题。我国为草浆生产大国,造纸纤维原料(麦草、稻草等)制浆废液很难通过碱回收处理。这些制浆造纸废液难于处理,而不经处理直接排放又会造成严重环境污染。制浆造纸废液主要有机成分是木质素。经过制浆工艺过程,废液中木质素的大分子链已经有不同程度的降解,结构单元上有较多的酚羟基、磺酸基、羧基和羰基,经过氧化处理还形成了醌类结构[5]。制浆造纸过程产生的木质素的特性与纤维原料、制浆方法、工艺条件以及木质素的分离提取方式有密切关系[6]。

木质素是由苯丙烷结构单元通过醚键和碳-碳键连接而成的天然高聚物[7]。在土壤中,木质素在土壤微生物作用下经历腐殖化过程,其分解产物及形成的腐殖质对土壤理化性质会产生影响。本课题通过盆栽实验研究不同制浆工艺方法获得的两种木质素对土壤微生物量氮、矿质态氮以及植株干物质积累、氮素积累的影响,以期对制浆造纸废液资源化利用提供科学依据。

1 实 验

1.1 材料

木质素取自山东某造纸公司,鉴于制浆方法中脱木质素的工艺不同,采用了两种不同工艺方法获得的木质素进行实验。①铵法木质素(A):通过碱性亚铵法麦草制浆获得制浆废液;②碱法木质素(J):通过传统碱法麦草制浆获得制浆废液。实验用木质素通过蒸发浓缩获得。供试木质素的理化性质见表1。

表1 木质素理化性质

供试土壤为潮土,取自山东聊城冬小麦-夏玉米试验地0～20 cm耕层土壤。实验用土壤风干后过2 mm筛。供试土壤的基本性质为:有机质1.18%, pH值8.04,全氮1.14 g/kg,全磷9.97 g/kg,全钾20.05 g/kg,水解氮74.40 mg/kg,微生物量氮4.4 mg/kg。供试氮肥为尿素,磷肥、钾肥为磷酸二氢钾。供试作物为冬小麦(衡观35)。

1.2 方法

1.2.1 实验方法

盆栽实验于中国农业科学院温室中进行,室内分析于农业部作物营养与施肥重点开放实验室中进行。设4个处理,3次重复,分别为①土壤(CK);②化肥(N);③铵法木质素4 g/kg(AN);④碱法木质素4 g/kg(JN)。除土壤处理外,其他处理均施氮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拔节期追施,磷钾肥全部基施。分别称取5 kg风干土壤,与相应肥料混匀后装入塑料桶中,于2008年10月30日播种,出苗后每盆留5株苗,小麦生长期间用质量差值法校准调节土壤水分。同一处理一次性设置15盆,分别在小麦苗期(2008年12月10日)、返青期(2009年3月20 日)、拔节期(4月20日)、灌浆期(5月18日)、成熟期(6月28日)取样。土壤分风干样和新鲜样分别保存,植株105℃杀青(初步干燥)30 min, 75℃下烘干磨碎,过0.25 mm筛,保存。

1.2.2 分析方法

土壤微生物量氮用氯仿熏蒸灭菌-K2SO4浸提法。称取相当于25.00 g烘干基的新鲜土壤样于50 mL小烧杯中,同时准备同样的未熏蒸土壤样作为对照,含水量调节至田间含水量的40%,密封于放有少量水和1 mol/L NaOH溶液的塑料盒中,25℃下预培养7天。将预培养的土壤样连同烧杯置于底部有少量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腾5 min,然后将干燥器移至25℃黑暗条件下,与未熏蒸的土壤样一起培养24 h。将土壤样转移到三角瓶中,加入100 mL 0.5 mol/L K2SO4浸提剂,振荡30 min后过滤,取5 mL土壤提取液于硬质开氏管中,加入0.19 mol/L CuSO4溶液0.4 mL、浓H2SO47.0 mL消化至澄清后再回流2 h,冷却后测定土壤全氮。土壤微生物量氮(BN)=2.22 EN,其中,EN=熏蒸与未熏蒸土壤全氮的差值[8]。

土壤铵态氮、硝态氮用KCl浸提法。称取10.00 g新鲜土壤样于三角瓶中,加入50 mL 2 mol/L KCl浸提剂,振荡30 min后过滤,铵态氮用靛酚蓝比色法测定,硝态氮用紫外分光光度计法测定[9]。

植株全氮用H2SO4-H2O2消化-半自动定氮仪测定[9]。

1.2.3 数据统计

土壤矿质态氮=土壤硝态氮+土壤铵态氮

积累量=干物重×含氮量

阶段积累量=某生育期积累量-上一生育期积累量

完成率=某阶段积累量/最高积累量×100%

所有数据均采用SPSS16.0软件进行分析。

2 结果与讨论

2.1 木质素对土壤微生物量氮的影响

土壤微生物量氮含量是土壤微生物对氮素矿化和固持作用的综合反映,它通过土壤微生物对土壤中矿质态氮的固持和微生物对有机氮的分解而成为土壤氮素循环与转化过程中非常重要的部分[10-11]。图1为不同处理下小麦各个生育期土壤微生物量氮含量。施肥前土壤微生物量氮含量为4.4 mg/kg。施肥后随生长时间延长而提高,在灌浆期达到最高,之后开始明显降低。在苗期土壤处理中土壤微生物量氮含量最低,其他处理土壤微生物量氮含量较高,这是因为无论单施化肥还是化肥与木质素配施都能提供较多的养分,促进微生物生长。到返青期土壤微生物量氮含量与苗期相比,数量上都有所增加,这与气温升高、根系分泌物增多有密切关系。木质素处理土壤可以为微生物生长提供大量的碳源和能源,同时化肥又为微生物的生长提供了较多的氮源,刺激微生物的生长,所以土壤微生物量氮含量较高,与土壤处理和化肥处理相比达到显著差异。铵法木质素处理较碱法木质素处理土壤微生物量氮含量高,但未达到显著差异。灌浆期土壤微生物量氮含量达到最高,原因是灌浆期气温升高,温度变化对有机氮的矿化作用和硝化作用产生很大影响[12-14]。铵法木质素处理土壤微生物量氮含量最高,为33.60 mg/kg,碱法木质素处理次之,化肥处理为22.77 mg/kg,高于土壤处理,而且各处理间均差异显著。收获期各处理土壤微生物量氮含量与灌浆期相比均有所下降。土壤微生物量氮下降的原因一方面是木质素施入土壤后,经过了分解较强阶段后,进入缓慢分解阶段,微生物繁殖所需的碳源、能源下降;另一方面是在拔节期气温高,净矿化量大,矿化的氮是被植物吸收,而不是被微生物同化[15],土壤当中养分浓度降低限制了微生物数量的增长和个体发育[16]。木质素处理土壤微生物量氮含量显著高于化肥处理和土壤处理,这是因为木质素与化肥配施能为微生物提供更多的碳源和氮源,所以木质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。

图1 木质素对土壤微生物量氮的影响

2.2 木质素对土壤矿质态氮的影响

随着冬小麦生长时间的延长,其吸氮强度不断增强,土壤矿质态氮含量从苗期至灌浆期逐渐降低,但不同处理下降幅度不同,到成熟期有所回升(见图2)。由于缺少外源氮的加入,土壤处理土壤矿质态氮含量最低,与其他处理差异显著。苗期化肥处理土壤矿质态氮含量最高,两种木质素处理次之,因为尿素施入土壤后由酰胺态氮水解成铵态氮,木质素能减缓这一过程。返青期土壤矿质态氮含量较苗期有所降低,由于冬小麦生长缓慢,土壤矿质态氮下降幅度不大。拔节期至灌浆期为冬小麦干物质积累的时期,营养生长与生殖生长同时进行,各处理土壤矿质态氮均迅速减少,至灌浆期达到最小。化肥处理土壤矿质态氮减少最多,拔节期、灌浆期低于两种木质素处理,可能是因为冬小麦生长初期木质素处理土壤固持了更多氮,随着气温升高,矿化作用增强被释放出来。冬小麦灌浆结束至成熟期生长缓慢,吸氮强度减弱,同时土壤矿化作用继续增强,微生物死亡释放出氮素,所以成熟期土壤矿质态氮含量升高。两种木质素处理土壤矿质态氮含量提高幅度均大于化肥处理,差异达到显著水平。

图2 木质素对土壤矿质态氮的影响

2.3 木质素对冬小麦干物质积累量及干物质累积速率的影响

随着冬小麦生长发育的进行,其干物质积累量在整个生育期都是呈增加趋势。苗期到返青期冬小麦干物质积累量缓慢增加,拔节期随着冬小麦生长加快,其干物质积累量也迅速增加,到成熟期达到最大。在苗期各处理的干物质积累量没有明显差别,返青期至成熟期土壤处理由于缺少速效养分生物量最低,木质素处理干物质积累量高于化肥处理,到成熟期铵法木质素处理、碱法木质素处理植株干物重比化肥处理分别高8%、7%(见表2)。

本实验对冬小麦从返青期到成熟期这一阶段的干物质积累量进行回归分析,采用Logistic方程y=k/ (1+ae-bx)加以描述,式中的y为干物质积累量,x为返青后生长天数,a、b、k为待定参数,对方程求导可得到干物质积累速率。由图3可以看出,各处理中冬小麦返青后干物质积累速率基本一致,均呈S型曲线,表现为慢-快-慢的规律。植株干物质积累速率均呈现明显的单峰曲线,最大值出现在返青后31天左右,土壤处理每株为62.59 mg/d,化肥处理每株为106.18 mg/d,铵法木质素处理每株为116.95 mg/d,碱法木质素处理每株为116.39 mg/d。在整个观察期内土壤处理干物质积累速率始终最低,化肥处理在返青后59天内都低于木质素处理,后期与木质素处理差异不大,两种木质素处理基本相同。通过分析可知,木质素能提高冬小麦干物质积累速率,起到协调和促进植株生长发育的作用,但不改变干物质积累规律。

表2 木质素对植株干物质积累量的影响

图3 木质素对植株干物质积累速率的影响

2.4 木质素对冬小麦吸氮量及氮素积累的影响

随着生育期的推进,各处理植株含氮量变化趋势基本一致(见图4),苗期植株含氮量最高,返青期次之,拔节期因植株生物量迅速增加,稀释效应使植株体内的氮素含氮量迅速下降,灌浆期下降较缓,到成熟期基本维持不变或稍有回升。木质素处理植株含氮量始终维持较高水平,与化肥处理、土壤处理达到显著差异水平,说明木质素能增加冬小麦植株氮素含量,但两种木质素处理之间差异不显著。

图4 木质素对植株含氮量的影响

各处理植株氮素积累量随生长时间的延长总体呈增加的趋势,每个生育期植株氮素积累量都为土壤处理最低,化肥处理次之,木质素处理较高,而且差异达到显著水平,两种木质素差异不显著,说明木质素能够提高冬小麦对氮素的吸收和积累,从而提高氮肥的当季利用率。由表3可以看出,冬小麦植株氮素阶段积累量、阶段积累量占最大积累量的比例变化趋势差异较大。土壤处理和化肥处理植株氮素阶段积累量最大值均出现在灌浆期,拔节期较低,而木质素处理在拔节期和灌浆期阶段积累量都较大,延长了氮素在植株体内快速积累的时间,增加了积累量。从播种到苗期,土壤处理完成了最大积累量的22%,其他处理均为14%。到灌浆期结束,铵法木质素完成了最大积累量的94%,碱法木质素为96%,化肥处理为90%,土壤处理最低,仅为81%。

表3 木质素对植株氮积累量的影响

3 结果与讨论

3.1 经过不同处理的冬小麦的各个生育时期土壤微生物量氮含量变化趋势基本一致。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,灌浆期出现最大值。成熟期土壤微生物量氮含量有所下降。苗期木质素处理与化肥处理土壤微生物量氮含量差异不大,从返青期到成熟期为铵法木质素处理>碱法木质素处理>化肥处理,所以木质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,铵法木质素作用效果较碱法木质素强。

3.2 整个生育期各处理土壤矿质态氮均表现为先降低到成熟期有所回升的趋势。苗期和返青期木质素处理土壤矿质态氮含量较化肥处理低,从拔节期到成熟期木质素处理土壤矿质态氮含量高于化肥处理,因此,木质素能调控氮素释放,改善土壤供氮状况。

3.3 各处理返青后干物质积累速率基本一致,木质素处理干物质积累速率返青期至成熟期都高于土壤处理,在返青后59天内(约为灌浆期前后)高于化肥处理,整个生育期内木质素处理干物重都高于其他处理,所以木质素的施用不改变植株干物质积累规律,但能提高干物质积累速率,增加干物质积累量。木质素处理相对于其他处理延长了氮素在植株体内快速积累的时间,从而增加植株氮素含量和累积量。

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(责任编辑:赵旸宇)

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)

张 杰女士,在读硕士研究生;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)

本课题得到国家高技术研究发展计划(863)课题(编号:2008AA06Z307)资助。