有機(jī)物料對沙蒿生物炭改良沙土中有效養(yǎng)分的增效作用①

侯建偉，索全義，梁 桓，劉長濤（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010019）

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有機(jī)物料對沙蒿生物炭改良沙土中有效養(yǎng)分的增效作用①

侯建偉，索全義*，梁 桓，劉長濤
（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010019）

摘 要：研究有機(jī)物料對沙蒿生物炭改良沙土有效養(yǎng)分的影響，為沙蒿生物炭改良瘠薄沙土提供依據(jù)。采用無植物室外培養(yǎng)模擬試驗(yàn)，研究單獨(dú)添加生物炭、生物炭與有機(jī)物料混合對沙土有效養(yǎng)分含量、pH和微生物生物量碳、氮含量的影響。結(jié)果表明：不同有機(jī)物料均能夠提高沙土的pH（沙蒿粉除外）、有效養(yǎng)分和微生物生物量碳、氮含量，有機(jī)物料與生物炭混合施用對沙土的有效磷、速效鉀和微生物生物量碳、氮起到了增效作用，較二者單獨(dú)施用的累加效果分別高出7.1% ～ 23.1%、4.1% ～ 10.9%、6.2% ～ 11.8% 和12.5% ～ 22.6%。pH和微生物生物量碳、氮含量影響著沙土的有效養(yǎng)分含量，與其呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。因此，沙蒿生物炭改良沙土過程中施入有機(jī)物料對有效養(yǎng)分的提高可起到增效的作用，這可能與有機(jī)物料和生物炭混合施用能夠提高沙土中微生物數(shù)量和活性有關(guān)。

關(guān)鍵詞：生物炭；有機(jī)物料；有效養(yǎng)分；pH；微生物生物量碳氮

沙蒿是菊科篙屬（Artemisia）的一個(gè)半灌木類群，是一種典型的沙生植物，具有很強(qiáng)的抗寒、抗旱和耐沙埋等特性。沙蒿在其生境中經(jīng)過漫長的自然選擇成為建群種和優(yōu)勢種，廣泛分布在半固定或固定的沙地，是較好的固沙防風(fēng)植物，在生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)中起到了非常重要的作用，也是惡劣生境下的重要碳匯植物。沙蒿平茬或刈割可明顯促進(jìn)沙蒿生長，增強(qiáng)其生活能力，平茬或刈割后的沙蒿可就地被轉(zhuǎn)化成為生物炭（biochar，無氧條件下炭化的產(chǎn)物［1-3］）進(jìn)行沙地封存。這一方面也可利用生物炭的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)碳匯的目的，為減緩全球氣候變化做出貢獻(xiàn)；另一方面利用生物炭的多孔性、親水性、吸附性等特性，可實(shí)現(xiàn)改善沙地生境效應(yīng)的作用［4-5］。

目前用于制備生物炭的原料主要包括闊葉樹、牧草、樹皮、作物殘余物（如稻草、堅(jiān)果殼和稻殼）、柳枝梭、有機(jī)廢物（如酒糟、甘蔗渣、橄欖廢物、雞糞、牛糞、剩余污泥和紙漿）等［6］，而對用沙地特殊生境下的沙蒿制取生物炭材料的研究很少。近些年來，因生物炭可充分發(fā)揮環(huán)境和農(nóng)業(yè)效益而備受研究者的親睞，而生物炭的含碳率高、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、能夠?yàn)橥寥烙幸嫖⑸锾峁卮?、理化性質(zhì)穩(wěn)定等固有的特點(diǎn)， 已成功被用來還田改土［7-11］、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、緩釋肥效［12-14］，實(shí)現(xiàn)碳封存等。但由于沙土流動性大、干旱、養(yǎng)分含量少、保水性能差等因素，是否能夠通過生物炭提高有效養(yǎng)分含量還需研究證實(shí)。

此外，沙土瘠薄，碳含量較少，生物質(zhì)炭化后又會成為極其穩(wěn)定的焦炭，施入土壤后由于有機(jī)能量的不足不利于微生物的數(shù)量增長和長期發(fā)展，這一點(diǎn)常常被研究者忽視。因此，本實(shí)驗(yàn)在生物炭施用過程中添加有機(jī)物料，一方面可以肥沃土壤，另一方面為微生物提供活躍碳源，有益于微生物的生長繁殖、土壤酶活性的提高，從而促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。

本試驗(yàn)以沙生植物沙蒿為材料，研究沙蒿生物炭、有機(jī)物料及沙蒿生物炭與有機(jī)物料混合施用對瘠薄沙土有效養(yǎng)分含量、pH和微生物生物量碳、氮含量的影響，揭示有機(jī)物料添加后的增效作用及可能機(jī)理，為沙蒿生物炭在沙地的有效應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為沙蒿生物炭、羊糞和沙蒿粉，沙蒿取自內(nèi)蒙古呼和浩特市托克托縣沙地，該沙地是庫布齊沙地的東緣，分布在托克托縣的西南。將取回的沙蒿平鋪于室外干燥后粉碎混勻，在干燥箱中 60℃烘至恒重（約24 h）后制取生物炭；有機(jī)物料選擇腐熟的羊糞和粉碎并過2 mm篩的沙蒿粉。

1.2 生物炭的制備

炭化設(shè)備選用人工智能箱式電阻爐（SGM.VB8/10，洛陽市西格馬儀器制造有限公司），該設(shè)備可進(jìn)行炭化溫度的調(diào)控。稱取烘干的沙蒿25.0 g，放置于坩堝中，通過抽氣創(chuàng)造低氧環(huán)境，在炭化溫度600℃、升溫速率150 /h℃ 和炭化1 h條件下制取生物炭，炭化結(jié)束后放入干燥器冷卻，并留樣備用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

可以發(fā)現(xiàn)他對這幾首詩的理解有著共同的傾向，將更符合女性視角柔美纏綿的巴山夜雨視作靠近男性審美的相濡以沫，批評吳逸一評“宮闈必曠”等充斥小家氣的穿鑿附會，強(qiáng)調(diào)求仙背后的諷喻，將嫦娥孤寂的“夜夜心”安置于掙扎經(jīng)營的士人身上，弱化了詩中的私昵感，不拘泥于個(gè)人的私情，而是將目光放置在更接近于符合雅的標(biāo)準(zhǔn)之上，從而將詩的格局向上提升一檔。

本試驗(yàn)共 6 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù) 3次。分別為：①對照：自然沙（取自沙蒿同一地點(diǎn)0 ～ 15 cm土層），不施用任何物料；②生物炭：單施生物炭，施入量按20 g/kg設(shè)計(jì)；③羊糞：單施羊糞，施入量按20 g/kg設(shè)計(jì)；④沙蒿粉：單施沙蒿粉，施入量按20 g/kg設(shè)計(jì)；⑤生物炭與沙蒿粉混合：1︰1混合，總施入量按40 g/kg設(shè)計(jì)；⑥生物炭與羊糞混合：1︰1混合，總施入量按40 g/kg設(shè)計(jì)。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)將有機(jī)物料與沙土均勻混合裝入塑料桶（高為15 cm，直徑20 cm）中，含水量控制在該沙土田間持水量的70%，記為初始質(zhì)量加蓋，放入網(wǎng)室內(nèi)模擬自然條件進(jìn)行室外培養(yǎng)。每隔5天左右稱重1次，并補(bǔ)水到初始質(zhì)量。試驗(yàn)始于2014年4月28日，9月28日（5個(gè)月）用土鉆在塑料桶中通體取土樣，鮮樣用來測試微生物生物量碳、氮，室內(nèi)風(fēng)干過篩（2 mm）后的干樣用來測試有效養(yǎng)分，各指標(biāo)3次重復(fù)。

1.4 測試項(xiàng)目及方法

堿解氮：堿解擴(kuò)散法［15］；有效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提-分光光度計(jì)法［15］；速效鉀：NH4OAC浸提-火焰光度計(jì)法［15］；微生物生物量碳、氮：氯仿熏蒸提取法［16］；pH：復(fù)合電極電位法，m土︰v水= 1︰5［15］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用 SAS9.0進(jìn)行方差分析（ANOVA）和相關(guān)性分析（CORR），用 EXCEL2003計(jì)算數(shù)據(jù)置信區(qū)間、繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

由表1可知，相同培養(yǎng)時(shí)間，無論單施有機(jī)物料還是有機(jī)物料與生物炭混合施用，均極顯著提高了沙土的有效養(yǎng)分含量（P＜0.01），且處理間及其增量間差異極顯著（P＜0.01），各處理大小順序均為：生物炭+羊糞＞生物炭+沙蒿粉＞羊糞＞沙蒿粉＞生物炭。

表1 有機(jī)物料對沙蒿生物炭改善沙土有效養(yǎng)分的影響Table 1 Synergy of organic materials on amelioration of Artemisia ordosica biochar on soil nutrients

由表1還可看出，施入生物炭、羊糞、沙蒿粉、生物炭+羊糞、生物炭+沙蒿粉各處理與對照相比，沙土堿解氮含量分別提高了50.0%、130.1%、59.6%、280.8% 和210.3%；有效磷含量分別提高了323.1%、476.9%、23.1%、923.1% 和453.8%；速效鉀含量分別提高了 508.2%、215.1%、132.9%、834.2% 和743.8%。一方面，說明各處理均能夠增加沙土的堿解氮、有效磷和速效鉀含量；另一方面，單施有機(jī)物料時(shí)，羊糞效果更佳，生物炭有利于提高有效磷和速效鉀的含量，沙蒿粉有利于提高堿解氮和速效鉀含量。而這可能與物料本身的元素含量及性質(zhì)有關(guān)，沙蒿生物炭在炭化過程中氮元素大量揮發(fā)而磷和鉀等元素高度濃縮，致使生物炭具有低氮、高磷、鉀的性質(zhì)，而羊糞和沙蒿粉本身含有的氮、磷、鉀元素能夠直接提高沙土的有效養(yǎng)分含量。

進(jìn)一步分析表明，有機(jī)物料與生物炭混合添加對沙土堿解氮、有效磷和速效鉀含量均有增效作用。生物炭與羊糞混合施用，與生物炭、羊糞單獨(dú)施用的累加作用相比，堿解氮、有效磷和速效鉀分別升高了0.8%、23.1% 和10.9%；生物炭與沙蒿粉混合施用，與生物炭、沙蒿粉單獨(dú)施用的累加作用相比，堿解氮、有效磷和速效鉀分別升高了 0.7%、7.6% 和 4.1%。有機(jī)物料的加入對有效磷的協(xié)同作用最明顯，其次為速效鉀，而對堿解氮的協(xié)同作用不大。這可能與有機(jī)物料施入沙土后影響其保水、保肥性能、pH、微生物種類和數(shù)量等，進(jìn)而影響了養(yǎng)分的持留和轉(zhuǎn)化有關(guān)。

2.2 沙土微生物生物量碳氮含量

土壤微生物生物量碳、氮是土壤中所有活微生物體內(nèi)所含有的碳、氮總量，是土壤中最活躍的有機(jī)碳、氮組分，其含量一定程度上表征了土壤微生物量的多少，既是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動力，又可作為土壤中植物有效養(yǎng)分的儲備庫。與土壤中的碳、氮、磷、硫等養(yǎng)分循環(huán)、轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，其變化可反映土壤耕作制度和土壤肥力的變化以及土壤的污染程度。

由表2可知，各有機(jī)物料處理微生物生物量碳、氮含量均極顯著高于對照（P＜0.01），不同有機(jī)物料間的差異也極顯著（P＜0.01），大小順序均為：生物炭+羊糞混合＞生物炭+沙蒿粉＞生物炭＞羊糞＞沙蒿粉。

由表2還可看出，生物炭與羊糞或沙蒿粉混合施入沙土，能夠更大程度地提高沙土的微生物生物量碳、氮含量；生物炭與羊糞混合施用，微生物生物量碳、氮含量較生物炭、羊糞單獨(dú)施用的累加作用分別提高了11.8% 和22.6%；生物炭與沙蒿粉混合施用微生物生物量碳、氮含量較生物炭、沙蒿粉單獨(dú)施用的累加作用分別提高了6.2% 和12.5%。說明有機(jī)物料和生物炭混合施用更能夠提高沙土微生物生物量碳、氮含量，有利于提高沙土微生物量，促進(jìn)沙土中的碳、氮、磷、硫等養(yǎng)分的循環(huán)與轉(zhuǎn)化。

2.3 沙土pH

由表3可知，除沙蒿粉處理外，各有機(jī)物料處理均極顯著地提高了沙土的pH（P＜0.01）；不同有機(jī)物料處理對沙土 pH的影響不同，具體表現(xiàn)為：沙蒿粉最低，生物炭+羊糞處理最高。各處理的pH除生物炭+沙蒿粉處理與羊糞處理之間，pH增量除生物炭、羊糞、生物炭+沙蒿粉處理間差異未達(dá)顯著水平外，其他處理間差異均達(dá)極顯著水平（P＜0.01）。

表2 有機(jī)物料對沙蒿生物炭改善沙土微生物生物量碳、氮含量的影響Table 2 Synergy of organic materials on amelioration of Artemisia ordosica biochar on sandy soil microbial biomass C and N contents

表3 有機(jī)物料對沙蒿生物炭改善沙土pH的影響Table 3 Synergy of organic materials on amelioration of Artemisia ordosica biochar on sandy soil pH

2.4 沙土有效養(yǎng)分增量與pH和微生物生物碳氮含量的相關(guān)分析

經(jīng)不同物料改良后，沙土的pH、微生物生物量碳、氮含量與沙土有效氮、磷、鉀增量均呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系（表4）；由相關(guān)系數(shù)可知，微生物生物量碳、氮含量的增加更有利于沙土有效氮、磷、鉀含量的提升?？傊?，沙土中施用不同物料通過改變沙土的pH、微生物生物量碳、氮含量能夠提高沙土的有效養(yǎng)分含量，說明沙土微生物學(xué)性狀的改變?yōu)樯惩琉B(yǎng)分轉(zhuǎn)化發(fā)揮了積極作用。

表4 沙土施入有機(jī)物料后微生物生物量碳、氮含量和pH與沙土有效養(yǎng)分增量之間的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlations between sandy soil pH， C and N contents of microbial biomass， and available nutrient increments

3 討論

不同有機(jī)物料施入沙土后提高了其有效養(yǎng)分含量、pH（沙蒿粉處理除外）、微生物生物量碳、氮含量。一方面，可能是因?yàn)槲锪媳旧砭哂写罅康酿B(yǎng)分元素、較高的pH和自身攜帶的微生物等；另一方面，沙蒿炭化后可揮發(fā)性物質(zhì)去除形成豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，施入沙土后保存水分［4，6］，為有益微生物提供了有利的棲息環(huán)境，有利于其大量生長繁殖。

沙蒿生物炭改良沙土過程中添加有機(jī)物料，對沙土的有效養(yǎng)分和微生物生物量碳、氮含量起到了增效的作用。說明添加有機(jī)物料為異養(yǎng)型微生物提供了更加充足的能源物質(zhì)，促進(jìn)其繁殖和活性的提高。

沙土有效養(yǎng)分作為沙土重要組分和植物直接利用的有效成分，與微生物生物量碳、氮含量之間關(guān)系密切。微生物生物量碳、氮含量與沙土的有效養(yǎng)分含量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，而pH變化對其產(chǎn)生的影響不是單一作用，陳嬋嬋等［17］和夏棟等［18］以酸性土壤為研究對象強(qiáng)調(diào)了土壤改良后 pH與氮素循環(huán)、磷、鉀元素之間的相關(guān)關(guān)系。說明沙土的有效養(yǎng)分含量不僅與改良沙土的微生物生物量碳、氮有關(guān)，還與土質(zhì)本身及氮素循環(huán)、磷、鉀元素的轉(zhuǎn)化關(guān)系密切，且相互影響［19］。

生物炭對堿解氮的增效作用小于羊糞和沙蒿粉，這與生物炭在炭化過程中高溫引起氮揮發(fā)造成有效氮含量低于羊糞和沙蒿粉有關(guān)；而生物炭與羊糞和沙蒿粉相比，較大幅度增加了微生物生物量氮含量。

4 結(jié)論

沙蒿生物炭改良沙土?xí)r添加有機(jī)物料通過協(xié)同作用增加了沙土的微生物生物量碳、氮含量，對沙土的有效養(yǎng)分起到了增效的作用，且對有效磷的增效作用相對最大，其次為速效鉀，而對堿解氮的增效作用相對較小。

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中圖分類號：S152.4

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.007

基金項(xiàng)目：①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31260502）和內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目（B20141012905Z）資助。

* 通訊作者（paul98@sina.com）

作者簡介：侯建偉（1986—），男，內(nèi)蒙古通遼人，博士研究生，主要從事土壤肥力與植物營養(yǎng)研究。E-mail: hjw19860627@126.com

Synergy of Organic Material on Amlioration of Artemisia ordosica Biochar on Sandy Soil Available Nutrients

HOU Jianwei， SUO Quanyi*， LIANG Huan， LIU Changtao
（College of Ecology and Environment， Inner Mongolia Agricultural University， Huhhot 010019， China）

Abstract:For providing scientific basis by using Artemisia ordosica biochar to improve barren sandy soil， an outdoorincubation simulation experiment with plant-free was conducted to understand the synergy of organic materials on amelioration of Artemisia ordosica biochar on sandy soil available nutrients.The results showed that except Artemisia ordosica powder powder，organic materials or Artemisia ordosica biochar increased sandy soil pH，available nutrients， microbial biomass C and N.Organic materials had synergy in increasing soil available P and rapid available K， and microbial biomass C and N when compounded with Artemisia ordosica biochar， the cumulative effect were 7.1%-23.1%， 4.1%-10.9%， 6.2%-11.8%， 12.5%-22.6% higher than separate application of organic material or Artemisia ordosica biochar.pH and microbial biomass C and N had significant correlations with sandy soil available nutrients.The synergy of organic materials may be attributed to its enhancement of microbial quantity and activity.

Key words:Biochar； Organic materials； Available nutrients； pH； Microbial biomass C and N