施用生物炭對喀斯特石灰土特性及刺槐幼苗生長的影響

朱 倩， 嚴陶韜， 周之棟， 孫嘉曼， 薛建輝， 吳永波

(江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/南京林業(yè)大學生物與環(huán)境學院，江蘇南京 210037)

通信作者：薛建輝，博士，教授，主要從事森林生態(tài)及林業(yè)生態(tài)工程研究。E-mail：jhxue@njfu.com.cn。

近年來，有關生物炭作為農(nóng)田土壤改良劑或肥料緩釋載體的研究受到廣泛關注。生物炭是指在低溫(300～700 ℃)缺氧條件下生物質(zhì)裂解產(chǎn)生的一種具有高度芳香化、富含碳素的固體顆粒物質(zhì)[1-2]。生物炭具有孔隙多、比表面積大、吸附力強等特性，施入土壤后可改善土壤保水特性，并減少養(yǎng)分淋失。有研究表明，施用生物炭可在一定程度上降低土壤容重，且隨著施用量的提高，容重降低效應更明顯[3-4]。生物炭在土壤中一般不是以自由有機質(zhì)形式存在，而是與土壤中其他形態(tài)有機物質(zhì)、礦物、微生物等相互作用，從而增強土壤團聚體的形成和穩(wěn)定性，且生物炭的緩慢氧化過程使得生物炭作用下形成的團聚體更穩(wěn)固長久[5]。生物炭對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響因生物炭種類、施用量及土壤類型而異[6-8]。Hua等的研究結(jié)果表明，8%玉米秸稈生物炭添加可顯著增加土壤團聚體的穩(wěn)定性[6]；Peng等研究報道，施用1%水稻秸稈生物炭對土壤團聚體的穩(wěn)定性無影響[8]；而Bussher等研究結(jié)果表明，核桃殼生物炭處理可降低沿海壤土的土壤團聚體穩(wěn)定性[7]。另外，生物炭在炭化過程中形成的多孔結(jié)構(gòu)對土壤的水分狀況也會產(chǎn)生顯著影響。有許多研究表明，施用生物炭對土壤滲透性的影響主要與生物炭類型和土壤質(zhì)地有關[9-13]。Barnes等研究表明，在生物炭施用量相同的條件下，不同質(zhì)地土壤中的土壤飽和導水率存在差異，與對照相比，土壤飽和導水率在沙土和有機土中分別降低92%、62%，而在黏土中反而增加了328%[14]。

貴州喀斯特地區(qū)長期受自然和人為因素的影響，出現(xiàn)了嚴重的水土流失和石漠化，導致該地區(qū)土壤瘠薄，土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)差，保水保肥能力低，造林初期苗木生長速度慢、存活率低，從而增加了退化山地植被恢復的難度。因此，對喀斯特山地土壤進行改良，以促進造林初期幼苗生長的速度，形成穩(wěn)定的森林群落，成為喀斯特山地植被恢復亟待解決的問題。目前相關研究主要集中在提高喀斯特石灰土土壤質(zhì)量、植被恢復技術和抗旱樹種篩選等[15-19]方面。本試驗以期利用生物炭的保水保肥性能來改善喀斯特土壤蓄水保肥能力差的特性，利用生物炭有機膠結(jié)劑的特性來增加土壤團聚體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性并改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，從而緩解其水土流失嚴重的問題。本研究以喀斯特山地石灰土為研究對象，探討3種原料生物炭的不同施用量(炭土質(zhì)量比為1.0%、2.5%、5.0%、10.0%)對土壤團聚體結(jié)構(gòu)和水分特性的影響，為石漠化山地森林植被恢復中采取有效的土壤改良措施、提高造林成活率和幼苗生長提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與生物炭

供試土壤采自貴州省普定縣白巖鎮(zhèn)(105°50′E、23°16′N)，屬于典型的喀斯特地區(qū)，風干過2 mm篩后備用，基本理化性質(zhì)為：pH值7.79，容重0.95 g/cm3，有機質(zhì)含量4.30%，堿解氮含量65.81 mg/kg，有效磷含量50.00 mg/kg，有效鉀含量166.61 mg/kg，田間持水量28.91%。供試生物炭為稻殼炭(RHB)、棉花秸稈炭(CSB)和木炭(WCB)，購于安徽拜爾福生物科技有限公司，經(jīng)粉碎過2 mm篩后備用，3種原料生物炭的基本特性見表1。

表1 供試生物炭的基本性質(zhì)

1.2 試驗設計

試驗地點位于南京林業(yè)大學下蜀林場，于2015年2—10月進行盆栽試驗。試驗共設13個處理，分別為：不添加生物炭(CK)，3種生物炭按炭土質(zhì)量比1.0%、2.5%、5.0%、10.0% 添加，每個處理3次重復。將過篩后的生物炭與土壤按比例混勻，裝入塑料盆中(上徑18 cm、下徑15 cm、高 20 cm)，裝炭土混合物3 kg/盆，播種3粒/盆滅菌、催芽后的刺槐種子。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤特性的測定 在施用生物炭后240 d，采集盆栽土壤表土層多點混合土樣，每個處理重復3次。各指標均采用常規(guī)方法測定[20]：每個盆栽中用不銹鋼環(huán)刀采集原狀土測定土壤容重，土壤容重采用烘干法測定；土壤毛管持水量和飽和導水率采用環(huán)刀法測定；水穩(wěn)性團聚體采用濕篩法測定。

土壤毛管持水量=環(huán)刀內(nèi)水分質(zhì)量/環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量×100%。土壤飽和導水率測定：將環(huán)刀取得原狀土樣帶回室內(nèi)浸水飽和24 h，然后其上放置空環(huán)刀并持續(xù)加水，2 h后判斷單位時間滲水量穩(wěn)定時為止，記錄數(shù)據(jù)，并按以下公式計算：

式中：K10為土壤10 ℃下飽和導水率，mm/min；Q為滲透量，mL；L為土樣高度，cm；A為滲透橫截面積，cm2；t為滲透時間，h；H為水頭高度，cm；T為實測水溫，℃。

水穩(wěn)性團聚體測定中團聚體分析儀設定為30 r/min，持續(xù)10 min，所測團聚體粒徑分別為>2.000 mm、2.000～0.250 mm、0.250～0.053 mm、<0.053 mm。團聚體的穩(wěn)定性采用平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)來描述，分別按以下公式計算：

式中：xi表示篩出來的任意粒徑范圍團聚體的平均質(zhì)量直徑；wi表示篩出來的任意粒徑團聚體的質(zhì)量占土壤樣品干質(zhì)量的比例。

1.3.2 幼苗生長特性的測定 用卷尺和游標卡尺測定處理240 d后刺槐幼苗的株高、地徑，并采集植株鮮樣用保溫箱帶回實驗室內(nèi)，在105 ℃干燥箱中先烘干30 min，再調(diào)至80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測得刺槐幼苗單株生物量，每個處理測定3株刺槐幼苗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0和Excel 12.0進行統(tǒng)計分析、作圖，對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，采用Duncan’s法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭對土壤特性的影響

2.1.1 土壤容重 由圖1可知，隨生物炭施用量的增加，土壤容重均呈下降趨勢，變幅為8.83%～30.78%，生物炭施用量(5.0%、10.0%)較高時，土壤容重基本顯著降低(P<0.05)。WCB各處理的土壤容重與CK相比差異顯著，且與RHB和CSB相比對土壤容重的降低效果更明顯。

2.1.2 土壤水穩(wěn)性團聚體

2.1.2.1 土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布 由表2可知，施用生物炭大多可提高大團聚體(≥0.250 mm)含量，并降低微團聚體(<0.250 mm)含量。生物炭中等施用量(2.5%、5.0%)水平對土壤水穩(wěn)性大團聚體含量增加效果達顯著水平(P<0.05)，相比CK可提高37.30%～57.00%，且WCB作用更明顯。除了CSB外，2種生物炭對提高>2.000 mm及2.000～0.250 mm 土壤團聚體含量的幅度也呈增加趨勢。

2.1.2.2 土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性 由圖2可看出，除 1.0% 生物炭施用量各處理的土壤MWD值與CK相比無顯著差異外，其他各處理的MWD值均顯著大于CK，且在中等施用量(2.5%、5.0%)下增加值更高。其中，RHB2.5、CSB2.5、WCB2.5、RHB5、CSB5、WCB5比CK分別提高 45.80%、29.22%、43.12%、40.38%、28.76%、38.34%。因此，RHB和WCB對土壤MWD值增加效應更明顯。同樣，中等生物炭施用水平(2.5%、5.0%)對土壤GMD值增加更明顯。其中，RHB2.5、CSB2.5、WCB2.5、RHB5、CSB5、WCB5比CK分別提高87.23%、58.57%、106.43%、79.64%、56.76%、77.16%?？梢?，WCB對土壤GMD值增強作用最明顯(圖3)。

2.1.3 土壤水分特性

2.1.3.1 土壤毛管持水量 由圖4可看出，除RHB1、CSB1處理的土壤毛管持水量與CK相比有所下降外，其他各處理的土壤毛管持水量均大于CK，且在較高施用量下(5.0%、10.0%)達到最大值。WCB各處理與CK的差異均達到顯著水平(P<0.05)，提高了57.74%～112.82%，且WCB對土壤毛管持水量的增加作用最明顯。

表2 施用生物炭對土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布的影響

2.1.3.2 土壤飽和導水率 由圖5可看出，除WCB10處理的土壤飽和導水率與CK相比提高外，其他各處理的土壤飽和導水率均顯著低于CK(P<0.05)。在中等施用量(2.5%、5.0%)下，土壤飽和導水率達到最小值，其中CSB2.5、CSB5比CK分別降低69.35%、67.62%，且CSB對土壤飽和導水率的降低作用效果最明顯。

2.2 施用生物炭對盆栽刺槐幼苗生長的影響

由表3可知，施用3種原料生物炭在一定程度上均能促進刺槐幼苗生長。施用稻殼炭對刺槐幼苗株高作用均達顯著水平，且3種生物炭均在較高施用量(5.0%、10.0%)下幼苗高度達到較大值，RHB10、CSB10、WCB10、RHB5、CSB5、WCB5分別比CK高150.02%、236.71%、169.13%、151.36%、35.18%、29.96%。施用生物炭各處理中只有在10.0%施用量下刺槐幼苗地徑顯著高于CK(P<0.05)，RHB10、CSB10、WCB10與CK相比分別高150.91%、132.66%、62.27%。施用生物炭各處理下刺槐幼苗平均單株生物量與CK相比均有所提高，且均在10.0%施用量下達到最大值，RHB10、CSB10、WCB10與CK相比分別提高342.92%、451.74%、334.02%。因此，RHB和CSB比WCB對刺槐幼苗生長的促進作用更明顯，且在10.0%的較高施用量下作用最明顯。

表3 不同生物炭處理對刺槐幼苗生長的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 生物炭種類與施用量對土壤團聚體特性的影響

土壤中大團聚體(≥0.25 mm)含量、MWD值和GMD值是確定土壤團聚體穩(wěn)定性的3個重要指標。本研究結(jié)果表明，在中等生物炭施用量(2.5%、5.0%)下，對土壤中≥0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體含量、MWD值及GMD值的增強效應最顯著，可促進水穩(wěn)性團聚體的形成和穩(wěn)定性的提高。李江舟等研究表明，施用生物炭可增加土壤中大團聚體(≥0.25 mm)含量，并降低小團聚體(<0.25 mm)含量，從而增強土壤團聚體穩(wěn)定性[21]。何玉亭等研究了1%、2%、4%、6%生物炭施用量對紅壤團聚體穩(wěn)定性的影響，表明在2%和4%的中等施用量下對土壤大團聚體的促進作用更明顯[22]。尚杰等的研究也表明，中等施用量(40～60 t/hm2)能顯著提高塿土土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD值，增加土壤團聚體的穩(wěn)定性[23]。

有機膠結(jié)劑是土壤團聚體形成的重要因素，也是影響土壤團聚體含量和穩(wěn)定性的內(nèi)在因素。生物炭可與土壤顆粒形成有機復合物或無機復合物，從而促進團聚體的形成[24]。此外，添加生物炭可改善土壤肥力水平，增加土壤中微生物的生物量，而微生物的活動可以加快生物炭的氧化降解，從而促進土壤中團聚體的形成及團聚體穩(wěn)定性上升。生物炭對土壤團聚體穩(wěn)定性的作用，取決于生物炭種類和土壤質(zhì)地等因素[25-27]。吳崇書等研究表明，施用生物炭對土壤有機質(zhì)含量較高的土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性作用不明顯，而對有機質(zhì)含量較低的土壤則具有明顯的促進作用[28]。Sun等的研究也表明，向在土壤結(jié)構(gòu)較差的黏土中施用生物炭有利于團聚體的形成和穩(wěn)定性提升[5]。本研究結(jié)果與上述結(jié)果基本一致，但也有少數(shù)研究表明，單施生物炭對土壤大團聚體含量和穩(wěn)定性影響不顯著，這與施用其他有機物料提高土壤團聚體穩(wěn)定性的結(jié)果不同[29]，其機理有待進一步研究。

3.2 生物炭種類與施用量對土壤持水性能的影響

土壤容重的降低伴隨著土壤孔隙度的增加，使土壤持水量增加。本研究結(jié)果表明，生物炭在5.0%施用量下對土壤水分特性的改善作用最好，其中木炭對喀斯特石灰土土壤持水量增加作用最明顯。Busscher等對不同生物炭對壤質(zhì)沙土持水能力的影響研究結(jié)果表明，木炭對土壤持水性增加作用顯著[30]。Uzoma等進行的田間試驗結(jié)果表明，生物炭施用可顯著降低沙土的飽和導水率，且隨生物炭施用量的增加而降低[31]。這與本研究中土壤飽和導水率隨生物炭施用量的增加呈先減小后增加的趨勢存在差異，這可能與土壤質(zhì)地和生物炭自身性質(zhì)有關。由于生物炭的比表面積較沙質(zhì)土大，吸水能力更強，能顯著改善沙質(zhì)土壤的持水量，但生物炭對壤土、黏土持水量的影響并不明顯，主要取決于生物炭與土壤比表面積的相對大小以及生物炭自身的親水性[14]?？λ固厥彝林卸酁轲ば猿煞諿32]，因此土壤飽和導水率在生物炭施用量較高時下降趨勢不明顯。

在中等生物炭施用量(2.5%、5.0%)下，喀斯特山地石灰土的土壤結(jié)構(gòu)和持水特性可明顯改善，3種原料生物炭中，木炭對石灰土土壤容重、大團聚體含量與穩(wěn)定性以及土壤持水特性的作用最明顯；秸稈炭對喀斯特石灰土土壤飽和導水率的作用更明顯。施用不同種類生物炭均在不同程度上提高刺槐幼苗的單株生物量。因此，綜合考慮生物炭對喀斯特石灰土土壤的改良作用及對刺槐幼苗生長的促進作用，建議生物炭最適施用量為中等用量(2.5%、5.0%)，最適種類為木炭。

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