土壤炭改良劑對沙化土壤及作物生長的影響

摘要：采用大田試驗，設(shè)置不施改良劑（CK）、單施生物炭（BC）、單施有機(jī)肥（CP）、低炭/肥共施（BC₅+CP）、高炭/肥共施（BC₁₀+CP）5個不同處理，以研究其對沙化土壤及作物生長的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：BC₅+CP、BC₁₀+CP吸濕水含量及電導(dǎo)率明顯高于CK，且能降低土壤pH值，增加土壤有機(jī)碳、磷、鉀等養(yǎng)分含量；作物生長方面，BC₅+CP、BC₁₀+CP能顯著增加作物株高、莖粗及生物量，BC₅+CP對葉綠素的影響高于BC₁₀+CP，但產(chǎn)量方面BC₅+CP略有不足。研究表明：炭肥共施能夠起到良好的協(xié)同作用，且生物炭高比例投入下效果最為顯著。

關(guān)鍵詞：生物炭；有機(jī)肥；沙化土壤；理化性質(zhì)；生長指標(biāo)

中圖分類號：S156.2；S156.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）03-0053-04

生物炭是生物殘體在完全或部分缺氧的情況下，經(jīng)高溫（通常低于700℃）熱解作用而生成的一種穩(wěn)定的固態(tài)化合物。國內(nèi)外大量的研究證明，生物炭因其自身吸附特性，能夠?qū)⑺趾蜖I養(yǎng)物質(zhì)吸收并儲存在土壤中，提高土壤肥力，但由于生物炭直接提供的養(yǎng)分元素有限，因此常作為改良劑施加到土壤中，提高其養(yǎng)分元素的利用率；有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)上有廣泛的應(yīng)用，可以提高土壤的保水、保肥能力。如果將生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施用，除了可以提供養(yǎng)分元素外，生物炭還可以將有機(jī)肥中的氮、磷等元素固定，起到肥料緩釋載體的作用。目前關(guān)于單獨(dú)施加生物炭、有機(jī)肥的研究較多，而對炭肥共施處理的研究相對較少。筆者通過設(shè)置不同的炭肥施加比例進(jìn)行大田試驗，比較生物炭和有機(jī)肥的單獨(dú)和聯(lián)合施加對吉林西部沙化土壤理化性質(zhì)的影響，探討二者可能存在的協(xié)同作用過程，以期為退化土壤的改良提供新的途徑。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

選取吉林省大安市舍力鎮(zhèn)為試驗區(qū)域，進(jìn)行中等規(guī)模的大田試驗。該區(qū)域位于中溫帶半濕潤半干旱氣候過渡帶，多年平均日照時數(shù)3013 h，年平均氣溫4.3℃，無霜期142 d，年平均有效積溫2934.8℃，年平均降水量300～400mm，多集中在夏季，年平均蒸發(fā)量1952.2mm，為年均降水量的4～5倍。試驗區(qū)受試土壤為典型的淡黑鈣土型風(fēng)沙土，含粘粒（<0.001mm）6.62%，粉砂（0.001～0.05mm）9.72%，細(xì)砂（0.05～0.25mm）63.61%，中砂（0.25～1.00mm）20.05%。

1.2試驗材料

供試種子為綠豆，所用生物炭來自沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭研究所，有機(jī)肥為牲畜糞便發(fā)酵后獲得。

1.3試驗方法

土地平整后劃分為8 m×8 m的小區(qū)，各小區(qū)之間設(shè)置1 m的隔離帶以降低邊緣效應(yīng)。采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗，設(shè)計5個不同處理：不施加土壤炭改良劑處理作為對照組（CK），單獨(dú)施加處理2組，炭肥共施處理2組，設(shè)計與處理標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。每個處理3次重復(fù)，共計15個試驗小區(qū)。試驗約持續(xù)一個作物生長周期（5月上旬至10月下旬）。

將改良劑按照試驗設(shè)計的處理分別施入各試驗小區(qū)，深耕確保改良劑與土壤充分混合，各小區(qū)劃分12壟，行距60 cm，兩側(cè)各留40 cm間隔，按照傳統(tǒng)耕作方式進(jìn)行條播，控制株距約20cm，集中播種培育。在綠豆的播種期、苗期、花期和結(jié)莢期分別從各小區(qū)耕作層采集土壤樣品，風(fēng)干后用于土壤指標(biāo)的測定；隨機(jī)選取5株綠豆作為樣品，測定葉片葉綠素含量；隨機(jī)選取10株綠豆作為樣品，分離根、莖、葉各器官，測定作物生物量及生長指標(biāo)。10月下旬收獲，各試驗小區(qū)單打單收，并折算不同處理的綠豆產(chǎn)量。

1.4指標(biāo)測定

土壤理化性質(zhì)的測定：pH值采用PHS-25型酸度計測定，電導(dǎo)率采用DDS-307a臺式電導(dǎo)率儀測定，總有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，總氮采用凱氏定氮法測定，土壤堿解氮采用堿擴(kuò)散法測定，速效磷采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用火焰光度法測定。

作物生物量及生長指標(biāo)的測定：株高、莖粗、根長用電子式數(shù)顯卡尺測定，鮮重、干重采用稱量法測定；葉片葉綠素含量用SPAD-502葉綠素儀測定。

1.5數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2007做數(shù)據(jù)記錄、整理與作圖，運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤炭改良劑對沙化土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1對土壤吸濕水含量的影響 因其多孔結(jié)構(gòu)，使生物炭本身具有疏水性，只有在表面氧化后，吸水、保水能力才有所提升。如圖1所示，與CK比較，單施處理時土壤吸濕水含量均有所增加，其中BC高于CK約0.03%，單施有機(jī)肥對土壤吸濕水含量的影響略有不足，僅高于對照組0.01%。同時還可以發(fā)現(xiàn)，炭肥共施處理下，土壤吸濕水含量明顯高于對照組，其中BC₅+CP增值0.08%，BC₁₀+CP增值0.10%，效果達(dá)到最佳。

2.1.2對土壤電導(dǎo)率和pH值的影響 土壤電導(dǎo)率是反映土壤所含水溶性鹽的重要指標(biāo)，進(jìn)一步反映著土壤的保肥能力。如圖2所示，土壤炭改良劑的施加能夠增加土壤電導(dǎo)率，單施處理與對照比較并沒有顯著差異，但炭肥共施處理卻提高顯著。BC₅+CP比單施處理提高約15～20μm/cm，可見炭肥共施對提高土壤水溶性鹽含量更具積極意義。

受試土壤本身呈堿性，施入同樣呈堿性的生物炭后，pH值隨之增大；選取的有機(jī)肥呈弱酸性，因此酸堿中和作用并不顯著，對土壤pH值的影響也相對較小；炭肥共施處理與對照組之間的差異達(dá)到顯著性水平，且有機(jī)肥占比更高的BC₅+CP對降低土壤pH值的作用更為突出。

2.1.3對土壤養(yǎng)分含量的影響 土壤有機(jī)碳是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，對于維持土壤肥力、改善土壤通氣結(jié)構(gòu)有著重要價值。如表2所示，BC與CK相比差異性顯著，有效增加了土壤碳的積累。炭肥共施處理下，有機(jī)碳含量與生物炭施加比例呈現(xiàn)正相關(guān)。對比BC與BC₁₀+CP兩組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)添加有機(jī)肥能夠提高土壤碳/氮比，更好發(fā)揮炭肥協(xié)同作用，擴(kuò)大土壤對養(yǎng)分的吸收容量。

土壤堿解氮能反映土壤近期的氮素供應(yīng)情況，因此成為衡量土壤有機(jī)質(zhì)含量和熟化程度的重要指標(biāo)。CP處理使得土壤全氮、堿解氮含量均小幅提高，但顯著水平并不明顯。BC、BC₅+CP、BC₁₀+CP三組處理對照可得，生物炭的施加能夠增加土壤堿解氮含量，利于土壤近期對氮元素的吸收，但隨著生物炭施加比例的提高，卻出現(xiàn)了氮流失現(xiàn)象，因此從數(shù)據(jù)中得出，BC₅+CP處理堿解氮含量最大。

土壤速效磷反映土壤供磷效率，各組處理與對照比較均有所提高，但顯著性存在明顯差異，其中BC與BC₁₀+CP兩組處理對土壤速效磷含量提升較為顯著，主要是由于生物炭的吸附性能夠加速磷元素的固定、轉(zhuǎn)化與釋放。

土壤速效鉀是作物鉀主要來源，鉀素的有效性與堿解氮含量大致呈正相關(guān)。各處理均不同程度的提高了土壤速效鉀含量，其中BC₅+CP處理增幅最大。比較炭肥共施處理組間差異可得，當(dāng)存在外源氮素施加時，低碳量更有利于鉀素增效。

2.2土壤炭改良劑對作物生長的影響

2.2.1對作物生物量和生長指標(biāo)的影響 通過比較作物地上、地下的鮮重與干重，能夠反映出作物含水量情況。從表3和表4可知，不論苗期、花期，炭肥共施處理對作物含水量、株高、莖粗的影響均優(yōu)于單施處理，且遠(yuǎn)高于CK，其中BC₁₀+CP效果最為明顯。具體來看，苗期時，炭肥共施處理在生物量方面組間差距顯著，BC₁₀+CP高于BC₅+CP，說明生物炭高比例投入對作物苗期生物量的影響較為突出，但對株高、莖粗的影響卻不明顯；花期時，炭肥共施處理組間差距縮小，生物炭高比例投入所帶來的優(yōu)勢并不顯著。

2.2.2對作物葉片葉綠素含量的影響 葉綠素是作物進(jìn)行光合作用的重要載體，主要由氮、鎂元素構(gòu)成，利于有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與儲存。如圖3所示，不同處理對葉綠素含量的增加均有促進(jìn)作用。花期，單施處理高于對照約3 g/kg，但是BC與CP并沒有顯著差異；炭肥共施處理高于對照5～8 g/kg，效果高于單施處理，但隨著生物炭比例的提高，葉綠素含量呈下降趨勢。結(jié)莢期，BC對于葉綠素含量的增加無明顯作用，但當(dāng)炭肥共施處理時，隨著生物炭比例的提高，葉綠素含量的增加也越發(fā)顯著，從側(cè)面反映了此時土壤氮、鎂含量的豐富度有所提高。

2.2.3對作物產(chǎn)量的影響 對比單施處理組，發(fā)現(xiàn)CP的增產(chǎn)作用高于BC，千粒重超出約2～3 g，總產(chǎn)量超出約1～2 kg?？偠灾徽撌欠裨鎏碛袡C(jī)肥，生物炭都能夠起到顯著增產(chǎn)的作用，且在炭肥共施處理下，生物炭高比例投入能夠使綠豆得到最大增產(chǎn)，如圖4所示，BC₁₀+CP處理千粒重較好，超出對照組5～6 g，總產(chǎn)量最高，超出對照組4～5kg。

3討論與結(jié)論

從對沙化土壤理化性質(zhì)的影響來看，生物炭通過其巨大的比表面積和諸多細(xì)小的微孔結(jié)構(gòu)，一方面能夠增強(qiáng)對水分的吸附能力，另一方面也能夠有效促進(jìn)對氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素的吸收。韓瑋等的研究也已證實，生物炭能夠提高碳封存能力，增加陽離子交換量。而單就其對土壤酸堿性的影響來看，如Zwieten等發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠有效增加土壤pH值。魏曉蘭等對生物有機(jī)肥的研究指出，施入一定量的有機(jī)肥能夠活化土壤氮、磷、鉀，對土壤的改良具有積極作用。因此，當(dāng)生物炭與有機(jī)肥混合施加時，能夠發(fā)揮協(xié)同作用，對土壤吸濕水含量、電導(dǎo)率具有顯著提高，效果均要優(yōu)于單獨(dú)施加生物炭或有機(jī)肥的處理。而在土壤養(yǎng)分方面，生物炭與有機(jī)肥的存在共同改善了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，增加了土壤中氮、磷、鉀元素的含量，尤其是對速效磷的影響效應(yīng)最為顯著，而對全氮及堿解氮的影響則相對較小，與對照差異也較小，推測可能是由于綠豆根系根瘤菌固氮作用的影響，使得土壤炭改良劑的效果不十分顯著。比較來看，較低炭量的投入對氮的轉(zhuǎn)化與利用更具效果，與盧晉晶等的研究結(jié)論一致，這也使得BC₅+CP處理下土壤氮含量最高。

從對作物生長的影響來看，車艷朋等研究指出，施入適量生物炭可以有效提高大豆株高、莖粗，利于大豆的生長發(fā)育，試驗結(jié)果也表明生物炭和有機(jī)肥的施加顯著增加了綠豆生物量的積累。就生物量而言，一方面，生物炭對地下根系的生長發(fā)育效果更加突出，尤其是在作物苗期階段；另一方面，生物炭明顯提高了作物的葉綠素含量，促進(jìn)了有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與積累，提高了產(chǎn)量和品質(zhì)，這與張偉明觀點一致。長期施用有機(jī)肥可提高土壤的生產(chǎn)能力，能夠有效促進(jìn)作物生物量的積累，增加有機(jī)質(zhì)的含量，進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)量的提高。因此，當(dāng)生物炭與有機(jī)肥混合施加時，在兩者交互影響下，對作物的影響更為鮮明。生物炭高比例投入對作物生物量及株高、莖粗的影響明顯優(yōu)于單施處理，這與王浩等研究結(jié)果不一致，筆者推測是有機(jī)肥在其中發(fā)揮了一定作用，且從數(shù)據(jù)來看，生物炭高比例投入對苗期的影響要大于花期；同時，隨著生物炭比例的提高，結(jié)莢期葉片葉綠素含量的增加也越發(fā)顯著，呈正相關(guān)關(guān)系；在產(chǎn)量方面，炭肥共施所帶來的增產(chǎn)效果遠(yuǎn)高于對照組與單施處理組，因此BC₁₀+CP增產(chǎn)效果最佳。

由于綠豆的生長對土壤酸堿性的要求不高，在呈堿性的沙化土壤中也能有較好的生長狀態(tài)，如果換種喜酸的花生、馬鈴薯等作物，或是在呈酸性的土壤中進(jìn)行類似試驗，所得結(jié)果或會有所不同，因此在不同的土壤條件及作物體系下，土壤炭改良劑的設(shè)計施加也應(yīng)隨之調(diào)整。由于豆科作物根瘤菌的存在，使得試驗中對全氮、堿解氮的影響效果沒有完全體現(xiàn)出來，因此土壤炭改良劑對于沙化土壤及作物生長的影響機(jī)理，也還需針對不同作物以及土壤微生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)繼續(xù)深入研究。