有機肥與生物炭對沙化土壤理化性質(zhì)的影響

燕金銳　律其鑫　高增平　盧文曉　崔亞男　王桂君

摘要：為了探討有機肥、生物炭配施對吉林省西部沙化土壤理化性質(zhì)的影響，設(shè)置不施改良劑、單施有機肥、單施生物炭、低量生物炭+有機肥、高量生物炭+有機肥這5種處理，進行為期3年的大田試驗。結(jié)果表明，改良劑的施加能夠降低土壤容重，改善土壤持水性及團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高土壤電導(dǎo)率、陽離子交換量和速效養(yǎng)分元素含量。不同處理間的效果存在差異，其中生物炭、有機肥聯(lián)合施加對土壤各項理化性質(zhì)的影響均明顯高于單施處理的效果，以高量生物炭+有機肥處理效果最佳。單施生物炭對土壤陽離子交換量、總有機碳及速效鉀含量的影響優(yōu)于有機肥，單施有機肥對速效磷含量作用效應(yīng)優(yōu)于單施生物炭處理。

關(guān)鍵詞：有機肥;生物炭;吉林西部;沙化土壤;理化性質(zhì)

中圖分類號： S156.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0303-04

土地沙化是當前重要的生態(tài)環(huán)境問題之一，極大制約著土地的生產(chǎn)潛力[1]。吉林省西部作為我國主要的沙化土地區(qū)，保水固肥條件較差，影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。如何改善沙化土壤理化性質(zhì)，提高土地生產(chǎn)力成為研究的熱點。牲畜糞便堆肥所得到的有機肥在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用廣泛[3]，它能將自身發(fā)酵產(chǎn)生的養(yǎng)分元素直接釋放到土壤中，提高土壤肥力[4]，降低土壤容重，改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]，影響pH值與陽離子交換量[6]，很好地維持地力。自亞馬遜“黑土”被發(fā)現(xiàn)以來[7]，生物炭作為改良劑的作用得到認可[8]，它是含碳的生物殘體在高溫缺氧環(huán)境下不完全燃燒的產(chǎn)物，具有較大的比表面積，能夠吸附土壤水分與營養(yǎng)物質(zhì)[9]，改善土壤持水性，提高土壤陽離子交換量[10]，影響土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[11]等。但因氣候條件、受試土壤、制備原料等因素的差異，也存在一些負效應(yīng)，如施加有機肥對作物的增產(chǎn)影響并不顯著[12]，施加生物炭后玉米產(chǎn)量下降[13]等。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于有機肥或生物炭單獨施加對土壤理化性質(zhì)影響的研究已較為系統(tǒng)[4-6，8-11]，關(guān)于長期施加的影響機制研究也較成熟[14-15]，但對有機肥、生物炭聯(lián)合施加的研究相對較少。僅少數(shù)研究表明，聯(lián)合施加能夠增強有機肥的效用，提高總有機碳含量[16]。本試驗通過設(shè)置不同的有機肥、生物炭聯(lián)合比例，連續(xù)3年施加不同改良劑，分析沙化土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及其養(yǎng)分含量的年際變化，探討有機肥、生物炭聯(lián)合施加可能存在的協(xié)同作用，以期為沙化土壤的改良與利用提供理論依據(jù)和實踐途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

選取吉林省大安市舍力鎮(zhèn)為試驗點，該地東與大安市來福鄉(xiāng)接壤，西、北與鎮(zhèn)賚縣相連，南臨近大安市叉干鄉(xiāng)，為輕中度沙化區(qū)，是吉林省沙化土地集中分布的區(qū)域之一，沙化面積約占全省沙化面積的21%，生態(tài)環(huán)境脆弱。該地屬中溫帶半濕潤半干旱氣候過渡區(qū)，年均溫度約為4.9 ℃，年均降水量為350～450 mm，降水集中在夏秋兩季。受試土壤為淡黑鈣土型風沙土，多分布在大安市南部、中部沙隴，質(zhì)地細膩，呈堿性，pH值約為8.82，電導(dǎo)率約為98.84 μS/cm，總有機碳含量為 3.69 g/kg，總氮含量為0.60 g/kg。試驗所用有機肥由當?shù)氐呐＜S堆肥發(fā)酵所得，其總有機碳含量為229.60 g/kg，總氮含量為24.50 g/kg。生物炭為沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭研究所提供的玉米秸稈炭，其總有機碳含量為657.80 g/kg，總氮含量為9.20 g/kg。

1.2 試驗方案

平整土地后將試驗田劃分為8 m×8 m的方形區(qū)域，各區(qū)域間設(shè)置1 m的隔離帶以降低邊緣效應(yīng)，采用隨機區(qū)組分布，共設(shè)置對照組（CK）、單施有機肥（CP）、單施生物炭（BC）、低濃度炭肥共施（BC5+CP）、高濃度炭肥共施（BC10+CP）5種處理（表1），每個處理3次重復(fù)，試驗自2016年起連續(xù)開展3年。2016年（2016年）春耕期將受試土壤進行翻耕，稱取相應(yīng)質(zhì)量的有機肥與生物炭施入各區(qū)，并用小型旋耕機旋耕3次，按常規(guī)耕作方式進行田間管理及收獲，后2年（2017年和2018年）的處理方式與2016年相同。在作物生長的不同階段，采用環(huán)刀取土，將土樣帶回實驗室，測定土壤容重與田間持水量，另用土鉆采用五點取樣法取土樣，混合均勻后取 500 g 左右標記并帶回，待自然風干后用于土壤化學(xué)性質(zhì)與養(yǎng)分含量的測定;于每年秋季作物收獲前，采用環(huán)刀取土，采集的土樣用于測定土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。各土壤參數(shù)分析所用的數(shù)據(jù)均使用該年內(nèi)不同階段數(shù)據(jù)的平均值表示。

1.3 試驗參數(shù)的測定

采用環(huán)刀法測定土壤容重與田間持水量;采用濕篩法測定土壤平均重量直徑;采用PHS-25型酸度計測定土壤pH值;采用DDS-307a型電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率;采用乙酸銨交換法測定土壤陽離子交換量;采用重鉻酸鉀外加熱法測定總有機碳含量;采用凱氏定氮法測定總氮含量;采用堿擴散法測定速效氮含量;采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定速效磷含量;采用火焰光度法測定速效鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010記錄數(shù)據(jù)/繪制圖表，運用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)作單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥和生物炭對沙化土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 對土壤容重的影響 由表2可見，2016年（第1年），各處理土壤容重均低于對照，其中BC、BC5+CP處理效果最為明顯，與對照間差異顯著（P<0.05）;2017年（第2年），除BC5+CP處理土壤容重與對照間差異顯著（P<0.05）外，其余處理與對照間均無顯著差異;2018年（第3年），僅BC10+CP處理的土壤容重顯著低于對照?？傮w來看，3年間各改良劑的施加對降低土壤容重均有一定的作用，且效果逐年遞增。比較發(fā)現(xiàn)，在降低土壤容重的作用上，單施生物炭的處理效果要優(yōu)于單施有機肥，且二者聯(lián)合施加對降低土壤容重的效果更為突出。

2.1.2 對土壤田間持水量的影響 改良劑的施加影響土壤剖面結(jié)構(gòu)，影響著土壤保持懸著水的量。如表2所示，3年間土壤的田間持水量均以BC10+CP處理最高，且與對照差異顯著（P<0.05），其余各處理與對照的差異均不顯著。比較3年的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，BC5+CP、BC10+CP處理的效用優(yōu)于CP、BC處理，可見有機肥與生物炭聯(lián)合施加更有利于土壤蓄水能力的增強。

2.1.3 對土壤平均重量直徑的影響 土壤平均重量直徑是衡量團聚體穩(wěn)定性的重要參數(shù)。從表2可知，3年的土壤平均重量直徑均以BC10+CP處理最高，且與對照差異顯著，其余各處理與對照的差異均不顯著。從年際變化上看，各處理均導(dǎo)致土壤平均重量直徑逐年遞增，除CP外其余各處理均在2017年與2016年相比差異顯著，至2018年僅BC10+CP處理與2017年相比差異顯著。由此可見，有機肥與生物炭聯(lián)合施加有利于提高土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且高濃度炭肥共施處理效果最佳。

2.2 有機肥和生物炭對沙化土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 對土壤pH值的影響 土壤pH值直接影響作物對養(yǎng)分的吸收程度。由表3中土壤pH值的數(shù)據(jù)來看，2016年各處理對pH值的影響最小，與對照差異均不顯著;在2017年，CP處理的pH值與對照差異顯著，CP處理有效降低了沙化土壤的pH值;2018年BC5+CP處理與對照差異顯著（P<0.05）?？傮w上看，土壤pH值隨著改良劑的施加呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，且含有機肥的處理效果更好，其原因可能是由于生物炭呈堿性，施入到堿性的沙化土壤中后會在一定程度上提高土壤pH值，使處理間差異不顯著。

2.2.2 對土壤電導(dǎo)率的影響 土壤電導(dǎo)率可反映土壤中離子含量的高低。如表3所示，3年間土壤電導(dǎo)率均以BC5+CP和BC10+CP2組處理效果較佳，顯著高于對照（P<0.05）;各處理土壤電導(dǎo)率的年際變化均不顯著，電導(dǎo)率隨著時間的延長整體上呈遞增趨勢。綜上所述，有機肥與生物炭的聯(lián)合施加對土壤電導(dǎo)率的影響最為明顯。

2.2.3 對土壤陽離子交換量的影響 土壤陽離子交換量反映了土壤緩沖性能的高低。由表3可知，除CK外其他處理的土壤陽離子交換量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。不同年份各處理的效用不同，2016年， 與對照相比， 除CP處理外其余各處理土壤陽離子交換量均顯著提高;2017年、2018年BC5+CP、BC10+CP、BC處理與對照差異顯著（P<0.05）?？傮w上看，BC10+CP處理對土壤陽離子交換量的增效最佳，BC5+CP處理效果次之，由此可得，有機肥與生物炭聯(lián)合施加處理對提高土壤陽離子交換量的效果要優(yōu)于任一改良劑單獨施加處理。

2.3 有機肥和生物炭對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3.1 對土壤總有機碳與總氮含量的影響 從表4可以看出，除2016年的CP處理外，各處理均使土壤總有機碳含量提高。2016年，BC、BC10+CP處理與對照相比呈顯著差異，CP處理與對照相比無顯著差異。后2年均以BC10+CP處理土壤總有機碳含量最高，與對照差異顯著。從年際變化上看，有機肥和生物炭單獨或聯(lián)合施加整體上使土壤總有機碳含量逐年遞增，但聯(lián)合施加的影響明顯優(yōu)于各單施處理，其中生物炭的作用效應(yīng)比有機肥更為明顯。

由表4可知，2016年，各處理土壤總氮含量與對照間差異不顯著;2017年，BC5+CP、BC10+CP處理的土壤總氮含量顯著高于對照;2018年，各改良劑施加處理的土壤總氮含量均顯著高于對照，其中BC10+CP的處理效果最好。隨著改良劑的連續(xù)施加，土壤總氮含量整體呈遞增趨勢，其中前2年改良劑的效果不明顯，至2018年各改良劑處理與對照間差異顯著，且以有機肥與生物炭聯(lián)合施加的效果較佳。

2.3.2 對土壤速效氮、磷、鉀含量的影響 由表5可見，2016年，各處理間速效氮含量差異均不顯著，且與對照相比，CP處理土壤速效氮含量有所下降;2017年，BC5+CP、BC10+CP處理土壤速效氮含量與對照相比差異顯著;2018年，有機肥和生物炭聯(lián)合施加處理的土壤速效氮含量與對照相比差異均顯著。整體來看，土壤速效氮含量的年際變化趨勢為先降后升，并且隨著生物炭的施加與不斷積累，對土壤速效氮含量的提升效果要優(yōu)于單獨施加有機肥的處理。

土壤速效磷含量反映了一定時間內(nèi)土壤的供磷效率，如表5所示，3年內(nèi)CP、BC10+CP處理速效磷含量與對照相比差異顯著;BC5+CP處理效果僅在2017年、2018年與對照相比差異顯著;BC處理與對照差異均不顯著。由此可見，有機肥對提高土壤速效磷含量的作用要優(yōu)于生物炭。從年際變化上看，2017年各處理土壤速效磷含量均明顯呈增加的趨勢，與速效氮含量的變化趨勢正好相反，可能是受作物類型差異影響，對磷元素的吸收、固定與釋放作用也有所不同。

由表5還可知，2016年各處理間土壤速效鉀含量差異均未達到顯著水平;后2年各改良劑施加處理均與對照差異顯著，其中，BC10+CP處理對速效鉀含量的增加作用最佳。由此可見，有機肥與生物炭聯(lián)合施加對土壤速效鉀含量的影響存在一定的協(xié)同作用，且生物炭對其影響效應(yīng)強于有機肥。

3 討論

Glaser等指出，生物炭多微孔、黏性差，施入土壤后能增加土壤總孔隙度，降低容重[17]。本試驗中的受試土壤以細沙為主，其占比約為64%，質(zhì)地細膩，土壤容重較大。隨著改良劑的連續(xù)施用，沙化土壤容重有所降低，其中以有機肥和生物炭聯(lián)合施加效果最明顯，單施生物炭的效果要優(yōu)于單施有機肥，表明生物炭對土壤容重的影響比有機肥明顯，這與Chen等的研究結(jié)果[18]一致。Laird等通過室內(nèi)控制試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭的微孔結(jié)構(gòu)能夠增強土壤的保水潛能[19]，但本研究結(jié)果顯示，與對照相比，單施生物炭的效果并不顯著。與王改蘭等認為的有機肥能夠改善土壤吸水性能不同[20]，本試驗結(jié)果同樣顯示單施有機肥的效果與對照間的差異也未達到顯著水平，這可能是由受試土壤結(jié)構(gòu)性差異所致，有機肥和生物炭聯(lián)合施加對土壤持水量的作用較為明顯。生物炭具有較強的疏水性，但與有機肥聯(lián)合施加則可以增加土壤的持水量和水分滲透性，表明二者聯(lián)合施加能夠有效增強土壤對水分的固持。Busscher等認為，生物炭能夠有效提高土壤通氣性[21];侯曉娜等指出，生物炭與秸稈共同添加利于改善團聚體的結(jié)構(gòu)[22]。姜燦爛等認為，連續(xù)施加有機肥利于紅壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成[23]，但本試驗發(fā)現(xiàn)，單施有機肥或生物炭對提高沙化土壤黏結(jié)性的作用并不顯著，二者聯(lián)合施加更利于土壤團聚體的形成與發(fā)育。

生物炭含較多的灰分，溶于水后堿性增強[24]，它的惰性也不利于產(chǎn)生酸性的中間分解物[25]，Dinesh等發(fā)現(xiàn)有機肥能較好地降低土壤堿性[3]，與戰(zhàn)秀梅等的結(jié)論[26]一致，原因可能是弱酸性的有機肥削弱了生物炭的堿性，聯(lián)合施加能夠有效降低土壤pH值，且比單施處理效果顯著。土壤電導(dǎo)率與陽離子交換量也能夠直觀體現(xiàn)土壤對水溶性鹽的保持能力。生物炭具有—COOH及—OH等離子官能團[27]，能有效增加土壤帶電量[28]，利于養(yǎng)分離子的積累與活性的增強[29]。本研究結(jié)果顯示，各處理土壤電導(dǎo)率與陽離子交換量整體上逐年提高，有機肥和生物炭聯(lián)合施加處理的效用與單施處理差異明顯，且高濃度炭肥施加處理更利于陽離子的吸附與保持。與劉國偉的研究結(jié)果[30]不同，本研究結(jié)果顯示，單施有機肥并未明顯提高土壤陽離子交換量，這也表明在聯(lián)合施加過程中，對陽離子交換量的作用可能以生物炭為主導(dǎo)。

生物炭本身具有較高的碳含量[11]，其微孔結(jié)構(gòu)的吸附力也能夠?qū)⑻脊潭ㄔ谕寥乐?，成為碳封存媒介[31]，Celik等研究發(fā)現(xiàn)，施加牲畜糞便堆肥后土壤總有機碳含量變化并不顯著[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著改良劑連續(xù)施加，各處理總有機碳含量均呈現(xiàn)提高的趨勢，其中以含生物炭的處理效果顯著，可見生物炭對土壤總有機碳的作用效果優(yōu)于有機肥。生物炭的施加能夠抑制土壤中氮素的淋失[33]，有機肥也能夠?qū)Φ剡M行有效補償[4]，從而提高了土壤氮素含量。Mia等研究也指出，土壤速效鉀的含量變化趨勢與氮素含量呈正相關(guān)[34]。單施生物炭和與有機肥聯(lián)合施加對土壤速效鉀含量的作用均高于單施有機肥，且隨改良劑的連續(xù)施加，鉀元素在沙化土壤中的積累效果更加顯著，因此可知，生物炭的施加可以有效提高土壤速效鉀含量。寧川川等指出，有機肥可以活化土壤本身的磷[6]，劉賽男通過長期試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠通過改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，影響對磷元素的吸收與釋放[35]。從土壤速效磷含量的變化趨勢看出，各處理均可使土壤中速效磷的含量提高，且以二者聯(lián)合施加效果最為明顯，單施有機肥的效果次之，可見有機肥利于土壤中磷元素的積累。綜合來看，有機肥與生物炭聯(lián)合施加能夠提高作物對氮、磷、鉀元素的利用性，效果優(yōu)于單施處理，表明有機肥可以彌補生物炭本身的養(yǎng)分虧缺，生物炭則可以有效減少有機肥中所含養(yǎng)分的淋失，二者具有一定的協(xié)同作用。

4 結(jié)論

有機肥和生物炭對沙化土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著效應(yīng)，二者聯(lián)合施加的效用較任一單施處理明顯，且在一定程度內(nèi)，生物炭施加比例較高時二者的協(xié)同作用更明顯，能夠有效降低土壤容重，增加土壤持水量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高陽離子交換量等，有機肥也能夠較好地彌補生物炭養(yǎng)分含量缺乏的不足，改善土壤各項肥力指標，提高土壤對氮、磷、鉀元素的吸收效率。同時，有機肥對土壤速效氮、磷含量的作用較生物炭明顯，生物炭對提高土壤陽離子交換量、速效鉀含量的作用優(yōu)于有機肥。由于受試作物類型，生物炭、有機肥的性質(zhì)等均會影響改良劑的效果，因此仍需針對不同作物、不同改良劑繼續(xù)進行相關(guān)試驗，探討二者對退化土壤的聯(lián)合作用過程及影響機制。

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