稻殼生物炭改良砂姜黑土壤結(jié)構(gòu)抑制土壤板結(jié)的實驗研究

張開銀 王秋玲

摘 要：我國淮河流域特別是安徽的淮北平原相當(dāng)一部分農(nóng)田的主要土壤類型是砂姜黑土，并且由于氣候不穩(wěn)定，時常少雨干旱或多雨成澇，造成土壤旱澇僵瘦，易板結(jié)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成極大的危害。對砂姜黑土進(jìn)行改良一直是土壤科學(xué)的一個研究重點(diǎn)課題。本研究采用稻殼生物炭對試驗田的砂姜黑土進(jìn)行改良，利用土壤硬度儀測量土壤的松軟程度，從而研究生物炭對土壤板結(jié)的改善效果，進(jìn)一步的研究了生物炭施用量對作物根系的影響。實驗結(jié)果表明，一定量的生物炭可以顯著降低土壤板結(jié)，有利于根系生長，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：砂姜黑土; 稻殼生物炭; 土壤板結(jié)

中圖分類號：S625? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）10-104-002

砂姜黑土是發(fā)育于河湖的沉積物，在低洼潮濕和排水不良的環(huán)境，經(jīng)前期的草甸潛育化過程和以脫潛育化為特點(diǎn)的后期旱耕熟化過程中所形成的一種古老耕作土壤。主要分布地區(qū)為安徽的淮北平原、其次為河南東部、山東中南部和江蘇北部等地[1]。砂姜黑土的粘粒礦物主要是由具有強(qiáng)烈的膨脹性和收縮性的蒙脫石組成，遇水時土壤膨脹系數(shù)會變大，孔隙就會封閉，水分就難以滲透，土壤水分很快就會達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致澇漬災(zāi)害;遇旱時土壤收縮而產(chǎn)生又多又深的裂隙，切斷了土壤毛管，使得水分難以被農(nóng)作物吸收，從而加重旱情。砂姜黑土的澇漬和干旱特性容易引起土壤板結(jié)性。土壤板結(jié)主要的一個原因是土壤缺乏有機(jī)質(zhì)，結(jié)構(gòu)不良。土壤板結(jié)給農(nóng)作物帶來的相當(dāng)?shù)奈：Γ阂环矫嬖谕寥腊褰Y(jié)的情況下，土壤表面變硬，透氣性差，容易缺氧而導(dǎo)致根系活力下降，從而使植物根系的發(fā)育不能正常進(jìn)行。另一方面，土壤板結(jié)會引起水分供應(yīng)不均衡，進(jìn)而影響營養(yǎng)物質(zhì)在土壤中分布不均勻，降低根部吸收能力，使得植物產(chǎn)生缺素癥。因此，針對砂姜黑土固有的自然特性，進(jìn)行合理的土壤改良，提高地力，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前改良砂姜黑土的措施主要有深耕、秸稈還田、摻沙或煤灰渣并合理施肥，也有施用人工合成高分子化合物和微生物制劑類等土壤改良劑的[2]。但這些方法分別存在較大局限。通過增施有機(jī)肥和秸稈還田雖然可以提高土壤腐殖質(zhì)，增加土壤孔隙度，提高持水能力;但有機(jī)肥不穩(wěn)定，容易流失。比如稻稈、綠肥、堆肥及廄肥施入土壤后一般5-10個月后所剩不過20%。因此需要連年施用，工作量大。而施用礦物類和高分子化合物調(diào)節(jié)劑改良土壤需要的成本較高，技術(shù)難度較大，還存在污染土壤和水體的可能。因此亟待探索成本低、綠色環(huán)保、可廣泛推廣的土壤改良新方法。農(nóng)業(yè)和生態(tài)領(lǐng)域中新材料、新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用為砂姜黑土的改良提供了新的手段和途徑。起源于亞馬遜河流域的生物炭改良土壤技術(shù)，被認(rèn)為是營造高效并持久土地利用系統(tǒng)的一個有效方法。

生物炭一般是秸稈等生物質(zhì)在缺氧和低溫（約800℃左右）熱解形成的炭材料，存在大量細(xì)微的微納孔隙結(jié)構(gòu)，可以顯著影響土壤的透氣性能、保水能力，并改良土壤粘重和結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成，降低土壤板結(jié)性，促進(jìn)植物根系健康發(fā)育。此外，生物炭主要由單環(huán)和多環(huán)的芳香族化合物組成，這種性質(zhì)特點(diǎn)決定了它具有更強(qiáng)的化學(xué)、生物學(xué)穩(wěn)定性及抗微生物分解的能力，因此施用后在土壤中可以長期保持效力[3]。

本研究選擇一塊種植小麥的農(nóng)田為研究對象開展研究，從土壤板結(jié)和作物生長兩個視角探討生物炭對砂姜黑土的改良效果。

1.實驗方法

1.1生物炭改良方法

本實驗所選擇土壤位于安徽省阜陽市潁州區(qū)河水村（地理位置為32°93′N、115°75′E）的試驗田。該試驗田總體約有1畝，屬于典型的砂姜黑土，土壤的pH值呈堿性。將試驗田分成等面積的4塊，分別按照每畝0.0、0.5、1.0和2.0噸的用量施用生物炭。首先將生物炭均勻的撒在土壤表面;然后用犁土機(jī)對土壤進(jìn)行厚度40厘米的翻耕;最后用翻土機(jī)進(jìn)行多次翻土，使得生物炭與土壤充分混合。試驗中使用的稻殼生物炭由安徽省潁上縣風(fēng)雷生物質(zhì)發(fā)電廠提供。

施用生物炭后，4塊試驗田都種植冬小麥，而且后期管理分別按照小麥生長需要進(jìn)行常規(guī)水肥管理。

1.2土壤改良結(jié)果的觀測

本研究采用TJSD-750型土壤緊實度儀來測量土壤硬度，定量研究土壤板結(jié)程度。在每份試驗田中，選擇均勻分散的10個測量點(diǎn)，分別測量每個點(diǎn)的土壤緊實度，然后取平均值表征該試驗田生物炭改良的效果。一般選擇作物成熟的季節(jié)測量，測量時土壤緊實度儀插入土壤中的深度統(tǒng)一取為20厘米。此外通過觀測作物根系和作物產(chǎn)量，進(jìn)一步定性的反饋土壤改良效果。

2.結(jié)果和討論

土壤緊實度是土壤物理特性的重要指標(biāo)之一，能綜合反映土壤板結(jié)程度。將稻殼生物炭加入到砂姜黑土里面，必然會對土壤的緊實度產(chǎn)生影響。針對河水種植小麥的地塊，在小麥成熟期而且連續(xù)晴天的條件下進(jìn)行，其時土壤含水量約為75%，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1所記錄的數(shù)據(jù)中可以看到，樣品土壤在不添加生物炭的自然情況下，土壤緊實度最大值為370kPa，其平均緊實度達(dá)到240kPa，而且極差達(dá)到了217kPa，比較大。在添加0.5噸/畝的稻殼生物炭之后，測得的數(shù)據(jù)有了很明顯的下降，其平均緊實度從240kPa降到了200kPa。添加1.0噸/畝的稻殼生物炭之后，其平均值更是進(jìn)一步下降到180kPa。當(dāng)生物炭含量為2.0噸/畝時，土壤緊實度下降為160kPa。試驗數(shù)據(jù)表明，與沒有添加生物炭的對照組相比，施加了生物炭的土壤緊實度得到改善。隨著生物炭添加的比例增加，土壤緊實度明顯呈下降趨勢。而且實驗數(shù)據(jù)的離散度越小，土壤越松軟，板結(jié)現(xiàn)象得到了較大程度的抑制。從試驗田的實際情況看，雖然添加了生物炭的地塊，在特別干旱的季節(jié)也會發(fā)生一定程度的板結(jié)現(xiàn)象;但是平均要比沒有添加生物炭的土壤改善很多。伴隨著生物炭在土壤中的為有機(jī)質(zhì)和生物菌落提供棲息地以及土壤團(tuán)粒的其孕育發(fā)展，生物炭對板結(jié)的抑制效果隨著時間的推移會越來越有效。

松軟的土壤，有利于小麥根系的生成，也有利于營養(yǎng)物質(zhì)在土壤中隨水分的運(yùn)移，使得小麥能夠吸收更多的養(yǎng)分，進(jìn)而有利于小麥生長。在小麥生長后期，分別在各份試驗田中隨機(jī)選拔50棵小麥苗，首先對比了小麥分叉數(shù)量的差異，然后去除根部土壤，對比了主根數(shù)量的不同。在小麥?zhǔn)崭詈?，又分別稱量了干小麥的重量，并根據(jù)試驗地塊的實際面積換成是畝產(chǎn)量，對比了最后產(chǎn)量的差異。測量結(jié)果如表2所示。

試驗結(jié)果表明，在試驗所使用的生物炭含量范圍內(nèi)，隨著生物炭的增加促進(jìn)了小麥根系的發(fā)育，主根增加，須根豐富，而且小麥的分枝也逐漸增加。然而，從小麥的畝產(chǎn)量看，在本研究的試驗范圍內(nèi)，每畝施用生物炭1.0噸的試驗田給出的畝產(chǎn)最高，而施用2.0噸生物炭的試驗田的畝產(chǎn)量反而大幅下降。這是因為生物炭施用雖然能夠抑制土壤板結(jié)，促進(jìn)根系生長和新葉形成。然而生物炭作為一種多孔物質(zhì)，具有較大的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙和豐富的表面官能團(tuán)，對離子具有很強(qiáng)的吸附性，在一定程度上會吸附土壤中游離的含氮、磷和鉀的離子[4]。對于同樣水肥管理的試驗田，生物炭含量的增加，意味著對肥料的總吸附量會增加，導(dǎo)致土壤中游離的養(yǎng)分減少，降低土壤肥效，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量下降。因此，生物炭的施用量需要一個科學(xué)的配比，在考慮生物炭調(diào)理土壤結(jié)構(gòu)作用的同時，還需考慮生物炭對肥料的吸附作用，從而制定合適的生物炭施用量，才可既能抑制土壤板結(jié)，又可提高作物產(chǎn)量。

3.結(jié)論

稻殼生物炭對砂姜黑土的改良效果顯著，而且稻殼炭主要來自于生物質(zhì)發(fā)電的固體產(chǎn)物，來源較廣，在改良土壤方面具有較大的潛力。需進(jìn)一步加大對稻殼生物炭改良砂姜黑土的研究力度，特別需要定量研究稻殼生物炭對肥料的吸附作用，形成科學(xué)的砂姜黑土改良方案，提高作物產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展效率。包括稻殼炭在內(nèi)的多孔炭與土壤相互作用促進(jìn)土壤團(tuán)粒發(fā)育，改善土壤菌落微環(huán)境等都需要一個長期過程，需要人們進(jìn)行長期深入的研究分析，有助于形成一系列科學(xué)配方。

基金項目：武夷學(xué)院-安徽田間云生物科技有限公司橫向產(chǎn)學(xué)研項目：基于武夷山茶園土壤環(huán)境的生物炭基復(fù)合肥應(yīng)用研究（項目編號：2020-WHFW-023）;阜陽師范大學(xué)-安徽有機(jī)良莊農(nóng)業(yè)科技股份有限公司橫向產(chǎn)學(xué)研項目：魚菜共養(yǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究（項目編號：HX2019029000）資助

參考文獻(xiàn)：

[1]王靜.砂姜黑土的形成特點(diǎn)與改良措施[J]現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013，5：252-253

[2]趙亞麗，劉衛(wèi)玲，程思賢，等. 深松（耕）方式對砂姜黑土耕層特性，作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響[J]中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，13：2489-2503

[3]王凡，廖娜，曹銀貴，等.基于生物炭施用的土壤改良研究進(jìn)展[J]新疆環(huán)境保護(hù)，2020，2：12-23

[4]計海洋，汪玉瑛，劉玉學(xué)，等.生物炭及改性生物炭的制備與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]核農(nóng)學(xué)報，2018，11：2281-2287