有機(jī)物料對(duì)喀斯特地區(qū)石灰土有效N、Fe、Zn含量的影響

李忠意,楊 希,趙新儒,程永毅,*

1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400716 2 重慶市巴南區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站,重慶 401320

喀斯特(巖溶)地貌在我國(guó)廣泛出露,集中分布在以貴州為中心的西南地區(qū)[1]?？λ固氐貐^(qū)的土壤瘠薄且不連續(xù),水土流失嚴(yán)重,具有明顯的脆弱性和易損性。土壤肥力變化特征直接影響到該地區(qū)土壤生產(chǎn)力的高低及生態(tài)恢復(fù)的途徑和方向[2]。在喀斯特地區(qū),受成土母質(zhì)、發(fā)育程度和種植方式的影響,其存在的耕地類型包括石灰土、黃壤、黃棕壤和水稻土等類型[3]。其中石灰土受母巖的影響,富含碳酸鹽,土壤pH值較高,導(dǎo)致土壤中植物所必須的某些營(yíng)養(yǎng)元素有效性極低。如石灰性土壤對(duì)水溶性磷酸鹽的吸持和固定作用強(qiáng)烈,大部分被轉(zhuǎn)化為溶解度低的Ca-P形態(tài),作物的吸收利用率很低[4]。受土壤pH影響,石灰性土壤中Fe和Zn等微量元素的有效性也極低[5]。土壤中氮素也因高pH而存在氨揮發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。楊文娜等[6]近期在貴州喀斯特地區(qū)的采樣分析也證實(shí)了該區(qū)域石灰土的有效N、Fe和Zn含量較低。因此,喀斯特地區(qū)的石灰土較為貧瘠。

土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和肥力的重要指標(biāo)之一,在耕地質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)、氣候變化和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面均有著至關(guān)重要的作用[7]。因此,通過(guò)外源輸入有機(jī)物料,提高喀斯特石灰土的有機(jī)質(zhì)含量,可能是解決喀斯特石灰土養(yǎng)分元素缺乏,提高土壤肥力的有效手段之一。傳統(tǒng)方法常采用秸稈還田和施用有機(jī)肥來(lái)對(duì)土壤進(jìn)行培肥[8-9]。近年來(lái),生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛用作改良劑來(lái)增加土壤肥力以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高[10]。如宋丹丹等[11]研究了生物質(zhì)炭對(duì)喀斯特地區(qū)黃壤養(yǎng)分的影響,施用生物質(zhì)炭能增加黃壤的有機(jī)質(zhì)、pH、磷素和鉀素含量。朱倩等[12]發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭基肥能提高喀斯特石灰土的磷素含量。也有研究者將有機(jī)肥與生物質(zhì)炭混合施用來(lái)改良土壤[13]。Zhou等[14]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭與豬糞肥混合施用后能夠提高喀斯特石灰土的土壤微生物群落結(jié)構(gòu),有助于土壤肥力的提升。但目前關(guān)于有機(jī)物料輸入對(duì)喀斯特石灰土有效N和Fe等營(yíng)養(yǎng)元素有效性影響的研究較少,也缺乏有機(jī)肥和生物質(zhì)炭等不同有機(jī)物料對(duì)喀斯特石灰土元素有效性影響的效果比較。因此,本研究選用生物質(zhì)炭、雞糞肥和羊糞肥為改良劑,探討3種有機(jī)物料對(duì)喀斯特石灰土N、Fe、Zn有效性的影響,以為喀斯特石灰土的改良培肥提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

土壤樣品于2016年12月采自貴州省印江縣。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)季候,年均氣溫16.8℃,年降雨量1100 mm左右,主要地貌類型為喀斯特地貌。所采集的土壤類型為石灰土。土樣采集后在室內(nèi)陰干過(guò)篩,以用于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和理化性質(zhì)分析。用于改良土壤的有機(jī)物料包括生物質(zhì)炭、雞糞肥和羊糞肥。其中生物質(zhì)炭為550℃下厭氧裂解的果木枝炭,雞糞肥和羊糞肥均為發(fā)酵腐熟后的風(fēng)干有機(jī)肥。所有有機(jī)物料過(guò)篩后用于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和基本理化性質(zhì)分析。

培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)為分別加入不同質(zhì)量的有機(jī)物料于200 g風(fēng)干土中,使有機(jī)物料在土壤中的含量分別為1%、3%和5%(以風(fēng)干基計(jì))?；靹蚝笱b入塑料杯,加入一定體積的去離子水,使土壤含水量為20%(約為田間持水量),然后在室內(nèi)進(jìn)行恒溫培養(yǎng)。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。培養(yǎng)期間,每隔3 d對(duì)塑料杯進(jìn)行稱重,根據(jù)重量損失情況補(bǔ)充土壤水分。連續(xù)培養(yǎng)40 d,培養(yǎng)結(jié)束后將土壤風(fēng)干過(guò)篩,測(cè)定理化性質(zhì)。

1.2 理化性質(zhì)分析

土壤和有機(jī)物料的理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測(cè)定[15]。采用電位法(土水比1∶2.5)測(cè)定3種有機(jī)物料和土壤的pH值；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定有機(jī)物料和土壤的有效N含量；采用DTPA(二乙三胺五乙酸)提取-原子吸收分光光度法(Z- 5000,日本日立)測(cè)定有機(jī)物料和土壤的有效Fe和Zn含量；采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤的有機(jī)質(zhì)含量；采用元素分析儀(Vario Micro,德國(guó)Elementar)測(cè)定有機(jī)物料的全C、N、H、S含量；有機(jī)物料的表面官能團(tuán)采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)(L1280018,美國(guó)PerkinElmer)鑒定；采用X射線衍射法(XRD)分析有機(jī)物料中的晶形物質(zhì)(XD- 3,北京普析)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件,OriginPro 8.0和SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。文中數(shù)據(jù)表示方式為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用單因素方差分析進(jìn)行數(shù)據(jù)間的差異性分析。同一測(cè)試項(xiàng)目指標(biāo)間字母不同表示數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物料基本理化性質(zhì)

從表1可以看出,供試的3種有機(jī)物料pH值均為堿性,其中生物質(zhì)炭的pH最高,達(dá)到了10.7。有機(jī)物料經(jīng)高溫厭氧裂解制備得到生物質(zhì)炭后會(huì)有大量的堿性物質(zhì)生成。如Yuan等[16]研究發(fā)現(xiàn)油菜、水稻、大豆、豌豆秸稈的pH值分別為6.34、6.81、6.29、6.27,而將4種有機(jī)物料在350℃下制備成生物質(zhì)炭后,pH值分別上升至8.00,7.69,9.02和10.26。且隨著制備溫度的升高,生物質(zhì)炭的pH值逐步升高,如在300、500、700℃下制備的花生秸稈生物質(zhì)炭的pH值分別為8.60、10.86和11.15[17]?？梢?jiàn),生物質(zhì)炭均具有較高的pH值。除pH值外,生物質(zhì)炭相對(duì)于雞糞肥和羊糞肥含有更高的C含量。盡管生物質(zhì)炭的全N含量略高于雞糞肥和羊糞肥,但有效N的含量遠(yuǎn)低于兩種有機(jī)肥,雞糞肥和羊糞肥的有效N含量極高。3種有機(jī)物料的有效Fe含量均較為豐富。對(duì)有效Zn而言,雞糞肥和羊糞肥的有效Zn含量較高,而生物質(zhì)炭中幾乎不含有效Zn。

表1 有機(jī)物料的基本理化性質(zhì)

圖1 3種有機(jī)物料的XRD圖譜Fig.1 The X-ray diffraction spectra of three kinds of organic materials Q: 石英；S: 鈉長(zhǎng)石；PC: 氯化鉀；C: 碳酸鈣；PS: 硫酸鉀

圖2 3種有機(jī)物料的FTIR圖譜 Fig.2 FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy) spectrums of three kinds of organic materialsFITR: 傅里葉變換紅外光譜

2.2 培養(yǎng)后土壤的pH值和有機(jī)質(zhì)含量

喀斯特地區(qū)土壤的成土母質(zhì)富含碳酸鹽,土壤的pH受母巖巖性的影響較大[21]。在喀斯特土壤發(fā)育過(guò)程中,若土壤中的CaCO3沒(méi)有被完全淋溶溶解掉,土壤中剩余的CaCO3會(huì)使土壤的pH維持在7.5—8.5之間的堿性范圍內(nèi)[22]。受成土母質(zhì)的影響,本研究中對(duì)照土壤的pH值為7.60(圖3)。施用腐熟的雞糞肥和羊糞肥后,土壤的pH均隨兩種有機(jī)肥用量的增加而逐漸降低。有機(jī)肥中均含有一定數(shù)量的腐殖質(zhì)組分,而進(jìn)行堆肥腐熟更會(huì)增加有機(jī)物的腐殖化程度,促進(jìn)腐殖酸的形成[23]。腐殖酸含各種功能基團(tuán),包括芳香族和脂肪族化合物上的羧基、酚羥基、醇羥基、酮基、酯等官能團(tuán)。其中含量較為豐富的羧基和酚羥基等有機(jī)官能團(tuán)具有緩沖環(huán)境酸堿度的作用。通過(guò)FTIR分析,本研究所用的腐熟雞糞肥和羊糞肥表面富含官能團(tuán)(圖2),這些官能團(tuán)的酸堿緩沖能力可能是雞糞肥和羊糞肥能在一定程度上降低土壤pH的主要原因。盡管生物質(zhì)炭表面同樣富含各種有機(jī)官能團(tuán)(圖2),但施用生物質(zhì)炭后,土壤的pH不僅沒(méi)有降低,反而顯著升高(圖3)。其原因可能在于生物質(zhì)炭富含大量的堿性物質(zhì),加入土壤培養(yǎng)后能極大的提高土壤堿度,增加其pH[17]。這也是目前大量使用生物質(zhì)炭來(lái)改良酸化土壤的重要原因[24-25]。

土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤的肥力水平具有重要影響。通常而言,土壤的有機(jī)質(zhì)含量越高,土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá),有助于土壤的保水、保肥和透氣。有機(jī)質(zhì)中富含氮等植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素,在礦化后可供給植物利用吸收。有機(jī)質(zhì)可因官能團(tuán)的解離而表面帶有電荷,有助于土壤吸附固持更多的養(yǎng)分離子。本研究中,添加有機(jī)物料培養(yǎng)后均能提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量(圖4)。當(dāng)有機(jī)物料的用量大于3%后,添加有機(jī)物料土樣的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于對(duì)照土樣。3種有機(jī)物料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)提升效果的大小關(guān)系為：生物質(zhì)炭>雞糞肥>羊糞肥。這個(gè)大小關(guān)系與3種有機(jī)物料的全C量一致(表1)。既外源輸入的炭含量越多,培養(yǎng)后土壤的有機(jī)質(zhì)含量越高。但生物質(zhì)炭是一種活性較低的碳,穩(wěn)定性高、芳香性強(qiáng),與腐熟的有機(jī)肥相比具有較低的微生物量和微生物商,生物質(zhì)炭可在環(huán)境中長(zhǎng)期存留,自身不易腐解且難以促進(jìn)土壤原有有機(jī)碳的礦化[26]。有機(jī)物料中的氮幾乎全部以有機(jī)態(tài)氮的形式存在。盡管生物質(zhì)炭的全氮含量高于有機(jī)肥,但兩種有機(jī)肥的有效氮含量遠(yuǎn)高于生物質(zhì)炭(表1)。有效氮的測(cè)定方法為堿解擴(kuò)散法,說(shuō)明了雞糞肥和羊糞肥中易水解的低分子量有機(jī)態(tài)氮含量遠(yuǎn)高于生物質(zhì)炭,有機(jī)肥中的有機(jī)質(zhì)活性更高。因此,盡管雞糞肥和羊糞肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的增加量低于生物質(zhì)炭,但其化學(xué)活性和微生物活性更高。

圖3 添加有機(jī)物料對(duì)土壤pH的影響 Fig.3 The soil pH after a 40-day incubation experiment with organic materials

圖4 添加有機(jī)物料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 Fig.4 The content of soil organic matter after a 40-day incubation experiment with organic materials

圖5 添加有機(jī)物料對(duì)土壤有效氮含量的影響 Fig.5 The content of soil available nitrogen after a 40-day incubation experiment with organic materials

2.3 培養(yǎng)后土壤的有效N含量

圖5中,對(duì)照土樣的有效N含量為(155±1) mg/kg。參考一些土壤肥力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),土壤的有效N含量屬于中等或較為豐富水平[27-28]。但與其他喀斯特區(qū)域土壤的有效N含量相比,屬于中等偏下水平[29]。3種有機(jī)物料對(duì)供試土壤有效N含量的影響不一(圖5)。隨著加入生物質(zhì)炭的用量增加,土壤的有效N含量逐漸降低。如當(dāng)生物質(zhì)炭添加量為5%時(shí),土壤的有效N含量由對(duì)照的(155±1) mg/kg降低至(143±1) mg/kg。而添加雞糞肥和羊糞肥能夠使土壤的有效N含量增加。在5%用量時(shí),雞糞肥和羊糞肥處理的土壤有效N含量分別為(189±4.5) mg/kg和(196±14.5) mg/kg,顯著高于對(duì)照處理。添加生物質(zhì)炭使土壤的有效N含量降低了7.7%,而添加雞糞肥和羊糞肥使土壤的有效氮分別提高了21.7%和26.7%。因此,兩種有機(jī)肥料能夠提高土壤的有效N含量,而生物質(zhì)炭對(duì)土壤的有效N起降低作用。

2.4 培養(yǎng)后土壤的有效Fe和Zn含量

對(duì)照處理的喀斯特土壤的有效Fe和有效Zn的含量分別為(6.39±0.37) mg/kg和(1.76±0.11) mg/kg(圖6)。按照王淑英等[30]的土壤有效微量元素含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2),本研究中供試喀斯特土壤的有效Fe處于低含量水平,有效Zn處于中等含量水平。添加3種有機(jī)物料培養(yǎng)后,均能增加土壤的有效Fe和有效Zn含量,且隨著有機(jī)物料用量的增加而增加。在同一用量條件下,3種有機(jī)物料對(duì)土壤有效Fe和有效Zn含量的提高效果大小關(guān)系相同,為雞糞肥>羊糞肥>生物質(zhì)炭。除生物質(zhì)炭外,雞糞肥和羊糞肥的各處理均能顯著提高土壤的有效Fe含量。但按照表2的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),僅在5%的雞糞肥處理中土壤的有效Fe達(dá)到中等含量水平,其余仍處于低含量水平。對(duì)土壤有效Zn而言,除1%生物質(zhì)炭處理土壤的有效Zn含量仍為中等水平外,其余處理均使土壤的有效Zn含量達(dá)到高水平,尤其是高濃度的有機(jī)肥處理使土壤的有效Zn含量達(dá)到極高水平。在5%用量時(shí),生物質(zhì)炭使土壤的有效Fe和有效Zn的含量提高了1.13倍和1.21倍；雞糞肥使土壤的有效Fe和有效Zn的含量提高了1.63倍和3.39倍；羊糞肥使土壤的有效Fe和有效Zn的含量提高了1.34倍和2.59倍。所以,有機(jī)肥相對(duì)于生物質(zhì)炭對(duì)提高土壤有效Fe和有效Zn具有更好的效果。

圖6 添加有機(jī)物料對(duì)土壤有效鐵和鋅含量的影響Fig.6 The content of soil available iron and available zinc after a 40-day incubation experiment with organic materials

表2 土壤有效Fe和有效Zn含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)/(mg/kg)[30]

3 討論

3.1 有機(jī)物料對(duì)土壤N有效性的影響

3.2 有機(jī)物料對(duì)土壤Fe和Zn有效性的影響

受pH值的影響,石灰性土壤中植物所需的微量金屬元素(Fe、Mn、Cu、Zn等)常以沉淀態(tài)存在,因而對(duì)植物的有效性較低。如植物缺鐵黃化癥狀大部分發(fā)生在石灰性土壤上,是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一[36]。本研究中供試土壤的有效Fe和有效Zn含量均在中等偏下水平,施用的3種有機(jī)物料均能對(duì)土壤Fe和Zn的有效性起到一定的提高作用,提高作用的大小關(guān)系為：雞糞肥>羊糞肥>生物質(zhì)炭(圖6)。3種有機(jī)物料提高土壤中Zn和Fe有效性的機(jī)理可能源于有機(jī)物料本身所具有的較為豐富的官能團(tuán)(圖2),及其在土壤中進(jìn)一步腐殖化后對(duì)金屬元素的活化作用。有機(jī)質(zhì)腐殖化后形成的腐殖酸同樣具有豐富的官能團(tuán),這些官能團(tuán)均具有離子交換、對(duì)金屬離子的絡(luò)合作用、氧化-還原等活性,從而對(duì)沉淀態(tài)的鐵和鋅元素的氫氧化物和氧化物具有一定的溶解作用,增加其有效性。高明等[37]研究表明,在紫色水稻土中長(zhǎng)期施用有機(jī)肥,可明顯增加土壤中松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的含量,提高土壤中交換態(tài)鐵、錳、鋅的含量。汪金舫等[38]研究秸稈有機(jī)物料還田對(duì)砂姜黑土金屬元素有效性影響時(shí)也得到類似結(jié)果,秸稈還田后增加了土壤胡敏酸和富里酸的含量,提高了土壤有效錳和有效銅的含量。由于兩種有機(jī)肥的碳活性大于生物質(zhì)炭,因此導(dǎo)致兩種有機(jī)肥對(duì)供試土壤Fe和Zn有效性的提高效果更好。此外,pH值的降低能促進(jìn)微量元素從難溶態(tài)向可溶態(tài)轉(zhuǎn)化,增加微量元素的有效性[39]。施用雞糞肥和羊糞肥后土壤的pH值降低(圖3),這也對(duì)提高土壤中Zn和Fe的有效性有更好的促進(jìn)作用。因此,高活性的有機(jī)物料更能提高土壤中微量金屬元素的有效性。

4 結(jié)論

受土壤和有機(jī)物料性質(zhì)共同的影響,施用雞糞肥和羊糞肥可提高土壤的有效N含量,而施用生物質(zhì)炭降低了土壤有效N的含量。3種有機(jī)物料對(duì)土壤的有效Fe和Zn含量均有一定的提高效果,大小關(guān)系為：雞糞肥>羊糞肥>生物質(zhì)炭。因此,相對(duì)于生物質(zhì)炭,有機(jī)糞肥對(duì)喀斯特地區(qū)的石灰土有更好的改良效果。