桑樹(shù)及桑枝生物炭對(duì)風(fēng)沙土改良

鄭冬梅，王玉琦，毛瑩

桑樹(shù)及桑枝生物炭對(duì)風(fēng)沙土改良

鄭冬梅，王玉琦，毛瑩

（沈陽(yáng)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110044）

選擇遼西北風(fēng)沙土作為研究對(duì)象，通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)種植桑樹(shù)以及施加不同濃度的生物炭改良風(fēng)沙土．結(jié)果表明，桑樹(shù)單獨(dú)種植會(huì)減小風(fēng)沙土pH，在風(fēng)沙土中添加生物炭會(huì)增加土壤pH，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間變長(zhǎng)，桑樹(shù)種植可平衡生物炭對(duì)風(fēng)沙土pH的增加作用；桑樹(shù)單獨(dú)種植及添加生物炭處理都能有效增加風(fēng)沙土有機(jī)質(zhì)、CEC、全氮、全磷，其在種植6個(gè)月土壤中的含量明顯高于種植3個(gè)月土壤中的含量，桑樹(shù)及桑枝生物炭對(duì)風(fēng)沙土改良具有明顯的效果．

桑樹(shù)；生物炭；風(fēng)沙土

土地沙化是全球生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，目前我國(guó)土地沙化問(wèn)題日益嚴(yán)重．截至2014年，全國(guó)有2.61×106km2已成為荒漠化地區(qū)[1]，沙化土地面積也達(dá)到了1.72×106km2，占國(guó)土總面積的18%，其中有接近二分之一的面積為極重度沙化土[2]．桑樹(shù)是一種適應(yīng)性極強(qiáng)的植物，近年來(lái)作為生態(tài)樹(shù)種在防沙治沙，水土流失，退耕還林等方面的影響力逐漸被發(fā)掘[3]，與裸土地相比，桑林每年至少減少水土流失124.5 t[4]．生物炭施入土壤對(duì)土壤的理化特性有顯著改良作用，能有效提升土壤保水保肥能力等[5]．張功臣[6]等研究小麥秸稈炭施用能顯著增加土壤速效氮、速效鉀、全氮、全鉀含量，對(duì)土壤全磷、速效磷影響不明顯，生物炭的施加可以提升作物品質(zhì)，增加產(chǎn)量．遼西北地處科爾沁沙地與西遼河平原的交匯處，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，該區(qū)是阻止科爾沁沙地向東南侵入遼河平原最前沿、最重要的生態(tài)屏障[7]．因此，本文利用桑樹(shù)、桑枝生物炭改良風(fēng)沙土，以期為遼西北沙化土壤治理提供技術(shù)支撐．

1　材料與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

土壤（2020年9月21日采集于遼寧彰武縣大冷鄉(xiāng)（東經(jīng)122.50°，北緯42.56°）的風(fēng)沙土，其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1）；桑枝炭（實(shí)驗(yàn)室自制，其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1）；生物炭（粉碎后過(guò)100目篩備用）；桑樹(shù)（課題組自行培育品種，選用（20±3）cm高的1年生桑苗，進(jìn)行室內(nèi)盆栽模擬實(shí)驗(yàn)）．風(fēng)沙土中，生物炭添加濃度分別為0（CK），0.5%（S0.5），1%（S1），2%（S2）．

表1　風(fēng)沙土及生物炭養(yǎng)分

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

采用pH計(jì)（PB-10）測(cè)定土壤pH；采用重鉻酸鉀-氧化外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量[8]；采用硫酸-氯化鋇強(qiáng)迫交換法測(cè)定土壤CEC[9]；使用凱式定氮儀測(cè)定土壤全氮含量；采用氫氧化鈉熔融法測(cè)定土壤全磷、全鉀含量[10]．

2　結(jié)果與分析

2.1　桑樹(shù)及生物炭對(duì)風(fēng)沙土pH的影響

土壤酸堿度是土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，土壤pH的檢測(cè)有利于了解土壤狀況，為土壤改良提供理論依據(jù)．不同處理3個(gè)月時(shí)，不同處理中土壤pH均大于CK處理（見(jiàn)圖1），隨著生物炭添加量的增加，pH增加．對(duì)土壤pH的調(diào)節(jié)作用效果明顯，這與Schulz[11]等的研究結(jié)果類(lèi)似．3～6個(gè)月時(shí)，所有處理中，CK和S1處理土壤pH均下降，但S1處理組pH降低的幅度較小，添加生物炭的S0.5和S2組土壤pH有明顯的升高趨勢(shì)；6個(gè)月時(shí)，S2土壤pH變化最大，S1略有降低，說(shuō)明在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)，生物炭的添加會(huì)改變土壤pH，土壤接近中性，有利于作物生長(zhǎng)．

2.2　桑樹(shù)及生物炭對(duì)風(fēng)沙土有機(jī)質(zhì)含量的影響

風(fēng)沙土添加生物炭后，桑樹(shù)生長(zhǎng)3個(gè)月的土壤有機(jī)質(zhì)含量均低于桑樹(shù)生長(zhǎng)6個(gè)月的土壤（見(jiàn)圖2），CK有機(jī)質(zhì)含量最低．不同處理6個(gè)月時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量為17.03～45.28 g·kg-1，與CK對(duì)照相比增加了35.79%～165.91%．生物炭可以將吸附于炭表面的有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[11]413，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的推移，生物炭添加量越大，土壤有機(jī)質(zhì)含量變化也越大，與王桂君[12]等的研究結(jié)果一致．生物炭同一施加量水平下，添加桑枝生物炭更有助于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量．

圖1　不同處理土壤pH

圖2　不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量

2.3　桑樹(shù)及生物炭對(duì)風(fēng)沙土CEC的影響

土壤CEC是指pH=7時(shí)，土壤可吸附陽(yáng)離子（如K+，Ca2+，Mg2+，Na+等）值，CEC的大小代表了土壤吸持和供給可交換養(yǎng)分能力的強(qiáng)弱[13]440．S0.5處理照CK略有減少，約減少了5.0%，其它處理組均有不同程度的增加（見(jiàn)圖3）．3～6個(gè)月時(shí)，土壤陽(yáng)離子交換量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，不同處理6個(gè)月時(shí)，CEC為0.59～0.61 mol·kg-1．添加生物炭處理后，土壤CEC均會(huì)隨著生物炭添加量的增加而增加．Zwieten[14]等在紅壤中添加生物炭后，紅壤CEC增加了0.04 mol·kg-1；在Chan[13]441等的實(shí)驗(yàn)中也得到了相似的結(jié)論，當(dāng)生物炭按10，25，50 t·hm-2的用量施入土壤，CEC分別增加了29.50%，71.70%，82.00%，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致．桑樹(shù)種植和生物炭的添加均會(huì)增加土壤CEC，且隨著時(shí)間的推移而增大，對(duì)土壤改良具有一定效果．

圖3　不同處理土壤陽(yáng)離子交換量

2.4　桑樹(shù)及生物炭對(duì)風(fēng)沙土氮磷鉀養(yǎng)分含量的影響

添加生物炭可以提高土壤養(yǎng)分含量，不同處理3個(gè)月時(shí)，土壤全氮含量均大于CK對(duì)照（見(jiàn)圖4a），范圍為0.42～0.63 g·kg-1，與CK對(duì)照相比增加了10.6%～48.0%．3～6個(gè)月時(shí)，添加生物炭土壤全氮含量均有不同程度的增加．不同處理6個(gè)月時(shí)，土壤全氮含量均大于CK，比CK增加了49.3%～104.9%．桑樹(shù)單獨(dú)種植或添加生物炭處理后，土壤全氮含量會(huì)在生物炭的作用下發(fā)生變化；添加桑枝生物炭條件下，桑樹(shù)單獨(dú)種植更有利于土壤氮元素的累積．生物炭可以在短期內(nèi)促進(jìn)土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)氮的礦化和易分解有機(jī)氮對(duì)銨態(tài)氮的吸附固定的過(guò)程[15-16]，增加土壤氮的生物有效性[17]．因此，添加生物炭后，土壤中全氮含量增加．

不同處理3個(gè)月時(shí)，S1和S2土壤全磷含量與CK對(duì)照相比有增加（見(jiàn)圖4b），其土壤全磷含量分別為0.51，0.52 g·kg-1．3～6個(gè)月時(shí)S2處理大于其它處理，較CK對(duì)照增加了34.6%．桑樹(shù)單獨(dú)種植比較有利于土壤磷元素的保持與利用，添加桑枝生物炭更有利于土壤全磷含量的增加．不同處理6個(gè)月時(shí)，S0.5，S1，S2土壤的磷含量均高于不同處理3個(gè)月時(shí)，說(shuō)明隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，生物炭可以通過(guò)與土壤中有機(jī)物和其它陽(yáng)離子（如Ca2+）的相互作用影響土壤磷的有效性[18]，隨生物炭添加量變大，土壤對(duì)磷的吸附能力減小，磷的有效性增加[19]．

不同處理3個(gè)月時(shí)，添加生物炭處理組土壤全鉀含量與CK對(duì)照相比均有微小的增減變化，CK，S0.5，S1，S2的全鉀含量分別為13.33，13.35，13.90，13.30 g·kg-1（見(jiàn)圖4c）；3～6個(gè)月時(shí)不同處理土壤鉀含量變化較?。纱丝梢钥闯觯砑硬煌瑵舛壬锾刻幚斫M，對(duì)風(fēng)沙土全鉀含量起到正向的影響．實(shí)驗(yàn)期內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)植物有明顯的缺鉀現(xiàn)象，有研究結(jié)果表明生物炭施入風(fēng)沙土后，能有效增加土壤全鉀含量，隨著生物炭添加量的增加而增加[20]．不同處理6個(gè)月時(shí)，S2處理組土壤全鉀含量高于其他處理組，與修立群[21]的研究結(jié)果相似．

圖4　不同處理土壤全氮、全磷、全鉀含量

3　結(jié)論

（1）桑樹(shù)單獨(dú)種植會(huì)減小風(fēng)沙土pH，添加生物炭會(huì)增加土壤pH，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間增加，桑樹(shù)種植可平衡生物炭對(duì)風(fēng)沙土pH的增加作用；桑樹(shù)在單獨(dú)種植或混種時(shí)添加生物炭處理，都能有效增加風(fēng)沙土有機(jī)質(zhì)，其變化與生物炭添加量呈正相關(guān)關(guān)系．

（2）風(fēng)沙土CEC含量隨著生物炭添加量的增加而增加，不同處理6個(gè)月時(shí)，CEC為0.59～0.61 mol·kg-1．添加生物炭處理后，土壤CEC均會(huì)隨著生物炭添加量的增加而增加．

（3）不同處理對(duì)桑樹(shù)種植下的風(fēng)沙土氮磷鉀含量均會(huì)產(chǎn)生正向的影響，添加生物炭處理與桑樹(shù)單獨(dú)種植相比，桑樹(shù)對(duì)風(fēng)沙土磷元素的轉(zhuǎn)化與利用有積極影響，桑樹(shù)單獨(dú)種植添加桑枝生物炭時(shí)，土壤磷元素顯著增加且與添加量呈正相關(guān)關(guān)系．

（4）綜合各處理間風(fēng)沙土pH、有機(jī)質(zhì)、CEC、其他養(yǎng)分含量變化，S2實(shí)驗(yàn)處理組桑枝生物炭對(duì)風(fēng)沙土理化性質(zhì)的改良效果最佳．

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Improvement of windy sandy soil by mulberry tree and mulberry branch biochar

ZHENG Dongmei，WANG Yuqi，MAO Ying

（College of Environment，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

The aeolian sandy soil of Northwest Liaoning Province is selected as the research object，mulberry trees were planted in pots and biochar was applied at different concentrations to improve the wind-sand soil．And the results showed that the pH of wind-sand soil was reduced by mulberry trees alone and increased by adding biochar to the wind-sand soil．Both mulberry trees planted alone and treated with biochar effectively increased organic matter，CEC，total nitrogen，and total phosphorus in wind-sand soil，and the soil content was significantly higher in six months of planting than in three months of planting．Mulberry trees and mulberry branch biochar had obvious effects on wind-sand soil improvement．

mulberry tree；biochar；windy sandy soil；improvement

1007-9831（2022）08-0091-04

X53

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.08.018

2022-04-18

遼寧省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃指導(dǎo)項(xiàng)目（2019JH8/10200024）

鄭冬梅（1977-），女，黑龍江海倫人，教授，博士，從事污染土壤修復(fù)研究．E-mail：zhengdm126@163.com