不同粒徑煙稈炭對酸性紅壤理化性質(zhì)的影響

王豪吉，官會(huì)林，施夢馨，鄧思迪，董明星，魯子存，王海波，郝蕓瑩，徐武美

（1云南師范大學(xué)高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測研究站，昆明 650500；2通?？h土壤肥料工作站，云南玉溪 652700；3通?？h農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，云南玉溪 652700）

0 引言

酸性紅壤是中國南方主要的土壤類型，約占全國耕地資源的22%，也是中國重要的果蔬種植區(qū)[1]，具有酸、粘、瘦的特性，且保肥供肥能力較差[2]。生物炭(Biochar)是由農(nóng)林廢棄物在限氧或無氧條件下經(jīng)高溫(＜700℃)炭化形成的富碳材料[3]，是一種新型土壤改良材料。生物炭通常呈堿性，能有效提高酸性土壤pH[4]，其疏松多孔結(jié)構(gòu)可增加土壤孔隙度，降低土壤容重[5]，提升土壤保水能力[6-7]。生物炭富含P、K、Ca、Mg等無機(jī)養(yǎng)分，施用后可有效增加土壤中速效養(yǎng)分含量[8-9]。此外，生物炭表面含有豐富的官能團(tuán)，能有效地吸附土壤中的無機(jī)養(yǎng)分，減少土壤養(yǎng)分流失而提高土壤保肥能力[10-11]。施用生物炭可提高土壤酶活性，促進(jìn)土壤中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化而提升土壤肥力[12-13]。大量研究表明，施用生物炭可有效改良土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量[2]。

具有不同粒徑特征的生物炭對土壤改良與作物增產(chǎn)的效果可能存在差異。PEAKE 等[14]探究了生物炭對不同類型土壤的改良效果，發(fā)現(xiàn)其對粘土的改良效果更佳，且與施用生物炭的粒徑直接相關(guān)。VERHEIJEN等[15]研究發(fā)現(xiàn)，向沙質(zhì)土中添加小粒徑的生物炭，可顯著提高土壤持水能力。此外，不同粒徑生物炭具有不同的理化特性，其對土壤養(yǎng)分的吸附能力亦不相同[16-17]。當(dāng)前，圍繞生物炭改良耕地土壤的研究較多，而針對不同粒徑生物炭改良酸性紅壤的研究還鮮見報(bào)道。因此，本研究以煙秸稈為原材料制備煙稈炭，通過連續(xù)篩分獲得不同粒徑煙稈炭，并利用盆栽試驗(yàn)探索其對土壤理化性質(zhì)與作物生長的影響，旨在為基于生物炭的酸性紅壤改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

本研究以云南酸性紅壤為供試土壤，土質(zhì)類型為粘土。土壤pH 5.88，銨態(tài)氮含量為8.08 mg/kg，硝態(tài)氮含量為14.40 mg/kg，有效磷含量為7.98 mg/kg，速效鉀含量為0.17 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為11.38 g/kg。供試生物炭為煙稈炭，以自然曬干的煙稈為原料，在500℃限氧環(huán)境下炭化2 h 而成，其pH 10.30、銨態(tài)氮含量為4.34 mg/kg、硝態(tài)氮含量為7.98 mg/kg、有效磷含量為243.60 mg/kg、速效鉀含量為8.49 g/kg；煙稈炭經(jīng)粉碎后，呈顆粒狀。用孔徑為4.0、2.0、0.85、0.42 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩將煙稈炭逐級篩分，獲得粒徑范圍為2.00～4.00 mm、0.85～2.00 mm、0.42～0.85 mm 與＜0.42 mm 的生物炭，其灰分含量分別為15.98%、17.59%、21.81%與27.64%。供試作物為廣泛食用的青菜(Brassicarapavar.chinensis)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2021年4月至8月在云南師范大學(xué)研究生實(shí)踐基地內(nèi)完成(102°50′ E，24°53′ N)。稱取6 kg過2 mm 篩的供試土樣于25 cm×25 cm×20 cm 的圓形帶孔花盆中備用。PEAKE等[14]研究表明，2.5%的生物炭施用量能顯著降低土壤容重、提高土壤田間持水量；因此，本研究中生物炭施加量為2.5%。采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，生物炭粒徑由大到小依次標(biāo)記為S1、S2、S3與S4，以不施加生物炭為對照(CK)，每個(gè)處理重復(fù)5次，共計(jì)25個(gè)試驗(yàn)盆。施加生物炭后，每盆再施加5 g復(fù)合肥(N-P-K=25%-10%-10%)作為底肥；生物炭、底肥與土壤充分混勻后，向每個(gè)試驗(yàn)盆澆灑等量自來水，并保持濕潤，在溫室中自然放置30 d；用環(huán)刀采集新鮮土樣，測定不同處理下土壤容重與持水量；土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，研磨、過20目篩，用于測定土壤理化性質(zhì)。移栽長勢均一的青菜幼苗，每盆3株；作物移栽后統(tǒng)一澆水，不再追肥；作物移栽30 d后，每隔15 d用標(biāo)尺測定最大株高和葉寬；種植60 d時(shí)采收青菜，將葉片與根清洗凈，用吸水紙吸干表面水分后，用電子天平測定鮮重。

1.3 土樣分析

土壤pH 的測定參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1377—2007，水土比為2.5:1，振蕩30 min后，用pH計(jì)（雷磁PHS-25）進(jìn)行測定；土壤電導(dǎo)率(EC)的測定參照標(biāo)準(zhǔn)HJ 802—2016，水土比為5:1，震蕩30 min后，用電導(dǎo)儀(COMBI 5000)進(jìn)行測定；土壤容重的測定參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.4—2006，用100 cm3環(huán)刀進(jìn)行采樣測定。采用威爾科克斯法測定土壤田間持水量，根據(jù)吸水飽和后與烘干后土壤重量計(jì)算得出。土壤有效磷用0.03 mol/L氟化銨溶液浸提，土樣與浸提液比為1:10，用分光光度計(jì)（UV-8000，上海元析）進(jìn)行測定；土壤水解氮含量參照標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1229—1999，用堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測定[18]。土壤有機(jī)質(zhì)含量的測定參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.6—2006，用硫酸-重鉻酸鉀消解液消解，用硫酸亞鐵溶液進(jìn)滴定。土壤速效鉀用1 mol/L NH4OAc 溶液浸提，用火焰光度計(jì)(AA3, Model 410 Flame Photometer.Germany)進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)探討各變量的正態(tài)性，本研究中各變量均服從正態(tài)分布(P＞0.05)。用單因素方差分析(One-way ANOVA)與Duncan 多重比較檢驗(yàn)各土壤因子與作物生長指標(biāo)在不同處理下的差異顯著性。用Pearson 相關(guān)分析探究不同理化因子與作物產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性，并參照楊越等[19]對各土壤因子進(jìn)行歸一化處理，用主成分分析法(Principal Component Analysis PCA)提取不同土壤因子的主成分，根據(jù)各主成分在PCA 分析中的方差百分比(% of Variance)計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。用回歸分析探索土壤質(zhì)量綜合指數(shù)與作物產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性。上述分析均利用SPSS 19.0(SPSS Inc.,Chicago,IL)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑生物炭對酸性紅壤理化特征的影響

單因素方差分析表明，施用不同粒徑生物炭對土壤pH、電導(dǎo)率、容重、田間持水量、有機(jī)質(zhì)、速效鉀和水解氮含量均具有顯著影響(P＜0.05)，而對土壤有效磷含量的影響不顯著(P＞0.05)。與對照(CK)相比較，施用不同粒徑生物炭均不同程度降低了土壤容重，增加了土壤田間持水量，其中S1處理下土壤容重最低、田間持水量最高，表明大顆粒生物炭對提高紅壤孔隙結(jié)構(gòu)與持水能力效果更佳（圖1）。隨著生物炭粒徑減小，土壤pH、電導(dǎo)率與有機(jī)質(zhì)含量均顯著升高，在S4處理下土壤pH與電導(dǎo)率最高，在S3處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量最高(P＞0.05)。施用煙稈炭顯著增加了土壤中速效鉀與水解氮含量，均在S3與S4處理下較高(P＜0.05)（圖1）。

圖1 不同粒徑煙稈炭處理下土壤理化特征的變化情況

2.2 不同粒徑生物炭對作物生長及產(chǎn)量的影響

單因素方差分析表明，作物種植60 d時(shí)，施用不同粒徑煙稈炭對青菜株高、葉寬、葉片鮮重與根冠比均具有顯著影響(P＜0.05)，而青菜種植30、45 d 時(shí)，不同處理間青菜株高和葉寬均無顯著差異(P＞0.05)（圖2）。與CK相比較，青菜種植60 d時(shí)，S3處理下其株高和葉寬均顯著增加(P＜0.05)，而其他處理較CK無顯著差異(P＞0.05)（圖2）；S3處理下青菜產(chǎn)量顯著高于CK (P＜0.05)，而其他處理對作物產(chǎn)量無顯著影響(P＞0.05)（圖3A）。S2與S3處理下作物根冠比顯著低于CK(P＜0.05)（圖3B）。相關(guān)分析表明，土壤中有機(jī)質(zhì)和水解氮含量與作物產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，而其他土壤因子與作物產(chǎn)量的相關(guān)性均不顯著(P＞0.05)（表1）。

表1 土壤理化因子與作物產(chǎn)量的相關(guān)性

圖2 不同粒徑煙稈炭處理下作物株高和葉寬的變化情況

圖3 不同粒徑煙稈炭處理下作物產(chǎn)量和根冠比的變化情況

2.3 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)與作物產(chǎn)量的關(guān)系

將各土壤因子經(jīng)歸一化處理后進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Bartlett 球形檢驗(yàn)，KMO 0.647，球形檢驗(yàn)的伴隨概率＜0.001，滿足主成分分析(PCA)的條件。在PCA 分析中共獲得3個(gè)特征值大于1的主成分；各土壤因子在前3個(gè)主成分中的載荷見表2。第一主成分的貢獻(xiàn)率為52.14%，土壤有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、速效鉀、水解氮與pH的載荷較高；第二主成分的貢獻(xiàn)率為22.42%，容重與田間持水量的載荷較高；第三主成分的貢獻(xiàn)率為13.22%，有效磷的載荷較高?；谥鞒煞址治鲇?jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(Soil quality index，SQI)，與CK 相比，S1～S4處理均顯著提高了土壤SQI(P＜0.05)，且S3處理下SQI 最高（圖4A）?；貧w分析表明，青菜鮮重隨SQI的升高而顯著增加(R2=0.259，P＜0.01)，且與單一土壤因子相比較，SQI能更好地預(yù)測作物產(chǎn)量（圖4B）。

表2 基于主成分分析的各土壤因子載荷矩陣

圖4 不同處理對土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的影響及其與作物產(chǎn)量的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

紅壤“酸粘廋”的特性，成為限制其生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素[2]。施加疏松多孔且富含無機(jī)養(yǎng)分的生物質(zhì)炭化材料，是改良紅壤質(zhì)量、提升紅壤肥力的有效措施[20]。施加不同粒徑生物炭對土壤的改良效果可能存在較大差異[21]，而其對酸性紅壤理化性質(zhì)的影響尚不清楚。本研究表明，施用粒徑為2.00～4.00 mm的煙稈炭顯著提高了土壤田間持水量，降低了土壤容重。粒徑較大的生物炭孔隙度通常更高，對降低紅壤容重和提高土壤持水能力的效果更佳[22-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的灰分含量隨其粒徑的減小而增加，且土壤pH、電導(dǎo)率與有機(jī)質(zhì)含量隨生物炭粒徑的減小而升高。一方面，生物炭具有較高的pH和電導(dǎo)率，施用后可提高土壤中鹽基離子含量，調(diào)節(jié)土壤pH[24-26]；另一方面，隨著生物炭灰分含量增加，其鹽基離子含量升高[27]，對土壤電導(dǎo)率與pH的影響更顯著。由于生物炭中有機(jī)碳含量較高，施用后可直接提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[28]。此外，施用不同粒徑煙稈炭均提高了土壤水解氮與速效鉀含量，煙稈炭中速效鉀含量較高，可直接提高土壤鉀含量；而土壤中水解氮含量的提高可能與生物炭具有較強(qiáng)的氮吸附能力有關(guān)[11]。

因土質(zhì)不同，施用生物炭對作物生長和產(chǎn)量的影響常存在一定的差異[29]。本研究表明，施用粒徑范圍為0.85～0.42 mm的生物炭顯著促進(jìn)了作物生長，與其改良土壤理化性質(zhì)直接相關(guān)（表1，圖1）[30-32]。李佳軼等[24]研究發(fā)現(xiàn)，施用小粒徑生物炭(＜20 μm)對改善煙草植株農(nóng)藝性狀、促進(jìn)煙草生長和提高產(chǎn)量的效果更顯著。因此，不同粒徑生物炭對土壤改良與作物增產(chǎn)的效果不同，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)土壤理化特征與作物生長需求，施用適宜粒徑范圍的生物炭。此外，本研究表明，與單一土壤因子相比較，基于PCA 分析的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)能更好地預(yù)測作物產(chǎn)量（表1，圖4B）。胡蓉花等[32]亦研究表明，基于PCA 分析獲得的綜合指數(shù)能較好地提取土壤各項(xiàng)理化因子，反映土壤綜合肥力特征，可在土壤肥力評估中推廣應(yīng)用。