摘要:探究添加不同施入量與粒徑的棉花秸稈生物炭對不同程度退化草地地上植被的修復(fù)效果,于巴音布魯克高寒草地和烏魯木齊分別進(jìn)行了3個月的野外原位與室內(nèi)培養(yǎng)盆栽試驗(yàn),野外試驗(yàn)觀測植物選擇苔草(Carex liparocarpos),盆栽試驗(yàn)選用高羊茅(Festuca arundinacea Schreb),以棉花秸稈生物炭為實(shí)驗(yàn)材料,設(shè)置3種棉花秸稈生物炭粒徑:0-0.25、>0.25-1 mm和>1-2 mm;每種粒徑下設(shè)置3種棉花秸稈生物炭添加量:1%、2%和4%,共計(jì)9個施炭處理,以不施炭為施炭對照(CK),以不施炭的未退化區(qū)(ND區(qū))為評價(jià)修復(fù)效果的對照,選取輕度退化區(qū)(LD區(qū))和重度退化區(qū)(SD區(qū))分別施人棉花秸稈生物炭,共9個棉花秸稈生物炭添加處理和一個不施炭處理,施入3個月后進(jìn)行植被調(diào)查,探究9種不同施炭方案對地上植被高度、蓋度、密度、生物量鮮質(zhì)量與干質(zhì)量等生長形狀的影響。結(jié)果表明:野外原位試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)中,不同施炭處理對植物各項(xiàng)指標(biāo)有不同的影響,但輕度退化區(qū)和重度退化區(qū)植物各項(xiàng)指標(biāo)多以T9(>1-2 mm/4%)處理效果最優(yōu),雙因素方差分析表明:棉花秸稈生物炭添加和退化對植物生長均存在極顯著影響(P<0.01),且短期棉花秸稈生物炭添加后粒徑對植物生長的影響遠(yuǎn)大于施入量。采用主成分分析法對地上植物高度、蓋度、密度、生物量鮮質(zhì)量、生物量干質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià),在不同退化區(qū)的野外與盆栽試驗(yàn)中均以T9(>1-2 mm/4%)處理綜合得分最高。綜上所述,棉花秸稈生物炭可以作為退化高寒草地的改良材料,野外試驗(yàn)與盆栽試驗(yàn)結(jié)果均表明,短期施用棉花秸稈生物炭可促進(jìn)植物生長,不同粒徑棉花秸稈生物炭對植物生長的影響大于施入量,而大粒徑(>1-2 mm)棉花秸稈生物炭效果優(yōu)于中粒徑(>0.25-1 mm)和小粒徑(0-0.25 mm);高施入量(4%)效果優(yōu)于中施入量(2%)和低施入量(1%)。在本研究的處理設(shè)計(jì)中,植物生長指標(biāo)值隨棉花秸稈生物炭粒徑增大而增加,隨施入量增加而增加,且棉花秸稈生物炭粒徑變化對植物的影響大于施入量。粒徑>1-2 mm,4%添加棉花秸稈生物炭處理是退化高寒草地短期恢復(fù)的最優(yōu)方案。
關(guān)鍵詞:高寒草地;土壤退化;生物炭添加;植被恢復(fù)
中圖分類號:S812.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1672-2043(2024)08-1815-09 doi:10.11654/jaes.2023 -0861
巴音布魯克高寒草地位于中亞干旱區(qū),在維系我國西北地區(qū)流域生態(tài)環(huán)境安全和為牧民增收等方面具有重要作用,然而近年來由于氣候變化和人為因素的干擾,其面積以平均3.3萬hm2·a-1的速率逐漸退化。高寒草地生態(tài)系統(tǒng)作為眾多草原類型之一,其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性因高寒環(huán)境而更為脆弱,對退化更加敏感。在草地退化過程中,植被類型和數(shù)量的變化使其群落發(fā)生演替,植被生產(chǎn)力下降、草地地上生物量減少、物種多樣性降低、土壤養(yǎng)分流失、草地植物生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重干擾和破壞。
研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭,可以促進(jìn)植物地上部和地下部分的生長、改善植物的光合性能,促進(jìn)其品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值的提高,且施入生物炭可以改善土壤理化性質(zhì),因此生物炭可以作為一種退化土壤修復(fù)材料使用。目前有關(guān)生物炭添加的研究中,不同原材料、不同施入量、不同粒徑對不同植物、不同質(zhì)地土壤的修復(fù)效果不盡相同,有研究認(rèn)為生物炭添加方案中相較于粒徑,施入量變化對土壤的影響更大,如Fu等提出高施入量(4%)配施<0.25 mm的玉米秸稈生物炭可以顯著改善荒漠風(fēng)沙土的土壤保水保肥性能,而Jeffery等和Marcus等則表示增加施入量對保水持水能力沒有顯著改善,而Trifunovic等提出粒徑才是改善土壤的主要因素,眾多學(xué)者研究結(jié)果均有一定差異,目前生物炭對農(nóng)田土壤的改良已得到了廣泛研究,但能否作為一種退化草地修復(fù)的改良劑尚不明晰,且何種粒徑與施入量才是最優(yōu)解缺乏相關(guān)研究,因此本研究選用在新疆來源廣、成本低的農(nóng)業(yè)廢棄物棉花秸稈燒制生物炭,采用不同粒徑、不同施入量棉花秸稈生物炭相組合,以不同退化程度高寒草地土壤進(jìn)行野外原位試驗(yàn)和室內(nèi)盆栽控制試驗(yàn),旨在尋求適宜不同退化程度土壤的最佳棉花秸稈生物炭施入方案,研究結(jié)果能為干旱區(qū)高寒草地管理、可持續(xù)利用及植被修復(fù)提供經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)參考。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
野外原位試驗(yàn)地巴音布魯克高寒草原(42°18'~43°34‘N,82°27'-86°17'E)位于我國新疆巴音郭楞蒙古自治州和靜縣內(nèi)。海拔2 300-3 042 m,年均降水量273 mm,年均氣溫4.8℃,全年積雪日數(shù)150-180d,屬典型的高寒氣候。研究區(qū)選擇高寒草地內(nèi)的天鵝湖周邊,因?yàn)槠涫苋藶楦蓴_影響較大,是研究高寒退化草地的典型區(qū)域。研究區(qū)主要物種為草原苔草(Carex liparocarpos)、賴草[Leymus secalinus(Georgi)Tzvel],土壤主要是第四紀(jì)沉積物覆蓋,類型為亞高山草原土。
因苔草蓋度多少常作為高寒草地退化程度的重要指標(biāo)之一,因此本研究選用苔草作為野外原位試驗(yàn)退化修復(fù)效果的指示植物。
因巴音布魯克高寒草地的野外優(yōu)勢物種(苔草和賴草)無法在盆栽實(shí)驗(yàn)地生長,因此盆栽實(shí)驗(yàn)選用高羊茅(Festuca arundinacea Sehreb.)作為指示植物。高羊茅是禾本科羊茅屬多年生冷季型草,原產(chǎn)于歐洲,是歐美等國家主要栽培的牧草之一,因其耐貧瘠、耐高溫、抗旱性強(qiáng)等特點(diǎn),在我國牧區(qū)得到廣泛應(yīng)用,高羊茅適應(yīng)性強(qiáng),抗逆性突出,耐踐踏和抗病力強(qiáng),夏季不休眠,且對施肥反應(yīng)敏感。
1.2 退化區(qū)域劃分
在研究區(qū)內(nèi)選取坡向和海拔等自然條件相對一致的草地,以Shi等和買迪努爾等對高寒地區(qū)退化的劃分方法為依據(jù)(植物種類、蓋度、高度和生物量等),并結(jié)合巴音布魯克高寒草地實(shí)際情況初步劃定退化區(qū)域。圍繞巴音布魯克天鵝湖周邊,通過實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證,于駱駝脖子區(qū)選取退化梯度觀測樣帶。按照退化等級依次標(biāo)記為未退化(ND)、輕度退化(LD)、重度退化(SD)。于2023年4月進(jìn)行棉花秸稈生物炭添加,并進(jìn)行盆栽土壤樣品采集,于7月完成了野外原位試驗(yàn)地和室內(nèi)盆栽試驗(yàn)的植被調(diào)查及土壤樣品采集工作。
1.3 棉花秸稈生物炭及退化區(qū)土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)
供試棉花秸稈生物炭來自新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院,碳化時(shí)間為24 h,碳化溫度為360℃。棉花秸稈生物炭pH值為10.06±0.36,平均孔徑為(7.43±0.91) nm,電導(dǎo)率為(1 770±85.44) μS·cm-1,有機(jī)碳含量為(479.06±23.58) g·kg-1,比較面積為(4.68+0.24) m2·g-1,孔體積為(0.000 9±0.000 1)cm3·g-1。
不同退化區(qū)土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)均存在顯著差異(表1),未退化區(qū)的土壤電導(dǎo)率、土壤含水量、土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮和速效鉀均顯著高于輕度退化區(qū)和重度退化區(qū)(P<0.05);而重度退化區(qū)(SD)pH值顯著高于輕度退化區(qū)(LD)和未退化區(qū)(ND)(P<0.05);輕度退化區(qū)土壤速效磷含量顯著高于未退化區(qū)和重度退化區(qū)(P<0.05)。
1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本試驗(yàn)棉花秸稈生物炭添加設(shè)置3種棉花秸稈生物炭粒徑:0-0.25 mm、>0.25-1 mm和>1-2 mm;每種粒徑設(shè)置3種棉花秸稈生物炭添加量:1%、2%和4%,以及一個不施炭處理作為對照。施炭處理為T1:0-0.25 mm/ 1%, T2: 0-0.25 mm/2%, T3: 0-0.25 mm/4%,T4: >0.25-1 mm/1%, T5: >0.25-1 mm/2%, T6:>0.25-1 mm/4%; T7: >1-2 mm/1%, T8: >1-2 mm/2%,T9:>1-2 mm/4%和CK(不施炭),每個處理設(shè)置3個重復(fù)。
于2023年4月對野外試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行棉花秸稈生物炭添加,每個試驗(yàn)小區(qū)面積大小為1 m ×1 m,相鄰小區(qū)間隔0.5 m,采用隨機(jī)區(qū)組進(jìn)行排列。室內(nèi)盆栽試驗(yàn)取用野外試驗(yàn)點(diǎn)0-20 cm土層土壤帶回烏魯木齊,野外試驗(yàn)與盆栽試驗(yàn)的棉花秸稈生物炭添加方式均為表面撒施。每塊小區(qū)的生物炭添加量以0-10 cm土層根據(jù)土壤容重和面積進(jìn)行計(jì)算。共63個試驗(yàn)區(qū)組,每盆2 kg土壤,補(bǔ)播草種為高羊茅,澆水周期為2d一次,每次300 mL,采樣測定時(shí)間與野外保持一致。
1.5 測定指標(biāo)
施入棉花秸稈生物炭3個月后對試驗(yàn)區(qū)植物生長性狀進(jìn)行測定以評價(jià)生物炭添加對植物生長的短期效果,植物測定指標(biāo)包括:地上植物高度、蓋度、密度、生物量鮮質(zhì)量與干質(zhì)量。植物高度使用卷尺于小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取20株植物測定后取平均值,蓋度使用針刺法測定,密度使用計(jì)數(shù)法,于試驗(yàn)區(qū)刈割稱量后記錄生物量鮮質(zhì)量,隨后帶回實(shí)驗(yàn)室殺青后稱量生物量干質(zhì)量。
1.6 數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,利用SPSS 27.0進(jìn)行單因素方差分析(Duncan法)、雙因素方差分析和主成分分析,選用Origin 2018繪制垂直變化圖。
2 結(jié)果與討論
2.1 不同施炭處理對高寒草地植物生長的影響
野外原位試驗(yàn)中3種退化區(qū)間植物高度在各處理問均存在顯著差異(圖1a),呈現(xiàn)出ND區(qū)>LD區(qū)>SD區(qū)的趨勢,LD區(qū)植物高度以T9處理最高,顯著高于其他處理(P<0.05),且其他處理均未出現(xiàn)顯著差異(P>0.05),SD區(qū)植物高度未出現(xiàn)顯著差異。而盆栽試驗(yàn)植物高度趨勢與野外相差較大(圖1b),各處理間均以LD區(qū)植物最高,除T2外其他處理間3種退化區(qū)均存在顯著差異(P<0.05)。各處理間以T4處理植物高度最高,與T2處理有顯著差異(P<0.05),與其他處理均無顯著差異。
野外原位試驗(yàn)的地上植被變化趨勢與高度相似(圖1c),各處理間3種退化區(qū)均存在顯著差異(P<0.05),呈現(xiàn)出ND區(qū)>LD區(qū)>SD區(qū)的趨勢,LD區(qū)植物蓋度以T9最高,其次是T8,施炭處理間無顯著差異(P>0.05),但顯著高于CK處理(P<0.05)。盆栽試驗(yàn)LD區(qū)3種大粒徑施炭處理(T7、T8、T9)植被蓋度超過了ND區(qū)(圖1d),T9處理LD區(qū)蓋度顯著高于ND區(qū)和SD區(qū)(P<0.05),其他處理均為ND區(qū)>LD區(qū)>SD區(qū)的趨勢,且LD區(qū)和SD區(qū)各處理間隨粒徑增大而蓋度上升。
不同處理間野外原位試驗(yàn)中地上植物密度變化在兩種退化區(qū)間表現(xiàn)為不同的趨勢(圖2a),小粒徑和中粒徑處理中施入量的變化對植物密度沒有顯著影響(P>0.05),而大粒徑處理密度隨施入量的上升而上升,LD區(qū)T9處理植物密度高于ND區(qū),其他處理均顯著低于ND區(qū)(P<0.05),而SD區(qū)植物密度遠(yuǎn)低于ND區(qū)與LD區(qū),且變化較小。盆栽試驗(yàn)變化趨勢與野外不同(圖2b),各處理間均以LD區(qū)植物密度最高,而大粒徑處理(T7、T8、T9)顯著高于其他處理(P<0.05),各處理均存在顯著差異,且除CK外均呈現(xiàn)出LD區(qū)>ND區(qū)>SD區(qū)的趨勢。
野外試驗(yàn)中的植物生物量鮮質(zhì)量均以ND區(qū)最高(圖2c),LD區(qū)其次,SD區(qū)與ND區(qū)、LD區(qū)相差較大,而LD區(qū)和SD區(qū)植物生物量均以T9處理最高,同粒徑處理中地上生物量鮮質(zhì)量隨施入量增加而增加,且隨著粒徑增大而增加,相比于CK,施炭處理顯著提高了地上生物量鮮質(zhì)量(P<0.05)。盆栽試驗(yàn)中植物生物量鮮質(zhì)量以LD區(qū)最高(圖2d),而除CK外,SD區(qū)各施炭處理生物量鮮質(zhì)量也超過了ND區(qū),且各處理間差距較大,LD區(qū)和SD區(qū)均以T9最高,T8和T7次之。
野外原位試驗(yàn)中地上植物生物量干質(zhì)量在不同退化區(qū)土壤中有不同變化趨勢(圖3a),其中LD區(qū)T9處理顯著高于其他處理(P<0.05),而CK顯著低于其他處理(P<0.05),各處理植物生物量干質(zhì)量隨粒徑增大而增加,而同粒徑下施入量的變化未導(dǎo)致各處理出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)。SD區(qū)以T2處理植被生物量干質(zhì)量最高,T9和T1次之,CK最低。盆栽試驗(yàn)地上植物生物量干質(zhì)量變化趨勢相較野外更為明顯(圖3b),T9處理顯著高于其他處理(P<0.05),其次是T8和T7,CK最低,粒徑增大導(dǎo)致生物量干質(zhì)量顯著增加(P<0.05),且施入量的增加也導(dǎo)致生物量出現(xiàn)顯著變化(P<0.05),小、中粒徑為施入量增加干質(zhì)量先上升后下降,而大粒徑處理生物量干質(zhì)量隨施入量增加而增加。生物炭添加可增強(qiáng)土壤固碳能力,改善土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性,生物炭添加可以提高土壤質(zhì)量,提高植被生產(chǎn)力,因此除野外原位試驗(yàn)的植物高度指標(biāo)外,生物炭添加對野外和盆栽植物的其他生長指標(biāo)均有極顯著影響(P<0.01),施用生物炭對植物生長有促進(jìn)效果,研究結(jié)果證明僅短期生物炭添加就對土壤和植物生長有改良作用。
2.2 不同施炭處理對高羊茅生長的綜合評價(jià)
為進(jìn)一步探究生物炭添加和土壤退化以及生物炭粒徑和施入量對植物生長的影響,進(jìn)行了雙因素方差分析。如表4所示,野外原位試驗(yàn)中,是否添加生物炭對植物蓋度、生物量和植物密度均存在極顯著影響(P<0.01),對高度沒有顯著影響;而不同退化區(qū)土壤間植物各指標(biāo)均存在極顯著差異(P<0.001),且植物蓋度在兩種因子的交互作用下存在極顯著差異(P<0.001)。繼續(xù)以不同施入量和粒徑對植物各指標(biāo)的影響進(jìn)行雙因素方差分析發(fā)現(xiàn),施入量和粒徑的變化對植物指標(biāo)均未呈現(xiàn)出顯著影響(P>0.05),故不做具體展示。
盆栽試驗(yàn)與野外原位試驗(yàn)的結(jié)果有所不同,如表5所示,地上植物高度和密度在生物炭添加與退化兩種因子交互作用下存在極顯著差異(P<0.001),其中生物炭添加對植物各項(xiàng)指標(biāo)均存在極顯著影響(P<0.01),退化對植物各指標(biāo)也存在極顯著影響(P<0.001)。如表6所示,繼續(xù)分析不同施人量和粒徑對植物各指標(biāo)的影響發(fā)現(xiàn),施入量和粒徑兩種因子交互作用下各項(xiàng)指標(biāo)均無顯著差異,不同施入量下植物各項(xiàng)指標(biāo)也均無顯著差異,但粒徑變化后植物各項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)了極顯著差異(P<0.01)。由雙因素方差分析可知,草地退化對植物生長各指標(biāo)均有極顯著影響(P<0.001),且退化對植物的影響遠(yuǎn)大于短期生物炭添加,而盆栽試驗(yàn)中植物密度指標(biāo)炭添加的F值大于退化,這說明本研究中,在植物密度這一指標(biāo)上短期生物炭添加對植物的正面影響大于退化對植物生長的抑制作用。而粒徑變化和施入量變化對植物生長的雙因素方差分析表明,粒徑對植物的影響大于施入量,且大粒徑生物炭對植物生長的促進(jìn)效果優(yōu)于小粒徑生物炭,這可能是因?yàn)槲矬w的比表面積隨著體積減小而增大,小粒徑生物炭的比表面積大于大粒徑棉花秸稈生物炭,相較于大粒徑生物炭,其更大的比表面積對土壤中的水肥擁有更強(qiáng)的吸附能力,對植物的生長造成抑制作用。小粒徑生物炭的施人雖然可以增加小孔隙的數(shù)量,但可能會堵塞住土壤顆?;蝾w粒間的孔隙,減少大孔隙和中孔隙的數(shù)量,反而導(dǎo)致有效孔隙的減少,影響水分流通。
為探明不同退化區(qū)草地何種生物炭施入方案對植物生長的促進(jìn)效果最優(yōu),對短期生物炭添加后的地上植物高度、蓋度、密度、生物量鮮質(zhì)量、生物量干質(zhì)量5個性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,隨后計(jì)算各處理綜合評分以評價(jià)生物炭對退化草地植物生長的修復(fù)效果,對輕度、重度兩個不同退化區(qū)以及野外、盆栽兩個試驗(yàn)分別進(jìn)行主成分分析,共計(jì)得出4個主成分分析綜合評分結(jié)果,各分析中KMO取樣適切性量數(shù)均大于0.5或巴特利特球形度檢驗(yàn)顯著性均小于0.05,可進(jìn)行主成分分析。
野外原位試驗(yàn)輕度退化區(qū)(LD區(qū))的主成分分析及綜合排序結(jié)果如表7所示,主成分1、2的特征值分別為4.11和0.44,分別代表10種不同生物炭添加處理上述5個指標(biāo)82. 196%和8.809%的信息,前兩個主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到91.006%,說明這2個主成分反映了5個原始變量91.006%的信息。因此,提取前2個主成分代替原始5個植物指標(biāo),對不同施肥處理效果進(jìn)行綜合評價(jià),達(dá)到降維目的。根據(jù)主成分綜合得分模型,可計(jì)算出不同生物炭添加處理對植物生長的綜合得分和排序,T9、T8、T6、T7、T2、T3、T1、T5、T4、CK的綜合得分依次降低??芍猅9是野外試驗(yàn)環(huán)境下輕度退化區(qū)植被修復(fù)的最優(yōu)解。
以此方法依次對野外原位試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)不同退化區(qū)進(jìn)行評分模型構(gòu)建(表8、表9、表10),不同試驗(yàn)以及不同退化區(qū)均以T9對植物生長的促進(jìn)效果最優(yōu),且T9、T8等大粒徑生物炭施入方案對植物生長的促進(jìn)效果優(yōu)于中粒徑和小粒徑。因此,輕度退化和重度退化土壤短期修復(fù)方案均以T9處理(4%施入量配施>1-2 mm生物炭)最佳。生物炭施入土壤后其強(qiáng)大的吸附作用開始發(fā)揮作用,增強(qiáng)了土壤的保水保肥能力,生物炭不僅自身內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá),還可與土壤顆粒相互作用改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)。綜上所述,生物炭添加可以提升草地風(fēng)沙土質(zhì)量,無論在何種生物炭粒徑條件下,即使添加很低用量生物炭也可以顯著提升土壤的保水、增肥和固碳功能及土壤質(zhì)量,本研究中植物各項(xiàng)指標(biāo)隨著施入量的增加而增加,并未出現(xiàn)施入量增加后對植物的脅迫作用,這可能是因?yàn)槎唐谏锾刻砑悠渖锾可形捶纸馔耆┤肓繉χ参锷L沒有顯著影響可能也是這個原因,因此生物炭對植物生長、植被恢復(fù)的效果尚需長期觀測。
3 結(jié)論
(1)添加棉花秸稈生物炭對退化高寒草地苔草和高羊茅的生長有顯著的正向影響。大部分的土壤性質(zhì)和植物生長指標(biāo)均隨棉花秸稈生物炭粒徑和添加量的增加而增加,大粒徑(>1-2 mm)棉花秸稈生物炭效果優(yōu)于中粒徑(>0.25-1 mm)和小粒徑(0-0.25 mm),高施入量(4%)效果優(yōu)于低施入量(0%、1%和2%),且短期修復(fù)中粒徑變化對植物的影響大于施入量。
(2)棉花秸稈生物炭可作為修復(fù)退化高寒草地的土壤改良材料。針對輕度退化和重度退化修復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明粒徑在>1-2 mm之間、4%棉花秸稈生物炭添加量的處理是短期退化草地植被恢復(fù)的最佳選擇,但棉花秸稈生物炭對草地植被修復(fù)的長期效應(yīng)尚需繼續(xù)研究。
(責(zé)任編輯:葉飛)
基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31560171);新疆維吾爾自治區(qū)“三農(nóng)”骨干培養(yǎng)項(xiàng)目(2023SNGGGCC002);新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)自治區(qū)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目
農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2024年8期