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    有機肥與生物炭對沙化土壤理化性質(zhì)的影響

    2019-08-20 13:46:50燕金銳律其鑫高增平盧文曉崔亞男王桂君
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年9期
    關(guān)鍵詞:理化性質(zhì)生物炭有機肥

    燕金銳 律其鑫 高增平 盧文曉 崔亞男 王桂君

    摘要:為了探討有機肥、生物炭配施對吉林省西部沙化土壤理化性質(zhì)的影響,設(shè)置不施改良劑、單施有機肥、單施生物炭、低量生物炭+有機肥、高量生物炭+有機肥這5種處理,進行為期3年的大田試驗。結(jié)果表明,改良劑的施加能夠降低土壤容重,改善土壤持水性及團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,提高土壤電導(dǎo)率、陽離子交換量和速效養(yǎng)分元素含量。不同處理間的效果存在差異,其中生物炭、有機肥聯(lián)合施加對土壤各項理化性質(zhì)的影響均明顯高于單施處理的效果,以高量生物炭+有機肥處理效果最佳。單施生物炭對土壤陽離子交換量、總有機碳及速效鉀含量的影響優(yōu)于有機肥,單施有機肥對速效磷含量作用效應(yīng)優(yōu)于單施生物炭處理。

    關(guān)鍵詞:有機肥;生物炭;吉林西部;沙化土壤;理化性質(zhì)

    中圖分類號: S156.2文獻標志碼: A

    文章編號:1002-1302(2019)09-0303-04

    土地沙化是當前重要的生態(tài)環(huán)境問題之一,極大制約著土地的生產(chǎn)潛力[1]。吉林省西部作為我國主要的沙化土地區(qū),保水固肥條件較差,影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。如何改善沙化土壤理化性質(zhì),提高土地生產(chǎn)力成為研究的熱點。牲畜糞便堆肥所得到的有機肥在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用廣泛[3],它能將自身發(fā)酵產(chǎn)生的養(yǎng)分元素直接釋放到土壤中,提高土壤肥力[4],降低土壤容重,改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5],影響pH值與陽離子交換量[6],很好地維持地力。自亞馬遜“黑土”被發(fā)現(xiàn)以來[7],生物炭作為改良劑的作用得到認可[8],它是含碳的生物殘體在高溫缺氧環(huán)境下不完全燃燒的產(chǎn)物,具有較大的比表面積,能夠吸附土壤水分與營養(yǎng)物質(zhì)[9],改善土壤持水性,提高土壤陽離子交換量[10],影響土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[11]等。但因氣候條件、受試土壤、制備原料等因素的差異,也存在一些負效應(yīng),如施加有機肥對作物的增產(chǎn)影響并不顯著[12],施加生物炭后玉米產(chǎn)量下降[13]等。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于有機肥或生物炭單獨施加對土壤理化性質(zhì)影響的研究已較為系統(tǒng)[4-6,8-11],關(guān)于長期施加的影響機制研究也較成熟[14-15],但對有機肥、生物炭聯(lián)合施加的研究相對較少。僅少數(shù)研究表明,聯(lián)合施加能夠增強有機肥的效用,提高總有機碳含量[16]。本試驗通過設(shè)置不同的有機肥、生物炭聯(lián)合比例,連續(xù)3年施加不同改良劑,分析沙化土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及其養(yǎng)分含量的年際變化,探討有機肥、生物炭聯(lián)合施加可能存在的協(xié)同作用,以期為沙化土壤的改良與利用提供理論依據(jù)和實踐途徑。

    1 材料與方法

    1.1 試驗地點及材料

    選取吉林省大安市舍力鎮(zhèn)為試驗點,該地東與大安市來福鄉(xiāng)接壤,西、北與鎮(zhèn)賚縣相連,南臨近大安市叉干鄉(xiāng),為輕中度沙化區(qū),是吉林省沙化土地集中分布的區(qū)域之一,沙化面積約占全省沙化面積的21%,生態(tài)環(huán)境脆弱。該地屬中溫帶半濕潤半干旱氣候過渡區(qū),年均溫度約為4.9 ℃,年均降水量為350~450 mm,降水集中在夏秋兩季。受試土壤為淡黑鈣土型風沙土,多分布在大安市南部、中部沙隴,質(zhì)地細膩,呈堿性,pH值約為8.82,電導(dǎo)率約為98.84 μS/cm,總有機碳含量為 3.69 g/kg,總氮含量為0.60 g/kg。試驗所用有機肥由當?shù)氐呐<S堆肥發(fā)酵所得,其總有機碳含量為229.60 g/kg,總氮含量為24.50 g/kg。生物炭為沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭研究所提供的玉米秸稈炭,其總有機碳含量為657.80 g/kg,總氮含量為9.20 g/kg。

    1.2 試驗方案

    平整土地后將試驗田劃分為8 m×8 m的方形區(qū)域,各區(qū)域間設(shè)置1 m的隔離帶以降低邊緣效應(yīng),采用隨機區(qū)組分布,共設(shè)置對照組(CK)、單施有機肥(CP)、單施生物炭(BC)、低濃度炭肥共施(BC5+CP)、高濃度炭肥共施(BC10+CP)5種處理(表1),每個處理3次重復(fù),試驗自2016年起連續(xù)開展3年。2016年(2016年)春耕期將受試土壤進行翻耕,稱取相應(yīng)質(zhì)量的有機肥與生物炭施入各區(qū),并用小型旋耕機旋耕3次,按常規(guī)耕作方式進行田間管理及收獲,后2年(2017年和2018年)的處理方式與2016年相同。在作物生長的不同階段,采用環(huán)刀取土,將土樣帶回實驗室,測定土壤容重與田間持水量,另用土鉆采用五點取樣法取土樣,混合均勻后取 500 g 左右標記并帶回,待自然風干后用于土壤化學(xué)性質(zhì)與養(yǎng)分含量的測定;于每年秋季作物收獲前,采用環(huán)刀取土,采集的土樣用于測定土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。各土壤參數(shù)分析所用的數(shù)據(jù)均使用該年內(nèi)不同階段數(shù)據(jù)的平均值表示。

    1.3 試驗參數(shù)的測定

    采用環(huán)刀法測定土壤容重與田間持水量;采用濕篩法測定土壤平均重量直徑;采用PHS-25型酸度計測定土壤pH值;采用DDS-307a型電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率;采用乙酸銨交換法測定土壤陽離子交換量;采用重鉻酸鉀外加熱法測定總有機碳含量;采用凱氏定氮法測定總氮含量;采用堿擴散法測定速效氮含量;采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定速效磷含量;采用火焰光度法測定速效鉀含量。

    1.4 數(shù)據(jù)處理

    用Excel 2010記錄數(shù)據(jù)/繪制圖表,運用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)作單因素方差分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 有機肥和生物炭對沙化土壤物理性質(zhì)的影響

    2.1.1 對土壤容重的影響 由表2可見,2016年(第1年),各處理土壤容重均低于對照,其中BC、BC5+CP處理效果最為明顯,與對照間差異顯著(P<0.05);2017年(第2年),除BC5+CP處理土壤容重與對照間差異顯著(P<0.05)外,其余處理與對照間均無顯著差異;2018年(第3年),僅BC10+CP處理的土壤容重顯著低于對照??傮w來看,3年間各改良劑的施加對降低土壤容重均有一定的作用,且效果逐年遞增。比較發(fā)現(xiàn),在降低土壤容重的作用上,單施生物炭的處理效果要優(yōu)于單施有機肥,且二者聯(lián)合施加對降低土壤容重的效果更為突出。

    2.1.2 對土壤田間持水量的影響 改良劑的施加影響土壤剖面結(jié)構(gòu),影響著土壤保持懸著水的量。如表2所示,3年間土壤的田間持水量均以BC10+CP處理最高,且與對照差異顯著(P<0.05),其余各處理與對照的差異均不顯著。比較3年的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),BC5+CP、BC10+CP處理的效用優(yōu)于CP、BC處理,可見有機肥與生物炭聯(lián)合施加更有利于土壤蓄水能力的增強。

    2.1.3 對土壤平均重量直徑的影響 土壤平均重量直徑是衡量團聚體穩(wěn)定性的重要參數(shù)。從表2可知,3年的土壤平均重量直徑均以BC10+CP處理最高,且與對照差異顯著,其余各處理與對照的差異均不顯著。從年際變化上看,各處理均導(dǎo)致土壤平均重量直徑逐年遞增,除CP外其余各處理均在2017年與2016年相比差異顯著,至2018年僅BC10+CP處理與2017年相比差異顯著。由此可見,有機肥與生物炭聯(lián)合施加有利于提高土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,且高濃度炭肥共施處理效果最佳。

    2.2 有機肥和生物炭對沙化土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

    2.2.1 對土壤pH值的影響 土壤pH值直接影響作物對養(yǎng)分的吸收程度。由表3中土壤pH值的數(shù)據(jù)來看,2016年各處理對pH值的影響最小,與對照差異均不顯著;在2017年,CP處理的pH值與對照差異顯著,CP處理有效降低了沙化土壤的pH值;2018年BC5+CP處理與對照差異顯著(P<0.05)??傮w上看,土壤pH值隨著改良劑的施加呈現(xiàn)逐年降低的趨勢,且含有機肥的處理效果更好,其原因可能是由于生物炭呈堿性,施入到堿性的沙化土壤中后會在一定程度上提高土壤pH值,使處理間差異不顯著。

    2.2.2 對土壤電導(dǎo)率的影響 土壤電導(dǎo)率可反映土壤中離子含量的高低。如表3所示,3年間土壤電導(dǎo)率均以BC5+CP和BC10+CP2組處理效果較佳,顯著高于對照(P<0.05);各處理土壤電導(dǎo)率的年際變化均不顯著,電導(dǎo)率隨著時間的延長整體上呈遞增趨勢。綜上所述,有機肥與生物炭的聯(lián)合施加對土壤電導(dǎo)率的影響最為明顯。

    2.2.3 對土壤陽離子交換量的影響 土壤陽離子交換量反映了土壤緩沖性能的高低。由表3可知,除CK外其他處理的土壤陽離子交換量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。不同年份各處理的效用不同,2016年, 與對照相比, 除CP處理外其余各處理土壤陽離子交換量均顯著提高;2017年、2018年BC5+CP、BC10+CP、BC處理與對照差異顯著(P<0.05)??傮w上看,BC10+CP處理對土壤陽離子交換量的增效最佳,BC5+CP處理效果次之,由此可得,有機肥與生物炭聯(lián)合施加處理對提高土壤陽離子交換量的效果要優(yōu)于任一改良劑單獨施加處理。

    2.3 有機肥和生物炭對土壤養(yǎng)分含量的影響

    2.3.1 對土壤總有機碳與總氮含量的影響 從表4可以看出,除2016年的CP處理外,各處理均使土壤總有機碳含量提高。2016年,BC、BC10+CP處理與對照相比呈顯著差異,CP處理與對照相比無顯著差異。后2年均以BC10+CP處理土壤總有機碳含量最高,與對照差異顯著。從年際變化上看,有機肥和生物炭單獨或聯(lián)合施加整體上使土壤總有機碳含量逐年遞增,但聯(lián)合施加的影響明顯優(yōu)于各單施處理,其中生物炭的作用效應(yīng)比有機肥更為明顯。

    由表4可知,2016年,各處理土壤總氮含量與對照間差異不顯著;2017年,BC5+CP、BC10+CP處理的土壤總氮含量顯著高于對照;2018年,各改良劑施加處理的土壤總氮含量均顯著高于對照,其中BC10+CP的處理效果最好。隨著改良劑的連續(xù)施加,土壤總氮含量整體呈遞增趨勢,其中前2年改良劑的效果不明顯,至2018年各改良劑處理與對照間差異顯著,且以有機肥與生物炭聯(lián)合施加的效果較佳。

    2.3.2 對土壤速效氮、磷、鉀含量的影響 由表5可見,2016年,各處理間速效氮含量差異均不顯著,且與對照相比,CP處理土壤速效氮含量有所下降;2017年,BC5+CP、BC10+CP處理土壤速效氮含量與對照相比差異顯著;2018年,有機肥和生物炭聯(lián)合施加處理的土壤速效氮含量與對照相比差異均顯著。整體來看,土壤速效氮含量的年際變化趨勢為先降后升,并且隨著生物炭的施加與不斷積累,對土壤速效氮含量的提升效果要優(yōu)于單獨施加有機肥的處理。

    土壤速效磷含量反映了一定時間內(nèi)土壤的供磷效率,如表5所示,3年內(nèi)CP、BC10+CP處理速效磷含量與對照相比差異顯著;BC5+CP處理效果僅在2017年、2018年與對照相比差異顯著;BC處理與對照差異均不顯著。由此可見,有機肥對提高土壤速效磷含量的作用要優(yōu)于生物炭。從年際變化上看,2017年各處理土壤速效磷含量均明顯呈增加的趨勢,與速效氮含量的變化趨勢正好相反,可能是受作物類型差異影響,對磷元素的吸收、固定與釋放作用也有所不同。

    由表5還可知,2016年各處理間土壤速效鉀含量差異均未達到顯著水平;后2年各改良劑施加處理均與對照差異顯著,其中,BC10+CP處理對速效鉀含量的增加作用最佳。由此可見,有機肥與生物炭聯(lián)合施加對土壤速效鉀含量的影響存在一定的協(xié)同作用,且生物炭對其影響效應(yīng)強于有機肥。

    3 討論

    Glaser等指出,生物炭多微孔、黏性差,施入土壤后能增加土壤總孔隙度,降低容重[17]。本試驗中的受試土壤以細沙為主,其占比約為64%,質(zhì)地細膩,土壤容重較大。隨著改良劑的連續(xù)施用,沙化土壤容重有所降低,其中以有機肥和生物炭聯(lián)合施加效果最明顯,單施生物炭的效果要優(yōu)于單施有機肥,表明生物炭對土壤容重的影響比有機肥明顯,這與Chen等的研究結(jié)果[18]一致。Laird等通過室內(nèi)控制試驗發(fā)現(xiàn),生物炭的微孔結(jié)構(gòu)能夠增強土壤的保水潛能[19],但本研究結(jié)果顯示,與對照相比,單施生物炭的效果并不顯著。與王改蘭等認為的有機肥能夠改善土壤吸水性能不同[20],本試驗結(jié)果同樣顯示單施有機肥的效果與對照間的差異也未達到顯著水平,這可能是由受試土壤結(jié)構(gòu)性差異所致,有機肥和生物炭聯(lián)合施加對土壤持水量的作用較為明顯。生物炭具有較強的疏水性,但與有機肥聯(lián)合施加則可以增加土壤的持水量和水分滲透性,表明二者聯(lián)合施加能夠有效增強土壤對水分的固持。Busscher等認為,生物炭能夠有效提高土壤通氣性[21];侯曉娜等指出,生物炭與秸稈共同添加利于改善團聚體的結(jié)構(gòu)[22]。姜燦爛等認為,連續(xù)施加有機肥利于紅壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成[23],但本試驗發(fā)現(xiàn),單施有機肥或生物炭對提高沙化土壤黏結(jié)性的作用并不顯著,二者聯(lián)合施加更利于土壤團聚體的形成與發(fā)育。

    生物炭含較多的灰分,溶于水后堿性增強[24],它的惰性也不利于產(chǎn)生酸性的中間分解物[25],Dinesh等發(fā)現(xiàn)有機肥能較好地降低土壤堿性[3],與戰(zhàn)秀梅等的結(jié)論[26]一致,原因可能是弱酸性的有機肥削弱了生物炭的堿性,聯(lián)合施加能夠有效降低土壤pH值,且比單施處理效果顯著。土壤電導(dǎo)率與陽離子交換量也能夠直觀體現(xiàn)土壤對水溶性鹽的保持能力。生物炭具有—COOH及—OH等離子官能團[27],能有效增加土壤帶電量[28],利于養(yǎng)分離子的積累與活性的增強[29]。本研究結(jié)果顯示,各處理土壤電導(dǎo)率與陽離子交換量整體上逐年提高,有機肥和生物炭聯(lián)合施加處理的效用與單施處理差異明顯,且高濃度炭肥施加處理更利于陽離子的吸附與保持。與劉國偉的研究結(jié)果[30]不同,本研究結(jié)果顯示,單施有機肥并未明顯提高土壤陽離子交換量,這也表明在聯(lián)合施加過程中,對陽離子交換量的作用可能以生物炭為主導(dǎo)。

    生物炭本身具有較高的碳含量[11],其微孔結(jié)構(gòu)的吸附力也能夠?qū)⑻脊潭ㄔ谕寥乐?,成為碳封存媒介[31],Celik等研究發(fā)現(xiàn),施加牲畜糞便堆肥后土壤總有機碳含量變化并不顯著[32]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著改良劑連續(xù)施加,各處理總有機碳含量均呈現(xiàn)提高的趨勢,其中以含生物炭的處理效果顯著,可見生物炭對土壤總有機碳的作用效果優(yōu)于有機肥。生物炭的施加能夠抑制土壤中氮素的淋失[33],有機肥也能夠?qū)Φ剡M行有效補償[4],從而提高了土壤氮素含量。Mia等研究也指出,土壤速效鉀的含量變化趨勢與氮素含量呈正相關(guān)[34]。單施生物炭和與有機肥聯(lián)合施加對土壤速效鉀含量的作用均高于單施有機肥,且隨改良劑的連續(xù)施加,鉀元素在沙化土壤中的積累效果更加顯著,因此可知,生物炭的施加可以有效提高土壤速效鉀含量。寧川川等指出,有機肥可以活化土壤本身的磷[6],劉賽男通過長期試驗發(fā)現(xiàn),生物炭能夠通過改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu),影響對磷元素的吸收與釋放[35]。從土壤速效磷含量的變化趨勢看出,各處理均可使土壤中速效磷的含量提高,且以二者聯(lián)合施加效果最為明顯,單施有機肥的效果次之,可見有機肥利于土壤中磷元素的積累。綜合來看,有機肥與生物炭聯(lián)合施加能夠提高作物對氮、磷、鉀元素的利用性,效果優(yōu)于單施處理,表明有機肥可以彌補生物炭本身的養(yǎng)分虧缺,生物炭則可以有效減少有機肥中所含養(yǎng)分的淋失,二者具有一定的協(xié)同作用。

    4 結(jié)論

    有機肥和生物炭對沙化土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著效應(yīng),二者聯(lián)合施加的效用較任一單施處理明顯,且在一定程度內(nèi),生物炭施加比例較高時二者的協(xié)同作用更明顯,能夠有效降低土壤容重,增加土壤持水量,改善土壤結(jié)構(gòu),提高陽離子交換量等,有機肥也能夠較好地彌補生物炭養(yǎng)分含量缺乏的不足,改善土壤各項肥力指標,提高土壤對氮、磷、鉀元素的吸收效率。同時,有機肥對土壤速效氮、磷含量的作用較生物炭明顯,生物炭對提高土壤陽離子交換量、速效鉀含量的作用優(yōu)于有機肥。由于受試作物類型,生物炭、有機肥的性質(zhì)等均會影響改良劑的效果,因此仍需針對不同作物、不同改良劑繼續(xù)進行相關(guān)試驗,探討二者對退化土壤的聯(lián)合作用過程及影響機制。

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