生物質(zhì)炭對土地整治區(qū)土壤物理特性的改良效應(yīng)

鄧建強，方武軍，王 勇，吳 東，樊 俊，夏鵬亮 (.湖北省煙草公司恩施州公司，湖北 恩施 5000;2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽卷煙廠，湖北 襄陽 000；.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司紅安卷煙廠，湖北 紅安 800；.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 0000)

土地整治是增加有效耕地面積、提高土地質(zhì)量、改善生態(tài)環(huán)境的重要途徑。早在20世紀(jì)50年代，德國和荷蘭就已大力開展了土地整治，后逐步拓展到歐洲各國[1]。我國土地整治始于20世紀(jì)80年代，在增加耕地數(shù)量、提高耕地質(zhì)量等方面做出了重大貢獻(xiàn)[2-3]。已初步證實土地整治有助于社會經(jīng)濟與生態(tài)保護的和諧發(fā)展[4-7]。然而，由于土壤整治受到工程改造的影響，大量生土被帶入耕作層，機械碾壓作用使原有土壤層物理狀況發(fā)生改變，水熱協(xié)調(diào)能力變差[8-9]，在整治后的數(shù)年里難以滿足作物生長需求，重度整治區(qū)域表現(xiàn)尤為突出[10]。為此，尋求一種快速重構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)的方法具有現(xiàn)實緊迫性。

當(dāng)前，生物質(zhì)炭技術(shù)已成為研究熱點[11]，并應(yīng)用到土壤酸化區(qū)改良[12]、鹽漬土區(qū)域改良[13]、重金屬和有機物質(zhì)污染區(qū)域修復(fù)[14-15]等領(lǐng)域，結(jié)果證實生物質(zhì)炭在土壤物理結(jié)構(gòu)重塑方面效果較佳。這主要歸結(jié)于生物質(zhì)炭本身較大的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的表面積[16-17]，增加了土壤孔隙度，減小了土壤容重，增加了田間持水量[18-22]，生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤團聚體的形成，增加了團聚體的穩(wěn)定性[23-24]。為此，該研究通過田間試驗探討生物質(zhì)炭對土地整治區(qū)土壤物理特性的改良效應(yīng)，為土地整治區(qū)生產(chǎn)力快速恢復(fù)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于湖北恩施現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)示范區(qū)(26° 45′ N，111° 23′ E)，海拔為1 015 m。試驗區(qū)域為典型的巖溶性地貌區(qū)，具有明顯的山地立體型氣候特點，年平均氣溫為16.3 ℃，年均降雨量為1 434.9 mm，降雨主要集中在7—9月[25]。土地整治前土壤類型為山地黃棕壤，受工程改造影響較大，帶入耕作層的生土較多，與非整治區(qū)相比，有機質(zhì)含量低，土壤容重大，基礎(chǔ)土樣理化性質(zhì)如下：容重為1.30 g·cm-3，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為9.02、0.87、0.87、20.46 g·kg-1，pH值為7.50，陽離子交換量(CEC)為7.51 cmol·kg-1。

1.2 供試材料

供試生物質(zhì)炭由某再生能源專業(yè)加工廠提供，原料為水稻谷殼。生物質(zhì)炭生產(chǎn)設(shè)備為連續(xù)豎式生物質(zhì)炭化爐，炭化溫度為400～500 ℃，其中30%的生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭[23]。生物質(zhì)炭比表面積為2.09 m2·g-1，孔隙呈蜂窩狀，存在較多的微孔和小孔，尺寸在5 μm以下，以芳香族官能團為主。其基本化學(xué)性質(zhì)如下：全氮、全磷、全鉀、有機碳含量為2.16、6.85、7.42、543.53 g·kg-1，pH值為7.73，CEC為 22.50 cmol·kg-1，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.69%。

1.3 試驗方法

1.3.1試驗設(shè)計

試驗為大田試驗，共5個處理，即生物質(zhì)炭用量分別為0(CK)、7.5、15、30和45 t·hm-2，3次重復(fù)，小區(qū)面積為8.25 m×4.80 m=39.60 m2，隨機排列。試驗區(qū)四周設(shè)1.2 m寬保護行，小區(qū)間設(shè)0.8 m農(nóng)業(yè)操作走道，將生物質(zhì)炭均勻施于土壤表面，翻耕混勻至土壤耕作層(0～30 cm)，后期不再補施生物質(zhì)炭。供試作物為云煙87，行距為1.20 m，株距為0.55 m，施肥按照當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3.2土壤指標(biāo)

煙葉生長季每隔15 d測定1次土壤含水量，測定方法見文獻(xiàn)[26]。大田試驗布置的第2年，在0～20 cm壟體中利用容重環(huán)刀、飽和導(dǎo)水率環(huán)刀和水分特征曲線環(huán)刀采集原狀土，每個小區(qū)3次重復(fù)。同時，用鐵鏟對每個小區(qū)壟體的土壤進(jìn)行取樣，放入硬質(zhì)盒中帶回實驗室測定團聚體。土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤水分特征曲線采用壓力膜法測定[27]；飽和導(dǎo)水率采用滲透率儀在恒水頭下測定[28]；土壤團聚體采用濕篩法測定[29]，團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD，DMW)計算方法為

(1)

由于生物質(zhì)炭施用后，土壤容重大幅降低，耕層厚度增加，單獨采用土壤含水量不能準(zhǔn)確描述土層中水分的變化狀況，為此引入土層儲水量指標(biāo)，對土地整治區(qū)土層水分變化情況進(jìn)行描述，計算公式為

W=θm×ρ×h×100%。

(2)

式(2)中，W為土層儲水量，t·hm-2；θm為質(zhì)量含水量，%；ρ為未改良時土壤容重，g·cm-3；h為改良深度，cm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

常規(guī)統(tǒng)計和建模分析在Excel 2003、SPSS 16.0和MATLAB 7.5平臺進(jìn)行。多重比較采用新復(fù)極差法，顯著性水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤容重與飽和導(dǎo)水率的影響

生物質(zhì)炭對土壤容重具有顯著的降低作用，容重隨著用量的上升而下降(表1)。

與CK相比，7.5、15、30和45 t·hm-2處理的土壤容重分別下降1.67%、3.99%、6.15%和8.19%，其中30 t·hm-2以上處理與CK差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。此外，生物質(zhì)炭具有提高土壤飽和導(dǎo)水率的趨勢。與CK相比，7.5 t·hm-2處理的土壤飽和導(dǎo)水率下降2.4%，15、30和45 t·hm-2處理分別上升49.2%、65.5%和41.8%，但各處理間差異未達(dá)顯著水平。

表1 生物質(zhì)炭對土壤容重和土壤飽和導(dǎo)水率的影響

2.2 對水穩(wěn)性團聚體的影響

通過表2可知，>5 mm粒徑的團聚體比例隨著生物質(zhì)炭用量的增加呈下降趨勢，45 t·hm-2處理與CK相比顯著下降(P<0.05)，降幅達(dá)36.57 %，其他處理間差異不顯著。對于>0.5～5 mm粒徑的團聚體而言，增加生物質(zhì)炭用量對其比例有一定的影響，但處理間無顯著差異。隨著生物質(zhì)炭用量的上升，>0.25～0.5 mm粒徑的團聚體比例具有顯著上升趨勢，30和45 t·hm-2處理與CK相比差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，而≤0.25 mm粒徑團聚體比例隨著生物質(zhì)炭用量的增加呈下降趨勢，30和45 t·hm-2處理顯著低于CK(P<0.05)，降幅約為11%。45 t·hm-2處理的MWD顯著低于CK和7.5 t·hm-2處理(P<0.05)，但與15和30 t·hm-2處理的差異不顯著，說明15 t·hm-2用量是生物質(zhì)炭對MWD影響的分界點，用量低于此值時對MWD的影響程度較小，但當(dāng)用量逐漸增大至高于15 t·hm-2時，生物質(zhì)炭對土壤MWD的降低趨勢逐步顯現(xiàn)。這與生物質(zhì)炭對>5 mm粒徑大團聚體比例有顯著降低效果有關(guān)，雖>0.25～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體比例顯著上升，但大粒級團聚體的權(quán)重高，由此導(dǎo)致各處理的MWD整體降低。

表2 生物質(zhì)炭對水穩(wěn)性團聚體的影響

2.3 對土壤持水性的影響

生物質(zhì)炭對土壤持水性有一定影響(表3)，在土壤水分飽和狀態(tài)(0 Pa)和低吸力條件下(0.1×105Pa)處理間差異不顯著。當(dāng)吸力在0.3×105～15×105Pa之間時，隨著生物質(zhì)炭用量的增加，土壤體積含水量逐步上升，且30和45 t·hm-2處理均顯著高于CK(P<0.05)，說明在此吸力條件下施用生物質(zhì)炭有助于提高土壤的保水能力。當(dāng)吸力達(dá)到15.0×105Pa，即土壤萎蔫點含水量，隨著生物質(zhì)炭用量的增加，土壤含水量先降低后增加，但各處理間差異不顯著，用量達(dá)到30 t·hm-2后萎蔫點含水量略高于CK。

表3 生物質(zhì)炭對不同吸力下土壤體積含水量的影響

為了定量、連續(xù)地分析生物質(zhì)炭對土壤持水性的影響，采用VG模型對不同生物質(zhì)炭用量下的土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，VG模型描述及擬合方法詳見文獻(xiàn)[30]。表4為VG模型的主要參數(shù)和擬合精度，其中均方根誤差和平均絕對誤差均較小，相關(guān)系數(shù)r值較高，說明VG模型的擬合精度較高，數(shù)理可靠性強，可應(yīng)用于下一步的分析。

表4 VG模型主要參數(shù)和擬合精度統(tǒng)計表

容水度可直觀顯示不同吸力條件下的土壤釋水能力，其值通過對VG模型進(jìn)行求導(dǎo)得到。由圖1可見，當(dāng)土壤吸力<0.2×105Pa時，生物質(zhì)炭可提高土壤的釋水能力；隨著吸力的不斷增加，CK的釋水能力大幅上升，迅速超過生物質(zhì)炭處理，當(dāng)吸力達(dá)到0.3×105～0.4×105Pa時，各處理均達(dá)到釋水峰值，且釋水峰值隨著生物質(zhì)炭用量的上升逐步下降；當(dāng)吸力超過0.7×105Pa時，CK的釋水能力逐步降低至低于生物質(zhì)炭處理，且差距隨著生物質(zhì)炭用量的上升而逐步增加。這說明生物質(zhì)炭對土壤的釋水性能在不同土壤吸力條件下表現(xiàn)不一，在極低吸力條件下可提高土壤的釋水能力，這可能與生物質(zhì)炭提高了土壤的通氣孔隙，增加了水分入滲能力有關(guān)。但當(dāng)土壤吸力逐步上升時，由于生物質(zhì)炭可促進(jìn)土壤毛管孔隙度的發(fā)育，且自身也具有一定的吸收性能，使得釋水性能隨著生物質(zhì)炭用量的上升而不斷下降。

圖1 生物質(zhì)炭對容水度的影響

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對土壤容重與導(dǎo)水性能的影響

土壤容重是土壤物理性質(zhì)的綜合反應(yīng)，土壤容重過大，土壤緊實度增加，不利于通氣、排水和植物扎根；土壤容重過小，通氣孔隙加大，不易保水保肥，作物易倒伏。在土地整治區(qū)，生物質(zhì)炭可顯著降低土壤容重，且隨著施用量的上升，降幅逐步升高，該結(jié)論與相關(guān)報道結(jié)果一致，即施用生物質(zhì)炭有利于降低土壤的緊實度，土層更為疏松，隨著用量的提高容重顯著下降[18,31-32]。對于筆者研究的土地整治區(qū)而言，土壤緊實、物理結(jié)構(gòu)差是農(nóng)作物生長受抑制的主要因素，施用生物質(zhì)炭可顯著降低土壤容重，增強土壤可耕性，可作為解決土壤緊實問題的有效措施。但另一方面，生物質(zhì)炭可增加土壤通氣孔隙度，利于土壤排水，隨著用量的上升，土壤飽和導(dǎo)水率逐步提高，這與JIENS等[33]的研究結(jié)論(生物質(zhì)炭可將土壤飽和導(dǎo)水率從16.7提高到33.1 cm·h-1的趨勢)相符，也暗示出生物質(zhì)炭可能會加劇土壤某些營養(yǎng)元素的流失。LAIRD等[34]指出施用生物質(zhì)炭可增加土壤鉀淋洗量，且鉀淋洗量隨生物質(zhì)炭用量的增加而增加，這與生物質(zhì)炭提高土壤通氣孔隙，增加土壤優(yōu)勢流，形成細(xì)微生物質(zhì)炭顆粒，促進(jìn)養(yǎng)分運輸有關(guān)[35]。因此，適度控制生物質(zhì)炭用量將更有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.2 生物質(zhì)炭對土壤團聚性能的影響

該研究表明，生物質(zhì)炭可降低≤0.25 mm微團聚體，提高>0.25～0.5 mm水穩(wěn)性團聚體比例，但對>5 mm粒徑的大團聚體具有降低作用，從而使得MWD有下降趨勢，這與LU等[23]、LIU等[24]和吳鵬豹等[36]的結(jié)論有一定不同，但與LIU等[37]、安艷等[38]和HARTLEY等[39]的結(jié)果一致，這可能與不同土壤類型的團聚體穩(wěn)定性有關(guān)。該試驗的土壤有機質(zhì)含量本身較低，而土壤耕作層的大團聚體(>5 mm)多為較不穩(wěn)定有機質(zhì)和黏粒直接膠結(jié)團聚而成。生物質(zhì)炭通過分子間的范德華力、表面庫侖力和氫鍵等作用吸附在有機質(zhì)或黏粒表面，降低了大團聚體的團聚作用力，使其分散成更小一級團聚體[38]，致使粒徑>5 mm的大團聚體隨著生物質(zhì)炭用量的增多而不斷降低。但另一方面，生物質(zhì)炭施用后可促進(jìn)植物根系生長，增強根系活力[40-41]，促進(jìn)有機物質(zhì)的分泌，使微團聚體逐步團聚成小團聚體[42-43]，導(dǎo)致≤0.25 mm團聚體顯著下降，而>0.25～0.5 mm團聚體顯著上升。值得關(guān)注的是，因機械外力壓實作用，土地整治往往出現(xiàn)了大量土塊，耕性明顯下降，而生物質(zhì)炭可通過阻礙黏粒之間相互膠結(jié)，降低土塊間的黏結(jié)，將大土塊進(jìn)一步分散，且有利于降低≤0.25 mm的團聚體比例，促使地力逐步恢復(fù)。

3.3 生物質(zhì)炭對土壤持水性的影響

生物質(zhì)炭對土壤持水性在不同吸力條件下的影響方式和程度不一，在低吸力條件下影響程度差異未達(dá)顯著水平，但提高生物質(zhì)用量可增加土壤的釋水性，這主要與生物質(zhì)炭大幅提高土壤通氣孔隙，提高土壤導(dǎo)水性有關(guān)；當(dāng)吸力達(dá)到0.3×105Pa以上時，生物質(zhì)炭可通過調(diào)節(jié)土壤的釋水性能來提高土壤田間持水量，這與普遍的研究結(jié)論相一致[44-45]。田間持水量的提高主要與生物質(zhì)炭改變土壤團粒結(jié)構(gòu)組成、提高毛管孔隙度有關(guān)[33]，且生物質(zhì)炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)增強了其對水分的吸持力，這也是田間持水量提高的另一主要因素[46]。同時，OMONDI等[47]整理已發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行Meta分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭可有效提高土壤保水能力，有效水庫容平均增幅達(dá)到15.0%，且隨著生物質(zhì)炭用量的提高而增大，當(dāng)用量高于80 t·hm-2時增加幅度可達(dá)24.9%，筆者研究中生物質(zhì)碳最高用量45 t·hm-2的提高幅度僅為6.92%，這可能與生物質(zhì)炭物料差異及區(qū)域土壤屬性有關(guān)。同時，生物質(zhì)炭對土壤持水性能的提高作用明顯反饋到田間土層儲水量上。根據(jù)為期2 a的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，生物質(zhì)炭對土層儲水量有明顯提高作用，用量達(dá)30 t·hm-2以上可顯著提高6%左右的土層儲水量(圖2)，說明施用生物質(zhì)炭有利于土地整治區(qū)土壤持水性和供水性的提高。

圖2 生物質(zhì)炭對土層儲水量的影響

然而，在土地整治區(qū)，生物質(zhì)炭雖對土壤萎蔫點含水量的影響較小，但隨著施用量的上升其具有先下降后上升的趨勢，這與ABEL等[48]和CORNELISSEN等[49]提出的生物質(zhì)炭或多或少可提高土壤萎蔫點含水量的論點相一致。這主要是因為生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤微團聚體團聚成小團聚體，降低了土壤非活性孔隙度，在一定范圍內(nèi)施用可降低土壤萎蔫點含水量，但當(dāng)用量增大到一定程度時，生物質(zhì)炭本身具有強大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，使得水分的吸持能力增強[50]，掩蓋了通過調(diào)節(jié)不同土壤團聚體等級分布而降低土壤萎蔫點含水量的正效應(yīng)。土壤萎蔫點含水量是作物吸收水分的下限，土壤萎蔫點含水量的提高不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，所以在土地整治過程中控制生物質(zhì)炭用量有一定實際意義，可將施用量控制在15 t·hm-2左右。

4 結(jié)論

在土地整治區(qū)施用生物質(zhì)炭可使土壤容重降低1.67%～8.19%，提高>0.25～0.5 mm水穩(wěn)性團聚體比例，但對>5 mm粒徑大團聚體比例具有降低作用，MWD隨生物質(zhì)炭用量上升具有下降趨勢。生物質(zhì)炭可通過調(diào)節(jié)土壤釋水規(guī)律來提高土地整治區(qū)土壤的保水性能，進(jìn)而顯著提高土層儲水量，而高劑量施用對土壤萎蔫點含水量具有小幅提高作用。因此，合理施用生物質(zhì)炭將有利于改善土地整治區(qū)的土壤物理特性，建議將其用量控制在15 t·hm-2左右。