沙蒿生物質(zhì)炭配施有機(jī)物料對(duì)沙蒿林土壤化學(xué)性質(zhì)和綜合肥力的影響

侯建偉，邢存芳，索全義，鄧曉梅，陳 芬，劉 敏，王祖華

(1 銅仁學(xué)院 a 農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，b人事處， 貴州 銅仁 554300；2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

沙篙是菊科篙屬(Artemisia)的一個(gè)半灌木類群，是一種典型的沙生植物。沙篙廣泛分布于內(nèi)蒙古地區(qū)，由于長(zhǎng)期缺乏平茬或刈割出現(xiàn)大面積死亡現(xiàn)象，導(dǎo)致沙蒿防風(fēng)固沙能力減弱和林地土壤養(yǎng)分流失、肥力下降。研究表明，平茬或刈割不僅可促進(jìn)沙蒿生長(zhǎng)，而且將平茬或刈割后的沙蒿粉碎或轉(zhuǎn)為生物質(zhì)炭(biochar)[1-4]后進(jìn)行沙地封存，還可實(shí)現(xiàn)沙地培肥的目的。近年來(lái)，用生物質(zhì)炭還田來(lái)培肥退化土壤是備受人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。有研究指出，黑鈣土施用100 t/hm2的生物炭可使氮素淋失降低70%以上，砂質(zhì)土壤施用生物質(zhì)炭能吸附氮、磷養(yǎng)分，減少肥料流失、提高肥料利用率[5-6]。但也有研究認(rèn)為，雖然生物質(zhì)炭能夠固持養(yǎng)分和水分，但其多為惰性碳，不是土壤微生物的活性碳源，所以其提高土壤肥力的能力較為有限[7-9]。也有研究認(rèn)為，有機(jī)物料含有豐富的養(yǎng)分元素和活性碳源，在土壤培肥上具有重要作用，然而其持留養(yǎng)分和固碳減排作用卻遠(yuǎn)不及生物質(zhì)炭[10]。研究表明，將生物炭與糞肥按照1∶1的體積比配施對(duì)土壤有效養(yǎng)分具有增效作用，且培養(yǎng)150 d 時(shí)其增效作用最為明顯[11]。目前，關(guān)于生物質(zhì)炭單施或與有機(jī)物料配施在培肥農(nóng)田土壤上的研究較多，而關(guān)于生物質(zhì)炭在培肥沙蒿林瘠薄沙土方面的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，本試驗(yàn)研究了沙蒿生物質(zhì)炭單施或與有機(jī)物料(羊糞、沙蒿粉)配施對(duì)沙蒿林土壤化學(xué)性質(zhì)和綜合肥力的影響，以期為農(nóng)林廢棄物的資源化利用和沙蒿林土壤培肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與土壤

沙蒿取自內(nèi)蒙古呼和浩特市托克托縣沙地(N40°15′04″，E111°08′81″)。將取回的沙蒿于室外風(fēng)干后粉碎，過(guò)孔徑2 mm篩網(wǎng)，然后在烘箱內(nèi)60 ℃烘至質(zhì)量恒定，用于制取生物質(zhì)炭。沙篙生物質(zhì)炭制備具體過(guò)程為：稱取烘干的沙蒿20.0 g于坩堝中，放置于炭化爐(SGM.VB8/10，洛陽(yáng)市西格馬儀器制造有限公司)內(nèi)，以150 ℃/h的升溫速率將溫度由室溫升至600 ℃后恒溫1 h，炭化結(jié)束后放入干燥器冷卻。有機(jī)物料選擇腐熟的羊糞和沙蒿粉，其中沙蒿粉是將沙蒿于室外風(fēng)干后粉碎，過(guò)篩孔2 mm的篩網(wǎng)所得。沙蒿生物質(zhì)炭、羊糞和沙蒿粉的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試材料的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of test materials

供試土壤為沙土，取自沙蒿林裸漏的沙地，在沙地內(nèi)設(shè)置3個(gè)30 m×30 m的樣方，在其內(nèi)隨機(jī)多點(diǎn)取0～40 cm土層樣品，最后混合均勻，裝入塑封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后過(guò)孔徑2 mm篩網(wǎng)。供試土樣理化性質(zhì)為：pH 8.20，全氮含量0.22 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量2.30 g/kg，有效磷含量1.28 mg/kg，速效鉀含量72.87 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置 6 個(gè)處理，分別為：對(duì)照(CK)，不施用任何物料； T1，施用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%生物質(zhì)炭；T2，施用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%羊糞；T3，施用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%沙蒿粉；T4，施用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%生物質(zhì)炭+質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%羊糞；T5，施用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%生物質(zhì)炭+質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%沙蒿粉。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)將各種材料分別與沙土均勻混合后，裝入直徑7 cm、高15 cm的塑料培養(yǎng)杯中，加水使沙土含水量為田間持水量的60%，用無(wú)菌膜封口，保持一定的透氣性，培養(yǎng)杯底部中心打直徑1 cm小孔，置于(25±1) ℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)，每隔5 d用稱重法補(bǔ)水1次。分別在培養(yǎng)60 和150 d破壞性取樣，每個(gè)處理每次取3個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

堿解N含量用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效P含量用Olsen法測(cè)定，速效K含量用火焰光度法測(cè)定，全N含量用濃H2SO4消煮-半微量滴定法測(cè)定；全P含量用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全K含量用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定。具體操作參照《土壤農(nóng)化分析》[12]進(jìn)行。

1.4 土壤肥力評(píng)價(jià)

采用模糊數(shù)學(xué)法[13]進(jìn)行土壤肥力評(píng)價(jià)，具體步驟如下：

(1)選取土壤有機(jī)質(zhì)、堿解N、有效P、速效K、全N、全P、全K 等7個(gè)指標(biāo)對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。計(jì)算各肥力指標(biāo)的隸屬度值。根據(jù)全國(guó)第2次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]，確定隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值[13](表2)，利用公式(1)計(jì)算各肥力指標(biāo)的隸屬度值[7]。

(1)

式中：x為土壤各肥力指標(biāo)測(cè)定值;x1和x2是各土壤肥力指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別為各土壤肥力指標(biāo)的最小值和最大值(表2)。

表2 土壤養(yǎng)分隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值Table 2 Turning point value of membership function on soil nutrients

(2)確定單項(xiàng)肥力權(quán)重系數(shù)[15]。計(jì)算步驟為： 首先求單項(xiàng)肥力指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，然后求某項(xiàng)肥力指標(biāo)與其他肥力指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的平均值(若為負(fù)值取其絕對(duì)值)，計(jì)算該平均值占所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的百分比(權(quán)重系數(shù))，即為該單項(xiàng)肥力指標(biāo)在表征土壤肥力中的貢獻(xiàn)。

(3)計(jì)算土壤肥力綜合指標(biāo)值(integrated fertility index，IFI)[14]。IFI計(jì)算公式為：

IFI=∑Wi×Ni。

(2)

式中：Ni和Wi分別表示第i種養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值和權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)IFI值大小對(duì)不同處理土壤肥力水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，IFI值越大，土壤肥力越高。

1.5 數(shù)據(jù)分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010整理后，用SAS 9.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，在符合正態(tài)分布的情況下進(jìn)行one way ANOVA單因素方差分析，采用多重比較的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，采用 Correlate 進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同沙蒿生物質(zhì)炭處理對(duì)沙土有機(jī)質(zhì)含量的影響

由表3可知，沙土的有機(jī)質(zhì)含量隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，但培養(yǎng)150 d與培養(yǎng)60 d之間的差異未達(dá)顯著水平。與對(duì)照(CK)相比，不同物料處理均顯著提高了沙土的有機(jī)質(zhì)含量,各處理沙土的有機(jī)質(zhì)含量由大到小依次為T(mén)5>T4>T1>T3>T2>CK。結(jié)果表明，有機(jī)物料單施和混施均能明顯提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，其中以沙蒿生物質(zhì)炭與沙蒿粉混施效果最佳。

表3 不同沙蒿生物質(zhì)炭處理對(duì)沙土有機(jī)質(zhì)含量的影響 Table 3 Effect of different treatments of artemisia ordosica biochar on organic matter content in sandy soil g/kg

2.2 不同沙蒿生物質(zhì)炭處理對(duì)沙土全量養(yǎng)分含量的影響

由表4可知，不同物料處理沙土的全氮、全磷、全鉀含量均顯著高于對(duì)照(P<0.05);培養(yǎng)時(shí)間對(duì)沙土的全氮、全磷、全鉀含量無(wú)顯著影響。無(wú)論培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)短，沙土中全氮、全磷、全鉀含量均表現(xiàn)為T(mén)1、T4和T5處理較大，而T2和T3處理相對(duì)較小，且前三者顯著高于后兩者。結(jié)果表明，在一定添加量和培養(yǎng)時(shí)間下，生物質(zhì)炭對(duì)提高沙土全氮、全磷、全鉀含量具有重要作用。

表4 不同沙蒿生物質(zhì)炭處理對(duì)沙土全氮、全磷、全鉀養(yǎng)分含量的影響 Table 4 Effects of different treatments of artemisia ordosica biochar on total N, P and K contents in sandy soil g/kg

2.3 不同沙蒿生物質(zhì)炭處理對(duì)沙土速效養(yǎng)分含量的影響

不同沙蒿生物質(zhì)炭處理對(duì)沙土速效養(yǎng)分含量的影響見(jiàn)表5。由表5可知，不同物料處理沙土的堿解氮、有效磷、速效鉀含量大多顯著高于對(duì)照(CK)；培養(yǎng)60和150 d時(shí)，T5和T4處理的堿解氮、有效磷、速效鉀含量大多高于其他處理。結(jié)果說(shuō)明，沙蒿生物質(zhì)炭與有機(jī)物料混施較其單一施用更能提高沙土的速效養(yǎng)分含量。

表5 不同沙蒿生物質(zhì)炭處理對(duì)沙土速效養(yǎng)分含量的影響 Table 5 Effects of different treatments of artemisia ordosica biochar on available nutrient contents in sandy soil mg/kg

2.4 不同沙蒿生物質(zhì)炭處理對(duì)沙土綜合肥力的影響

根據(jù)評(píng)價(jià)土壤肥力的具體步驟，首先運(yùn)用1.4節(jié)公式(1)計(jì)算土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)等7個(gè)土壤肥力指標(biāo)的隸屬度值，結(jié)果見(jiàn)表6；然后運(yùn)用SAS 9.0進(jìn)行相關(guān)性分析,計(jì)算土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)和權(quán)重系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表7和表8；最后運(yùn)用1.4節(jié)公式(2)計(jì)算IFI值，結(jié)果見(jiàn)表9。由表9可知，在培養(yǎng)60 d時(shí)，土壤IFI值由高到低的順序依次為T(mén)5>T4>T1>T2>T3>CK，其中除T5與 T4的IFI值未達(dá)顯著差異水平外，其他處理間均達(dá)差異顯著水平(P<0.05)。由表9還可知，在培養(yǎng)150 d時(shí)，土壤IFI值由高到低的順序依次為T(mén)4>T5>T1>T2>T3>CK，各處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。上述結(jié)果表明，生物質(zhì)炭、羊糞和沙蒿粉均能提高沙土的綜合肥力，其中T4處理是提高沙土綜合肥力的最優(yōu)處理。

表6 不同生物質(zhì)炭處理沙土肥力指標(biāo)的隸屬度值Table 6 Membership value of sandy soil fertility index in different treatments of artemisia ordosica biochar

表7 培養(yǎng)60 d時(shí)不同沙蒿生物質(zhì)炭處理沙土肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)及權(quán)重系數(shù)Table 7 Correlation coefficients and weighting coefficients of sandy soil fertility index of different treatments of artemisia ordosica biochar at 60 d culture

表8 培養(yǎng)150 d時(shí)不同沙蒿生物質(zhì)炭處理沙土肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)及權(quán)重系數(shù)Table 8 Correlation coefficients and weighting coefficients of sandy soil fertility index of different treatments of artemisia ordosica biochar at 150 d culture

表9 不同沙蒿生物質(zhì)炭處理沙土的IFITable 9 IFI of sandy soil of different artemisia ordosica biochar treatments

3 討 論

土壤有機(jī)質(zhì)是表征土壤質(zhì)量和肥力的重要指標(biāo)，其含量的高低在一定程度上反映了土壤肥力的高低[16]。本研究中，沙蒿林地土壤類型為沙土，因常年干旱少雨且缺乏平茬或刈割，導(dǎo)致沙蒿大量死亡，沙蒿林地多為裸漏的沙地，加之沙塵暴頻繁等因素致使有機(jī)質(zhì)含量極低，根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]確定為6級(jí)。本研究分析發(fā)現(xiàn)，與CK相比，沙蒿生物質(zhì)炭、羊糞、沙蒿粉、沙蒿生物質(zhì)炭+羊糞、沙蒿生物質(zhì)炭+沙蒿粉處理均可以提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，分別使沙蒿林土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的4級(jí)(15.66～15.73 g/kg)、5級(jí)(5.93～6.05 g/kg)、5級(jí)(7.31～8.14 g/kg)、4級(jí)(17.33～18.62 g/kg)和4級(jí)(19.83～20.57 g/kg)，說(shuō)明沙蒿生物質(zhì)炭無(wú)論單施或是與其他有機(jī)物料配施均能明顯提高沙土有機(jī)質(zhì)含量，其中沙蒿生物質(zhì)炭與羊糞或沙蒿粉配施的提升效果最明顯。本研究中，沙蒿生物質(zhì)炭無(wú)論單施或是與其他有機(jī)物料配施均能增加沙土氮、磷、鉀養(yǎng)分含量，其可能原因有三：一是由于沙蒿生物質(zhì)炭強(qiáng)大的吸附固持作用減少了氮、磷、鉀養(yǎng)分的淋失[17-21]；二是沙蒿生物質(zhì)炭豐富的孔隙以及有機(jī)物料的活性碳源有益于土壤微生物的生存繁殖，促進(jìn)了沙土氮、磷、鉀養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與活化[22-23]；三是沙蒿生物質(zhì)炭或有機(jī)物料自身含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素，施入沙土后增加了沙土的氮、磷、鉀含量[24]。

前人研究指出，土壤肥力受多因素影響，某單一指標(biāo)并不能表征不同物料的土壤培肥效果，本研究對(duì)沙蒿生物質(zhì)炭單施或與有機(jī)物料配施沙土的肥力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，這對(duì)指導(dǎo)沙蒿生物質(zhì)炭在實(shí)際中的應(yīng)用具有重要作用[25]。本研究結(jié)果表明，不同處理沙土的IFI有明顯差異，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%沙蒿生物質(zhì)+質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%羊糞處理(T4)為培肥沙土的最優(yōu)處理。本研究根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，只計(jì)算了7個(gè)肥力指標(biāo)的隸屬度值及IFI，在對(duì)土壤肥力進(jìn)行數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)時(shí)稍顯片面，因此在后續(xù)的研究中還應(yīng)加入與沙土肥力相關(guān)的酶學(xué)指標(biāo)。但是目前土壤酶活性還未見(jiàn)統(tǒng)一的普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此很難確定隸屬度函數(shù)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以往研究通過(guò)試驗(yàn)樣本測(cè)定中酶活性的最大值及最小值確定隸屬度函數(shù)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[7]，這種方法是否可行還需進(jìn)一步的研究和探索。

4 結(jié) 論

沙蒿生物質(zhì)炭無(wú)論是單施或是與有機(jī)物料(羊糞、沙蒿粉)配施均能夠提高沙土的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量及IFI。根據(jù)IFI值最終確定質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%生物質(zhì)+質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%羊糞處理(T4)是提高沙土綜合肥力的最優(yōu)處理。