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      添加外源有機(jī)物料和黏土礦物對(duì)菠菜生長及土壤理化性質(zhì)的影響

      2022-07-13 03:17:28劉萌樊軍付威羅瑞華茍國花牛育華
      灌溉排水學(xué)報(bào) 2022年6期
      關(guān)鍵詞:木本泥炭質(zhì)地

      劉萌,樊軍,付威,羅瑞華,茍國花,牛育華

      添加外源有機(jī)物料和黏土礦物對(duì)菠菜生長及土壤理化性質(zhì)的影響

      劉萌1,2,樊軍1,3*,付威1,2,羅瑞華1,2,茍國花1,2,牛育華4

      (1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100;3.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;4.陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,西安 710021)

      快速提高粗質(zhì)地貧瘠土壤的有機(jī)質(zhì)量,增強(qiáng)其在土壤中的穩(wěn)定性,提升與維持土壤肥力。選擇菠菜作為供試作物,試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理,包括對(duì)照(H0)、木本泥炭(HW)、生物炭(HB)、褐煤(HC)、腐植酸(HH)、木本泥炭+膨潤土(HWb)、木本泥炭+伊利石(HWa)和木本泥炭+高嶺石(HWg)。探究在粗質(zhì)地黃綿土中添加不同外源有機(jī)物料和黏土礦物對(duì)植物生長和土壤理化性質(zhì)的影響。與H0處理相比,單施外源有機(jī)物料的HW、HB、HC處理和HH處理對(duì)菠菜生長、產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)有改善作用,HB處理收獲期菠菜凈光合速率、株高、葉面積和產(chǎn)量分別顯著提高了21.5%、23.5%、69.5%和70.9%,收獲期土壤有機(jī)質(zhì)量和全氮量分別顯著增加了236.2%和20.7%;HH處理收獲期土壤pH值顯著降低了16.8%,菠菜產(chǎn)量?jī)H提高4.7%。與HW處理相比,添加黏土礦物的HWb、HWa、HWg處理菠菜產(chǎn)量分別提高了22.7%、9.0%、9.0%,土壤有機(jī)質(zhì)量分別增加了33.5%、2.4%和27.0%。在單施有機(jī)物料的處理中,添加生物炭對(duì)粗質(zhì)地土壤培肥效果最好;在添加黏土礦物的處理中,木本泥炭添施2∶1型脹縮性黏土礦物膨潤土對(duì)菠菜的生長具有良好促進(jìn)作用,并且可顯著提高粗質(zhì)地土壤肥力水平,穩(wěn)定土壤碳庫,具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

      生物炭;木本泥炭;膨潤土;粗質(zhì)地;菠菜

      0 引言

      【研究意義】黃土高原地區(qū)是世界上最大的黃土沉積區(qū),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)面臨著土壤肥力有限、水分短缺等諸多限制,引入適合當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥捞卣鞯呐喾始夹g(shù)是改良土壤結(jié)構(gòu)、維持土壤肥力水平,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[1]。土壤有機(jī)質(zhì)量是評(píng)價(jià)土壤肥力水平最重要的指標(biāo)之一。近年來,大量研究表明,通過添加外源有機(jī)物料等方法可使粗質(zhì)地土壤肥力得到提高,進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善[2-3]。

      【研究進(jìn)展】木本泥炭、生物炭、褐煤和腐殖酸都是富含有機(jī)碳的有機(jī)物料,具有快速培肥粗質(zhì)地土壤,提高作物產(chǎn)量的效果。趙文慧等[4]研究表明,單施木本泥炭能夠迅速提高土壤有機(jī)質(zhì)量。此外,添加木本泥炭可以減緩設(shè)施菜田土壤養(yǎng)分淋失,改良土壤,提高養(yǎng)分利用效率[5]。生物炭是高溫厭氧熱裂解得到的富碳物質(zhì),可有效降低土壤體積質(zhì)量[6-7],改善土壤孔性,pH值等[8],促進(jìn)植物生長。Baiamonte等[9]指出生物炭與土壤的結(jié)合可以改善土壤結(jié)構(gòu),增加孔隙度,并增強(qiáng)保水性。褐煤是碳化程度最低的煤種,是由泥炭在成煤過程第二階段形成的產(chǎn)物,其施入土壤能夠增加有機(jī)碳量,增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性[10]。腐殖酸是天然有機(jī)高分子化合物,當(dāng)其進(jìn)入土壤后會(huì)通過離子交換、吸附等反應(yīng)影響土壤中微量元素的有效性,促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收,提高產(chǎn)量[11-12]。

      前人研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)在粗質(zhì)地土壤中不穩(wěn)定,容易快速降解,當(dāng)輸入相同的有機(jī)物料時(shí),細(xì)質(zhì)地土壤有機(jī)碳、含氮量高于粗質(zhì)地土壤[13],細(xì)質(zhì)地土壤中的黏粒和腐殖物質(zhì)相互作用可以減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳的分解[14]。Paul等[15]報(bào)道,在溫帶土壤中存在黏粒對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用,土壤有機(jī)碳的平均駐留時(shí)間與黏粒量成正比,而與砂粒量成反比。因此,黏粒量對(duì)粗質(zhì)地土壤有機(jī)質(zhì)的保護(hù)具有重要作用。膨潤土、伊利石、高嶺石是富含黏粒的黏土礦物,其具有優(yōu)異的晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能,對(duì)于協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱,提升粗質(zhì)地土壤肥力水平效果顯著。鄭毅等[16]研究發(fā)現(xiàn),膨潤土和腐殖酸配合可以減少土壤氮素氣態(tài)損失,提高玉米氮肥利用率、籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)。高嶺石等黏土礦物可加速土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解,提高土壤有機(jī)碳量[17]。因此,黏土礦物對(duì)粗質(zhì)地土壤有機(jī)碳的固存有積極作用。

      【切入點(diǎn)】但是,以往的研究只關(guān)注了單一外源有機(jī)物料和黏土礦物,對(duì)于不同黏土礦物固存有機(jī)碳的效果差異關(guān)注較少?!緮M解決的關(guān)鍵問題】因此本試驗(yàn)對(duì)黃綿土中添加木本泥炭,生物炭,褐煤和腐殖酸4種有機(jī)物料,以及單施木本泥炭基礎(chǔ)上添加膨潤土,伊利石和高嶺石3種黏土礦物的培肥效果差異及其對(duì)粗質(zhì)地土壤有機(jī)質(zhì)的影響進(jìn)行研究。力求找出最佳的土壤改良模式,為粗質(zhì)地土壤的培肥提供理論依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 供試材料

      本試驗(yàn)于2019年12月12日—2020年1月15日在西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬干旱大廳常態(tài)人工氣候室中進(jìn)行,溫度控制為25 ℃,濕度70%,CO2物質(zhì)的量濃度為400 μmol/mol,控制光照強(qiáng)度為400 μmol/(m2·s),光周期為12 h/d。供試菠菜品種為陜西省秦興種苗有限公司的金菠,供試盆(高15 cm,內(nèi)徑15 cm,裝土3.4 kg)由聚氯乙烯(PVC)材料制成。所用木本泥炭來源于印度尼西亞露天煤礦,生物炭來源于陜西省楊陵區(qū)五泉鎮(zhèn)億鑫生物公司,褐煤來源于陜西省榆林市煤礦,腐殖酸來源于陜西科技大學(xué)腐殖酸生態(tài)工程中心,為低階煤活化產(chǎn)物。膨潤土是以2∶1型蒙脫石為主的脹縮性黏土礦物,伊利石是2∶1型非脹縮性黏土礦物,高嶺石是1∶1型非脹縮性黏土礦物。盆栽所用土壤取自延安市寶塔區(qū)馮莊鄉(xiāng)康坪村,為粗質(zhì)地黃綿土,風(fēng)干后過2 mm篩,去掉土壤中可見的作物殘留物。土壤和添加的外源有機(jī)物質(zhì)、黏土礦物的部分理化性狀見表1。

      表1 土壤、外源有機(jī)物質(zhì)和黏土礦物的部分理化性狀

      1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)處理:黃綿土對(duì)照處理(H0),黃綿土+木本泥炭處理(HW),黃綿土+生物炭處理(HB),黃綿土+褐煤處理(HC),黃綿土+腐殖酸處理(HH),黃綿土+木本泥炭+膨潤土處理(HWb),黃綿土+木本泥炭+伊利石處理(HWa),黃綿土+木本泥炭+高嶺石處理(HWg)。每個(gè)處理5次重復(fù)。

      所有處理在播種前均施用基肥〔氮(N)0.1 g/kg,磷(P2O5)0.2 g/kg〕,木本泥炭、生物炭、褐煤、腐殖酸施用量根據(jù)自身有機(jī)質(zhì)量計(jì)算,保證全部有機(jī)物料施入有機(jī)質(zhì)的量均為13.37 g/kg,膨潤土、伊利石、高嶺石施入量為土壤質(zhì)量的1%,各物料與土壤混勻后裝入盆中,每盆播種10粒,澆水量是保持盆中土壤質(zhì)量含水率為25%,每次均稱質(zhì)量澆水,待菠菜長出2片真葉后間苗,每盆留5株。在2019年12月24日菠菜間苗期,12月30日菠菜苗期,2020年1月6日菠菜生長期,1月14日菠菜收獲期拍攝生長照片如圖1。在2019年12月24、31日、2020年1月5、10、15日采樣測(cè)定鮮質(zhì)量,在2019年12月30日、2020年1月5、10、15日測(cè)定株高、葉綠素、葉面積,在2020年1月11—13日測(cè)定凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率,從2019年12月27日—2020年1月14日連續(xù)監(jiān)測(cè)各處理的水分變化情況。在收獲后采集土樣測(cè)定土壤pH值、電導(dǎo)率、全氮和有機(jī)質(zhì)量。

      圖1 各處理菠菜不同生育期對(duì)比

      1.3 分析方法

      菠菜生物量的測(cè)定:將菠菜緊貼土壤表層剪下,然后用蒸餾水洗凈,用干凈紗布吸干水分后用精度為0.001 g的電子分析天平稱量得到植株鮮質(zhì)量。

      菠菜生理指標(biāo)的測(cè)定:用直尺測(cè)量植株自然狀態(tài)下土壤表層到葉片最高點(diǎn)的高度,每盆測(cè)3株;用SPAD-502Plus手持式葉綠素儀測(cè)量基部向上的第1、第2片葉子,每盆測(cè)3株;將采集的植株樣品稱取鮮質(zhì)量后,用LI-3000A便攜式激光葉面積儀測(cè)定菠菜的葉面積;用LI-6400XT便攜式光合測(cè)定儀(Li-Cor, Inc., USA),在CO2物質(zhì)的量濃度為500 μmol/mol,溫度25 ℃,光量子強(qiáng)度1 000 μmol/(m2·s)條件下,測(cè)定凈光合速率()、氣孔導(dǎo)度()、胞間CO2濃度()、蒸騰速率(),每個(gè)處理10次重復(fù)。

      土壤理化指標(biāo)的測(cè)定:土壤養(yǎng)分采用常規(guī)測(cè)定方法,土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定;土壤pH值測(cè)定采用電極法,利用雷磁PHSJ-4F數(shù)顯pH計(jì)測(cè)定;土壤電導(dǎo)率采用雷磁DDS-303A電導(dǎo)率儀測(cè)定;土壤顆粒組成采用MS2000型馬爾文激光粒度儀測(cè)定;土壤含水率采用稱質(zhì)量法每天測(cè)定。土壤質(zhì)量含水率計(jì)算式為:

      式中:m為土壤質(zhì)量含水率(%);為供試盆質(zhì)量(g);1為試驗(yàn)前風(fēng)干土與供試盆質(zhì)量(g);2為每日稱質(zhì)量(g)。

      =1-2, (2)

      式中:為日水分消耗量(g/d);1為當(dāng)日盆栽質(zhì)量(g);2為昨日盆栽質(zhì)量(g)。

      1.4 數(shù)據(jù)處理

      試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理和計(jì)算,采用SPSS 22對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差(one-way ANOVA)分析,如果差異顯著(<0.05),使用Duncan法進(jìn)行多重比較,采用Origin 2016進(jìn)行繪圖。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 不同處理對(duì)菠菜光合作用的影響

      隨著菠菜的生長發(fā)育,不同處理的菠菜葉綠素相對(duì)量呈現(xiàn)先增高后平穩(wěn)的趨勢(shì)(圖2),在播種后第18天(2019年12月30日),各處理的葉綠素相對(duì)量均顯著高于對(duì)照H0處理。在收獲期,各處理的葉綠素相對(duì)量表現(xiàn)為HWg處理>HW處理>HWb處理>HWa處理>HB處理>HC處理>H0處理>HH處理,HW、HB、HWb、HWa、HWg處理顯著高于H0處理,HC處理與H0處理之間差異不顯著,H0處理顯著高于HH處理,而添加黏土礦物的HWb、HWa、HWg處理與HW處理之間差異不顯著。

      由表2可知,除HH處理菠菜葉片凈光合速率()顯著低于對(duì)照H0處理外,其余各處理均顯著高于H0處理,在單獨(dú)添加外源有機(jī)物料的處理中,HB處理的達(dá)到32.1 μmol/(m2·s),與其他處理相比差異達(dá)到顯著水平,加入黏土礦物的HWb、HWa、HWg處理顯著高于HW處理。HWb處理的氣孔導(dǎo)度()、胞間CO2濃度()與蒸騰速率()均顯著高于H0處理,其中HW處理下最高,除HH處理外其余處理顯著高于H0處理,HC處理下最高,HB處理下最高,而且添加黏土礦物的處理HWb、HWa、HWg處理的顯著高于HW處理。

      圖2 各處理菠菜葉綠素相對(duì)量的比較

      表2 各處理菠菜凈光合速率及氣體交換參數(shù)的比較

      2.2 不同處理對(duì)菠菜形態(tài)生長指標(biāo)的影響

      添加不同外源有機(jī)物料和黏土礦物處理的菠菜株高始終優(yōu)于對(duì)照。由圖3(a)可知,隨著時(shí)間的推移至收獲期(2020年1月15日)各處理菠菜的株高都逐漸增大,不同處理間的株高差異顯著,尤其是旺盛生長期(2020年1月5日),單獨(dú)添加外源有機(jī)物料的處理中,HB處理顯著高于其他處理,HW、HC處理高于H0處理,但差異不顯著,HW、HB、HC處理顯著高于HH處理,加入黏土礦物的處理中,HWb處理顯著高于HW處理,HWa處理高于HW處理,但沒有達(dá)到顯著水平。隨著菠菜的生長發(fā)育,不同處理間株高的差異逐漸減小,在收獲期時(shí),HW、HB、HC、HH、HWb、HWa、HWg處理分別比H0處理高12.9%、23.5%、5.9%、7.1%、16.5%、9.4%、10.6%,HWb處理比HW處理提高了3.1%。

      隨著菠菜的生長發(fā)育,所有處理的葉面積迅速增大。由圖3(b)可知,不同處理栽培條件下菠菜的單株葉面積有顯著性差異,在收獲期HWb和HB處理顯著優(yōu)于其他處理,H0處理和HH處理顯著低于其它處理,而HW、HB、HC、HH、HWb、HWa、HWg處理分別比H0處理增加了31.7%、69.5%、40.8%、4.0%、73.9%、40.0%、39.9%,HWb、HWa、HWg處理分別比HW處理增加了32.1%、6.3%、6.2%。

      圖3 各處理菠菜株高和葉面積的比較

      2.3 不同處理對(duì)菠菜生物量的影響

      隨著菠菜生育期的發(fā)展,各處理菠菜生物量均迅速增長。如圖4(a)所示,在間苗期(2019年12月24日)各處理的鮮質(zhì)量均高于H0處理,其中添加黏土礦物的HWb、HWa、HWg處理分別比HW處理高32.7%、34.9%、37.2%,差異達(dá)到顯著水平。在收獲前期(2020年1月10日),HH處理的鮮質(zhì)量與對(duì)照H0處理差異不顯著,其余處理均顯著高于H0處理,其中HB處理地上部鮮質(zhì)量最高,達(dá)到5.7 g/株,HWb處理次之,添加黏土礦物的處理HWb、HWa、HWg處理鮮質(zhì)量均大于HW處理。

      不同處理的菠菜產(chǎn)量有顯著差異,如圖4(b)所示,各處理的鮮質(zhì)量產(chǎn)量表現(xiàn)為HB處理>HWb處理>HWa處理>HWg處理>HW處理>HC處理>HH處理>H0處理,其中在單獨(dú)添加外源有機(jī)物料的處理中,HB處理菠菜鮮質(zhì)量產(chǎn)量與其他處理差異顯著,且比H0處理顯著提高了70.9%,在添加黏土礦物的處理中,HWb、HWa、HWg處理鮮質(zhì)量產(chǎn)量均高于HW處理,且HWb處理比HW處理高22.7%,差異達(dá)到顯著水平。

      圖4 各處理菠菜生物量隨時(shí)間的變化和最終產(chǎn)量的比較

      2.4 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

      菠菜生育期內(nèi)日水分消耗量和對(duì)應(yīng)的土壤質(zhì)量含水率隨時(shí)間變化(圖5),整體來看,菠菜生育期(2019年2月27日—2020年1月14日)內(nèi)日水分消耗量呈逐漸升高的趨勢(shì)。在所有處理中,HB處理日均消耗土壤水分最高,達(dá)到40.1 g/d,HH處理最低,僅為26.5 g/d,這與HB處理較其他處理生長旺盛,水分利用效率高有很大關(guān)系,而添加黏土礦物的HWb處理和HWg處理日水分消耗量平均比HW處理高5.5%和2.3%,HWa處理比HW處理低2.9%。圖5(b)還表明,灌水后土壤質(zhì)量含水率呈逐漸下降的趨勢(shì),各處理質(zhì)量含水率保持在9%~25%之間,2020年1月3日各處理的質(zhì)量含水率最低,其中HW處理達(dá)到9.8%,添加黏土礦物的HWb、HWa、HWg處理的質(zhì)量含水率分別比HW處理高1.0%、2.4%、5.1%。

      添加不同外源有機(jī)物料和黏土礦物對(duì)菠菜收獲期的土壤pH值和電導(dǎo)率值有一定影響(圖6)。由圖6(a)可知,在單獨(dú)添加外源有機(jī)物料的處理中,HW、HB、HC、HH處理土壤pH值比H0處理分別降低了2.0%、0.9%、2.7%、16.8%,其中HH處理pH值僅為6.8,顯著低于其他處理,添加黏土礦物的處理中,HWb處理和HWa處理土壤pH值比HW處理分別降低了1.6%和1.3%,但差異不顯著。由圖6(b)可知,在單獨(dú)添加外源有機(jī)物料的處理中,HW、HB、HC、HH處理土壤電導(dǎo)率比H0處理分別提高了3.9%、2.0%、54.0%、179.7%,其中HH處理土壤電導(dǎo)率值達(dá)到511.18 μS/cm,顯著高于其他處理,HC處理顯著高于除HH處理外的其余處理,而H0、HW、HB處理間未達(dá)到顯著水平,此外,添加黏土礦物的處理之間差異不顯著。

      添加不同外源有機(jī)物料和黏土礦物對(duì)菠菜收獲期的土壤有機(jī)質(zhì)量和全氮量影響顯著(圖7)。由圖7(a)可知,HW、HB、HC、HH、HWb、HWa、HWg處理有機(jī)質(zhì)量分別比H0處理顯著提高了187.2%、236.2%、141.1%、201.4%、283.4%、193.8%、264.4%,在添加黏土礦物的處理中,HWb、HWa、HWg處理收獲期土壤有機(jī)質(zhì)量分別比HW處理提高了33.5%、2.4%和27.0%,且HWa處理和HWg處理與HW處理之間差異顯著。由圖7(b)可以看出,各處理收獲期土壤全氮量均顯著高于H0處理,其中單獨(dú)添加外源有機(jī)物料的處理中,HH處理顯著高于其他處理,在添加黏土礦物的處理中,HWb、HWa、HWg處理收獲期土壤全氮量分別比HW處理高9.7%、6.47%和9.7%,但差異未達(dá)到顯著水平。

      圖5 各處理日水分消耗量和土壤質(zhì)量含水率隨時(shí)間的變化

      圖6 不同處理對(duì)收獲期土壤pH值和電導(dǎo)率的影響

      圖7 不同處理對(duì)收獲期土壤有機(jī)質(zhì)和全氮量的影響

      3 討論

      3.1 不同外源有機(jī)物料對(duì)菠菜生長和土壤理化性質(zhì)的影響

      大量研究表明,外源有機(jī)物料可以通過改變土壤物理、化學(xué)特性進(jìn)而影響農(nóng)作物生長和產(chǎn)量[18-21]。試驗(yàn)結(jié)果顯示,添加木本泥炭、生物炭和褐煤均能顯著提高菠菜葉綠素相對(duì)量和凈光合速率,而添加腐殖酸導(dǎo)致收獲期菠菜葉綠素相對(duì)量和凈光合速率分別降低了5.5%和9.8%,且差異達(dá)到顯著水平(圖2,表2),主要是因?yàn)橥僚嘀刑砑幽颈灸嗵?、生物炭和褐煤在一定程度上?huì)降低土壤體積質(zhì)量,提高土壤孔隙度[9,22],增加土壤有機(jī)質(zhì)與空氣、水分和根系的接觸[23],為微生物生長提供充足的碳源和適宜的棲息微環(huán)境[24],對(duì)菠菜根系養(yǎng)分吸收和葉綠素的合成有一定的促進(jìn)作用。土壤pH值對(duì)植物生長和養(yǎng)分利用具有重要影響[25],腐殖酸降低了菠菜收獲期土壤pH值,提高了土壤電導(dǎo)率(圖6),施入后改變了土壤本身的酸堿性,從而使其對(duì)菠菜生長的提升效果局限于一定范圍之內(nèi),而適宜的土壤環(huán)境是保證菠菜健壯生長的必要條件[16],因此菠菜光合作用不佳。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)四種外源有機(jī)物料均能提高菠菜的株高、葉面積和產(chǎn)量(圖3,圖4)。這可能是因?yàn)槟颈灸嗵扛缓乘岷推渌V物質(zhì)養(yǎng)分,可增加土壤保水保肥性能,促進(jìn)菠菜生長[4,26];褐煤物質(zhì)施入后提高了土壤的生物活性以及離子交換能力[10],為菠菜生長提供了更多的有效養(yǎng)分含量;腐殖酸可以影響土壤中微量元素的有效性,促進(jìn)菠菜養(yǎng)分吸收[11-12]。而對(duì)比發(fā)現(xiàn)添加生物炭的處理菠菜葉面積和產(chǎn)量均顯著高于添加木本泥炭、腐殖酸和褐煤的處理,其中與對(duì)照相比菠菜鮮質(zhì)量提高了70.9%(圖3(b),圖4(b)),表明生物炭對(duì)菠菜生長的提升效果最佳,這可能是由于木本泥炭含有羧基、酚羥基、甲氧基等多種官能團(tuán),導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施入土壤難以被微生物分解[27];褐煤物質(zhì)是泥炭經(jīng)過成巖作用形成的低級(jí)煤炭,相比生物炭較難被植物吸收[10];而生物炭自身含有一定有益元素并且能夠改善土壤理化性狀[28],陳溫福等[29]研究發(fā)現(xiàn),隨著作物生長時(shí)間的延長,生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的促進(jìn)作用表現(xiàn)出一定的累加效應(yīng),而本研究中菠菜生長時(shí)間僅一個(gè)多月,未進(jìn)行連續(xù)栽培,因此,在粗質(zhì)地黃綿土上,生物炭對(duì)菠菜的增產(chǎn)是否存在時(shí)間的累加效應(yīng)還待進(jìn)一步研究。此外,4種外源有機(jī)物料均能顯著提高菠菜收獲期土壤有機(jī)質(zhì)量和全氮量,特別是添加生物炭的處理土壤有機(jī)質(zhì)量和全氮量比對(duì)照分別顯著提高了236.2%和20.7%(圖7),這與前人研究結(jié)果相一致[2,5,10,19,28-30]。但是也有大量研究表明,生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體形成[18]、作物生長[31]和土壤微生物與動(dòng)物區(qū)系多樣性[32]產(chǎn)生不利影響,并且后期由于其結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定,富含各種穩(wěn)定性官能團(tuán)[23],不易被微生物和根系分解利用[31],因此粗質(zhì)地土壤中添加生物炭需要考慮其性質(zhì)上的優(yōu)缺點(diǎn),在未來找尋更加經(jīng)濟(jì)有效的添加物料。

      3.2 不同黏土礦物對(duì)菠菜生長和土壤理化性質(zhì)的影響

      試驗(yàn)研究表明,在粗質(zhì)地黃綿土添加木本泥炭并增施黏土礦物后,菠菜的凈光合速率、葉面積和產(chǎn)量相比單獨(dú)添加木本泥炭均有明顯增長(表2,圖3(b),圖4),一方面是因?yàn)槟颈灸嗵靠梢源龠M(jìn)添加的黏粒相互膠結(jié)而形成團(tuán)聚體,對(duì)粗質(zhì)地土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤有機(jī)質(zhì)的保持起到一定的促進(jìn)作用[23,33-34];另一方面黏土礦物對(duì)粗質(zhì)地土壤養(yǎng)分起螯合作用,提高土壤水分有效性和養(yǎng)分利用率[16,35],從而有利于植物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收利用,促進(jìn)菠菜地上部生長。另外,本研究還發(fā)現(xiàn),木本泥炭中添加2∶1型脹縮性黏土礦物膨潤土對(duì)菠菜株高、葉面積和產(chǎn)量的提升效果優(yōu)于木本泥炭中添加2∶1型非脹縮性黏土礦物伊利石和1∶1型非脹縮性黏土礦物高嶺石,可能是由于膨潤土具有吸水膨脹特性,保水持水性能優(yōu)異,可以有效提高粗質(zhì)地土壤含水率[16,36],從而有利于菠菜地上部的生長發(fā)育,提高產(chǎn)量。本研究同時(shí)也發(fā)現(xiàn),黏土礦物施入土壤具有保肥供肥的作用,木本泥炭中添加的3種黏土礦物均能提高土壤有機(jī)質(zhì)量和全氮量(圖7),主要是因?yàn)轲ね恋V物可與有機(jī)物料形成的腐殖物質(zhì)結(jié)合為有機(jī)無機(jī)復(fù)合體或團(tuán)聚體,土壤黏粒等膠結(jié)物質(zhì)將有機(jī)質(zhì)包裹在團(tuán)聚體中,具有隔離微生物的作用,減少了與空氣接觸,降低了分解者的分解速率,同時(shí)增加了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,從而有利于土壤結(jié)構(gòu)的維持和有機(jī)質(zhì)的保持[17,37],所以黏土礦物的存在能增加粗質(zhì)地土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性,提高土壤有機(jī)質(zhì)累積量[38-39]。當(dāng)土壤中有新鮮外源有機(jī)物料加入時(shí),會(huì)促進(jìn)土壤原有機(jī)質(zhì)的分解[13],而添加黏土礦物會(huì)激發(fā)土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)機(jī)制[13,15,37],減緩粗質(zhì)地土壤肥力流失,。不同種類的黏土礦物,其比表面積和陽離子交換量不同,故而對(duì)有機(jī)物料的膠結(jié)與穩(wěn)定能力也不同[36],膨潤土由于獨(dú)特的2∶1型網(wǎng)架狀晶體結(jié)構(gòu),因而具有吸附性、黏著性和陽離子交換性等優(yōu)良理化性質(zhì)[16,36],能對(duì)結(jié)構(gòu)較差的粗質(zhì)地土壤養(yǎng)分起到截留和束縛作用[16,38],并且膨潤土具有較大的比表面積、負(fù)電荷和陽離子交換量[37,40],有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[38],所以維持粗質(zhì)地土壤有機(jī)質(zhì)量的作用優(yōu)于伊利石和高嶺石。本研究結(jié)果也表明添加膨潤土比單施木本泥炭土壤有機(jī)質(zhì)量顯著提高了33.5%,說明膨潤土可有效減少粗質(zhì)地土壤外源有機(jī)物料的損失,降低分解速率,增加有機(jī)物料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)量的貢獻(xiàn)率,對(duì)粗質(zhì)地土壤肥力提升效果最顯著。綜上所述,粗質(zhì)地土壤中補(bǔ)充黏粒能夠?qū)ν寥烙袡C(jī)質(zhì)起到物理保護(hù)作用,是黃綿土土壤快速培肥的有效途徑,因此,在未來開展粗質(zhì)地土壤添加有機(jī)物料改良時(shí),應(yīng)該配合使用黏土礦物,以期達(dá)到減少土壤有機(jī)質(zhì)流失,促進(jìn)作物生長的最佳效果。

      本研究雖然通過盆栽試驗(yàn)對(duì)比了不同外源有機(jī)物料和黏土礦物對(duì)菠菜生長、產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響,并發(fā)現(xiàn)添加生物炭、木本泥炭中添加2∶1型脹縮性黏土礦物膨潤土對(duì)粗質(zhì)地土壤肥力提升效果最好,但是機(jī)理尚未十分明確,特別是本試驗(yàn)盆栽體積較小以及栽培時(shí)間較短,而土壤改良是一個(gè)漫長的過程。因此,應(yīng)在日后進(jìn)行大田試驗(yàn)的驗(yàn)證,為進(jìn)一步明確不同外源有機(jī)物料和黏土礦物對(duì)植物生長、土壤肥力的影響提供試驗(yàn)依據(jù),也為在利用外源有機(jī)物料和黏土礦物改良粗質(zhì)地土壤時(shí)提供科學(xué)依據(jù),減少肥料使用量,提高作物產(chǎn)量,改善土壤肥力水平。

      4 結(jié)論

      添加外源有機(jī)物料提升了粗質(zhì)地土壤的肥力并促進(jìn)了菠菜的生長發(fā)育,其中添加生物炭是單施有機(jī)物料組中的最佳處理。在添加外源有機(jī)物料的情況下補(bǔ)充黏粒是粗質(zhì)地土壤地力提升的有效措施之一,其中添加木本泥炭后補(bǔ)充2∶1型脹縮性黏土礦物(膨潤土)效果最佳。

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      [40] GERARD F. Clay minerals, iron/aluminum oxides, and their contribution to phosphate sorption in soils—A myth revisited[J]. Geoderma, 2016, 262: 213-226.

      Amending Soil with Organic Materials and Clay Minerals to Improve Its Physicochemical Properties and Spinach Growth

      LIU Meng1,2, FAN Jun1,3*, FU Wei1,2, LUO Ruihua1,2, GOU Guohua1,2, NIU Yuhua4

      (1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 2.College of Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China; 4. College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

      Increasing and stabilizing carbon in coarse-textured soils is important to improve their stability and fertility. The purpose of this paper is to investigate how soil amendment with organic materials and clay minerals can achieve these goals.We took spinach as a model crop, and compared eight treatments by amending the soil with woody peat (HW), biochar (HB), lignite (HC), humic acid (HH), woody peat + bentonite (HWb), woody peat + illite (HWa) and woody peat + kaolinite (HWg), respectively. Not amending the soil was taken as the control (H0). In each treatment, we measured crop growth as well as the changes in soil physical and chemical properties.Compared with H0, HW, HB, HC and HH improved the growth and yield of the spinach, as well as physical and chemical properties of the soil. In particular, HB increased the net photosynthetic rate, plant height and leaf of the spinach during the harvest period by 21.5%, 23.5%, 69.5% and 70.9%, respectively, and soil organic matter and total nitrogen content by 236.2% and 20.7%, respectively, compared to H0. In comparison, HH reduced soil pH by 16.8% and increased crop yield by 4.7% during the harvest period, compared to H0. Combined with clay mineral amendment, HWb, HWa and HWg increased crop yield by 22.7%, 9.0%, and 9.0%, respectively, and soil organic matter by 33.5%, 2.4%, and 27.0%, respectively, compared with HW without clay mineral amendment.Amending the soil with organic materials alone, biochar was most effective in improving soil fertility and crop yield. For combined amendment with organic materials and clay minerals, amending the soil with woody peat and swelling and shrinking clay mineral bentonite at 2:1 ratio worked best for boosting crop growth while in the meantime improving soil fertility.

      soil amendment; biochar, woody peat; bentonite; coarse-textured soil; spinach

      S156

      A

      10.13522/j.cnki.ggps.2021567

      劉萌, 樊軍, 付威, 等. 添加外源有機(jī)物料和黏土礦物對(duì)菠菜生長及土壤理化性質(zhì)的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(6): 21-30.

      LIU Meng, FAN Jun, FU Wei, et al. Amending Soil with Organic Materials and Clay Minerals to Improve Its Physicochemical Properties and Spinach Growth[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(6): 21-30.

      1672 - 3317(2022)06 - 0021 – 10

      2021-11-18

      國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2021YFC1808902);陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020NY-158)

      劉萌(1995-),男。碩士研究生,主要從事土壤水分養(yǎng)分高效利用研究。E-mail:mengl2019@163.com

      樊軍(1974-),男。研究員,主要從事生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)研究。E-mail:fanjun@ms.iswc.ac.cn

      責(zé)任編輯:趙宇龍

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