多年来,随着生态环境的恶化和人民环境保护意识的提高,土地资源的紧缺引起了人们的密切关注,研究学者也越来越关注土壤退化问题。日光温室大棚种植和管护技术的推广与发展,是缓解土地问题的一种途径。相比于露天土地,大棚土壤结构更容易受到破坏,出现养分流失和土壤盐分累积,土壤结构愈加脆弱。为了削减土壤退化造成的经济损失,农民通常将大棚外的优质、肥沃土壤替换大棚内的退化土壤。通常购买、替换这些退化土壤需要投入较大的经济和人工成本,不能从根本上治疗大棚土壤“疾病”。因此大棚土壤的改良方法引起了相关学者的广泛关注。

土壤的水、肥、气、热状况与土壤结构密切相关,土壤团聚体又是土壤结构的基本组成部分。生物炭表面大小不一的孔隙赋予了生物炭较大的比表面积和吸附微小物质的能力,为改良土壤性质和结构提供了可能。生物炭改变土壤物理和化学性质,调节土壤孔隙数量和比例,改变土壤粒径组成,影响土壤碳库循环和微生物活动,改变土壤团聚体粒径大小和组成[1,2]。生物炭在土壤中经历复杂的过程后才影响大棚土壤团聚体结构。生物炭改变土壤微生物群落结构,影响微生物的繁殖过程,增加土壤胶结物质。胶结物质可以促进团聚体的形成,土壤胶结物质又和微生物活动密切相关。目前,生物炭对改良土壤团聚体结构的作用还存在一定争议[3]。因生物炭的原材料、制作方式相差巨大,不同类型生物炭的性质也具有较大差异[4]。并且,各地土壤的种类、性质相差各异。这也是生物炭对团聚体改良作用存在争议的原因。

土壤团聚体结构影响土壤的保肥能力,钾肥是三大土壤肥料之一。我国的钾肥使用现状堪忧,各地钾肥施用量相差极大。在某些地区,人们不注重钾肥的使用,钾肥施用量偏少,导致土壤严重缺钾[5]。随着耕作年限的增加,土壤养分的流失,人们为了提高作物产量,要在土地中施入大量钾肥[6]。虽然钾肥使用量不断增加,但是我国钾盐的数量却极少,还不到全球总储量的3%,远远小于俄罗斯、加拿大等国家[7]。因此人们迫切需要发现一种可再生物质代替钾肥。生物炭具有替代钾肥的潜力。生物炭表面具有大量的钾元素,有补充土壤钾素的能力。日常生活时,人类会不断地制造垃圾废料,须采取措施来弥补废弃物对环境造成的生态破坏。但是,生活废弃物可以作为生物炭的原始材料来加以利用,变废为宝。为研究生物炭施用量对土壤团聚体粒径组成和土壤钾素含量转化,本试验在日光大棚开展盆栽试验,确定生物炭在陕西杨凌示范区的推荐使用量。

1、材料与方法

1.1试验区概况

试验设置于陕西省杨凌高新技术示范区寨西村(108.02°E,34.17°N)的日光大棚内。月降水量3.6～140mm,相对湿度59%,月均气温2.7～30.5℃,气压96.91kPa,日照时数34.3～290.9h。

1.2试验设置

果木生物炭购于陕西亿鑫能源科技有限公司,比表面积为87.1m2/g,是果树枝干在高温下裂解8h制成。在土壤中添加5个梯度的生物炭施用量分别为90、70、50、30、10t/hm2,记做T90、T70、T50、T30、T10(即分别将29.08、22.62、16.16、9.69和3.21g生物炭添加到1kg土壤样品中)。对照试验是不添加生物炭处理,计为T0。不同生物炭添加量各设置4个重复处理。为了保持试验光照、湿度等因素相同,在日光温室大棚中开展试验。试验用土取于日光大棚内,充分搅拌均匀,过筛后备用。土壤有机质本底值为16.48g/kg。生物炭与供试土壤的粒径分布和化学性质见表1。

表1生物炭与供试土壤的粒径分布和化学性质

将生物炭、试验用土人工混合均匀后装入体积为0.02m3的圆桶中,装填20cm。试验作物采用生菜,每桶放入30颗生菜种子,定植时拔掉24棵,于2018年5月24日开始试验,2018年7月22日结束试验,历时60d。每15d取土样一次,共取4次。经过数据预处理发现采样时间对土壤团聚体影响的差异较小,不考虑时间对团粒稳定性的影响。

1.3测定方法

1.3.1土壤团聚体测定方法

参照《土壤理化分析》[8],采用人工筛分方法测定土壤团聚体结构组成,分别用干筛法和湿筛法分析土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体。干筛法:将土样人工掰为1～1.2cm大小,置于阴凉处风干后,用自下而上粒径分别为0.025、0.05、0.1、0.3、0.5、0.7、1cm的筛网分级。湿筛法:按各级机械稳定性团聚体比例配成50g待测土样。为了防止细小土粒阻塞筛孔,剔除土样中粒径<0.25mm土粒。把所配土样置于沉降筒中,用水湿润直至土样达到饱和。10min后,沿沉降筒壁灌入水,筒口用橡皮塞塞紧,将沉降筒上下颠倒10次。把混合样倒入自下而上粒径分别为0.025、0.05、0.1、0.2、0.3、0.5cm的筛网,将筛网置于水中,缓慢提升一段距离后迅速下落,重复10次,取出粒径为0.5、0.3、0.2cm的筛网。以洗净附着在水稳性团聚体表面的颗粒,剩余三个筛子重复筛分三次方可取出。将各粒径筛网上的团聚体收集至铝盒,烘干,称重。

衡量团聚体稳定性的指标有平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、团聚体破坏率(PAD)等。MWD是将各级团聚体质量加权平均。GMD基于土壤团粒对数-正态分布,是一半土壤团聚体通过筛网时的直径。PAD表征团聚体在水力破坏下的分散程度,PAD越大,土壤团粒结构性越破碎。PAD、GMD、MWD,计算方式如下:

GMD=exp∑(WilogR¯i/Ws)         (1)

PAD=D>0.25mm−W>0.25mmD>0.25mm×100%         (2)

MWD=∑(R¯iWi)Ws         (3)

式中:Wi为某粒径范围内水稳性团聚体质量,g;Ws为待测土样的质量,g;R¯¯¯i为某粒径范围内团聚体平均直径,mm;W>0.25mm为粒径大于0.25mm水稳性团聚体含量,mg/kg;D>0.25mm为粒径大于0.25mm机械稳定性团聚体含量,mg/kg。

1.3.2土壤钾素测定方法

土壤钾离子均采用火焰光度计测定,具体方法参考《土壤农化分析》[9]:

水溶性钾离子采用土水比为1∶5浸提,取过1mm筛网土样10.0g于锥形瓶中,加入50mL蒸馏水,震荡3min后过滤。取20mL滤液和1ml硫酸铝于50ml容量瓶中,定容,取样后,备用。

速效钾和交换性钾离子都采用中性乙酸铵溶液浸提,速效钾采用振荡法,交换性钾离子采用离心法。交换性钾离子测定:取过2mm筛网土样1.0g于离心管中,加30mL中性乙酸铵溶液,将离心管置于离心机中离心4min,共离心5次,将上层清液用乙酸铵溶液定容至50mL。

速效钾测定方法:在试管中加入自然风干土样2.50g,再倒入50mL中性乙酸铵溶液,在震荡机上震荡、过滤。取样后,备用。

有效钾离子采用冷稀硝酸浸提。在试管中加入风干土样2.500g,取50mL冷的2mol/L硝酸于试管中,在震荡机上震荡后,立刻用定量滤纸过滤。

1.4数据处理

方差分析采用Duncan方差统计,用WPS软件制作数据表、图。

2、数据分析

2.1生物炭施用量对土壤团聚体结构的影响

2.1.1生物炭施用量对土壤机械稳定性团聚体结构的影响

大团聚体为粒径大于0.25mm的团聚体。表2为不同生物炭添加量对土壤机械稳定性团聚体的影响。添加生物炭后,土壤大团聚体数量升高。土壤粒径0.5～0.25、5～3、7～5mm粒径团聚体含量明显发生变化(P<0.05)。随着土壤中生物炭施用量减少,土壤最大粒径机械稳定性团聚体呈现出先增加后降低趋势。当生物炭施用量大于等于50t/hm2时,最大粒径机械稳定性团粒含量降低;施用10或30t/hm2生物炭时,粒径大于10mm机械稳定性团聚体含量较对照试验增多。当生物炭使用量较大时,5～3mm粒径机械稳定性团粒含量升高,其中50t/hm2生物炭处理含量为9.08%,增幅最大。生物炭提高土壤3～1mm粒径机械稳定性团聚体含量,其中70t/hm2生物炭使用量处理的含量为12.46%,增加最少;50t/hm2生物炭施用量含量最多,为13.06%。在土壤中添加生物炭后,粒径为1～0.5mm土壤机械稳定性团聚体含量上升,施用70t/hm2生物炭含量最高,为17.57%;施用10t/hm2生物炭含量为14.37%,增幅最小。随着生物炭施用量的减少,粒径为0.5～0.25mm机械稳定性团聚体含量先减小后上升,其中,T90处理含量最高,为15.22%;T10处理含量最少,为11.78%。

表2生物炭施用量对土壤大团聚体结构的影响

粒径小于0.25mm的机械稳定性团聚体是机械稳定性微团聚体,粒径大于0.25mm的团聚体是机械稳定性大团聚体。图1为在土壤中施用生物炭后,机械稳定性大团聚体、微团聚体的含量变化。生物炭显著影响土壤机械稳定性团聚体含量(P<0.05)。施用生物炭后,机械稳定性微团聚体含量显著下降,施用30t/hm2生物炭机械稳定性微团聚体含量最少,为2.35%。施用生物炭后,土壤机械稳定性大团聚含量显著增加(P<0.05),其中T30处理含量最高,为97.65%。

图1生物炭施用量对土壤机械稳定性微团聚体和大团聚体的改变作用

2.1.2生物炭对土壤水稳性团聚体含量的影响

0.5～0.25、1～0.5mm粒径水稳性团聚体含量受生物炭添加量影响显著(P<0.05)。使用生物炭后,土壤5～3mm粒径水稳性团聚体含量下降,其中T10处理含量为0.28%,减少幅度最大;T90处理含量为0.62%,减少幅度最小。随着生物炭施用量的下降,土壤中2～1mm水稳性团聚体比例表现为先减小后增加趋势,T10处理含量最少,为1.18%;T90处理含量最高,为1.39%。随着在土壤中施用的生物炭量减少,土壤1～0.5mm粒径水稳性团聚体数量表现出先下降后升高趋势,T10处理含量最少,为2.99%,T90处理含量最高,为4.17%。施用生物炭后,土壤0.5～0.25mm粒径团聚体含量具有下降的趋势,实验结果见表3。

表3生物炭对土壤水稳性团聚体的影响

表4是生物炭施用量对土壤结构稳定程度的影响。生物炭对土壤结构的稳定程度未见显著影响。但是,施用生物炭减小团聚体几何平均直径,其中施用50t/hm2生物炭团聚体几何平均直径降幅最小;施用90t/hm2生物炭几何平均直径降低幅度最大。

表4生物炭对土壤稳定性指标的影响

2.2生物炭对土壤钾含量的影响

2.2.1生物炭对土壤水溶性钾离子的影响

图2为生物炭对土壤水溶性钾离子的增加作用。施用生物炭后,土壤水溶性钾离子含量显著上升(P<0.05),并且生物炭施用量越多,土壤水溶性钾离子含量越高。第15d,施用生物炭后,土壤水溶性钾离子含量为68.74、151.53、197.92、269.47、396.73mg/kg,第30d,与未添加生物炭相比,添加生物炭后,土壤中的水溶性钾离子含量较对照试验分别增加18.42%、100.93%、136.70%、236.11%、476.24%;第45d,较对照试验分别增加170.20%、571.77%、618.99%、976.79%、1531.54%;第60d,土壤中的水溶性钾离子较对照试验分别增加60.80%、169.40%、229.75%、405.38%、504.13%。在土壤中施用的生物炭越多,土壤水溶性钾离子含量越高。

图2生物炭施用量改变土壤水溶性钾离子含量

2.2.2生物炭对土壤交换性钾离子含量的影响

交换性钾离子是土壤交换性阳离子的一种,是土壤胶体可以吸附的钾离子的总量。图3是施用生物炭改变土壤中交换性钾离子含量。在土壤中使用生物炭明显改变土壤交换性钾离子含量(P<0.05)。第15天,不同生物炭处理,土壤速效钾含量分别增加12.20%、52.36%、72.92%、138.79%、191.08%。施用生物炭后,第30d土壤的交换性钾离子含量分别为476.33～1303.46mg/kg;第45d分别为432.35～1359.29mg/kg。第60d,施用生物炭后,土壤交换性钾离子分别增加了16.66%、69.69%、105.95%、166.23%、228.03%。土壤交换性钾离子含量随着生物炭施用量的增加而增加。

图3生物炭施用量对土壤交换性钾离子含量的影响

2.2.3生物炭对土壤速效钾离子含量的影响

速效钾指植物容易吸收利用的土壤中的钾素。图4是生物炭施用量对土壤速效钾离子含量的影响。施用生物炭后,土壤速效钾离子含量显著改变(P<0.05)。施用生物炭后,土壤速效钾离子含量明显提高。与对照试验相比,添加70t/hm2生物炭后,土壤速效钾离子含量是对照试验的2.29～2.53倍;施用90t/hm2生物炭后,速效钾离子含量是对照的2.67～3.15倍。

图4生物炭改变土壤速效钾离子含量

2.2.4生物炭对土壤有效钾离子含量的影响

图5为施用生物炭对土壤中有效钾离子的影响。施用生物炭后,土壤有效钾离子含量显著改变(P<0.05)。当生物炭施用量大于10t/hm2时,土壤有效钾离子含量显著升高,并且生物炭施用量越大,有效钾离子含量越高。施用后生物炭后,第15d,土壤有效钾离子是对照试验的1.03～2.49倍。其中,施用90t/hm2生物炭,增加量最少,增加了3.43%,施用10t/hm2生物炭,增加量最多,是未添加生物炭处理的2.49倍。第30d,土壤有效钾离子含量分别为795.85、790.40、1117.98、1281.78、1627.62、1948.14mg/kg,第45d土壤有效钾离子含量分别为791.74、782.77、1096.62、1297.03、1646.66、1938.84mg/kg,第60d增幅分别为6.56%、49.84%、79.96%、130.07%、169.46%。不同取土时间下,均是T90处理增幅最大。

图5生物炭改变土壤有效钾离子含量

2.2.5生物炭对土壤钾离子含量的指数关系

生物炭施用量以指数关系改变土壤钾素含量见表5。

通过软件拟合,土壤钾离子含量与土壤生物炭施用量显著相关(P<0.01),且遵循的指数相关关系。表5为不同取土时间时生物炭施用量与土壤钾素的指数相关关系拟合结果。土壤钾素含量与生物炭施用量之间不表现出线性关系,而是指数相关。随着生物炭施用量的升高,土壤钾素增幅变快,斜率变陡。当施用较少生物炭时,土壤钾素含量增加,但是增加幅度较小,斜率较缓;当施用较多生物炭时,土壤钾素含量上升较快。

表5生物炭施用量以指数关系改变土壤钾素含量

2.3生物炭对生菜产量的影响

图6为不同生物炭施用量对生菜产量的影响。不同生物炭添加量处理,生菜的单株质量分别增加7.05%、22.01%、37.52%、42.74%、47.42%、47.42%,生物炭显著增加生菜产量(P<0.05)。T90处理植株鲜重最大,为6.93g;对照处理植株鲜重最小,为4.70g。

图6生物炭增加生菜单株产量

3、讨论

生物炭具有改良土壤团粒结构的作用。施用生物炭后,土壤微生物代谢活动发生变化。微生物分泌的菌丝促使土壤微小颗粒抱团为土壤大颗粒物。生物炭提高土壤中水稳性大团聚体比例,生物炭改变土壤孔隙结构,影响土壤基本物理性质,促进水稳性大团聚体形成。

施用生物炭后,土壤水溶性钾离子含量增加显著,原因是生物炭调节土壤孔隙比例,也可能是生物炭表面通常含有较多的水溶性和不可溶性钾离子。生物炭还可以通过物理作用和化学作用吸附土壤中的钾离子[10]10]。施用生物炭后,土壤速效钾离子含量迅速上升,可能原因是,本次试验采用的生物炭原料为果木枝干,生物炭自身携带与植物生长密切相关的营养物质,表面含有一定数量的钾素。也可能是施加生物炭后,改变土壤水分运移,土壤含水量和土壤速效钾含量息息相关。生物炭显著影响盆栽试验中的交换性钾离子比例。当在土壤中添加较少生物炭,土壤交换性钾离子之间的差异很小;施用越多生物炭,土壤交换性钾离子越高。可能是低量生物炭很难改变土壤物理结构,因而少量生物炭未见明显改变土壤钾素比例。还可能是土壤温度因生物炭施用量不同而改变。交换性钾离子含量受土壤温度影响,温度影响盐土矿物对土壤中钾离子的吸附和固定[11]11]。施用生物炭后,土壤有效钾离子比例增加显著,或许是土壤酸碱度受生物炭施用量影响,加快土壤钾素转化速率;也或许是生物炭提高土壤湿度,活化土壤中的非交换性钾。把生物炭施入土壤后,钾素表现出指数级爆炸性增加,表明施用生物炭越多,土壤钾离子增量越高。土壤水溶性钾、速效钾、有效钾、交换性钾含量对生物炭的响应相似,均为生物炭添加量较低时差异不大,生物炭施用量越多,土壤钾素增幅越快。

施用生物炭后,作物产量提高,可能和生物炭改变土壤容重、含水量、孔隙度等因素有关。殷晓燕认为,土壤理化性质因施加生物炭而改变,这就使土壤有害物质活性下降,促进洋葱增量,提高经济效益[12]12]。邵光成研究发现,生物炭改变土壤的通气状况,进而增加番茄产量[13]13]。

钾肥是土壤三大肥料之一,土壤钾素含量影响作物生长。生物炭对作物产量的影响也和本文生得出生物炭对土壤钾素的影响结果一致,均是在土壤钾素含量高时,作物产量大。杨彩迪研究发现,生物炭可以改变土壤酸碱性,增加土壤交换性钾离子含量,显著提高油菜等作物产量[14]14]。柳开楼通过盆栽试验研究发现,生物炭显著提高土壤速效钾含量,显著提高烟叶品质和产量[15]15]。

4、结语

(1)生物炭具有改变土壤机械稳定性团聚体组成的作用,土壤7～5、5～3、0.5～0.25mm粒径机械稳定性团聚体含量变化显著。施用生物炭后,机械稳定性团聚体稳定程度提高。施用生物炭于土壤中,显著降低土壤机械稳定性微团聚体比例,土壤机械稳定性大团聚体比例显著增加。施用生物炭显著改变土壤0.5～0.25、1～0.5mm粒径水稳性团聚体含量。添加生物炭后,土壤水稳性团聚体稳定性未发生明显改变。

(2)生物炭施用量和土壤钾素表现出指数回归关系。

(3)添加生物炭后,生菜产量显著升高,植株鲜重增加0.33～2.23g。并且生物炭施用量和作物产量呈正相关关系。考虑到生物炭的制作成本,在陕西杨凌地区,推荐施用30或50t/hm2生物炭。

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基金:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0400202);国家自然科学基金项目(51679205).