肖 婧,王傳杰,黃 敏,孫 楠,張文菊*,徐明崗
(1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081;2 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢 430070)
設(shè)施栽培在蔬菜和花果等的反季節(jié)、跨區(qū)域種植中發(fā)揮著重要作用[1],到2012年我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已占世界總面積的85.0%以上,且設(shè)施栽培的產(chǎn)量是露天種植的3.5倍[2]。隨著人們對生活品質(zhì)的要求不斷提高,綠色蔬菜花果的供應(yīng)需求不斷增大,如何保障設(shè)施大棚的平穩(wěn)增產(chǎn)顯得尤為重要。
設(shè)施大棚作為一種特殊的農(nóng)業(yè)旱地生態(tài)系統(tǒng),具有氣溫高、濕度大、灌溉頻率高、復(fù)種指數(shù)高和施肥量大等特點[3]。盡管通過設(shè)施栽培可獲得較高的果蔬產(chǎn)量和經(jīng)濟效益,但由于設(shè)施環(huán)境的封閉性以及農(nóng)戶為追求高產(chǎn)而采取不當(dāng)管理措施 (如過量投入化肥,施用雞糞、豬糞等未經(jīng)過熟化處理的有機肥等) 導(dǎo)致的土壤酸化、鹽漬化、養(yǎng)分失衡及土壤板結(jié)等問題突出[4-5],使得設(shè)施土壤難以持續(xù)耕作,作物出現(xiàn)生理性干旱、死苗率上升和產(chǎn)量下降等一系列問題[6]。
生物質(zhì)炭 (biochar) 是生物質(zhì)在缺氧條件下通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化得到的固體產(chǎn)物,它可以單獨或者作為添加劑使用,能夠改良土壤、提高資源利用效率、改善或者避免特定的環(huán)境污染[7]。2013年4月18日,全球著名的專業(yè)信息提供商Thomson Reuters旗下知識產(chǎn)權(quán)與科技事業(yè)部發(fā)布《2013年研究前沿:自然科學(xué)與社會科學(xué)的100個學(xué)科領(lǐng)域》中,“生物質(zhì)炭施用技術(shù)及其效應(yīng)” (biochar amendment techniques effects) 被列為十大領(lǐng)先研究領(lǐng)域中的100大重要研究前沿之一。至今,已有大量研究表明生物質(zhì)炭施入土壤后不僅可以增強土壤固碳效果[8-9],還可有效改善土壤理化性狀與結(jié)構(gòu)[10],提高土壤質(zhì)量和肥力、提升作物產(chǎn)量[11-12]。以往生物質(zhì)炭的研究側(cè)重于投入農(nóng)田后的增產(chǎn)減排效果[13-15],本研究收集了國內(nèi)外有關(guān)設(shè)施大棚生物質(zhì)炭施用的研究數(shù)據(jù),利用整合分析 (Meta-analysis) 方法,量化和評估了生物質(zhì)炭對設(shè)施大棚土壤性質(zhì)和果蔬產(chǎn)量的作用效果及其影響程度,旨在為設(shè)施大棚的綠色生產(chǎn)與生物質(zhì)炭應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
本研究收集的數(shù)據(jù)來自中國知網(wǎng)和Web of Science文獻數(shù)據(jù)庫。檢索主要關(guān)鍵詞:“生物質(zhì)炭(biochar)”、“土壤性質(zhì) (soil properties)”、“產(chǎn)量(yield)”和“設(shè)施大棚 (greenhouse facilities)”等,篩選2007—2015年符合以下基本要求的文獻:1) 設(shè)施大棚試驗,排除田間試驗、露天盆栽試驗等;2) 試驗處理組必須為施用生物質(zhì)炭,對照組為不施用生物質(zhì)炭,且處理組和對照組除生物質(zhì)炭外,其他試驗條件嚴格一致;3) 試驗處理重復(fù)數(shù)必須大于或等于3[16]。最終得到214組有效匹配數(shù)據(jù)。
對收集到的獨立試驗數(shù)據(jù),按照施用生物質(zhì)炭(試驗組) 與不施用生物質(zhì)炭 (對照組) 處理,提取每篇文獻中各個指標(biāo)的平均值 (試驗和對照組)、標(biāo)準(zhǔn)差 (sB和sC) 和樣本數(shù) (NB和NC),通過圖展示的文獻,利用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件獲取數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)收集指標(biāo)包括生物質(zhì)炭施用量,生物質(zhì)炭特性 (制備原料、制備溫度、生物質(zhì)炭pH值、C/N比等),土壤理化性質(zhì) (有機碳、全氮含量,有效態(tài)氮、磷,pH值等),作物產(chǎn)量等。由于設(shè)施栽培規(guī)模不一致,生物質(zhì)炭施用比例表示方法包括采用質(zhì)量百分比 (%) 和質(zhì)量/土壤面積 (如t/hm2) 兩種形式。在本研究整合分析中將生物質(zhì)炭施用比例統(tǒng)一為質(zhì)量/土壤面積 (t/hm2)。如果是室內(nèi)盆栽試驗,以每畝耕層土壤重30萬斤來進行單位換算[17],以便統(tǒng)一產(chǎn)量單位 (t/hm2)。如果沒有相關(guān)說明則將土層厚度設(shè)定為一般耕作層厚度20 cm[18]。對于土壤pH,如果試驗中pH是采用CaCl2溶液法,那么使用公式轉(zhuǎn)換,即pH (H2O) = 1.65 + 0.86 pH (CaCl2)[18]。根據(jù)文獻,將生物質(zhì)炭原材料大致分為畜禽糞便類 (豬糞、牛糞、羊糞等),秸稈類 (花生秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈、高粱秸稈和油菜秸稈等),木材類 (樹皮、木片、剪枝、樹干和樹枝等) 以及殼渣類 (堅果殼、燕麥殼、核桃殼、花生殼和甘蔗渣等) 等4種類型進行整合分析。關(guān)于生物質(zhì)炭制備溫度,如果文獻給出的是溫度區(qū)間,則取其平均值,并將生物質(zhì)炭熱解溫度劃分為4個區(qū)間:低溫 (≤ 400℃)、中溫(401~500℃)、中高溫 (501~600℃)、高溫 (≥600℃)。生物質(zhì)炭碳氮含量比值 (C/N值) 劃分為5個水平:< 20、20~50、50~100、100~300、≥ 300。生物質(zhì)炭 pH 分為 ≤ 7、7~8、8~9、9~10 和 ≥ 105個水平。生物質(zhì)炭施用量分為4個水平:< 10.0、10.0~40.0、40.0~80.0、≥ 80.0 t/hm2。生物質(zhì)炭施用時間按月分為4個水平:< 3、3.0~6.0、6.0~12.0 和 ≥ 12.0。
整合分析方法適用于對照試驗的綜合研究,目的是判斷試驗處理對試驗對象產(chǎn)生正效應(yīng)或負效應(yīng)、效應(yīng)大小、同一主題下不同獨立試驗的結(jié)果是否一致及變異程度等問題[19]。參照Gurevitch等[20]的方法對文獻中有關(guān)生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量的影響結(jié)果進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。試驗中的產(chǎn)量值采用自然對數(shù)的反應(yīng)比 (response ratio,RR) 作為效應(yīng)量:
式中:sB和sC分別為試驗組和對照組的標(biāo)準(zhǔn)差;NB和NC分別為試驗組和對照組的樣本數(shù)。
效應(yīng)量的變異系數(shù)用各組處理的標(biāo)準(zhǔn)偏差和試驗重復(fù)數(shù)來計算。效應(yīng)量的權(quán)重采用變異系數(shù)的倒數(shù)表示[21],最終獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)通過MetaWin 2.1軟件進行處理。處理前,納入的各研究結(jié)果須進行異質(zhì)性檢驗,若P > 0.1,表明多個研究具有同質(zhì)性,此時選擇固定效應(yīng)模型進行分析 (fixed effect model,F(xiàn)EM);若P ≤ 0.1,則多個研究不具有同質(zhì)性,此時選擇隨機效應(yīng)模型 (random effect model,REM)。效應(yīng)量的標(biāo)準(zhǔn)差越小,分配的權(quán)重越大,權(quán)重響應(yīng)比 (weighted response ratio,RR++) 即處理相對于對照增減的百分數(shù)及其95%的置信區(qū)間 (95% CI) 通過(- 1) × 100%來轉(zhuǎn)化。如果95% CI包含零值表明該變量中處理與對照沒有顯著差異 (P > 0.05)[22]。
如圖1所示,本研究所收集數(shù)據(jù)中,設(shè)施大棚果蔬產(chǎn)量和土壤pH值均符合正態(tài)分布 (圖1,P <0.01)。圖2分析表明,施用生物質(zhì)炭后,土壤有機碳 (SOC)、全氮 (TN)、全磷 (TP)、有效磷 (Olsen-P)和陽離子交換量 (CEC) 分別提高140.9%、66.8%、103.1%、80.7%和18.4%。土壤銨態(tài)氮 (NH4+-N) 的含量有所降低,對硝態(tài)氮 (NO3--N) 的影響并不顯著(P > 0.05)。
生物質(zhì)炭的施用量對設(shè)施土壤pH提升程度存在差異。如圖3所示,當(dāng)生物質(zhì)炭施用量低于10.0 t/hm2時,對設(shè)施土壤pH影響不顯著,超過10.0 t/hm2時,設(shè)施土壤pH值均顯著提高,且pH值增幅隨著施用量的提高而增加。低于80.0 t/hm2時,土壤pH值提高3.3%~3.7%;超過80.0 t/hm2時可提高6.5%。生物質(zhì)炭的施用時間對設(shè)施土壤pH值也有一定的影響。少于3個月時,土壤pH可顯著提高3.2%,3~6個月時,提升幅度最顯著,高達15.3%,是少于3個月效果的4.8倍。施用生物質(zhì)炭6~12個月時,對土壤pH的提升效果相比前6個月有所降低。
整合分析結(jié)果表明,施用生物質(zhì)炭能顯著提升設(shè)施大棚內(nèi)各類果蔬的產(chǎn)量 (圖4),可增產(chǎn)糧食作物8.8%,觀賞草類13.6%,對葉菜類、塊莖類和果菜類等的增產(chǎn)效果更為明顯,分別為23.9%、43.3%和60.6%,對于豆類 (主要包括豌豆和湯用豆類等)增產(chǎn)高達79.5%。
生物質(zhì)炭施用量對大棚果蔬的增產(chǎn)效果存在差
異 (圖4)。當(dāng)生物質(zhì)炭的施用量低于10.0 t/hm2時,大棚果蔬平均增產(chǎn)30.8%,施用量為10.0~40.0 t/hm2時,增產(chǎn)幅度降至14.0%,當(dāng)施用量超過40.0 t/hm2后,增產(chǎn)幅度有所提升,但與低施用量無顯著差異。
圖1 設(shè)施大棚果蔬產(chǎn)量 (a) 及土壤pH值 (b) 的樣本分布頻率Fig. 1 Data distribution of fruit and vegetables’ yields (a) and soil pH (b) in greenhouse
圖2 施用生物質(zhì)炭對設(shè)施土壤性質(zhì)的影響Fig. 2 Effects of biochar characteristics on soils properties in greenhouse
圖3 施用生物質(zhì)炭對設(shè)施大棚土壤pH值的影響Fig. 3 Effect of biochar application on soil pH in greenhouse
由圖4可知,生物質(zhì)炭對大棚設(shè)施果蔬的增產(chǎn)作用有一定的時間效應(yīng)。施用生物質(zhì)炭3個月顯著增產(chǎn)17.4%;6個月時增產(chǎn)效果達到頂峰,為30.4%,是初期增產(chǎn)效果的1.7倍;6個月后,與不施用生物質(zhì)炭相比,果蔬產(chǎn)量無顯著差異 (P > 0.05)。
圖4 設(shè)施大棚生物質(zhì)炭施用對主要果蔬產(chǎn)量的影響Fig. 4 Effects of biochar application on yields of main fruit and vegetables in greenhouse
總體而言,施用生物質(zhì)炭可平均提高大棚果蔬產(chǎn)量22.1%,但不同的生物質(zhì)炭制備原料對設(shè)施大棚果蔬的增產(chǎn)效應(yīng)也存在差異 (圖5)。畜禽糞便類因富含養(yǎng)分,其增產(chǎn)效果最好,可高達66.4%;秸稈類次之,為31.2%,碳氮比較高的木材類可增產(chǎn)19.0%,殼渣類生物質(zhì)炭增產(chǎn)效果不顯著 (P > 0.05)。
生物質(zhì)炭的制備溫度也是影響生物質(zhì)炭增產(chǎn)效果的一個重要因素。分析結(jié)果表明,相對于高溫制備,低、中溫度制備的生物質(zhì)炭有利于設(shè)施大棚果蔬的增產(chǎn) (圖5)。當(dāng)制備溫度低于400℃時,大棚果蔬可增產(chǎn)20.4%;制備溫度在401~500℃時,增產(chǎn)效應(yīng)提高至36.5%;制備溫度繼續(xù)升高,增產(chǎn)效應(yīng)開始下降,制備溫度為501~600℃時,增產(chǎn)22.8%;超過600℃,施用生物質(zhì)炭與不施用生物質(zhì)炭相比,設(shè)施大棚果蔬產(chǎn)量無顯著差異 (P > 0.05)。
生物質(zhì)炭的C/N由于制備原料的差異而有所不同,分析結(jié)果表明,隨著生物質(zhì)炭C/N值的提高,施用生物質(zhì)炭對大棚果蔬的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸降低(圖5)。C/N值 < 20時可增產(chǎn)49.1%,是C/N值 ≥300時增產(chǎn)效果 (3.0%) 的16.4倍。此外,C/N值分別在20~50、50~100時,分別增產(chǎn)46.0%、19.3%,C/N值 > 100時,無顯著增產(chǎn)作用。
施用堿性生物質(zhì)炭能顯著增產(chǎn) (P < 0.05),施用酸性生物質(zhì)炭則會引起設(shè)施大棚作物減產(chǎn)。如圖5所示,當(dāng)生物質(zhì)炭的pH < 7時,大棚果蔬減產(chǎn)17.5%。pH值在9~10時,可增產(chǎn)39.1%,遠高于其他pH值范圍的生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果。但當(dāng)pH過高,增產(chǎn)效果會降低,當(dāng)生物質(zhì)炭pH ≥ 10時,僅增產(chǎn)14.1%。生物質(zhì)炭pH值介于7~8或8~9時,可分別增產(chǎn)22.4%和21.6%。
圖5 生物質(zhì)炭特性對設(shè)施大棚果蔬產(chǎn)量的影響Fig. 5 Effects of biochar characteristics on yields of main fruit and vegetables in greenhouse
生物質(zhì)炭的制備原料來源廣泛,性質(zhì)差異明顯,是影響生物質(zhì)炭特性的主要因素之一。本研究結(jié)果表明,不同生物質(zhì)炭特性對設(shè)施土壤肥力的影響存在差異。生物質(zhì)炭雖然經(jīng)歷了破碎和熱解,但仍保持原材料的基本形貌,并在化學(xué)組成上與原材料的元素配比相似[18]。Keri等[24]研究表明,畜禽糞便生物質(zhì)炭含大量穩(wěn)定的芳香族結(jié)構(gòu)及豐富的無機礦物質(zhì),并濃縮了非揮發(fā)的礦物質(zhì)如磷、鉀等元素。因此,畜禽糞便類生物質(zhì)炭相比用木材、秸稈等原材料制備的生物質(zhì)炭而言,保留了畜禽糞便養(yǎng)分含量高的特點[25],而且因其具有較高的pH,是良好的土壤調(diào)理劑和有機肥生產(chǎn)輔料[26],增產(chǎn)效果也最佳。
生物質(zhì)炭施用后可有效提高土壤養(yǎng)分含量,特別是對于土壤速效磷含量,提高幅度可達80.7%??赡艿脑颍环矫媸巧镔|(zhì)炭本身灰分含量高[27],礦質(zhì)營養(yǎng)豐富,提高了土壤養(yǎng)分總量;另一方面是生物質(zhì)炭巨大的比表面積對磷具有較強的吸附作用,能有效固持養(yǎng)分,減緩磷在土壤中的固定,增強土壤的供磷能力[28]。此外,由于生物質(zhì)炭本身的C/N高,生物質(zhì)炭的輸入通常也會導(dǎo)致土壤體系C/N值的改變,從而對土壤微生物的代謝活動和種群數(shù)量以及群落結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生一系列深遠影響[29]。何玉亭等[30]在研究兩種不同生物質(zhì)炭對微生物群落豐度的影響時發(fā)現(xiàn),施用4%的煙桿生物質(zhì)炭與桑條生物質(zhì)炭,微生物群落最豐富,當(dāng)施用量提高到6%時,土壤真菌、放線菌及細菌數(shù)量均顯著增加,主要原因是生物質(zhì)炭施入土壤后,導(dǎo)致土壤表面積增加,且其多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供活動場所,使得土壤生態(tài)功能得到改善,微生物的繁殖能力增強[31]。且土壤固氮菌、纖維素分解菌數(shù)量的增加,可增強土壤有機氮的礦化,進而提高土壤養(yǎng)分有效性[32]。
生物質(zhì)炭由于含有礦物元素形成的碳酸鹽,其表面富含酸性基團,但一般呈堿性,有利于改良土壤酸性[14],因此,生物質(zhì)炭的施用具有明顯的石灰效應(yīng)。設(shè)施土壤由于連續(xù)種植,土壤還存在鹽堿化問題,施用生物質(zhì)炭后,不僅可改良土壤酸性狀況,繼續(xù)施用富含K+、Ca+和Mg+的生物質(zhì)炭還可以有效改善設(shè)施土壤鹽基飽和度[33],從而調(diào)節(jié)土壤pH和降低土壤鹽漬化程度。CEC也是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),高CEC可使土壤淋溶性降低,對養(yǎng)分的固定能力增強。本研究表明生物質(zhì)炭施用后可顯著提高土壤CEC,這主要是由于生物質(zhì)炭表面含有大量的 -COOH和 -OH等含氧活性基團,這些基團使得生物質(zhì)炭表面帶有負電荷,使其具有較高的CEC[27]。
從整合分析結(jié)果可以看出,生物質(zhì)炭低量施用條件下對設(shè)施栽培果蔬增產(chǎn)效果顯著。其主要原因是生物質(zhì)炭主要通過改善土壤理化性質(zhì)以及養(yǎng)分供應(yīng)狀況來影響果蔬的產(chǎn)量。一方面,生物質(zhì)炭因其本身含有多種作物生長所必需的營養(yǎng)元素,如C、N、P、Ca、K、Mg等可直接提升土壤肥力,從而促進作物生長;另一方面,可通過顯著提升土壤pH,改善土壤酸性,來實現(xiàn)果蔬增產(chǎn)[34-35]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著生物質(zhì)炭pH值的提高,果蔬產(chǎn)量提高幅度先增后減,這可能與設(shè)施土壤本身的酸堿度有關(guān)[36]。當(dāng)生物質(zhì)炭pH值過高,施入土壤后會導(dǎo)致部分營養(yǎng)元素活性降低[37],抑制植物生長;此外,土壤pH也是影響土壤氮轉(zhuǎn)化的重要因素,一般認為土壤pH越高,土壤氨揮發(fā)越劇烈[38],而土壤氮損失會影響作物增產(chǎn)。楊帆等[39]研究發(fā)現(xiàn),添加生物質(zhì)炭后,紅壤pH值升高,引起氨揮發(fā)增加,使得土壤NH4+-N含量減少13.0%。張登曉等[40]研究結(jié)果也表明,與對照相比,添加生物質(zhì)炭分別降低土壤中NH4+-N和NO3--N 60.0%和77.0%??赡茉蚴巧镔|(zhì)炭在土壤中釋放的有機物質(zhì)抑制亞硝酸氧化,硝化作用沒有進行完全[41],因此產(chǎn)物主要是亞硝氮,導(dǎo)致土壤中NO3--N濃度下降。另外,增產(chǎn)效應(yīng)也由于生物質(zhì)炭施用后土壤孔隙度的增大而提高。Singh等[42]在探究生物質(zhì)炭輸入對不同土質(zhì)碳氮損失的實驗中發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭的多孔性改善了土壤通氣狀況,抑制了厭氧條件下氮素轉(zhuǎn)化過程中微生物的反硝化作用,進而使得土壤全氮儲量相對增加。
生物質(zhì)炭的施用量對作物的增產(chǎn)效應(yīng)也具有一定的影響。本研究表明,生物質(zhì)炭能有效提高作物產(chǎn)量,但生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果隨著施用時間延長而下降,這主要是因為,相比新鮮生物質(zhì)炭,風(fēng)化炭中的Ca、Mg、K等營養(yǎng)元素含量降低[18],且風(fēng)化過程改變生物質(zhì)炭輸入對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響程度[20]。因此隨著時間推移,生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果會逐漸下降。本研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭施入后提高了土壤CEC,增強了土壤對養(yǎng)分元素的固持能力[27]。特別是砂質(zhì)土壤,對養(yǎng)分的固持能力較差,導(dǎo)致施入的肥料等易從土壤中淋洗出,造成養(yǎng)分的損失,而生物質(zhì)炭的添加,可將土壤礦物顆粒黏結(jié),形成大的土壤團聚體,在保護生物質(zhì)炭不被微生物快速分解的同時,還可調(diào)節(jié)土壤中水分和氧氣含量。在黏質(zhì)土壤中,添加生物質(zhì)炭后有利于土壤團聚體的形成,也同樣有助于土壤結(jié)構(gòu)的改善,從而促進作物的生長[43]。牛亞茹等[44]研究發(fā)現(xiàn)施用不同量生物質(zhì)炭對黃瓜產(chǎn)量和莖葉干重均沒有影響,因其所選試驗地土壤肥力較高,黃瓜種植過程中施肥量也較大,這些因素可能削弱了生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應(yīng)。而沈盟等[45]也發(fā)現(xiàn)3種不同施用量均可提高番茄產(chǎn)量,其中以低施用量的增產(chǎn)效果最好,高施用量因生物質(zhì)炭的施加增加大量成本導(dǎo)致最終虧損。
生物質(zhì)炭類型及施用量是影響設(shè)施土壤肥力與果蔬產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。合理施用生物質(zhì)炭能顯著提高設(shè)施土壤pH,改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況,從而對果蔬具有顯著的增產(chǎn)效果。綜合考慮生物質(zhì)炭制備原料與工藝,以畜禽糞便類為原料,在400~500℃下熱解、獲得C/N值低于50的生物質(zhì)炭,在提高設(shè)施果蔬產(chǎn)量方面具有更好的應(yīng)用前景。生物質(zhì)炭的施用會增加土壤堿度,引發(fā)設(shè)施土壤生態(tài)環(huán)境的改變,包括對土壤微生物結(jié)構(gòu)、作物生長、金屬離子活性甚至農(nóng)藥等污染物間接方面的影響及其作用機理機制,仍有待進一步深入研究。
參 考 文 獻:
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