宋丹丹,何丙輝,羅松平,吳耀鵬

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715)

黃壤作為貴州省喀斯特地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)土壤類型，面積分別占貴州省土壤面積和全國(guó)黃壤面積的46.4%和25.3%[1]。貴州省喀斯特地區(qū)黃壤質(zhì)地黏重，比水容量小，養(yǎng)分含量低，酸性較強(qiáng)，易發(fā)生水土流失。如何有效提高黃壤酸堿度和養(yǎng)分含量，是黃壤改良的重要難題。黑麥草(Lolium)根系生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)改善土壤性狀特征一直都有研究。左文剛等[2]認(rèn)為改善土壤肥力可以增加黑麥草幼苗地上和地下生物量。黑麥草根系發(fā)達(dá)，須根較多。種植黑麥草能有效改善土壤結(jié)構(gòu)[3]，枯落物被微生物分解向土壤釋放養(yǎng)分[4]，提高輪作水稻(Oryzasativa)產(chǎn)量[5]。近年來(lái)，生物炭作為一種新型的農(nóng)林廢棄物炭化還田方式，受到了廣泛關(guān)注。已有的研究表明，在一定限度內(nèi)，生物炭不僅能改善土壤肥力[6]和結(jié)構(gòu)[7]，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[8]，增加作物產(chǎn)量[9]，還可以減緩溫室效應(yīng)[10]，固定土壤中污染物，有效控制地下水污染[11]。但生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響程度取決于土壤類型、生物炭自身性質(zhì)和施用量以及土地利用方式[12]。陳心想等[13]研究發(fā)現(xiàn)，向新積土和塿土施加生物炭對(duì)pH值無(wú)明顯影響。不同生物炭類型對(duì)土壤速效鉀、速效磷、堿解氮以及硝態(tài)氮含量影響存在顯著差異[14]。對(duì)紫色土和黃壤施加生物炭后，生物炭顯著提高了土壤養(yǎng)分含量，黃壤作用效果強(qiáng)于紫色土，但不同階段，全鉀和全氮含量變化不明顯[15]。Prendergast-Miller等[16]運(yùn)用箱根法對(duì)種植28 d春小麥(Triticumaestivum)幼苗的土壤進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)生物炭主要以硝酸鹽形式保持土壤氮素，同時(shí)向土壤提供磷素。播種黑麥草40 d后，施加不同比例生物炭處理的株高均顯著高于對(duì)照[17]。生物炭類型不同，自身養(yǎng)分含量不同，可提取鉀素含量可占全鉀含量的20%～63%[16]。

目前我國(guó)針對(duì)草本植物或生物炭與土壤養(yǎng)分方面的研究雖多，但也存在不足：土壤類型上，主要集中在紅壤、紫色土、潮土、石灰土等，而對(duì)喀斯特地區(qū)黃壤研究相對(duì)較少；影響因素上，多數(shù)針對(duì)單一措施對(duì)土壤養(yǎng)分或植株生長(zhǎng)量的影響，鮮有研究植株和生物炭組合模式對(duì)養(yǎng)分作用的報(bào)道；施加比例上，已有研究中生物炭比例梯度較少。針對(duì)上述已有研究的不足，本研究以貴州省播州區(qū)黃壤為對(duì)象，選擇6種不同比例(CK、1%、3%、5%、7%、9%)生物炭和根系發(fā)達(dá)的鄉(xiāng)土植物黑麥草進(jìn)行室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、全磷、有效磷以及全鉀和速效鉀含量，分析單施不同比例生物炭、單植黑麥草，尤其是黑麥草+生物炭組合模式中土壤養(yǎng)分的變化特征，以期為緩解喀斯特地區(qū)黃壤植物生長(zhǎng)養(yǎng)分限制因子和合理培肥制度提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料性質(zhì)

1.1.1供試土壤 試驗(yàn)所用黃壤取自貴州省播州區(qū)鴨溪鎮(zhèn)(27°37′00″ N，106°37′00″ E)。該區(qū)所在流域?qū)贋踅灯珟r河支流的上游，海拔為1012.7 m，地貌類型屬中低山丘陵地貌，氣候類型屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。小流域內(nèi)的巖性以灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r、泥灰?guī)r和頁(yè)巖為主，土壤以黃壤土為主，平均土層厚度為50～70 cm，呈酸性，有機(jī)質(zhì)含量少，土壤肥力低下，是貴州典型黃壤的代表。供試土壤有機(jī)質(zhì)含量為(5.74±0.41) g·kg-1，pH值為(4.78±0.14)，全磷(0.25±0.02) g·kg-1，有效磷(0.52±0.03) mg·kg-1，全鉀(29.02±1.20) g·kg-1，速效鉀(0.05±0.01) g·kg-1。

1.1.2草種 草種選用美國(guó)進(jìn)口一年生黑麥草(L.multiflorum)，該品種生長(zhǎng)迅速、再生能力強(qiáng)，產(chǎn)草量高，適宜土壤pH值為6～7。適宜生長(zhǎng)溫度12～27 ℃，播種深度1.5～2.0 cm，株高達(dá)到20～30 cm后進(jìn)行初次刈割。

1.1.3生物炭 試驗(yàn)所用生物炭系購(gòu)于陜西億鑫生物能源科技開(kāi)發(fā)有限公司(原料為蘋果樹(shù)枝條，在高溫475 ℃不完全缺氧條件下熱解而成)，其基本化學(xué)性質(zhì)如下：pH值為(10.09±0.05)，全磷含量為(16.17±0.19) g·kg-1，有效磷(0.20±0.01) mg·kg-1，全鉀(60.11±0.31) g·kg-1，速效鉀(16.55±0.07) g·kg-1，陽(yáng)離子交換量(10.26±0.39) cmol·kg-1，全鈣(37.88±1.16) g·kg-1，全鎂(11.43±0.16) g·kg-1，全鈉(0.64±0.03) g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與步驟

試驗(yàn)于2016年10月在西南大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基地1號(hào)大棚內(nèi)進(jìn)行。將野外采集的試驗(yàn)用土(黃壤)，均勻攤開(kāi)，去除樹(shù)葉、礫石等雜質(zhì)，自然風(fēng)干后過(guò)5 mm篩；試驗(yàn)設(shè)計(jì)12個(gè)處理，分別為：裸地對(duì)照(CK)；單植黑麥草(ryegrass，R)；單施不同比例生物炭(biochar in bare land，BLB)，1%(BLB1)、3%(BLB3)、5%(BLB5)、7%(BLB7)、9%(BLB9)；黑麥草+不同比例生物炭組合模式(ryegrass and biochar，RB)，1%(RB1)、3%(RB3)、5%(RB5)、7%(RB7)、9%(RB9)。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。采用36個(gè)盆缽(高21.5 cm，上口徑22.0 cm，下口徑18.5 cm)，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別裝填土壤和生物炭，控制每個(gè)盆缽內(nèi)土壤+生物炭總質(zhì)量為5.5 kg。保證盆缽裝填后內(nèi)裝土面平整，且低于盆緣約2 cm。將約20粒黑麥草種子均勻播撒在盆缽?fù)撩姹韺?，并用薄土均勻覆蓋?？刂拼笈餃囟?6～18 ℃，等待出苗。在出苗后，每間隔5 d澆水一次，以保證盆栽土壤適宜的含水量；45 d(除R，RB黑麥草株高達(dá)到20 cm及以上)后采集土壤樣品(0～10 cm)，然后在室內(nèi)風(fēng)干、過(guò)篩，用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)，包括有機(jī)質(zhì)、pH值、全磷、有效磷以及全鉀和速效鉀。

1.3 化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

采用農(nóng)化分析常規(guī)方法[18]測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)。采用電位計(jì)法(土∶水=1∶1)測(cè)定土壤pH值；采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)；采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷；采用氫氧化鈉熔融-火焰分光光度計(jì)法測(cè)定土壤全鉀；采用醋酸銨浸提-火焰分光光度計(jì)法測(cè)定速效鉀。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件作圖，SPSS 18.0軟件進(jìn)行單變量分析和Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)和pH值變化

土壤有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。圖1所示，喀斯特黃壤本身有機(jī)質(zhì)含量偏低。單植黑麥草(R)，黃壤有機(jī)質(zhì)含量降低0.31 g·kg-1，但pH值升高0.03。單施不同比例生物炭(BLB)會(huì)增大土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值(P<0.01)。與裸地(CK)相比，BLB有機(jī)質(zhì)和pH值分別增加了10.49～58.48 g·kg-1和0.23～2.35。二者均在BLB9中達(dá)到最大值，為65.01 g·kg-1和7.50。

圖1 不同處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和pH值的影響Fig.1 Impacts of different treatments on soil organic matter content (OM) and pH value

與CK對(duì)比，黑麥草+生物炭組合模式(RB)土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值均隨生物炭比例增大而增加，其增加倍數(shù)符合三項(xiàng)關(guān)系式，分別為有機(jī)質(zhì)：y=-0.0406x3+0.6188x2-1.6130x+1.9655，R2=0.9999；pH值，y=-0.0030x3+0.0394x2-0.0629x+0.0171，R2=0.9643。這說(shuō)明在低生物炭比例下，土壤中有機(jī)質(zhì)含量和pH值增大幅度較小，中度比例下二者含量迅速上升，高比例時(shí)上升趨勢(shì)緩慢。經(jīng)單變量分析，RB對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和pH值作用顯著(P<0.01)。將R和BLB做比較，發(fā)現(xiàn)BLB中有機(jī)質(zhì)含量均高于R，增大倍數(shù)范圍為1.74～9.45倍。BLB中土壤pH值同樣高于R，增加0.21～2.33。BLB和RB對(duì)比分析，顯示除了生物炭比例為7%時(shí)，其余比例下相應(yīng)BLB中有機(jī)質(zhì)含量和pH值均大于RB，7%時(shí)相反。相較R而言，組合模式RB均能增加有機(jī)質(zhì)含量，增大范圍為6.42～52.44 g·kg-1。土壤pH值僅在RB1時(shí)降低0.02，其余比例均大于R。

2.2 土壤磷素變化

土壤磷素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需礦質(zhì)元素之一，確保植物正常代謝生長(zhǎng)，增強(qiáng)植物抗寒抗旱能力?？λ固攸S壤呈酸性，存在嚴(yán)重缺磷現(xiàn)象。圖2所示，裸地(CK)單植黑麥草(R)后，全磷含量降低0.05 g·kg-1，有效磷含量0.03 mg·kg-1。單施生物炭BLB中黃壤全磷含量差異性明顯(P<0.01)，含量最高為BLB9(0.47 g·kg-1)，其次是BLB5(0.44 g·kg-1)和BLB7(0.40 g·kg-1)。有效磷含量隨生物炭比例增大而增加，增加范圍為0.79～1.93 mg·kg-1。

1)相較CK，黑麥草+生物炭組合模式(RB)全磷含量整體變化幅度不大，但差異明顯(P<0.01)。有效磷含量均增加，且隨生物炭比例增大而增大，增大范圍為0.33～1.56 mg·kg-1。經(jīng)單變量分析，RB對(duì)土壤全磷(P<0.01)和有效磷(P<0.05)作用顯著；2)對(duì)比分析R和BLB，發(fā)現(xiàn)BLB全磷和有效磷含量均高于R，尤其是有效磷變化值，增大倍數(shù)為7.28～16.71倍；3)比較BLB和RB發(fā)現(xiàn)，RB全磷含量在1%，5%、9% 小于BLB，3%和7%時(shí)相反，但僅相差0.04～0.05 g·kg-1。有效磷含量均降低；4)相比R而言，RB能增加全磷和有效磷含量，增加范圍分別為0.07～0.24 g·kg-1和0.29～1.53 mg·kg-1。

圖2 不同處理對(duì)土壤全磷和有效磷含量影響Fig.2 Impacts of different treatments on the contents of soil total phosphorus (TP) and available phosphorus (AP)

2.3 土壤鉀素變化

鉀素同樣作為植物生長(zhǎng)必需礦質(zhì)元素，能促進(jìn)植物碳水化合物合成以及呼吸作用正常運(yùn)行。如圖3所示，單植黑麥草(R)全鉀降低2.48 g·kg-1，速效鉀降低0.71 g·kg-1。與CK相比，BLB中全鉀和速效鉀含量均增大，全鉀含量增加大小表現(xiàn)為BLB5(3.62 g·kg-1)> BLB7(3.37 g·kg-1)>BLB9(2.20 g·kg-1)>BLB3(1.77 g·kg-1)>BLB1(0.20 g·kg-1)。速效鉀含量隨生物炭比例增大而增大(P<0.01)，增大范圍為1.80～4.32 g·kg-1。

1)與CK對(duì)比，黑麥草+生物炭組合模式RB全鉀含量在1%時(shí)小于CK，其他比例均大于CK。速效鉀含量增大了-0.04～4.12 g·kg-1，增大值隨生物炭比例增大而增大。經(jīng)單變量分析，RB對(duì)土壤全鉀和速效鉀作用顯著(P<0.01)；2)比較分析R和BLB，發(fā)現(xiàn)BLB中全鉀和速效鉀含量均大于R；3)對(duì)比BLB和RB，全鉀無(wú)明顯規(guī)律，但RB速效鉀含量?jī)H在7%時(shí)低于R，其余比例均大于R；4)相較R而言，RB全鉀和速效鉀含量分別增加了0.09～0.22倍和5.71～41.59倍。

圖3 不同處理對(duì)土壤全鉀和速效鉀含量影響Fig.3 Impacts of different treatments on the contents of soil total potassium (TK) and available potassium (AK)

2.4 生物炭比例與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性分析

運(yùn)用SPSS 18.0對(duì)生物炭比例和土壤各養(yǎng)分指標(biāo)間進(jìn)行相關(guān)性分析，其分析結(jié)果見(jiàn)表1。

生物炭比例與有機(jī)質(zhì)、pH值、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)均在0.78以上。有機(jī)質(zhì)和pH值、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤中有機(jī)質(zhì)不僅能增強(qiáng)土壤對(duì)酸堿度環(huán)境的緩沖性，還能分解釋放植物所必需的碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素以及增大土壤有效養(yǎng)分含量。pH值與全磷、全鉀、有效磷、有效鉀含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤pH值不僅能影響土壤肥力，還對(duì)土壤養(yǎng)分有效性有影響。其余各養(yǎng)分間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表1 生物炭比例與養(yǎng)分間的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis between the rate of biochar and nutrients

注：**代表P<0.01水平上顯著相關(guān)。

Note: ** indicates significant at the 0.01 level.

3 討論

喀斯特黃壤單植黑麥草，土壤中有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀以及速效鉀含量均下降，pH值和有效磷含量增大。根密度和分布特征以及土壤中微生物含量均對(duì)養(yǎng)分有影響[19]。本研究在黑麥草生長(zhǎng)初期，根系不發(fā)達(dá)，分泌物較少。黑麥草生理活動(dòng)能量不單通過(guò)光合作用獲得，更主要通過(guò)根系直接從土壤中攝取，土壤消耗量大于積累量?？λ固攸S壤呈酸性，植物在酸性土壤中會(huì)抑制對(duì)陽(yáng)離子的吸收，釋放OH-，導(dǎo)致土壤pH值增大。黑麥草作為禾本科植物，通過(guò)吸收大量鉀素，加強(qiáng)光合作用強(qiáng)度，促進(jìn)體內(nèi)糖類形成和轉(zhuǎn)化。同時(shí)，土壤酸性過(guò)高，會(huì)影響土壤中有效性養(yǎng)分含量[20]。根系生長(zhǎng)增加了土壤中微生物含量和活性，促使根系向土壤釋放有機(jī)酸活化無(wú)機(jī)磷，或釋放堿性磷酸酶，增加土壤中有機(jī)磷含量[19]。

生物炭自身含有較高的養(yǎng)分含量，就速效鉀而言，占全鉀的27.53%。生物炭施入土壤后，表面經(jīng)過(guò)一定時(shí)間氧化，部分養(yǎng)分可直接進(jìn)入土壤[21]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，單施生物炭、黑麥草+生物炭組合模式均能顯著提高土壤養(yǎng)分含量。各養(yǎng)分含量隨生物炭比例增大而顯著增加(P<0.01)，這與其他已有生物炭的研究結(jié)論一致[6,15]。生物炭具有較多大孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，保證土壤在保存水分的同時(shí)，吸收土壤中養(yǎng)分元素，增加土壤肥力。喀斯特黃壤質(zhì)地較為黏重，隨著生物炭比例增大，土壤中孔隙增多，土壤養(yǎng)分含量同樣增大。生物炭除本身呈堿性以外，還含有較多鹽基離子，這些鹽基離子能吸收土壤中水合氫離子，釋放氫氧根離子提高土壤pH值。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，單施不同比例生物炭對(duì)各養(yǎng)分含量的作用均大于單植黑麥草，說(shuō)明生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響起主導(dǎo)作用，不僅因?yàn)樯锾孔陨眇B(yǎng)分含量高，也可能是土壤養(yǎng)分對(duì)生物炭和黑麥草根系的敏感性不同所致；而RB7中有機(jī)質(zhì)、pH值、全磷、全鉀、速效鉀含量均大于BLB7，其余比例RB均小于BLB。生物炭促進(jìn)植物生長(zhǎng)[8]，在一定限度內(nèi)，促進(jìn)作用隨生物炭比例增大而增大，黑麥草對(duì)養(yǎng)分吸收增強(qiáng)。當(dāng)升高到一定限度(7%)，抑制黑麥草生長(zhǎng)，對(duì)養(yǎng)分消耗量減少。繼續(xù)增加到9%時(shí)，生物炭本身養(yǎng)分含量大于黑麥草的吸收抑制量。黑麥草+生物炭組合模式中有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀以及速效鉀含量均大于單植黑麥草，增加量隨生物炭比例增大而增大，說(shuō)明植物生長(zhǎng)根系分泌物增多，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶解。黑麥草+生物炭組合模式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)為積極或者消極合作。由于技術(shù)限制和研究局限性，無(wú)法定量監(jiān)測(cè)到兩者共同作用時(shí)生物炭或黑麥草對(duì)土壤整體養(yǎng)分的作用量[23]。這一點(diǎn)有待于進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)研究。

通過(guò)對(duì)單施不同比例生物炭(BLB)、單植黑麥草(R)、黑麥草+生物炭組合模式(RB)對(duì)喀斯特黃壤養(yǎng)分參數(shù)分析表明，3種布設(shè)措施對(duì)黃壤養(yǎng)分改良的強(qiáng)弱順序表現(xiàn)為：BLB>RB>R。但考慮到喀斯特黃壤地區(qū)土層較薄，易發(fā)生地下漏失、黑麥草生長(zhǎng)最適酸堿度(pH 6.0～7.0)等因素，黑麥草根系能有效改善土壤結(jié)構(gòu)[3]，減少水土流失。因此，7%的生物炭比例和黑麥草組合模式下(RB7)是有效改善土壤養(yǎng)分性質(zhì)的布設(shè)措施，有利于緩解黃壤肥力低下和質(zhì)地粘重障礙。

4 結(jié)論

1)單植黑麥草能增大土壤中pH值和速效磷含量，降低有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀以及速效鉀含量，這說(shuō)明黑麥草在酸性土壤中會(huì)抑制陽(yáng)離子的吸收，釋放OH-。同時(shí)，在生長(zhǎng)初期對(duì)土壤養(yǎng)分的消耗量大于積累量。

2)單施生物炭、黑麥草+生物炭組合模式均能增大黃壤中有機(jī)質(zhì)、pH值、全磷、速效磷以及全鉀和速效鉀含量，且各養(yǎng)分含量隨生物炭比例增大而顯著增大(P<0.01)。

3)整體來(lái)說(shuō)，黑麥草+生物炭組合模式對(duì)土壤的改良效果低于單施生物炭，但強(qiáng)于單植黑麥草；單施生物炭效果強(qiáng)于單植黑麥草。生物炭不僅增加了土壤養(yǎng)分含量，也促進(jìn)了黑麥草的生長(zhǎng)吸收。組合模式中生物炭起主導(dǎo)作用。

4)考慮到喀斯特黃壤易發(fā)生地下漏失現(xiàn)狀和黑麥草生長(zhǎng)最適酸堿度，確定現(xiàn)階段黑麥草+7%生物炭組合模式對(duì)黃壤改良效果最好，有利于緩解黃壤肥力低下和質(zhì)地粘重障礙。

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