李忠意,楊 希,趙新儒,程永毅,*

1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400716 2 重慶市巴南區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站,重慶 401320

喀斯特(巖溶)地貌在我國廣泛出露,集中分布在以貴州為中心的西南地區(qū)[1]?？λ固氐貐^(qū)的土壤瘠薄且不連續(xù),水土流失嚴(yán)重,具有明顯的脆弱性和易損性。土壤肥力變化特征直接影響到該地區(qū)土壤生產(chǎn)力的高低及生態(tài)恢復(fù)的途徑和方向[2]。在喀斯特地區(qū),受成土母質(zhì)、發(fā)育程度和種植方式的影響,其存在的耕地類型包括石灰土、黃壤、黃棕壤和水稻土等類型[3]。其中石灰土受母巖的影響,富含碳酸鹽,土壤pH值較高,導(dǎo)致土壤中植物所必須的某些營養(yǎng)元素有效性極低。如石灰性土壤對水溶性磷酸鹽的吸持和固定作用強烈,大部分被轉(zhuǎn)化為溶解度低的Ca-P形態(tài),作物的吸收利用率很低[4]。受土壤pH影響,石灰性土壤中Fe和Zn等微量元素的有效性也極低[5]。土壤中氮素也因高pH而存在氨揮發(fā)的風(fēng)險。楊文娜等[6]近期在貴州喀斯特地區(qū)的采樣分析也證實了該區(qū)域石灰土的有效N、Fe和Zn含量較低。因此,喀斯特地區(qū)的石灰土較為貧瘠。

土壤有機質(zhì)含量是土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和肥力的重要指標(biāo)之一,在耕地質(zhì)量、環(huán)境保護、氣候變化和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面均有著至關(guān)重要的作用[7]。因此,通過外源輸入有機物料,提高喀斯特石灰土的有機質(zhì)含量,可能是解決喀斯特石灰土養(yǎng)分元素缺乏,提高土壤肥力的有效手段之一。傳統(tǒng)方法常采用秸稈還田和施用有機肥來對土壤進行培肥[8-9]。近年來,生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛用作改良劑來增加土壤肥力以促進作物的生長和產(chǎn)量的提高[10]。如宋丹丹等[11]研究了生物質(zhì)炭對喀斯特地區(qū)黃壤養(yǎng)分的影響,施用生物質(zhì)炭能增加黃壤的有機質(zhì)、pH、磷素和鉀素含量。朱倩等[12]發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭基肥能提高喀斯特石灰土的磷素含量。也有研究者將有機肥與生物質(zhì)炭混合施用來改良土壤[13]。Zhou等[14]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭與豬糞肥混合施用后能夠提高喀斯特石灰土的土壤微生物群落結(jié)構(gòu),有助于土壤肥力的提升。但目前關(guān)于有機物料輸入對喀斯特石灰土有效N和Fe等營養(yǎng)元素有效性影響的研究較少,也缺乏有機肥和生物質(zhì)炭等不同有機物料對喀斯特石灰土元素有效性影響的效果比較。因此,本研究選用生物質(zhì)炭、雞糞肥和羊糞肥為改良劑,探討3種有機物料對喀斯特石灰土N、Fe、Zn有效性的影響,以為喀斯特石灰土的改良培肥提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 培養(yǎng)實驗

土壤樣品于2016年12月采自貴州省印江縣。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)季候,年均氣溫16.8℃,年降雨量1100 mm左右,主要地貌類型為喀斯特地貌。所采集的土壤類型為石灰土。土樣采集后在室內(nèi)陰干過篩,以用于培養(yǎng)實驗和理化性質(zhì)分析。用于改良土壤的有機物料包括生物質(zhì)炭、雞糞肥和羊糞肥。其中生物質(zhì)炭為550℃下厭氧裂解的果木枝炭,雞糞肥和羊糞肥均為發(fā)酵腐熟后的風(fēng)干有機肥。所有有機物料過篩后用于培養(yǎng)實驗和基本理化性質(zhì)分析。

培養(yǎng)實驗為分別加入不同質(zhì)量的有機物料于200 g風(fēng)干土中,使有機物料在土壤中的含量分別為1%、3%和5%(以風(fēng)干基計)?；靹蚝笱b入塑料杯,加入一定體積的去離子水,使土壤含水量為20%(約為田間持水量),然后在室內(nèi)進行恒溫培養(yǎng)。每個處理設(shè)置3個重復(fù)。培養(yǎng)期間,每隔3 d對塑料杯進行稱重,根據(jù)重量損失情況補充土壤水分。連續(xù)培養(yǎng)40 d,培養(yǎng)結(jié)束后將土壤風(fēng)干過篩,測定理化性質(zhì)。

1.2 理化性質(zhì)分析

土壤和有機物料的理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測定[15]。采用電位法(土水比1∶2.5)測定3種有機物料和土壤的pH值；采用堿解擴散法測定有機物料和土壤的有效N含量；采用DTPA(二乙三胺五乙酸)提取-原子吸收分光光度法(Z- 5000,日本日立)測定有機物料和土壤的有效Fe和Zn含量；采用重鉻酸鉀容量法測定土壤的有機質(zhì)含量；采用元素分析儀(Vario Micro,德國Elementar)測定有機物料的全C、N、H、S含量；有機物料的表面官能團采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)(L1280018,美國PerkinElmer)鑒定；采用X射線衍射法(XRD)分析有機物料中的晶形物質(zhì)(XD- 3,北京普析)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件,OriginPro 8.0和SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理。文中數(shù)據(jù)表示方式為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用單因素方差分析進行數(shù)據(jù)間的差異性分析。同一測試項目指標(biāo)間字母不同表示數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機物料基本理化性質(zhì)

從表1可以看出,供試的3種有機物料pH值均為堿性,其中生物質(zhì)炭的pH最高,達到了10.7。有機物料經(jīng)高溫厭氧裂解制備得到生物質(zhì)炭后會有大量的堿性物質(zhì)生成。如Yuan等[16]研究發(fā)現(xiàn)油菜、水稻、大豆、豌豆秸稈的pH值分別為6.34、6.81、6.29、6.27,而將4種有機物料在350℃下制備成生物質(zhì)炭后,pH值分別上升至8.00,7.69,9.02和10.26。且隨著制備溫度的升高,生物質(zhì)炭的pH值逐步升高,如在300、500、700℃下制備的花生秸稈生物質(zhì)炭的pH值分別為8.60、10.86和11.15[17]。可見,生物質(zhì)炭均具有較高的pH值。除pH值外,生物質(zhì)炭相對于雞糞肥和羊糞肥含有更高的C含量。盡管生物質(zhì)炭的全N含量略高于雞糞肥和羊糞肥,但有效N的含量遠(yuǎn)低于兩種有機肥,雞糞肥和羊糞肥的有效N含量極高。3種有機物料的有效Fe含量均較為豐富。對有效Zn而言,雞糞肥和羊糞肥的有效Zn含量較高,而生物質(zhì)炭中幾乎不含有效Zn。

表1 有機物料的基本理化性質(zhì)

圖1 3種有機物料的XRD圖譜Fig.1 The X-ray diffraction spectra of three kinds of organic materials Q: 石英；S: 鈉長石；PC: 氯化鉀；C: 碳酸鈣；PS: 硫酸鉀

圖2 3種有機物料的FTIR圖譜 Fig.2 FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy) spectrums of three kinds of organic materialsFITR: 傅里葉變換紅外光譜

2.2 培養(yǎng)后土壤的pH值和有機質(zhì)含量

喀斯特地區(qū)土壤的成土母質(zhì)富含碳酸鹽,土壤的pH受母巖巖性的影響較大[21]。在喀斯特土壤發(fā)育過程中,若土壤中的CaCO3沒有被完全淋溶溶解掉,土壤中剩余的CaCO3會使土壤的pH維持在7.5—8.5之間的堿性范圍內(nèi)[22]。受成土母質(zhì)的影響,本研究中對照土壤的pH值為7.60(圖3)。施用腐熟的雞糞肥和羊糞肥后,土壤的pH均隨兩種有機肥用量的增加而逐漸降低。有機肥中均含有一定數(shù)量的腐殖質(zhì)組分,而進行堆肥腐熟更會增加有機物的腐殖化程度,促進腐殖酸的形成[23]。腐殖酸含各種功能基團,包括芳香族和脂肪族化合物上的羧基、酚羥基、醇羥基、酮基、酯等官能團。其中含量較為豐富的羧基和酚羥基等有機官能團具有緩沖環(huán)境酸堿度的作用。通過FTIR分析,本研究所用的腐熟雞糞肥和羊糞肥表面富含官能團(圖2),這些官能團的酸堿緩沖能力可能是雞糞肥和羊糞肥能在一定程度上降低土壤pH的主要原因。盡管生物質(zhì)炭表面同樣富含各種有機官能團(圖2),但施用生物質(zhì)炭后,土壤的pH不僅沒有降低,反而顯著升高(圖3)。其原因可能在于生物質(zhì)炭富含大量的堿性物質(zhì),加入土壤培養(yǎng)后能極大的提高土壤堿度,增加其pH[17]。這也是目前大量使用生物質(zhì)炭來改良酸化土壤的重要原因[24-25]。

土壤有機質(zhì)對土壤的肥力水平具有重要影響。通常而言,土壤的有機質(zhì)含量越高,土壤的團聚體結(jié)構(gòu)越發(fā)達,有助于土壤的保水、保肥和透氣。有機質(zhì)中富含氮等植物所需的營養(yǎng)元素,在礦化后可供給植物利用吸收。有機質(zhì)可因官能團的解離而表面帶有電荷,有助于土壤吸附固持更多的養(yǎng)分離子。本研究中,添加有機物料培養(yǎng)后均能提高土壤的有機質(zhì)含量(圖4)。當(dāng)有機物料的用量大于3%后,添加有機物料土樣的有機質(zhì)含量顯著高于對照土樣。3種有機物料對土壤有機質(zhì)提升效果的大小關(guān)系為：生物質(zhì)炭>雞糞肥>羊糞肥。這個大小關(guān)系與3種有機物料的全C量一致(表1)。既外源輸入的炭含量越多,培養(yǎng)后土壤的有機質(zhì)含量越高。但生物質(zhì)炭是一種活性較低的碳,穩(wěn)定性高、芳香性強,與腐熟的有機肥相比具有較低的微生物量和微生物商,生物質(zhì)炭可在環(huán)境中長期存留,自身不易腐解且難以促進土壤原有有機碳的礦化[26]。有機物料中的氮幾乎全部以有機態(tài)氮的形式存在。盡管生物質(zhì)炭的全氮含量高于有機肥,但兩種有機肥的有效氮含量遠(yuǎn)高于生物質(zhì)炭(表1)。有效氮的測定方法為堿解擴散法,說明了雞糞肥和羊糞肥中易水解的低分子量有機態(tài)氮含量遠(yuǎn)高于生物質(zhì)炭,有機肥中的有機質(zhì)活性更高。因此,盡管雞糞肥和羊糞肥對土壤有機質(zhì)的增加量低于生物質(zhì)炭,但其化學(xué)活性和微生物活性更高。

圖3 添加有機物料對土壤pH的影響 Fig.3 The soil pH after a 40-day incubation experiment with organic materials

圖4 添加有機物料對土壤有機質(zhì)含量的影響 Fig.4 The content of soil organic matter after a 40-day incubation experiment with organic materials

圖5 添加有機物料對土壤有效氮含量的影響 Fig.5 The content of soil available nitrogen after a 40-day incubation experiment with organic materials

2.3 培養(yǎng)后土壤的有效N含量

圖5中,對照土樣的有效N含量為(155±1) mg/kg。參考一些土壤肥力的評價標(biāo)準(zhǔn),土壤的有效N含量屬于中等或較為豐富水平[27-28]。但與其他喀斯特區(qū)域土壤的有效N含量相比,屬于中等偏下水平[29]。3種有機物料對供試土壤有效N含量的影響不一(圖5)。隨著加入生物質(zhì)炭的用量增加,土壤的有效N含量逐漸降低。如當(dāng)生物質(zhì)炭添加量為5%時,土壤的有效N含量由對照的(155±1) mg/kg降低至(143±1) mg/kg。而添加雞糞肥和羊糞肥能夠使土壤的有效N含量增加。在5%用量時,雞糞肥和羊糞肥處理的土壤有效N含量分別為(189±4.5) mg/kg和(196±14.5) mg/kg,顯著高于對照處理。添加生物質(zhì)炭使土壤的有效N含量降低了7.7%,而添加雞糞肥和羊糞肥使土壤的有效氮分別提高了21.7%和26.7%。因此,兩種有機肥料能夠提高土壤的有效N含量,而生物質(zhì)炭對土壤的有效N起降低作用。

2.4 培養(yǎng)后土壤的有效Fe和Zn含量

對照處理的喀斯特土壤的有效Fe和有效Zn的含量分別為(6.39±0.37) mg/kg和(1.76±0.11) mg/kg(圖6)。按照王淑英等[30]的土壤有效微量元素含量分級標(biāo)準(zhǔn)(表2),本研究中供試喀斯特土壤的有效Fe處于低含量水平,有效Zn處于中等含量水平。添加3種有機物料培養(yǎng)后,均能增加土壤的有效Fe和有效Zn含量,且隨著有機物料用量的增加而增加。在同一用量條件下,3種有機物料對土壤有效Fe和有效Zn含量的提高效果大小關(guān)系相同,為雞糞肥>羊糞肥>生物質(zhì)炭。除生物質(zhì)炭外,雞糞肥和羊糞肥的各處理均能顯著提高土壤的有效Fe含量。但按照表2的分級標(biāo)準(zhǔn),僅在5%的雞糞肥處理中土壤的有效Fe達到中等含量水平,其余仍處于低含量水平。對土壤有效Zn而言,除1%生物質(zhì)炭處理土壤的有效Zn含量仍為中等水平外,其余處理均使土壤的有效Zn含量達到高水平,尤其是高濃度的有機肥處理使土壤的有效Zn含量達到極高水平。在5%用量時,生物質(zhì)炭使土壤的有效Fe和有效Zn的含量提高了1.13倍和1.21倍；雞糞肥使土壤的有效Fe和有效Zn的含量提高了1.63倍和3.39倍；羊糞肥使土壤的有效Fe和有效Zn的含量提高了1.34倍和2.59倍。所以,有機肥相對于生物質(zhì)炭對提高土壤有效Fe和有效Zn具有更好的效果。

圖6 添加有機物料對土壤有效鐵和鋅含量的影響Fig.6 The content of soil available iron and available zinc after a 40-day incubation experiment with organic materials

表2 土壤有效Fe和有效Zn含量分級標(biāo)準(zhǔn)/(mg/kg)[30]

3 討論

3.1 有機物料對土壤N有效性的影響

3.2 有機物料對土壤Fe和Zn有效性的影響

受pH值的影響,石灰性土壤中植物所需的微量金屬元素(Fe、Mn、Cu、Zn等)常以沉淀態(tài)存在,因而對植物的有效性較低。如植物缺鐵黃化癥狀大部分發(fā)生在石灰性土壤上,是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一[36]。本研究中供試土壤的有效Fe和有效Zn含量均在中等偏下水平,施用的3種有機物料均能對土壤Fe和Zn的有效性起到一定的提高作用,提高作用的大小關(guān)系為：雞糞肥>羊糞肥>生物質(zhì)炭(圖6)。3種有機物料提高土壤中Zn和Fe有效性的機理可能源于有機物料本身所具有的較為豐富的官能團(圖2),及其在土壤中進一步腐殖化后對金屬元素的活化作用。有機質(zhì)腐殖化后形成的腐殖酸同樣具有豐富的官能團,這些官能團均具有離子交換、對金屬離子的絡(luò)合作用、氧化-還原等活性,從而對沉淀態(tài)的鐵和鋅元素的氫氧化物和氧化物具有一定的溶解作用,增加其有效性。高明等[37]研究表明,在紫色水稻土中長期施用有機肥,可明顯增加土壤中松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的含量,提高土壤中交換態(tài)鐵、錳、鋅的含量。汪金舫等[38]研究秸稈有機物料還田對砂姜黑土金屬元素有效性影響時也得到類似結(jié)果,秸稈還田后增加了土壤胡敏酸和富里酸的含量,提高了土壤有效錳和有效銅的含量。由于兩種有機肥的碳活性大于生物質(zhì)炭,因此導(dǎo)致兩種有機肥對供試土壤Fe和Zn有效性的提高效果更好。此外,pH值的降低能促進微量元素從難溶態(tài)向可溶態(tài)轉(zhuǎn)化,增加微量元素的有效性[39]。施用雞糞肥和羊糞肥后土壤的pH值降低(圖3),這也對提高土壤中Zn和Fe的有效性有更好的促進作用。因此,高活性的有機物料更能提高土壤中微量金屬元素的有效性。

4 結(jié)論

受土壤和有機物料性質(zhì)共同的影響,施用雞糞肥和羊糞肥可提高土壤的有效N含量,而施用生物質(zhì)炭降低了土壤有效N的含量。3種有機物料對土壤的有效Fe和Zn含量均有一定的提高效果,大小關(guān)系為：雞糞肥>羊糞肥>生物質(zhì)炭。因此,相對于生物質(zhì)炭,有機糞肥對喀斯特地區(qū)的石灰土有更好的改良效果。