黑麥草和生物炭對喀斯特地區黃壤養分影響研究

宋丹丹,何丙輝,羅松平,吳耀鵬

(西南大學資源環境學院，三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400715)

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

目前我國針對草本植物或生物炭與土壤養分方面的研究雖多，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，而對喀斯特地區黃壤研究相對較少；影響因素上，多數針對單一措施對土壤養分或植株生長量的影響，鮮有研究植株和生物炭組合模式對養分作用的報道；施加比例上，已有研究中生物炭比例梯度較少。針對上述已有研究的不足，本研究以貴州省播州區黃壤為對象，選擇6種不同比例(CK、1%、3%、5%、7%、9%)生物炭和根系發達的鄉土植物黑麥草進行室內盆栽試驗，測定土壤有機質、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分的變化特征，以期為緩解喀斯特地區黃壤植物生長養分限制因子和合理培肥制度提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料性質

1.1.1供試土壤 試驗所用黃壤取自貴州省播州區鴨溪鎮(27°37′00″ N，106°37′00″ E)。該區所在流域屬烏江水系偏巖河支流的上游，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季風氣候。小流域內的巖性以灰巖、結晶灰巖、泥灰巖和頁巖為主，土壤以黃壤土為主，平均土層厚度為50～70 cm，呈酸性，有機質含量少，土壤肥力低下，是貴州典型黃壤的代表。供試土壤有機質含量為(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 草種選用美國進口一年生黑麥草(L.multiflorum)，該品種生長迅速、再生能力強，產草量高，適宜土壤pH值為6～7。適宜生長溫度12～27 ℃，播種深度1.5～2.0 cm，株高達到20～30 cm后進行初次刈割。

1.1.3生物炭 試驗所用生物炭系購于陜西億鑫生物能源科技開發有限公司(原料為蘋果樹枝條，在高溫475 ℃不完全缺氧條件下熱解而成)，其基本化學性質如下：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 試驗設計與步驟

試驗于2016年10月在西南大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室基地1號大棚內進行。將野外采集的試驗用土(黃壤)，均勻攤開，去除樹葉、礫石等雜質，自然風干后過5 mm篩；試驗設計12個處理，分別為：裸地對照(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)。每個處理設置3次重復。采用36個盆缽(高21.5 cm，上口徑22.0 cm，下口徑18.5 cm)，按試驗設計分別裝填土壤和生物炭，控制每個盆缽內土壤+生物炭總質量為5.5 kg。保證盆缽裝填后內裝土面平整，且低于盆緣約2 cm。將約20粒黑麥草種子均勻播撒在盆缽土面表層，并用薄土均勻覆蓋。控制大棚溫度16～18 ℃，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黑麥草株高達到20 cm及以上)后采集土壤樣品(0～10 cm)，然后在室內風干、過篩，用于測定土壤化學性質，包括有機質、pH值、全磷、有效磷以及全鉀和速效鉀。

1.3 化學性質測定

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

1.4 數據處理

采用Excel 2010軟件作圖，SPSS 18.0軟件進行單變量分析和Pearson相關分析。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質和pH值變化

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

圖1 不同處理對土壤有機質和pH值的影響Fig.1 Impacts of different treatments on soil organic matter content (OM) and pH value

與CK對比，黑麥草+生物炭組合模式(RB)土壤有機質含量和pH值均隨生物炭比例增大而增加，其增加倍數符合三項關系式，分別為有機質：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。這說明在低生物炭比例下，土壤中有機質含量和pH值增大幅度較小，中度比例下二者含量迅速上升，高比例時上升趨勢緩慢。經單變量分析，RB對土壤有機質和pH值作用顯著(P<0.01)。將R和BLB做比較，發現BLB中有機質含量均高于R，增大倍數范圍為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對比分析，顯示除了生物炭比例為7%時，其余比例下相應BLB中有機質含量和pH值均大于RB，7%時相反。相較R而言，組合模式RB均能增加有機質含量，增大范圍為6.42～52.44 g·kg-1。土壤pH值僅在RB1時降低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發育必需礦質元素之一，確保植物正常代謝生長，增強植物抗寒抗旱能力。喀斯特黃壤呈酸性，存在嚴重缺磷現象。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。經單變量分析，RB對土壤全磷(P<0.01)和有效磷(P<0.05)作用顯著；2)對比分析R和BLB，發現BLB全磷和有效磷含量均高于R，尤其是有效磷變化值，增大倍數為7.28～16.71倍；3)比較BLB和RB發現，RB全磷含量在1%，5%、9% 小于BLB，3%和7%時相反，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必需礦質元素，能促進植物碳水化合物合成以及呼吸作用正常運行。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對比，黑麥草+生物炭組合模式RB全鉀含量在1%時小于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。經單變量分析，RB對土壤全鉀和速效鉀作用顯著(P<0.01)；2)比較分析R和BLB，發現BLB中全鉀和速效鉀含量均大于R；3)對比BLB和RB，全鉀無明顯規律，但RB速效鉀含量僅在7%時低于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分間的相關性分析

運用SPSS 18.0對生物炭比例和土壤各養分指標間進行相關性分析，其分析結果見表1。

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

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

注：**代表P<0.01水平上顯著相關。

Note: ** indicates significant at the 0.01 level.

3 討論

喀斯特黃壤單植黑麥草，土壤中有機質、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養分有影響[19]。本研究在黑麥草生長初期，根系不發達，分泌物較少。黑麥草生理活動能量不單通過光合作用獲得，更主要通過根系直接從土壤中攝取，土壤消耗量大于積累量。喀斯特黃壤呈酸性，植物在酸性土壤中會抑制對陽離子的吸收，釋放OH-，導致土壤pH值增大。黑麥草作為禾本科植物，通過吸收大量鉀素，加強光合作用強度，促進體內糖類形成和轉化。同時，土壤酸性過高，會影響土壤中有效性養分含量[20]。根系生長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酸活化無機磷，或釋放堿性磷酸酶，增加土壤中有機磷含量[19]。

生物炭自身含有較高的養分含量，就速效鉀而言，占全鉀的27.53%。生物炭施入土壤后，表面經過一定時間氧化，部分養分可直接進入土壤[21]。本試驗研究發現，單施生物炭、黑麥草+生物炭組合模式均能顯著提高土壤養分含量。各養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論一致[6,15]。生物炭具有較多大孔隙結構，比表面積大，保證土壤在保存水分的同時，吸收土壤中養分元素，增加土壤肥力。喀斯特黃壤質地較為黏重，隨著生物炭比例增大，土壤中孔隙增多，土壤養分含量同樣增大。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。進一步研究發現，單施不同比例生物炭對各養分含量的作用均大于單植黑麥草，說明生物炭對土壤養分的影響起主導作用，不僅因為生物炭自身養分含量高，也可能是土壤養分對生物炭和黑麥草根系的敏感性不同所致；而RB7中有機質、pH值、全磷、全鉀、速效鉀含量均大于BLB7，其余比例RB均小于BLB。生物炭促進植物生長[8]，在一定限度內，促進作用隨生物炭比例增大而增大，黑麥草對養分吸收增強。當升高到一定限度(7%)，抑制黑麥草生長，對養分消耗量減少。繼續增加到9%時，生物炭本身養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質、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，說明植物生長根系分泌物增多，促進營養物質溶解。黑麥草+生物炭組合模式對土壤養分的影響不能簡單地歸結為積極或者消極合作。由于技術限制和研究局限性，無法定量監測到兩者共同作用時生物炭或黑麥草對土壤整體養分的作用量[23]。這一點有待于進一步開展試驗研究。

通過對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)對喀斯特黃壤養分參數分析表明，3種布設措施對黃壤養分改良的強弱順序表現為：BLB>RB>R。但考慮到喀斯特黃壤地區土層較薄，易發生地下漏失、黑麥草生長最適酸堿度(pH 6.0～7.0)等因素，黑麥草根系能有效改善土壤結構[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)是有效改善土壤養分性質的布設措施，有利于緩解黃壤肥力低下和質地粘重障礙。

4 結論

1)單植黑麥草能增大土壤中pH值和速效磷含量，降低有機質、全磷、全鉀以及速效鉀含量，這說明黑麥草在酸性土壤中會抑制陽離子的吸收，釋放OH-。同時，在生長初期對土壤養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質、pH值、全磷、速效磷以及全鉀和速效鉀含量，且各養分含量隨生物炭比例增大而顯著增大(P<0.01)。

3)整體來說，黑麥草+生物炭組合模式對土壤的改良效果低于單施生物炭，但強于單植黑麥草；單施生物炭效果強于單植黑麥草。生物炭不僅增加了土壤養分含量，也促進了黑麥草的生長吸收。組合模式中生物炭起主導作用。

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

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