生物炭輸入對灌耕風(fēng)沙土團(tuán)聚體及養(yǎng)分含量的影響

張?jiān)剖?，唐光木，葛春輝，蒲勝海，徐萬里

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成單元[1]，土壤顆粒之間通過團(tuán)聚化作用形成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體的結(jié)合狀態(tài)就是土壤結(jié)構(gòu)。團(tuán)聚體是形成良好土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠綜合反映土壤整體的肥力狀況[2]。生物炭是指生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下經(jīng)高溫?zé)峤馓炕a(chǎn)生的一類難熔的、高度芳香化的固態(tài)物質(zhì)[3，4]。侯曉娜等[5]研究表明，不同有機(jī)物料處理對>2.0 mm團(tuán)聚體含量影響較大，單施生物炭有利于0.053～0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量的增加；施用秸稈有利于0.50～2.0 mm團(tuán)聚體含量的增加。史振鑫等[6]研究表明，與施用化肥相比，牛糞可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的組成和穩(wěn)定，腐解后的牛糞不僅促進(jìn)土壤中大團(tuán)聚體的形成，還有利于改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性。于銳等[7]研究表明，有機(jī)肥、化肥混施有利于大團(tuán)聚體的形成，促進(jìn)形成良好的土壤結(jié)構(gòu)。而楊天悅等[8]研究也表明牛糞添加農(nóng)林廢棄物，可以明顯增加土壤中大團(tuán)聚體的比例，從而改良土壤中團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)。

目前，大部分研究主要集中在施用有機(jī)肥對土壤團(tuán)聚體的影響，而施用生物炭對土壤團(tuán)聚體影響的研究較少，尤其是針對灌耕風(fēng)沙土的尚鮮見報(bào)道，而且許多研究都是短期研究結(jié)果，缺乏生物炭長期定位的田間試驗(yàn)。因此，本研究基于課題組于2010年開始的定位試驗(yàn)，以灌耕風(fēng)沙土為供試土壤，研究生物炭施用6年后對灌耕風(fēng)沙土團(tuán)聚體及土壤養(yǎng)分的影響，以期為生物炭農(nóng)用提供理論參考和技術(shù)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及材料

田間微區(qū)定位試驗(yàn)在新疆和田地區(qū)農(nóng)技推廣中心下屬農(nóng)科所進(jìn)行。該區(qū)屬于暖溫帶極端干旱荒漠氣候，年均氣溫12.5℃，年均降水量為36.4 mm，年均蒸發(fā)量為2 618 mm。試驗(yàn)于2010年整地，2011年春季開始，微區(qū)面積2 m2。土壤質(zhì)地為風(fēng)沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為39.06%、54.00%和6.94%。試驗(yàn)前0～20 cm土層土壤基本理化性狀：pH值8.28，有機(jī)質(zhì)含量13.49 g/kg，全氮0.76 g/kg，速效氮58.2 mg/kg，速效磷8.3 mg/kg，速效鉀134 mg/kg，陽離子交換量(CEC)2.08 cmol/kg。生物炭為從河南三利新能源有限公司購買的小麥秸稈炭，特性如下：pH值8.28，有機(jī)碳670 g/kg，速效磷82.2 mg/kg，速效鉀1 590 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照耕層(0～20 cm)土壤質(zhì)量2 250 t/hm2計(jì)算,試驗(yàn)以不施生物炭為對照，設(shè)3個(gè)生物炭用量處理:67.5 t/hm2(3%BC)、112.5 t/hm2(5%BC)、225.0 t/hm2(10%BC)。每處理化肥投入量相同，生物炭為定位試驗(yàn)開始前一次施入，試驗(yàn)開始后不再施入。

1.3 樣品采集與方法

于2016年作物采收后，將每個(gè)微區(qū)分成三塊區(qū)域，每塊區(qū)域采用5點(diǎn)法采集耕層0～20 cm土壤樣品，混合均勻并仔細(xì)剔除植物殘?bào)w及其他雜物，土壤放置實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)處陰干過篩，測定其理化指標(biāo)。

1.3.1 土壤團(tuán)聚體的分級 將采集的原狀土自然風(fēng)干，當(dāng)土壤含水量達(dá)到土壤塑限時(shí)，用手輕輕地把大土塊沿著自然結(jié)構(gòu)掰成不同大小的土壤團(tuán)聚體，然后在室溫條件下繼續(xù)風(fēng)干。

土壤團(tuán)聚體顆粒的分離采用濕篩法。具體方法：稱取處理好的土壤樣品約10 g放置于鋁盒中，從邊緣慢慢地加水，使土壤吸水回濕，然后置于冰箱冷藏室中平衡過夜，將回濕后的土壤置于0.25 mm和0.053 mm孔徑的套篩上，同時(shí)加蒸餾水淹沒0.25 mm孔徑的篩，浸泡5 min，然后豎直上下振蕩5 min，留在0.25 mm篩上的是>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，0.053 mm篩上是0.053～0.25 mm的微團(tuán)聚體，通過0.053 mm篩的是<0.053 mm的團(tuán)聚體，將收集到的各級團(tuán)聚體分別轉(zhuǎn)移至鋁盒里面，置于水浴鍋上蒸干，放入60℃烘箱中烘干12 h，稱重，計(jì)算各級團(tuán)聚體的含量。

1.3.2 土壤基本理化性狀測定方法 全氮采用凱氏定氮法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法；CEC采用乙酸鈉—火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭輸入對灌耕風(fēng)沙土團(tuán)聚體分布的影響

從表1各級團(tuán)聚體總體分布來看，各處理<0.053 mm粒級團(tuán)聚體含量最高，>0.25 mm的含量最低。與對照相比，各處理>0.25 mm的粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體略有增加但無顯著差異，表明施用生物炭對>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量影響不顯著。

對于0.053～0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量，以對照最高(25.38%)，其次為10%BC處理(24.54%)，最低為5%BC處理(21.08%)。與對照相比，10%BC和5%BC處理的含量分別降低了3.31%和16.94%， 3%BC處理則降低了11.58%。因此，施用生物炭不利于該粒級團(tuán)聚體的形成。

對于<0.053 mm粒級團(tuán)聚體含量，5%BC處理的含量最高(72.88%)，與對照相比差異達(dá)到顯著水平，其次為3%BC 處理(69.59%)，最低為10%BC(68.88%)，分別增加7.32%、2.47%和1.43%。因此，生物炭可促進(jìn)灌耕風(fēng)沙土中<0.053 mm粒級團(tuán)聚體含量的增加。

表1 不同處理土壤團(tuán)聚體分布

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示5%水平差異顯著。下同。

2.2 生物炭輸入對灌耕風(fēng)沙土土壤全量養(yǎng)分的影響

從表2可以看出，經(jīng)過6年的定位試驗(yàn)，不同處理間灌耕風(fēng)沙土土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及CEC含量發(fā)生顯著變化。與對照相比，施用生物炭可以顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及CEC的含量，增加幅度分別為33.6%～93.0%、3.5%～22.4%、12.7%～25.3%，各指標(biāo)均以高量生物炭處理(10%BC)最高。

表2 不同處理土壤全量養(yǎng)分含量變化

2.3 生物炭輸入對灌耕風(fēng)沙土土壤速效養(yǎng)分的影響

從表3可以看出，經(jīng)過6年的定位試驗(yàn)，施用生物炭對灌耕風(fēng)沙土土壤速效氮、速效磷含量影響不明顯，但可以顯著增加土壤速效鉀含量，比對照增加6.9%～14.1%，其中以高量生物炭處理(10%BC)的含量最高。

表3 不同處理土壤速效養(yǎng)分含量變化 (mg/kg)

3 討論與結(jié)論

灌耕風(fēng)沙土是人為耕種形成的一類土壤，養(yǎng)分貧瘠，有機(jī)質(zhì)含量低，保水保肥性能差，是新疆主要的低產(chǎn)土壤之一。尋求有效的土壤改良方式，改善其理化性質(zhì)，培肥土壤，對該區(qū)域作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。而生物炭具有快速增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性狀，降低肥料損失等特點(diǎn)[9，10]。葛春輝等[11]研究結(jié)果顯示，生物炭施入沙質(zhì)土壤后，對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體無明顯影響。本研究結(jié)果與此結(jié)論基本一致，經(jīng)過6年的定位試驗(yàn)，生物炭施入灌耕風(fēng)沙土后，對>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量影響不明顯，可促進(jìn)土壤中<0.053 mm粒級團(tuán)聚體含量增加。這可能與土壤類型有關(guān)，試驗(yàn)土壤為灌耕風(fēng)沙壤土，土壤粘粒含量比較低，不利于>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。

本研究表明，施用生物炭可以顯著增加灌耕風(fēng)沙土土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及CEC的含量，且隨著生物炭施用量的增加，三者含量也隨之提高。主要因?yàn)樯锾烤哂休^多的官能團(tuán)和較強(qiáng)的吸附能力，可以吸附硝酸鹽、銨鹽及其他水溶性鹽離子，增加土壤CEC含量，降低土壤養(yǎng)分的淋溶損失。張晗芝等[12]通過盆栽試驗(yàn)顯示，土壤中的有機(jī)碳含量隨著生物炭施用量的增加逐漸增加，與本研究結(jié)果相一致。生物炭施入土壤后有機(jī)質(zhì)含量增加，可能是因?yàn)樯锾磕芪酵寥乐械挠袡C(jī)分子，通過表面催化活性促進(jìn)小的有機(jī)分子聚合成土壤有機(jī)質(zhì)。

灌耕風(fēng)沙土施入生物炭增加土壤速效鉀含量?？赡苁且?yàn)樯锾勘旧砗休^高濃度的可供植物吸收利用的鉀元素。Xu等[15]研究表明，隨著小麥秸稈生物炭施入量增加，堿性土壤對磷的吸附能力變小，磷的有效性增加。本研究結(jié)果與之相反，可能是由于在石灰性土壤中施入生物炭后，土壤對磷的吸附能力也隨之增加，降低了磷的有效性[16]。生物炭影響土壤磷有效性的主要機(jī)制仍然不明確。

綜上所述，經(jīng)過6年的定位試驗(yàn)，灌耕風(fēng)沙土施入生物炭對>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體影響不明顯，不利于0.053～0.25mm粒級團(tuán)聚體的形成，可促進(jìn)<0.053 mm粒級團(tuán)聚體含量的增加。與對照相比，灌耕風(fēng)沙土施入生物炭可以顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、CEC及速效鉀含量，其中以高量生物炭處理(10%BC)增加最多，分別增加93.0%、25.3%、22.3%、14.1%；灌耕風(fēng)沙土施入生物炭對土壤速效氮、速效磷含量影響不明顯。