生物炭對鹽漬土理化性質和紫花苜蓿生長的影響

張進紅 吳 波 王國良 賈春林

(1.山東省農業可持續發展研究所， 濟南 250100； 2.農業農村部華東都市農業重點實驗室， 濟南 250100)

0 引言

黃河三角洲地區瀕臨渤海灣及萊州灣，土地資源豐富，且黃河每年新淤土地1 000 hm2左右，是中國東部沿海后備土地資源最好、開發潛力較大的地區[1]。由于受氣候條件、土壤母質、海水以及沉積環境等因素影響，該地區鹽漬化土壤廣為分布[2]。隨著糧經飼三元種植結構不斷調整，被譽為“牧草之王”的紫花苜蓿種植產業在黃河三角洲地區迅速發展，栽培面積日益擴大，但土壤鹽漬化嚴重影響了該地區紫花苜蓿的生產力。

生物炭是農林廢棄物等生物質在缺氧或無氧條件下經熱裂解形成的穩定、高度芳香化的富碳產物[3]，近年來，生物炭被廣泛應用于土壤改良。生物炭豐富的孔隙結構不僅為微生物生長繁殖提供良好場所，其巨大的比表面積和表面能還可促進土壤團聚體形成[4]、減少養分流失[5]、減緩鹽分脅迫[6]，從而改善土壤養分和結構狀況，促進作物生長和產量提高[7]。因此，將農業廢棄物轉化為生物炭、將生物炭作為土壤改良劑再還田改土是一項多贏策略[8]。

通過生物炭耦合作物根系，增強或減弱生物化學反應強度，從而減緩資源限制作用，并降低機械阻力，進而影響作物生理生化反應及生產力，這一過程被認為可以較全面地解釋生物炭—土壤—作物連續體之間的相互作用關系[9-10]。但關于生物炭改善鹽漬化土壤性質，進而提高紫花苜蓿生產力的研究尚不多見。本文采用盆栽試驗方法，研究不同生物炭用量對黃河三角洲鹽漬化土壤養分、鹽分、結構和紫花苜蓿生產力的影響，采用灰色關聯度模型評價生物炭在鹽堿地的應用效果，以期為黃河三角洲鹽堿地區選擇性應用生物炭和促進紫花苜蓿增產提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤采自東營農高區(山東省農業科學院東營試驗示范基地)0～20 cm土層，風干，過2 mm篩備用。供試土壤為砂壤土，pH值為7.34，電導率為452 μS/cm，有機質含量(質量比，下同)為18.72 g/kg，堿解氮含量為25.96 mg/kg，速效磷含量為23.64 mg/kg，速效鉀含量為720.0 mg/kg。生物炭為杏仁殼生物炭，pH值為8.07，電導率為1 665 μS/cm，有機質含量為517.21 g/kg，堿解氮含量為34.07 mg/kg，速效磷含量為145.76 mg/kg，速效鉀含量為6.90 g/kg。供試作物為魯苜1號紫花苜蓿。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗方法，稱取1.2 kg土壤，分別按質量分數0、0.5%、1%、2%、5%和10%加入生物炭(記為CK、B0.5、B1、B2、B5、B10)，混合均勻后裝入直徑14.5 cm、深度13 cm的塑料盆缽中，加水飽和過夜后，播種魯苜1號紫花苜蓿，播深2 cm，出苗后毎盆定苗5株，每個處理3次重復。紫花苜?，F蕾初期試驗結束。

1.3 測定指標及方法

1.3.1紫花苜蓿

利用直尺法測量苜蓿株高，干燥法測定苜蓿干草產量，分光光度法測定苜蓿葉片葉綠素含量，凱氏定氮法測定粗蛋白(Crude protein，CP)含量，濾袋法測定苜蓿中性洗滌纖維(Neutral detergent fibir，NDF)含量和酸性洗滌纖維(Acid detergent fibir，ADF)含量，干物質消化率(Digestible dry matter，DDM)、干物質采食量(Dry matter intakes，DMI)、相對飼喂價值(Relative feed value，RFV)和凈能(Net energy，NE)計算公式為

DDM=88.9-0.779ADF

(1)

DMI=120/NDF

(2)

RFV=0.775DDMDMI

(3)

NE=2.205(1.004-0.011 9ADF)

(4)

1.3.2土壤

(1)土壤養分指標測定

采用pHS-3C型pH計測定pH值，采用重鉻酸鉀外加熱法測定有機質含量，凱氏定氮法測定全氮含量，連續性流動分析儀測定銨態氮和硝態氮含量，堿解擴散法測定堿解氮含量，比色法測定全磷和有效磷含量，火焰光度法測定全鉀和速效鉀含量。

(2)土壤結構指標測定

采用環刀法測定容重，烘干法測定含水量，濕篩法測定團聚體含量。采用平均重量直徑(Mean weight diameter，MWD)、幾何平均直徑(Geometric mean diameter，GMD)以及大于0.25 mm的團聚體含量(R0.25)描述土壤團聚體穩定性，計算公式為

(5)

(6)

(7)

wi——i粒級團聚體質量比

mi——不同粒級團聚體的質量

MT——團聚體總質量

MT>0.25——大于0.25 mm團聚體質量

(3)土壤鹽基離子含量測定

1.4 基于灰色關聯分析的生物炭應用效果評價

1.4.1評價對象與指標體系

以不同用量生物炭處理的土壤和苜蓿為評價對象，選取土壤pH值、有機質含量、全氮含量、堿解氮含量、銨態氮含量、硝態氮含量、全磷含量、有效磷含量、全鉀含量、速效鉀含量、容重、R0.25、MWD、GMD、總鹽量以及苜蓿株高、產量、莖葉比、干鮮比、葉綠素含量、CP、ADF、NDF、DDM、DMI、RFV、NE作為評價指標，構成數據列。所有評價對象的數據列構成數據矩陣。

1.4.2灰色關聯度分析模型

以單項指標的最優值組成灰色關聯分析的參考數列，記為{x0(k)}(k=1,2,…,n)，n為選取的測定指標數。被評價對象的比較數列記為{xi(k)}(i=1,2,…,m)，m為生物炭處理數。用均值化方法對原始數據進行無量綱化處理。關聯系數計算公式為

(8)

其中

Δi(k)=|xo(k)-xi(k)|

式中εi(k)——關聯系數

ρ——分辨系數，取值0.5

關聯度計算公式為

(9)

(10)

其中

式中γi——等權關聯度

γ′i——加權關聯度

w(k)——權重

其中，關聯度越大，表明該處理生物炭利用價值越高。

1.5 數據統計分析

所有數據采用Microsoft Excel 2007進行整理與繪圖，使用SPSS 16.0軟件對數據進行方差分析，采用Duncan法進行多重比較(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 土壤養分含量

與CK相比，生物炭施用后土壤pH值提高了0.09～0.28，B2處理pH值最高，為7.71；土壤含水率無顯著變化；有機質和全氮含量分別增加了16.27%～246.65%和6.38%～58.51%，且生物炭用量越大，兩者增加幅度越大，B10處理有機質和全氮含量分別是B0.5處理的2.98、1.49倍(表1)。與之不同，堿解氮、銨態氮和硝態氮含量隨施炭量的增加呈降低趨勢。生物炭用量0.5%～5%處理全磷和有效磷含量較CK無明顯變化；用量增加至10%，全磷和有效磷含量顯著提高了9.84%和25.46%。不同生物炭用量處理全鉀含量無顯著變化；速效鉀含量隨著施炭量的增加而增加，B10處理時達到688 mg/kg，比CK提高了1.48倍。

按照全國第二次土壤普查推薦的土壤肥力分級標準來看，生物炭施用后有機質、全氮等級由原來的4級分別提高至1級和3級，堿解氮保持在6級標準，有效磷等級由3級提高至2級水平，速效鉀保持在1級標準，說明施用生物炭后黃河三角洲鹽漬化土壤肥力有所提高(表2)。

表2 不同生物炭用量處理的土壤養分等級Tab.2 Soil nutrient grade in different biochar rate treatments

2.2 土壤結構

2.2.1土壤容重

土壤容重顯著降低，且降低幅度隨著生物炭用量增加而增加，B10處理土壤容重僅為CK的84.33%(圖1，圖中不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)，下同)。

2.2.2土壤團聚體組成

與CK相比，B0.5處理在大于2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm粒級團聚體含量顯著提高了71.10%、106.59%和96.77%；其他處理對以上粒級團聚體含量影響效果不顯著(表3)。1%～5%用量生物炭處理0.25～0.50 mm粒級團聚體含量較CK顯著提高了82.90%～97.10%。從微團聚體來看，生物炭施入后，0.053～0.25 mm和0～0.053 mm粒級團聚體含量較CK有所降低，但加大施炭量，降低幅度減?。黄渲蠦10處理差異不顯著，B0.5處理降幅最大，0.053～0.25 mm和0～0.053 mm粒級團聚體含量分別降低40.76%和58.62%。

圖1 不同生物炭用量處理的土壤容重Fig.1 Soil bulk density in different biochar rate treatments

2.2.3土壤團聚體穩定性

B0.5處理MWD和GMD較CK顯著提高了69.73%和205.79%，其他處理間MWD和GMD均無顯著差異(圖2)。本研究土壤團聚體的R0.25為0.42～0.72。與CK相比較，B10處理R0.25差異不顯著，而生物炭用量0.5%～5%處理R0.25顯著提高，但提高幅度隨施炭量的增加而減小，B0.5處理達到最大值，比CK提高72.62%。

表3 不同生物炭用量處理的土壤水穩性團聚體組成Tab.3 Soil water-stable aggregate contents in different biochar rate treatments %

圖2 不同生物炭用量處理的土壤團聚體穩定性Fig.2 Soil aggregate stability in different biochar rate treatments

2.3 土壤鹽分離子

2.3.1土壤水溶性鹽總量和離子含量

圖3 不同生物炭用量處理的土壤鹽分離子含量Fig.3 Soil salt ions contents in different biochar rate treatments

2.3.2土壤鹽分離子比值

低量生物炭(B0.5)處理較CK降低了Ca2+/K+、Ca2+/Na+、Ca2+/Mg2+比值，提高了Mg2+/K+、Mg2+/Na+、Na+/K+比值，表明與CK相比，低量生物炭處理下陽離子聚集程度由小到大為Ca2+、K+、Na+、Mg2+(表4)。除B10外，增加生物炭用量，土壤的Ca2+/K+、Ca2+/Na+、Ca2+/Mg2+比值增加，Mg2+/K+、Mg2+/Na+、Na+/K+比值則呈降低趨勢，可見隨施炭量增加，不同陽離子的富集程度由大到小為Ca2+、K+、Na+、Mg2+。

表4 不同生物炭用量處理的土壤鹽分離子質量比Tab.4 Ratios of soil salt ions in different biochar rate treatments

2.4 紫花苜蓿生長特性

2.4.1產量、株高、莖葉比、干鮮比和葉綠素含量

生物炭施入后，苜蓿產量顯著提高了8.19%～43.00%；增加施炭量，苜蓿產量呈先升后降趨勢，B2處理苜蓿產量達到最高，為4.19 g/盆(表5)。B0.5處理苜蓿株高較CK顯著提高了27.76%，其他處理差異較小。各處理苜蓿莖葉比、干鮮比和葉綠素含量均無顯著性差異。

2.4.2品質指標

不同生物炭用量處理苜蓿的粗蛋白、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量分別在19.05%～19.74%、23.15%～25.03%、29.73%～31.89%之間，差異較小(表6)。各生物炭處理下，苜蓿的干物質采食量、干物質消化率、相對飼喂價值和凈能也均無顯著差異。

表5 不同生物炭用量處理的苜蓿株高、產量、莖葉比、干鮮比和葉綠素含量Tab.5 Plant height, yield, stem-leaf ratio, dry-fresh ratio and chlorophyll content of alfalfa in different biochar rate treatments

表6 不同生物炭用量處理的苜蓿品質Tab.6 Alfalfa quality in different biochar rate treatments

2.5 生物炭施用效果

根據灰色關聯度模型，計算的各處理加權關聯度由大到小為B0.5、B10、B1、B2、B5、CK(圖4)，等權關聯度和加權關聯度分析結果一致，兩者相關系數R=0.987，達到顯著水平。說明施用生物炭改善了鹽漬化土壤理化性質，對苜蓿生長環境產生正面效應，進而促進苜蓿生長。生物炭用量0.5%施用效果最優，用量0～5%范圍內，生物炭施用效果隨著施炭量的增加而降低。B10處理施用效果僅次于B0.5，可能原因是該處理對土壤有機質、全氮、速效鉀等養分含量提高幅度較大。

圖4 不同生物炭用量處理的關聯度Fig.4 Values of correlative degree in different biochar rate treatments

3 討論

3.1 生物炭施用后鹽漬化土壤肥力變化

關于如何提高鹽漬化土壤肥力，利用有效的培肥條件來創造良好的土壤環境是眾多學者關注的焦點，嘗試了不同種類的改良劑，并得到了較多試驗成果[11-12]。其中，基于農業廢棄物資源化利用而制備得到的生物炭應用于土壤改良，近年來成為研究熱點。

生物炭施入鹽漬化土壤后，土壤養分含量隨生物炭用量不同有所差異。本研究中，隨著生物炭用量的增加，鹽漬化土壤有機質、有效磷、速效鉀含量增加，這一結論與生物炭在黑土[13]、黃壤[14]、紅壤[15]等土壤類型中的研究結果基本一致。生物炭提高鹽漬化土壤有機質、有效磷、速效鉀含量的可能原因是生物炭本身含有的豐富營養元素(特別是C、P、K等)，可直接向鹽漬化土壤提供養分，改善植物營養[16]，同時由于表面多孔、富含官能團、帶有正負電荷等特性[17]，可通過吸附、螯合等作用，降低養分淋失[18]。冉成等[19]、趙鐵民等[20]研究指出，隨著生物炭用量的增加，鹽漬化土壤堿解氮、銨態氮和硝態氮含量呈降低趨勢。本研究得到與之相同的結果。可能原因一是生物炭用量增加使土壤碳氮比增大，引起氮的生物固定，導致含量降低[21]；二是施用生物炭改善了苜蓿根際環境，增加了土壤微生物的豐度和活性，促進了苜蓿根系生長和對土壤中速效氮的吸收，進而降低了土壤中堿解氮量[22]。

3.2 生物炭施用后鹽漬化土壤結構變化

生物炭疏松多孔，具有較強的吸附能力，施入土壤后可改善土壤結構[23]。本研究結果顯示，鹽漬化土壤容重隨生物炭施用量的增加呈下降趨勢，這與吳昱等[13]、魏永霞等[24-25]的研究結論一致。適合作物生長的土壤容重為1.00～1.30 g/cm3，本研究中，生物炭施入后鹽漬化土壤容重由1.38 g/cm3降低至1.16 g/cm3，緩解土壤板結，有利于苜蓿生長。

土壤團聚體作為土壤團粒結構的基本單元，是土壤肥力的物質基礎，其含量與穩定性影響土壤質量，是反映土壤結構狀況的重要指標[26-27]。本研究表明，與CK相比，施用低量生物炭增加了大于0.25 mm的水穩性團聚體含量，增加了土壤水穩性團聚體的R0.25、MWD、GMD，提高了團聚體的穩定性?？赡茉蛞皇鞘┯蒙锾刻岣吡他}漬化土壤有機質含量和土壤微生物量，增強了土壤生物活性，從而產生更多的分泌物，形成土壤團聚體的膠結物質，增強了土壤團聚體的穩定性[28]，二是生物炭表面含有多種官能團促進了土壤顆粒團聚作用[29]。本研究中團聚體穩定性指標MWD、GMD和R0.25隨著生物炭用量的增加呈降低趨勢，這與何玉亭等[30]、李偉等[26]報道的紅壤土團聚體穩定性隨著生物炭施用量的增加而提高的結論不同。LIU等[31]發現施用4、8、16 g/kg生物炭對砂質土壤團聚體的穩定性無顯著影響。造成這些差異的原因主要與土壤類型、土壤質地有關。砂土、黏土、壤土對土壤有機碳的吸附能力不同，與大分子有機質形成穩固的有機-無機復合體難易程度也不同，因而對生物炭的響應不同[26]。另外，鹽漬化土壤條件下，過量施用生物炭可能限制了土壤-微生物-生物炭之間的相互作用，從而減緩土壤團聚體的形成過程[27]。

3.3 生物炭施用后鹽漬化土壤鹽分變化

黃河三角洲地區地勢平緩，天然排水能力差，蒸發量是降水量的3倍，土壤鹽漬化問題突出。土壤水溶性鹽含量是鹽堿土的一個重要屬性，是限制作物生長的主要障礙因素之一。韓劍宏等[32]、劉鴻驕等[33]報道指出生物炭降低了土壤鹽分含量，這與本研究結論相一致?？赡苁且驗榫邆涓弑缺砻娣e和多孔結構的生物炭降低了土壤容重，改善土壤孔隙結構，進而促進了土體鹽分離子的淋洗[29，34]。孫運朋等[35]也發現生物炭施入土壤，能提高鹽分的洗脫效果并抑制土壤表層的鹽分積聚。本研究中，加大生物炭用量，土壤鹽分降低的幅度減小，這可能是生物炭本身灰分含量較高，過量施用后生物炭自身的鹽度會引起土壤鹽度的增加。

3.4 生物炭施用后紫花苜蓿生長變化

生物炭施入鹽漬化土壤后，盡管有一些對植物生長無效或負面效果的報道[36-37]，但大部分研究結果顯示，生物炭能夠提高鹽堿地大豆[34]、玉米[38]、水稻[39]、番茄[40]等植物產量。本研究結果也顯示生物炭顯著提高了苜蓿產量。生物炭施用下苜蓿產量增加可能主要與土壤性質的改善相關，從而增加植物水分和養分吸收，調節氣孔導度和植物激素[41-42]。但生物炭對苜蓿營養品質無顯著影響。

4 結論

(1)施加生物炭顯著影響黃河三角洲鹽漬化土壤養分含量。各生物炭處理下土壤有機質和全氮含量較CK至少增加了16.27%和6.38%，且增幅與施炭量呈正相關。隨施炭量的增加，堿解氮、銨態氮和硝態氮含量呈下降趨勢。除B10外，全磷、有效磷和全鉀含量變化較小。

(2)隨施炭量的增加，土壤容重逐漸降低。B0.5處理MWD和GMD較CK顯著提高了69.73%和205.79%，其他處理間MWD和GMD均無顯著差異。生物炭用量為0.5%～5%處理時，R0.25顯著提高，但提高幅度隨著生物炭用量的增加而減小。

(4)生物炭施入后，苜蓿產量提高了8.19%～43.00%，但苜蓿莖葉比、干鮮比、葉綠素含量和品質指標無顯著變化。

(5)灰色關聯度模型評價表明，施用生物炭改善了鹽漬化土壤的理化性質，促進了苜蓿生長；生物炭用量0.5%時施用效果最優。