牦牛廢棄物對沙化土壤養(yǎng)分淋溶損失的影響

歐盛業(yè)，丁 黎，余寧爾，吳勝春,2，梁 鵬,2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點實驗室，浙江 杭州 311300）

土地沙漠化是全球性的環(huán)境問題。土壤沙化不但使生態(tài)環(huán)境惡化，而且對社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展也產(chǎn)生深遠影響[1]。根據(jù)《第5次全國荒漠化和沙化狀況公報》，截至2014年，全國沙化土地總面積172.12 萬km2，占國土總面積的17.93%。對比《第4次全國荒漠化和沙化狀況公報》，雖然土壤沙化總體呈現(xiàn)被遏制的態(tài)勢，但沙化治理形勢依然嚴(yán)峻，引起的生態(tài)負(fù)效益仍不容忽視[2?3]。四川省阿壩州紅原縣位于青藏高原東南部四川省阿壩州，海拔平均3 552 m，地勢起伏平坦。主要為沼澤、草甸、灌叢、森林四大植被類型，主要土壤類型為沼澤土、亞高山草甸土、風(fēng)沙土[4]。根據(jù)當(dāng)?shù)卣y(tǒng)計數(shù)據(jù)，紅原縣沙化土地面積為4 450 hm2，輕度沙化面積為378 hm2，其余為中度沙化土壤；過度放牧是引起當(dāng)?shù)赝寥郎郴闹饕梢颉Ｔ摰貐^(qū)年均降水為754 mm，80%是集中在5?9月，而且多為雷陣雨和暴雨[5]。土壤及養(yǎng)分流失的隱患較為突出。紅原發(fā)達的畜牧業(yè)導(dǎo)致每年產(chǎn)生的牲畜糞便數(shù)量驚人，特別是牦牛Bos grunniens糞，僅僅紅原縣瓦切鄉(xiāng)年產(chǎn)生量就高達59萬t·a?1。然而，當(dāng)?shù)匾苑贌鳛殛笈＜S的主要處理方式，效率較低。如何充分利用當(dāng)?shù)刎S富的牦牛糞資源開展沙化土壤治理是本研究關(guān)注的重點。傳統(tǒng)的畜禽糞便就是良好的有機肥料，含有大量的有機質(zhì)、礦物質(zhì)等[6?7]。此外，生物質(zhì)炭是當(dāng)前廢棄物資源化利用的研究熱點之一，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對牛糞熱解制備生物質(zhì)炭以及牛糞生物質(zhì)炭改良土壤進行了初步的探索。施加適量的生物質(zhì)炭可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機質(zhì)含量和提高土壤微生物活性，有利于作物生長發(fā)育，增加產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)收益[8]；DUAN等[9]探討在牛糞堆肥過程中，生物質(zhì)炭單獨與菌群改良劑聯(lián)合使用對改善土壤微生物群落和增強土壤酶活性有積極作用。另有研究表明：聚丙烯酰胺(PAM)可以改善土壤的物理性狀[10]，保持土壤良好的透氣性和保水性，還可以防治水土流失，與分散的土壤顆粒形成大團聚體，增強表層的抗沖蝕能力[11]。目前基于牦牛糞制備生物質(zhì)炭或者堆肥對土壤改良的研究報道較少。同時，考慮到紅原縣沙化土壤特性，PAM可以有效改變沙化土壤粒徑組成，因此，本研究以紅原縣當(dāng)?shù)刎S富的牦牛糞為基質(zhì)，制備生物質(zhì)炭和堆肥產(chǎn)品，通過實驗室模擬研究，驗證炭肥產(chǎn)品的混施以及添加PAM來進行沙化土壤改良、以減少滲流造成的土壤養(yǎng)分流失的可行性。

1 材料與方法

1.1 供試肥料及制備方法

土樣采自紅原縣瓦切鄉(xiāng)野外沙化草甸的0～40 cm土層，混合均勻后備用。牦牛糞生物質(zhì)炭、牦牛糞堆肥產(chǎn)品是向當(dāng)?shù)啬撩裉庂徺I新鮮牦牛糞進行制備。牦牛糞生物質(zhì)炭的制備依照丁黎等[12]的生物質(zhì)炭制備方法，在熱解爐中以600 ℃高溫?zé)峤狻ｊ笈＜S堆肥環(huán)境為40 ℃恒溫大棚。牦牛糞堆肥基本理化性質(zhì)為有機質(zhì) 128.30 g·kg?1，全氮 33.79 g·kg?1，總磷 7.97 g·kg?1，全鉀 14.35 g·kg?1。牦牛糞基生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)為有機碳357.32 g·kg?1，全氮11.85 g·kg?1。PAM購自山東寶莫生物化工股份有限公司。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗設(shè)計 從2016年9?11月，周期為60 d。淋溶土柱為聚丙烯(PP)圓柱體(圖1)，內(nèi)徑為9.7 cm，高為48.3 cm。用鉆孔機在土柱上從下往上每10 cm鉆1個孔，共4個孔，以此模擬40 cm深的土層。每個小孔安裝1個土壤溶液采集器，收集土壤浸出液，模擬水分流失。共設(shè)置4個處理：單施堆肥處理(H1)，炭肥混施(1∶1)處理(H2)，以及單施生物質(zhì)炭處理(H3)，此外，另設(shè)定不添加炭肥的空白處理(H0)。同時，在上述同樣處理的基礎(chǔ)上再對應(yīng)地添加PAM，構(gòu)成添加PAM區(qū)組(分別記為h0、h1、h2、h3)，共計8個處理(表1)，每個處理設(shè)3個重復(fù)，供試土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.20 g·kg?1，全氮1.71 g·kg?1，總磷 0.38 g·kg?1，速效磷 7.7 mg·kg?1。制作土柱時，首先在土柱 20～40 cm 處加入沙化土壤，經(jīng)稱量為1 500 g，再將改良材料和同質(zhì)量的1 500 g土壤混合均勻后再加入0～20 cm土柱，加入炭肥改良材料的質(zhì)量為土壤質(zhì)量的3%，為45 g。根據(jù)紅原縣當(dāng)?shù)亟涤炅浚M降水注入超純水，2 d加1次水，每周收集1次土壤溶液采集器中的水樣。

圖 1 土柱實驗示意圖Figure 1 Schematic diagram of the soil column experiment

表 1 實驗設(shè)置Table 1 Experimental treatments

1.2.2 土壤樣品采集及處理 土壤樣品的采集時間分別是第1、15、30、45、60天，共5次。每次分層采集土柱中的土壤。每次采集用特制的細(xì)孔徑取土鉆取土20 g。裝入自封袋扎孔后放入凍干機中凍干。凍干后用研缽磨細(xì)分別過60目篩和100目篩備用。

1.2.3 分析項目及方法 參照參考文獻[13]測定分析土壤樣品養(yǎng)分，測定的土壤養(yǎng)分為：全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有機質(zhì)、土壤pH、總磷、有效磷。為有效評價PAM的添加對外源物質(zhì)(牦牛糞炭和堆肥)中養(yǎng)分淋溶的影響，用以下公式計算外源養(yǎng)分淋溶率：

R=(wT2?wck2)/(wT1?wck1)×100%。

其中：wT1和wT2為處理組，ck為空白對照組，1代表0～20 cm土壤上層養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，2代表20～40 cm土壤下層養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，外源養(yǎng)分淋溶率值越小表示養(yǎng)分淋溶率越低。(wT2?wck2)為處理組和對照組下層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之差，(wT1?wck1)為處理組和對照組上層養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之差。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 利用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理，采用Sigma Plot 13.0軟件制圖，運用SPASS 22.0并選擇Brown-Forsythe和Tamhane’s T2方法對結(jié)果進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 牦牛糞生物質(zhì)炭及其堆肥對土壤酸堿度的影響

如圖2所示：處理60 d時，施用生物質(zhì)炭和堆肥產(chǎn)品均可以顯著提高0～20 cm土壤的pH值(P＜0.05)，但20～40 cm與對照相比差異不顯著。總體來說，在施用PAM的區(qū)組中0～20 cm土壤pH值要高于20～40 cm；而未施用PAM的區(qū)組中，各個土層的pH值差異不顯著。

圖 2 不同處理60 d時土壤pH值Figure 2 pH values in the soils with different treatments at the 60th day

2.2 牦牛糞生物質(zhì)炭及其堆肥對土壤氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

經(jīng)統(tǒng)計分析，60 d時，h0處理在0～20 cm土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于h1、h2、h3處理(P＜0.05)。與h0相比，h1、h2、h3處理土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加163%、255%、227%(圖3A)。而在未添加PAM區(qū)組中(圖3B)，H0在0～20 cm土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于H1、H2、H3處 理 (P＜ 0.05，F(xiàn)=344)。與 H0相比，H1、H2、H3處理分別增加 43.5%、71.2%、54.0%(圖3B)。H1、H2、H3土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著深度增加而下降。

圖 3 土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 3 Total nitrogen contents in the soils with different treatments

4個處理中，未添加PAM區(qū)組外源養(yǎng)分全氮的淋溶率分別為23.5%、12.8%、26.5%，而添加PAM區(qū)組外源養(yǎng)分全氮的淋溶率為5.4%、3.2%、8.3%。可以發(fā)現(xiàn)炭肥混施(H2和h2)在各自處理中淋溶率最低。

在60 d時，各處理土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖4。添加PAM區(qū)組中，0～20 cm土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于20～40 cm，單施生物質(zhì)炭和炭肥混施效果最顯著(P＜0.05)。而在未添加PAM區(qū)組中，H1、H2、H3處理的20～40 cm土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于H0，0～20 cm土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于20～40 cm(P＜0.05)。與H0相比，H1、H2、H3處理分別增加7.8%、24.1%、19.8%。

圖5為土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖。60 d時，添加PAM區(qū)組中，0～20 cm土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于20～40 cm(P＜0.05)；而未添加PAM區(qū)組中各處理無顯著性差異(P＞0.05)。H1、H2、H3處理外源養(yǎng)分銨態(tài)氮淋溶率分別為40.8%、20.7%、49.2%，h1、h2、h3處理外源養(yǎng)分銨態(tài)氮淋溶率分別為34.9%、25.5%、34.8%(圖 5)。

圖 4 土壤硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 4 Nitrate nitrogen contents in the soils with different treatments

圖 5 土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 5 Ammonium nitrogen content in the soils with or without PAM for different treatments

2.3 牛糞生物質(zhì)炭及其堆肥對土壤磷素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及形態(tài)的影響

各處理土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢如圖6所示。除空白處理外，各處理0～20 cm土壤中總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于20～40 cm(P＜0.05)；20～40 cm土壤中總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～45 d內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢，在45 d后，總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。60 d時，H1、H2、H3總磷淋溶率分別為16.5%、11.4%、19.3%，而h1、h2、h3組總磷淋溶率為6.3%、4.3%、9.1%。

經(jīng)統(tǒng)計分析，添加PAM區(qū)組各處理土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異(P＜0.05)。0～20 cm層土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在處理期間整體呈下降趨勢，而在20～40 cm層土壤中則變化幅度較小(圖7)。總體來說，未添加PAM區(qū)組各處理土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在顯著差異(P＜0.05)，20～30 cm層土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～30 d表現(xiàn)上升趨勢，并在30 d達到峰值，隨后逐漸下降。

圖 6 土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 6 Total phosphorus contents in the soils with different treatments

2.4 牛糞生物質(zhì)炭及其堆肥對土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

如圖8所示：60 d時，添加PAM區(qū)組中0～20 cm土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于20～40 cm(P＜0.05)，與h0相比，h1、h2、h3處理土壤pH分別增加230%、341%、321%。未添加PAM區(qū)組中0～20 cm土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于20～40 cm(P＜0.05)。與H0相比，H1、H2、H3處理有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加322%、530%、515%。H1、H2、H3外源養(yǎng)分有機質(zhì)的淋溶率分別為19.0%、11.2%、15.9%，h1、h2、h3組有機質(zhì)淋溶率為5.1%、1.2%、5.9%。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭與堆肥配施對沙化土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

生物質(zhì)炭施入土壤后顯著提高了土壤pH值，因為生物質(zhì)炭表面的?COO?和?O?等有機官能團和生物質(zhì)炭中的碳酸鹽是堿性的主要存在形態(tài)[14]。添加熱解生物質(zhì)炭能提升土壤的pH值，但畜禽糞便制成的生物質(zhì)炭因含有更多的灰分，要較木炭和秸稈有更高的pH值[15]。有研究表明：生物質(zhì)炭對于酸性或者弱酸性沙化土壤提高pH的效果較為理想[16]。本研究的結(jié)果與之相一致，因為牦牛糞堆肥的pH為7.1，低于生物質(zhì)炭[17]。由此可以得出，生物質(zhì)炭與堆肥之比中所占的比例不同，其對土壤酸堿度的改良程度也不同，生物質(zhì)炭所占比例越多則土壤的pH越高。

添加生物質(zhì)炭可導(dǎo)致土壤水向下遷移速度減慢，從而使得在一定時間內(nèi)全氮的淋溶率降低，這與王燕等[18]、楊放等[19]和蓋霞普[20]的研究結(jié)果一致，其原因是生物質(zhì)炭改變土壤容重和增加孔隙度，從而提高土壤儲水能力，增加土壤溶液中氮素在各土層中的持留時間，減少全氮的淋溶量[21?23]。根據(jù)不同處理的氮素淋溶率結(jié)果可知：單施堆肥效果要優(yōu)于單施生物質(zhì)炭，這是由于堆肥氮素含量顯著高于生物質(zhì)炭，而且添加堆肥后可以增加土壤容重減少孔隙度，減少養(yǎng)分淋溶，而炭肥混施后可以抵消單獨施用時養(yǎng)分淋溶和養(yǎng)分含量提升不夠的問題，可以顯著減少土壤中全氮的淋溶率。

圖 7 土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 7 Available phosphorus contents in the soils with different treatments

炭肥混施可以增強土壤的硝化作用[24]，生物質(zhì)炭通過提高土壤氨氧化細(xì)菌的豐度間接促進銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的催化氧化[25]，堆肥提高土壤中硝化細(xì)菌的活性，促進了硝化反應(yīng)的進程[26]。研究周期中，硝態(tài)氮的淋溶遠高于銨態(tài)氮，這是由于土壤黏土礦物顆粒帶負(fù)電，生物質(zhì)炭表面也帶負(fù)電，對銨態(tài)氮的吸附能力較強[27]，還有一部分銨態(tài)氮通過硝化反應(yīng)形成硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮帶負(fù)電荷，不易被土壤吸附，會隨著模擬降水不斷向下淋溶，使得含量降低[27]。另外，單施堆肥僅能顯著提高土壤中氮素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但無法有效抑制養(yǎng)分滲流；而炭肥混施則可有效減少養(yǎng)分的淋溶損失。謝勝禹等[28]研究表明：加入生物質(zhì)炭可以降低堆肥中銨態(tài)氮的損失。本研究中添加了炭肥混施效果最顯著，與上述結(jié)果相符合。

0～45 d土壤30～40 cm處總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢，45 d后，總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為下降趨勢，只是因為前期上層土壤磷素淋溶，后期上層磷素釋放減少。空白對照組中，土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨淋溶的進行保持水平，無明顯變化；土壤總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)明顯升高趨勢的主要原因為生物質(zhì)炭和堆肥中磷素的釋放，土壤有機物料中的水溶性磷與土壤淋溶液中的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)[29]。有研究表示：炭肥混施后，作為外源輸入功能材料，直接或間接參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中的磷素循環(huán)，并對土壤磷素物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生重要影響[30]。一方面，生物質(zhì)炭夠吸附土壤中磷元素，減少流失；另一方面，生物質(zhì)炭熱解炭化有機磷化學(xué)鍵的斷裂，極大提高了磷的有效性[31?33]。

有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加是因為生物質(zhì)炭和堆肥產(chǎn)品本身能夠增加土壤中有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，生物質(zhì)炭作為一種本身有著大量有機質(zhì)的改良劑，可以提高土壤中有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且具有巨大的比表面積和良好的吸附和固定能力，能吸附土壤中的有機物[34]。MIDDELBURG等[35]研究證實：生物質(zhì)炭有助于土壤有機質(zhì)的積累，土壤中生物質(zhì)炭表面可被部分輕度氧化形成羰基、酚基和醌基，提高土壤的陽離子交換量，增加對有機質(zhì)的吸附[36]。同時堆肥具有很高的有機質(zhì)含量，可以顯著提高土壤中有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.2 PAM添加對沙化土壤養(yǎng)分滲流的影響

單施炭肥可以提升土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但沒有有效改善其滲流的狀況。炭肥混施不僅能提高有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)還能抑制淋溶情況，添加PAM后可以抑制養(yǎng)分滲流的情況。單施炭肥同樣無法改善磷素滲流的情況，炭肥混施后才能有效抑制土壤磷素滲流，添加PAM后外源養(yǎng)分淋溶率下降說明炭肥混施并添加PAM可以抑制土壤中磷素的流失。

根據(jù)外源養(yǎng)分淋溶率可知，炭肥混施組中全氮下降9.6%，總磷下降7.4%，有機質(zhì)下降10.1%，單施炭肥有效降低外源養(yǎng)分淋溶率。因此可知，添加PAM可以顯著減少土壤中養(yǎng)分淋溶率。有研究指出：PAM是通過分子結(jié)構(gòu)中的基鍵與土壤顆粒間形成吸附力，維系土壤結(jié)構(gòu)，防止土壤結(jié)皮，提高土壤入滲率，減小地表徑流，減輕土壤侵蝕，增強土壤保肥能力[37]，與分散的土壤顆粒形成大團聚體，增強表層的抗沖蝕能力，大幅度減少土壤中氮磷鉀等營養(yǎng)元素的損失[38]。

圖 8 土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 8 Organic matter contents in the soils with different treatments

4 結(jié)論

牦牛糞生物質(zhì)炭及其堆肥產(chǎn)品混施對川西北沙化土壤養(yǎng)分滲流損失的抑制能力要優(yōu)于單施生物質(zhì)炭和單施堆肥處理。炭肥混施能夠有效改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤全氮、硝態(tài)氮、總磷、有效磷和有機質(zhì)，分別提升255%、24%、120%、78%、530%。添加PAM可有效減少0～20 cm土壤養(yǎng)分滲流，全氮淋溶率減少9.6%，總磷減少7.1%。因此，利用紅原當(dāng)?shù)氐年笈＜S資源進行沙化土壤治理是確實可行的，并且可為后續(xù)的植被恢復(fù)奠定良好的基礎(chǔ)。