秸稈生物炭對草原礦區重構土苜蓿生長狀況的影響

黃雨晗,曹銀貴,2,*,周 偉,2,況欣宇,王 凡,白中科,2

1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院,北京 100083 2 自然資源部土地整治重點實驗室,北京 100035

生物炭是植物或廢棄的原料通過熱裂解而產生的固體材料[1],可以單獨或者作為添加劑使用,能夠改良土壤、提高資源利用效率、改善或避免特定的環境污染,以及作為溫室氣體減排的有效手段(國際生物炭協會(IBI),2013)[1- 5]。從南美亞馬遜流域印第安人的黑土壤(Terra Preta)到中國最肥沃的東北黑土地,無一不是地表植被剝落、腐蝕、積累形成厚厚的腐殖質所演化而來的,其中來源于生物質“黑炭”的有機碳含量高達35%[6- 7]。在全球性資源日益匱乏,環境污染問題愈發突出的背景下,生物炭因具備豐富的孔隙結構、巨大的比表面積、大量的植物營養元素、較高的化學穩定性和較強的陽離子交換能力[8- 9],已被廣泛應用于農業、環境及能源等領域[2,10]。

在近二十年的科學研究中,長期的田間試驗為國內外學者準確評價生物炭農用價值提供了重要且可靠的數據[1]。眾多研究表明生物炭作為土壤改良劑,可以改善土壤肥力[11- 12]、促進種子萌發和提高作物產量[13- 16]。近年來關于生物炭對植被生長狀況影響的研究越來越多,例如國外學者Danso等[17]研究發現稻草生物炭能夠提高退化土壤上玉米的干物質總產量、光合有效輻射和輻射利用效率；Jain等[18]研究表明在高酸性礦山廢料中添加生物炭,可以提高植物修復效率,減輕植物的非生物氧化脅迫；Rashti等[19]研究證實通過生物炭進行的根際管理和淋溶可改善新鮮鋁土礦渣中的植物性能。國內學者劉慧敏等[20]研究表明生物炭可以改善谷子幼苗地下根系和地上莖葉形態,提高葉片光合作用和根系對水分和礦質元素的吸收能力,從而促進谷子生物量的積累。且有研究發現適量的生物炭可以改善植被混凝土的特性,提高植被株高、根長及發芽率[21]；隨著生物炭添加量的增加,如小麥與黃花的根長和莖長[22]及高粱幼苗[23]等植被生長特征均呈現出低添加量促進、高添加量抑制的趨勢。但另有研究表明生物炭在制備過程中,因不完全燃燒和熱解所產生的多種多環芳烴化合物[24],會隨生物炭施用量的增加而升高,從而對作物早期生長產生顯著抑制作用[25- 26]。可見,生物炭對植被的影響不僅體現在其性質與功能上,其制備過程與施用方式對植被生長狀況的影響更為顯著[10,13,27- 28]。總的來說,國內現有研究大多集中在生物炭對農作物產量的影響上,關于生物炭對重構土復墾植被生長狀況影響的研究較國外而言少之甚少。

現階段,針對露天礦區損毀土地的復墾與生態修復工作迫在眉睫,土壤重構是其核心,植被重建是其關鍵[29- 30],而中國內蒙古草原礦區地處生態脆弱區,表土稀缺、氣候干旱、土壤貧瘠、植被稀疏等均是阻礙該區生態修復進程的重要因素。因此,本文利用礦區固體廢棄物重構土壤,生物炭改良土壤,以盆栽試驗的方式開展秸稈生物炭對草原礦區重構土苜蓿生長狀況影響的基礎研究,篩選出最佳的生物炭施用方式,為草原礦區土壤重構與植被重建提供新思路,對于推進區域土地復墾與生態修復進程及實現秸稈資源化具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 供試土壤

盆栽試驗所采用的重構土壤原材料來源于內蒙古勝利礦區(115°30′—116°26′ E,43°57′—44°14′ N),包含表土、煤矸石、巖土剝離物(母質與生土混合物)及粉煤灰(表1)。2018年,于中國地質大學(北京)校內花房(116°21′09.0″ E,39°59′34.4″ N)開展了第一期盆栽試驗[31],將以上材料按不同比例重構表層土壤,具體方案如圖1所示。依據第一期盆栽試驗草木樨地上生物量數據,篩選出植被生長狀況最佳方案(H11)、中等方案(H3)及最差方案(H10和H15)為本試驗的重構組,并設置表土對照組(D1)。所選方案中重構土壤的理化性質見表2,其中重構土壤pH值采用電位法測定；有機質含量采用電砂浴加熱重鉻酸鉀(K2Cr2O7)容量法測定；全氮含量采用自動定氮儀法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉Olsen(連續流動分析儀)法測定；速效鉀含量以中性乙酸銨(CH3COONH4)溶液浸提、火焰光度計法測定；參照LY/T1225—1999《森林土壤顆粒組成(機械組成)的測定》,采用吸管法測定重構土壤顆粒機械組成,土壤質地分級按美國分類標準進行；此外,重構表層土壤中的礫石含量為每kg土壤樣本中粒徑>2 mm的土壤顆粒質量含量,用重量百分數加以表示。

表1 重構材料背景值[31]

圖1 盆栽試驗備選方案Fig.1 Alternatives for pot experiment圖中生物量均值為3次重復試驗所得結果

2.2 生物炭制備

盆栽試驗采用的生物炭原材料為廢棄的玉米秸稈,制炭前將玉米秸稈風干,切成10 cm左右,放入炭化爐(專利批準號200920232191.9)。采用“程序升溫控制”技術控制生物炭的熱解溫度,即每min升溫8.5℃,達到最高目標溫度后,維持此溫度直至出氣口無氣體溢出,關閉加熱程序,整個炭化過程大約10 h。按上述制炭方法分別制備300℃、400℃和500℃的玉米秸稈生物炭(表3),高溫熱解結束后,冷卻至室溫,打開炭化爐,取出生物炭,待盆栽試驗施用。

2.3 試驗設計

試驗設置在中國地質大學(北京)校內花房,花盆高11 cm,直徑10cm,表面積約為80 cm2,重構表層土壤厚度為10 cm。根據每hm2土地生物炭施用量0、7.5、15和30 t,對應設定盆栽試驗生物炭施用量為0、6、12和24 g。將原始方案的供試土壤和不同熱解溫度的生物炭分別置于已鋪設的試驗帆布上,采用CP114電子天平稱取所需生物炭,將土壤與生物炭按比例充分混合后置于花盆中,新處理方案以“原始方案-生物炭熱解溫度-施用量”為原則命名(表4)。

表2 盆栽試驗所選方案土壤理化性質

表3 不同熱解溫度下生物炭的理化性質

表4 盆栽試驗處理方案一覽表

選取草原礦區復墾地先鋒植被草木樨、紫花苜蓿及黃花苜蓿開展種子發芽試驗,其發芽率分別為33.33%、64.67%、75.67%,最終選擇黃花苜蓿為播種對象,每個花盆播種25粒種子。試驗于2019年3月24日開始,以7d為一周期,記錄其株數、株高、葉片長度及葉片寬度等生長狀況指標,苜蓿計劃生長周期為30 d,選取4月28日所監測的各項指標作為分析數據,以D1和D1- 500- 24為例,日常生長狀況如圖2所示。待后期的苜蓿抗旱試驗結束后,于5月25日收割盆栽內苜蓿地上部分,采用實驗室烘箱將其烘至恒重,溫度設定為65℃,以獲取苜蓿生物量數據。

圖2 盆栽試驗苜蓿生長狀況Fig.2 Growth status of Medicago falcata in pot experiment

2.4 數據分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0 軟件對試驗數據進行差異性分析[32],P<0.05。其中利用株數求取苜蓿出苗率,利用葉片長度和寬度求取葉面積,采用校正系數法[33],k值為0.71,計算公式為：A=KLW(A：葉面積；K：校正系數；L：葉長；W：葉寬)。

3 結果與分析

3.1 生物炭對苜蓿出苗率的影響

3.1.1生物炭對苜蓿出苗率的影響

秸稈生物炭對重構土苜蓿出苗率影響的結果如圖3所示：在表土對照組D1中,D1與D1- 500- 24處理方案的苜蓿出苗率最高,均為66.67%,二者與D1- 300- 6/12、D1- 400- 6/24、D1- 500- 6等處理方案存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為31.59%、56.26%、35.14%、35.14%、42.86%,可見,生物炭的添加對于D1方案的苜蓿出苗產生抑制作用。在重構組H3中,H3- 500- 24處理方案的苜蓿出苗率最高,為46.67%,H3- 500- 6/12次之,為45.33%,其與H3- 300/400- 24處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為84.22%、105.90%；在重構組H10中,H10- 500- 12/24處理方案的苜蓿出苗率最高,均為52.00%,二者與H10- 300- 12/24、H10- 400- 24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為105.26%、105.26%、116.67%；在重構組H11中,各處理方案之間苜蓿出苗率無顯著性差異(P>0.05),其中H11- 400- 12處理方案的苜蓿出苗率最高,為42.67%；在重構組H15中,H15- 500- 12處理方案的苜蓿出苗率最高,為69.33%,H15- 500- 24次之,為62.67%,其與H15- 300/400- 24處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為57.57%、52.93%。可見,僅熱解溫度為500℃的秸稈生物炭促進了重構土(除H11)苜蓿的出苗,300℃和400℃的生物炭抑制了苜蓿的出苗。

圖3 生物炭對苜蓿出苗率影響的差異性Fig.3 Differences in the effect of biochar on the emergence rate of Medicago falcata

3.1.2重構土壤間苜蓿出苗率的差異

重構土壤間苜蓿出苗率的差異性分析結果顯示(圖4)：在未添加生物炭的盆栽中,D1苜蓿出苗率最高,為66.67%,與H3、H11存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為117.40%、92.32%,可見,重構組的苜蓿出苗率均低于表土對照組D1,且H15>H10>H11>H3。在熱解溫度為300℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,各方案無顯著性差異(P>0.05,下同),其中D1苜蓿出苗率最高,為50.67%；當施用量為12g時,H15苜蓿出苗率最高,為62.67%,與H3、H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為104.36%、147.38%、213.35%；當施用量為24g時,D1苜蓿出苗率最高,為53.33%,與H3、H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為110.51%、110.51%、122.21%。在熱解溫度為400℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,H15苜蓿出苗率最高,為62.67%,與H3、H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為88.01%、42.43%、80.78%；當施用量為12g時,D1苜蓿出苗率最高,為54.67%,H15次之,為53.33%,二者與H10均存在顯著性差異,高出比例分別為86.38%、81.82%；當施用量為24g時,D1苜蓿出苗率最高,為49.33%,與H3、H10均存在顯著性差異,高出比例分別為117.63%、105.54%。在熱解溫度為500℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,H15苜蓿出苗率最高,為58.67%,與H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為57.15%、83.34%；當施用量為12g時,H15苜蓿出苗率最高,為69.33%,與H3、H11存在顯著性差異,高出比例分別52.93%、126.08%；當施用量為24g時,D1苜蓿出苗率最高,為66.67%,H15次之,為62.67%,二者與H11均存在顯著性差異,高出比例分別為138.11%、123.82%。可見,在相同生物炭處理下,重構組(除H15)苜蓿出苗率均低于對照組。

圖4 重構表層土壤間苜蓿出苗率的差異性Fig.4 Differences in emergence rate of Medicago falcata between reconstructed topsoil

3.2 生物炭對苜蓿株高的影響

3.2.1生物炭對苜蓿株高的影響

株高是植物形態學調查工作中最基本的指標之一,其定義為從植株基部至主莖頂部即主莖生長點之間的距離。盆栽試驗結果顯示(圖5)：在表土對照組D1中,D1- 300- 24處理方案的苜蓿植株最高,為6.17 cm,D1- 400/500- 24處理方案次之,分別為6.01cm、6.16 cm,且D1- 300- 24與D1- 300/400- 12等處理方案存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為25.35%、30.66%,可見,當施用量為24g時,不同熱解溫度的生物炭對D1方案苜蓿株高均可產生促進作用。在重構組H3中,H3- 500- 24處理方案的苜蓿植株最高,為7.83 cm,與H3、H3- 300- 24等處理存在顯著性差異,高出比例分別為53.53%、81.62%；在重構組H10中,H10- 500- 12處理方案的苜蓿植株最高,為7.61 cm,與H10、H10- 300- 12/24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為58.54%、47.93%、149.05%；在重構組H11中,H11- 400- 6處理方案的苜蓿植株最高,為8.00 cm,與H11- 300- 24、H11- 500- 24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為63.64%、53.19%；在重構組H15中,H15- 500- 12處理方案的苜蓿植株最高,為7.61 cm,H15- 500- 6處理次之,為7.28cm,二者與其他處理均存在顯著性差異,其中H15- 500- 12處理高出其他處理(除H15- 500- 6)的比例分別為59.28%、32.99%、55.66%、47.29%、52.20%、41.22%、45.72%、18.09%。可見,重構組中除H11外,熱解溫度為500℃的生物炭對苜蓿株高均能起到促進作用,H3、H10和H15方案的生物炭最佳施用量分別為24g、12g、12g,但對于H11而言,當生物炭的熱解溫度相同時,其施用量越高對苜蓿株高的改良效果越差,達到24g時會產生抑制作用,其中H11- 400- 6處理方案改良效果最佳。

圖5 生物炭對苜蓿株高影響的差異性Fig.5 Differences in the effect of biochar on the plant height of Medicago falcata

3.2.2重構土壤間苜蓿株高的差異

在相同生物炭處理的條件下,重構表層土壤間苜蓿株高的差異性分析結果顯示(圖6)：在未添加生物炭的盆栽中,H11苜蓿植株最高,為6.11 cm,與H10、H15存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為27.29%、27.88%。在熱解溫度為300℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,H11苜蓿植株最高,為7.56 cm,與其他方案均存在顯著性差異,高出比例分別為35.54%、32.12%、33.41%、32.12%；當施用量為12g或24g時,各方案無顯著性差異(P>0.05,下同)。在熱解溫度為400℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,H11苜蓿植株最高,為8.00 cm,與D1、H3、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為44.87%、26.76%、60.00%；當施用量為12g時,H11苜蓿植株最高,為7.61 cm,與其他方案均存在顯著性差異,高出比例分別為61.15%、33.25%、17.08%、41.22%；當施用量為24g時,各方案無顯著性差異。在添加500℃的生物炭盆栽中,當施用量為6g時,H11苜蓿植株最高,為7.78 cm,與D1、H3均存在顯著性差異,高出比例分別為49.94%、36.23%；當施用量為12g時,H10與H15苜蓿植株最高,為7.61 cm,與D1存在顯著性差異,高出比例為44.80%；當施用量為24g時,H3苜蓿植株最高,為7.83 cm,與H11均存在顯著性差異,高出比例為49.94%。可見,重構組(除H15- 300- 12)施用6g 或12g的生物炭,其苜蓿株高基本超過對照組,但施用24g 300℃的生物炭時,其苜蓿株高均低于對照組,當生物炭熱解溫度為400℃或500℃時,H3和H10苜蓿株高超過表土。

圖6 重構表層土壤間苜蓿株高的差異性Fig.6 Differences in plant height of Medicago falcata between reconstructed topsoil

3.3 生物炭對苜蓿葉面積的影響

3.3.1生物炭對苜蓿葉面積的影響

秸稈生物炭對苜蓿葉面積影響的結果如圖7所示：在表土對照組D1中,D1- 500- 24處理方案的苜蓿葉面積最大,為72.18 mm2,與其他處理方案(除D1- 400- 12)均存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為118.54%、73.07%、104.08%、45.69%、45.39%、61.18%、32.47%、53.17%,可見,生物炭對D1方案的苜蓿葉面積具有明顯促進作用。在重構組H3中,H3- 400- 6處理方案的苜蓿葉面積最大,為84.67 mm2,與H3- 300/400- 24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為61.56%、57.68%；在重構組H10中,H10- 500- 24處理方案的苜蓿葉面積最大,為73.76 mm2,與H10- 300- 6/12/24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為74.00%、46.93%、215.16%；在重構組H11中,H11- 500- 6處理方案的苜蓿葉面積最大,為88.99 mm2,與其他處理方案(除H11- 400- 6/12)均存在顯著性差異,高出比例分別為68.53%、31.83%、32.66%、129.59%、36.40%、36.57%、59.03%；在重構組H15中,H15- 500- 12處理方案的苜蓿葉面積最大,為91.59 mm2,H15- 500- 6處理次之,為85.52 mm2,二者與其他處理方案均存在顯著性差異,其中H15- 500- 12處理高出其他處理(除H15- 500- 6)的比例分別為163.86%、74.85%、74.41%、54.12%、85.76%、67.86%、102.97%、38.27%。可見,生物炭對重構組H3和H10方案的苜蓿葉面積改良效果不顯著,對于H11和H15方案產生明顯促進作用,其中對于H11方案,當生物炭熱解溫度相同時,施用量越低,促進作用越顯著,當施用量為6g時,熱解溫度越高,促進作用越顯著,而對于H15方案,H15- 500- 12處理方案改良效果較好,H15- 500- 6次之。

圖7 生物炭對苜蓿葉面積影響的差異性Fig.7 Differences in the effect of biochar on the leaf area of Medicago falcata

3.3.2重構土壤間苜蓿葉面積的差異

在相同生物炭處理的條件下,重構表層土壤間苜蓿葉面積的差異性結果如圖8所示：在未添加生物炭的盆栽中,H3苜蓿面積最大,為65.56 mm2,與D1、H15存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為98.05%、88.87%。在熱解溫度為300℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,H11苜蓿葉面積最大,為67.50 mm2,與D1、H10、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為61.85%、59.24、28.86%；當施用量為12g時,H11苜蓿葉面積最大,為67.08 mm2,與D1、H10均存在顯著性差異,高出比例分別為89.66%、33.63%；當施用量為24g時,各方案無顯著性差異(P>0.05，下同)。在熱解溫度為400℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,H11苜蓿葉面積最大,為85.33 mm2,H3次之,為84.67 mm2,二者與D1、H10、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為71.87%、49.88%、73.06%；當施用量為12g時,H11苜蓿葉面積最大,為81.60 mm2,與其他方案均存在顯著性差異,高出比例分別為35.33%、32.44%、37.61%、49.55%；當施用量為24g時,H10苜蓿葉面積最大,為66.79 mm2,與D1、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為49.14%、48.01%。在熱解溫度為500℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,H11苜蓿葉面積最大,為88.99 mm2,與D1、H3、H10均存在顯著性差異,高出比例分別為63.33%、52.92%、45.37%；當施用量為12g時,H15苜蓿葉面積最大,為91.59 mm2,與其他方案均存在顯著性差異,高出比例分別為94.36%、38.60%、57.25%、40.56%；當施用量為24g時,H3苜蓿葉面積最大,為84.54 mm2,與H11存在顯著性差異,高出比例為51.08%。可見,重構組施用6g或12g生物炭時,其苜蓿葉面積均高于對照組；施用24g 400℃生物炭時,重構組的苜蓿葉面積均高于對照組,施用24g 500℃的生物炭顯著提升了除H11外其他方案的苜蓿葉面積。

圖8 重構表層土壤間苜蓿葉面積的差異性Fig.8 Differences in leaf area of Medicago falcata between reconstructed topsoil

3.4 生物炭對苜蓿地上生物量的影響

3.4.1生物炭對苜蓿地上生物量的影響

植被地上生物量是指植被在某一時刻單位面積地上部分存活的有機物質干重(包括生物體內所存食物的重量)總量。盆栽試驗結果表明不同生物炭處理下的苜蓿地上生物量存在明顯差異(圖9)：在表土對照組D1中,D1- 500- 24處理方案的的苜蓿地上生物量最高,為0.46 g/盆,與其他處理方案均存在顯著性差異(P<0.05,下同),其高出比例分別為48.39%、130.00%、213.64%、91.67%、79.22%、56.82%、40.82%、81.58%、50.00%,可見,D1方案中僅D1- 500- 24處理對于苜蓿地上生物量具有促進作用,其余處理均產生抑制作用。在重構組H3中,H3- 500- 24處理方案的苜蓿地上生物量最大,為0.34 g/盆,與H3- 400- 12/24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為72.88%、112.50%；在重構組H10中,H10- 500- 24處理方案的苜蓿地上生物量最高,為0.28 g/盆,與H10、H10- 300- 12/24、H10- 400- 24、H10- 500- 6等處理均存在顯著性差異,高出比例分別為211.11%、86.67%、127.03%、104.88%、82.61%；在重構組H11中,H11- 400- 6處理方案的苜蓿地上生物量最高,為0.28 g/盆,與 H11- 300- 24、H11- 500- 12/24等處理均存在顯著性差異,高出比例分別為104.88%、180.00%、140.00%；在重構組H15中,H15- 500- 24處理方案的苜蓿地上生物量最高,為0.37 g/盆,H15- 500- 12處理次之,為0.35 g/盆,二者與其他處理(除H15- 500- 6)均存在顯著性差異,其中H15- 500- 24處理高出其他處理(除H15- 500- 6/12)的比例分別為56.34%、79.03%、70.77%、85.00%、48.00%、50.00%、146.67%。可見,重構組中施用熱解溫度為500℃的生物炭對H3、H10及H15方案均能起到促進作用,且施用含量越高改良效果越好,而對于H11方案,施用6g生物炭改良效果較好,且熱解溫度為400℃的生物炭最適宜。

圖9 生物炭對苜蓿地上生物量影響的差異性Fig.9 Differences in the effect of biochar on the aboveground biomass of Medicago falcata

3.4.2重構土壤間苜蓿地上生物量的差異

在相同生物炭處理的條件下,重構表層土壤間苜蓿地上生物量的差異性結果表明(圖10)：在未添加生物炭的盆栽中,D1苜蓿地上生物量最高,為0.31 g/盆,與H10存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例為244.44%。在熱解溫度為300℃的生物炭處理下,各方案之間均無顯著性差異(P>0.05,下同)。在熱解溫度為400℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,各方案之間均無顯著性差異；當施用量為12g時,D1苜蓿地上生物量最高,為0.29 g/盆,與H10存在顯著性差異,高出比例為55.36%；當施用量為24g時,D1苜蓿地上生物量最高,為0.33 g/盆,與H3、H10、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為106.25%、141.46%、120.00%。在熱解溫度為500℃的生物炭處理下,當施用量為6g時,H15苜蓿地上生物量最高,為0.32 g/盆,與H10存在顯著性差異,高出比例為108.70%；當施用量為12g時,H15苜蓿地上生物量最高,為0.35 g/盆,與H3、H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為29.63%、84.21%、250.00%；當施用量為24g時,D1苜蓿地上生物量最高,為0.46 g/盆,與H10、H11存在顯著性差異,高出比例分別為66.27%、294.29%。可見,在相同生物炭處理條件下,重構組苜蓿地上生物量均難以超過對照組。

圖10 重構表層土壤間苜蓿地上生物量的差異性Fig.10 Differences in aboveground biomass of Medicago falcata between reconstructed topsoil

4 討論

4.1 秸稈生物炭對苜蓿生長狀況的影響

近年來關于生物炭提高砂壤土質量、促進作物生長的研究受到廣泛關注[1],有研究表明玉米秸稈生物炭(400℃下制備)與苜蓿相結合可改善京郊砂質壤土土壤理化性質、提高養分有效性和恢復植被[11]；較高生物炭施用量(40g/kg)可以有效增加內蒙古砂壤土的番茄產量[16]。但因生物炭熱解溫度及施用量的不同,植被生長的響應狀態存在顯著差異[34],盆栽試驗選用的秸稈生物炭,隨熱解溫度的提高,其pH值、P、K元素含量逐漸增加[35],C/N逐漸降低。無論是原表土還是重構土壤,秸稈生物炭的添加對于苜蓿出苗均存在不同程度的抑制作用,可能是由于生物炭較高的碳氮比影響了植被對氮素的吸收,也可能由于部分生物炭的分解導致了氮的固定[36]；而對于苜蓿株高、葉面積及地上生物量基本呈現正激發效應,一定程度上促進了苜蓿的生長,這與鄭瑞倫等部分研究結果相吻合[11]。因表層土壤物質組成不同,生物炭的最佳處理方式不同：對于D1、H3及H10三種方案,其土壤質地均為砂質壤土,且礫石含量處于15%—30%之間,施用24g 500℃(即30 t/hm2)的秸稈生物炭對苜蓿生長改良效果最佳；而對于H15方案,其土壤質地為砂質壤土,但礫石含量低于15%,施用12g 500℃(即15 t/hm2)的秸稈生物炭對苜蓿生長改良效果最佳；對于H11方案,其土壤質地為砂質粘壤土,礫石含量高于30%,施用6g 400℃(即7.5 t/hm2)的秸稈生物炭對苜蓿生長改良效果最佳。可見,在不同土壤環境中,生物炭并不是熱解溫度越高、施用量越高,對苜蓿改良的效果越好。

4.2 重構表層土壤間苜蓿生長狀況的差異性

重構表層土壤理化性質呈現明顯的異質性[37],即使在相同生物炭處理下,苜蓿苗期生長的響應機制也各不相同。在未添加生物炭時,重構組苜蓿出苗率和地上生物量均未達到表土對照組的水平,而苜蓿株高和葉面積已達到表土水平；施用6g或12g(即7.5 t/hm2或15 t/hm2)生物炭,重構組僅H15方案苜蓿出苗率高于對照組,而重構組四種方案的苜蓿株高和葉面積均高于對照組；但當施用24g(即30 t/hm2)生物炭時,重構組苜蓿出苗率和地上生物量均低于對照組,若生物炭熱解溫度為400℃或500℃,H3和H10苜蓿株高和葉面積均高于對照組。綜上所述,在相同生物炭處理條件下,重構表層土壤苜蓿出苗率和地上生物量均難以超越原表土水平,而苜蓿株高和葉面積可達到原表土水平,可見,秸稈生物炭的添加對重構土單株苜蓿生長起到正激發效應。有研究表明在玉米苗期,不同水平下的生物炭對作物生長的抑制程度不同,但隨著玉米的生長,抑制作用逐漸減少,植株間的差異逐漸消失[38]。而本研究只是針對苜蓿苗期生長狀況開展的短期研究,將生物炭與重構土壤融合后對土壤與植被長期的作用機制尚且未知,還需通過田間試驗深入探究。

5 結論

(1)秸稈生物炭對原表土和重構土壤的苜蓿出苗均存在不同程度的抑制作用,而對于苜蓿株高、葉面積及地上生物量基本呈現正激發效應。

(2)在不同土壤環境中,并非生物炭熱解溫度越高、施用量越高,對苜蓿改良的效果越好,其最佳處理方式與表層土壤物質組成有關。本研究重構土生物炭最佳處理方式分別為D1H3H10- 500- 24(即30 t/hm2)、H11- 400- 6(即7.5 t/hm2)、H15- 500- 12(即15 t/hm2)。

(3)在相同生物炭處理下,因重構表層土壤理化性質具有明顯異質性,秸稈生物炭對苜蓿苗期生長的影響程度不同,重構土苜蓿出苗率和地上生物量均難以超越原表土水平,而苜蓿株高和葉面積可達到原表土水平。