生物炭配施沼液對番茄根區(qū)土壤養(yǎng)分環(huán)境的影響及評價

鄭 健,楊少鴻 ,宿智鵬 ,劉俊彥 ,張平安

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點實驗室,甘肅 蘭州 730050;3.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術協(xié)同創(chuàng)新中心,甘肅 蘭州 730050)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,化肥被用來保持土壤中作物所需的各種營養(yǎng)元素,在促進作物生長發(fā)育和提高產(chǎn)量品質(zhì)方面發(fā)揮了重要作用[1]。但長期施用化肥會對土壤養(yǎng)分環(huán)境造成負面影響,比如土壤中H+含量增加、重金屬含量過高及出現(xiàn)土壤酸化現(xiàn)象等,降低了土地的可持續(xù)利用性[2]。而已有研究表明有機肥的施用可以有效改善土壤養(yǎng)分環(huán)境條件[3]。

沼液作為一種液態(tài)速效有機肥料,其施用不僅可以促進植物生長[4],還能改善土壤結(jié)構、提高土壤肥力[5]。研究表明,土壤中施用適量沼液對番茄生長有積極的影響,能提高番茄產(chǎn)量和改善果實品質(zhì)[6];同時沼液作為一種良好的有機肥,與常規(guī)化肥相比可以增加土壤孔隙度和土壤團聚體[7]。Yu等[8]發(fā)現(xiàn)沼液是一種營養(yǎng)易被植物獲取和吸收的有機肥,適量施用可以提高土壤中的有機質(zhì)、速效氮、速效磷、全氮、全磷和番茄果實中的氨基酸、可溶性糖和維生素含量等。但不少研究忽略了沼液的高水低肥特性,在沼液對番茄生長及土壤環(huán)境影響的前期研究中發(fā)現(xiàn),沼液的高水低肥特性使其在施用過程存在潛在的深層滲漏問題,出現(xiàn)了水肥利用效率提升和土壤改善效果不明顯的情況[9]。為了解決這一問題,需要采用新的方法來提高沼液在土壤根區(qū)的滯留量。生物炭是各種生物材料在高溫封閉條件下處理后產(chǎn)生的吸附性強和比表面積大的固體物質(zhì)[10],其作為一種土壤添加劑已經(jīng)被廣泛應用[11]。施用生物炭會使得土壤容重變低、孔隙數(shù)量增多,有助于提高作物水肥利用率[12]。何緒生等[13]研究發(fā)現(xiàn)生物炭是水肥留存于作物根部的關鍵,其施用后能夠使水肥長時有效地在土壤中發(fā)揮作用,提高水肥的利用效率。

將具有強吸附特性和改善土壤結(jié)構作用的生物炭與綠色有機液肥沼液結(jié)合使用,能否充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢,同時解決沼液的深層滲漏問題,目前尚無定論。基于此,本試驗采用水/沼液一體化穴孔灌溉技術,通過設置不同生物炭施用量配施沼液的處理,探討各處理對番茄根區(qū)土壤養(yǎng)分含量的影響,并采用層次分析的方法進行評價,篩選適宜的生物炭添加量,以期為沼液潛在的深層滲漏問題提供解決方案,同時為溫室沼液資源的高效利用和土壤養(yǎng)分環(huán)境的改善提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗于2019年9月—2020年10月在甘肅省蘭州市七里河區(qū)魏嶺鄉(xiāng)的溫室內(nèi)(104°13′35′′E,36°58′12″N)進行,該區(qū)域海拔1 871.6 m,溫室長50 m,寬11 m,高4.5 m。溫室為東西方向,作物行為南北方向。溫室頂部的通風系統(tǒng)用于控制白天的室內(nèi)溫度,冬季編織草席鋪在溫室表面保持夜間室內(nèi)溫度。試驗開始之前,試驗地0～60 cm土層土壤的理化性質(zhì)見表1。

表1 研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗材料

供試番茄品種為‘中研-958F1’,供試沼液理化性質(zhì)如表2所示。供試生物炭理化性質(zhì):速效磷10.3 g·kg-1,速效鉀56.57 g·kg-1,容重0.18 g·cm-3,比表面積9.1 m2·g-1,總孔隙度67.01%,通氣孔隙度12.82%,含水孔隙度61.11%,pH 10.21,陽離子交換量60.5 mol·kg-1。

1.3 試驗設計

試驗設5個處理,包括1個當?shù)爻Ｒ?guī)化肥處理(CF)和4個沼液-生物炭處理(T0,T0.5,T1.0,T2.0)。CF處理按照當?shù)亟?jīng)驗進行施肥,單次施肥量為尿素78.5 kg·hm-2、磷肥94.8 kg·hm-2、鉀肥97.8 kg·hm-2,肥料溶于水后滴灌施入土壤;前期試驗和文獻調(diào)研[8-9]發(fā)現(xiàn),大田試驗中20%沼液施加濃度對作物和土壤的影響最佳,故本研究將4個沼液-生物炭處理的沼液濃度設置為20%,T0、T0.5、T1.0、T2.0處理對應的生物炭施加量(質(zhì)量比)分別為0%、0.5%、1.0%、2.0%,即各處理將水和沼液按照體積比配成20%濃度的沼液后,與不同質(zhì)量比的生物炭混合滴灌施用。5個處理灌溉量均為W=KP×A×EP,式中,KP為蒸發(fā)皿系數(shù),本研究取0.85;A為根區(qū)面積,本研究取1 800 cm2(30 cm×60 cm);EP為蒸發(fā)皿的蒸散量(cm)。灌溉間隔1 d,灌溉時間為8∶00—9∶00。具體試驗設計見表3。番茄分別于2019年9月3日和2020年6月5日播種,2019年12月26日和2020年10月8日收獲,每年播種前開始灌溉施肥。試驗不設置休耕期,下一次種植之前清除植物殘體,翻耕土壤。

1.4 測定指標

分別于番茄的苗期、開花結(jié)果期、果實膨大期、果實成熟期結(jié)束時,各處理隨機選定一株番茄,采用土鉆在距離番茄根部5～10 cm的地方取0～60 cm土層的土壤,風干研磨后測定土壤養(yǎng)分指標;番茄各生育時期開始前取樣測定沼液的養(yǎng)分指標。土壤和沼液的pH值使用DDSJ-308F檢測儀測定,土壤總氮含量采用凱氏定氮儀測定,土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法測定,土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量采用分光光度儀測定[9]。

表2 供試沼液養(yǎng)分狀況

1.5 番茄根區(qū)土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量評價方法

采用層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)評價土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量,具體步驟如下:

(1)建立層次結(jié)構模型:結(jié)構分為目標層、準則層和方案層。

(3)層次單排序及一致性檢驗:

②查找一致性指標RI,見表5;

③計算一致性比例CR;

CR=CI/RI,當CR<0.10時,判斷矩陣的一致性是合理的。

表3 試驗設計

④層次總排序及一致性檢驗:計算各層元素對目標層的合成權重和一致性檢驗,得到總排序。

1.6 數(shù)據(jù)處理及分析方法

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 24.0軟件,圖表處理采用Origin 8.5軟件。采用單因素方差分析(One-way,ANOVA)對不同處理下番茄根區(qū)土壤pH值、有機質(zhì)、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮含量進行差異顯著性分析和配對比較(LSD,P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭配施沼液對番茄根區(qū)土壤pH值的影響

由圖1可知,2019年和2020年兩季試驗番茄根區(qū)每一層(10 cm)土壤的pH值在番茄的苗期、開花結(jié)果期、果實膨大期、果實成熟期均呈T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF的變化規(guī)律。隨著番茄生育期的進行,各處理0～40 cm土層土壤平均pH值均逐漸增大,40～60 cm土層土壤平均pH值部分處理出現(xiàn)小幅降低。其中T2.0處理果實成熟期0～60 cm各土層土壤pH值較苗期分別提高了0.120%、0.132%、0.122%、0.081%、0.072%、0.054%,較開花結(jié)果期分別提高了0.073%、0.112%、0.091%、0.052%、0.033%、-0.001%,較果實膨大期分別提高了0.013%、0.034%、0.032%、0.002%、-0.001%、0.024%。且果實成熟期T2.0處理10～20 cm土層pH值較CF、T0、T0.5、T1.0處理分別提高了0.093%、0.066%、0.053%、0.026%。結(jié)果表明,隨著生物炭施用量的增加和番茄生育期的推進,根區(qū)土壤pH值有逐漸增加的趨勢,但增量較小,在番茄果實成熟期的10～20 cm土壤深度T2.0處理pH值最大。

2.2 生物炭配施沼液對番茄根區(qū)土壤全氮含量的影響

由圖2可知,2019年和2020年兩季番茄根區(qū)0～60 cm各土層土壤全氮含量均隨番茄生育期的進行逐漸增大,各生育時期均以T2.0處理土壤全氮含量最高,CF處理土壤全氮含量最低。各處理全氮含量在土層深度上都表現(xiàn)為0～20 cm土層內(nèi)逐漸增大、20～40 cm土層內(nèi)逐漸減小的規(guī)律,在10～20 cm土層達到最大值。T2.0處理苗期10～20 cm土層土壤全氮含量較T1.0、T0.5、T0、CF處理分別提高了2.61%、3.06%、10.47%、15.46%,開花結(jié)果期分別提高了2.92%、5.51%、9.68%、8.51%,果實膨大期分別提高了2.97%、4.69%、7.32%、13.01%,果實成熟期分別提高了4.56%、6.22%、10.73%、16.46%,說明T2.0處理更有利于番茄根區(qū)土壤全氮含量的增加,且番茄各生育時期土壤全氮含量在T2.0處理的10～20 cm土層處達到最大值。

表5 平均隨機一致性指標

2.3 生物炭配施沼液對番茄根區(qū)土壤硝態(tài)氮含量的影響

從圖3可以看出,2019年和2020年兩季番茄根區(qū)0～60 cm各土層土壤硝態(tài)氮含量均隨著番茄生育期的進行而逐漸增大,全生育期0～60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF,各處理番茄整個生育期內(nèi)的土壤硝態(tài)氮含量在土層深度上都呈0～20 cm土層增大、20～40 cm土層減小的趨勢,且均在10～20 cm土層達到最大值;各生育時期根區(qū)土壤硝態(tài)氮含量均為T2.0處理最高。T2.0處理苗期10～20 cm土層的土壤硝態(tài)氮含量較T1.0、T0.5、T0、CF處理分別提高了6.66%、10.04%、13.45%、17.88%,開花結(jié)果期分別提高了4.27%、7.55%、15.21%、16.51%,果實膨大期分別提高了3.11%、6.18%、11.13%、17.18%,果實成熟期分別提高了2.63%、4.25%、7.11%、13.53%,表明T2.0處理可以顯著提高番茄根區(qū)土壤硝態(tài)氮的累積。

2.4 生物炭配施沼液對番茄根區(qū)土壤銨態(tài)氮含量的影響

由圖4可知,2019年和2020年兩季番茄根區(qū)0～60 cm各土層土壤銨態(tài)氮含量均隨番茄生育期的進行逐漸增大,各生育時期土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF,均為T2.0處理最高,CF最低。各處理全生育期銨態(tài)氮含量均隨土層深度增加呈先增大后減小的趨勢,最大值出現(xiàn)在10～20 cm土層。T2.0處理10～20 cm土層土壤銨態(tài)氮含量在苗期較T1.0、T0.5、T0、CF處理分別提高了2.06%、4.32%、11.81%、17.92%,開花結(jié)果期分別提高了5.61%、2.95%、9.71%、15.35%,果實膨大期分別提高了2.15%、4.93%、8.56%、7.61%,果實成熟期分別提高了1.69%、5.25%、8.68%、14.07%,表明T2.0處理番茄根區(qū)土壤銨態(tài)氮的累積效果優(yōu)于其他處理。

圖2 生物炭配施沼液對根區(qū)土壤全氮的影響

圖3 生物炭配施沼液對根區(qū)土壤硝態(tài)氮的影響

圖4 生物炭配施沼液對根區(qū)土壤銨態(tài)氮的影響

2.5 生物炭配施沼液對番茄根區(qū)土壤有機質(zhì)含量的影響

從圖5看出,2019年和2020年兩季番茄根區(qū)0～60 cm各土層土壤有機質(zhì)含量隨著番茄生育期的進行而逐漸增大,各個生育時期均為T2.0處理最高,CF處理最低。在番茄整個生育期,各處理0～60 cm土層土壤有機質(zhì)含量均隨土層加深呈先增大后減小的趨勢,并在10～20 cm土層處出現(xiàn)最大值。T2.0處理10～20 cm土層有機質(zhì)含量在苗期較T1.0、T0.5、T0、CF處理分別提高了2.42%、5.44%、9.74%、13.56%,開花結(jié)果期分別提高了1.40%、4.87%、9.95%、13.94%,果實膨大期分別提高了2.21%、5.53%、13.93%、18.59%,果實成熟期分別提高了3.27%、6.65%、10.71%、14.63%,說明T2.0處理能夠有效增加番茄根區(qū)土壤有機質(zhì)含量。

2.6 番茄根區(qū)土壤養(yǎng)分環(huán)境評價

作物的產(chǎn)量和品質(zhì)與土壤養(yǎng)分環(huán)境有直接關系,后者會通過影響前者而影響人們的生活質(zhì)量與健康狀況[2]。土壤理化性質(zhì)與土壤質(zhì)量和作物生長發(fā)育有密切聯(lián)系,對土壤自身構造和肥力有一定的影響。本文選取土壤pH值、全氮含量、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和有機質(zhì)含量作為評價指標,采用層次分析法(AHP)評價生物炭配施沼液各處理下土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣,步驟如下:

(1)建立土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量評價的遞階層次結(jié)構模型(圖6)。本研究中目標層A為土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量,準則層B為:土壤pH值(B1)、土壤全氮含量(B2)、土壤銨態(tài)氮含量(B3)、土壤硝態(tài)氮含量(B4)、土壤有機質(zhì)含量(B5),方案層C為:CF處理(C1)、T0處理(C2)、T0.5處理(C3)、T1.0處理(C4)、T2.0處理(C5)。

(2)根據(jù)建立的土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量評價遞階層次結(jié)構模型,在調(diào)查表上寫明層次分析法的特點及比率標度(表4)后,根據(jù)層次分析法的專家打分機制向相關專業(yè)的26位老師及本專業(yè)208位本科生和研究生散發(fā)土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量評價分析的調(diào)查表,調(diào)查表收回有效率98%。通過統(tǒng)計分析形成各個層次的判斷矩陣如表6所示。

圖5 生物炭配施沼液對根區(qū)土壤有機質(zhì)的影響

圖6 土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量評價的遞階層次結(jié)構模型

表6 土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量評價因子判斷矩陣

(3)計算各層元素對目標層的合成權重及一致性檢驗,各層元素對目標層的合成權重見表7。

通過目標總排序一致性檢驗發(fā)現(xiàn),方案層的總排序一致性比率CR=0.0308<0.1000,滿足條件。根據(jù)處理總權重值可知,各處理對根區(qū)土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量影響的排序表現(xiàn)為:T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF,表明在相同沼液濃度(20%)灌溉下,隨著施用量的增加,生物炭對土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量的影響逐漸增大。當生物炭施加量的質(zhì)量比為2.0%(T2.0處理)時,目標層的總權重達到最大值0.3966,即T2.0處理改善土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量效果最好。T0處理的排序高于CF處理,說明在不增施生物炭的情況下,20%濃度的沼液作為有機肥施用比同等條件下常規(guī)化肥施用對土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量的影響大,即施用合理濃度的沼液一定程度上也可改善土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量。

3 討 論

生物炭具有表面積大、孔隙率高、吸附性強的特點。Qian等[14]開展的施用生物炭對華南紅壤保水特性影響的試驗,以及Barna等[15]開展的混摻生物炭對粉壤土物理特性影響的研究結(jié)果均表明,生物炭添加可以改善土壤物理結(jié)構并提高土壤持水性能。沼液施用對土壤持水能力的提高也有積極作用,楊樂等[16]、侯冬梅等[17]和Yague等[18]的研究結(jié)果表明,施加沼液能增大土壤的總孔隙度及毛管孔隙度,進而提高土壤的持水能力。Abdo等[19]發(fā)現(xiàn),生物炭和沼液配施提高沙土持水能力的效果優(yōu)于生物炭或沼液單獨施用處理。本研究發(fā)現(xiàn),生物炭和沼液的pH值在7.0以上,但其配合施用并未引起土壤pH值的明顯升高,反而對番茄根區(qū)土壤pH值起到了一定的改善作用,使0～40 cm土層土壤pH值出現(xiàn)小幅度的增大;同時,當灌溉沼液濃度為20%時,隨著生物炭施用量的增加,番茄根區(qū)土壤0～60 cm土層的總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量、pH、有機質(zhì)含量均較常規(guī)施肥處理有不同程度的增加,以土壤10～20 cm土層T2.0處理增幅最大。一方面可能是因為施加的沼液和生物炭自身就呈堿性,能緩解土壤的酸化,同時,沼液中有機質(zhì)在微生物分解作用下產(chǎn)生的各類酸也能防止土壤堿化,這與黃連喜等[20]和陳瑤等[21]的研究結(jié)果一致;另一方面,作為有機肥,沼液含有能促進作物生長的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素,它還可以改善土壤結(jié)構[22],與生物炭聯(lián)合施用后能促進土壤團粒結(jié)構的形成,同時生物炭的強吸附特性降低了作物根層土壤中的養(yǎng)分流失[23-24],使得沼液中促進作物生長發(fā)育的大量和微量元素在作物根層的滯留量有所增加[25],從而提高了作物根區(qū)土壤的養(yǎng)分含量。

表7 各層元素對目標層的合成權重

土壤養(yǎng)分環(huán)境會影響作物的生長和產(chǎn)量品質(zhì)的形成,對土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量的科學合理評價至關重要。層次分析法(AHP)是定性和定量相結(jié)合的一種評價方法,與傳統(tǒng)的分析方法相比,其優(yōu)勢在于能用較少的信息使決策思維過程數(shù)學化,為多個準則的問題提供簡單的評價方法[26]。土地利用適宜性分析[27]和土壤質(zhì)量評價[28]等方面的研究充分證實了該方法的科學性和合理性。本研究采用層次分析法評價番茄根區(qū)土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量時發(fā)現(xiàn),在沼液施用濃度為20%時,生物炭施用量越大,其對土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量的影響越大,即T2.0處理(生物炭施用量2.0%)在改善土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量方面效果最明顯。這與鄭健等[29-30]生物炭配施沼液條件對土壤中各種養(yǎng)分指標影響的研究所得結(jié)論相似。

4 結(jié) 論

1)沼液濃度為20%時,生物炭施用量的增加能有效促進番茄根區(qū)0～60 cm土層土壤總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有機質(zhì)含量的增大,T2.0處理(生物炭施加量為2.0%,質(zhì)量比)提升效果最佳。

2)層次分析法(AHP)能夠?qū)ι锾颗涫┱右簵l件下番茄根區(qū)土壤養(yǎng)分環(huán)境進行準確評價;當生物炭施加量的質(zhì)量比為2.0%(T2.0處理)時,目標層的總權重達到最大值(0.3966),表明5個處理中T2.0對土壤養(yǎng)分環(huán)境質(zhì)量改善效果最好。