張云舒,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。因此,本研究基于課題組于2010年開始的定位試驗,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。
田間微區(qū)定位試驗在新疆和田地區(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%。試驗前0~20 cm土層土壤基本理化性狀:pH值8.28,有機質(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,有機碳670 g/kg,速效磷82.2 mg/kg,速效鉀1 590 mg/kg。
按照耕層(0~20 cm)土壤質(zhì)量2 250 t/hm2計算,試驗以不施生物炭為對照,設(shè)3個生物炭用量處理: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,生物炭為定位試驗開始前一次施入,試驗開始后不再施入。
于2016年作物采收后,將每個微區(qū)分成三塊區(qū)域,每塊區(qū)域采用5點法采集耕層0~20 cm土壤樣品,混合均勻并仔細(xì)剔除植物殘體及其他雜物,土壤放置實驗室通風(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,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;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法;堿解氮采用堿解擴散法;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。
采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計分析。
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。
從表2可以看出,經(jīng)過6年的定位試驗,不同處理間灌耕風(fēng)沙土土壤有機質(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
從表3可以看出,經(jīng)過6年的定位試驗,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)
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質(zhì)含量,改善土壤理化性狀,降低肥料損失等特點[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,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。主要因為生物炭具有較多的官能團(tuán)和較強的吸附能力,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]通過盆栽試驗顯示,土壤中的有機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質(zhì)含量增加,可能是因為生物炭能吸附土壤中的有機分子,通過表面催化活性促進(jìn)小的有機分子聚合成土壤有機質(zhì)。
灌耕風(fēng)沙土施入生物炭增加土壤速效鉀含量。可能是因為生物炭本身含有較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制仍然不明確。
綜上所述,經(jīng)過6年的定位試驗,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。