張?jiān)剖妫乒饽?，葛春輝，蒲勝海，徐萬(wàn)里，范燕敏

(1.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；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

風(fēng)沙土是從風(fēng)成沙性母質(zhì)上發(fā)育的土壤，是新疆分布面積最大的土類，主要分布在塔里木盆地腹地的塔克拉瑪干沙漠和準(zhǔn)噶爾盆地腹地的古爾班通古特沙漠等邊緣地區(qū)。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(jī)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(duì)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。生物炭(又稱生物焦，生物黑炭，Biochar)是由植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧下熱解產(chǎn)生的一類高度芳香化固態(tài)物質(zhì)。生物炭具有較大的孔隙度和比表面積，可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定而不易在短時(shí)間內(nèi)分解[1]；同時(shí)，生物炭具有快速增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤理化性狀、降低肥料損失等特點(diǎn)[2-3]。聶新星等[4]研究結(jié)果表明，灰潮土上施用生物炭后，能顯著提高土壤有機(jī)碳和速效鉀含量，但對(duì)土壤容重、pH值、堿解氮、速效磷的影響不顯著。王月玲等[5]研究認(rèn)為，施用生物炭能提高土壤總有機(jī)碳、全氮含量和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。房彬等[6]研究結(jié)果表明，生物炭施用有利于降低土壤容重，提高土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、有效磷含量。關(guān)于生物炭效應(yīng)的許多研究都是短期研究結(jié)果，本研究基于課題組于2010年開(kāi)始的定位試驗(yàn)，研究了生物炭施用5年后對(duì)灌耕風(fēng)沙土土壤性質(zhì)的影響，以期為生物炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供更具價(jià)值的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間微區(qū)定位試驗(yàn)位于新疆和田地區(qū)農(nóng)技推廣中心下屬農(nóng)科所，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(yàn)于2010年整地，2011年春季開(kāi)始，微區(qū)面積2 m2。土壤類型為風(fēng)沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為39.06%、54.00%和6.94%。試驗(yàn)前0～20 cm土層土壤基本理化性質(zhì)：pH8.28，有機(jī)質(zhì)13.49 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，速效氮58.2 mg·kg-1，速效磷8.3 mg·kg-1，速效鉀134 mg·kg-1、陽(yáng)離子交換量2.08 cmol·kg-1。生物炭為河南三利新能源有限公司提供的小麥秸稈炭，特性如下：pH8.28，有機(jī)碳670 g·kg-1，速效磷82.2 mg·kg-1，速效鉀1 590 mg·kg-1，陽(yáng)離子交換量62.6 cmol·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照耕層(0～20 cm)土壤質(zhì)量150 t·667m-2計(jì)算,試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理:(1)不施炭(CK);(2)22.5 t·hm-2生物炭(1%BC)；(3)67.5 t·hm-2生物炭(3%BC)；(4)112.5 t·hm-2生物炭(5%BC)；(5)225.0 t·hm-2生物炭(10%BC)。每個(gè)處理化肥施用量相同，生物炭于2011年春季定位試驗(yàn)開(kāi)始前一次施入，試驗(yàn)開(kāi)始后不再施入。

1.3 樣品采集與方法

于2015年作物采收后，將每個(gè)微區(qū)分成三塊區(qū)域，每塊區(qū)域采用5點(diǎn)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?bào)w及其他雜物，土壤放置實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)處陰干過(guò)篩，測(cè)定理化指標(biāo)。

土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定方法：容重采用環(huán)刀法測(cè)定； pH值采用pH計(jì)按土水比1∶2.5測(cè)定；全氮采用凱氏定氮法；全磷采用酸溶—鉬銻抗比色法；全鉀采用酸溶—火焰光度法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用1 mol·L-1NH4OAc浸提—火焰光度法；陽(yáng)離子交換量即CEC采用乙酸鈉—火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003和DPS 7.05版軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭對(duì)土壤容重的影響

從圖1可以看出，經(jīng)過(guò)5 a的定位試驗(yàn)，不同處理間土壤容重發(fā)生了變化。與對(duì)照相比，施用生物炭后，可以降低灌耕風(fēng)沙土土壤容重，降低了2.8%～12.6%。與對(duì)照相比，施用高量生物炭處理(10%BC)可以明顯降低灌耕風(fēng)沙土土壤容重，降低到1.25 g·cm-3。

2.2 施用生物炭對(duì)土壤pH值影響

從圖2可以看出，經(jīng)過(guò)5 a的定位試驗(yàn)，不同用量生物炭處理對(duì)灌耕風(fēng)沙土土壤pH值影響不顯著。土壤初始pH值是8.28，試驗(yàn)后pH值在8.60～8.71范圍之間，變化幅度較小。

2.3 施用生物炭對(duì)土壤全氮含量的影響

從圖3可以看出，經(jīng)過(guò)5 a的定位試驗(yàn)，不同處理間土壤全氮含量發(fā)生了變化。與對(duì)照相比，施用生物炭可以增加灌耕風(fēng)沙土土壤全氮含量，土壤全氮含量增加了7.9%～28.6%，其中以高量生物炭處理(10%BC)土壤全氮含量最高，增加了28.6%，含量為0.966 g·kg-1。

注：圖中不同小寫字母表示5%顯著水平。下同。Note: Different letters in the fig. represented significant differences at P<0.05.The same below.圖1 不同處理土壤容重變化Fig.1 Changes of soil bulk density with different treatments

圖2 不同處理土壤pH值變化Fig.2 Changes of soil pH with treatments

2.4 施用生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)5 a的定位試驗(yàn)，不同處理間土壤有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了顯著的變化。與對(duì)照相比，施用生物炭可以顯著增加灌耕風(fēng)沙土土壤有機(jī)質(zhì)的含量，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了35.2%～148.3%，其中以高量生物炭處理(10%BC)土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了148.3%，是對(duì)照的2倍多。隨著生物炭施用量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢(shì)。

2.5 施用生物炭對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響

從表1可以看出，經(jīng)過(guò)5 a的定位試驗(yàn)，土壤速效鉀含量發(fā)生了顯著變化。與對(duì)照相比，施用生物炭可以顯著增加灌耕風(fēng)沙土土壤速效鉀的含量，土壤速效鉀含量增加了8.9%～32.8%，以高量生物炭處理(10%BC)速效鉀含量最高，增加了29.6%。生物炭處理對(duì)速效鉀含量有一定的提升作用，卻降低了速效磷的含量，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的規(guī)律，其影響效應(yīng)尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 不同處理土壤速效養(yǎng)分含量變化

圖3 不同處理土壤全氮含量變化Fig.3 Changes of total soil N with treatments

圖4 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量變化Fig.4 Changes of soil organic matter with treatments

2.6 施用生物炭對(duì)土壤CEC含量的影響

從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)5 a的定位試驗(yàn)，不同處理間土壤CEC含量發(fā)生了變化。與對(duì)照相比，施用生物炭可以顯著增加灌耕風(fēng)沙土土壤CEC含量，土壤CEC含量增加了6.7%～21.7%，其中以高量生物炭處理(10%BC)CEC含量最高，土壤CEC含量增加了19.8%。

2.7 施用生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由2015年玉米產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出(圖6)，與對(duì)照相比，施用生物炭產(chǎn)量顯著增加了10.2%～42.1%，其中以生物炭處理(5% BC)的玉米產(chǎn)量最高，生物炭處理(3% BC)的玉米產(chǎn)量次之。

3 討 論

以灌耕風(fēng)沙土為研究對(duì)象，通過(guò)施用不同量生物炭的研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后土壤理化性狀和作物產(chǎn)量發(fā)生了不同程度的改變。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，施用生物炭后，土壤物理化學(xué)指標(biāo)有不同程度的增加和改善，其中對(duì)土壤容重、陽(yáng)離子交換量、有機(jī)質(zhì)、全氮及速效鉀含量影響較大。

3.1 生物炭對(duì)灌耕風(fēng)沙土理化性狀的影響

土壤容重是反映土壤緊實(shí)狀況的主要物理指標(biāo)。經(jīng)過(guò)5 a的定位試驗(yàn)，施用生物炭后，灌耕風(fēng)沙土土壤容重都有不同程度的下降，當(dāng)施用量達(dá)到225.0 t·hm-2時(shí)，土壤容重顯著降低。這可能是由于生物炭具有疏松多空結(jié)構(gòu)，施入土壤后，能增加灌耕風(fēng)沙土土壤總孔隙度，并促進(jìn)微生物活動(dòng)，從而促進(jìn)形成良性土壤結(jié)構(gòu)[7]。

圖5 不同處理土壤CEC含量變化Fig.5 Changes of soil CEC with treatments

圖6 不同處理玉米產(chǎn)量變化Fig.6 Changes of corn yield with treatments

灌耕風(fēng)沙土本身具有保肥能力差的特點(diǎn)。本研究結(jié)果表明，添加生物炭后，土壤陽(yáng)離子交換量高于對(duì)照，從而改善了灌耕風(fēng)沙土的保肥性能。這可能是因?yàn)槭┯蒙锾吭黾恿送寥烙袡C(jī)質(zhì)含量，而有機(jī)質(zhì)與陽(yáng)離子交換量有著極顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，土壤CEC增大[8]；此外，經(jīng)過(guò)熱解后，生物炭的比表面積增大，且生物炭某些官能團(tuán)會(huì)發(fā)生氧化，導(dǎo)致表面的含氧官能團(tuán)數(shù)量增加，表面豐富的含氧官能團(tuán)所產(chǎn)生的表面負(fù)電荷可以吸附較多的鹽基離子，從而使得生物炭具有較高的CEC[9]。

3.2 生物炭對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響受生物炭材料、制備條件(溫度、氧氣)、土壤性質(zhì)、施肥狀況和作物品種等諸多因素的影響[14]。房彬等[6]在貴州石灰土上施用生物炭后發(fā)現(xiàn)，輪作玉米、油菜的產(chǎn)量均顯著提高。尚杰等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在沙土上施用生物炭對(duì)糜子有增產(chǎn)效應(yīng)，但在壤土和鹽土上增產(chǎn)效果不明顯。本研究表明灌耕風(fēng)沙土上施用生物炭，對(duì)玉米具有增產(chǎn)效果，可能是因?yàn)槭┯蒙锾吭黾恿送寥廊?、有機(jī)質(zhì)及速效鉀含量，促進(jìn)了植物和根系的生長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

1)與對(duì)照相比，施用生物炭處理能顯著降低灌耕風(fēng)沙土土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)灌耕風(fēng)沙土形成良性土壤環(huán)境。

2)與對(duì)照相比，生物炭施用能夠顯著增加灌耕風(fēng)沙土土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀及土壤CEC含量，分別增加了7.9%～28.6%、47.2%～148.3%、8.9%～29.6%、6.7%～19.8%。施用高量生物炭處理(225.0 t·hm-2)全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀及土壤CEC含量分別增加了28.6%、148.3%、29.7%、19.8%。

3)生物炭施用能夠明顯增加玉米產(chǎn)量，作物增產(chǎn)了10.2%～42.1%。