鄭 健,李欣怡,馬 靜,向 鵬,王 健

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

沼液是在厭氧條件下由人體和動物糞便及農(nóng)作物秸稈等為原材料發(fā)酵產(chǎn)生的殘渣，是營養(yǎng)成分全面、快速有效的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥[1-2]。其原有的大量有機(jī)物質(zhì)在一系列微生物的作用下進(jìn)行生物酵解，將原有的大分子物質(zhì)分解為能夠被植物根部吸收利用的小分子營養(yǎng)物質(zhì)[3]。例如氮素經(jīng)過酵解過程后含量不僅沒有降低，其存在形式轉(zhuǎn)化為更具生物活性、更適合農(nóng)作物將其有效吸收和利用的形態(tài)[4]。沼液運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅可以解決因其原料任意排放帶來的環(huán)境污染，還能降低化肥的施用，同時減輕因化肥施用帶來的環(huán)境污染[5-6]。但在目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，沼液的利用方式還是相對粗放，容易導(dǎo)致作物由于營養(yǎng)過剩而造成“燒苗”現(xiàn)象[7]，也可能導(dǎo)致作物過度營養(yǎng)生長以及產(chǎn)量品質(zhì)下降[8]；同時，由于沼液具有高水低肥的特點，施用過程中容易產(chǎn)生養(yǎng)分的淋洗現(xiàn)象。因此，采用合理的沼液施用模式，增加沼液中養(yǎng)分在作物根區(qū)土壤中的滯留量，提高養(yǎng)分利用效率是推動沼液在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用而急需解決的問題之一。

生物炭是作物秸稈在限氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤馓炕a(chǎn)生的一類高度芳香化難溶性固態(tài)物質(zhì)[9]，具有含碳量高，不易被微生物降解的特點[10]，廣泛應(yīng)用于土壤和環(huán)境生態(tài)等領(lǐng)域[11-13]。研究表明，生物炭施入土壤中具有增加土壤的飽和導(dǎo)水率、降低土壤容重、增加土壤孔隙度以及土壤的入滲率[14]，改善土壤質(zhì)量、保持土壤肥力、增加土壤有機(jī)物質(zhì)含量，提高碳在土壤中的封存時間，增加電導(dǎo)率[15]等諸多作用。同時，生物炭還具有吸附環(huán)境介質(zhì)中的有機(jī)污染物，消減其對環(huán)境的風(fēng)險[16]，延緩肥料養(yǎng)分的釋放，增加對土壤養(yǎng)分的吸附交換，降低土壤養(yǎng)分淋失[17]，減輕水體富營養(yǎng)化等功能。

本研究通過設(shè)置不同的沼液配比、生物炭混摻量和混摻厚度，探求生物炭配施沼液對土壤全氮含量及理化性質(zhì)的影響，為增加沼液中養(yǎng)分在作物根區(qū)土壤中的滯留量、提高養(yǎng)分利用效率提供新思路，同時也為生物炭的農(nóng)田利用拓寬新模式。

1 材料與方法

1.1 供試材料及處理

試驗于2018年7—12月在蘭州理工大學(xué)能源與動力工程實驗室進(jìn)行。試驗所用土壤取自甘肅省蘭州市魏嶺鄉(xiāng)狗牙山村正常耕作的農(nóng)田(103°46′31″E，36°3′18″N)，采集土樣深度為地表耕層0～20 cm，土樣采集后經(jīng)自然風(fēng)干、碾壓，剔除肉眼可見根系殘葉等，過2 mm篩備用。試驗用土為粉壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為9.1 g·kg-1，全氮含量為0.475 g·kg-1，pH值為8.03。采用TM-85土壤比重計進(jìn)行土壤粒徑分析，結(jié)果如表1所示。

表1 供試土壤粒徑分析

試驗用的沼液取自蘭州市花莊鎮(zhèn)的甘肅荷斯坦良種奶牛繁育中心正常發(fā)酵、正常產(chǎn)氣的沼氣池中，該沼氣工程以牛糞為發(fā)酵原料。沼液原液pH值為7.23，養(yǎng)分狀況為有機(jī)質(zhì)1.075 g·L-1，全氮含量1.036 g·L-1，全磷含量0.533 g·L-1，全鉀含量1.186 g·L-1。試驗前將沼液靜置2個月，待其理化性質(zhì)穩(wěn)定后，用4層紗布(32目)過濾掉沼液中較大的懸浮顆粒備用。試驗用生物炭為玉米秸稈生物炭，其固定炭為650 g·kg-1，速效磷為10.20 g·kg-1，速效鉀為55.65 g·kg-1，容重為0.19 g·cm-3，比表面積為9 m2·g-1，pH值為10.24，陽離子交換量為60.8 cmol·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

在室溫(20±2℃)條件下，通過室內(nèi)土柱模擬試驗，研究不同沼液配比、生物炭混摻量和生物炭混摻厚度對土壤全氮及理化性質(zhì)的影響。試驗設(shè)置土壤容重為1.35 g·cm-3，設(shè)置生物炭混摻量分別為0.5%、1.0%和2.0%(土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù))，相當(dāng)于田間耕作施用量5、10 t·hm-2和20 t·hm-2，生物炭混摻厚度分別為5、10、15 cm和20 cm。入滲液采用沼液和水配比分別為1∶8、1∶6、1∶4(體積比)的混合液。同時，設(shè)置土壤中無生物炭混摻的處理為對照(CK)。為減小試驗誤差，每組試驗重復(fù)3次，共計117組試驗，取平均值作為試驗結(jié)果。

1.3 試驗裝置及試驗過程

試驗裝置圖如圖1所示，試驗所用土柱為內(nèi)徑10 cm、高30 cm的圓柱形透明有機(jī)玻璃管，管上端開口、下端封閉，留一個出水口收集滲出液。先在管底部裝入約1 cm經(jīng)去離子水處理后自然風(fēng)干的石英砂作為反濾層，按照設(shè)定的土壤容重將供試土壤分層填入土柱，因?qū)嶋H設(shè)施生產(chǎn)過程中土壤旋耕深度一般為20 cm，故本研究設(shè)置試驗土柱高度為20 cm，分別將按照0.0%、0.5%、1.0%和2.0%的質(zhì)量比計算的生物炭質(zhì)量與試驗土壤充分混合，將混合土壤分別填入試驗土柱分別至5、10、15 cm和20 cm高，壓實邊緣，避免貼壁縫隙形成的邊際效應(yīng)。表層再鋪設(shè)一層約1 cm厚的石英砂反濾層，減少入滲液對土壤的沖擊和干擾。試驗采用馬氏瓶控制入滲水頭，開始時從土柱下端出水口處往上充水，直至液面到達(dá)土層以上，使土樣充分飽和，然后從上往下分別施加1∶8、1∶6和1∶4(沼液∶水，體積比)的混合液進(jìn)行入滲，并收集滲出液，每次滲出液收集量為30 mL，同時用電導(dǎo)率儀測定不同時刻滲出液電導(dǎo)率，待滲出液電導(dǎo)率基本不變或穩(wěn)定增長時試驗結(jié)束。試驗結(jié)束后取出土柱，沿土柱垂直方向每5 cm為一個剖面取樣點進(jìn)行樣品采集。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

1.4 測定方法及數(shù)據(jù)處理

滲出液電導(dǎo)率采用上海雷磁牌DDS-11A型電導(dǎo)率儀(測量范圍：0～20 mS·cm-1，基本誤差：±1.0%FS)測定；滲出液和土壤中全氮含量采用凱氏定氮法[18]；土壤容重測定用容重圈法；土壤中有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法[19]；土壤pH值采用上

海雷磁牌PHS-25型便攜式pH計測定。試驗數(shù)據(jù)圖表繪制均采用Excel 2010和Origin 9.1軟件，試驗數(shù)據(jù)的顯著性分析采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行。

土壤孔隙度計算公式為：

P=(1-r/d)×100%

式中，P為土壤孔隙度；d為土粒密度，一般認(rèn)為耕地土壤表土的土粒密度為2.65 g·cm-3；r為土壤容重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對滲出液電導(dǎo)率的影響

由圖2可知，沼液配比1∶8時，各試驗組滲出液電導(dǎo)率隨時間逐漸呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長趨勢，但各處理滲出液電導(dǎo)率變化幅度存在一定的差異。與未添加生物炭的CK相比，當(dāng)生物炭混摻厚度為5 cm時，混摻量變化對電導(dǎo)率的影響較其它混摻厚度影響小，呈現(xiàn)出CK>0.5%>2.0%>1.0%的趨勢；當(dāng)生物炭混摻厚度為10 cm時，滲出液電導(dǎo)率CK>2.0%>1.0%>0.5%；當(dāng)生物炭混摻厚度為15 cm時，滲出液電導(dǎo)率1.0%>CK>2.0%>0.5%；當(dāng)生物炭混摻厚度為20 cm時，滲出液電導(dǎo)率差異性不明顯。當(dāng)電導(dǎo)率值趨于平緩或穩(wěn)定增大時，選取某一固定電導(dǎo)率值作為一個對比點，分別研究該點生物炭混摻厚度對電導(dǎo)率的影響。以電導(dǎo)率值2.26 mS·cm-1為參考(如圖2中虛線)可以看出，混摻厚度為5 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理的電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為269、268 mL和264 mL，較CK分別增加12.55%、12.13%和10.46%；混摻厚度為10 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理的電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為325、271 mL和264 mL，較CK分別增加35.98%、13.39%和10.46%；混摻厚度為15 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理對比電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為219、213 mL和265 mL，較CK分別增加-8.37%、-10.88%和10.88%；混摻厚度為20 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理對比電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為242、245 mL和267 mL，較CK分別增加1.26%、2.51%和11.72%。說明當(dāng)沼液配比為1∶8時，生物炭混摻量和混摻厚度對滲出液電導(dǎo)率產(chǎn)生了一定的影響，但沒有產(chǎn)生規(guī)律性影響。

圖2 滲出液電導(dǎo)率變化曲線(沼液配比1∶8)Fig.2 Conductivity change curve of exudate with biogas slurry ratio 1∶8

由圖3可知，沼液配比1∶6時，試驗組滲出液電導(dǎo)率值隨時間逐漸呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的趨勢。但各組滲出液電導(dǎo)率變化幅度存在一定的差異。與未添加生物炭的CK相比，4種生物炭混摻厚度為滲出液電導(dǎo)率值均呈現(xiàn)出2.0%>1.0%>0.5%>CK。以電導(dǎo)率2.5 mS·cm-1為參考(如圖3中虛線)可以看出,混摻厚度為5 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為207、212 mL和208 mL，較CK分別增加13.75%、11.67%和13.33%；混摻厚度為10 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為244、240 mL和179 mL，較CK分別增加1.67%、1.23%和25.42%；混摻厚度為15 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為176、150 mL和149 mL，較CK分別增加26.67%、37.507%和37.92%；混摻厚度為20 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為240、237 mL和208 mL，較CK分別增加1.21%、1.25%和13.33%。說明當(dāng)沼液配比為1∶6時，生物炭混摻量和混摻厚度對滲出液電導(dǎo)率均沒有產(chǎn)生明顯規(guī)律性影響，但電導(dǎo)率值逐漸開始呈現(xiàn)出隨著生物炭混摻厚度和混摻量的增加而減小的趨勢。

圖3 滲出液電導(dǎo)率變化曲線(沼液配比1∶6)Fig.3 Conductivity change curve of exudate with biogas slurry ratio 1∶6

由圖4可知，沼液配比1∶4時，各試驗組滲出液電導(dǎo)率值的整體變化規(guī)律基本一致，試驗過程中，滲出液電導(dǎo)率逐漸增大并趨于穩(wěn)定增長。但各處理滲出液電導(dǎo)率變化幅度存在一定的差異。與未添加生物炭的CK相比，4種生物炭混摻厚度滲出液電導(dǎo)率值均呈現(xiàn)出2.0%>1.0%>0.5%>CK。以電導(dǎo)率2.5 mS·cm-1為參考(如圖4中虛線)，可以看出,混摻厚度為5 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理組電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為214、211 mL和208 mL，較CK分別增加12.30%、13.52%和14.75%；混摻厚度為10 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為213、216 mL和210 mL，較CK分別增加12.70%、11.48%和13.92%；混摻厚度為15 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為179、176 mL和152 mL，較CK時分別增加26.64%、27.87%和37.70%；混摻厚度為20 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理電導(dǎo)率值對應(yīng)的累計滲出量分別為206、185 mL和181 mL，較CK分別增加15.57%、24.18%和25.82%。說明當(dāng)沼液配比為1∶4時，滲出液電導(dǎo)率受到生物炭混摻量和混摻厚度的共同影響。

圖4 滲出液電導(dǎo)率變化曲線(沼液配比1∶4)Fig.4 Conductivity change curve of exudate with biogas slurry ratio 1∶4

上述試驗結(jié)果表明，當(dāng)沼液配比一定時，影響滲出液電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素是土壤中生物炭的混摻量和混摻厚度，而其中生物炭混摻量的影響相對較大。

2.2 不同處理對滲出液全氮含量的影響

由圖5可知，當(dāng)沼液配比1∶8時，各試驗組滲出液的全氮含量累計值的整體變化規(guī)律基本一致，即整個試驗期間滲出液的全氮含量累計值逐漸增大并趨于穩(wěn)定增長。但各處理滲出液全氮含量累計變化幅度存在一定的差異。與未添加生物炭的CK相比，只有生物炭混摻厚度為5 cm時,呈現(xiàn)CK>0.5%>1.0%>2.0%的趨勢，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理全氮含量較CK分別降低13.99%，24.70%和28.27%；當(dāng)生物炭混摻厚度為10 cm時，呈現(xiàn)0.5%>2.0%>1.0%>CK的趨勢，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理全氮累計含量較CK分別增加36.31%，8.93%和31.55%；生物炭混摻厚度為15 cm時，呈現(xiàn)1.0%>0.5%>2.0%>CK的趨勢，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理組全氮累計含量較CK分別增加51.19%、87.80%和39.88%；生物炭混摻厚度為20 cm時，呈現(xiàn)1.0%>0.5%>2.0%>CK的趨勢，混摻量0.5%、1.0%和2.0%處理全氮累計含量較CK分別增加40.48%、43.75%和40.77%。綜上所述，除了生物炭混摻厚度為5 cm外，混摻厚度10、15 cm和20 cm都降低了滲出液全氮含量。

圖5 滲出液全氮含量變化曲線(沼液配比1∶8)Fig.5 Total N content change curve of exudate with biogas slurry ratio 1∶8

由圖6可知，當(dāng)沼液配比1∶6時各試驗組滲出液全氮累計含量的整體變化規(guī)律基本一致，即整個試驗期間，滲出液全氮累計含量逐漸增大并趨于穩(wěn)定增長趨勢。與未添加生物炭的CK相比，4種生物炭混摻厚度全氮累計含量均呈現(xiàn)出CK>0.5%>1.0%>2.0%的變化趨勢，但總體依然存在細(xì)微差別。當(dāng)生物炭混摻厚度為5 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理全氮累計含量較CK分別降低34.49%、37.96%和46.35%；當(dāng)生物炭混摻厚度為10 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理全氮累計含量較CK分別降低47.81%、50.91%和66.79%；當(dāng)生物炭混摻厚度為15 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理全氮累計含量較CK分別降低50.91%、60.22%和62.77%；當(dāng)生物炭混摻厚度為20 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理全氮累計含量較CK分別降低38.50%、41.42%和43.43%。綜合對比發(fā)現(xiàn)，沼液配比為1∶6時，生物炭混摻量對土壤全氮影響差異性較為顯著。

圖6 滲出液全氮含量變化曲線(沼液配比1∶6)Fig.6 Total N content change curve of exudate with biogas slurry ratio 1∶6

由圖7可知，當(dāng)沼液配比1∶4時各試驗組滲出液全氮含量的變化規(guī)律基本一致，整個試驗期間，滲出液全氮累計含量逐漸增大并趨于穩(wěn)定增長趨勢。4種生物炭混摻厚度全氮累計含量均呈CK>0.5%>1.0%>2.0%，但總體依然存在細(xì)微差別。當(dāng)生物炭混摻厚度為5 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理全氮累計含量較CK分別降低4.17%、46.25%和55.83%；當(dāng)生物炭混摻厚度為10 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理全氮累計含量較CK分別降低7.50%、21.25%和71.67%；當(dāng)生物炭混摻厚度為15 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理全氮累計含量較CK分別降低31.67%、50.42%和64.17%；當(dāng)生物炭混摻厚度為20 cm時，混摻量0.5%、1.0%和2.0%的處理全氮累計含量值較CK分別降低27.08%、52.08%和61.67%。綜合對比發(fā)現(xiàn)，沼液配比為1∶4時，生物炭對土壤全氮影響差異性較為顯著。

圖7 滲出液全氮含量變化曲線(沼液配比1∶4)Fig.7 Total N content change curve of exudate with biogas slurry ratio 1∶4

上述結(jié)果表明，當(dāng)沼液配比為1∶8時，除了生物炭混摻厚度5 cm外，其他生物炭混摻厚度情況下均呈現(xiàn)出生物炭配施沼液造成滲出液全氮含量大于對照CK，而當(dāng)沼液配比為1∶6和1∶4情況下，均呈現(xiàn)出滲出液全氮含量明顯小于對照組CK，初步分析得出沼液處于低濃度時，配施生物炭促進(jìn)了全氮淋失，而當(dāng)沼液濃度提高后，隨入滲液中含有的有機(jī)懸浮顆粒增加，滯留效應(yīng)明顯，減少了全氮淋失。

2.3 不同處理對土壤基本物理性質(zhì)的影響

考慮試驗中生物炭混摻厚度為5、10 cm和15 cm時，土壤中生物炭未均勻分布在土柱每一處，可能會對土壤基本理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，因此僅對生物炭混摻厚度為20 cm，即生物炭均勻分布于土柱內(nèi)的試驗處理進(jìn)行分析。

2.3.1 不同處理對土壤容重的影響 土壤容重反映了土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能[20]。表2為生物炭混摻厚度為20 cm，沼液配比和生物炭混摻量對土壤容重的影響情況。當(dāng)沼液濃度一定時，隨著生物炭混摻量的增加，土壤容重呈逐漸減小趨勢;當(dāng)生物炭混摻量一定時，隨著沼液配比的增大，土壤容重呈逐漸減小趨勢。由表2可知，沼液配比為1∶8時，生物炭混摻量為0.0(CK)、0.5%、1.0%和2.0%處理較原土壤容重分別降低2.22%、2.96%、3.70%和4.44%;沼液配比為1∶6時，生物炭混摻量為0.0(CK)、0.5%、1.0%和2.0%處理較原土壤容重分別降低2.96%、4.44%、5.93%和6.67%；沼液配比為1∶4時，生物炭混摻量為0.0(CK)、0.5%、1.0%和2.0%處理較原土壤容重分別降低4.44%、5.19%、6.67%和8.15%。

表2 不同生物炭與沼液配施下的土壤容重/(g·cm-3)

2.3.2 不同處理對土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的影響 土壤團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分，土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性與土壤可蝕性、土壤通氣性密切相關(guān)，對農(nóng)作物的生長也有很大影響[21]。表3為生物炭混摻厚度為20 cm，沼液配比和生物炭混摻量對土壤>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的影響情況。當(dāng)沼液濃度一定時，隨著生物炭混摻量的增加，土壤>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量呈逐漸增加趨勢；當(dāng)生物炭混摻量一定時，隨著沼液配比的增大，土壤>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量呈逐漸增加趨勢。由表3可知，沼液配比為1∶8時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%處理土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體較對照組CK(0.0%)分別增加11.14%、20.55%和31.99%；沼液配比為1∶6時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%處理土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體較對照組CK分別增加9.06%、17.92%和26.42%；沼液配比為1∶4時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%處理土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體較對照組CK分別增加8.47%、16.06%和23.91%。

表3 生物炭配施沼液對土壤>0.25 mm 水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的影響/%

2.3.3 不同處理對土壤總孔隙度的影響 土壤孔隙是土壤氣相和液相物質(zhì)轉(zhuǎn)移的通道，其大小、數(shù)量和空間結(jié)構(gòu)決定了土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)移的形式和速率，是評價土壤肥力特征和土壤儲水性能的重要因素之一[22]。表4為生物炭混摻厚度為20 cm，沼液配比和生物炭混摻量對土壤孔隙度的影響情況。當(dāng)沼液濃度一定時，隨著生物炭混摻量的增加，土壤總孔隙度值呈逐漸增加趨勢；當(dāng)生物炭混摻量一定時，隨著沼液配比的減小，土壤總孔隙度值呈逐漸增加趨勢。由表4可知，沼液配比為1∶8、1∶6和1∶4時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%處理的土壤總孔隙度較對照組CK分別增加0.76%、1.49%和2.25%，1.48%、2.99%和3.72%，0.74%、2.20%和3.68%，說明生物炭的摻入有利于土壤總孔隙度的提升。

表4 生物炭配施沼液對土壤總孔隙度的影響

2.4 不同處理對土壤基本化學(xué)性質(zhì)的影響

2.4.1 不同處理對土壤pH值的影響 表5為生物炭混摻厚度為20 cm，沼液配比和生物炭混摻量對土壤pH值的影響情況。當(dāng)沼液濃度一定時，隨著生物炭混摻量的增加，土壤pH值呈逐漸增加趨勢；當(dāng)生物炭混摻量一定時，隨著沼液配比的減小，土壤pH值呈逐漸增加趨勢。由表5可知，沼液配比為1∶4時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%處理土壤pH值較對照組CK分別增加0.01、0.03和0.04；沼液配比為1∶6時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%土壤pH值較對照組CK分別增加0.01、0.03和0.04；沼液配比為1∶8時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%土壤pH值較對照組CK分別增加0.01、0.03和0.05。對比發(fā)現(xiàn)，不同沼液配比和生物炭混摻量對土壤pH值的影響均較小，可忽略不計。

表5 生物炭配施沼液對土壤pH值的影響

2.4.2 不同處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 有機(jī)質(zhì)能吸附陽離子，使土壤保持較好的緩沖和保肥性，進(jìn)而松動土壤，便于土壤結(jié)構(gòu)體的形成[23]。表6為生物炭混摻厚度為20 cm，沼液配比和生物炭混摻量對土壤有機(jī)質(zhì)的影響情況。當(dāng)沼液濃度一定時，隨著生物炭混摻量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)呈逐漸增加趨勢；當(dāng)生物炭混摻量一定時，隨著沼液配比的減小，土壤有機(jī)質(zhì)呈逐漸減小趨勢。由表6可知，沼液配比為1∶4時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%處理土壤有機(jī)質(zhì)較對照組CK分別增加4.83%、14.22%和22.89%；沼液配比為1∶6時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%處理土壤有機(jī)質(zhì)較對照組CK分別增加5.51%、10.61%和17.67%；沼液配比為1∶8時，生物炭混摻量為0.5%、1.0%和2.0%處理土壤有機(jī)質(zhì)較對照組CK分別增加12.44%、21.69%和37.17%。其中沼液配比1∶8時，土壤有機(jī)質(zhì)增加量顯著大于沼液配比1∶6和1∶4處理，表明沼液配比1∶8配施生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)含量影響較大。

表6 生物炭配施沼液對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響/(g·kg-1)

3 討 論

3.1 滲出液電導(dǎo)率和全氮含量分析

Tan等[24]的研究表明生物炭能促進(jìn)土壤中有機(jī)氮的礦化、固定和轉(zhuǎn)化，為土壤微生物提供氮源，增加土壤含氮量；Hidetoshi等[25]的研究表明生物炭減少了施用無機(jī)氮肥的浸出，并促進(jìn)施用養(yǎng)分的利用；Ding等[26]的研究表明將生物炭添加到表層土壤中，可以減少氮素通過徑流流失造成的農(nóng)業(yè)損失，特別是在降雨量大的地區(qū)；謝迎新等[27]的研究表明施用生物炭可顯著增加地上部氮素吸收量，明顯提高耕層土壤有機(jī)碳和全氮含量，進(jìn)而使土壤碳庫顯著增加，土壤肥力得到提升。本試驗研究通過測定土柱滲出液電導(dǎo)率和全氮含量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沼液配比一定時，隨著生物炭混摻厚度和混摻量的增大，滲出液全氮累計量逐漸增加但增加趨勢逐漸降低，即意味著滲出液中減少的全氮滯留在土壤內(nèi)部，生物炭的施用可以減少土壤中氮素的浸出，使土壤中全氮含量增加；這是因為生物炭具有高度芳香化的結(jié)構(gòu)，其表面含有羧基、酚羥基、羰基、酸酐等基團(tuán)，這些結(jié)構(gòu)特性使其具備了良好的吸附特性及穩(wěn)定性；但隨著滲出液滲出量的增加，土壤中全氮含量逐漸趨于穩(wěn)定值，表明土壤中混摻生物炭不會無限制產(chǎn)生固氮作用，其最大吸附量取決于生物炭制備原材料和施用量。當(dāng)生物炭混摻量一定時，隨著沼液配比的增大，滲出液全氮累計量變化趨勢逐漸趨于平緩，且增加量呈現(xiàn)出CK>0.5%>1.0%>2.0%，表明土壤中全氮含量隨著沼液配比的減小而增加。這與王衛(wèi)平等[28]、甘福丁等[29]和王昊川等[30]的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步表明沼液配合生物炭施用可以有效地提高土壤中氮素含量，起到固氮作用。

3.2 生物炭配施沼液對土壤基本物理性質(zhì)的影響

施用生物炭能明顯改變土壤的基本物理性質(zhì)，主要表現(xiàn)在對土壤容重、土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體及土壤總孔隙度等方面的改變。吳崇書等[31]的研究表明，施用生物炭可在一定程度上改善土壤物理性狀，降低土壤容重，增加土壤的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量；李昌見等[32]的研究表明將生物炭與土壤混合能有效減小土壤的容重，增加土壤總孔隙度；Tanure等[33]的研究表明生物炭施用于土壤中，能提高土壤孔隙度，降低土壤容重。本研究也再次證明了上述結(jié)論，試驗中發(fā)現(xiàn)土壤中施加生物炭后，初始容重相同、沼液配比一定時，隨著生物炭施用量的增加，土壤容重逐漸減小，土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量逐漸增大，總孔隙度逐漸增加。當(dāng)沼液配比不同時，隨著沼液配比的降低，土壤容重逐漸減小，土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量逐漸增加，總孔隙度逐漸增大。這主要是因為沼液是一種含有大量微生物的有機(jī)肥，而微生物能夠分解土壤中的有機(jī)物，產(chǎn)生能起到膠結(jié)作用的多糖膠、脂肪、蠟等物質(zhì)，達(dá)到改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，降低土壤容重的作用。同時，生物炭的多孔特性及其比重較輕的特性也對土壤容重的降低產(chǎn)生了一定影響。此外，生物炭的施用會增加土壤中的含鈣物質(zhì)和土壤微生物的活性，能夠促進(jìn)穩(wěn)定性團(tuán)聚體形成和生物炭含氧功能團(tuán)的形成，進(jìn)而增加生物炭與無機(jī)膠體的聯(lián)接，有利于土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成[34]。

3.3 生物炭配施沼液對土壤基本化學(xué)性質(zhì)的影響

施用生物炭能明顯改變土壤的基本化學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)在對土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量等方面的改變。陳心想等[34]的研究表明施用生物炭能明顯改變土壤的理化性質(zhì)，顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，為作物生長提供更優(yōu)條件；韓曉日等[35]研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，施炭量3.0 t·hm-2和6.0 t·hm-2處理土壤pH值增加了0.32。而本研究發(fā)現(xiàn)，對土壤同時施加生物炭和沼液后，土壤pH值整體變化并不顯著，初步分析可能是沼液中富含多糖和腐殖酸等弱酸性功能團(tuán)，提高了土壤對酸堿度變化的緩沖性能，且隨沼液配比和灌溉量增加，多糖和腐殖酸的量增大，中和土壤pH值的能力越強(qiáng)[36]，并且增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量。因此，生物炭配施沼液適宜在農(nóng)田中長期使用，而不會增加農(nóng)田土壤鹽漬化的危險。該結(jié)果與Chintala等[37]和Orlova等[38]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

1)相同土壤容重和沼液配比條件下，隨著生物炭施用量的增加，土壤滲出液全氮含量逐漸減小，即施用生物炭在一定范圍內(nèi)能夠增加土壤全氮含量。

2)相同土壤容重和沼液配比條件下，隨著生物炭施用量的增加，土壤容重逐漸減小，土壤中>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和土壤總孔隙度逐漸增大；當(dāng)沼液配比不同時，隨著沼液配比的降低，土壤容重逐漸減小，土壤>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和土壤總孔隙度逐漸增加。

3)土壤容重和沼液配比相同時，隨生物炭施用量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤pH值均有逐漸增大的趨勢，但土壤pH值增加趨勢并不顯著；當(dāng)沼液配比不同時，隨著沼液配比的減小，土壤pH值總體呈逐漸增加趨勢，但差異并不顯著。