張進(jìn)紅 吳 波 王國良 賈春林

(1.山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所， 濟(jì)南 250100； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實驗室， 濟(jì)南 250100)

0 引言

黃河三角洲地區(qū)瀕臨渤海灣及萊州灣，土地資源豐富，且黃河每年新淤土地1 000 hm2左右，是中國東部沿海后備土地資源最好、開發(fā)潛力較大的地區(qū)[1]。由于受氣候條件、土壤母質(zhì)、海水以及沉積環(huán)境等因素影響，該地區(qū)鹽漬化土壤廣為分布[2]。隨著糧經(jīng)飼三元種植結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，被譽(yù)為“牧草之王”的紫花苜蓿種植產(chǎn)業(yè)在黃河三角洲地區(qū)迅速發(fā)展，栽培面積日益擴(kuò)大，但土壤鹽漬化嚴(yán)重影響了該地區(qū)紫花苜蓿的生產(chǎn)力。

生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧或無氧條件下經(jīng)熱裂解形成的穩(wěn)定、高度芳香化的富碳產(chǎn)物[3]，近年來，生物炭被廣泛應(yīng)用于土壤改良。生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)不僅為微生物生長繁殖提供良好場所，其巨大的比表面積和表面能還可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成[4]、減少養(yǎng)分流失[5]、減緩鹽分脅迫[6]，從而改善土壤養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)狀況，促進(jìn)作物生長和產(chǎn)量提高[7]。因此，將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物炭、將生物炭作為土壤改良劑再還田改土是一項多贏策略[8]。

通過生物炭耦合作物根系，增強(qiáng)或減弱生物化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度，從而減緩資源限制作用，并降低機(jī)械阻力，進(jìn)而影響作物生理生化反應(yīng)及生產(chǎn)力，這一過程被認(rèn)為可以較全面地解釋生物炭—土壤—作物連續(xù)體之間的相互作用關(guān)系[9-10]。但關(guān)于生物炭改善鹽漬化土壤性質(zhì)，進(jìn)而提高紫花苜蓿生產(chǎn)力的研究尚不多見。本文采用盆栽試驗方法，研究不同生物炭用量對黃河三角洲鹽漬化土壤養(yǎng)分、鹽分、結(jié)構(gòu)和紫花苜蓿生產(chǎn)力的影響，采用灰色關(guān)聯(lián)度模型評價生物炭在鹽堿地的應(yīng)用效果，以期為黃河三角洲鹽堿地區(qū)選擇性應(yīng)用生物炭和促進(jìn)紫花苜蓿增產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤采自東營農(nóng)高區(qū)(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東營試驗示范基地)0～20 cm土層，風(fēng)干，過2 mm篩備用。供試土壤為砂壤土，pH值為7.34，電導(dǎo)率為452 μS/cm，有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量比，下同)為18.72 g/kg，堿解氮含量為25.96 mg/kg，速效磷含量為23.64 mg/kg，速效鉀含量為720.0 mg/kg。生物炭為杏仁殼生物炭，pH值為8.07，電導(dǎo)率為1 665 μS/cm，有機(jī)質(zhì)含量為517.21 g/kg，堿解氮含量為34.07 mg/kg，速效磷含量為145.76 mg/kg，速效鉀含量為6.90 g/kg。供試作物為魯苜1號紫花苜蓿。

1.2 試驗設(shè)計

采用盆栽試驗方法，稱取1.2 kg土壤，分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、0.5%、1%、2%、5%和10%加入生物炭(記為CK、B0.5、B1、B2、B5、B10)，混合均勻后裝入直徑14.5 cm、深度13 cm的塑料盆缽中，加水飽和過夜后，播種魯苜1號紫花苜蓿，播深2 cm，出苗后毎盆定苗5株，每個處理3次重復(fù)。紫花苜?，F(xiàn)蕾初期試驗結(jié)束。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1紫花苜蓿

利用直尺法測量苜蓿株高，干燥法測定苜蓿干草產(chǎn)量，分光光度法測定苜蓿葉片葉綠素含量，凱氏定氮法測定粗蛋白(Crude protein，CP)含量，濾袋法測定苜蓿中性洗滌纖維(Neutral detergent fibir，NDF)含量和酸性洗滌纖維(Acid detergent fibir，ADF)含量，干物質(zhì)消化率(Digestible dry matter，DDM)、干物質(zhì)采食量(Dry matter intakes，DMI)、相對飼喂價值(Relative feed value，RFV)和凈能(Net energy，NE)計算公式為

DDM=88.9-0.779ADF

(1)

DMI=120/NDF

(2)

RFV=0.775DDMDMI

(3)

NE=2.205(1.004-0.011 9ADF)

(4)

1.3.2土壤

(1)土壤養(yǎng)分指標(biāo)測定

采用pHS-3C型pH計測定pH值，采用重鉻酸鉀外加熱法測定有機(jī)質(zhì)含量，凱氏定氮法測定全氮含量，連續(xù)性流動分析儀測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，堿解擴(kuò)散法測定堿解氮含量，比色法測定全磷和有效磷含量，火焰光度法測定全鉀和速效鉀含量。

(2)土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)測定

采用環(huán)刀法測定容重，烘干法測定含水量，濕篩法測定團(tuán)聚體含量。采用平均重量直徑(Mean weight diameter，MWD)、幾何平均直徑(Geometric mean diameter，GMD)以及大于0.25 mm的團(tuán)聚體含量(R0.25)描述土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，計算公式為

(5)

(6)

(7)

wi——i粒級團(tuán)聚體質(zhì)量比

mi——不同粒級團(tuán)聚體的質(zhì)量

MT——團(tuán)聚體總質(zhì)量

MT>0.25——大于0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量

(3)土壤鹽基離子含量測定

1.4 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的生物炭應(yīng)用效果評價

1.4.1評價對象與指標(biāo)體系

以不同用量生物炭處理的土壤和苜蓿為評價對象，選取土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、堿解氮含量、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、全磷含量、有效磷含量、全鉀含量、速效鉀含量、容重、R0.25、MWD、GMD、總鹽量以及苜蓿株高、產(chǎn)量、莖葉比、干鮮比、葉綠素含量、CP、ADF、NDF、DDM、DMI、RFV、NE作為評價指標(biāo)，構(gòu)成數(shù)據(jù)列。所有評價對象的數(shù)據(jù)列構(gòu)成數(shù)據(jù)矩陣。

1.4.2灰色關(guān)聯(lián)度分析模型

以單項指標(biāo)的最優(yōu)值組成灰色關(guān)聯(lián)分析的參考數(shù)列，記為{x0(k)}(k=1,2,…,n)，n為選取的測定指標(biāo)數(shù)。被評價對象的比較數(shù)列記為{xi(k)}(i=1,2,…,m)，m為生物炭處理數(shù)。用均值化方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式為

(8)

其中

Δi(k)=|xo(k)-xi(k)|

式中εi(k)——關(guān)聯(lián)系數(shù)

ρ——分辨系數(shù)，取值0.5

關(guān)聯(lián)度計算公式為

(9)

(10)

其中

式中γi——等權(quán)關(guān)聯(lián)度

γ′i——加權(quán)關(guān)聯(lián)度

w(k)——權(quán)重

其中，關(guān)聯(lián)度越大，表明該處理生物炭利用價值越高。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行整理與繪圖，使用SPSS 16.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量

與CK相比，生物炭施用后土壤pH值提高了0.09～0.28，B2處理pH值最高，為7.71；土壤含水率無顯著變化；有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別增加了16.27%～246.65%和6.38%～58.51%，且生物炭用量越大，兩者增加幅度越大，B10處理有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別是B0.5處理的2.98、1.49倍(表1)。與之不同，堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨施炭量的增加呈降低趨勢。生物炭用量0.5%～5%處理全磷和有效磷含量較CK無明顯變化；用量增加至10%，全磷和有效磷含量顯著提高了9.84%和25.46%。不同生物炭用量處理全鉀含量無顯著變化；速效鉀含量隨著施炭量的增加而增加，B10處理時達(dá)到688 mg/kg，比CK提高了1.48倍。

按照全國第二次土壤普查推薦的土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)來看，生物炭施用后有機(jī)質(zhì)、全氮等級由原來的4級分別提高至1級和3級，堿解氮保持在6級標(biāo)準(zhǔn)，有效磷等級由3級提高至2級水平，速效鉀保持在1級標(biāo)準(zhǔn)，說明施用生物炭后黃河三角洲鹽漬化土壤肥力有所提高(表2)。

表2 不同生物炭用量處理的土壤養(yǎng)分等級Tab.2 Soil nutrient grade in different biochar rate treatments

2.2 土壤結(jié)構(gòu)

2.2.1土壤容重

土壤容重顯著降低，且降低幅度隨著生物炭用量增加而增加，B10處理土壤容重僅為CK的84.33%(圖1，圖中不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)，下同)。

2.2.2土壤團(tuán)聚體組成

與CK相比，B0.5處理在大于2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm粒級團(tuán)聚體含量顯著提高了71.10%、106.59%和96.77%；其他處理對以上粒級團(tuán)聚體含量影響效果不顯著(表3)。1%～5%用量生物炭處理0.25～0.50 mm粒級團(tuán)聚體含量較CK顯著提高了82.90%～97.10%。從微團(tuán)聚體來看，生物炭施入后，0.053～0.25 mm和0～0.053 mm粒級團(tuán)聚體含量較CK有所降低，但加大施炭量，降低幅度減?。黄渲蠦10處理差異不顯著，B0.5處理降幅最大，0.053～0.25 mm和0～0.053 mm粒級團(tuán)聚體含量分別降低40.76%和58.62%。

圖1 不同生物炭用量處理的土壤容重Fig.1 Soil bulk density in different biochar rate treatments

2.2.3土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

B0.5處理MWD和GMD較CK顯著提高了69.73%和205.79%，其他處理間MWD和GMD均無顯著差異(圖2)。本研究土壤團(tuán)聚體的R0.25為0.42～0.72。與CK相比較，B10處理R0.25差異不顯著，而生物炭用量0.5%～5%處理R0.25顯著提高，但提高幅度隨施炭量的增加而減小，B0.5處理達(dá)到最大值，比CK提高72.62%。

表3 不同生物炭用量處理的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成Tab.3 Soil water-stable aggregate contents in different biochar rate treatments %

圖2 不同生物炭用量處理的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性Fig.2 Soil aggregate stability in different biochar rate treatments

2.3 土壤鹽分離子

2.3.1土壤水溶性鹽總量和離子含量

圖3 不同生物炭用量處理的土壤鹽分離子含量Fig.3 Soil salt ions contents in different biochar rate treatments

2.3.2土壤鹽分離子比值

低量生物炭(B0.5)處理較CK降低了Ca2+/K+、Ca2+/Na+、Ca2+/Mg2+比值，提高了Mg2+/K+、Mg2+/Na+、Na+/K+比值，表明與CK相比，低量生物炭處理下陽離子聚集程度由小到大為Ca2+、K+、Na+、Mg2+(表4)。除B10外，增加生物炭用量，土壤的Ca2+/K+、Ca2+/Na+、Ca2+/Mg2+比值增加，Mg2+/K+、Mg2+/Na+、Na+/K+比值則呈降低趨勢，可見隨施炭量增加，不同陽離子的富集程度由大到小為Ca2+、K+、Na+、Mg2+。

表4 不同生物炭用量處理的土壤鹽分離子質(zhì)量比Tab.4 Ratios of soil salt ions in different biochar rate treatments

2.4 紫花苜蓿生長特性

2.4.1產(chǎn)量、株高、莖葉比、干鮮比和葉綠素含量

生物炭施入后，苜蓿產(chǎn)量顯著提高了8.19%～43.00%；增加施炭量，苜蓿產(chǎn)量呈先升后降趨勢，B2處理苜蓿產(chǎn)量達(dá)到最高，為4.19 g/盆(表5)。B0.5處理苜蓿株高較CK顯著提高了27.76%，其他處理差異較小。各處理苜蓿莖葉比、干鮮比和葉綠素含量均無顯著性差異。

2.4.2品質(zhì)指標(biāo)

不同生物炭用量處理苜蓿的粗蛋白、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量分別在19.05%～19.74%、23.15%～25.03%、29.73%～31.89%之間，差異較小(表6)。各生物炭處理下，苜蓿的干物質(zhì)采食量、干物質(zhì)消化率、相對飼喂價值和凈能也均無顯著差異。

表5 不同生物炭用量處理的苜蓿株高、產(chǎn)量、莖葉比、干鮮比和葉綠素含量Tab.5 Plant height, yield, stem-leaf ratio, dry-fresh ratio and chlorophyll content of alfalfa in different biochar rate treatments

表6 不同生物炭用量處理的苜蓿品質(zhì)Tab.6 Alfalfa quality in different biochar rate treatments

2.5 生物炭施用效果

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度模型，計算的各處理加權(quán)關(guān)聯(lián)度由大到小為B0.5、B10、B1、B2、B5、CK(圖4)，等權(quán)關(guān)聯(lián)度和加權(quán)關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果一致，兩者相關(guān)系數(shù)R=0.987，達(dá)到顯著水平。說明施用生物炭改善了鹽漬化土壤理化性質(zhì)，對苜蓿生長環(huán)境產(chǎn)生正面效應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)苜蓿生長。生物炭用量0.5%施用效果最優(yōu)，用量0～5%范圍內(nèi)，生物炭施用效果隨著施炭量的增加而降低。B10處理施用效果僅次于B0.5，可能原因是該處理對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀等養(yǎng)分含量提高幅度較大。

圖4 不同生物炭用量處理的關(guān)聯(lián)度Fig.4 Values of correlative degree in different biochar rate treatments

3 討論

3.1 生物炭施用后鹽漬化土壤肥力變化

關(guān)于如何提高鹽漬化土壤肥力，利用有效的培肥條件來創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，嘗試了不同種類的改良劑，并得到了較多試驗成果[11-12]。其中，基于農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用而制備得到的生物炭應(yīng)用于土壤改良，近年來成為研究熱點(diǎn)。

生物炭施入鹽漬化土壤后，土壤養(yǎng)分含量隨生物炭用量不同有所差異。本研究中，隨著生物炭用量的增加，鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量增加，這一結(jié)論與生物炭在黑土[13]、黃壤[14]、紅壤[15]等土壤類型中的研究結(jié)果基本一致。生物炭提高鹽漬化土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量的可能原因是生物炭本身含有的豐富營養(yǎng)元素(特別是C、P、K等)，可直接向鹽漬化土壤提供養(yǎng)分，改善植物營養(yǎng)[16]，同時由于表面多孔、富含官能團(tuán)、帶有正負(fù)電荷等特性[17]，可通過吸附、螯合等作用，降低養(yǎng)分淋失[18]。冉成等[19]、趙鐵民等[20]研究指出，隨著生物炭用量的增加，鹽漬化土壤堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量呈降低趨勢。本研究得到與之相同的結(jié)果。可能原因一是生物炭用量增加使土壤碳氮比增大，引起氮的生物固定，導(dǎo)致含量降低[21]；二是施用生物炭改善了苜蓿根際環(huán)境，增加了土壤微生物的豐度和活性，促進(jìn)了苜蓿根系生長和對土壤中速效氮的吸收，進(jìn)而降低了土壤中堿解氮量[22]。

3.2 生物炭施用后鹽漬化土壤結(jié)構(gòu)變化

生物炭疏松多孔，具有較強(qiáng)的吸附能力，施入土壤后可改善土壤結(jié)構(gòu)[23]。本研究結(jié)果顯示，鹽漬化土壤容重隨生物炭施用量的增加呈下降趨勢，這與吳昱等[13]、魏永霞等[24-25]的研究結(jié)論一致。適合作物生長的土壤容重為1.00～1.30 g/cm3，本研究中，生物炭施入后鹽漬化土壤容重由1.38 g/cm3降低至1.16 g/cm3，緩解土壤板結(jié)，有利于苜蓿生長。

土壤團(tuán)聚體作為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量與穩(wěn)定性影響土壤質(zhì)量，是反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標(biāo)[26-27]。本研究表明，與CK相比，施用低量生物炭增加了大于0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，增加了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的R0.25、MWD、GMD，提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性?？赡茉蛞皇鞘┯蒙锾刻岣吡他}漬化土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤微生物量，增強(qiáng)了土壤生物活性，從而產(chǎn)生更多的分泌物，形成土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)，增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[28]，二是生物炭表面含有多種官能團(tuán)促進(jìn)了土壤顆粒團(tuán)聚作用[29]。本研究中團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)MWD、GMD和R0.25隨著生物炭用量的增加呈降低趨勢，這與何玉亭等[30]、李偉等[26]報道的紅壤土團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨著生物炭施用量的增加而提高的結(jié)論不同。LIU等[31]發(fā)現(xiàn)施用4、8、16 g/kg生物炭對砂質(zhì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性無顯著影響。造成這些差異的原因主要與土壤類型、土壤質(zhì)地有關(guān)。砂土、黏土、壤土對土壤有機(jī)碳的吸附能力不同，與大分子有機(jī)質(zhì)形成穩(wěn)固的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體難易程度也不同，因而對生物炭的響應(yīng)不同[26]。另外，鹽漬化土壤條件下，過量施用生物炭可能限制了土壤-微生物-生物炭之間的相互作用，從而減緩?fù)寥缊F(tuán)聚體的形成過程[27]。

3.3 生物炭施用后鹽漬化土壤鹽分變化

黃河三角洲地區(qū)地勢平緩，天然排水能力差，蒸發(fā)量是降水量的3倍，土壤鹽漬化問題突出。土壤水溶性鹽含量是鹽堿土的一個重要屬性，是限制作物生長的主要障礙因素之一。韓劍宏等[32]、劉鴻驕等[33]報道指出生物炭降低了土壤鹽分含量，這與本研究結(jié)論相一致?？赡苁且驗榫邆涓弑缺砻娣e和多孔結(jié)構(gòu)的生物炭降低了土壤容重，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)了土體鹽分離子的淋洗[29，34]。孫運(yùn)朋等[35]也發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤，能提高鹽分的洗脫效果并抑制土壤表層的鹽分積聚。本研究中，加大生物炭用量，土壤鹽分降低的幅度減小，這可能是生物炭本身灰分含量較高，過量施用后生物炭自身的鹽度會引起土壤鹽度的增加。

3.4 生物炭施用后紫花苜蓿生長變化

生物炭施入鹽漬化土壤后，盡管有一些對植物生長無效或負(fù)面效果的報道[36-37]，但大部分研究結(jié)果顯示，生物炭能夠提高鹽堿地大豆[34]、玉米[38]、水稻[39]、番茄[40]等植物產(chǎn)量。本研究結(jié)果也顯示生物炭顯著提高了苜蓿產(chǎn)量。生物炭施用下苜蓿產(chǎn)量增加可能主要與土壤性質(zhì)的改善相關(guān)，從而增加植物水分和養(yǎng)分吸收，調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度和植物激素[41-42]。但生物炭對苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)無顯著影響。

4 結(jié)論

(1)施加生物炭顯著影響黃河三角洲鹽漬化土壤養(yǎng)分含量。各生物炭處理下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較CK至少增加了16.27%和6.38%，且增幅與施炭量呈正相關(guān)。隨施炭量的增加，堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量呈下降趨勢。除B10外，全磷、有效磷和全鉀含量變化較小。

(2)隨施炭量的增加，土壤容重逐漸降低。B0.5處理MWD和GMD較CK顯著提高了69.73%和205.79%，其他處理間MWD和GMD均無顯著差異。生物炭用量為0.5%～5%處理時，R0.25顯著提高，但提高幅度隨著生物炭用量的增加而減小。

(4)生物炭施入后，苜蓿產(chǎn)量提高了8.19%～43.00%，但苜蓿莖葉比、干鮮比、葉綠素含量和品質(zhì)指標(biāo)無顯著變化。

(5)灰色關(guān)聯(lián)度模型評價表明，施用生物炭改善了鹽漬化土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)了苜蓿生長；生物炭用量0.5%時施用效果最優(yōu)。