鄧建強(qiáng),方武軍,王 勇,吳 東,樊 俊,夏鵬亮 (.湖北省煙草公司恩施州公司,湖北 恩施 5000;2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽(yáng)卷煙廠,湖北 襄陽(yáng) 000;.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司紅安卷煙廠,湖北 紅安 800;.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,湖北 武漢 0000)
土地整治是增加有效耕地面積、提高土地質(zhì)量、改善生態(tài)環(huán)境的重要途徑。早在20世紀(jì)50年代,德國(guó)和荷蘭就已大力開(kāi)展了土地整治,后逐步拓展到歐洲各國(guó)[1]。我國(guó)土地整治始于20世紀(jì)80年代,在增加耕地?cái)?shù)量、提高耕地質(zhì)量等方面做出了重大貢獻(xiàn)[2-3]。已初步證實(shí)土地整治有助于社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)保護(hù)的和諧發(fā)展[4-7]。然而,由于土壤整治受到工程改造的影響,大量生土被帶入耕作層,機(jī)械碾壓作用使原有土壤層物理狀況發(fā)生改變,水熱協(xié)調(diào)能力變差[8-9],在整治后的數(shù)年里難以滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)需求,重度整治區(qū)域表現(xiàn)尤為突出[10]。為此,尋求一種快速重構(gòu)土壤結(jié)構(gòu)的方法具有現(xiàn)實(shí)緊迫性。
當(dāng)前,生物質(zhì)炭技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[11],并應(yīng)用到土壤酸化區(qū)改良[12]、鹽漬土區(qū)域改良[13]、重金屬和有機(jī)物質(zhì)污染區(qū)域修復(fù)[14-15]等領(lǐng)域,結(jié)果證實(shí)生物質(zhì)炭在土壤物理結(jié)構(gòu)重塑方面效果較佳。這主要?dú)w結(jié)于生物質(zhì)炭本身較大的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的表面積[16-17],增加了土壤孔隙度,減小了土壤容重,增加了田間持水量[18-22],生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成,增加了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[23-24]。為此,該研究通過(guò)田間試驗(yàn)探討生物質(zhì)炭對(duì)土地整治區(qū)土壤物理特性的改良效應(yīng),為土地整治區(qū)生產(chǎn)力快速恢復(fù)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。
試驗(yàn)區(qū)位于湖北恩施現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)示范區(qū)(26° 45′ N,111° 23′ E),海拔為1 015 m。試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榈湫偷膸r溶性地貌區(qū),具有明顯的山地立體型氣候特點(diǎn),年平均氣溫為16.3 ℃,年均降雨量為1 434.9 mm,降雨主要集中在7—9月[25]。土地整治前土壤類(lèi)型為山地黃棕壤,受工程改造影響較大,帶入耕作層的生土較多,與非整治區(qū)相比,有機(jī)質(zhì)含量低,土壤容重大,基礎(chǔ)土樣理化性質(zhì)如下:容重為1.30 g·cm-3,有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為9.02、0.87、0.87、20.46 g·kg-1,pH值為7.50,陽(yáng)離子交換量(CEC)為7.51 cmol·kg-1。
供試生物質(zhì)炭由某再生能源專(zhuān)業(yè)加工廠提供,原料為水稻谷殼。生物質(zhì)炭生產(chǎn)設(shè)備為連續(xù)豎式生物質(zhì)炭化爐,炭化溫度為400~500 ℃,其中30%的生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭[23]。生物質(zhì)炭比表面積為2.09 m2·g-1,孔隙呈蜂窩狀,存在較多的微孔和小孔,尺寸在5 μm以下,以芳香族官能團(tuán)為主。其基本化學(xué)性質(zhì)如下:全氮、全磷、全鉀、有機(jī)碳含量為2.16、6.85、7.42、543.53 g·kg-1,pH值為7.73,CEC為 22.50 cmol·kg-1,灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.69%。
1.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)為大田試驗(yàn),共5個(gè)處理,即生物質(zhì)炭用量分別為0(CK)、7.5、15、30和45 t·hm-2,3次重復(fù),小區(qū)面積為8.25 m×4.80 m=39.60 m2,隨機(jī)排列。試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)1.2 m寬保護(hù)行,小區(qū)間設(shè)0.8 m農(nóng)業(yè)操作走道,將生物質(zhì)炭均勻施于土壤表面,翻耕混勻至土壤耕作層(0~30 cm),后期不再補(bǔ)施生物質(zhì)炭。供試作物為云煙87,行距為1.20 m,株距為0.55 m,施肥按照當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
1.3.2土壤指標(biāo)
煙葉生長(zhǎng)季每隔15 d測(cè)定1次土壤含水量,測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn)[26]。大田試驗(yàn)布置的第2年,在0~20 cm壟體中利用容重環(huán)刀、飽和導(dǎo)水率環(huán)刀和水分特征曲線環(huán)刀采集原狀土,每個(gè)小區(qū)3次重復(fù)。同時(shí),用鐵鏟對(duì)每個(gè)小區(qū)壟體的土壤進(jìn)行取樣,放入硬質(zhì)盒中帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定團(tuán)聚體。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定;土壤水分特征曲線采用壓力膜法測(cè)定[27];飽和導(dǎo)水率采用滲透率儀在恒水頭下測(cè)定[28];土壤團(tuán)聚體采用濕篩法測(cè)定[29],團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD,DMW)計(jì)算方法為
(1)
由于生物質(zhì)炭施用后,土壤容重大幅降低,耕層厚度增加,單獨(dú)采用土壤含水量不能準(zhǔn)確描述土層中水分的變化狀況,為此引入土層儲(chǔ)水量指標(biāo),對(duì)土地整治區(qū)土層水分變化情況進(jìn)行描述,計(jì)算公式為
W=θm×ρ×h×100%。
(2)
式(2)中,W為土層儲(chǔ)水量,t·hm-2;θm為質(zhì)量含水量,%;ρ為未改良時(shí)土壤容重,g·cm-3;h為改良深度,cm。
常規(guī)統(tǒng)計(jì)和建模分析在Excel 2003、SPSS 16.0和MATLAB 7.5平臺(tái)進(jìn)行。多重比較采用新復(fù)極差法,顯著性水平設(shè)為α=0.05。
生物質(zhì)炭對(duì)土壤容重具有顯著的降低作用,容重隨著用量的上升而下降(表1)。
與CK相比,7.5、15、30和45 t·hm-2處理的土壤容重分別下降1.67%、3.99%、6.15%和8.19%,其中30 t·hm-2以上處理與CK差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。此外,生物質(zhì)炭具有提高土壤飽和導(dǎo)水率的趨勢(shì)。與CK相比,7.5 t·hm-2處理的土壤飽和導(dǎo)水率下降2.4%,15、30和45 t·hm-2處理分別上升49.2%、65.5%和41.8%,但各處理間差異未達(dá)顯著水平。
表1 生物質(zhì)炭對(duì)土壤容重和土壤飽和導(dǎo)水率的影響
通過(guò)表2可知,>5 mm粒徑的團(tuán)聚體比例隨著生物質(zhì)炭用量的增加呈下降趨勢(shì),45 t·hm-2處理與CK相比顯著下降(P<0.05),降幅達(dá)36.57 %,其他處理間差異不顯著。對(duì)于>0.5~5 mm粒徑的團(tuán)聚體而言,增加生物質(zhì)炭用量對(duì)其比例有一定的影響,但處理間無(wú)顯著差異。隨著生物質(zhì)炭用量的上升,>0.25~0.5 mm粒徑的團(tuán)聚體比例具有顯著上升趨勢(shì),30和45 t·hm-2處理與CK相比差異達(dá)顯著水平(P<0.05),而≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體比例隨著生物質(zhì)炭用量的增加呈下降趨勢(shì),30和45 t·hm-2處理顯著低于CK(P<0.05),降幅約為11%。45 t·hm-2處理的MWD顯著低于CK和7.5 t·hm-2處理(P<0.05),但與15和30 t·hm-2處理的差異不顯著,說(shuō)明15 t·hm-2用量是生物質(zhì)炭對(duì)MWD影響的分界點(diǎn),用量低于此值時(shí)對(duì)MWD的影響程度較小,但當(dāng)用量逐漸增大至高于15 t·hm-2時(shí),生物質(zhì)炭對(duì)土壤MWD的降低趨勢(shì)逐步顯現(xiàn)。這與生物質(zhì)炭對(duì)>5 mm粒徑大團(tuán)聚體比例有顯著降低效果有關(guān),雖>0.25~0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例顯著上升,但大粒級(jí)團(tuán)聚體的權(quán)重高,由此導(dǎo)致各處理的MWD整體降低。
表2 生物質(zhì)炭對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響
生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性有一定影響(表3),在土壤水分飽和狀態(tài)(0 Pa)和低吸力條件下(0.1×105Pa)處理間差異不顯著。當(dāng)吸力在0.3×105~15×105Pa之間時(shí),隨著生物質(zhì)炭用量的增加,土壤體積含水量逐步上升,且30和45 t·hm-2處理均顯著高于CK(P<0.05),說(shuō)明在此吸力條件下施用生物質(zhì)炭有助于提高土壤的保水能力。當(dāng)吸力達(dá)到15.0×105Pa,即土壤萎蔫點(diǎn)含水量,隨著生物質(zhì)炭用量的增加,土壤含水量先降低后增加,但各處理間差異不顯著,用量達(dá)到30 t·hm-2后萎蔫點(diǎn)含水量略高于CK。
表3 生物質(zhì)炭對(duì)不同吸力下土壤體積含水量的影響
為了定量、連續(xù)地分析生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性的影響,采用VG模型對(duì)不同生物質(zhì)炭用量下的土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合,VG模型描述及擬合方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[30]。表4為VG模型的主要參數(shù)和擬合精度,其中均方根誤差和平均絕對(duì)誤差均較小,相關(guān)系數(shù)r值較高,說(shuō)明VG模型的擬合精度較高,數(shù)理可靠性強(qiáng),可應(yīng)用于下一步的分析。
表4 VG模型主要參數(shù)和擬合精度統(tǒng)計(jì)表
容水度可直觀顯示不同吸力條件下的土壤釋水能力,其值通過(guò)對(duì)VG模型進(jìn)行求導(dǎo)得到。由圖1可見(jiàn),當(dāng)土壤吸力<0.2×105Pa時(shí),生物質(zhì)炭可提高土壤的釋水能力;隨著吸力的不斷增加,CK的釋水能力大幅上升,迅速超過(guò)生物質(zhì)炭處理,當(dāng)吸力達(dá)到0.3×105~0.4×105Pa時(shí),各處理均達(dá)到釋水峰值,且釋水峰值隨著生物質(zhì)炭用量的上升逐步下降;當(dāng)吸力超過(guò)0.7×105Pa時(shí),CK的釋水能力逐步降低至低于生物質(zhì)炭處理,且差距隨著生物質(zhì)炭用量的上升而逐步增加。這說(shuō)明生物質(zhì)炭對(duì)土壤的釋水性能在不同土壤吸力條件下表現(xiàn)不一,在極低吸力條件下可提高土壤的釋水能力,這可能與生物質(zhì)炭提高了土壤的通氣孔隙,增加了水分入滲能力有關(guān)。但當(dāng)土壤吸力逐步上升時(shí),由于生物質(zhì)炭可促進(jìn)土壤毛管孔隙度的發(fā)育,且自身也具有一定的吸收性能,使得釋水性能隨著生物質(zhì)炭用量的上升而不斷下降。
圖1 生物質(zhì)炭對(duì)容水度的影響
土壤容重是土壤物理性質(zhì)的綜合反應(yīng),土壤容重過(guò)大,土壤緊實(shí)度增加,不利于通氣、排水和植物扎根;土壤容重過(guò)小,通氣孔隙加大,不易保水保肥,作物易倒伏。在土地整治區(qū),生物質(zhì)炭可顯著降低土壤容重,且隨著施用量的上升,降幅逐步升高,該結(jié)論與相關(guān)報(bào)道結(jié)果一致,即施用生物質(zhì)炭有利于降低土壤的緊實(shí)度,土層更為疏松,隨著用量的提高容重顯著下降[18,31-32]。對(duì)于筆者研究的土地整治區(qū)而言,土壤緊實(shí)、物理結(jié)構(gòu)差是農(nóng)作物生長(zhǎng)受抑制的主要因素,施用生物質(zhì)炭可顯著降低土壤容重,增強(qiáng)土壤可耕性,可作為解決土壤緊實(shí)問(wèn)題的有效措施。但另一方面,生物質(zhì)炭可增加土壤通氣孔隙度,利于土壤排水,隨著用量的上升,土壤飽和導(dǎo)水率逐步提高,這與JIENS等[33]的研究結(jié)論(生物質(zhì)炭可將土壤飽和導(dǎo)水率從16.7提高到33.1 cm·h-1的趨勢(shì))相符,也暗示出生物質(zhì)炭可能會(huì)加劇土壤某些營(yíng)養(yǎng)元素的流失。LAIRD等[34]指出施用生物質(zhì)炭可增加土壤鉀淋洗量,且鉀淋洗量隨生物質(zhì)炭用量的增加而增加,這與生物質(zhì)炭提高土壤通氣孔隙,增加土壤優(yōu)勢(shì)流,形成細(xì)微生物質(zhì)炭顆粒,促進(jìn)養(yǎng)分運(yùn)輸有關(guān)[35]。因此,適度控制生物質(zhì)炭用量將更有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
該研究表明,生物質(zhì)炭可降低≤0.25 mm微團(tuán)聚體,提高>0.25~0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例,但對(duì)>5 mm粒徑的大團(tuán)聚體具有降低作用,從而使得MWD有下降趨勢(shì),這與LU等[23]、LIU等[24]和吳鵬豹等[36]的結(jié)論有一定不同,但與LIU等[37]、安艷等[38]和HARTLEY等[39]的結(jié)果一致,這可能與不同土壤類(lèi)型的團(tuán)聚體穩(wěn)定性有關(guān)。該試驗(yàn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量本身較低,而土壤耕作層的大團(tuán)聚體(>5 mm)多為較不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)和黏粒直接膠結(jié)團(tuán)聚而成。生物質(zhì)炭通過(guò)分子間的范德華力、表面庫(kù)侖力和氫鍵等作用吸附在有機(jī)質(zhì)或黏粒表面,降低了大團(tuán)聚體的團(tuán)聚作用力,使其分散成更小一級(jí)團(tuán)聚體[38],致使粒徑>5 mm的大團(tuán)聚體隨著生物質(zhì)炭用量的增多而不斷降低。但另一方面,生物質(zhì)炭施用后可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng),增強(qiáng)根系活力[40-41],促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)的分泌,使微團(tuán)聚體逐步團(tuán)聚成小團(tuán)聚體[42-43],導(dǎo)致≤0.25 mm團(tuán)聚體顯著下降,而>0.25~0.5 mm團(tuán)聚體顯著上升。值得關(guān)注的是,因機(jī)械外力壓實(shí)作用,土地整治往往出現(xiàn)了大量土塊,耕性明顯下降,而生物質(zhì)炭可通過(guò)阻礙黏粒之間相互膠結(jié),降低土塊間的黏結(jié),將大土塊進(jìn)一步分散,且有利于降低≤0.25 mm的團(tuán)聚體比例,促使地力逐步恢復(fù)。
生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性在不同吸力條件下的影響方式和程度不一,在低吸力條件下影響程度差異未達(dá)顯著水平,但提高生物質(zhì)用量可增加土壤的釋水性,這主要與生物質(zhì)炭大幅提高土壤通氣孔隙,提高土壤導(dǎo)水性有關(guān);當(dāng)吸力達(dá)到0.3×105Pa以上時(shí),生物質(zhì)炭可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤的釋水性能來(lái)提高土壤田間持水量,這與普遍的研究結(jié)論相一致[44-45]。田間持水量的提高主要與生物質(zhì)炭改變土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)組成、提高毛管孔隙度有關(guān)[33],且生物質(zhì)炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了其對(duì)水分的吸持力,這也是田間持水量提高的另一主要因素[46]。同時(shí),OMONDI等[47]整理已發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行Meta分析發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭可有效提高土壤保水能力,有效水庫(kù)容平均增幅達(dá)到15.0%,且隨著生物質(zhì)炭用量的提高而增大,當(dāng)用量高于80 t·hm-2時(shí)增加幅度可達(dá)24.9%,筆者研究中生物質(zhì)碳最高用量45 t·hm-2的提高幅度僅為6.92%,這可能與生物質(zhì)炭物料差異及區(qū)域土壤屬性有關(guān)。同時(shí),生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性能的提高作用明顯反饋到田間土層儲(chǔ)水量上。根據(jù)為期2 a的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),生物質(zhì)炭對(duì)土層儲(chǔ)水量有明顯提高作用,用量達(dá)30 t·hm-2以上可顯著提高6%左右的土層儲(chǔ)水量(圖2),說(shuō)明施用生物質(zhì)炭有利于土地整治區(qū)土壤持水性和供水性的提高。
圖2 生物質(zhì)炭對(duì)土層儲(chǔ)水量的影響
然而,在土地整治區(qū),生物質(zhì)炭雖對(duì)土壤萎蔫點(diǎn)含水量的影響較小,但隨著施用量的上升其具有先下降后上升的趨勢(shì),這與ABEL等[48]和CORNELISSEN等[49]提出的生物質(zhì)炭或多或少可提高土壤萎蔫點(diǎn)含水量的論點(diǎn)相一致。這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)炭促進(jìn)了土壤微團(tuán)聚體團(tuán)聚成小團(tuán)聚體,降低了土壤非活性孔隙度,在一定范圍內(nèi)施用可降低土壤萎蔫點(diǎn)含水量,但當(dāng)用量增大到一定程度時(shí),生物質(zhì)炭本身具有強(qiáng)大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),使得水分的吸持能力增強(qiáng)[50],掩蓋了通過(guò)調(diào)節(jié)不同土壤團(tuán)聚體等級(jí)分布而降低土壤萎蔫點(diǎn)含水量的正效應(yīng)。土壤萎蔫點(diǎn)含水量是作物吸收水分的下限,土壤萎蔫點(diǎn)含水量的提高不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),所以在土地整治過(guò)程中控制生物質(zhì)炭用量有一定實(shí)際意義,可將施用量控制在15 t·hm-2左右。
在土地整治區(qū)施用生物質(zhì)炭可使土壤容重降低1.67%~8.19%,提高>0.25~0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例,但對(duì)>5 mm粒徑大團(tuán)聚體比例具有降低作用,MWD隨生物質(zhì)炭用量上升具有下降趨勢(shì)。生物質(zhì)炭可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤釋水規(guī)律來(lái)提高土地整治區(qū)土壤的保水性能,進(jìn)而顯著提高土層儲(chǔ)水量,而高劑量施用對(duì)土壤萎蔫點(diǎn)含水量具有小幅提高作用。因此,合理施用生物質(zhì)炭將有利于改善土地整治區(qū)的土壤物理特性,建議將其用量控制在15 t·hm-2左右。
生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)2020年12期