添加竹炭對土壤肥力的影響

沈信權，徐佳樂，沈建林，徐 偉，俞關林，應雨騏，徐秋芳

（浙江農(nóng)林大學環(huán)境與資源學院，浙江 臨安 311300）

近年來，大量施用各種氮素肥料及復合肥，清除林下植被等集約經(jīng)營措施，導致林種植被單一、林地環(huán)境變差而失去自然生態(tài)的調(diào)控力；過量施氮肥也使土壤板結，地力下降，養(yǎng)分不平衡，特別是有機質(zhì)含量下降現(xiàn)象尤為突出，土壤生物學性質(zhì)明顯變差。土壤質(zhì)量下降直接影響作物產(chǎn)量及質(zhì)量，從而造成經(jīng)濟損失[1]。

生物質(zhì)碳具有高度穩(wěn)定性和較強的吸附性能，在改良土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力方面能發(fā)揮重要作用。有不少科學家認為，用生物質(zhì)碳捕捉碳元素相當穩(wěn)定，能將碳元素“鎖”在地下數(shù)百年，并讓土壤變得更肥沃，另外還可以減少二氧化氮和甲烷等溫室氣體的排放[2]。竹炭是常見的生物質(zhì)碳，分子結構呈六角形，質(zhì)地堅硬，細密多孔，吸咐力強，具有吸附功能。多位研究者開展了竹炭對土壤肥力的影響研究；竹炭含有生物成長所需的各種礦物質(zhì)，可保持良好的營養(yǎng)平衡[3]；同時，竹炭對土壤中銨態(tài)氮具有良好的持留作用，可以起到減少化肥氮素淋溶損失、實現(xiàn)氮素緩釋的效果[4]。我國竹炭產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，竹炭資源豐富，但我國的竹炭研究剛剛起步，竹炭在林業(yè)土壤肥力改良及環(huán)境改善方面的研究均處于起步階段。由于過量施肥引起的經(jīng)濟林土壤退化是浙江省以及東南沿海幾個省份的特點，探索竹炭在高養(yǎng)分積累的林地土壤中施用對改善土壤肥力作用，可為經(jīng)濟林可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。本試驗通過盆栽試驗，開展添加不同竹炭比例對土壤肥力改善的研究，以尋找合適的竹炭施用量。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試竹炭直徑小于2 mm，供試土壤采自板栗林，基本理化性質(zhì)如下，pH5.40，有機質(zhì)16.4 g/kg，全氮1.31 g/kg，堿解氮171 mg/kg，速效鉀327 mg/kg，有效磷398 mg/kg。

1.2 試驗設計及盆栽試驗實施

設4個水平，分別加0、2%、5%和10%的竹炭（竹炭的用量百分比以土壤干土質(zhì)量為基礎計算），每個處理3個重復，進行白三葉草的盆栽試驗。布置試驗4個處理，每個處理3個重復，共12盆。按試驗方案加入竹炭并充分混勻后，播種白三葉草。具體試驗如表1。

觀察植物生長狀況：從播種開始觀察，直至試驗結束。

土壤肥力指標：試驗進行至12個月時，采集土壤樣品，分析土壤的各項理化指標，包括pH、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、電導率等。

土壤樣品采集：從每個盆栽中采集50 g左右具有代表性土壤樣品，帶回實驗室，風干研磨過篩，保存在塑料袋中，用于土壤理化性質(zhì)分析。

表1 試驗處理情況Table1 Treatments

1.3 土壤理化性質(zhì)分析

土壤理化性質(zhì)參照魯如坤等《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[5]。其中，土壤pH值測定采用1：2.5土水比，用復合電極測定；全氮采用半微量凱氏定氮法；堿解氮采用堿解擴散法；有效磷采用Bray法，鹽酸—氟化銨溶液浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨提取，火焰光度計測定；電導率測定采用 5:1土水比，用電導儀測定。

數(shù)據(jù)處理：對各理化指標所測得的數(shù)據(jù)進行整理，并用SPSS統(tǒng)計軟件分析。

2 結果與分析

2.1 竹炭的施加對土壤pH的影響

分析結果表明，竹炭的施加對土壤pH值有較大影響，竹炭施加量愈大，土壤pH值愈大（表2）。不同處理間存在較大差異，處理4顯著高于處理3（P < 0.05），極顯著高于處理2和處理1（P < 0.001），處理3又明顯高于處理1（P < 0.01），處理2與處理3、處理2與處理1之間均沒有明顯差異。處理4的pH接近6.0呈微酸性，外加竹碳對南方土壤養(yǎng)分有效性提高有良好作用，降低其鋁的毒性，有利于土壤肥力改善。原因是竹炭中含有許多灰分物質(zhì)，竹炭呈堿性，其pH 值常在7.7 ～ 10.2[6]，且隨著炭化溫度的升高，竹炭中酸性物質(zhì)減少，pH升高，竹炭施加越多對土壤 pH值的影響越大；另外，可能由于竹炭具有較強的吸附能力，對土壤中鹽基離子的吸附作用，減少鹽基的淋失，增加土壤的鹽基飽和度，從而使土壤pH值升高。Hoshi在pH為4.3的茶園土壤中施0.5 kg/m2竹炭，在施用后土壤的pH值提高了0.5 ～ 1.0單位，竹炭對提高砂質(zhì)和壤質(zhì)土壤pH值的效果要大于粘質(zhì)土壤[7]。

表2 外加不同比例竹炭土壤pH比較Table2 Comparison on pH of soil with different treatments

這些研究結果與本試驗結果較一致，說明竹炭對土壤pH有較顯著的影響。但竹炭在施用過程中，其用量并非越多越好，如當竹炭施用量超過一定量時，反而造成短期內(nèi)土壤結構過于疏松，pH 值變化大等不利因素[7]。

2.2 竹炭的施加對土壤全氮的影響

結果表明，竹炭的施加對土壤全氮的影響不大，處理間沒有顯著差異（表3）。分析不同處理的重復發(fā)現(xiàn)，處理1的重復1偏高，致使平均值偏高，而處理3和4的重復1則低于其它兩個重復，致使平均值偏低，說明重復之間存在差異。如果剔除每個處理中偏差較大的重復，求相近兩個重復的平均值，外加竹炭處理的全氮含量高于未加的處理 1。原因分析，土壤氮主要以有機態(tài)氮為主，與土壤有機質(zhì)呈正相關，外加竹炭越多有機質(zhì)含量越高，但由于竹炭中含氮較少，一般竹炭的含碳量為85% ～ 88%，因此外加竹炭多少對土壤全氮沒有顯著影響。另外，種植的白三葉草雖然有固氮作用，但由于不同處理的植物生長差異不明顯，加上試驗時間短，以植物根系分泌物以及以新鮮有機物質(zhì)形式輸入的有機質(zhì)數(shù)量少，沒有引起處理間土壤全氮含量的差異。

表3 外加不同比例竹炭土壤全氮比較Table3 Comparison on total N of soil with different treatments g·kg－1

2.3 竹炭的施加對土壤堿解氮

表4結果表明，竹炭的施加對土壤堿解氮有影響，但沒有達到顯著水平，且處理 1（對照）的堿解氮含量反而高于外加竹炭處理。一般土壤有機質(zhì)與堿解氮呈正相關，但本次實驗加入的是生物質(zhì)，它不同于一般有機質(zhì)，碳氮比很高[3]。出現(xiàn)對照堿解氮高于外加竹炭處理的可能原因分析，實驗測定的土壤堿解氮包括易降解的有機態(tài)氮和銨態(tài)氮，由于外加竹炭可能有利于硝化作用進行[8]，使土壤中的原有銨態(tài)氮、以及由有機態(tài)氮轉變而來的銨態(tài)氮硝化形成硝態(tài)氮，從而出現(xiàn)外加竹炭處理的全氮略高于對照，但堿解氮反而低于對照的現(xiàn)象。可能外加竹炭可以增加土壤硝態(tài)含量，對喜硝植物有利，但氮素的移動性增加，是否會導致氮素的淋失不能確定，因為竹炭有一定的吸附作用，有待研究。

表4 外加不同比例竹炭土壤堿解氮比較Table4 Comparison on hydrolysable N of soil with different treatments mg·kg－1

2.4 竹炭的施加對土壤有效磷含量的影響

分析結果表明，竹炭的施加使土壤中有效磷含量有差異，隨著加入竹炭量的增加有效磷平均值提高，但不同處理間有效磷差異檢驗不顯著（表5）。原因分析，竹炭含有一定量的磷，因此，外加竹炭一方面輸入了一定數(shù)量的磷，另一方面，因為加入竹炭后土壤 pH提高，可能對土壤中磷的活化有一定作用，使土壤中速效磷增加。差異檢驗不顯著的原因是同一處理3個重復間變異較大，掩蓋了處理間的差異。因此，外加竹炭對提高土壤的有效磷水平有積極作用。

表5 外加不同比例竹炭土壤有效磷比較Table5 Comparison on available P of soil with different treatments mg·kg－1

2.5 竹炭的施加對土壤速效鉀含量的影響

竹炭的施加使土壤速效鉀的含量有差異，隨著加入竹炭量的增加而提高（表6），處理4的土壤速效鉀極顯著大于（P < 0.01）處理3，更高于其它處理；處理3也明顯高于處理1和2（P < 0.05），而處理1和2沒有顯著差別。原因分析：由于竹子是喜鉀植物，竹炭本身含有一定量的鉀，施加的竹炭愈多，土壤含鉀量愈多。處理2的平均值高于處理1，但兩者沒有顯著差異，這是由于處理1的3個重復差異較大，掩蓋了處理間的差異。結果說明，外加竹炭提高了土壤速效鉀含量。

表6 外加不同比例竹炭土壤有效鉀比較Table6 Comparison on available K of soil with different treatments mg·kg－1

2.6 竹炭的施加對土壤電導率的影響

外加竹炭最多的處理4土壤電導率平均值高于其它處理，但沒有達到顯著提高（表7），其它處理平均值間的差異較小。Glaser等研究發(fā)現(xiàn)，在加入焦炭后可引起土壤可交換性鹽基離子明顯增加，其值常遠大于土壤的鹽基交換量的增加，因為焦炭中許多離子以可溶性鹽的狀態(tài)存在[9]。竹炭含有一定量的鉀、鈣、鎂等灰分元素，據(jù)測定，竹炭的陽離子吸附量可達36.1 ～ 88.2 cmol/kg，而深度風化土壤的陽離子吸附量常小于5 cmol/kg[10]。竹炭施加到土壤中能使土壤中陽離子含量增加，土壤電導率提高，但本試驗外加竹炭量對土壤電導率影響不明顯，原因之一是通過一年的試驗，竹炭中部分可溶性鹽被植物吸收或淋溶，原因之二是土壤本身有各種離子存在，加入竹炭中所含的鹽基離子不足以導致顯著差異。因此，外加一定數(shù)量的竹炭沒有鹽漬化風險。

表7 外加不同比例竹炭土壤電導率比較Table7 Comparison on electric conductivity (EC) of soil with different treatments us·cm－1

2.7 竹炭的施加對植物生長的影響

施加竹炭對白三葉草前期生長有利，不同處理間植物生長第3個月和第5個月時差異明顯，外加竹碳的3個處理均比對照好，且外加5%和10%竹炭的處理3和處理4又明顯好于處理2，但處理3和4之間則沒有明顯差別，說明外加5%以上的竹炭對植物生長影響區(qū)別不大。然而，隨著試驗的進行，不同處理間植物生長的差異逐漸消失，至一年時差異基本消失。

傅秋華等研究發(fā)現(xiàn)，施用竹炭顆粒的土壤，其理化性能得到了改良，水解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣和鎂等元素含量均明顯提高[10]。而本試驗除速效鉀和 pH外，其它理化性質(zhì)改良不明顯，但施加竹炭對白三葉草前期生長有利。

3 結論

通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，施加不同比例竹炭對土壤肥力有正效應。施加竹炭可緩解土壤酸度，顯著提高土壤有機碳和速效鉀含量，土壤全氮、有效磷也有不同程度增加，而堿解氮則有下降趨勢，施加10%的的竹炭也沒有鹽漬化風險。施加竹炭對白三葉草生長的差異短期內(nèi)（5個月）較明顯，但試驗結束時基本消失。因此，從提高土壤碳貯量和肥力角度出發(fā)，施加10%的竹碳能最大程度提高土壤碳貯量，且對土壤肥力有改善作用。

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