生物炭還田對融雪期棕壤有效養分的影響

劉菁華，米彩紅，周麗麗，許秀泉，師瀾峰，曹湘英

(沈陽農業大學 水利學院，沈陽 110866)

秸稈炭化是指將作物秸稈在完全或部分缺氧條件下進行熱裂解，最后生成一類高度芳香化、難溶性的固態生物質炭的過程[1]。秸稈生物炭具有良好的多孔結構和理化性質，在改良土壤結構、改善微生物生存環境及提高作物產量與品質等方面具有重要作用[2-3]。近年來，生物質炭對土壤養分有效性的影響更成為農業和環境領域的研究熱點。生物炭本身含有一定的營養元素，對土壤養分有直接添加作用[4]。生物炭具有很強的離子吸附交換能力，可以吸附土壤中礦物質養分，延緩其在土壤中的釋放[5]。此外，生物炭可以改變土壤微生物環境，通過影響微生物進而間接影響土壤養分的吸收、釋放和有效性[6]。生物炭施入土壤能夠改變土壤體積質量和孔隙度，提高土壤的持水能力和供水能力，減少水溶性營養離子的溶解遷移，避免營養元素快速淋失[7]。綜上可見，生物炭可以通過改變土壤理化性質或土壤環境直接或間接影響土壤養分有效性。

但是，以往學者關于生物炭對土壤養分有效性的影響大多集中于作物生長期，結合生物炭對作物生長發育及作物產量影響進行研究。關于生物炭輸入對寒區春季融雪期有效養分影響少有報道。在中國東北地區，春季融雪期積雪及凍土融化導致土壤含水率較高，部分養分隨融雪水向下遷移而淋失[8]。同時反復的凍融作用使土壤穩定性減弱，土壤有效養分隨土壤離子濃度變化而發生改變[9-10]。融雪期土壤有效養分的流失直接制約春季作物幼苗的生長發育。在春季融雪期，生物炭輸入是否可以有效改善土壤養分水平，其具體影響因素有哪些，目前尚缺少相關研究。因此，本試驗選取遼寧地區典型土壤棕壤為研究對象，通過在野外布設小區進行田間原位觀測試驗，分析融雪期各小區土壤有效養分變化，探討生物炭還田對融雪期土壤養分的影響及機理，旨在為生物炭防治融雪期面源污染及改善作物生長初期養分供應水平提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗地位于遼寧省沈陽農業大學水利學院綜合試驗基地玉米試驗田。試驗區域位于北緯41°44′，東經123°27′，海拔44.7 m，位于沈陽市東部。年平均氣溫8.1 ℃，冬季平均氣溫-9.6 ℃。多年平均降水量680.3 mm，年無霜期為149 d。冬季土壤最大凍結深度為148 cm。試驗田地勢平緩，土壤類型為棕壤，成土母質為黃土性黏土及淤積物，土壤pH 6.36，田間持水量為37.89%，體積質量1.28 g/cm3。

1.2 試驗材料

試驗所需生物炭原材料為玉米秸稈，委托遼寧省生物炭技術研究中心采用專利炭化技術(ZL201110073104.1)，在裂解爐及限氧條件下(450 ℃)下制備而成[11]。為保證生物炭顆粒均勻性，將制備成的秸稈生物炭磨細過1 mm篩備用。生物炭基本性質：pH 7.74，有機質14.1 mg/kg，全氮質量分數1.54%，有效磷19.3 mg/kg，全鉀質量分數1.68%，電導率179.6 S/m。

1.3 試驗設計

1.3.1 田間布設 于2015 年10月末秋收后在玉米大田中劃分小區，施加生物炭。生物炭一次性均勻撒施于土壤表層并淺翻，與表層土壤均勻混合。生物炭施用量設定4個水平：以不施生物炭為對照(CK)、生物炭用量為6(B1)、12(B2)、24(B3)t/hm2。小區規格為3 m×5 m，采用隨機區組設計，重復3 次，共設12個小區。

1.3.2 土樣采集 因2016年為沈陽地區積雪較少年份，為保證各小區融雪前積雪量與常年平均積雪量相當，在2016-02-15大雪過后，用雪鏟將空閑地積雪均勻撒在試驗小區內，保證積雪初始厚度為25 cm。3月上旬積雪開始融化，逐日采集土樣。每日采土時在小區內均勻布設5個采樣點，14:00氣溫最高時采樣。用雪鏟清理表層未融化積雪，利用環刀采集0～10 cm表層土壤。采樣過程中盡量避免擾動周圍土壤，采樣結束后將積雪重新覆蓋。小區內積雪融化持續7 d，所以觀測及采樣共7 d。融雪期結束后，測定各小區土壤體積質量。

1.4 測定指標及方法

1.5 數據分析

測定結果均采用3次重復(誤差不超過5%)的平均值。應用Excel 2010和SPSS 18.0軟件進行數據處理，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對數據進行顯著性檢驗，用皮爾森(Pearson)法分析各指標間相關性。

2 結果與分析

2.1 生物炭還田對融雪期土壤速效養分質量分數的影響

融雪期土壤有效磷質量分數變化趨勢為先增大后減小，融雪后期趨于穩定。融雪第1天各處理有效磷質量分數差別較大，依次為CK(14.64 mg/kg)

表1 生物炭不同施加量處理融雪期土壤有效養分質量分數Table 1 Variation of soil available nutrient under different treatments during snowmelt period

2.2 生物炭輸入對融雪期土壤速效養分影響因素分析

通過測定各小區內土壤電導率、含水率、土壤溫度和每日積雪厚度等相關指標在融雪期的變化(圖1)，分析融雪期土壤有效養分變化主要影響因素。

表2 生物炭施加量與融雪持續期對土壤有效養分質量分數影響的方差分析Table 2 ANOVA of biochar application rate and snowmelt period on mass fraction of available nutrient in soil

圖上不同小寫字母表示不同施加生物炭處理間指標差異達到顯著水平(P<0.05) Different lowercase letters in the figure mean significant difference in effect of biochar application rate on mass fraction of available nutrient (P< 0.05)

土壤有效磷與土壤含水率、土壤溫度等均無顯著相關關系。通過分析各處理在融雪前期的變化發現，B3處理的變化趨勢與其他處理不同：施加生物炭較高處理中有效磷質量分數受土壤水分影響較明顯，融雪前期隨土壤水下滲導致質量分數有所減少。速效鉀質量分數也隨積雪融化而減少，呈現緩慢下降趨勢。土壤電導率反映土壤浸出液中各種陰離子和陽離子的總和。大部分有效養分與電導率呈正相關關系，說明融雪前期土壤養分和各種離子變化規律一致。

融雪后期(5～7 d)土壤及積雪融化特征與有效養分相關關系分析結果見表4。各有效養分之間呈現極顯著相關關系。說明各有效養分在融雪后期變化規律較為一致。融雪后期，每日積雪厚度較少，積雪厚度對土壤有效養分影響不再顯著。土壤溫度與各養分指標間也無明顯相關關系。

表3 融雪前期(1～4 d)土壤及積雪融化特征與有效養分的相關性Table 3 Correlation coefficients of soil available nutrient with soil and snowmelt characteristic during snowmelt period(1-4 d)

表4 融雪后期(5～7 d)土壤及積雪融化特征與有效養分的相關性Table 4 Correlation coefficients of soil available nutrient with soil and snowmelt characteristic during snowmelt period(5-7 d)

3 討 論

通過土壤有效養分和其他指標相關分析，探討生物炭融雪期固持土壤養分原理。融雪第1天開始，施加生物炭處理有效養分質量分數都大于對照處理，主要有以下2個原因。首先，生物炭本身含有豐富的養分元素，在秋季施入土壤后，可以直接補給土壤速效養分[4]。其次，生物炭對速效養分具有較強吸附能力。生物炭中含有豐富的有機大分子，施入土壤后較易形成大團聚體，增進土壤礦質氮素的吸附和保持，延緩其在土壤中的釋放[20,5]；生物炭含有豐富的化學官能團，具有較高離子吸附交換量，可以吸附和負載土壤養分離子[21]。

4 結 論

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