牦牛廢棄物對沙化土壤養(yǎng)分淋溶損失的影響

歐盛業(yè)，丁 黎，余寧爾，吳勝春,2，梁 鵬,2

（1.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 杭州 311300）

土地沙漠化是全球性的環(huán)境問題。土壤沙化不但使生態(tài)環(huán)境惡化，而且對社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展也產(chǎn)生深遠影響[1]。根據(jù)《第5次全國荒漠化和沙化狀況公報》，截至2014年，全國沙化土地總面積172.12 萬km2，占國土總面積的17.93%。對比《第4次全國荒漠化和沙化狀況公報》，雖然土壤沙化總體呈現(xiàn)被遏制的態(tài)勢，但沙化治理形勢依然嚴峻，引起的生態(tài)負效益仍不容忽視[2?3]。四川省阿壩州紅原縣位于青藏高原東南部四川省阿壩州，海拔平均3 552 m，地勢起伏平坦。主要為沼澤、草甸、灌叢、森林四大植被類型，主要土壤類型為沼澤土、亞高山草甸土、風沙土[4]。根據(jù)當?shù)卣y(tǒng)計數(shù)據(jù)，紅原縣沙化土地面積為4 450 hm2，輕度沙化面積為378 hm2，其余為中度沙化土壤；過度放牧是引起當?shù)赝寥郎郴闹饕梢颉Ｔ摰貐^(qū)年均降水為754 mm，80%是集中在5?9月，而且多為雷陣雨和暴雨[5]。土壤及養(yǎng)分流失的隱患較為突出。紅原發(fā)達的畜牧業(yè)導致每年產(chǎn)生的牲畜糞便數(shù)量驚人，特別是牦牛Bos grunniens糞，僅僅紅原縣瓦切鄉(xiāng)年產(chǎn)生量就高達59萬t·a?1。然而，當?shù)匾苑贌鳛殛笈＜S的主要處理方式，效率較低。如何充分利用當?shù)刎S富的牦牛糞資源開展沙化土壤治理是本研究關注的重點。傳統(tǒng)的畜禽糞便就是良好的有機肥料，含有大量的有機質、礦物質等[6?7]。此外，生物質炭是當前廢棄物資源化利用的研究熱點之一，國內外學者已經(jīng)對牛糞熱解制備生物質炭以及牛糞生物質炭改良土壤進行了初步的探索。施加適量的生物質炭可改善土壤結構，增加土壤有機質含量和提高土壤微生物活性，有利于作物生長發(fā)育，增加產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)收益[8]；DUAN等[9]探討在牛糞堆肥過程中，生物質炭單獨與菌群改良劑聯(lián)合使用對改善土壤微生物群落和增強土壤酶活性有積極作用。另有研究表明：聚丙烯酰胺(PAM)可以改善土壤的物理性狀[10]，保持土壤良好的透氣性和保水性，還可以防治水土流失，與分散的土壤顆粒形成大團聚體，增強表層的抗沖蝕能力[11]。目前基于牦牛糞制備生物質炭或者堆肥對土壤改良的研究報道較少。同時，考慮到紅原縣沙化土壤特性，PAM可以有效改變沙化土壤粒徑組成，因此，本研究以紅原縣當?shù)刎S富的牦牛糞為基質，制備生物質炭和堆肥產(chǎn)品，通過實驗室模擬研究，驗證炭肥產(chǎn)品的混施以及添加PAM來進行沙化土壤改良、以減少滲流造成的土壤養(yǎng)分流失的可行性。

1 材料與方法

1.1 供試肥料及制備方法

土樣采自紅原縣瓦切鄉(xiāng)野外沙化草甸的0～40 cm土層，混合均勻后備用。牦牛糞生物質炭、牦牛糞堆肥產(chǎn)品是向當?shù)啬撩裉庂徺I新鮮牦牛糞進行制備。牦牛糞生物質炭的制備依照丁黎等[12]的生物質炭制備方法，在熱解爐中以600 ℃高溫熱解。牦牛糞堆肥環(huán)境為40 ℃恒溫大棚。牦牛糞堆肥基本理化性質為有機質 128.30 g·kg?1，全氮 33.79 g·kg?1，總磷 7.97 g·kg?1，全鉀 14.35 g·kg?1。牦牛糞基生物質炭基本理化性質為有機碳357.32 g·kg?1，全氮11.85 g·kg?1。PAM購自山東寶莫生物化工股份有限公司。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗設計 從2016年9?11月，周期為60 d。淋溶土柱為聚丙烯(PP)圓柱體(圖1)，內徑為9.7 cm，高為48.3 cm。用鉆孔機在土柱上從下往上每10 cm鉆1個孔，共4個孔，以此模擬40 cm深的土層。每個小孔安裝1個土壤溶液采集器，收集土壤浸出液，模擬水分流失。共設置4個處理：單施堆肥處理(H1)，炭肥混施(1∶1)處理(H2)，以及單施生物質炭處理(H3)，此外，另設定不添加炭肥的空白處理(H0)。同時，在上述同樣處理的基礎上再對應地添加PAM，構成添加PAM區(qū)組(分別記為h0、h1、h2、h3)，共計8個處理(表1)，每個處理設3個重復，供試土壤有機質質量分數(shù)為19.20 g·kg?1，全氮1.71 g·kg?1，總磷 0.38 g·kg?1，速效磷 7.7 mg·kg?1。制作土柱時，首先在土柱 20～40 cm 處加入沙化土壤，經(jīng)稱量為1 500 g，再將改良材料和同質量的1 500 g土壤混合均勻后再加入0～20 cm土柱，加入炭肥改良材料的質量為土壤質量的3%，為45 g。根據(jù)紅原縣當?shù)亟涤炅浚M降水注入超純水，2 d加1次水，每周收集1次土壤溶液采集器中的水樣。

圖 1 土柱實驗示意圖Figure 1 Schematic diagram of the soil column experiment

表 1 實驗設置Table 1 Experimental treatments

1.2.2 土壤樣品采集及處理 土壤樣品的采集時間分別是第1、15、30、45、60天，共5次。每次分層采集土柱中的土壤。每次采集用特制的細孔徑取土鉆取土20 g。裝入自封袋扎孔后放入凍干機中凍干。凍干后用研缽磨細分別過60目篩和100目篩備用。

1.2.3 分析項目及方法 參照參考文獻[13]測定分析土壤樣品養(yǎng)分，測定的土壤養(yǎng)分為：全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有機質、土壤pH、總磷、有效磷。為有效評價PAM的添加對外源物質(牦牛糞炭和堆肥)中養(yǎng)分淋溶的影響，用以下公式計算外源養(yǎng)分淋溶率：

R=(wT2?wck2)/(wT1?wck1)×100%。

其中：wT1和wT2為處理組，ck為空白對照組，1代表0～20 cm土壤上層養(yǎng)分質量分數(shù)，2代表20～40 cm土壤下層養(yǎng)分質量分數(shù)，外源養(yǎng)分淋溶率值越小表示養(yǎng)分淋溶率越低。(wT2?wck2)為處理組和對照組下層土壤養(yǎng)分質量分數(shù)之差，(wT1?wck1)為處理組和對照組上層養(yǎng)分質量分數(shù)之差。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 利用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理，采用Sigma Plot 13.0軟件制圖，運用SPASS 22.0并選擇Brown-Forsythe和Tamhane’s T2方法對結果進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 牦牛糞生物質炭及其堆肥對土壤酸堿度的影響

如圖2所示：處理60 d時，施用生物質炭和堆肥產(chǎn)品均可以顯著提高0～20 cm土壤的pH值(P＜0.05)，但20～40 cm與對照相比差異不顯著。總體來說，在施用PAM的區(qū)組中0～20 cm土壤pH值要高于20～40 cm；而未施用PAM的區(qū)組中，各個土層的pH值差異不顯著。

圖 2 不同處理60 d時土壤pH值Figure 2 pH values in the soils with different treatments at the 60th day

2.2 牦牛糞生物質炭及其堆肥對土壤氮質量分數(shù)的影響

經(jīng)統(tǒng)計分析，60 d時，h0處理在0～20 cm土壤全氮質量分數(shù)顯著低于h1、h2、h3處理(P＜0.05)。與h0相比，h1、h2、h3處理土壤全氮質量分數(shù)分別增加163%、255%、227%(圖3A)。而在未添加PAM區(qū)組中(圖3B)，H0在0～20 cm土壤全氮質量分數(shù)顯著低于H1、H2、H3處 理 (P＜ 0.05，F(xiàn)=344)。與 H0相比，H1、H2、H3處理分別增加 43.5%、71.2%、54.0%(圖3B)。H1、H2、H3土壤全氮質量分數(shù)隨著深度增加而下降。

圖 3 土壤全氮質量分數(shù)Figure 3 Total nitrogen contents in the soils with different treatments

4個處理中，未添加PAM區(qū)組外源養(yǎng)分全氮的淋溶率分別為23.5%、12.8%、26.5%，而添加PAM區(qū)組外源養(yǎng)分全氮的淋溶率為5.4%、3.2%、8.3%。可以發(fā)現(xiàn)炭肥混施(H2和h2)在各自處理中淋溶率最低。

在60 d時，各處理土壤硝態(tài)氮質量分數(shù)如圖4。添加PAM區(qū)組中，0～20 cm土壤硝態(tài)氮質量分數(shù)顯著高于20～40 cm，單施生物質炭和炭肥混施效果最顯著(P＜0.05)。而在未添加PAM區(qū)組中，H1、H2、H3處理的20～40 cm土壤硝態(tài)氮質量分數(shù)低于H0，0～20 cm土壤硝態(tài)氮質量分數(shù)顯著高于20～40 cm(P＜0.05)。與H0相比，H1、H2、H3處理分別增加7.8%、24.1%、19.8%。

圖5為土壤銨態(tài)氮質量分數(shù)圖。60 d時，添加PAM區(qū)組中，0～20 cm土壤銨態(tài)氮質量分數(shù)顯著高于20～40 cm(P＜0.05)；而未添加PAM區(qū)組中各處理無顯著性差異(P＞0.05)。H1、H2、H3處理外源養(yǎng)分銨態(tài)氮淋溶率分別為40.8%、20.7%、49.2%，h1、h2、h3處理外源養(yǎng)分銨態(tài)氮淋溶率分別為34.9%、25.5%、34.8%(圖 5)。

圖 4 土壤硝態(tài)氮的質量分數(shù)Figure 4 Nitrate nitrogen contents in the soils with different treatments

圖 5 土壤銨態(tài)氮質量分數(shù)Figure 5 Ammonium nitrogen content in the soils with or without PAM for different treatments

2.3 牛糞生物質炭及其堆肥對土壤磷素質量分數(shù)及形態(tài)的影響

各處理土壤總磷質量分數(shù)變化趨勢如圖6所示。除空白處理外，各處理0～20 cm土壤中總磷質量分數(shù)顯著高于20～40 cm(P＜0.05)；20～40 cm土壤中總磷質量分數(shù)在0～45 d內呈現(xiàn)上升趨勢，在45 d后，總磷質量分數(shù)下降。60 d時，H1、H2、H3總磷淋溶率分別為16.5%、11.4%、19.3%，而h1、h2、h3組總磷淋溶率為6.3%、4.3%、9.1%。

經(jīng)統(tǒng)計分析，添加PAM區(qū)組各處理土壤有效磷質量分數(shù)存在顯著差異(P＜0.05)。0～20 cm層土壤有效磷質量分數(shù)在處理期間整體呈下降趨勢，而在20～40 cm層土壤中則變化幅度較小(圖7)。總體來說，未添加PAM區(qū)組各處理土壤有效磷質量分數(shù)存在顯著差異(P＜0.05)，20～30 cm層土壤有效磷質量分數(shù)在0～30 d表現(xiàn)上升趨勢，并在30 d達到峰值，隨后逐漸下降。

圖 6 土壤總磷質量分數(shù)Figure 6 Total phosphorus contents in the soils with different treatments

2.4 牛糞生物質炭及其堆肥對土壤有機質質量分數(shù)的影響

如圖8所示：60 d時，添加PAM區(qū)組中0～20 cm土壤有機質質量分數(shù)高于20～40 cm(P＜0.05)，與h0相比，h1、h2、h3處理土壤pH分別增加230%、341%、321%。未添加PAM區(qū)組中0～20 cm土壤有機質質量分數(shù)高于20～40 cm(P＜0.05)。與H0相比，H1、H2、H3處理有機質質量分數(shù)分別增加322%、530%、515%。H1、H2、H3外源養(yǎng)分有機質的淋溶率分別為19.0%、11.2%、15.9%，h1、h2、h3組有機質淋溶率為5.1%、1.2%、5.9%。

3 討論

3.1 生物質炭與堆肥配施對沙化土壤養(yǎng)分質量分數(shù)的影響

生物質炭施入土壤后顯著提高了土壤pH值，因為生物質炭表面的?COO?和?O?等有機官能團和生物質炭中的碳酸鹽是堿性的主要存在形態(tài)[14]。添加熱解生物質炭能提升土壤的pH值，但畜禽糞便制成的生物質炭因含有更多的灰分，要較木炭和秸稈有更高的pH值[15]。有研究表明：生物質炭對于酸性或者弱酸性沙化土壤提高pH的效果較為理想[16]。本研究的結果與之相一致，因為牦牛糞堆肥的pH為7.1，低于生物質炭[17]。由此可以得出，生物質炭與堆肥之比中所占的比例不同，其對土壤酸堿度的改良程度也不同，生物質炭所占比例越多則土壤的pH越高。

添加生物質炭可導致土壤水向下遷移速度減慢，從而使得在一定時間內全氮的淋溶率降低，這與王燕等[18]、楊放等[19]和蓋霞普[20]的研究結果一致，其原因是生物質炭改變土壤容重和增加孔隙度，從而提高土壤儲水能力，增加土壤溶液中氮素在各土層中的持留時間，減少全氮的淋溶量[21?23]。根據(jù)不同處理的氮素淋溶率結果可知：單施堆肥效果要優(yōu)于單施生物質炭，這是由于堆肥氮素含量顯著高于生物質炭，而且添加堆肥后可以增加土壤容重減少孔隙度，減少養(yǎng)分淋溶，而炭肥混施后可以抵消單獨施用時養(yǎng)分淋溶和養(yǎng)分含量提升不夠的問題，可以顯著減少土壤中全氮的淋溶率。

圖 7 土壤有效磷質量分數(shù)Figure 7 Available phosphorus contents in the soils with different treatments

炭肥混施可以增強土壤的硝化作用[24]，生物質炭通過提高土壤氨氧化細菌的豐度間接促進銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的催化氧化[25]，堆肥提高土壤中硝化細菌的活性，促進了硝化反應的進程[26]。研究周期中，硝態(tài)氮的淋溶遠高于銨態(tài)氮，這是由于土壤黏土礦物顆粒帶負電，生物質炭表面也帶負電，對銨態(tài)氮的吸附能力較強[27]，還有一部分銨態(tài)氮通過硝化反應形成硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮帶負電荷，不易被土壤吸附，會隨著模擬降水不斷向下淋溶，使得含量降低[27]。另外，單施堆肥僅能顯著提高土壤中氮素的質量分數(shù)，但無法有效抑制養(yǎng)分滲流；而炭肥混施則可有效減少養(yǎng)分的淋溶損失。謝勝禹等[28]研究表明：加入生物質炭可以降低堆肥中銨態(tài)氮的損失。本研究中添加了炭肥混施效果最顯著，與上述結果相符合。

0～45 d土壤30～40 cm處總磷質量分數(shù)呈上升趨勢，45 d后，總磷質量分數(shù)表現(xiàn)為下降趨勢，只是因為前期上層土壤磷素淋溶，后期上層磷素釋放減少。空白對照組中，土壤總磷質量分數(shù)隨淋溶的進行保持水平，無明顯變化；土壤總磷質量分數(shù)呈現(xiàn)明顯升高趨勢的主要原因為生物質炭和堆肥中磷素的釋放，土壤有機物料中的水溶性磷與土壤淋溶液中的磷質量分數(shù)密切相關[29]。有研究表示：炭肥混施后，作為外源輸入功能材料，直接或間接參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中的磷素循環(huán)，并對土壤磷素物質轉化過程產(chǎn)生重要影響[30]。一方面，生物質炭夠吸附土壤中磷元素，減少流失；另一方面，生物質炭熱解炭化有機磷化學鍵的斷裂，極大提高了磷的有效性[31?33]。

有機質質量分數(shù)的增加是因為生物質炭和堆肥產(chǎn)品本身能夠增加土壤中有機質的質量分數(shù)，生物質炭作為一種本身有著大量有機質的改良劑，可以提高土壤中有機質的質量分數(shù)，且具有巨大的比表面積和良好的吸附和固定能力，能吸附土壤中的有機物[34]。MIDDELBURG等[35]研究證實：生物質炭有助于土壤有機質的積累，土壤中生物質炭表面可被部分輕度氧化形成羰基、酚基和醌基，提高土壤的陽離子交換量，增加對有機質的吸附[36]。同時堆肥具有很高的有機質含量，可以顯著提高土壤中有機質的質量分數(shù)。

3.2 PAM添加對沙化土壤養(yǎng)分滲流的影響

單施炭肥可以提升土壤中有機質質量分數(shù)，但沒有有效改善其滲流的狀況。炭肥混施不僅能提高有機質質量分數(shù)還能抑制淋溶情況，添加PAM后可以抑制養(yǎng)分滲流的情況。單施炭肥同樣無法改善磷素滲流的情況，炭肥混施后才能有效抑制土壤磷素滲流，添加PAM后外源養(yǎng)分淋溶率下降說明炭肥混施并添加PAM可以抑制土壤中磷素的流失。

根據(jù)外源養(yǎng)分淋溶率可知，炭肥混施組中全氮下降9.6%，總磷下降7.4%，有機質下降10.1%，單施炭肥有效降低外源養(yǎng)分淋溶率。因此可知，添加PAM可以顯著減少土壤中養(yǎng)分淋溶率。有研究指出：PAM是通過分子結構中的基鍵與土壤顆粒間形成吸附力，維系土壤結構，防止土壤結皮，提高土壤入滲率，減小地表徑流，減輕土壤侵蝕，增強土壤保肥能力[37]，與分散的土壤顆粒形成大團聚體，增強表層的抗沖蝕能力，大幅度減少土壤中氮磷鉀等營養(yǎng)元素的損失[38]。

圖 8 土壤有機質質量分數(shù)Figure 8 Organic matter contents in the soils with different treatments

4 結論

牦牛糞生物質炭及其堆肥產(chǎn)品混施對川西北沙化土壤養(yǎng)分滲流損失的抑制能力要優(yōu)于單施生物質炭和單施堆肥處理。炭肥混施能夠有效改善土壤的理化性質，增加土壤全氮、硝態(tài)氮、總磷、有效磷和有機質，分別提升255%、24%、120%、78%、530%。添加PAM可有效減少0～20 cm土壤養(yǎng)分滲流，全氮淋溶率減少9.6%，總磷減少7.1%。因此，利用紅原當?shù)氐年笈＜S資源進行沙化土壤治理是確實可行的，并且可為后續(xù)的植被恢復奠定良好的基礎。