不同改性生物炭及施用量對風沙土土壤團聚體及牧草產(chǎn)量的影響

焦敏娜，周 鵬，孫 權(quán)，姬 強

（寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021）

土壤團聚體及有機質(zhì)是衡量土壤肥力的兩大指標［1］。各粒級土壤團聚體的數(shù)量分布和空間排列方式?jīng)Q定了土壤孔隙的分布和連續(xù)性，進而決定了土壤的水力性質(zhì)和通透性能，并影響土壤生物的活動和養(yǎng)分的保持與供應［2］。良好的土壤團聚體能有效地改善土壤的耕性和透氣、透水性，增強土壤的抗侵蝕能力［3］。土壤有機碳作為植物生長發(fā)育的基本營養(yǎng)元素，其含量變化是土地利用方式下土壤質(zhì)量和土壤肥力演變的重要標志，直接影響著土壤肥力和作物產(chǎn)量的高低［4］。風沙土由于其特殊的成土過程與自然條件，土壤沙化嚴重，近年來人為活 動又加速了土壤退化，嚴重影響了土壤碳含量的積累［5］。如何通過添加物料及農(nóng)藝措施改善風沙土土壤中團聚體的分布及提高風沙土作物產(chǎn)量成為生態(tài)學研究的熱點之一。

生物炭是指有機生物質(zhì)在低氧或缺氧的環(huán)境中，高溫（一般<700℃）緩慢熱解得到的一種含碳量高、富有孔隙結(jié)構(gòu)的碳化物質(zhì)［6］。秸稈、木材、果殼等農(nóng)林業(yè)廢棄物，工業(yè)生產(chǎn)和生活活動中產(chǎn)生的有機廢棄物如垃圾、污泥、家畜糞料等皆為制作生物炭的原始物料。由于原材料成本較低、方便易得且在改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤中有機碳含量、提升土壤保水保肥能力［7］等方面作用顯著。因此，生物炭在現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)中有較大的應用前景。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭復合材料在改良土壤及促進植物生長等方面效果優(yōu)于單一生物炭，因此本試驗選用20%的FeCl3與6%的殼聚糖兩種方法改性的生物炭及3種不同的施用量，探討兩種改性方法、3種施用量對風沙土團聚體含量、穩(wěn)定性及牧草產(chǎn)量變化的影響，以期為改性生物炭在培肥地力；改善風沙土土壤質(zhì)量、結(jié)構(gòu)方面及提高風沙土作物產(chǎn)量等方面提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于自治區(qū)首府銀川市靈武境內(nèi)寧東能源化工區(qū)，地理坐標為北緯38°9′，東經(jīng)107°12′，平均海拔為1 348.3 m。主導風向冬季為西北風，夏季為東南風；氣候為中溫帶干旱氣候，冬春季風沙多，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，日照時間長，年平均氣溫為6.7～8.8 ℃，年平均風速2.5～2.6 m·s-1；土壤質(zhì)地為砂壤，成土母質(zhì)類型為風積母質(zhì)，細沙含量在90%左右，養(yǎng)分含量較低。

1.2 供試材料

1.2.1 生物炭

試驗所使用的生物炭是由陜西某生物科技公司生產(chǎn)，在450℃下經(jīng)過高溫、限氧裂解條件下制得的蘋果樹枝條生物炭，后經(jīng)磨細過1 mm篩備用。生物炭pH值（土∶水=1∶10）10.35，比表面積86.70 m2·g-1，C 70.12%，N 1.02%，硝態(tài)氮1.86 mg·kg-1，銨態(tài)氮0.39 mg·kg-1。

1.2.2 土壤

本試驗供試土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.3 試驗設(shè)計

本試驗使用的生物炭先于實驗室進行改性，分別使用濃度為6%的殼聚糖溶液及濃度為20%的FeCl3溶液對生物炭進行充分噴濕并不停翻拌，在室溫下放置24 h后用蒸餾水沖洗至中性，晾干后即得到試驗所使用的兩種改性生物炭。田間試驗根據(jù)改性生物炭的施用量及改性方法設(shè)置7個處理，分別為對照（CK0）、FeCl3改性生物炭施用量為0.75 t·hm-2（Fe0.75）、FeCl3改性生物炭施用量為1.5 t·hm-2（Fe1.5）、FeCl3改性生物炭施用量為2.25 t·hm-2（Fe2.25）、殼聚糖改性生物炭施用量為0.75 t·hm-2（K0.75）、殼聚糖改性生物炭施用量為1.5 t·hm-2（K1.5）、殼聚糖改性生物炭施用量為2.25 t·hm-2（K2.25），每個處理重復3次，共21個小區(qū)，小區(qū)面積為3 m×5 m，每個小區(qū)之間設(shè)置寬為0.5 m的隔離帶。試驗前期，將生物炭按照施用量梯度一次性施于試驗地表層并進行淺翻，之后于小區(qū)中種植高羊茅（Festuca elata），播種量為200 kg·hm-2，采用微噴帶補水，9月中旬 收獲。

1.4 試驗方法

在施加改性生物炭前、高羊茅收獲后分別采集0～30 cm耕層土壤。土壤養(yǎng)分含量采用南京農(nóng)業(yè)大學鮑士旦［8］的方法測定，土壤全氮采用半微量開氏法測定；土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定，全鹽采用電導率法測定。生物炭比表面積采用比表面積分析儀測定，生物炭中碳、氮采用元素分析儀（德國）測定。

每個小區(qū)采集0～30 cm的土層原狀土，重復3次，分別裝于密封袋中進行密封。將采集的團聚體原狀土樣挑去動植物殘體、石礫、根系等后，按自然結(jié)構(gòu)將土樣輕輕掰成1 cm3大小的土塊，于室內(nèi)自然風干。機械穩(wěn)定性團聚體與水穩(wěn)性團聚體分別采用干篩法與濕篩法進行測定。大于0.25 mm的機械穩(wěn)定性團聚體含量（DR0.25）、大于0.25 mm的水穩(wěn)定性團聚體含量（WR0.25）、平均質(zhì)量直徑（MWD）、團聚體破壞率（PAD）、土壤不穩(wěn)定團粒指數(shù)（ELT）分別參照文獻［9］中公式計算。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行初步處理，采用 SPSS 23.0統(tǒng)計分析軟件進行試驗數(shù)據(jù)的方差分析與差異顯著性檢驗（LSD法），使用 Origin 8.0軟件進行相關(guān)圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改性生物炭對土壤團聚體的影響

2.1.1 不同改性生物炭對粒徑>0.25 mm土壤團聚體含量的影響

團聚體按粒徑大小可以分為粒徑>0.25 mm的大團聚體及<0.25 mm的微團聚體。其中，粒徑>0.25 mm的團聚體在提高土壤保水保肥性、水穩(wěn)程度、機械穩(wěn)定程度、通氣性等方面都優(yōu)于<0.25 mm的微團聚體［10］。

粒徑>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量DR0.25與粒徑>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量WR0.25的分析結(jié)果如表2所示。通過比較所有處理可知，當FeCl3改性生物炭施用量達2.25 t·hm-2時，DR0.25的含量最高，較不添加生物炭的對照CK0顯著提高了21.27%。通過比較施用殼聚糖改性生物炭與FeCl3改性生物炭的風沙土壤DR0.25值可知，殼聚糖改性生物炭對風沙土中機械穩(wěn)定性大團聚體的增加效果優(yōu)于FeCl3改性生物炭。通過比較改性殼聚糖生物炭的3個處理可知，隨施用量增多，DR0.25的含量呈現(xiàn)增加的趨勢；其中處理K2.25對機械性大團聚體的增加效果最佳，較CK0提高了33.18%。比較FeCl3改性生物炭的處理可知，3個濃度對DR0.25的增加效果隨用量增多呈現(xiàn)上升的趨勢，較CK0分別提高了4.79%、13.74%、35.83%。

表2 不同改性生物炭處理下的DR0.25與WR0.25含量（%）

粒徑>0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體含量見表2所示，對比表中WR0.25含量可知，F(xiàn)e2.25的水穩(wěn)性大團聚體的含量高于其他幾種處理，較對照CK0顯著增加了33.37%。對比兩種改性方法的實驗結(jié)果可知，使用殼聚糖改性的生物炭對提高WR0.25含量效果略優(yōu)于使用FeCl3改性的生物炭，這與DR0.25的規(guī)律一致。比較FeCl3處理與殼聚糖處理可以發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的升高，WR0.25的含量也增高，且當兩種生物炭的施用量均達到2.25 t·hm-2時，WR0.25達到最高；通過對比可以看出，使用FeCl3改性的生物炭的增長速率較使用殼聚糖的生物炭高。綜合DR0.25與WR0.25的含量可知，隨著改性生物炭的施用量的增加，土壤中的>0.25 mm的機械性穩(wěn)定團聚體含量及水穩(wěn)性團聚體含量呈現(xiàn)增高的趨勢。

2.1.2 不同改性生物炭對粒徑>0.25 mm團聚體平均質(zhì)量直徑的影響

團聚體的平均質(zhì)量直徑（MWD）能夠反映土壤團聚體大小的分布情況，可以通過對比MWD值的大小來衡量團聚體的穩(wěn)定性［11］。各處理粒徑>0.25 mm的團聚體干篩MWD值如表3所示。由表可知，在施用改性生物炭后的土壤表層團聚體MWD值較對照CK0均有增加。其中處理K2.25的MWD值為所有處理的最大值，較對照CK0顯著增加了95.92%。對比兩種改性方式的生物炭可知，殼聚糖處理對干篩MWD值的增加效果優(yōu)于FeCl3處理，較對照CK0的增幅分別為26.53%、40.82%、95.92%。對比這3個施用量可以發(fā)現(xiàn)，MWD值隨著改性生物炭施用量的增多呈現(xiàn)增大的趨勢。FeCl3處理的MWD值與殼聚糖處理呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即隨著生物炭施用量的增多而增大的趨勢，其較對照CK0的增幅分別為2.04%、12.24%、70.41%。

各處理粒徑>0.25 mm的團聚體濕篩MWD值如表3所示。從表中可以看出，當FeCl3改性的生物炭施用量達到2.25 t·hm-2時，濕篩MWD值為所有處理的最高值，較對照CK0增幅為94.37%。對比兩種改性生物炭不同施用量的處理可以發(fā)現(xiàn)，濕篩的MWD值隨著生物炭施用量的增多呈現(xiàn)增大趨勢。對比兩種改性生物炭施用土壤的MWD值可以發(fā)現(xiàn)，殼聚糖改性生物炭對土壤團聚體MWD值的增幅優(yōu)于FeCl3改性生物炭；較對照CK0增幅依次為46.48%、56.34%、80.28%。

綜合干篩與濕篩的MWD值可知，施用改性生物炭可以增加土壤團聚體的穩(wěn)定性，兩種改性方法與不施加生物炭的對照CK0相比，穩(wěn)定性均有顯著 提高。

表3 不同改性生物炭處理下的MWD值 （mm）

2.1.3 不同改性生物炭對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團聚體的穩(wěn)定性可以通過團聚體破壞率（PAD）及土壤不穩(wěn)定團粒指數(shù)（ELT）來反映［12］。施用兩種改性方法的生物炭對PAD及土壤ELT如表4所示，兩種處理對土壤團聚體穩(wěn)定性影響有所不同。比較兩種改性生物炭處理后的風沙土壤PAD數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)eCl3處理的PAD值較殼聚糖處理的數(shù)值小。結(jié)果表明，F(xiàn)eCl3改性生物炭對土壤團聚體的穩(wěn)定性提高效果優(yōu)于殼聚糖改性生物炭，PAD值較對照CK0降低了34.60%、48.50%、19.68%，呈現(xiàn)較顯著的降低趨勢。從FeCl3處理的PAD值可以看出，隨著改性生物炭施用量的增加，團聚體破壞率呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢。殼聚糖處理的團聚體破壞率也呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，與FeCl3處理規(guī)律一致。

各處理土壤團聚體不穩(wěn)定指數(shù)如表4所示，由表可知，F(xiàn)eCl3處理的ELT值隨著生物炭施用量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，殼聚糖處理的規(guī)律與FeCl3處理的相同。通過對比FeCl3處理與殼聚糖處理結(jié)果可知，F(xiàn)eCl3改性生物炭對降低土壤不穩(wěn)定團粒指數(shù)的效果優(yōu)于殼聚糖改性生物炭，較對照CK0降低了11.09%、14.01%、5.25%。綜合PAD及ELT兩組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著改性生物炭施用量的增大，土壤團聚體穩(wěn)定性呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

表4 不同改性生物炭處理下的PAD和ELT值 （%）

2.2 不同改性生物炭對土壤有機碳的影響

施用不同濃度梯度的兩種改性生物炭后土壤有機碳的含量變化如圖1所示。對照CK0的有機碳含量為10.72 g·kg-2。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改性生物炭處理的土壤中有機碳的含量較對照CK0均有顯著提高。其中殼聚糖改性生物炭對土壤有機碳的增加效果優(yōu)于FeCl3改性生物炭，其增幅分別為12.78%、15.68%、20.52%；呈現(xiàn)隨著改性生物炭施用量的增加，土壤有機碳含量增多的趨勢。FeCl3處理較CK0的增幅依次為6.06%、6.34%、12.78%，與殼聚糖處理結(jié)果趨勢一致。以上結(jié)果表明，施加改性生物炭可以增加土壤中有機碳的含量，且隨著生物炭施用量的增多，土壤有機碳的增加幅度也顯著增大。

圖1 不同改性生物炭及施用量對土壤有機碳的影響

2.3 不同改性生物炭對高羊茅產(chǎn)量的影響

施用兩種改性生物炭后高羊茅的生物量如圖2所示。對照CK0的生物量為1 580.70 kg·hm-2。添加不同施用量的生物炭，高羊茅的生物量也呈現(xiàn)顯著差異。比較殼聚糖處理與FeCl3處理的生物量可以發(fā)現(xiàn)，殼聚糖改性生物炭對高羊茅增產(chǎn)效果較FeCl3改性生物炭顯著。與CK0相比，生物量顯著提高了52.02%、68.32%、79.19%。結(jié)果表明，隨著改性生物炭施用量的增加，生物量呈現(xiàn)增多的趨勢。FeCl3處理與殼聚糖處理的規(guī)律一 致，生物量較CK0增加了6.46%、36.07%、42.83%。 比較所有處理的生物量可知，K2.25的增產(chǎn)效果 最佳。

圖2 不同改性生物炭及施用量對高羊茅生物量的影響

兩種改性生物炭處理的高羊茅干物質(zhì)呈現(xiàn)了相同的規(guī)律：隨著生物炭施用量的增加，干物質(zhì)呈現(xiàn)上升的趨勢（圖3）。從圖中可以看出，經(jīng)過改性生物炭處理的土壤，高羊茅的干物質(zhì)量明顯高于未施用生物炭的土壤。對照CK0的干物質(zhì)量為625.70 kg·hm-2。殼聚糖處理的干物質(zhì)較CK0分別增加了16.77%、29.72%、94.97%；FeCl3處理的干物質(zhì)較對照CK0分別增加了17.16%、28.67%、65.05%。結(jié)果表明，殼聚糖改性生物炭對高羊茅干物質(zhì)增產(chǎn)效果優(yōu)于FeCl3改性生物炭。綜合考慮高羊茅的生物量及干物質(zhì)量可知，K2.25為所有處理的最佳施用量，其增產(chǎn)效果最優(yōu)。

圖3 不同改性生物炭及施用量對高羊茅干物質(zhì)量的影響

3 討論

有研究表明，粒徑>0.25 mm的團聚體含量越高，土壤的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)則越好［13］。平均質(zhì)量直徑可以用來衡量土壤團聚體的穩(wěn)定程度。陳超等［14］的研究表明，MWD值越大團聚體的平均粒徑團聚度也越高，團聚體的穩(wěn)定性也越高。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著兩種改性生物炭施用量的增大，DR0.25、WR0.25、MWD值呈現(xiàn)增大的趨勢。改性生物炭有促進土壤中微生物活性的作用，隨著施用量的增大，微生物活性也隨之增大，進而產(chǎn)生更多的分泌物，這些膠結(jié)物質(zhì)可以促使土壤大團聚體的形成，增強團聚體的穩(wěn)定性［15］。吳鵬豹等［16］的研究也表明，向土壤中施加生物炭可以顯著提升土壤團聚體的穩(wěn)定性，且隨著施用量的提高，團聚體呈現(xiàn)更加穩(wěn)定的趨勢。李倩倩等［17］的研究表明，PAD及ELT值越大，表明土壤團聚體的穩(wěn)定性越差，土壤的退化程度則越高；反之則土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。從本研究中的PAD及ELT值的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，隨著兩種改性生物炭的施用量的增加，團聚體破壞率及土壤不穩(wěn)定團粒指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，土壤團聚體的穩(wěn)定性呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。造成這種現(xiàn)象的原因可能為：添加生物炭可以增加土壤中總孔隙度，從而提高土壤水分涵養(yǎng)能力，且隨著生物炭施用量的增加，土壤總孔隙度也隨之增加［18］。采樣前正處于當?shù)赜昙荆涤陮?～30 cm土層土壤的影響較大，表層土壤的含水量增高，土壤的黏結(jié)性降低，不利于團聚體的穩(wěn)定形成；且生物炭較穩(wěn)定，在短時間內(nèi)分解性較低，分解過程也不易產(chǎn)生黏液團聚顆粒［19］。因此隨著改性生物炭施用量的增加，土壤團聚體的PAD及ELT值呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢，團聚體穩(wěn)定性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，李倩倩等［17］的研究與本研究結(jié)果一致。

生物炭富含有機碳且具有較強的生物化學穩(wěn)定性，其本身不易被微生物利用［20］，還田后可作為一種相對穩(wěn)定的碳源固定在土壤中。同時，生物炭與土壤團聚體結(jié)合，減少了其與外界的接觸面積，降低了土壤有機質(zhì)的礦化率，從而促進土壤固 碳［21-22］。本研究表明，隨著改性生物炭施加量的增加，土壤中有機碳的含量呈現(xiàn)增多的趨勢，這與余煒敏等［23］的研究相一致。生物炭能增加土壤中有機碳的這一特性，可用來改善風沙土的土壤結(jié)構(gòu)，提高風沙土供碳能力，為解決土壤荒漠化提供了一種較為良好的修復方式。

由于生物炭可以改善土壤結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)環(huán)境，因此施加生物炭可以促使作物產(chǎn)量的提高［24-26］。本研究表明，施加改性生物炭不僅可以增加鮮草產(chǎn)量，還能增加牧草的干物質(zhì)量。隨著生物炭施加量的增加，牧草產(chǎn)量呈增長的趨勢。增產(chǎn)的原因可能為生物炭中有機碳含量高、比表面積大、官能團多、孔隙率大，添加到土壤中能夠增加土壤有機質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，有利于作物生長發(fā)育，進而提高作物產(chǎn)量［27-28］。

4 結(jié)論

4.1 施加改性生物炭可以增加風沙土中大團聚體的含量及平均質(zhì)量直徑

隨著改性生物炭施用量的增大，風沙土中大團聚體的含量及平均質(zhì)量直徑呈增大的趨勢，不同的改性生物炭對大團聚體的增加效果有所不同。經(jīng)比較，殼聚糖改性生物炭施加效果優(yōu)于FeCl3改性生物碳。

4.2 施加改性生物炭可以提高風沙土中團聚體的穩(wěn)定性

隨著改性生物炭施用量的增加，風沙土中團聚體的穩(wěn)定性呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢，但與對照CK0相比，團聚體穩(wěn)定仍有上升。當施用量為1.5 t·hm-2時，穩(wěn)定性最大；施用量增加到2.25 t·hm-2時，土壤中團聚體的穩(wěn)定性呈現(xiàn)下降的趨勢。結(jié)果表明，施用改性生物炭可以提高風沙土中團聚體的穩(wěn)定性，但施用量不宜過大，施用量為 1.5 t·hm-2時最佳。

4.3 施加改性生物炭可以提高土壤中有機碳的含量

隨著改性生物炭施用量的增加，風沙土中有機碳的含量也隨之增加。經(jīng)比較可知，殼聚糖改性生物炭對土壤有機碳的增加效果優(yōu)于FeCl3改性生 物碳。

4.4 施加改性生物炭可以增加牧草產(chǎn)量

隨著改性生物炭施用量的增加，高羊茅的生物量、干物質(zhì)量呈現(xiàn)升高的趨勢，當施用量達到2.25 t·hm-2時，高羊茅的生物量、干物質(zhì)量達到最大值。經(jīng)比較可知，殼聚糖改性生物炭對牧草的增產(chǎn)效果優(yōu)于FeCl3改性生物炭。

綜合考慮牧草產(chǎn)量及風沙土中團聚體含量、結(jié)構(gòu)等指標，在寧東地區(qū)風沙土中施加1.5 t·hm-2的殼聚糖改性生物炭能夠顯著改善風沙土壤結(jié)構(gòu)學性質(zhì)，提高風沙土供碳能力，有利于牧草的生長發(fā)育，進而提高牧草產(chǎn)量。