生物炭-蚯蚓糞-腐殖酸聯合改良土壤研究

摘要：本文以華北理工大學校內肥力貧瘠土壤為研究對象，采用生物炭、蚯蚓糞、腐殖酸配制的聯合改良劑對貧瘠土壤進行綜合改良。其間通過室內盆栽試驗，設置三因素四水平試驗研究不同配比聯合改良劑對土壤pH、全鹽、有效磷、硝態(tài)氮、速效鉀、有機質、番茄出苗率、株高、氧化還原電位（ORP）、團粒結構的影響，并采用方差分析和主成分分析法對供試土壤進行肥力綜合評價。結果表明，3種材料復合施用對土壤肥力改良有明顯效果，效果最優(yōu)的組合為S1W4H4（10 g/kg生物炭、160 g/kg蚯蚓糞、80 g/kg腐殖酸），與對照組（CK）相比，其pH降低0.10，有效磷增加23.91 mg/kg，硝態(tài)氮增加10.82 mg/kg，有機質增加6.27%，速效鉀增加158.40 mg/kg，ORP增加13.50 mV，出苗率增加25.83%，株高增加0.5 cm，分形維數降低0.03。

關鍵詞：生物炭；蚯蚓糞；腐殖酸；土壤改良

中圖分類號：S141 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-00-09

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.004

Abstract： Taking the poor fertility soil within the campus of North China University of Science and Technology as the research object， this paper uses a combined improver composed of biochar， earthworm manure， and humic acid to comprehensively improve the poor soil. During this period， through indoor pot experiment， three factors and four levels experiment is set up to study the effects of different combinations of combined improvers on soil pH， total salt， available phosphorus， nitrate nitrogen， available potassium， organic matter， tomato seedling emergence rate， plant height， oxidation reduction potential （ORP）， and granule structure， and variance analysis and principal component analysis are used to comprehensively evaluate the fertility of the tested soil. The results show that the composite application of three materials has obvious effects on soil fertility improvement， and the best combination is S1W4H4 （10 g/kg biochar， 160 g/kg earthworm manure， 80 g/kg humic acid）， compared with the control check （CK）， its pH decreases by 0.10， available phosphorus increases by 23.91 mg/kg， nitrate nitrogen increases by 10.82 mg/kg， organic matter increases by 6.27%， available potassium increases by 158.40 mg/kg， ORP increases by 13.50 mV， emergence rate increases by 25.83%， plant height increases by"0.5 cm， and fractal dimension decreases by 0.03.

Keywords： biochar; earthworm manure; humic acid; soil improvement

華北理工大學位于河北省唐山市曹妃甸區(qū)，校園濕地土壤呈輕度鹽堿化，透氣性差，土壤較為貧瘠。實地調查發(fā)現，目前，校園濕地內生長部分耐鹽堿植物，如蘆葦、堿蓬等，觀賞性或經濟價值更高的植物無法存活。該地開展土壤改良，對校園環(huán)境建設和性質相似土壤改良都具有一定意義。

生物炭、蚯蚓糞、腐殖酸是近年來受到關注的經濟性高、制作簡單、環(huán)境友好的土壤改良材料。生物炭具有多孔特性，比表面積大，有利于土壤聚集水分、提高孔隙度、降低容重，從而為植物生長提供良好的環(huán)境，這對土壤物理和化學性質具有明顯的改良作用，為污染土壤生態(tài)修復提供了解決方案[1]。本試驗就地取材，用土樣采集點生長的蘆葦秸稈制備生物炭，合理利用資源，提高經濟性。腐殖酸具有多種活性官能團和較大的比表面積，也是一種環(huán)保型吸附劑。隨著腐殖酸研究的深入，腐殖酸類產品的應用范圍愈加廣泛，為工農業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件[2]。蚯蚓糞肥制備簡單、原料來源廣，可以改良土壤，改善土壤結構和微生物種群，促進作物生長，提高作物產量和農產品品質[3-4]。

傳統(tǒng)土壤改良措施存在作用效果單一、成本高、消耗量大以及潛在環(huán)境污染威脅等問題，但復合型或多種成分聯合改良的研究較少。本文基于生物炭、蚯蚓糞、腐殖酸的協同與功能互補作用，采用正交試驗，探索3種材料提高貧瘠土壤肥力的最佳配比，以期集成多種材料改良貧瘠土壤，為鹽堿地治理提供針對性強、施用方便、成本低、環(huán)境污染小的土壤改良方案。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤來自河北省唐山市曹妃甸區(qū)的華北理工大學，校內濕地土壤的基本理化性質如表1所示。根據《中國土壤普查數據》[5]和《中國土壤肥力》[6]，確定待改良土壤屬于輕度鹽堿土。

試驗所用腐殖酸由天津百倫斯生物技術有限公司提供，可以改善土壤理化性質，提高土壤的生物活性；蚯蚓糞由內蒙古正時生物科技有限公司提供，可以為植物生長提供需要的各種營養(yǎng)物質；生物炭取材于蘆葦秸稈，經攪拌機打碎后使用，可提高土壤孔隙度，提供營養(yǎng)物質，提高農產品產量和品質。

1.2 試驗設計

試驗采用三因素四水平正交設計，采用生物炭、蚯蚓糞、腐殖酸3種材料，按不同比例配制多種聯合改良劑。以中蔬四號番茄種子作為供試作物進行室內盆栽試驗，研究不同配比聯合改良劑對土壤pH、全鹽、有機質、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀、電導率、團粒結構、株高及出苗率的影響。試驗共設置17個組，每組重復3次。3種調理材料（S為生物炭，W為蚯蚓糞，H為腐殖酸）在各處理中的用量如表2所示。

1.3 試驗方法

將3種調理材料按表2比例和土壤充分混合，二者的總質量為1 kg，將混合后土壤裝入塑料花盆（上直徑、下直徑、盆高分別為24.0 cm、12.5 cm、15.5 cm）中。裝土后充分澆水，放置2 d后播撒番茄種子，每盆有60粒。出苗前，每5 d澆水一次（中午澆水，等量澆水）。7 d后進行土壤理化指標的測定。測定結束后，種植番茄，并在30 d后進行出苗率統(tǒng)計。

1.4 測定指標及參考標準

土壤粒徑使用土壤團粒結構分析儀測定，其型號為TPF-10，由浙江托普云農科技股份有限公司生產；氧化還原電位使用便攜式ORP/溫度測試儀測定，其型號為HI991003，由哈納沃德儀器（北京）有限公司生產；pH使用筆式酸度計測定，其型號為PH-100，由上海力辰邦西儀器科技有限公司生產。全鹽測定采用《土壤全鹽量測定 重量法》（DB37/T 1303—2009）；土壤硝態(tài)氮測定采用《土壤硝態(tài)氮的測定 紫外分光光度法》（GB/T 32737—2016）；土壤有效磷測定采用《土壤 有效磷的測定 碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法》（HJ 704—2014）；土壤速效鉀測定采用《酸性土壤銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀的測定 聯合浸提-比色法》（NY/T 1849—2010）；土壤有機質測定采用《土壤檢測 第6部分：土壤有機質的測定》（NY/T 1121.6—2006）。

1.5 數據處理

試驗數據經Excel 2019軟件整理后，采用SPSS26.0軟件對數據進行單因素方差分析、差異顯著性檢驗、相關性分析和主成分分析，顯著性水平設定為0.05。采用Origin軟件進行圖形繪制。

2 結果分析

2.1 聯合改良劑對土壤鹽堿度的影響

植物可生長的土壤pH范圍為6.0～9.0，偏高或偏低直接影響植物的生長發(fā)育，其對土壤肥力有著重要的指導意義。當土壤pH大于10時，鹽堿脅迫使植物無法生長[7-8]。由表3可知，原土pH為8.05，已經不適合大多數植物生長發(fā)育。S4W1H4與S4W4H1的改良效果最為明顯，pH都降低0.204。經主效應檢驗，生物炭、蚯蚓糞、腐殖酸的聯合改良對土壤pH的影響并不顯著（顯著性系數P＞0.05）。

如表3所示，隨著生物炭、蚯蚓糞和腐殖酸添加量的增加，土壤中全鹽量總體呈上升趨勢，S4W4H1處理的全鹽量差異顯著（P＜0.05），為8.73 g/kg±0.35 g/kg，除S2W1H2組為1.00 g/kg±0.71 g/kg外，其余處理均高于CK。生物炭含量對土壤中全鹽量的影響達到顯著水平（P＜0.05），蚯蚓糞與腐殖酸對全鹽量的影響未達到顯著水平（P＞0.05）。經分析，生物炭、蚯蚓糞以及腐殖酸聯合降低土壤全鹽量的效果并不理想，除S2W1H2組外，其余各組均未達到明顯降低的理想效果，究其原因，原土的全鹽量并不高，屬于輕度鹽堿化，從生物炭和腐殖酸聯合修復鹽堿土的研究得知，生物炭、蚯蚓糞以及腐殖酸的大量添加會導致土壤中灰分增加，能溶于水的鹽分也呈現增加趨勢。

2.2 聯合改良劑對土壤養(yǎng)分的影響

土壤配施不同比例的生物炭、蚯蚓糞、腐殖酸后，分析其有效磷、硝態(tài)氮、速效鉀、有機質含量的變化。各處理土壤養(yǎng)分指標的變化如表4所示。

2.2.1 有效磷

試驗測得對照組CK中有效磷含量為81.89 mg/kg±13.23 mg/kg，S2W4H3和S4W4H1這兩組處理改良效果最好，有效磷含量分別為125.90 mg/kg±39.06 mg/kg和130.17 mg/kg±35.32 mg/kg，與對照組CK相比，顯著增加53.74%和58.96%（P＜0.05），且兩組蚯蚓糞添加量最多，均為160 g/kg。經主效應檢驗，蚯蚓糞對有效磷含量的影響達到極顯著水平，腐殖酸對有效磷含量的影響達到顯著水平，因此蚯蚓糞可以有效提升土壤中有效磷含量，這與張寧等[7]露地栽培方式下添加蚯蚓糞的研究結果一致；其余各組差異不顯著（P＞0.05）。其中，S1W2H2、S2W1H2、S2W2H1、S2W3H4、S3W2H4、S3W4H2、S4W1H4這七個處理與CK相比，有效磷含量出現不同程度的降低，降低范圍介于0.06%～18.66%。究其原因，有效磷被生物炭、腐殖酸吸附形成固定性的磷，或與黏粒礦物反應，形成化學固定[8]。由此得出，提高有效磷含量的最佳配比為S2W4H3和S4W4H1。

2.2.2 硝態(tài)氮

對照組CK中，土壤硝態(tài)氮含量為2.36 mg/kg±0.17 mg/kg，由表4可知，經S1W1H1、S1W2H2、S1W4H4、S2W1H2、S2W2H1、S2W3H4、S3W1H3、S3W3H1和S4W2H3處理的土壤中硝態(tài)氮含量均顯著提高（P＜0.05），與CK相比，最高的S1W1H1和S1W4H4含量分別提升9.69 mg/kg、10.82 mg/kg。經主效應檢驗，生物炭對硝態(tài)氮含量的影響達到顯著水平，秸稈是土壤氮素的重要物質來源，蘆葦秸稈對土壤有一定的保氮作用，可以減少土壤硝態(tài)氮的淋失，這與董林林等[9]的研究結論相印證。但隨著秸稈量增加，土壤硝態(tài)氮增加量呈下降趨勢。究其原因，秸稈腐解時形成的含氮物質或化學組成影響土壤中硝態(tài)氮的形成與遷移轉化，這與汪軍等[10]的研究結果一致。由此得出，提高硝態(tài)氮含量的最佳配比為S1W1H1和S1W4H4。

2.2.3 速效鉀

由圖1可知，與對照組CK相比，經過生物炭、蚯蚓糞和腐殖酸處理的土壤中，速效鉀含量呈上升趨勢且均顯著提高（P＜0.05），增加幅度為95.6%～236.3%。其中，S2W3H4、S2W4H3這兩組改善效果最為顯著（P＜0.05），含量分別為353.55 mg/kg±29.16 mg/kg、326.03 mg/kg±17.41 mg/kg。經主效應檢驗，腐殖酸施加量對速效鉀含量提高的影響最為顯著（P＜0.05），而生物炭和蚯蚓糞對其影響不顯著（P＞0.05）[11]，這與韓劍宏等[12]的研究結果一致。由此可得，當腐殖酸施加量達到40 g/kg時，土壤速效鉀改良效果最佳，提高速效鉀含量的最佳聯合改良劑是S2W3H4。

2.2.4 有機質

對照組CK有機質含量為3.64%±0.32%，各處理土壤有機質含量介于6.24%～11.95%，與CK相比，增加幅度在71.43%～228.30%。除S1W1H1處理外，其余各處理土壤有機質含量均顯著增加（P＜0.05），這說明聯合改良劑可提高土壤有機質含量。S4W1H4、S3W3H1、S4W2H3處理的土壤有機質增加最多，與CK相比，增加幅度分別為228.30%、216.21%、210.71%。經主效應檢驗，生物炭和腐殖酸對有機質含量的影響達到極顯著水平，蚯蚓糞對土壤中有機質含量的影響不顯著，表明生物炭和腐殖酸施加量的增加可以有效提高土壤有機質含量，這與鄭健等[13]的研究成果一致。因此，提高土壤有機質含量的最佳配比為S4W1H4、S3W2H4和S4W2H3。

2.3 聯合改良劑對土壤透氣性的影響

2.3.1 氧化還原電位

通過圖2可以看出，除S2W1H2、S2W4H3、S3W1H3、S3W2H4這四組外，相比對照組CK，其余處理的氧化還原電位都有顯著提高（P＜0.05），最高為121 mV±2.83 mV（S4W3H2），最低為107.5 mV±6.36 mV（S3W2H4）。經主效應檢驗，生物炭顯著影響土壤的氧化還原電位（P＜0.001），可以顯著改善土壤的透氣性，蚯蚓糞和腐殖酸的施加不能顯著影響土壤的氧化還原電位[14-15]。有機物一般以兩種方式影響土壤透氣性，直接的是在分解過程中消耗土壤中的氧氣并產生二氧化碳，間接的是刺激微生物的生長，微生物通過分解土壤原有的有機物增加土壤的呼吸作用，這就是所謂的起爆效應[16]。S4W1H4、S4W3H2、S4W4H1改良效果最好，比CK提高19.3%、26.0%、22.9%。生物炭施加可有效提高土壤的氧化還原電位（P＜0.05），當生物炭施加量為40 g/kg時，土壤氧化還原電位的提升效果最好。

2.3.2 團粒結構

由表5可知，從團粒結構來看，供試土壤中粒徑小于0.25 mm的占比高達73.84%，因此原始土壤通氣性不好，土壤中好氧微生物不活躍，有機質分解和養(yǎng)分供給慢。試驗使用土壤分形維數反映土壤團粒結構，楊培嶺等[17]提出用粒徑質量分布取代粒徑數量分布來描述土壤分形特征。下面利用常規(guī)的土壤顆粒資料，計算其分形維數，如表6所示。

土壤分形維數與粒徑不小于0.25 mm團粒含量的關系如圖3所示。

分形維數與水穩(wěn)性團聚體含量、水穩(wěn)性大團聚體含量存在顯著線性關系。分形維數越低，土壤越松散，通透性越好。反之，土壤結構越緊實，其結構穩(wěn)定性越差[18]。分形維數大于2.88時，土壤質地緊實，通透能力弱[17]。土壤配施不同比例的聯合改良劑后，各處理分形維數在2.8～3.0變化。與對照組CK相比，除S3W2H4處理外，其余處理分形維數均小于對照值，說明聯合改良劑可以改變土壤結構，使土質更加疏松，其中團粒結構較好的為S2W2H1（分形維數為2.806）。S2W2H1和S1W1H1腐殖酸施加量都為20 g/kg，S2W2H1的生物炭和蚯蚓糞施加量是S1W1H1的2倍，后者分形維數為2.878，較前者升高0.072，隨著生物炭和蚯蚓糞配施量的增加，土壤團粒結構趨于改善。從試驗結果來看，改良土壤團粒結構的最優(yōu)配比是S2W2H1。

2.4 聯合改良劑對作物生長的影響

番茄幼苗的生長情況可反映土壤肥力。不同處理下番茄幼苗的生長情況如圖4所示，不同處理間出苗率和株高的影響呈現顯著性差異（P＜0.05）。長勢最好的處理是S2W4H3，與對照組CK相比，出苗率提升50%，同期株高提升2 cm；其次長勢較好的處理是S2W3H4，與CK相比，出苗率提升45%，同期株高提高2 cm。蚯蚓糞和腐殖酸對株高的影響達到極顯著水平。S2W3H4和S2W4H3是生長情況最好的組，出苗率與株高均超過其他處理。這與主成分分析結果比較吻合，也反映了主成分分析法的可信度。

2.5 主成分分析土壤綜合肥力

2.5.1 土壤性質相關性分析

經分析，出苗率與有機質和速效鉀的相關系數分別為0.537和0.675，呈顯著正相關；株高與速效鉀的相關系數為0.366，呈顯著正相關；有機質與pH和速效鉀的相關系數分別為-0.409和0.653，呈顯著正相關。某些指標存在不同程度的相關性，這說明它們存在信息重疊，單一指標評定不同土壤品質的優(yōu)劣不客觀，因此采用主成分分析法進行評價。由于番茄幼苗的株高和出苗率不直接影響土壤品質，因此主成分分析將株高和出苗率2個指標去除。全鹽、分形維數與土壤品質呈負相關，土壤肥力主成分分析結果如表7所示。

選擇主成分對改良后土壤pH、全鹽、有效磷、硝態(tài)氮、速效鉀、有機質、氧化還原電位、分形維數8個指標進行分析。由表7可知，第一主成分、第二主成分、第三主成分的累計貢獻率達71.281%，綜合土壤改良指標的大部分信息，因此可以用這3個主成分代替上述8個指標對不同處理土壤品質進行評價。

2.5.2 土壤評價主成分綜合得分與排名

計算不同處理土壤品質的主成分綜合得分并排名，依此評價不同復合調理劑對土壤的改良效果，如表8所示。若綜合得分為正，則該主成分在平均發(fā)展水平之上，得分越高，土壤改良效果越好；若綜合得分為負，則該主成分在平均發(fā)展水平之下，得分越低，土壤改良效果越差。對照組CK（原始土壤）的綜合得分最低，為-1.74，各處理土壤的綜合得分均高于CK。其中，S1W4H4的綜合得分最高，為0.77，綜合改良土壤的效果最好。由此可得，聯合改良劑的最佳配比為10 g/kg生物炭、160 g/kg蚯蚓糞、80 g/kg腐殖酸。

3 討論

3.1 土壤鹽堿度對聯合改良劑施用的響應

研究發(fā)現，生物炭、蚯蚓糞和腐殖酸聯合改良土壤時，其對pH的影響并不顯著[19]，原因可能與聯合改良劑中的生物炭施加量有關[20]。生物炭為堿性，生物炭施加可能引起土壤pH升高[21]。土壤有機質含量也是影響pH的重要因素，與pH呈負相關，能顯著提高土壤的緩沖性。使用聯合改良劑后，土壤可溶鹽含量顯著增多。經分析，生物炭、蚯蚓糞以及腐殖酸的大量添加會導致土壤中灰分增加，能溶于水的鹽分也會增加。

3.2 土壤養(yǎng)分對聯合改良劑施用的響應

總體來看，施用不同比例的生物炭、腐殖酸及蚯蚓糞復合肥料，均能提高土壤有機質、有效磷、速效鉀以及硝態(tài)氮的含量。經主效應檢驗，有機質含量增加主要與生物炭和腐殖酸的添加量有關，研究證明，腐殖酸的添加可提升土壤有機質含量，S4W1H4、S3W3H1、S4W2H3處理效果最佳。有效磷含量的增加主要與蚯蚓糞和腐殖酸的添加量有關，S2W4H3、S4W4H1處理效果最佳。試驗期間，有效磷含量出現下降，降幅為0.06%～18.66%，有效磷可能被化學固定或被吸附固定[8]。速效鉀含量增加主要與腐殖酸的添加量有關，腐殖酸的使用可以減少土壤固定[22]。硝態(tài)氮主要與生物炭添加量有關，隨著生物炭的添加，硝態(tài)氮含量下降，這可能與其腐解后形成的物質對土壤的影響有關。

3.3 土壤透氣性對聯合改良劑施用的響應

研究發(fā)現，施加不同比例的聯合改良劑后，各處理土壤的氧化還原電位都有所增加，增幅為3.65%～26.04%，通過氧化還原電位可以直接判斷土壤通氣狀況。經主效應檢驗，聯合改良劑中對氧化還原電位有顯著影響的是生物炭。聯合改良劑生物炭含量達到40 g/kg時，土壤氧化還原電位的提升效果最好。生物炭是一種良好的土壤改良劑，可以有效提高土壤的透水性與透氣性。施加不同比例的聯合改良劑后，除S3W2H4處理外，其余處理的土壤分形維數均小于對照值，其中效果最好的為S2W2H1。

4 結論

生物炭、蚯蚓糞與腐殖酸復合施用能夠顯著增加土壤養(yǎng)分，同時能夠促進團聚體的形成。經土壤綜合改良效果評價，聯合改良劑的最優(yōu)配方為S1W4H4（生物炭10 g/kg、蚯蚓糞160 g/kg、腐殖酸80 g/kg）。土壤改良后，pH為7.95，全鹽量為4.23 g/kg，有效磷含量為105.80 mg/kg，硝態(tài)氮含量為13.18 mg/kg，有機質含量為9.91%，速效鉀含量為258.16 mg/kg，氧化還原電位為109.50 mV，分形維數為2.89，出苗率為50.83%，株高為5.25 cm。與對照組CK相比，其pH降低0.10，有效磷增加23.91 mg/kg，硝態(tài)氮增加10.82 mg/kg，有機質增加6.27%，速效鉀增加158.40 mg/kg，氧化還原電位增加13.50 mV，出苗率增加25.83%，株高增加0.5 cm，分形維數降低0.03。結果表明，3種材料復合施用能夠改良貧瘠土壤，同時改善土壤結構，提升土壤肥力。

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