基于生物質(zhì)炭的風(fēng)沙土資源質(zhì)量提升研究

摘要：研究生物質(zhì)炭對風(fēng)沙土養(yǎng)分和酶活性的影響機制，對風(fēng)沙土資源改良利用具有重要意義。本文以豫東平原風(fēng)沙土為研究對象，開展6年田間定位試驗，分析土壤樣品養(yǎng)分特性、土壤酶活性對不同生物質(zhì)炭添加水平的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，生物質(zhì)炭不僅顯著降低土壤pH，有效增加全氮、全磷、速效磷、速效鉀與有機碳含量，也顯著提高風(fēng)沙土轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性；土壤綜合肥力水平與生物質(zhì)炭施用量成正相關(guān)。綜上，生物質(zhì)炭施用對風(fēng)沙土資源質(zhì)量提升的效果顯著，有利于風(fēng)沙土資源的改良利用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)沙土；生物質(zhì)炭；土壤養(yǎng)分；土壤酶活性

中圖分類號：S156.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）03-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.03.017

Abstract： Studying the influence mechanism of biochar on nutrients and enzyme activities in aeolian sandy soil is of great significance for the improvement and utilization of aeolian sandy soil resources. Taking the aeolian sandy soil in the eastern Henan Plain as the research object， this paper conducts a 6-year field positioning experiment to analyze the response of soil sample nutrient characteristics and soil enzyme activity to different levels of biochar addition. The results show that biochar not only significantly decreases soil pH， but also effectively increases the contents of total nitrogen， total phosphorus， available phosphorus， available potassium， and organic carbon， as well as significantly increases the activities of invertase， alkaline phosphatase， and catalase in aeolian sandy soil; the level of soil comprehensive fertility is positively correlated with the amount of biochar applied. In summary， the application of biochar has a significant effect on improving the quality of aeolian sandy soil resources， which is conducive to the improvement and utilization of aeolian sandy soil resources.

Keywords： aeolian sandy soil; biochar; soil nutrient; soil enzyme activity

豫東平原黃泛區(qū)具有較大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，種植作物包括小麥、花生等，它是我國重要的糧食生產(chǎn)基地[1]。但是，由于其特殊的成土過程、自然條件，加上近年來劇烈的人為活動，土壤沙化嚴(yán)重，土壤質(zhì)量呈現(xiàn)下滑的趨勢[2]，沙漠化程度愈發(fā)嚴(yán)重。為提高土壤質(zhì)量，從而更好地利用風(fēng)沙土資源，對風(fēng)沙土進(jìn)行改良非常必要。生物質(zhì)炭作為一種熱解形成的固體物質(zhì)[3]，其疏松多孔的結(jié)構(gòu)能有效增大土壤孔隙度，提高土壤保水能力，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高作物產(chǎn)量[4]。孫嬌等[5]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭加入風(fēng)沙土中可顯著提高土壤有機碳含量，改善土壤理化性質(zhì)。劉元生等[6]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭加入黃泥土、黃沙土后，磷酸酶、過氧化氫酶、脲酶活性明顯提高；而大泥土中磷酸酶、過氧化氫酶活性提高，但脲酶活性大幅下降，表明生物質(zhì)炭對不同土壤酶活性的影響不一致，并且對不同類型土壤的改良效果存在較大區(qū)別。因此，本文以豫東平原風(fēng)沙土為研究對象，探究生物質(zhì)炭對風(fēng)沙土養(yǎng)分和酶活性的影響，揭示生物質(zhì)炭對土壤質(zhì)量的改良效果，這對豫東平原風(fēng)沙土的治理和資源綜合利用具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省開封市蘭考縣淮河流域黃泛區(qū)的風(fēng)蝕定位觀測點（114°55′12″E、34°47′55″N）。該地區(qū)地勢平坦，海拔在69～78 m，坡降在1/4 000～1/2 000，處于半濕潤區(qū)，屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量在550～1 050 mm，年平均氣溫為14 ℃。

1.2 試驗材料

供試土壤為豫東平原黃泛區(qū)的風(fēng)沙土，從基本性質(zhì)來看，土壤pH為8.8，土壤容重為1.39 g/cm3，黏粒含量為55 g/kg，粉粒含量為124 g/kg，沙粒含量為821 g/kg，碳、氫、氧、氮含量分別為9.30 g/kg、0.68 g/kg、0.98 g/kg、12.79 g/kg。生物質(zhì)炭購自密西西比國際水務(wù)（中國）有限公司。以城市污泥為原材料，碳化溫度為700～800 ℃。從基本性質(zhì)來看，生物質(zhì)炭pH為6.4，水分含量為9.7%，比表面積為14.2 m2/g，碳含量為197.7 g/kg，氮含量為16.6 g/kg，磷含量為17.1 g/kg，鉀含量為2.7 g/kg。供試作物為花生，品種為豫花16號。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)計4個處理，生物質(zhì)炭施用量分別為0 t/hm2（CK）、20 t/hm2（B20）、40 t/hm2（B40）、60 t/hm2（B60），每個處理重復(fù)3次。試驗小區(qū)面積為40 m2（8 m×5 m），生物質(zhì)炭于2017年花生播種前一次性施入土壤并翻耕，使其均勻分布在耕層土壤中（距地表0～30 cm），往后不再施加。作物采用夏花生一年一熟制，按當(dāng)?shù)馗髦贫冗m時進(jìn)行播種、收獲，于2022年花生收獲前取樣測定。

1.4 指標(biāo)測定方法

土壤pH采用pH測定儀測定；有機碳、全氮采用全自動元素分析儀測定；全磷采用鉬銻抗比色法測定；全鉀采用火焰光度法測定；速效磷采用氟化銨-鹽酸浸提法測定；速效鉀采用乙酸銨-火焰光度法測定；土壤轉(zhuǎn)化酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)炭施用量對土壤養(yǎng)分的影響

從表1可以看出，生物質(zhì)炭施入風(fēng)沙土6年后，土壤各養(yǎng)分含量均發(fā)生不同程度的變化。不同處理pH均顯著低于CK，且施用量越大，降幅越大，這與劉祥宏[7]的研究結(jié)果相類似，說明在弱堿性土壤中施加弱酸性生物質(zhì)炭，可以有效地降低土壤pH，土壤接近中性時有利于作物生長。

不同處理全氮含量均高于CK，B40處理最大，顯著高于其他組，較CK增長34.15%；全磷含量較CK增長28.46%～54.36%，其中B60處理最高；各組全鉀含量的變化未達(dá)到顯著水平，速效磷、速效鉀分別較CK增長11.31%～27.57%、21.52%～28.87%。生物質(zhì)炭有較強的吸附作用，可以減緩風(fēng)沙土中氮磷鉀的流失，有利于土壤養(yǎng)分的保持和利用[8]。

有機碳含量與生物質(zhì)炭的施用量成正相關(guān)，B20處理與CK的差異不顯著，B40處理、B60處理分別顯著提高27.86%、39.25%。生物質(zhì)炭自身含有豐富的碳，部分易分解的碳可以轉(zhuǎn)化到土壤中，同時生物質(zhì)炭可以提高土壤有機碳的穩(wěn)定性，從而有利于有機碳的積累[9]。綜上，生物質(zhì)炭對各養(yǎng)分因子有不同程度的提高作用，這與前人的研究相一致[10]，所以生物質(zhì)炭對風(fēng)沙土養(yǎng)分含量的提高有積極作用。

2.2 生物質(zhì)炭施用量對土壤酶活性的影響

土壤酶對土壤物質(zhì)循環(huán)與能量流動有著重要的作用，直接參與土壤C、N的遷移轉(zhuǎn)化，影響土壤有機質(zhì)的合成與分解[11]。生物質(zhì)炭施用量對土壤酶活性的影響如表2所示。轉(zhuǎn)化酶參與土壤有機質(zhì)的分解和腐殖質(zhì)的生成，其活性可以表征土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化強度[12]。B20處理的轉(zhuǎn)化酶活性略低于CK，B40處理、B60處理顯著高于CK。從養(yǎng)分角度分析，生物質(zhì)炭提高了風(fēng)沙土有機碳含量，也為微生物提供繁殖場所，激發(fā)微生物的活性，從而提高轉(zhuǎn)化酶的活性。

堿性磷酸酶參與土壤中磷的礦化過程，在堿性條件下將有機磷水解，為土壤中植物、微生物提供營養(yǎng)[13]。各處理的堿性磷酸酶活性顯著高于CK，增幅為33.33%～56.41%。這說明生物質(zhì)炭有助于提高風(fēng)沙土有機磷的轉(zhuǎn)化速率，利于植物對磷元素的吸收。過氧化氫酶屬于土壤氧化還原酶的一種，主要作用是分解土壤中的過氧化氫，減輕過氧化氫對土壤的危害，一定程度上反映出土壤氧化過程的強弱[14]。各處理組的過氧化氫酶活性變化范圍為1.95～2.80 mL/g，相比CK，B60處理顯著提高，增幅為43.59%。Yang等[15]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭可以顯著提高過氧化氫酶的活性。原因可能是生物質(zhì)炭改善了風(fēng)沙土的孔隙結(jié)構(gòu)，為過氧化氫酶的作用發(fā)揮提供了適宜場所

2.3 應(yīng)用主成分分析評價風(fēng)沙土質(zhì)量

為分析生物質(zhì)炭對風(fēng)沙土質(zhì)量的影響，應(yīng)用主成分分析法對土壤養(yǎng)分和土壤酶活性進(jìn)行綜合評價，構(gòu)建代表土壤肥力的指標(biāo)。各主成分的特征值與累積方差貢獻(xiàn)率如表3所示，第一主成分PC1的方差百分比為66.13%，第二主成分PC2為18.24%，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到84.37%，兩個主成分綜合了大部分的信息量，可以代表土壤肥力的主要影響因素，比較特征值和方差貢獻(xiàn)率，PC1對土壤肥力的影響程度高于PC2。由圖1可得，PC1主要反映全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、有機碳、堿性磷酸酶、過氧化氫酶的變化；pH、全鉀、轉(zhuǎn)化酶在PC2上有較高的因子載荷。這說明土壤養(yǎng)分、堿性磷酸酶、過氧化氫酶可以共同反映土壤的肥力水平。

不同生物質(zhì)炭處理的土壤肥力質(zhì)量得分情況如表4所示。各處理組綜合得分的排序為B60＞B40＞B20＞CK，B60處理的土壤肥力水平最高，CK肥力水平最低，所以生物質(zhì)炭的施加可以有效提高土壤肥力水平。

3 結(jié)論

生物質(zhì)炭的施加可以有效降低風(fēng)沙土pH，增加土壤全氮、全磷和有機碳含量，提高轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶與過氧化氫酶的活性，土壤綜合肥力水平與生物質(zhì)炭施用量成正相關(guān)。所以，向風(fēng)沙土中添加生物質(zhì)炭，可以增加土壤養(yǎng)分含量，增強土壤酶活性，進(jìn)而提高風(fēng)沙土的綜合肥力水平，實現(xiàn)風(fēng)沙土資源進(jìn)一步利用。

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