生物炭對(duì)土壤理化及樹苗生長(zhǎng)的影響范文
本站小編為你精心準(zhǔn)備了生物炭對(duì)土壤理化及樹苗生長(zhǎng)的影響參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
摘要：為了探究生物炭對(duì)石漠化土壤理化性質(zhì)和構(gòu)樹幼苗生長(zhǎng)的影響，選擇貴州喀斯特石漠化退耕還林區(qū)石灰性土壤為研究對(duì)象，通過盆栽試驗(yàn)，分析4種不同處理（施復(fù)合肥處理為NPK，炭肥混施處理施肥量相同，按施炭量為土壤干質(zhì)量的1％、2％、4％分別記為RH1、RH2、RH4）下土壤理化性質(zhì)和構(gòu)樹生長(zhǎng)狀況的變化。結(jié)果表明：3種施炭量處理都顯著降低了土壤容重，增加了土壤毛管孔隙率和總孔隙率，增加了土壤自然狀態(tài)下的質(zhì)量含水量、飽和含水量和毛管持水量，且隨施炭量的增加變化越顯著；單施肥處理和3種施炭處理均顯著增加了土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，且各養(yǎng)分含量隨著稻殼炭施用量的增加而增加；施肥處理和3種施碳處理對(duì)植物株高胸徑、地上部分生物量和總生物量的增長(zhǎng)有顯著的影響，與CK處理相比，僅RH4處理對(duì)植物根系生物量的增加有顯著影響。可以說明施用生物炭可以改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)構(gòu)樹苗期生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累及根系發(fā)育，對(duì)貴州喀斯特石漠化土壤改良和植被恢復(fù)有重要意義。
關(guān)鍵詞：石漠化土壤；生物炭；土壤理化性質(zhì)；幼苗生長(zhǎng)；根系形態(tài)
喀斯特石漠化是指在溫潤(rùn)氣候下，由于人類不合理的資源利用和喀斯特石灰?guī)r生態(tài)系統(tǒng)自身的脆弱，導(dǎo)致植被破壞、水土流失的現(xiàn)象［1］。貴州省位于我國西南喀斯特石漠化區(qū)的中心，也是我國石漠化面積最大、石漠化程度最高、受石漠化危害最嚴(yán)重的省份，石漠化區(qū)域面積高達(dá)3．7萬km2，占全省總面積的21％［2－3］。土壤石漠化導(dǎo)致可耕面積減少，土壤肥力下降，土壤保水性能下降，會(huì)進(jìn)一步加劇人地矛盾、水土流失和生物多樣性下降，石漠化已經(jīng)成為制約貴州省乃至我國整個(gè)西南喀斯特地區(qū)發(fā)展的重大生態(tài)問題。改良石漠化土壤的理化性質(zhì)，是提高土壤質(zhì)量和促進(jìn)石漠化山地植被恢復(fù)的重要途徑［4－6］。生物炭是由生物質(zhì)在低氧或厭氧的條件下低溫?zé)崃呀獾玫降囊环N化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、含碳量高、比表面積大、微孔隙結(jié)構(gòu)豐富的堿性材料。近年來，研究者們就生物炭在土壤改良方面的作用進(jìn)行了大量的盆栽及野外試驗(yàn)［7－15］，研究結(jié)果表明，向土壤中施入生物炭可明顯改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，增加土壤的持水和吸附利用養(yǎng)分能力，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。研究者利用生物炭的堿性來改良酸化土壤或中性土壤，但關(guān)于對(duì)堿性土壤的改良效果卻鮮有報(bào)道。本研究通過盆栽試驗(yàn)，分析了施用不同量生物炭對(duì)于貴州喀斯特山地石漠化土壤理化性質(zhì)和抗逆性強(qiáng)的構(gòu)樹生長(zhǎng)的影響，以期能起到改良?jí)A性土壤特性、促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用，為生物炭在山地石漠化土壤改良和植被修復(fù)的利用提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1．1研究區(qū)概況
研究區(qū)位于貴州省安順市普定縣城關(guān)鎮(zhèn)沙灣（105°45′4″E、26°22′18″N）退耕還林區(qū)。該區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，年平均氣溫為15．1℃，最冷月為1月，平均氣溫為5．2℃。雨量充沛，年均降水量1396．9mm。土壤類型為石灰性土。本研究供試土壤采集于沙灣退耕還林區(qū)，采樣深度為0～20cm，采集的土壤除大石塊和落葉等殘留物過2mm篩備用。土壤容重為1．15g／cm，土壤pH值7．42，土壤有機(jī)質(zhì)含量為14．44g／kg，堿解氮（AN）含量為65．81mg／kg，有效磷含量（AP）為5．40mg／kg，全磷含量為802．96mg／kg，全鉀含量為2．68g／kg。
1．2供試樹種
構(gòu)樹（Broussonetiapapyrifera）是桑科構(gòu)屬植物。構(gòu)樹生態(tài)適應(yīng)能力強(qiáng)，耐干旱貧瘠，萌孽能力強(qiáng)，是喀斯特石漠化山區(qū)植被修復(fù)的主要造林樹種之一。本試驗(yàn)所用構(gòu)樹為半年生構(gòu)樹幼苗，購于貴州省安順市普定縣林場(chǎng)。
1．3供試生物炭
供試生物炭為稻殼炭（記為RH），由稻殼在400～500℃下厭氧高溫裂解獲得，生物炭經(jīng)粉碎過2mm篩備用。稻殼炭的pH值為9．41，總碳含量為46．3％，總氮含量為600mg／kg，速效磷含量為21310mg／kg，速效鉀含量為2540mg／kg，稻殼炭比表面積為91．45mg／kg。
1．4施肥量確定
試驗(yàn)開始前對(duì)試驗(yàn)地土壤進(jìn)行取樣，測(cè)得試驗(yàn)地土壤的N、P、K養(yǎng)分含量，再根據(jù)研究者對(duì)黔中喀斯特?zé)o石漠化的林地土壤養(yǎng)分狀況研究結(jié)果［16－17］，將石灰土還原成養(yǎng)分狀況良好的林地土壤，并換算成（NH2）2CO和KH2PO4的用量。除空白處理外，各處理的施肥量相同，試驗(yàn)在植物的生長(zhǎng)期內(nèi)不再追肥。（NH2）2CO用量：測(cè)定試驗(yàn)土壤原始養(yǎng)分狀況NO，NO＝AN＝65．81mg／kg，取研究結(jié)果中貴州省中部喀斯特山地?zé)o石漠化林地土壤平均氮素養(yǎng)分值NF，NF＝250mg／kg，土質(zhì)量為8kg，（NH2）2CO總用量NT＝（NF－NO）／［NAR×2／（NH2）2COAR］×8＝3157．54mg。每個(gè)盆栽中（NH2）2CO用量為3．16g。其中，NAR為N的相對(duì)原子質(zhì)量，為14；（NH2）2COAR為（NH2）2CO相對(duì)分子質(zhì)量，為60。KH2PO4用量：測(cè)定試驗(yàn)土壤原始養(yǎng)分狀況PO，PO＝AP＝5．40mg／kg，取研究結(jié)果中貴州省中部喀斯特山地?zé)o石漠化林地土壤平均氮素養(yǎng)分值PF，PF＝12．80mg／kg，土質(zhì)量為8kg，KH2PO4總用量PT＝（PF－PO）／（PAR／KH2PO4AR）×8＝259．72mg。每個(gè)盆栽中KH2PO4用量為0．26g。其中，PAR為P的相對(duì)原子質(zhì)量，為31；KH2PO4AR為KH2PO4相對(duì)分子質(zhì)量，為136。
1．5試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集
于2017年3—11月在南京林業(yè)大學(xué)下蜀林場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。采用盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理：不施加稻殼炭和復(fù)合肥的為對(duì)照組，記為CK；不施加稻殼炭但添加了復(fù)合肥的記為NPK；施炭量為土壤干質(zhì)量1％，記為RH1；施炭量為土壤干質(zhì)量2％，記為RH2；施炭量為土壤干質(zhì)量4％，記為RH4，施炭處理均添加復(fù)合肥。每個(gè)處理設(shè)置18個(gè)重復(fù)，共90盆。在2017年3月，采用30cm×15cm×30cm（上徑×下徑×高）的花盆進(jìn)行栽植試驗(yàn)，選擇株高、地徑、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的構(gòu)樹幼苗進(jìn)行移栽。栽植苗木的塑料盆每盆土樣干質(zhì)量8kg，與稻殼炭、肥料混合均勻后裝入盆中，盆底鋪5cm厚的碎石塊，以利于苗木根部通氣，試驗(yàn)在構(gòu)樹幼苗生長(zhǎng)期間不再追肥，按正常撫育管理、正常澆水。
1．6測(cè)定項(xiàng)目
1．6．1土壤物理性質(zhì)測(cè)定土壤含水量的測(cè)定采用烘干法，烘干至恒質(zhì)量，即可計(jì)算出土壤含水量。土壤水分物理性質(zhì)（容重、田間持水量、毛管持水量、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等）測(cè)定采用環(huán)刀法及水浸法，可計(jì)算出土壤容重及在不同持水性能下的持水量及土壤孔隙度。以上分析方法參照我國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［18］。
1．6．2土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定帶回實(shí)驗(yàn)室的土壤放置在風(fēng)干架上，自然風(fēng)干，風(fēng)干后磨碎過篩，用于測(cè)定堿解氮、有效磷等指標(biāo)。土壤化學(xué)指標(biāo)測(cè)定方法均參照我國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［19－24］：土壤堿解氮含量采用堿解－擴(kuò)散法測(cè)定；土壤全磷含量采用酸溶－鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤有效磷含量采用鹽酸－硫酸浸提法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化－外加熱法測(cè)定；土壤pH值采用電位法測(cè)定。
1．6．3植物生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定植物株高和地徑采用直接測(cè)量法，分別使用2m卷尺和游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)。在植物休眠期將地上部分剪斷，再挖出根系，按地上部分、地下部分分裝在密封袋中。帶回實(shí)驗(yàn)室后，將植株各部分洗凈，并收集所有斷根。通過數(shù)字化掃描儀（EPSONV750）將根系圖像存入計(jì)算機(jī)，用Win－RHIZO根系分析系統(tǒng)（RegentInstrumentInc．Canada）對(duì)根系總根長(zhǎng)、總表面積、根體積等進(jìn)行分析，進(jìn)一步計(jì)算可得構(gòu)樹根長(zhǎng)密度和比根長(zhǎng)。在根系掃描完后，將植物地上部分和根部分裝入牛皮紙袋中，105℃下殺青30min，60℃下烘干至恒質(zhì)量，并稱質(zhì)量，進(jìn)一步可計(jì)算出構(gòu)樹幼苗地下部分與地上部分干質(zhì)量比值，即根冠比。1．7數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)用Excel2016整理后，用SPSS18．0進(jìn)行方差分析，并采用Duncans多重檢驗(yàn)法對(duì)各個(gè)處理的指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。
2結(jié)果與分析
2．1土壤理化性質(zhì)分析
2．1．1土壤容重和各級(jí)孔隙度分析由表1可以看出，生物炭的施用對(duì)喀斯特石漠化山地土壤容重和各級(jí)孔隙度均會(huì)產(chǎn)生一定的影響。生物炭施用的比例越高，土壤容重越低，與CK處理相比，施用生物炭均可降低土壤的容重，并在RH4處理下差異最為顯著（P＜0．05），容重達(dá)最小值，為0．97g／cm3。隨著生物炭施用量的增加，土壤總孔隙度和毛管孔隙度也有顯著增加，這與生物炭的多孔性結(jié)構(gòu)有關(guān)。土壤非毛管孔隙度并沒有隨著施炭量的增加呈線性的變化，與CK處理相比，在RH1處理下，非毛管孔隙度達(dá)到最大值，除此之外，依次是RH4處理、NPK處理、RH2處理。
2．1．2土壤水分特性分析如表2所示，添加生物炭可顯著增加土壤質(zhì)量含水量、田間持水量和飽和含水量。與CK處理比較，NPK施肥處理的土壤質(zhì)量含水量和飽和含水量沒有顯著差異，RH1、RH2質(zhì)量含水量與CK差異不顯著，RH4處理下土壤質(zhì)量含水量顯著大于對(duì)照（P＜0．05）；RH1、RH2和RH4處理田間持水量顯著高于CK（P＜0．05）；RH1飽和含水量與CK差異不顯著，RH2和RH4處理土壤的飽和含水量顯著高于CK（P＜0．05）。隨著施炭量的增加，土壤質(zhì)量含水量、田間持水量和飽和含水量均呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，田間持水量的斜率最大，其次是飽和含水量，質(zhì)量含水量的斜率最小。
2．1．3土壤化學(xué)性質(zhì)分析生物炭本身具有較高的基礎(chǔ)養(yǎng)分，不同量生物炭施用后，土壤相應(yīng)的養(yǎng)分指標(biāo)會(huì)有不同程度的增加。試驗(yàn)除CK處理外，其他處理均施肥，這部分速效肥的增加也會(huì)對(duì)相對(duì)應(yīng)的土壤養(yǎng)分有一定的提高作用。如表3所示，添加生物炭后，土壤pH值呈上升的趨勢(shì)，RH4處理下土壤pH值增加量最大，但與CK相比，差異未達(dá)顯著水平。施用生物炭后土壤的有機(jī)質(zhì)含量顯著增加（P＜0．05），NPK、RH1、RH2、RH4各處理的有機(jī)質(zhì)含量比CK處理分別增加了10．15％、11．12％、19．74％、31．67％。施用生物炭后各處理土壤的堿解氮、有效磷和速效鉀含量均增加，且在RH4處理下達(dá)到最大值，最大值對(duì)比CK處理分別增加了87．97％、348．56％、42．25％。施加生物炭后各處理土壤全磷含量均有所增加，但僅RH4處理下，增加達(dá)顯著水平（P＜0．05），對(duì)比CK處理增加了27．83％。
2．2構(gòu)樹生長(zhǎng)狀況分析
2．2．1構(gòu)樹幼苗生長(zhǎng)特性分析由表4可以看出，施肥和施生物炭處理對(duì)構(gòu)樹幼苗的株高、地徑等生長(zhǎng)特性指標(biāo)都有不同程度的促進(jìn)作用。與CK處理相比，稻殼炭處理的促進(jìn)作用隨試驗(yàn)所設(shè)置濃度范圍內(nèi)施用量增加而增加，株高、地徑、根系生物量、地上部分生物量、總生物量與對(duì)照相比均有增加，在RH4處理效果最好，株高與CK處理相比增加了68％，地徑與CK處理相比增加了94％，根系生物量與CK處理相比增加了78％，地上部分生物量與CK處理相比增加了74％，總生物量與CK處理相比增加了76％。同時(shí)，通過不同處理間的根冠比數(shù)值比較可發(fā)現(xiàn)，除了RH4處理與CK處理相比增加了2％，其他不同稻殼炭施用量處理均降低了根冠比，NPK、RH1、RH2這3個(gè)處理構(gòu)樹根冠比分別降低了17％、31％和21％，降低效果達(dá)顯著水平（P＜0．05）。
2．2．2構(gòu)樹根系生長(zhǎng)狀況分析由表5可知，與CK處理相比，施用復(fù)合肥和生物炭的各處理對(duì)構(gòu)樹幼苗的總根長(zhǎng)、根系表面積和根系體積的增加均有促進(jìn)作用。NPK處理下，總根長(zhǎng)對(duì)比CK處理增加了29．58％，增加未達(dá)顯著水平，RH1、RH2、RH4對(duì)比CK處理分別增加了172．36％、282．99％和504．61％，RH2、RH4增加量達(dá)顯著水平（P＜0．05）。生物炭施用后對(duì)構(gòu)樹幼苗的根系表面積、根系體積的增加有著顯著的作用（P＜0．05），對(duì)比CK處理，根系表面積的增加幅度為54．09％～425．96％，根系體積的增加幅度為80．59％～343．75％。根長(zhǎng)密度是指單位體積土壤內(nèi)的根系長(zhǎng)度，是表征土壤資源有效利用的一個(gè)重要指標(biāo)。從表5可以看出，生物炭施用后可以促進(jìn)構(gòu)樹根長(zhǎng)密度的增加，但僅在RH2和RH4處理下，增加量對(duì)比CK處理差異達(dá)顯著水平（P＜0．05）。比根長(zhǎng)是根長(zhǎng)與生物量的比值，是表征根系收益與花費(fèi)關(guān)系的重要參數(shù)。由表5可以看出，NPK處理下的比根長(zhǎng)有所增加，但差異未達(dá)顯著水平，生物炭的使用可以明顯增加構(gòu)樹幼苗細(xì)根的比根長(zhǎng)，RH1、RH2、RH4對(duì)比CK處理分別增加了269．05％，261．01％和352．49％，且RH4處理與CK差異達(dá)顯著水平（P＜0．05）。
3討論與結(jié)論
3．1生物炭對(duì)土壤性質(zhì)的影響
為了探明生物炭處理對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響機(jī)制，本研究利用環(huán)刀法和浸水法測(cè)量了0～10cm表層土壤的飽和含水量、毛管持水量和土壤孔隙等土壤水分物理指標(biāo)，結(jié)果表明，生物炭有利于改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分狀況。3種不同施炭量處理均顯著降低了土壤容重，有效增加了土壤毛管孔隙率，提高了土壤中的毛管持水量，改善的效果隨施炭量增加而增加，這主要是因?yàn)樯锾烤哂胸S富的孔隙結(jié)構(gòu)、較小的密度和較大的比表面積［25］。這與張明月的研究結(jié)果［26］一致。生物炭對(duì)于土壤水分特性的改善效果受土壤種類、土壤石漠化程度、生物炭種類及生物炭施用量等多方面的影響［26－28］。在以往的研究中，當(dāng)土壤處于酸性或中性狀態(tài)下，施用堿性生物炭往往能提高土壤的pH值［29］，但在本研究中，生物炭3種施用量處理下土壤的pH值均有所增加但增加量與對(duì)照相比未發(fā)生顯著變化，這與方培結(jié)的研究結(jié)果［28］一致。劉祥宏的研究結(jié)果表示，對(duì)于向堿性土中施加生物炭，甚至可以降低土壤的pH值［30］。生物炭的堿性對(duì)土壤的影響是最直接的，土壤還受到土壤微生物作用，如短期內(nèi)土壤的硝化作用會(huì)降低土壤pH值，除此之外還受到土壤酸堿緩沖容量、作物種類等的影響。在以往的研究中，研究者指出，炭肥混施對(duì)比單獨(dú)使用肥料或生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分和植物生長(zhǎng)有更好的改良和促進(jìn)效果［31－32］。本研究中，均施加定量的速效肥料，結(jié)果顯示炭肥混施顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分的含量。一方面生物炭具有孔隙結(jié)構(gòu)和吸附性，可減少養(yǎng)分的淋失，將養(yǎng)分留在土壤中，另一方面，生物炭表面具有較高的有效養(yǎng)分，在施入土壤后，帶入土壤，增加了土壤養(yǎng)分含量［33－34］。在以后的研究中，可設(shè)置不同栽培植物的處理，來探究施炭處理對(duì)于速效氮素的影響。生物炭影響土壤磷有效性的途徑是通過吸附和解吸來完成。有些研究表明生物炭對(duì)磷無吸附能力［35－36］，但研究生物炭種類單一，土壤狀況差距大，研究不夠深入，無法說明問題。還有研究表明，不同原料制作的生物炭會(huì)對(duì)磷產(chǎn)生吸附［37］。后有研究者在利用生物炭處理廢水時(shí)，對(duì)生物炭進(jìn)行改性處理，可使生物炭對(duì)磷產(chǎn)生吸附。在以后的研究中，可增加對(duì)不同原料制作的生物炭磷素吸附及其機(jī)理的研究。
3．2生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)的影響
目前大部分研究表明，施用生物炭可促進(jìn)植物生長(zhǎng)及增產(chǎn)。如施用生物炭可促進(jìn)黃連木、水稻、香蕉等的生長(zhǎng)［38－41］，可促進(jìn)鐵皮石斛、玉米的增產(chǎn)［42－43］。在本研究中，施肥處理和炭肥混施處理均顯著促進(jìn)了構(gòu)樹幼苗株高、地徑的增加，促進(jìn)了植物地上及地下部分的干物質(zhì)積累，半年生構(gòu)樹苗經(jīng)過一個(gè)生長(zhǎng)季，最高的長(zhǎng)到了197cm。生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用隨施炭量的增加而增加。植物根系是植物攝取和運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)合成和儲(chǔ)存有機(jī)化合物的重要器官。一些研究表明，生物炭的施用還可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，如陳懿等在研究煙桿生物炭對(duì)烤煙根系生長(zhǎng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，施炭可促進(jìn)烤煙前期的根系生長(zhǎng)和根系體積的提高［44］；如程效義等在探究生物炭對(duì)玉米生產(chǎn)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，施炭可以增加玉米灌漿期的總根長(zhǎng)、根表面積和根體積［45］。這些研究與本研究的結(jié)果一致。總根長(zhǎng)、根表面積及根體積等根系形態(tài)指標(biāo)是根系攝取養(yǎng)分和水分的能力指標(biāo)［46］。在本研究中，單獨(dú)施肥處理對(duì)植物根系生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，效果并不顯著，施炭處理對(duì)植物根系生長(zhǎng)的促進(jìn)作用顯著，施炭量越多作用效果越顯著。土壤水分和養(yǎng)分條件是影響植物根系生長(zhǎng)和分布的主要因素，生物炭的施用改良了土壤的物理結(jié)構(gòu)，改善了土壤的水分和養(yǎng)分條件，進(jìn)而提高了植物根系吸收和代謝的效率，進(jìn)而促進(jìn)了植物地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育。本研究表明，施用生物炭可以改善石漠化土壤的理化性質(zhì)，對(duì)構(gòu)樹幼苗生長(zhǎng)和根系發(fā)育等各項(xiàng)指標(biāo)都具有顯著的促進(jìn)作用。因此，生物炭在喀斯特石漠化山地的石漠化土壤改良和植被恢復(fù)方面有著重要的作用。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在構(gòu)樹苗期施用4％稻殼炭的效果最佳。
作者：張曼玉 高婷 吳永波 薛建輝 單位：南京林業(yè)大學(xué)江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心
