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土壤炭改良剂对沙化土壤及作物生长的影响

更新时间:2009-03-28

生物炭是生物残体在完全或部分缺氧的情况下,经高温(通常低于700℃)热解作用而生成的一种稳定的固态化合物。国内外大量的研究证明[1-3],生物炭因其自身吸附特性,能够将水分和营养物质吸收并储存在土壤中,提高土壤肥力,但由于生物炭直接提供的养分元素有限,因此常作为改良剂施加到土壤中,提高其养分元素的利用率;有机肥在农业上有广泛的应用,可以提高土壤的保水、保肥能力[4-5]。如果将生物炭和有机肥联合施用,除了可以提供养分元素外,生物炭还可以将有机肥中的氮、磷等元素固定,起到肥料缓释载体的作用。目前关于单独施加生物炭、有机肥的研究较多,而对炭肥共施处理的研究相对较少。笔者通过设置不同的炭肥施加比例进行大田试验,比较生物炭和有机肥的单独和联合施加对吉林西部沙化土壤理化性质的影响,探讨二者可能存在的协同作用过程,以期为退化土壤的改良提供新的途径。

1 材料与方法

1.1 研究区域

选取吉林省大安市舍力镇为试验区域,进行中等规模的大田试验。该区域位于中温带半湿润半干旱气候过渡带,多年平均日照时数3 013 h,年平均气温4.3℃,无霜期142 d,年平均有效积温2 934.8℃,年平均降水量300~400 mm,多集中在夏季,年平均蒸发量1 952.2 mm,为年均降水量的4~5倍。试验区受试土壤为典型的淡黑钙土型风沙土,含粘粒(<0.001 mm)6.62%,粉砂(0.001~0.05 mm)9.72%,细砂(0.05~0.25 mm)63.61%,中砂(0.25~1.00 mm)20.05%。

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1.3.2 药物选择评价 普通外科Ⅰ类(清洁)切口手术主要感染病原菌是葡萄球菌[6],预防感染时应以第一代头孢菌素类抗菌药物为主。

1.2 试验材料

供试种子为绿豆,所用生物炭来自沈阳农业大学生物炭研究所,有机肥为牲畜粪便发酵后获得。

1.3 试验方法

乔木层树种中应用频率排在前三位的分别是香樟、女贞、无患子。其中,香樟作为上海地区最常见的常绿乔木之一,在百米林带内也有着广泛利用,应用频率高达54.45%。此外,水杉、银杏、广玉兰、雪松等也在林带中应用较多。这些树种适应上海气候,生活力强、形态优美,因此应用频率较高。

 

表1 土壤炭改良剂的设计与处理

  

名 称 炭肥处理(t/hm2)生物炭 有机肥CK 0 0 BC 10 0 CP 0 20 BC5+CP 5 20 BC10+CP 10 20

将改良剂按照试验设计的处理分别施入各试验小区,深耕确保改良剂与土壤充分混合,各小区划分12垄,行距60 cm,两侧各留40 cm间隔,按照传统耕作方式进行条播,控制株距约20 cm,集中播种培育。在绿豆的播种期、苗期、花期和结荚期分别从各小区耕作层采集土壤样品,风干后用于土壤指标的测定;随机选取5株绿豆作为样品,测定叶片叶绿素含量;随机选取10株绿豆作为样品,分离根、茎、叶各器官,测定作物生物量及生长指标。10月下旬收获,各试验小区单打单收,并折算不同处理的绿豆产量。

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1.4 指标测定

土壤理化性质的测定:pH值采用PHS-25型酸度计测定,电导率采用DDS-307a台式电导率仪测定,总有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定,总氮采用凯氏定氮法测定,土壤碱解氮采用碱扩散法测定,速效磷采用钼锑抗比色法测定,速效钾采用火焰光度法测定。

土地平整后划分为8 m×8 m的小区,各小区之间设置1 m的隔离带以降低边缘效应。采用完全随机区组试验,设计5个不同处理:不施加土壤炭改良剂处理作为对照组(CK),单独施加处理2组,炭肥共施处理2组,设计与处理标准如表1所示。每个处理3次重复,共计15个试验小区。试验约持续一个作物生长周期(5月上旬至10月下旬)。

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1.5 数据处理

应用Excel 2007做数据记录、整理与作图,运用SPSS 19.0进行数据统计分析。

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2 结果与分析

2.1 土壤炭改良剂对沙化土壤理化性质的影响

[5] Dinesh R,Srinivasan V,Hamza S,et al. Short-term incorporation of organic manures and biofertilizers influences biochemical and microbial characteristics of soils under an annual crop [J]. Bioresource Technology,2010,101(12):4697-4702.

  

图1 不同处理的土壤吸湿水含量

2.1.2 对土壤电导率和pH值的影响 土壤电导率是反映土壤所含水溶性盐的重要指标,进一步反映着土壤的保肥能力。如图2所示,土壤炭改良剂的施加能够增加土壤电导率,单施处理与对照比较并没有显著差异,但炭肥共施处理却提高显著。BC5+CP比单施处理提高约15~20 μm/cm,可见炭肥共施对提高土壤水溶性盐含量更具积极意义。

受试土壤本身呈碱性,施入同样呈碱性的生物炭后,pH值随之增大;选取的有机肥呈弱酸性,因此酸碱中和作用并不显著,对土壤pH值的影响也相对较小;炭肥共施处理与对照组之间的差异达到显著性水平,且有机肥占比更高的BC5+CP对降低土壤pH值的作用更为突出。

  

图2 不同处理的土壤电导率和pH值

[7] 王清奎,汪思龙,冯宗炜,等. 土壤活性有机质及其与土壤质量的关系[J]. 生态学报,2005,(3):513-519.

土壤碱解氮能反映土壤近期的氮素供应情况,因此成为衡量土壤有机质含量和熟化程度的重要指标。CP处理使得土壤全氮、碱解氮含量均小幅提高,但显著水平并不明显。BC、BC5+CP、BC10+CP三组处理对照可得,生物炭的施加能够增加土壤碱解氮含量,利于土壤近期对氮元素的吸收,但随着生物炭施加比例的提高,却出现了氮流失现象,因此从数据中得出,BC5+CP处理碱解氮含量最大。

土壤速效磷反映土壤供磷效率,各组处理与对照比较均有所提高,但显著性存在明显差异,其中BC与BC10+CP两组处理对土壤速效磷含量提升较为显著,主要是由于生物炭的吸附性能够加速磷元素的固定、转化与释放[8]

土壤速效钾是作物钾主要来源,钾素的有效性与碱解氮含量大致呈正相关。各处理均不同程度的提高了土壤速效钾含量,其中BC5+CP处理增幅最大。比较炭肥共施处理组间差异可得,当存在外源氮素施加时,低碳量更有利于钾素增效。

2.2 土壤炭改良剂对作物生长的影响

2.2.1 对作物生物量和生长指标的影响 通过比较作物地上、地下的鲜重与干重,能够反映出作物含水量情况。从表3和表4可知,不论苗期、花期,炭肥共施处理对作物含水量、株高、茎粗的影响均优于单施处理,且远高于CK,其中BC10+CP效果最为明显。具体来看,苗期时,炭肥共施处理在生物量方面组间差距显著,BC10+CP高于BC5+CP,说明生物炭高比例投入对作物苗期生物量的影响较为突出,但对株高、茎粗的影响却不明显;花期时,炭肥共施处理组间差距缩小,生物炭高比例投入所带来的优势并不显著。

2.2.2 对作物叶片叶绿素含量的影响 叶绿素是作物进行光合作用的重要载体,主要由氮、镁元素构成,利于有机物质的转化与储存。如图3所示,不同处理对叶绿素含量的增加均有促进作用。花期,单施处理高于对照约3 g/kg,但是BC与CP并没有显著差异;炭肥共施处理高于对照5~8 g/kg,效果高于单施处理,但随着生物炭比例的提高,叶绿素含量呈下降趋势。结荚期,BC对于叶绿素含量的增加无明显作用,但当炭肥共施处理时,随着生物炭比例的提高,叶绿素含量的增加也越发显著,从侧面反映了此时土壤氮、镁含量的丰富度有所提高。

  

图3 不同处理的作物叶绿素含量

2.2.3 对作物产量的影响 对比单施处理组,发现CP的增产作用高于BC,千粒重超出约2~3 g,总产量超出约1~2 kg。总而言之,不论是否增添有机肥,生物炭都能够起到显著增产的作用,且在炭肥共施处理下,生物炭高比例投入能够使绿豆得到最大增产,如图4所示,BC10+CP处理千粒重较好,超出对照组5~6 g,总产量最高,超出对照组4~5 kg。

 

表2 不同处理的土壤养分元素含量

  

注:表中同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。

 

处 理 总有机碳(g/kg) 全 氮(g/kg) 碱解氮(mg/kg) 速效磷(mg/kg) 速效钾(mg/kg)CK 3.46±0.55 c 0.54±0.03 c 42.47±11.15 c 8.92±4.15 c 92.34±6.13 c BC 4.65±0.62 a 0.60±0.04 b 44.59±6.06 b 10.17±3.75 b 93.59±4.67 b CP 3.97±0.70 b 0.56±0.16 c 43.19±13.08 c 9.37±2.23 c 92.45±9.27 c BC5+CP 4.08±0.55 b 0.61±0.03 a 48.06±6.59 a 9.86±2.04 b 96.34±5.01 a BC10+CP 4.73±0.78 a 0.62±0.09 a 45.11±4.50 b 11.64±0.91 a 94.40±3.26 b

 

表3 不同处理的作物苗期生物量和生长指标

  

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表4 不同处理的作物花期生物量和生长指标

  

处 理 鲜 重(g) 干 重(g) 株 高(cm) 茎 粗(mm)地 上 地 下 地 上 地 下CK 1.51±0.25 c 0.24±0.05 c 0.29±0.06 c 0.05±0.05 c 6.06±0.13 c 1.92±0.05 c BC 2.67±0.91 b 0.26±0.01 b 0.33±0.03 c 0.06±0.02 b 6.87±0.44 b 2.22±0.13 b CP 2.85±1.09 b 0.26±0.01 b 0.43±0.05 b 0.06±0.03 b 6.61±0.37 b 2.28±0.15 b BC5+CP 2.96±0.97 b 0.27±0.01 b 0.46±0.10 b 0.06±0.03 b 7.31±0.36 a 2.40±0.42 a BC10+CP 3.83±0.30 a 0.33±0.07 a 0.52±0.04 a 0.07±0.06 a 7.11±0.56 a 2.57±0.02 a

  

图4 不同处理作物产量

3 讨论与结论

从对沙化土壤理化性质的影响来看,生物炭通过其巨大的比表面积和诸多细小的微孔结构[9],一方面能够增强对水分的吸附能力[10],另一方面也能够有效促进对氮、磷、钾等养分元素的吸收 [11]。韩玮等[12]的研究也已证实,生物炭能够提高碳封存能力,增加阳离子交换量。而单就其对土壤酸碱性的影响来看,如Zwieten等[13]发现,生物炭能够有效增加土壤pH值。魏晓兰等[14]对生物有机肥的研究指出,施入一定量的有机肥能够活化土壤氮、磷、钾,对土壤的改良具有积极作用。因此,当生物炭与有机肥混合施加时,能够发挥协同作用,对土壤吸湿水含量、电导率具有显著提高,效果均要优于单独施加生物炭或有机肥的处理。而在土壤养分方面,生物炭与有机肥的存在共同改善了土壤的孔隙结构,增加了土壤中氮、磷、钾元素的含量,尤其是对速效磷的影响效应最为显著,而对全氮及碱解氮的影响则相对较小,与对照差异也较小,推测可能是由于绿豆根系根瘤菌固氮作用的影响,使得土壤炭改良剂的效果不十分显著。比较来看,较低炭量的投入对氮的转化与利用更具效果,与卢晋晶等[15]的研究结论一致,这也使得BC5+CP处理下土壤氮含量最高。

紫杉醇涂层支架应用于临床中,对中期近期均能够起较好的应用效果,对再狭窄情况加以预防,但临床中针对其远端效果研究还并未抑一致。现今临床的改良紫杉醇涂层支架工艺,对支架的材料、形状有效调整,在减小支架刚性的同时增强了弹性,发现可以有效抑制内膜增生减少损伤。笔者也相信在当前临床医疗技术不断创新背景下,冠心病介入治疗应用紫杉醇涂层支架必将具有更广阔的应用前景。

[9] Lehmann J,Pereira d S J,Steiner C,et al. Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and a Ferralsol of the Central Amazonia: fertilizer,manure and charcoal amendments [J]. Plant and Soil,2003,249(2):343-357.

由于绿豆的生长对土壤酸碱性的要求不高,在呈碱性的沙化土壤中也能有较好的生长状态,如果换种喜酸的花生、马铃薯等作物,或是在呈酸性的土壤中进行类似试验,所得结果或会有所不同,因此在不同的土壤条件及作物体系下,土壤炭改良剂的设计施加也应随之调整。由于豆科作物根瘤菌的存在,使得试验中对全氮、碱解氮的影响效果没有完全体现出来,因此土壤炭改良剂对于沙化土壤及作物生长的影响机理,也还需针对不同作物以及土壤微生态环境的响应继续深入研究。

参考文献:

[1] 张千丰,王光华. 生物炭理化性质及对土壤改良效果的研究进展[J].土壤与作物,2012,1(4):219-226.

[2] Glaser B,Birk J J. State of the scientific knowledge on properties and genesis of Anthropogenic Dark Earths in Central Amazonia(terra preta de Índio)[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta,2012,82(1):39-51.

[3] 武 玉,徐 刚,吕迎春,等. 生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J]. 地球科学进展,2014,29(1):68-79.

[4] 宁川川,王建武,蔡昆争. 有机肥对土壤肥力和土壤环境质量的影响研究进展[J]. 生态环境学报,2016,25(1):175-181.

2.1.1 对土壤吸湿水含量的影响 因其多孔结构,使生物炭本身具有疏水性,只有在表面氧化后,吸水、保水能力才有所提升[6]。如图1所示,与CK比较,单施处理时土壤吸湿水含量均有所增加,其中BC高于CK约0.03%,单施有机肥对土壤吸湿水含量的影响略有不足,仅高于对照组0.01%。同时还可以发现,炭肥共施处理下,土壤吸湿水含量明显高于对照组,其中BC5+CP增值0.08%,BC10+CP增值0.10%,效果达到最佳。

[6] Cheng C H,Lehmann J,Thies J E,et al. Oxidation of black carbon through biotic and abiotic processes [J]. Organic Geochemistry,2006,37(1):1477-1488.

2.1.3 对土壤养分含量的影响 土壤有机碳是土壤有机质的重要组成部分,对于维持土壤肥力、改善土壤通气结构有着重要价值[7]。如表2所示,BC与CK相比差异性显著,有效增加了土壤碳的积累。炭肥共施处理下,有机碳含量与生物炭施加比例呈现正相关。对比BC与BC10+CP两组数据,发现添加有机肥能够提高土壤碳/氮比,更好发挥炭肥协同作用,扩大土壤对养分的吸收容量。

作物生物量及生长指标的测定:株高、茎粗、根长用电子式数显卡尺测定,鲜重、干重采用称量法测定;叶片叶绿素含量用SPAD-502叶绿素仪测定。

[8] 张文玲,李桂花,高卫东. 生物质炭对土壤性状和作物产量的影响[J]. 中国农学通报,2009,25(17):153-157.

从对作物生长的影响来看,车艳朋等[16]研究指出,施入适量生物炭可以有效提高大豆株高、茎粗,利于大豆的生长发育,试验结果也表明生物炭和有机肥的施加显著增加了绿豆生物量的积累。就生物量而言,一方面,生物炭对地下根系的生长发育效果更加突出[17],尤其是在作物苗期阶段;另一方面,生物炭明显提高了作物的叶绿素含量,促进了有机物质的转化与积累,提高了产量和品质,这与张伟明[18]观点一致。长期施用有机肥可提高土壤的生产能力[19],能够有效促进作物生物量的积累,增加有机质的含量,进一步促进产量的提高[20]。因此,当生物炭与有机肥混合施加时,在两者交互影响下,对作物的影响更为鲜明。生物炭高比例投入对作物生物量及株高、茎粗的影响明显优于单施处理,这与王浩等[21]研究结果不一致,笔者推测是有机肥在其中发挥了一定作用,且从数据来看,生物炭高比例投入对苗期的影响要大于花期;同时,随着生物炭比例的提高,结荚期叶片叶绿素含量的增加也越发显著,呈正相关关系;在产量方面,炭肥共施所带来的增产效果远高于对照组与单施处理组,因此BC10+CP增产效果最佳。

[10] 曾 爱,廖允成,张俊丽,等. 生物炭对塿土土壤含水量、有机碳及速效养分含量的影响[J]. 农业环境科学学报,2013,32(5):1009-1015.

[11] Asai H,Samson B K,Stephan H M,et al. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos:Soil physical properties,leaf SPAD and grain yield [J]. Field Crops Research,2009,111(1-2):81-84.

[12] 韩 玮,申双和,谢祖彬,等. 生物炭及秸秆对水稻土各密度组分有机碳及微生物的影响[J]. 生态学报,2016,36(18):5838-5846.

[13] Zwieten V L,Kimber S,Morris S,et al. Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J]. Plant and Soil,2010,327(1-2):235-246.

[14] 魏晓兰,吴彩姣,孙 玮,等. 减量施肥条件下生物有机肥对土壤养分供应及小白菜吸收的影响[J]. 水土保持通报,2017,37(1):40-44.

[15] 卢晋晶,郜春花,李建华,等. 秸秆生物炭对黄土区农田土壤养分和玉米生长的影响[J]. 中国农学通报,2017,(33):92-99.

比如早先有文章分析:“目前我国公民文化素质还不很高的情况下,还有相当数量的读者停留在较低、较浅的阅读层次,他们多从事体力和半脑力劳动,知识与技术含量较低,他们读不懂专业学术文献,高雅的艺术作品又欣赏不了,因此他们到图书馆的目的就在于休闲娱乐。”那么知识水平低的人阅读就是浅阅读,这显然行不通[1]。

[16] 车艳朋,魏永霞. 生物炭对黑土区大豆节水增产及土壤肥力影响研究[J]. 中国农村水利水电,2016,(1):55-58.

[17] 高敬尧,王宏燕,许毛毛,等. 生物炭施入对农田土壤及作物生长影响的研究进展[J]. 江苏农业科学,2016,44(10):10-15.

[18] 张伟明. 生物炭的理化性质及其在作物生产上的应用[D]. 沈阳:沈阳农业大学,2012.

[19] 韩晓增,王凤仙,王凤菊,等. 长期施用有机肥对黑土肥力及作物产量的影响[J]. 干旱地区农业研究,2010,28(1):66-71.

本工程厂址区50年超越概率10%的地震峰值加速度为0.05g,地震基本烈度为6度,场地土类别为Ⅱ类,地面粗糙度为B类,50年一遇基本风压为0.4k/m2。吸收塔塔体、烟道烟囱及塔体加强筋的材料均为Q235B,材料屈服应力为235MPa,许用应力为113MPa。

[20] 崔文华,卢亚东. 化肥和有机肥对作物产量和土壤养分影响的研究 [J]. 土壤通报,1993,(6):270-272.

[21] 王 浩,焦晓燕,王劲松,等. 不同氮肥水平下生物炭对高粱苗期生长及有关生理特性的影响[J]. 华北农学报,2014,29(6):195-201.

 
律其鑫,王桂君,夏霜,赵宇宸,张志鑫,王楠
《湖南农业科学》 2018年第03期
《湖南农业科学》2018年第03期文献

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