黑麦草和生物炭对喀斯特地区黄壤养分影响研究

宋丹丹,何丙辉,罗松平,吴耀鹏

(西南大学资源环境学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715)

黄壤作为贵州省喀斯特地区主要的农业土壤类型，面积分别占贵州省土壤面积和全国黄壤面积的46.4%和25.3%[1]。贵州省喀斯特地区黄壤质地黏重，比水容量小，养分含量低，酸性较强，易发生水土流失。如何有效提高黄壤酸碱度和养分含量，是黄壤改良的重要难题。黑麦草(Lolium)根系生长发育对改善土壤性状特征一直都有研究。左文刚等[2]认为改善土壤肥力可以增加黑麦草幼苗地上和地下生物量。黑麦草根系发达，须根较多。种植黑麦草能有效改善土壤结构[3]，枯落物被微生物分解向土壤释放养分[4]，提高轮作水稻(Oryzasativa)产量[5]。近年来，生物炭作为一种新型的农林废弃物炭化还田方式，受到了广泛关注。已有的研究表明，在一定限度内，生物炭不仅能改善土壤肥力[6]和结构[7]，促进植物生长[8]，增加作物产量[9]，还可以减缓温室效应[10]，固定土壤中污染物，有效控制地下水污染[11]。但生物炭对土壤理化性质的影响程度取决于土壤类型、生物炭自身性质和施用量以及土地利用方式[12]。陈心想等[13]研究发现，向新积土和塿土施加生物炭对pH值无明显影响。不同生物炭类型对土壤速效钾、速效磷、碱解氮以及硝态氮含量影响存在显著差异[14]。对紫色土和黄壤施加生物炭后，生物炭显著提高了土壤养分含量，黄壤作用效果强于紫色土，但不同阶段，全钾和全氮含量变化不明显[15]。Prendergast-Miller等[16]运用箱根法对种植28 d春小麦(Triticumaestivum)幼苗的土壤进行研究，发现生物炭主要以硝酸盐形式保持土壤氮素，同时向土壤提供磷素。播种黑麦草40 d后，施加不同比例生物炭处理的株高均显著高于对照[17]。生物炭类型不同，自身养分含量不同，可提取钾素含量可占全钾含量的20%～63%[16]。

目前我国针对草本植物或生物炭与土壤养分方面的研究虽多，但也存在不足：土壤类型上，主要集中在红壤、紫色土、潮土、石灰土等，而对喀斯特地区黄壤研究相对较少；影响因素上，多数针对单一措施对土壤养分或植株生长量的影响，鲜有研究植株和生物炭组合模式对养分作用的报道；施加比例上，已有研究中生物炭比例梯度较少。针对上述已有研究的不足，本研究以贵州省播州区黄壤为对象，选择6种不同比例(CK、1%、3%、5%、7%、9%)生物炭和根系发达的乡土植物黑麦草进行室内盆栽试验，测定土壤有机质、pH值、全磷、有效磷以及全钾和速效钾含量，分析单施不同比例生物炭、单植黑麦草，尤其是黑麦草+生物炭组合模式中土壤养分的变化特征，以期为缓解喀斯特地区黄壤植物生长养分限制因子和合理培肥制度提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料性质

1.1.1供试土壤 试验所用黄壤取自贵州省播州区鸭溪镇(27°37′00″ N，106°37′00″ E)。该区所在流域属乌江水系偏岩河支流的上游，海拔为1012.7 m，地貌类型属中低山丘陵地貌，气候类型属中亚热带湿润季风气候。小流域内的岩性以灰岩、结晶灰岩、泥灰岩和页岩为主，土壤以黄壤土为主，平均土层厚度为50～70 cm，呈酸性，有机质含量少，土壤肥力低下，是贵州典型黄壤的代表。供试土壤有机质含量为(5.74±0.41) g·kg-1，pH值为(4.78±0.14)，全磷(0.25±0.02) g·kg-1，有效磷(0.52±0.03) mg·kg-1，全钾(29.02±1.20) g·kg-1，速效钾(0.05±0.01) g·kg-1。

1.1.2草种 草种选用美国进口一年生黑麦草(L.multiflorum)，该品种生长迅速、再生能力强，产草量高，适宜土壤pH值为6～7。适宜生长温度12～27 ℃，播种深度1.5～2.0 cm，株高达到20～30 cm后进行初次刈割。

1.1.3生物炭 试验所用生物炭系购于陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司(原料为苹果树枝条，在高温475 ℃不完全缺氧条件下热解而成)，其基本化学性质如下：pH值为(10.09±0.05)，全磷含量为(16.17±0.19) g·kg-1，有效磷(0.20±0.01) mg·kg-1，全钾(60.11±0.31) g·kg-1，速效钾(16.55±0.07) g·kg-1，阳离子交换量(10.26±0.39) cmol·kg-1，全钙(37.88±1.16) g·kg-1，全镁(11.43±0.16) g·kg-1，全钠(0.64±0.03) g·kg-1。

1.2 试验设计与步骤

试验于2016年10月在西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室基地1号大棚内进行。将野外采集的试验用土(黄壤)，均匀摊开，去除树叶、砾石等杂质，自然风干后过5 mm筛；试验设计12个处理，分别为：裸地对照(CK)；单植黑麦草(ryegrass，R)；单施不同比例生物炭(biochar in bare land，BLB)，1%(BLB1)、3%(BLB3)、5%(BLB5)、7%(BLB7)、9%(BLB9)；黑麦草+不同比例生物炭组合模式(ryegrass and biochar，RB)，1%(RB1)、3%(RB3)、5%(RB5)、7%(RB7)、9%(RB9)。每个处理设置3次重复。采用36个盆钵(高21.5 cm，上口径22.0 cm，下口径18.5 cm)，按试验设计分别装填土壤和生物炭，控制每个盆钵内土壤+生物炭总质量为5.5 kg。保证盆钵装填后内装土面平整，且低于盆缘约2 cm。将约20粒黑麦草种子均匀播撒在盆钵土面表层，并用薄土均匀覆盖。控制大棚温度16～18 ℃，等待出苗。在出苗后，每间隔5 d浇水一次，以保证盆栽土壤适宜的含水量；45 d(除R，RB黑麦草株高达到20 cm及以上)后采集土壤样品(0～10 cm)，然后在室内风干、过筛，用于测定土壤化学性质，包括有机质、pH值、全磷、有效磷以及全钾和速效钾。

1.3 化学性质测定

采用农化分析常规方法[18]测定土壤化学性质。采用电位计法(土∶水=1∶1)测定土壤pH值；采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质；采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定土壤全磷；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷；采用氢氧化钠熔融-火焰分光光度计法测定土壤全钾；采用醋酸铵浸提-火焰分光光度计法测定速效钾。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件作图，SPSS 18.0软件进行单变量分析和Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质和pH值变化

土壤有机质含量是衡量土壤肥力的重要指标。图1所示，喀斯特黄壤本身有机质含量偏低。单植黑麦草(R)，黄壤有机质含量降低0.31 g·kg-1，但pH值升高0.03。单施不同比例生物炭(BLB)会增大土壤有机质含量和pH值(P<0.01)。与裸地(CK)相比，BLB有机质和pH值分别增加了10.49～58.48 g·kg-1和0.23～2.35。二者均在BLB9中达到最大值，为65.01 g·kg-1和7.50。

图1 不同处理对土壤有机质和pH值的影响Fig.1 Impacts of different treatments on soil organic matter content (OM) and pH value

与CK对比，黑麦草+生物炭组合模式(RB)土壤有机质含量和pH值均随生物炭比例增大而增加，其增加倍数符合三项关系式，分别为有机质：y=-0.0406x3+0.6188x2-1.6130x+1.9655，R2=0.9999；pH值，y=-0.0030x3+0.0394x2-0.0629x+0.0171，R2=0.9643。这说明在低生物炭比例下，土壤中有机质含量和pH值增大幅度较小，中度比例下二者含量迅速上升，高比例时上升趋势缓慢。经单变量分析，RB对土壤有机质和pH值作用显著(P<0.01)。将R和BLB做比较，发现BLB中有机质含量均高于R，增大倍数范围为1.74～9.45倍。BLB中土壤pH值同样高于R，增加0.21～2.33。BLB和RB对比分析，显示除了生物炭比例为7%时，其余比例下相应BLB中有机质含量和pH值均大于RB，7%时相反。相较R而言，组合模式RB均能增加有机质含量，增大范围为6.42～52.44 g·kg-1。土壤pH值仅在RB1时降低0.02，其余比例均大于R。

2.2 土壤磷素变化

土壤磷素是植物生长发育必需矿质元素之一，确保植物正常代谢生长，增强植物抗寒抗旱能力。喀斯特黄壤呈酸性，存在严重缺磷现象。图2所示，裸地(CK)单植黑麦草(R)后，全磷含量降低0.05 g·kg-1，有效磷含量0.03 mg·kg-1。单施生物炭BLB中黄壤全磷含量差异性明显(P<0.01)，含量最高为BLB9(0.47 g·kg-1)，其次是BLB5(0.44 g·kg-1)和BLB7(0.40 g·kg-1)。有效磷含量随生物炭比例增大而增加，增加范围为0.79～1.93 mg·kg-1。

1)相较CK，黑麦草+生物炭组合模式(RB)全磷含量整体变化幅度不大，但差异明显(P<0.01)。有效磷含量均增加，且随生物炭比例增大而增大，增大范围为0.33～1.56 mg·kg-1。经单变量分析，RB对土壤全磷(P<0.01)和有效磷(P<0.05)作用显著；2)对比分析R和BLB，发现BLB全磷和有效磷含量均高于R，尤其是有效磷变化值，增大倍数为7.28～16.71倍；3)比较BLB和RB发现，RB全磷含量在1%，5%、9% 小于BLB，3%和7%时相反，但仅相差0.04～0.05 g·kg-1。有效磷含量均降低；4)相比R而言，RB能增加全磷和有效磷含量，增加范围分别为0.07～0.24 g·kg-1和0.29～1.53 mg·kg-1。

图2 不同处理对土壤全磷和有效磷含量影响Fig.2 Impacts of different treatments on the contents of soil total phosphorus (TP) and available phosphorus (AP)

2.3 土壤钾素变化

钾素同样作为植物生长必需矿质元素，能促进植物碳水化合物合成以及呼吸作用正常运行。如图3所示，单植黑麦草(R)全钾降低2.48 g·kg-1，速效钾降低0.71 g·kg-1。与CK相比，BLB中全钾和速效钾含量均增大，全钾含量增加大小表现为BLB5(3.62 g·kg-1)> BLB7(3.37 g·kg-1)>BLB9(2.20 g·kg-1)>BLB3(1.77 g·kg-1)>BLB1(0.20 g·kg-1)。速效钾含量随生物炭比例增大而增大(P<0.01)，增大范围为1.80～4.32 g·kg-1。

1)与CK对比，黑麦草+生物炭组合模式RB全钾含量在1%时小于CK，其他比例均大于CK。速效钾含量增大了-0.04～4.12 g·kg-1，增大值随生物炭比例增大而增大。经单变量分析，RB对土壤全钾和速效钾作用显著(P<0.01)；2)比较分析R和BLB，发现BLB中全钾和速效钾含量均大于R；3)对比BLB和RB，全钾无明显规律，但RB速效钾含量仅在7%时低于R，其余比例均大于R；4)相较R而言，RB全钾和速效钾含量分别增加了0.09～0.22倍和5.71～41.59倍。

图3 不同处理对土壤全钾和速效钾含量影响Fig.3 Impacts of different treatments on the contents of soil total potassium (TK) and available potassium (AK)

2.4 生物炭比例与土壤养分间的相关性分析

运用SPSS 18.0对生物炭比例和土壤各养分指标间进行相关性分析，其分析结果见表1。

生物炭比例与有机质、pH值、全磷、全钾、有效磷、速效钾间呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数均在0.78以上。有机质和pH值、全磷、全钾、有效磷、速效钾间呈极显著正相关(P<0.01)。土壤中有机质不仅能增强土壤对酸碱度环境的缓冲性，还能分解释放植物所必需的碳、氮、磷等营养元素以及增大土壤有效养分含量。pH值与全磷、全钾、有效磷、有效钾含量呈极显著正相关(P<0.01)。土壤pH值不仅能影响土壤肥力，还对土壤养分有效性有影响。其余各养分间均呈极显著正相关(P<0.01)。

表1 生物炭比例与养分间的相关性分析Table 1 Correlation analysis between the rate of biochar and nutrients

注：**代表P<0.01水平上显著相关。

Note: ** indicates significant at the 0.01 level.

3 讨论

喀斯特黄壤单植黑麦草，土壤中有机质、全磷、全钾以及速效钾含量均下降，pH值和有效磷含量增大。根密度和分布特征以及土壤中微生物含量均对养分有影响[19]。本研究在黑麦草生长初期，根系不发达，分泌物较少。黑麦草生理活动能量不单通过光合作用获得，更主要通过根系直接从土壤中摄取，土壤消耗量大于积累量。喀斯特黄壤呈酸性，植物在酸性土壤中会抑制对阳离子的吸收，释放OH-，导致土壤pH值增大。黑麦草作为禾本科植物，通过吸收大量钾素，加强光合作用强度，促进体内糖类形成和转化。同时，土壤酸性过高，会影响土壤中有效性养分含量[20]。根系生长增加了土壤中微生物含量和活性，促使根系向土壤释放有机酸活化无机磷，或释放碱性磷酸酶，增加土壤中有机磷含量[19]。

生物炭自身含有较高的养分含量，就速效钾而言，占全钾的27.53%。生物炭施入土壤后，表面经过一定时间氧化，部分养分可直接进入土壤[21]。本试验研究发现，单施生物炭、黑麦草+生物炭组合模式均能显著提高土壤养分含量。各养分含量随生物炭比例增大而显著增加(P<0.01)，这与其他已有生物炭的研究结论一致[6,15]。生物炭具有较多大孔隙结构，比表面积大，保证土壤在保存水分的同时，吸收土壤中养分元素，增加土壤肥力。喀斯特黄壤质地较为黏重，随着生物炭比例增大，土壤中孔隙增多，土壤养分含量同样增大。生物炭除本身呈碱性以外，还含有较多盐基离子，这些盐基离子能吸收土壤中水合氢离子，释放氢氧根离子提高土壤pH值。进一步研究发现，单施不同比例生物炭对各养分含量的作用均大于单植黑麦草，说明生物炭对土壤养分的影响起主导作用，不仅因为生物炭自身养分含量高，也可能是土壤养分对生物炭和黑麦草根系的敏感性不同所致；而RB7中有机质、pH值、全磷、全钾、速效钾含量均大于BLB7，其余比例RB均小于BLB。生物炭促进植物生长[8]，在一定限度内，促进作用随生物炭比例增大而增大，黑麦草对养分吸收增强。当升高到一定限度(7%)，抑制黑麦草生长，对养分消耗量减少。继续增加到9%时，生物炭本身养分含量大于黑麦草的吸收抑制量。黑麦草+生物炭组合模式中有机质、全磷、全钾以及速效钾含量均大于单植黑麦草，增加量随生物炭比例增大而增大，说明植物生长根系分泌物增多，促进营养物质溶解。黑麦草+生物炭组合模式对土壤养分的影响不能简单地归结为积极或者消极合作。由于技术限制和研究局限性，无法定量监测到两者共同作用时生物炭或黑麦草对土壤整体养分的作用量[23]。这一点有待于进一步开展试验研究。

通过对单施不同比例生物炭(BLB)、单植黑麦草(R)、黑麦草+生物炭组合模式(RB)对喀斯特黄壤养分参数分析表明，3种布设措施对黄壤养分改良的强弱顺序表现为：BLB>RB>R。但考虑到喀斯特黄壤地区土层较薄，易发生地下漏失、黑麦草生长最适酸碱度(pH 6.0～7.0)等因素，黑麦草根系能有效改善土壤结构[3]，减少水土流失。因此，7%的生物炭比例和黑麦草组合模式下(RB7)是有效改善土壤养分性质的布设措施，有利于缓解黄壤肥力低下和质地粘重障碍。

4 结论

1)单植黑麦草能增大土壤中pH值和速效磷含量，降低有机质、全磷、全钾以及速效钾含量，这说明黑麦草在酸性土壤中会抑制阳离子的吸收，释放OH-。同时，在生长初期对土壤养分的消耗量大于积累量。

2)单施生物炭、黑麦草+生物炭组合模式均能增大黄壤中有机质、pH值、全磷、速效磷以及全钾和速效钾含量，且各养分含量随生物炭比例增大而显著增大(P<0.01)。

3)整体来说，黑麦草+生物炭组合模式对土壤的改良效果低于单施生物炭，但强于单植黑麦草；单施生物炭效果强于单植黑麦草。生物炭不仅增加了土壤养分含量，也促进了黑麦草的生长吸收。组合模式中生物炭起主导作用。

4)考虑到喀斯特黄壤易发生地下漏失现状和黑麦草生长最适酸碱度，确定现阶段黑麦草+7%生物炭组合模式对黄壤改良效果最好，有利于缓解黄壤肥力低下和质地粘重障碍。

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