沙蒿生物质炭配施有机物料对沙蒿林土壤化学性质和综合肥力的影响

侯建伟，邢存芳，索全义，邓晓梅，陈 芬，刘 敏，王祖华

(1 铜仁学院 a 农林工程与规划学院，b人事处， 贵州 铜仁 554300；2 内蒙古农业大学 草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019)

沙篙是菊科篙属(Artemisia)的一个半灌木类群，是一种典型的沙生植物。沙篙广泛分布于内蒙古地区，由于长期缺乏平茬或刈割出现大面积死亡现象，导致沙蒿防风固沙能力减弱和林地土壤养分流失、肥力下降。研究表明，平茬或刈割不仅可促进沙蒿生长，而且将平茬或刈割后的沙蒿粉碎或转为生物质炭(biochar)[1-4]后进行沙地封存，还可实现沙地培肥的目的。近年来，用生物质炭还田来培肥退化土壤是备受人们关注的焦点问题。有研究指出，黑钙土施用100 t/hm2的生物炭可使氮素淋失降低70%以上，砂质土壤施用生物质炭能吸附氮、磷养分，减少肥料流失、提高肥料利用率[5-6]。但也有研究认为，虽然生物质炭能够固持养分和水分，但其多为惰性碳，不是土壤微生物的活性碳源，所以其提高土壤肥力的能力较为有限[7-9]。也有研究认为，有机物料含有丰富的养分元素和活性碳源，在土壤培肥上具有重要作用，然而其持留养分和固碳减排作用却远不及生物质炭[10]。研究表明，将生物炭与粪肥按照1∶1的体积比配施对土壤有效养分具有增效作用，且培养150 d 时其增效作用最为明显[11]。目前，关于生物质炭单施或与有机物料配施在培肥农田土壤上的研究较多，而关于生物质炭在培肥沙蒿林瘠薄沙土方面的研究尚鲜见报道。为此，本试验研究了沙蒿生物质炭单施或与有机物料(羊粪、沙蒿粉)配施对沙蒿林土壤化学性质和综合肥力的影响，以期为农林废弃物的资源化利用和沙蒿林土壤培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与土壤

沙蒿取自内蒙古呼和浩特市托克托县沙地(N40°15′04″，E111°08′81″)。将取回的沙蒿于室外风干后粉碎，过孔径2 mm筛网，然后在烘箱内60 ℃烘至质量恒定，用于制取生物质炭。沙篙生物质炭制备具体过程为：称取烘干的沙蒿20.0 g于坩埚中，放置于炭化炉(SGM.VB8/10，洛阳市西格马仪器制造有限公司)内，以150 ℃/h的升温速率将温度由室温升至600 ℃后恒温1 h，炭化结束后放入干燥器冷却。有机物料选择腐熟的羊粪和沙蒿粉，其中沙蒿粉是将沙蒿于室外风干后粉碎，过筛孔2 mm的筛网所得。沙蒿生物质炭、羊粪和沙蒿粉的基本性质见表1。

表1 供试材料的基本性质Table 1 Basic properties of test materials

供试土壤为沙土，取自沙蒿林裸漏的沙地，在沙地内设置3个30 m×30 m的样方，在其内随机多点取0～40 cm土层样品，最后混合均匀，装入塑封袋带回实验室，风干后过孔径2 mm筛网。供试土样理化性质为：pH 8.20，全氮含量0.22 g/kg，有机质含量2.30 g/kg，有效磷含量1.28 mg/kg，速效钾含量72.87 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验共设置 6 个处理，分别为：对照(CK)，不施用任何物料； T1，施用质量分数2%生物质炭；T2，施用质量分数2%羊粪；T3，施用质量分数2%沙蒿粉；T4，施用质量分数2%生物质炭+质量分数2%羊粪；T5，施用质量分数2%生物质炭+质量分数2%沙蒿粉。按试验设计将各种材料分别与沙土均匀混合后，装入直径7 cm、高15 cm的塑料培养杯中，加水使沙土含水量为田间持水量的60%，用无菌膜封口，保持一定的透气性，培养杯底部中心打直径1 cm小孔，置于(25±1) ℃培养箱中进行培养试验，每隔5 d用称重法补水1次。分别在培养60 和150 d破坏性取样，每个处理每次取3个重复。

1.3 测试项目与方法

碱解N含量用碱解扩散法测定，有效P含量用Olsen法测定，速效K含量用火焰光度法测定，全N含量用浓H2SO4消煮-半微量滴定法测定；全P含量用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；全K含量用NaOH熔融-火焰光度法测定；有机质含量用重铬酸钾容量法-外加热法测定。具体操作参照《土壤农化分析》[12]进行。

1.4 土壤肥力评价

采用模糊数学法[13]进行土壤肥力评价，具体步骤如下：

(1)选取土壤有机质、碱解N、有效P、速效K、全N、全P、全K 等7个指标对土壤肥力进行综合评价。计算各肥力指标的隶属度值。根据全国第2次土壤普查养分分级标准[14]，确定隶属度函数曲线转折点的取值[13](表2)，利用公式(1)计算各肥力指标的隶属度值[7]。

(1)

式中：x为土壤各肥力指标测定值;x1和x2是各土壤肥力指标的转折点，分别为各土壤肥力指标的最小值和最大值(表2)。

表2 土壤养分隶属度函数曲线转折点取值Table 2 Turning point value of membership function on soil nutrients

(2)确定单项肥力权重系数[15]。计算步骤为： 首先求单项肥力指标之间的相关系数，然后求某项肥力指标与其他肥力指标之间相关系数的平均值(若为负值取其绝对值)，计算该平均值占所有肥力指标相关系数平均值总和的百分比(权重系数)，即为该单项肥力指标在表征土壤肥力中的贡献。

(3)计算土壤肥力综合指标值(integrated fertility index，IFI)[14]。IFI计算公式为：

IFI=∑Wi×Ni。

(2)

式中：Ni和Wi分别表示第i种养分指标的隶属度值和权重系数。

根据IFI值大小对不同处理土壤肥力水平进行综合评价，IFI值越大，土壤肥力越高。

1.5 数据分析

将试验数据经Excel 2010整理后，用SAS 9.0统计软件进行数理统计，在符合正态分布的情况下进行one way ANOVA单因素方差分析，采用多重比较的方法对数据进行差异显著性检验，采用 Correlate 进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同沙蒿生物质炭处理对沙土有机质含量的影响

由表3可知，沙土的有机质含量随着培养时间的延长而降低，但培养150 d与培养60 d之间的差异未达显著水平。与对照(CK)相比，不同物料处理均显著提高了沙土的有机质含量,各处理沙土的有机质含量由大到小依次为T5>T4>T1>T3>T2>CK。结果表明，有机物料单施和混施均能明显提高土壤的有机质含量，其中以沙蒿生物质炭与沙蒿粉混施效果最佳。

表3 不同沙蒿生物质炭处理对沙土有机质含量的影响 Table 3 Effect of different treatments of artemisia ordosica biochar on organic matter content in sandy soil g/kg

2.2 不同沙蒿生物质炭处理对沙土全量养分含量的影响

由表4可知，不同物料处理沙土的全氮、全磷、全钾含量均显著高于对照(P<0.05);培养时间对沙土的全氮、全磷、全钾含量无显著影响。无论培养时间长短，沙土中全氮、全磷、全钾含量均表现为T1、T4和T5处理较大，而T2和T3处理相对较小，且前三者显著高于后两者。结果表明，在一定添加量和培养时间下，生物质炭对提高沙土全氮、全磷、全钾含量具有重要作用。

表4 不同沙蒿生物质炭处理对沙土全氮、全磷、全钾养分含量的影响 Table 4 Effects of different treatments of artemisia ordosica biochar on total N, P and K contents in sandy soil g/kg

2.3 不同沙蒿生物质炭处理对沙土速效养分含量的影响

不同沙蒿生物质炭处理对沙土速效养分含量的影响见表5。由表5可知，不同物料处理沙土的碱解氮、有效磷、速效钾含量大多显著高于对照(CK)；培养60和150 d时，T5和T4处理的碱解氮、有效磷、速效钾含量大多高于其他处理。结果说明，沙蒿生物质炭与有机物料混施较其单一施用更能提高沙土的速效养分含量。

表5 不同沙蒿生物质炭处理对沙土速效养分含量的影响 Table 5 Effects of different treatments of artemisia ordosica biochar on available nutrient contents in sandy soil mg/kg

2.4 不同沙蒿生物质炭处理对沙土综合肥力的影响

根据评价土壤肥力的具体步骤，首先运用1.4节公式(1)计算土壤碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾和有机质等7个土壤肥力指标的隶属度值，结果见表6；然后运用SAS 9.0进行相关性分析,计算土壤肥力指标的相关系数和权重系数，结果见表7和表8；最后运用1.4节公式(2)计算IFI值，结果见表9。由表9可知，在培养60 d时，土壤IFI值由高到低的顺序依次为T5>T4>T1>T2>T3>CK，其中除T5与 T4的IFI值未达显著差异水平外，其他处理间均达差异显著水平(P<0.05)。由表9还可知，在培养150 d时，土壤IFI值由高到低的顺序依次为T4>T5>T1>T2>T3>CK，各处理间差异均达显著水平(P<0.05)。上述结果表明，生物质炭、羊粪和沙蒿粉均能提高沙土的综合肥力，其中T4处理是提高沙土综合肥力的最优处理。

表6 不同生物质炭处理沙土肥力指标的隶属度值Table 6 Membership value of sandy soil fertility index in different treatments of artemisia ordosica biochar

表7 培养60 d时不同沙蒿生物质炭处理沙土肥力指标的相关系数及权重系数Table 7 Correlation coefficients and weighting coefficients of sandy soil fertility index of different treatments of artemisia ordosica biochar at 60 d culture

表8 培养150 d时不同沙蒿生物质炭处理沙土肥力指标的相关系数及权重系数Table 8 Correlation coefficients and weighting coefficients of sandy soil fertility index of different treatments of artemisia ordosica biochar at 150 d culture

表9 不同沙蒿生物质炭处理沙土的IFITable 9 IFI of sandy soil of different artemisia ordosica biochar treatments

3 讨 论

土壤有机质是表征土壤质量和肥力的重要指标，其含量的高低在一定程度上反映了土壤肥力的高低[16]。本研究中，沙蒿林地土壤类型为沙土，因常年干旱少雨且缺乏平茬或刈割，导致沙蒿大量死亡，沙蒿林地多为裸漏的沙地，加之沙尘暴频繁等因素致使有机质含量极低，根据全国第二次土壤普查分级标准[14]确定为6级。本研究分析发现，与CK相比，沙蒿生物质炭、羊粪、沙蒿粉、沙蒿生物质炭+羊粪、沙蒿生物质炭+沙蒿粉处理均可以提高土壤的有机质含量，分别使沙蒿林土壤有机质含量达到全国第二次土壤普查分级标准中的4级(15.66～15.73 g/kg)、5级(5.93～6.05 g/kg)、5级(7.31～8.14 g/kg)、4级(17.33～18.62 g/kg)和4级(19.83～20.57 g/kg)，说明沙蒿生物质炭无论单施或是与其他有机物料配施均能明显提高沙土有机质含量，其中沙蒿生物质炭与羊粪或沙蒿粉配施的提升效果最明显。本研究中，沙蒿生物质炭无论单施或是与其他有机物料配施均能增加沙土氮、磷、钾养分含量，其可能原因有三：一是由于沙蒿生物质炭强大的吸附固持作用减少了氮、磷、钾养分的淋失[17-21]；二是沙蒿生物质炭丰富的孔隙以及有机物料的活性碳源有益于土壤微生物的生存繁殖，促进了沙土氮、磷、钾养分的转化与活化[22-23]；三是沙蒿生物质炭或有机物料自身含有丰富的营养元素，施入沙土后增加了沙土的氮、磷、钾含量[24]。

前人研究指出，土壤肥力受多因素影响，某单一指标并不能表征不同物料的土壤培肥效果，本研究对沙蒿生物质炭单施或与有机物料配施沙土的肥力进行了综合评价，这对指导沙蒿生物质炭在实际中的应用具有重要作用[25]。本研究结果表明，不同处理沙土的IFI有明显差异，其中质量分数2%沙蒿生物质+质量分数2%羊粪处理(T4)为培肥沙土的最优处理。本研究根据全国第二次土壤普查分级标准，只计算了7个肥力指标的隶属度值及IFI，在对土壤肥力进行数值化综合评价时稍显片面，因此在后续的研究中还应加入与沙土肥力相关的酶学指标。但是目前土壤酶活性还未见统一的普查分级标准，因此很难确定隶属度函数曲线的转折点，以往研究通过试验样本测定中酶活性的最大值及最小值确定隶属度函数曲线的转折点[7]，这种方法是否可行还需进一步的研究和探索。

4 结 论

沙蒿生物质炭无论是单施或是与有机物料(羊粪、沙蒿粉)配施均能够提高沙土的氮、磷、钾和有机质含量及IFI。根据IFI值最终确定质量分数2%生物质+质量分数2%羊粪处理(T4)是提高沙土综合肥力的最优处理。