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生物质炭对砖红壤pH及养分含量影响研究
生物质炭对砖红壤pH及养分含量影响研究
摘要为合理利用生物质炭改良热带地区土壤提供理论依据,通过培养试验,研究不同水分培养条件下添加生物质炭对砖红壤pH及养分含量的影响。
结果表明,生物质炭能显著提高土壤pH,增加土壤有机碳及全N、全P和全K的含量;淹水显著提高添加了生物质炭的土壤碱解N含量,但极大地降低了其速效P和速效K含量。
说明利用生物质炭改良热带土壤时,要根据改良目的合理进行水分管理。
关键词砖红壤;生物质炭;土壤养分;pH值
分类号S153.6
EffectofBiocharonthepHandNutrientContentinLatosol
PANfeng'e1)SUOLong1)HUJunpeng1)WANGXiaoqi1)
JIYalan1)LUOChencheng1)HEQiuxiang2)ZHUZhiqiang1)
(1CollageofAgriculture,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228;
2CollegeofHorticultureandLandscapeArchitecture,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228)
AbstractTheaimofthepresentresearchwastosupplythetheoreticalbasisforthenationalutilizationofbiochartoamelioratesoilintropicalarea.IncubationexperimentswereusedtostudytheeffectofbiocharonpHandnutrientcontentinlatosolunderdifferentsoilmoistures.ResultsobtainedshowthatapplicationofbiocharsignificantlyincreasethesoilpHandsoilorganiccarbon,totalNcontent,totalPandtotalKcontent.Floodingthesoilappliedwithbiocharincreasedthecontentofavailablenitrogen,butdecreasedthecontentofavailablePandKsignificantly.Whenbiocharwasutilizedtoimprovethesoil,soilmoistureshouldbeconsidered.
Keywordslatosol;biochar;soilnutrientcontent;pHvalue
生物质炭是生物材料在厌氧或绝氧条件下进行裂解而产生的含碳丰富的固体物质[1],因其具有碱性、表面多孔,同时具有丰富的孔隙结构、巨大的比表面积、较高的表面能和大量的表面负电荷等,因此其在土壤改良应用上具有很大的潜力[2-3]。
中国生物质炭农用的研究工作已经在砂姜黑土[4]、?
v土[5]、潮土[6]及红壤[7-9]等土壤类型上开展,这些土壤主要分布在温带以及亚热带气候区。
砖红壤是海南主要的土壤类型,因高温多雨的气候而导致该种土壤有机质少、pH低。
水田和旱地因土壤水分的差异可能会影响生物质炭对土壤性质的作用。
目前,关于生物质炭对砖红壤性质影响的报道还比较少。
鉴于此,本研究利用室内培养试验,研究不同水分培养下生物质炭对砖红壤性质的影响,为生物炭在砖红壤改良上的应用提供理论依据。
1材料与方法
1.1材料
供试土壤是由花岗岩母质发育而来的砖红壤,采集深度为0~20cm。
采集的土壤经室内风干后,除去植物根系及石砾,过2mm筛后用于培养试验;另取部分风干土进行理化性质分析,其中土壤pH4.92,有机质含量15.70g/kg,碱解N含量43.89mg/kg,速效P含量72.89mg/kg,速效K含量139.41mg/kg,土壤田间持水量17.68%。
生物质炭由中国科学院南京土壤研究所提供,由玉米秸秆于400℃条件下经厌氧热解制备而成,生物质炭的pH为9.21,C、N、P、K含量分别为493.1、21.2、0.77、62.8g/kg。
1.2方法
1.2.1试验设计
试验设2个处理,即土壤添加生物质炭(生物质炭用量为风干土质量的1.5%)和不添加生物质炭(CK)2个处理。
培养时土壤水分设75%田间持水量处理和淹水处理。
75%田间持水量是模拟旱地最适水分环境,培养期间使土壤水分始终维持在75%;淹水处理是模拟水田环境,培养期间始终在表土上维持2cm水层。
称风干土4kg置于塑料桶内,然后按风干土质量的1.5%称取生物质炭,与土壤混合均匀;然后按水分要求加入适量的水。
采用质量法保持土壤含水量不变。
每处理3次重复。
培养2个月后采集培养土,进行土壤基本化学性质分析。
1.2.2分析项目及方法
土壤基本性质分析参照鲍士旦[10]的方法进行,其中土壤pH值采用pH计测定(2.5∶1,水土浸提);土壤有机碳测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法;土壤碱解N测定采用扩散法进行;土壤速效P用NH4F-HCl浸提(钼锑抗比色法测定);土壤速效K采用醋酸铵浸提(火焰光度计测定)。
1.3数据处理
利用MicrosoftExcel2010进行试验基础数据的处理;采用SPSS19.0软件进行数据方差分析;处理间差异采用Duncan多重比较方法,差异性水平为0.05。
2结果与分析
2.1对土壤pH的影响
生物质炭可以显著提高土壤pH值,不管是75%田间持水量还是淹水,添加生物质炭的土壤pH值显著高于没有添加生物质炭的土壤(图1-A)。
培养水分的差异影响生物质炭的作用效果,淹水土壤pH高于75%田间持水量的土壤pH;75%田间持水量下土壤pH增幅高于淹水培养。
2.2对土壤有机碳含量的影响
淹水或者75%田间持水量下,添加生物质炭显著提高土壤有机碳含量。
不同水分下,土壤有机碳含量增幅不同;75%田间持水量下,土壤有机碳提升幅度高于淹水土壤(图1-B)。
2.3对土壤N含量的影响
生物质炭显著提高土壤全N含量,增幅达36.96%~41.94%,不同水分下的土壤,全N含量没有显著差异(图2-A)。
生物质炭添加与否对土壤碱解N含量的影响不显著,但不同培养水分的土壤碱解N含量存在显著差异(图2-B)。
淹水土壤的碱解N含量显著高于75%田间持水量下土壤。
2.4对土壤P含量的影响
土壤全P含量以淹水且添加生物质炭的最高,其次为75%田间持水量下添加生物质炭的土壤,不加生物质炭的土壤全P含量最低,且不加生物质炭的土壤在不同培养水分下的全P含量没有显著差异(图3-A)。
添加生物质炭显著提高土壤速效P含量(图3-B)。
淹水及75%田间持水量下,添加生物质炭的土壤速效P含量相对于CK分别提高了48.06%和44.49%。
土壤水分差异造成土壤速效P的含量不同。
不添加生物质炭和添加生物质炭的土壤在75%田间持水量下的土壤速效P含量分别是淹水下的2.99倍和2.87倍。
因此,淹水显著降低土壤速效P含量。
2.5对土壤K含量的影响
土壤全K增幅因土壤水分差异而不同,75%田间持水量下,添加生物质炭的土壤全K含量显著高于CK;淹水时,添加生物质炭的土壤全K含量与CK间差异显著(图4-A)。
添加生物质炭显著提高土壤速效K含量(图4-B)。
添加生物质炭的土壤速效K含量在75%田间持水量及淹水条件下较CK分别提高了467%和314%。
培养水分差异对添加生物质炭的土壤速效K含量影响显著,但对CK速效K含量无显著影响(图4-B)。
75%田间持水量下更利于提高添加生物质炭的土壤速效K含量。
3讨论与结论
土壤pH是土壤的一个重要属性,对土壤养分有效性及植物生长影响较大。
将生物质炭施入土壤后显著提高土壤pH值(图1-A)。
添加生物质炭能提高土壤pH已被大量研究证实[11-12],这与生物质炭本身的碱性有关;此外,生物质炭中含有的有机官能团及碳酸盐等碱性物质[13]都可以中和土壤中的氢离子,从而提高土壤pH[14-15]。
淹水土壤pH高于75%田间持水量下的土壤,可能是由于淹水土壤的还原环境增强,如淹水条件下硝态氮还原,土壤中的硝态氮含量降低,硝酸根是一种强酸离子,如果土壤中存在大量的硝态氮,pH就较低,相反,如果硝态氮明显减少或消失,pH往往就会上升[16]。
孟赐福等[17]的研究也证实,淹水可以提高酸性土壤的pH。
因此,添加生物质炭的土壤pH在淹水条件下增幅最大。
水资源丰富、灌溉便利的地区,通过淹水改良土壤酸度也是可行的。
土壤有机碳是衡量土壤肥力的重要指标之一。
生物质炭施入后可以显著提高土壤有机碳含量。
生物质炭为稳定芳香环结构的碳,具有超强的生物稳定性,难以被微生物降解[18],将其添加到土壤后部分生物质炭经过转化可成为土壤有机碳的一部分[19]。
一般而言,生物质炭在土壤中的平均停留时间长达2000a,半衰期大约为1400a,培养过程中由于生物质炭降解而产生的CO2非常少,这也是生物质炭对温室气体的减排起作用的原因[20],但这也意味着生物质炭是可以被分解的。
Nguyen等[21]研究认为,淹水条件下生物质炭的矿化和氧化速率低于土壤水分不饱和的条件下,这也就意味着淹水下,生物质炭更能提高土壤有机碳含量,但本研究却相反,可能与生物质炭中的碳酸盐有关。
研究表明,碳酸盐是生物质炭中碱性物质的主要存在形态[15,22],淹水时土壤中的大量水分可溶解生物源碳酸盐,其中的C变成CO2溢出。
由于培养时间短,75%田间持水量下氧化分解造成的C损失量小于因淹水溶解释放而造成的C损失,从而使得淹水下土壤有机碳含量低于75%田间持水量下。
生物质炭制备过程中,含N有机物可以转化成杂环氮结构,该结构较为稳定,当生物质炭施入土壤后仅增加土壤全N含量。
因此,施入生物质炭的土壤,75%田间持水量和淹水下的全N含量差异不大,都显著高于CK。
对于碱解N而言,不同水分处理之间存在显著差异,淹水土壤的碱解N含量显著高于不淹水的。
可能是由于淹水抑制硝化作用,从而抑制土壤NH4+的转化,75%田间持水量则有利于矿化和硝化的进行,硝化过程会产生N2O及NOx,从而降低了土壤中的矿质氮含量,使得其碱解N含量低于淹水土壤。
淹水条件下,添加生物质炭的土壤碱解N含量相对较低,可能是由于添加的生物质炭对土壤中的NH3/NH4+具吸附作用而造成[23]。
另外,生物质炭中含有的微量易降解有机物质的降解也需要从土壤中吸收矿质N,此时生物质炭的施用有增加固N的功效[24],这些都有可能降低淹水条件下添加生物质炭的土壤碱解N含量。
生物质炭制备的过程中,原材料中的P被保留下来,多以可溶性形式存在[25]。
生物质炭添加到土壤中后,本身含有的P释放到土壤中,土壤速效态P含量提高。
淹水下土壤的速效P含量低于75%田间持水量下的土壤,可能是由于淹水下出现了大量还原性Fe、Mn等物质,这些物质与P反应后生成难溶性的磷酸盐,从而降低了速效P的含量。
生物质炭中的K含量高,而且易于释放[26]。
添加生物质炭能显著提高土壤全K和速效K含量。
不同培养水分下,土壤K含量尤其是速效K含量存在显著差异,可能是由于水分含量在一定程度上影响到生物质炭中K的溶解;或者是淹水条件下,大量的K被溶解,从而造成土壤中K含量的降低。
生物质炭可以显著提高砖红壤的pH,增加有机碳、全N、全P和全K的含量,但水分条件的差异会影响生物质炭对土壤有效养分的的作用效果,添加生物质炭并淹水,有助于提高土壤碱解N的含量,但显著降低了土壤速效P和速效K的含量。
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