2021, Vol. 42
2. 宁夏大学新华学院, 银川 750021;
3. 宁夏大学环境工程研究院, 银川 750021;
4. 埃及国家研究中心, 开罗 11435;
5. 烟台大学机电汽车工程学院, 烟台 264005
2. Xinhua College, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;
3. Institute of Environmental Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;
4. National Research Centre of Egypt, Cairo 11435, Egypt;
5. School of Electromechanical and Automotive Engineering, Yantai University, Yantai 264005, China
在漠土地区, 由于地面经历间歇性积水和失水过程使土壤脱盐碱化而形成碱化土壤[1~3], 以龟裂碱土(因其呈灰白多角形龟裂状而得名, 又称白僵土, takyric solonetz)为典型代表.据统计[4~6], 龟裂碱土主要分布于黄河中上游宁夏贺兰山东麓冲积扇边缘地带、甘肃河西走廊、内蒙古河套平原及新疆北疆草原、漠境地带等, 其中, 宁夏境内龟裂碱土分布面积约为13万hm2[1], 多为低产田或撂荒地.虽然龟裂碱土分布面积广、开发潜力巨大[2], 但该土壤土质黏重、土性板结僵硬、土壤胶体高度分散、透水性差、肥力低及作物生长困难[1, 7, 8], 且改良周期长、难度大, 严重限制了宁夏地区盐碱土壤的生产力.近年来, 生物炭作为新型环境功能材料受到广泛关注[9~12], 并在改善逆境土壤取得了良好效果[13~16].
有研究利用不同用量和不同生产条件(原料和热解温度)的生物炭改良盐碱土壤, 并对土壤pH和盐度等变化特征及差异进行分析, 但结果有所不同[17, 18].有研究表明, 将热解温度为400℃的浒苔生物炭施加到滨海盐碱土中, 盐度增加0.12% ~3.10%, 土壤pH提高1.49% ~5.10%[8].代红翠等[19]研究碱性砂质土壤在田间持水量为50% ~70%条件下, 施加5.4%小麦秸秆生物炭的土壤pH较CK(未施加生物炭)提高0.2个单位.夏阳[20]的研究发现, 施加较低用量的生物炭时(1.5%), 土壤pH和盐度明显降低, 而土壤有机质、CEC和养分含量则明显提高.Song等[21]的研究发现, 在碱性土壤中施加10%的高温生物炭(650℃), 土壤pH显著增加.也有报道指出[22], 在沿海盐碱土壤中施加低温生物炭(热解温度为300℃), 土壤pH显著降低.此外, 将较低用量(<5%)的生物炭施入土壤后, 可有效减小土壤容重[23], 增加土壤孔隙度和持水能力, 提高土壤对养分(氮、磷等)的吸持容量和有效性[24~26], 改善土壤团聚体结构和微生物环境等[27, 28], 明显抑制土壤蒸发和返盐现象, 但高施入量(>10%)反而加剧土壤蒸发和返盐[23].综上可见, 热解温度和施加量是影响生物炭理化性质、土壤改良效果和成本的最关键因素[8].
受全球气候变化和水体富营养化等因素影响, 海藻浒苔绿潮频发, 严重破坏海洋生态, 虽然浒苔可加工成菜品或动物饲料, 但仍无法达到治理目的, 亟需资源化利用[8, 16].已有研究表明, 将浒苔制成生物炭并进行资源化利用是完全可行的, 相较于其他类型生物炭(如秸秆生物炭), 浒苔生物炭的产率和灰分含量更高、比表面积更大[12], 但浒苔生物炭对龟裂碱土的改良效果和最适施加量仍不明确.基于此, 明确浒苔生物炭是否会加重土壤盐碱化程度、保障改良效果是将其应用到盐碱土改良的重要前提.另外, 在土壤中施加生物炭并不总能产生积极效应, 这往往与土壤、植物和生物炭的类型或它们之间的相互作用等有关[25].鉴于大多数生物炭呈强碱性(如大型藻类生物炭的pH约为7.6~13.7[29]), 施入土壤会提高pH, 这对盐碱地的改良(尤其是碱化土壤)是极为不利的[8].因此, 研究如何合理规避这一缺陷就成为一个重要课题.
木醋液[30]是生物质热解制炭过程中的酸性副产物(烟气自然冷凝后的液体), 主要成分为羧酸类、酚羟基类、醛类和酮类等化合物, pH为2.0~4.0, 被广泛应用于土壤改良[31]、提高作物产量[32]和水污染处理[33]等领域, 具有极高的市场应用价值.考虑将一定量的木醋液与浒苔生物炭复配使用, 可弥补单独施加生物炭对土壤产生的副作用和不利影响, 同时实现二者的资源化利用.但目前关于浒苔生物炭与木醋液复配改良龟裂碱土的报道还不多见.
本研究通过田间定位试验, 分析不同施加量的浒苔生物炭与木醋液复配对龟裂碱土的pH、碱化度、含盐量、酶活性和油葵产量的影响, 探索浒苔生物炭与木醋液复配对龟裂碱土的改良效果及途径, 明确浒苔生物炭和木醋液复配改良龟裂碱土的最适施加量, 以期为浒苔和木醋液资源化利用提供技术支撑, 对改良宁夏银北地区盐碱土提供一定参考.
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验区位于宁夏平罗县某农场内的盐碱荒地(106°53′E, 38°51′N), 该地区属典型干旱气候区, 干旱少雨, 年均降雨量为173.2 mm(全年降水主要集中在6~10月, 图 1), 昼夜温差大, 年平均气温为9.9~16.2℃, 日照时间长、蒸发大, 年平均蒸发量为1 755 mm, 年平均无霜期为171 d, 年平均地下水埋深1.5 m.试验区土壤剖面(0~75 cm)呈层状分布, 0~23 cm为黏壤土, 23~55 cm为砂质黏土, 55~75 cm为黏土, 土壤质地为黏壤土(0~40 cm土层土壤黏粒16.7%, 粉粒38.2%, 砂粒45.1%), 试验区农田(0~40 cm土层)土壤pH、碱化度和容重较高, 养分贫瘠, 土壤中阳离子以Na+为主, 阴离子以Cl-为主, 基本理化性质如表 1所示.采用黄河水地面灌溉, 其平均矿化度小于0.5 g ·L-1, 满足农业灌水要求, 对试验无不利影响.
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图 1 试验区降雨量和气温 Fig. 1 Rainfall and air temperature in the study site during the experimental period |
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表 1 试验田土壤基本理化性质 Table 1 Basic properties of the tested soils |
1.2 试验材料
浒苔生物炭: 原材料为浒苔(又名苔条或苔菜, Enteromorpha prolifera), 绿色粉末, 绿藻门石莼科浒苔属, 无结块, 无杂质, 购自宁夏香草生物技术有限公司, 水分低于6%, 制备生物炭前将浒苔粉用蒸馏水进行多次冲洗, 烘箱烘干并过筛封存备用(烘干温度为65℃, 烘干时间为48 h, 过0.15 mm筛).根据Xiao等[34]的研究结果, 采用限氧控温炭化法制取浒苔生物炭, 设定热解温度为400℃[8].具体实施为: 将已进行水洗烘干过筛处理的浒苔粉置于真空管炉中(O-KTF1200, 中国), 缓慢升温至设定温度(加热速率约为10 ℃ ·min-1), 停留2 h, 自然冷却至室温后取出、研磨过0.15 mm筛封存备用.升温前充入氮气(体积为炉腔容积的2倍), 为保证炉腔内氮气体积稳定, 在升温过程中进行适量补充(速率约为500mL ·min-1).浒苔生物炭的基本性质如表 2所示.对比其他报道[8, 12, 15, 16, 35~39], 热解温度为400℃的浒苔生物炭在产率、灰分、pH和元素组成等基本性质(表 2)方面具有一定优势, 此外, 结合Schimmelpfennig等[40]的研究结果(生物炭作为土壤改良剂的比表面积至少为100 m2 ·g-1), 可以初步定性认为浒苔生物炭是一种非常适合于改良盐碱地的材料.
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表 2 浒苔生物炭基本性质 Table 2 Basic properties of Enteromorpha prolifera biochar |
木醋液: 纯苹果木真空干馏萃取制得(炭化温度为550℃), 黄褐色液体, 密度为1.02g ·cm-3, pH为2.73, 有机酸为41.26%, 酮类为17.28%, 苯酚及衍生物为35.22%, ω(钙)为2 961.6 mg ·kg-1, 碱解氮为57.28 mg ·kg-1, 速效钾为8.84 mg ·kg-1, 以上理化性质基本满足日本农用木醋液的标准[30], 购自陕西亿鑫生物能源开发有限公司.购买后, 将部分木醋液稀释50倍(2%, 体积分数)并遮光保存待用.
油葵: 品种T562, 发芽率92%, 净度95%, 品种纯度98%, 水分低于15%, 购自宿迁大花地园林绿化有限公司.
1.3 试验设计本试验于2018年10月~2019年11月进行, 在设置木醋液梯度(体积分数)为0和2%[31](V0和V2)的基础上, 根据吴丹等[8]和李帅霖等[41]的研究结果, 设置生物炭施加量(占干土质量分数)分别为0、1%、2%和4%(BC0、BC1、BC2和BC4), 将不施加生物炭和木醋液视为对照(CK), 共8个处理, 每个处理重复3次, 共24个小区, 每个小区种植面积为10 m2(2 m×5 m), 所有小区作随机区组排列, 且设置隔离带以阻断小区间的横向渗流, 油葵采用人工播种方式种植.试验设计如表 3所示.
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表 3 试验设计 Table 3 Experimental design |
于2018年10月, 将浒苔生物炭均匀撒施于土壤表面, 然后进行机械翻耕(深度为40 cm), 使其与耕层土壤充分混合, 冬灌(灌溉时间为2018年11月5日, 灌水量为1 500 m3 ·hm-2)后培养.木醋液于2019年5月18日均匀喷施到土壤中(第1次施加用量为2.5 t ·hm-2[42]), 此后等量施加3次, 时间间隔为30 d(施加时间分别为6月17日、7月17日和8月16日).油葵于5月25日播种, 采用穴播, 播种量8 kg ·hm-2, 行距30 cm, 株距20 cm, 在油葵现蕾期和开花期各灌水1次(灌溉时间为7月11日和8月10日, 灌水量均为1 200 m3 ·hm-2), 灌水后及时破除板结, 现蕾期前追施150kg ·hm-2尿素, 落花后追施磷酸二氢钾(150 kg ·hm-2)和氯化钾(100 kg ·hm-2), 9月5日收获, 冬灌(灌水量为1 500 m3 ·hm-2)后空闲.播种前, 施加基肥(牛粪30 t ·hm-2, 尿素225 kg ·hm-2, 过磷酸钙70 kg ·hm-2, 硫酸钾70 kg ·hm-2), 各处理田间施肥、灌溉、除草等其他管理措施保持一致.
1.4 样品采集与测定在改良试验前(2018年10月16日)按照“随机”和“多点混合”原则, 选取5个样方(2 m×2 m), 每个样方3个采样点, 采集0~40 cm深度的原土土样(分为2层, 每层20 cm, 将2层土样混合, 下同), 共采集土壤样品15个, 剔除杂质, 经自然风干、磨碎和过筛(1 mm)后备用.
在播种后第10 d(幼苗期, 6月4日), 按照梅花型布点法(5个采样点), 采集油葵根际土壤500 g(用铲子从油葵根球上分离土壤, 将同一处理不同采样点土样混合, 下同), 每个处理3次重复, 共采集土壤样品24个, 自然风干, 碾碎后过70目筛, 去除杂质, 若干次四分后装袋用于土壤pH、碱化度和全盐的测定, 播种后第40 d(现蕾期, 7月5日)、60 d(开花期, 7月26日)和100 d(成熟期, 9月4日)的采样过程同上.在播种后第90 d(成熟期, 8月24日)采集油葵根际土壤500 g, 每个处理3次重复, 共采集土壤样品24个, 去除植物残根、可见动物残骸和石粒等杂质, 过2 mm筛, 分为两部分, 将一部分小心置于无菌离心管(10 mL)中并用干冰保存带回, 进行土壤酶活性的测定; 另一部分带回自然风干后装袋用于土壤速效磷、有机质和盐分离子的测定.利用环刀采集0~40 cm深度的土样用于容重的测定, 每个处理3次重复, 共采集土壤样品24个.
土壤理化性质和酶活性参照文献[43, 44]所提供方法测定.土壤pH值采用电位法(土水比1 ∶2.5, PHS-3C型酸度计, 中国雷磁); 土壤含盐量采用电导法; 土壤容重采用烘干法; 土壤有机质(soil oganic matter, SOM)采用重铬酸钾外加热法; 速效磷(Olsen-P)采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法[8](HJ704-2014); 以交换性Na+采用乙酸铵-氢氧化铵-火焰光度法(LY/T148-1999); 以交换性Na+与可交换性阳离子交换量的百分比计算碱化度(exchange sodium percentage, ESP); K+和Na+含量采用差减法; Ca2+和Mg2+含量采用EDTA滴定法; Cl-采用AgNO3滴定法; SO42-采用EDTA回滴法; CO32-和HCO3-采用双指示剂滴定法; 土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法; 土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法; 土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸(DNS)比色法.
幼苗期统计油葵出苗率, 成熟期(收获前)统计存活率, 出苗率和存活率按照式(1)和(2)计算.收获时, 选取每小区相邻连续2行, 每行25株, 共50株, 分别测算出各处理的油葵株高、盘径及产量.
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为全面、综合和准确地评价对龟裂碱土的改良效果, 避免由个别指标得出片面结论的偶然性, 本研究采用土壤总体酶活性指标(total enzyme activity index, Et)[27]定量指示土壤总体酶活性, 计算公式为:
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式中, Xi表示处理土壤第i种酶活性的实测值; average(Xi)为同种酶活性的平均值.
采用模糊隶属函数分析法[1]对所有指标进行综合评价.正向指标(如养分、有机质和酶活性等)、负向指标(如pH、全盐、碱化度和容重等)分别根据式(4)和式(5)计算隶属函数值:
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式中, Xij表示第i个处理第j个指标的测定值; Xjmin和Xjmax分别表示第j个指标测定值的最小值和最大值.
根据指标的变异系数求得各个指标的权重[27], 计算公式为:
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式中, λj值表示第j个指标在所有指标中的重要程度; CVj表示第j个指标的变异系数.
最后, 根据式(7)计算各处理的综合评价值D.
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本研究利用IBM SPSS-Statistics 22.0(SPSS Inc., 美国)对所有数据进行统计分析, 并通过Duncan检验法进行差异显著性检验(P < 0.05), 相关性分析利用MATLAB R2016a (The MathWorks Inc., 美国)编程完成, 所有绘图利用Excel 2016和R Studio 3.6.1(Mathsoft Inc., 美国)完成.
2 结果与分析 2.1 浒苔生物炭与木醋液复配对土壤pH和碱化度的影响土壤pH是龟裂碱土理化性质和肥力特征的综合体现[45].从图 2来看, 不同处理在不同作物生长期对土壤pH的影响存在一定差异.试验区原土0~40 cm土层pH为10.02, 各处理的pH均低于原土.V0(V0BC1、V0BC2和V0BC4, 下同)处理中, 随着生物炭施加量的增加, 土壤pH整体上呈现缓慢增加趋势, 且在不同生长期内, 相同生物炭施加量的土壤pH整体变化不显著(P＞0.05, 下同); V2(V2BC0、V2BC1、V2BC2和V2BC4, 下同)处理中, 随着生物炭施加量的增加, 土壤pH整体上表现出先降低后增加趋势, 且在不同生长期内, 低施加量(BC0和BC1)的土壤pH变化不显著, 而高施加量(BC2和BC4)的土壤pH变化显著(P＜0.05, 下同).本研究中, CK的平均pH(平均值由同一处理在不同生长期的数据求得, 下同)为8.73, V0BC1的平均pH为8.51, 较CK降低0.22个单位, V0BC2和V0BC4的平均pH分别为8.78和8.86, 较CK分别提高0.05和0.13个单位, 而V2BC0、V2BC1、V2BC2和V2BC4的平均pH分别为8.28、8.19、7.67和7.89, V2BC2的平均pH较CK降低1.06个单位(降低12.14%).前人研究表明, 施加适量的木醋液可显著降低碱性土壤pH[30, 46].碱化度是反映龟裂碱土性质的关键指标之一[1].试验区原土0~40cm土层碱化度为25.61%, 各处理的碱化度均低于原土.本研究中, CK的平均碱化度为19.96%, 所有处理的平均碱化度都显著低于CK; V0处理中, V0BC4的平均碱化度最低, 为15.29%, 较CK降低23.39%; V2处理中, V2BC2的平均碱化度最低, 为11.85%, 较CK降低40.63%.可见, 碱化度随着生物炭施加量增大而显著降低, 且适量的木醋液复配有助于进一步降低土壤碱化度.
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不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异(P < 0.05) 图 2 浒苔生物炭与木醋液复配对土壤pH和碱化度的影响 Fig. 2 Effects of Enteromorpha prolifera biochar combined with wood vinegar on pH and ESP of soils |
不同处理对土壤全盐有不同的影响(图 3).试验区原土0~40 cm土层全盐为6.30 g ·kg-1, 各处理的全盐均低于原土.V0处理中, 所有处理的土壤全盐都显著低于CK, 且随着生物炭施加量增加, 土壤全盐整体上呈现降低趋势, 且同一生物炭施加量的土壤全盐变化与作物生长期存在一定关系, 表现为幼苗期和现蕾期土壤全盐高于开花期和成熟期, 说明不同生长期的作物对土壤0~40 cm土层含盐量的影响存在差异[20]; V2处理的土壤全盐较CK和V0处理均显著降低.其中, V0BC2和V0BC4的平均全盐分别为2.52 g ·kg-1和2.41 g ·kg-1, 而V2BC2和V2BC4的平均全盐分别为2.25 g ·kg-1和2.32g ·kg-1, V2BC2较V0BC2降低10.71%, V2BC4较V0BC4降低3.73%, 可见在同一生物炭施加量时, 施加木醋液能显著降低土壤0~40 cm含盐量, 且体积分数为2%左右时效果最佳[31, 46].本研究中, CK的平均全盐为3.93 g ·kg-1, V0处理中的平均全盐最低为2.41 g ·kg-1(V0BC4), 较CK降低38.68%, 而V2处理中的平均全盐最低为2.25 g ·kg-1(V2BC2), 较CK降低42.75%, 降低幅度大于已有报道结果[1] (其研究中利用砾石暗沟+脱硫石膏改良龟裂碱土, 土壤全盐较空白最高降低33.20%), 说明生物炭与木醋液复配能有效降低土壤表层含盐量, 但不是施加的生物炭越多越好[35], 且两者之间的协同作用并非2个因素效应的简单累加[47].
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不同小写字母表示不同处理间存在显著性差异(P < 0.05) 图 3 浒苔生物炭与木醋液复配对土壤全盐的影响 Fig. 3 Effects of Enteromorpha prolifera biochar combined with wood vinegar on salinity of soils |
龟裂碱土的碱化度较高, 碱性环境中Ca2+和Mg2+不易溶解到土壤溶液中[1], 阳离子以Na+为主, 阴离子以Cl-为最高, 其次为SO42-.所有处理的ω(Na+)都显著低于CK(表 4), 且随着生物炭施加量增加而降低, V0处理中, V0BC4的ω(Na+)最低, 为0.61 g ·kg-1, 较CK降低42.45%, V2处理中, V2BC2的ω(Na+)最低, 为0.56 g ·kg-1, 较CK降低47.17%, 可见浒苔生物炭与木醋液复配可进一步降低土壤0~40 cm土层的ω(Na+).所有处理的ω(K+)都显著高于CK, 且随着生物炭施加量增加而略微增加, V0处理中, V0BC4的ω(K+)最高, 为0.029 g ·kg-1, 较CK提高70.59%, V2处理中, V2BC4的ω(K+)最高, 为0.027 g ·kg-1, 较CK提高58.82%.除V0BC1、V2BC0和V2BC1外, 施加2% ~4%的生物炭处理的ω(Ca2+)都显著高于CK.所有处理的ω(Mg2+)差异不显著, 表明Mg2+不易被水淋洗.
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表 4 浒苔生物炭与木醋液复配对土壤盐分离子的影响1) Table 4 Effects of Enteromorpha prolifera biochar combined with wood vinegar on concentration of salt ions in soils |
土壤溶液中的Cl-性质稳定, 难与其他离子反应且不易附着在土壤胶体上, 随水分运动.所有处理的ω(Cl-)都低于CK, 表明施加生物炭能提高Cl-的洗脱效果.V0处理中, V0BC2的ω(Cl-)最低, 为1.16 g ·kg-1, 较CK降低45.79%, V2处理中, V2BC2的ω(Cl-)最低, 为1.17 g ·kg-1, 较CK降低45.32%, 表明在同一生物炭施加量条件下, 施加木醋液对土壤ω(Cl-)的影响并不显著.所有处理的ω(SO42-)都低于CK, V0处理中, V0BC2的ω(SO42-)最低, 为0.62 g ·kg-1, 较CK降低31.11%, V2处理中, V2BC2的ω(SO42-)最低, 为0.60 g ·kg-1, 较CK降低33.33%.所有处理的ω(CO32-)和ω(HCO3-)的差异并不显著.
2.4 浒苔生物炭与木醋液复配对土壤速效磷、有机质和容重的影响播种后90 d, 浒苔生物炭与木醋液复配显著提升龟裂碱土养分含量[8, 25], 改善土壤结构(表 5).速效磷是评价土壤供磷水平的重要指标[9].所有处理的ω(速效磷)都显著高于CK; V0处理中, V0BC4的ω(速效磷)最高, 为44.78 mg ·kg-1, 较CK提高2.98倍; V2BC0的ω(速效磷)为15.86 mg ·kg-1, 较CK提高0.41倍, 可见单独施加木醋液可提高土壤ω(速效磷)[46]; V2处理中, V2BC4的ω(速效磷)最高, 为47.19 mg ·kg-1, 较CK提高3.19倍, 且显著高于V0BC4, 说明浒苔生物炭与木醋液复配对龟裂碱土的ω(速效磷)影响效果明显, 其次为V2BC2, 较CK提高2.88倍.但必须指出, 施加生物炭过多会提高土壤pH, 降低土壤对磷的吸附, 导致磷素流失[27].
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表 5 浒苔生物炭与木醋液复配对土壤速效磷、有机质和容重的影响1) Table 5 Effects of Enteromorpha prolifera biochar combined with wood vinegar on Olsen-P, SOM, and bulk density of soils |
土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分, 是植物营养的重要来源[7, 37].所有处理的ω(有机质)都显著高于CK; V0处理中, V0BC4的ω(有机质)最高, 为15.28 g ·kg-1, 较CK提高63.25%; V2BC0的ω(有机质)为10.81 g ·kg-1, 较CK提高15.49%, 可见单独施加木醋液也可提高土壤ω(有机质)[31]; V2处理中, V2BC4的ω(有机质)最高, 为16.57 g ·kg-1, 较CK提高77.03%, 且显著高于V0BC4, 说明浒苔生物炭与木醋液复配对龟裂碱土的ω(有机质)影响效果亦明显, 其次为V2BC2, 较CK提高58.76%.
土壤容重是评价土壤结构性质的重要指标[23].相较而言, 当土壤容重越低时, 土壤结构更加疏松, 透水透气性越好, 越不易发生板结, 更有利于土壤营养的释放和养分的固持[20].试验区原土0~40 cm土层容重为1.59 g ·cm-3, 各处理的容重均低于原土.所有处理的容重都显著低于CK; V0处理中, V0BC4的容重最低, 为1.21 g ·cm-3, 较CK降低21.43%; V2BC0的容重为1.48 g ·cm-3, 与CK并无显著差异, 可见单独施加木醋液能降低土壤容重, 但影响并不明显, 这与前人的研究结果是一致的[47]; V2处理中, V2BC4的容重最低, 为1.19 g ·cm-3, 较CK降低22.73%, 其次为V2BC2, 较CK降低20.78%.
2.5 浒苔生物炭与木醋液复配对土壤酶活性的影响本研究中, 选取脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶[48~50](分别是参与生物氮、磷和碳代谢循环的重要酶类)为代表, 探究浒苔生物炭与木醋液复配对龟裂碱土酶活性的影响(表 6).种植90 d后, 所有处理的3种酶活性都显著高于CK, 表明浒苔生物炭可提供土壤微生物所需的营养物质, 促进微生物生长, 提高土壤酶活性[49], 但过高的生物炭施加量会抑制土壤酶活性[50]. V0处理中, V0BC2的脲酶活性最高, 较CK提高0.80倍, V0BC4的碱性磷酸酶活性和蔗糖酶活性最高, 较CK分别提高1.13倍和1.71倍.V2处理中, V2BC2的脲酶和蔗糖酶活性最高, 较CK分别提高0.92倍和2.29倍, V2BC4的碱性磷酸酶活性最高, 较CK提高1.20倍, 而V2BC2的碱性磷酸酶活性较CK提高1.02倍.V2BC0的3种酶活性较CK有显著提高, 说明单独施加适量木醋液有助于提高土壤酶活性[51].土壤总体酶活性指标Et[按式(3)计算]能够评价酶活性的整体水平[27]. V2BC2的总体酶活性指标最大, 其次是V2BC4, 而CK最小, 说明浒苔生物炭与木醋液复配对土壤酶活性的影响较大, 但其结果与施加量、作物、土壤类型以及酶的特性等因素有密切关系.
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表 6 浒苔生物炭与木醋液复配对土壤酶活性的影响1) Table 6 Effects of Enteromorpha prolifera biochar combined with wood vinegar on enzyme activity in soils |
2.6 土壤化学性质相关性分析
本研究中, 不同处理土壤盐分离子与理化性质之间的相关性如图 4所示.Na+与Cl-存在极显著正相关关系(P < 0.01, 下同), 相关系数为0.93, 这与它们之间的协同运移有关[1], 其次为CO32-和SO42-.pH与CO32-存在极显著正相关关系, 相关系数为0.92, 其次为HCO3-, 这与CO32-和HCO3-水解过程有关[23].全盐和K+存在显著正相关关系(P < 0.05, 下同), 与其他离子(除Mg2+)均呈极显著正相关关系, 与Cl-相关性最大, 相关系数为0.98, 其次为Na+.另外, 由定义可知, 碱化度是用Na+的饱和度来表示的[4].因此, 龟裂碱土中CO32-、Cl-和Na+的浓度变化在很大程度上可以反映土壤pH、全盐和碱化度变化.
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不同颜色表示双变量之间的相关性, 正方形的大小表示相关性大小; *表示显著相关(P < 0.05), **表示极显著相关(P < 0.01) 图 4 土壤化学性质相关性 Fig. 4 Correlation analysis of chemical properties in soils |
作物产量是衡量农业生产水平的重要指标[9].从表 7看, 2019年所有处理的出苗率、成活率、株高和盘径均显著高于CK, 表明施加浒苔生物炭与木醋液改善了土壤环境, 促进作物生长.V2BC2的出苗率和产量最高, 产量较CK提高1.90倍. 2019年, 所有处理的增产(相对于CK)均超过1 500 kg ·hm-2; 由于本研究中的浒苔生物炭是在2018年施加的, 并没有将其计入2019年的成本投入, V0和V2处理之间的差别只限于是否施加木醋液, 而V2BC1~V2BC4的产量均显著高于V0BC1~V0BC4和V2BC0, 表明浒苔生物炭与木醋液复配的改良效果要明显强于施加单一材料.总体而言, 浒苔生物炭与木醋液复配产生的经济效益明显高于成本投入, 但生物炭施加量超过2%时, 作物产量和经济效益出现降低趋势, 说明高水平的生物炭施加量并不利于提升作物的经济效益.
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表 7 浒苔生物炭与木醋液复配对油葵生长、产量和经济效益的影响1) Table 7 Effects of Enteromorpha prolifera biochar combined with wood vinegar on growth, yield, and economic benefit of oil sunflower |
2.8 综合评价
不同生物炭与木醋液复配处理对土壤理化性质、Et和油葵产量的影响存在差异, 仅根据某一指标很难确定最佳处理, 本研究采用模糊隶属度函数法对土壤理化性质、酶活性和油葵产量进行综合评价.通过计算土壤理化性质、Et和油葵产量等8个指标的隶属函数值, 分别利用式(6)和式(7)计算各指标的权重及综合评价值, 依据综合评价值大小进行排序.结果如表 8所示, 最有利于改良龟裂碱土的前3种处理依次为V2BC2、V2BC4和V0BC4, 其综合评价值分别为0.94、0.85和0.62.可见, 浒苔生物炭与木醋液复配能较大程度改良龟裂碱土理化性质, 提高油葵的产量.
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表 8 隶属函数综合评价1) Table 8 Subordinate function value analysis |
3 讨论
龟裂碱土土壤胶结着大量的可交换性Na+, 使其具有强碱性反应[45].在强碱条件下, Na+会交换土壤胶体结合位点上的离子, 使土壤胶体扩散双电层增厚导致土壤团粒遇水易分散崩解[1], 淤闭土壤孔隙, 从而限制水分运动, 造成龟裂碱土遇水易板结、孔隙度低和透水性差等.
3.1 影响土壤pH、全盐、容重、碱化度和盐分离子的因素龟裂碱土中的可交换Na+易水合形成NaOH, 使土壤的碱性增强[52], 而且CO32-和HCO3-水解时会夺取H2O中的H+, 产生OH-(CO32-+H2O
干旱地区降雨量小、蒸发强烈, 在毛细管作用下土壤盐分随水分迁移至地表, 大量盐分积聚在土壤表层.本研究中, 生物炭和木醋液复配显著降低了土壤全盐, 其原因在于: 一方面, 当土壤水分蒸发时, 生物炭的微孔隙结构能较好地迫使水分保持在毛细状态, 加大水分蒸发散失难度, 进而减少盐分表聚[15].但生物炭施加量过高时(ω>5%), 过量的生物炭颗粒会堵塞原本出现的孔隙, 导致土壤水力传导度下降, 不利于盐分随水向深层迁移, 造成盐分积累[52].另外, 生物炭表面存在大量的羧基、羟基、内酯基等含氧官能团, 使其具有一定的亲水极性[15], 继而提高土壤对水分的吸持能力.同时也有研究指出[41], 生物炭也存在一定的疏水作用(由于疏水官能团的存在), 但该作用机制是否取决于制备材料及热解温度仍需进一步探索.另一方面, 可能是木醋液与土壤盐分反应形成了络合物[47], 降低土壤盐分, 但其反应机制仍有待明确.此外, 在油葵生长中后期, 茎叶在一定程度上遮蔽了土壤, 限制了土壤蒸发, 降低了土壤表层盐分含量.本研究各处理土壤容重的变化主要是由生物炭的输入引起的, 而木醋液对其的影响并不明显, 这与Feng等[31]的研究结果是一致的.其原因在于施入多孔和低堆积密度的生物炭可以降低土壤密度[2], 进而减小土壤容重, 且生物炭通过减小土壤容重和改变土壤孔隙结构及数量等机制对土壤水分入渗与蒸发产生影响[23].
在龟裂碱土中施加适量的生物炭和木醋液后, 提高了土壤溶液中Ca2+和酸根离子含量, 而Ca2+对土壤胶粒的吸附能力强于Na+[35](电荷数大且水合离子半径小的阳离子优先吸附), 致使Ca2+置换出土壤胶体上附着的Na+, 从而降低Na+含量和碱化度.另一方面, 酸根离子会中和土壤中的碱性物质, 并溶解土壤中被固化的Ca2+, 被激活的Ca2+将土壤胶体中的Na+释放出来, 进入土壤溶液与负价官能团形成水溶性络合物, 随灌溉水进入深层土壤[8].而且, 施加生物炭也增加了土壤K+含量, 这是由于浒苔生物炭含有一定量的水溶性钾, 释放到土壤中提高其含量[53].有研究指出[54], Ca2+可以置换出土壤中的Mg2+和K+, 但在本研究中, Na+的降低幅度远远超过Mg2+和K+, 这表明在浒苔生物炭与木醋液复配改良龟裂碱土的离子交换过程中, Ca2+会优先交换Na+, 这与程镜润等[52]的研究结果是一致的.此外, 木醋液的添加引入了大量的羧基和羟基等含氧官能团, 使H+取代了生物炭中原来与—COO-结合的阳离子, 而后生物炭与碱性物质进行中和反应空出的位点被Na+占据, 使游离态Na+含量降低, 继而增强土壤胶粒凝聚[29], 改善土壤结构.本研究中, Na+与Cl-表现为协同运移, 这与氯化物在土壤垂直方向的运移最为活跃的结论是一致的[55].
3.2 影响土壤速效磷和有机质的因素本研究中, 生物炭与木醋液复配显著提高土壤速效磷和有机质.生物炭本身含有大量的有机物质, 其通过改变土壤养分状况和微生物生存环境提高土壤微生物活力, 产生的大量分泌物使土壤团粒胶结, 继而提升土壤养分的固持能力[19].而且, 生物炭表面的含氧官能团和基团(如胺基、羧基和酰胺基等)可有效减少养分淋失, 增加土壤有机碳、有效磷和速效钾[25].有研究表明, 生物炭可通过抑制有机碳矿化的负激发作用使其留在土壤中[9].此外, 施加生物炭引入大量的Ca2+并交换土壤胶体中的Na+, 使土壤胶体从钠质亲水胶体向钙质疏水胶体转变(由于含Ca2+胶体微粒的外层不吸附水分子), 削弱了土壤胶粒间的排斥力(与土壤扩散双电层向粘粒表面压缩有关[17]), 继而促进土壤胶粒絮凝, 改善土壤团粒结构, 提高养分的供储能力.与此同时, 含有大量有机化合物的木醋液通过胶结土壤颗粒也可降低由于酸溶解而引起的土壤结构破坏程度, 继而提高养分含量, 而且木醋液含有的大量活性分子有利于土壤团粒间的离子迁移, 释放原本被固定的土壤养分[31].
3.3 影响土壤酶活性的因素土壤养分和重金属含量与根际土壤微生物群落有着密切关系, 而土壤理化因子是驱动微生物群落结构变化的主要因素[56].脲酶能够促进有机质肽键的水解, 其活性是表征土壤供氮能力的重要指标[48]; 碱性磷酸酶能够促进有机磷化合物的水解, 提高磷素的有效性[50]; 蔗糖酶能够水解蔗糖为土壤微生物提供能量, 并参与土壤有机质的矿化与分解, 对土壤碳循环起着重要作用[51].本研究中, 浒苔生物炭与木醋液复配显著提高了土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性, 说明二者可能会通过自身性质改变土壤理化特性和微生物区系结构来影响土壤微生物群落分布与功能多样性[56].首先, 生物炭和木醋液中含有大量酶促基质或类似物, 促进土壤酶的分泌; 另一方面, 酶活性较高时又促进土壤中复杂大分子化合物的分解, 为微生物生长和发育提供能源物质, 继而增强土壤酶的分泌; 以上两个过程相互促进, 相互渗透, 共同提高土壤酶活性.但必须指出, 施加的生物炭用量和木醋液浓度过高, 都会显著降低土壤酶活性, 其原因可能在于大量生物炭的输入会吸附酶分子, 对酶促反应结合位点形成保护, 从而抑制酶促反应的进行, 降低土壤酶活性[49].而高浓度木醋液可能瞬间改变土壤微域环境, 且其含有的大量酸类和酚类等有机物质可能会对土壤微生物形成毒害作用[51], 从而抑制土壤微生物生长与活性.
3.4 影响油葵生长、产量和经济效益的因素有研究表明[19], 植物通过改变不同器官的生物量分配来达到在变化的环境中最大限度地提高获取各种资源的能力, 促进生长.本研究中, 浒苔生物炭与木醋液复配显著提高了油葵生长和产量, 这与前人在蓝莓上的研究相符[32].生物炭可为作物提供大量营养元素(与其表面携带的复杂化合物溶出或降解有关[9]), 改善土壤养分及植物营养代谢, 促进油葵对微量元素的吸收和籽粒发育[25].木醋液施入土壤后, 通过吸附和代换机制起到保氮、解磷、活钾及提高养分有效性的作用[31], 为油葵增产提供支持.而且, 施加适宜浓度的木醋液有助于作物根系生长, 促进光合作用及相关代谢过程, 从而提高产量, 这在许多作物上已得到证实[57~59].其原因可能是由于木醋液中的有机酸能引起作物细胞酸化, 导致细胞壁木质纤维素间氢键断裂使其连接松动, 从而促进细胞分裂、伸长, 利于根系生长及增产[32].然而, 生物炭和木醋液对作物生长与产量的影响机制是非常复杂的[31].如有研究表明[60], 施加2%生物炭时水稻产量较空白提高15.78%, 这与Dong等[61]的研究结果(施加2%生物炭时水稻产量与空白无显著差异)有所不同, 可能与土壤、生物炭类型及灌水方式等有密切关系[9].另有研究表明, 当施入稀释倍数低于50倍(φ<2%)的木醋液时, 作物根系会受到重度伤害, 过低时(稀释倍数小于5倍)导致枯萎甚至死亡[62], 其原因是施加较低稀释倍数的木醋液使土壤溶液pH迅速下降, 导致作物相对电解质外渗率和丙二醛(MDA, 脂质氧化的重要产物之一)含量增加, 从而引起作物代谢紊乱, 抑制生长[59].另外, 鉴于生物炭施加量每增加0.5%其应用成本可能提高1/3[8], 所以浒苔生物炭与木醋液复配改良龟裂碱土的成本也是影响其推广应用的重要指标.虽然浒苔生物炭市场价格未知, 但其制备材料很容易获取, 所以价格还是非常可期的[16], 而木醋液的价格相对较低[30].综合以上因素并结合本研究的经济效益分析, 考虑施加2%浒苔生物炭+2%木醋液(V2BC2)可达到对龟裂碱土改良的最佳效果.
4 结论(1) 浒苔生物炭与木醋液复配能显著降低龟裂碱土pH、碱化度和全盐含量, 提高土壤速效磷和有机质含量, 增强土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性.
(2) 浒苔生物炭与木醋液复配能显著降低龟裂碱土容重及Na+、Cl-和SO42-含量, 促进土壤胶粒絮凝, 改善土壤团粒结构.
(3) 浒苔生物炭与木醋液复配能显著促进油葵生长, 提高油葵产量, 本研究中, 2%浒苔生物炭与2%木醋液复配的综合效果最佳.因此, 浒苔生物炭与木醋液复配改良龟裂碱土有较好前景.
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