生物炭對貴州喀斯特山地石漠化土壤理化性質(zhì)和構(gòu)樹幼苗生長特性的影響

1、生物炭對貴州喀斯特山地石漠化土壤理化性質(zhì)和構(gòu)樹幼苗生長特性的影響摘要：為了探究生物炭對石漠化土壤理化性質(zhì)和構(gòu)樹幼苗生長的影響，選擇貴州喀斯特石漠化退耕還林區(qū)石灰性土壤為研究對象，通過盆栽試驗，分析4種不同處理施復(fù)合肥處理為NPK，炭肥混施處理施肥量相同，按施炭量為土壤干質(zhì)量的1%、2%、4%分別記為RH1、RH2、RH4下土壤理化性質(zhì)和構(gòu)樹生長狀況的變化。結(jié)果說明：3種施炭量處理都顯著降低了土壤容重，增加了土壤毛管孔隙率和總孔隙率，增加了土壤自然狀態(tài)下的質(zhì)量含水量、飽和含水量和毛管持水量，且隨施炭量的增加變化越顯著;單施肥處理和3種施炭處理均顯著增加了土壤中有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，

2、且各養(yǎng)分含量隨著稻殼炭施用量的增加而增加;施肥處理和3種施碳處理對植物株高胸徑、地上局部生物量和總生物量的增長有顯著的影響，與CK處理相比，僅RH4處理對植物根系生物量的增加有顯著影響?？梢哉f明施用生物炭可以改善土壤理化性質(zhì)，促進構(gòu)樹苗期生長和干物質(zhì)積累及根系發(fā)育，對貴州喀斯特石漠化土壤改良和植被恢復(fù)有重要意義。關(guān)鍵詞：石漠化土壤;生物炭;土壤理化性質(zhì);幼苗生長;根系形態(tài)中圖分類號：S714.6文獻標志碼：A文章編號：1002-1302202112-0177-05喀斯特石漠化是指在溫潤氣候下，由于人類不合理的資源利用和喀斯特石灰?guī)r生態(tài)系統(tǒng)自身的脆弱，導(dǎo)致植被破壞、水土流失的現(xiàn)象【1】。貴州省位

3、于我國西南喀斯特石漠化區(qū)的中心，也是我國石漠化面積最大、石漠化程度最高、受石漠化危害最嚴重的省份，石漠化區(qū)域面積高達3.7萬km2，占全省總面積的21%2-3。土壤石漠化導(dǎo)致可耕面積減少，土壤肥力下降，土壤保水性能下降，會進一步加劇人地矛盾、水土流失和生物多樣性下降，石漠化已經(jīng)成為制約貴州省乃至我國整個西南喀斯特地區(qū)開展的重大生態(tài)問題。改良石漠化土壤的理化性質(zhì)，是提高土壤質(zhì)量和促進石漠化山地植被恢復(fù)的重要途徑4-6。生物炭是由生物質(zhì)在低氧或厭氧的條件下低溫?zé)崃呀獾玫降囊环N化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、含碳量高、比外表積大、微孔隙結(jié)構(gòu)豐富的堿性材料。近年來，研究者們就生物炭在土壤改良方面的作用進行了大量的盆栽及

4、野外試驗7-15，研究結(jié)果說明，向土壤中施入生物炭可明顯改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，增加土壤的持水和吸附利用養(yǎng)分能力，進而促進植物生長。研究者利用生物炭的堿性來改良酸化土壤或中性土壤，但關(guān)于對堿性土壤的改良效果卻鮮有報道。本研究通過盆栽試驗，分析了施用不同量生物炭對于貴州喀斯特山地石漠化土壤理化性質(zhì)和抗逆性強的構(gòu)樹生長的影響，以期能起到改良堿性土壤特性、促進植物生長的作用，為生物炭在山地石漠化土壤改良和植被修復(fù)的利用提供理論依據(jù)。1材料與方法1.1研究區(qū)概況研究區(qū)位于貴州省安順市普定縣城關(guān)鎮(zhèn)沙灣105°454E、26°2218N退耕還林區(qū)。該區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，年平均氣

5、溫為15.1，最冷月為1月，平均氣溫為5.2。雨量充分，年均降水量1396.9mm。土壤類型為石灰性土。本研究供試土壤采集于沙灣退耕還林區(qū)，采樣深度為020cm，采集的土壤除大石塊和落葉等殘留物過2mm篩備用。土壤容重為1.15g/cm，土壤pH值7.42，土壤有機質(zhì)含量為14.44g/kg，堿解氮AN含量為65.81mg/kg，有效磷含量AP為5.40mg/kg，全磷含量為802.96mg/kg，全鉀含量為2.68g/kg。1.2供試樹種構(gòu)樹Broussonetiapapyrifera是?？茦?gòu)屬植物。構(gòu)樹生態(tài)適應(yīng)能力強，耐干旱貧瘠，萌孽能力強，是喀斯特石漠化山區(qū)植被修復(fù)的主要造林樹種之一。本

6、試驗所用構(gòu)樹為半年生構(gòu)樹幼苗，購于貴州省安順市普定縣林場。1.3供試生物炭供試生物炭為稻殼炭記為RH，由稻殼在400500下厭氧高溫裂解獲得，生物炭經(jīng)粉碎過2mm篩備用。稻殼炭的pH值為9.41，總碳含量為46.3%，總氮含量為600mg/kg，速效磷含量為21310mg/kg，速效鉀含量為2540mg/kg，稻殼炭比外表積為91.45mg/kg。1.4施肥量確定試驗開始前對試驗地土壤進行取樣，測得試驗地土壤的N、P、K養(yǎng)分含量，再根據(jù)研究者對黔中喀斯特?zé)o石漠化的林地土壤養(yǎng)分狀況研究結(jié)果16-17，將石灰土復(fù)原成養(yǎng)分狀況良好的林地土壤，并換算成NH22CO和KH2PO4的用量。除空白處理外，各

7、處理的施肥量相同，試驗在植物的生長期內(nèi)不再追肥。NH22CO用量：測定試驗土壤原始養(yǎng)分狀況NO，NO=AN=65.81mg/kg，取研究結(jié)果中貴州省中部喀斯特山地?zé)o石漠化林地土壤平均氮素養(yǎng)分值NF，NF=250mg/kg，土質(zhì)量為8kg，NH22CO總用量NT=NF-NO/NAR×2/NH22COAR×8=3157.54mg。每個盆栽中NH22CO用量為3.16g。其中，NAR為N的相對原子質(zhì)量，為14;NH22COAR為NH22CO相對分子質(zhì)量，為60。KH2PO4用量：測定試驗土壤原始養(yǎng)分狀況PO，PO=AP=5.40mg/kg，取研究結(jié)果中貴州省中部喀斯特山地?zé)o石漠化

8、林地土壤平均氮素養(yǎng)分值PF，PF=12.80mg/kg，土質(zhì)量為8kg，KH2PO4總用量PT=PF-PO/PAR/KH2PO4AR×8=259.72mg。每個盆栽中KH2PO4用量為0.26g。其中，PAR為P的相對原子質(zhì)量，為31;KH2PO4AR為KH2PO4相對分子質(zhì)量，為136。1.5試驗設(shè)計與樣品采集于2021年311月在南京林業(yè)大學(xué)下蜀林場進行試驗。采用盆栽試驗，試驗共設(shè)置5個處理：不施加稻殼炭和復(fù)合肥的為對照組，記為CK;不施加稻殼炭但添加了復(fù)合肥的記為NPK;施炭量為土壤干質(zhì)量1%，記為RH1;施炭量為土壤干質(zhì)量2%，記為RH2;施炭量為土壤干質(zhì)量4%，記為RH4，

9、施炭處理均添加復(fù)合肥。每個處理設(shè)置18個重復(fù)，共90盆。在2021年3月，采用30cm×15cm×30cm上徑×下徑×高的花盆進行栽植試驗，選擇株高、地徑、長勢根本一致的構(gòu)樹幼苗進行移栽。栽植苗木的塑料盆每盆土樣干質(zhì)量8kg，與稻殼炭、肥料混合均勻后裝入盆中，盆底鋪5cm厚的碎石塊，以利于苗木根部通氣，試驗在構(gòu)樹幼苗生長期間不再追肥，按正常撫育管理、正常澆水。1.6測定工程1.6.1土壤物理性質(zhì)測定土壤含水量的測定采用烘干法，烘干至恒質(zhì)量，即可計算出土壤含水量。土壤水分物理性質(zhì)容重、田間持水量、毛管持水量、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等測定采用環(huán)刀法及水浸法

10、，可計算出土壤容重及在不同持水性能下的持水量及土壤孔隙度。以上分析方法參照我國林業(yè)行業(yè)標準18。1.6.2土壤化學(xué)性質(zhì)測定帶回實驗室的土壤放置在風(fēng)干架上，自然風(fēng)干，風(fēng)干后磨碎過篩，用于測定堿解氮、有效磷等指標。土壤化學(xué)指標測定方法均參照我國林業(yè)行業(yè)標準19-24：土壤堿解氮含量采用堿解-擴散法測定;土壤全磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定;土壤有效磷含量采用鹽酸-硫酸浸提法測定;土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;土壤pH值采用電位法測定。1.6.3植物生長指標測定植物株高和地徑采用直接測量法，分別使用2m卷尺和游標卡尺進行測量，并記錄數(shù)據(jù)。在植物休眠期將地上局部剪斷，再挖出根系，按地

11、上局部、地下局局部裝在密封袋中。帶回實驗室后，將植株各局部洗凈，并收集所有斷根。通過數(shù)字化掃描儀EPSONV750將根系圖像存入計算機，用Win-RHIZO根系分析系統(tǒng)RegentInstrumentInc.Canada對根系總根長、總外表積、根體積等進行分析，進一步計算可得構(gòu)樹根長密度和比根長。在根系掃描完后，將植物地上局部和根局部裝入牛皮紙袋中，105下殺青30min，60下烘干至恒質(zhì)量，并稱質(zhì)量，進一步可計算出構(gòu)樹幼苗地下局部與地上局部干質(zhì)量比值，即根冠比。1.7數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)用Excel2021整理后，用SPSS18.0進行方差分析，并采用Duncans多重檢驗法對各個處理的指標進行差異

12、顯著性檢驗。2結(jié)果與分析2.1土壤理化性質(zhì)分析2.1.1土壤容重和各級孔隙度分析由表1可以看出，生物炭的施用對喀斯特石漠化山地土壤容重和各級孔隙度均會產(chǎn)生一定的影響。生物炭施用的比例越高，土壤容重越低，與CK處理相比，施用生物炭均可降低土壤的容重，并在RH4處理下差異最為顯著P2.1.2土壤水分特性分析如表2所示，添加生物炭可顯著增加土壤質(zhì)量含水量、田間持水量和飽和含水量。與CK處理比較，NPK施肥處理的土壤質(zhì)量含水量和飽和含水量沒有顯著差異，RH1、RH2質(zhì)量含水量與CK差異不顯著，RH4處理下土壤質(zhì)量含水量顯著大于對照P2.1.3土壤化學(xué)性質(zhì)分析生物炭本身具有較高的根底養(yǎng)分，不同量生物炭施

13、用后，土壤相應(yīng)的養(yǎng)分指標會有不同程度的增加。試驗除CK處理外，其他處理均施肥，這局部速效肥的增加也會對相對應(yīng)的土壤養(yǎng)分有一定的提高作用。如表3所示，添加生物炭后，土壤pH值呈上升的趨勢，RH4處理下土壤pH值增加量最大，但與CK相比，差異未達顯著水平。施用生物炭后土壤的有機質(zhì)含量顯著增加P2.2構(gòu)樹生長狀況分析2.2.1構(gòu)樹幼苗生長特性分析由表4可以看出，施肥和施生物炭處理對構(gòu)樹幼苗的株高、地徑等生長特性指標都有不同程度的促進作用。與CK處理相比，稻殼炭處理的促進作用隨試驗所設(shè)置濃度范圍內(nèi)施用量增加而增加，株高、地徑、根系生物量、地上局部生物量、總生物量與對照相比均有增加，在RH4處理效果最好

14、，株高與CK處理相比增加了68%，地徑與CK處理相比增加了94%，根系生物量與CK處理相比增加了78%，地上局部生物量與CK處理相比增加了74%，總生物量與CK處理相比增加了76%。同時，通過不同處理間的根冠比數(shù)值比較可發(fā)現(xiàn)，除了RH4處理與CK處理相比增加了2%，其他不同稻殼炭施用量處理均降低了根冠比，NPK、RH1、RH2這3個處理構(gòu)樹根冠比分別降低了17%、31%和21%，降低效果達顯著水平P2.2.2構(gòu)樹根系生長狀況分析由表5可知，與CK處理相比，施用復(fù)合肥和生物炭的各處理對構(gòu)樹幼苗的總根長、根系外表積和根系體積的增加均有促進作用。NPK處理下，總根長比照CK處理增加了29.58%，增

15、加未達顯著水平，RH1、RH2、RH4比照CK處理分別增加了172.36%、282.99%和504.61%，RH2、RH4增加量達顯著水平P3討論與結(jié)論3.1生物炭對土壤性質(zhì)的影響為了探明生物炭處理對土壤物理性質(zhì)的影響機制，本研究利用環(huán)刀法和浸水法測量了010cm表層土壤的飽和含水量、毛管持水量和土壤孔隙等土壤水分物理指標，結(jié)果說明，生物炭有利于改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分狀況。3種不同施炭量處理均顯著降低了土壤容重，有效增加了土壤毛管孔隙率，提高了土壤中的毛管持水量，改善的效果隨施炭量增加而增加，這主要是因為生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較小的密度和較大的比外表積25。這與張明月的研究結(jié)果26一致。生

16、物炭對于土壤水分特性的改善效果受土壤種類、土壤石漠化程度、生物炭種類及生物炭施用量等多方面的影響26-28。在以往的研究中，當土壤處于酸性或中性狀態(tài)下，施用堿性生物炭往往能提高土壤的pH值29，但在本研究中，生物炭3種施用量處理下土壤的pH值均有所增加但增加量與對照相比未發(fā)生顯著變化，這與方培結(jié)的研究結(jié)果28一致。劉祥宏的研究結(jié)果表示，對于向堿性土中施加生物炭，甚至可以降低土壤的pH值30。生物炭的堿性對土壤的影響是最直接的，土壤還受到土壤微生物作用，如短期內(nèi)土壤的硝化作用會降低土壤pH值，除此之外還受到土壤酸堿緩沖容量、作物種類等的影響。在以往的研究中，研究者指出，炭肥混施比照單獨使用肥料或

17、生物炭對土壤養(yǎng)分和植物生長有更好的改良和促進效果31-32。本研究中，均施加定量的速效肥料，結(jié)果顯示炭肥混施顯著增加了土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分的含量。一方面生物炭具有孔隙結(jié)構(gòu)和吸附性，可減少養(yǎng)分的淋失，將養(yǎng)分留在土壤中，另一方面，生物炭外表具有較高的有效養(yǎng)分，在施入土壤后，帶入土壤，增加了土壤養(yǎng)分含量33-34。在以后的研究中，可設(shè)置不同栽培植物的處理，來探究施炭處理對于速效氮素的影響。生物炭影響土壤磷有效性的途徑是通過吸附和解吸來完成。有些研究說明生物炭對磷無吸附能力35-36，但研究生物炭種類單一，土壤狀況差距大，研究不夠深入，無法說明問題。還有研究說明，不同原料制作的生物炭會對磷產(chǎn)生吸附37

18、。后有研究者在利用生物炭處理廢水時，對生物炭進行改性處理，可使生物炭對磷產(chǎn)生吸附。在以后的研究中，可增加對不同原料制作的生物炭磷素吸附及其機理的研究。3.2生物炭對植物生長的影響目前大局部研究說明，施用生物炭可促進植物生長及增產(chǎn)。如施用生物炭可促進黃連木、水稻、香蕉等的生長38-41，可促進鐵皮石斛、玉米的增產(chǎn)42-43。在本研究中，施肥處理和炭肥混施處理均顯著促進了構(gòu)樹幼苗株高、地徑的增加，促進了植物地上及地下局部的干物質(zhì)積累，半年生構(gòu)樹苗經(jīng)過一個生長季，最高的長到了197cm。生物炭對植物生長的促進作用隨施炭量的增加而增加。植物根系是植物攝取和運輸營養(yǎng)物質(zhì)合成和儲存有機化合物的重要器官。一

19、些研究說明，生物炭的施用還可促進植物根系生長，如陳懿等在研究煙桿生物炭對烤煙根系生長的影響時發(fā)現(xiàn)，施炭可促進烤煙前期的根系生長和根系體積的提高44;如程效義等在探究生物炭對玉米生產(chǎn)的影響時發(fā)現(xiàn)，施炭可以增加玉米灌漿期的總根長、根外表積和根體積45。這些研究與本研究的結(jié)果一致?？偢L、根外表積及根體積等根系形態(tài)指標是根系攝取養(yǎng)分和水分的能力指標46。在本研究中，單獨施肥處理對植物根系生長有一定的促進作用，效果并不顯著，施炭處理對植物根系生長的促進作用顯著，施炭量越多作用效果越顯著。土壤水分和養(yǎng)分條件是影響植物根系生長和分布的主要因素，生物炭的施用改良了土壤的物理結(jié)構(gòu)，改善了土壤的水分和養(yǎng)分條件，

20、進而提高了植物根系吸收和代謝的效率，進而促進了植物地上局部的生長發(fā)育。本研究說明，施用生物炭可以改善石漠化土壤的理化性質(zhì)，對構(gòu)樹幼苗生長和根系發(fā)育等各項指標都具有顯著的促進作用。因此，生物炭在喀斯特石漠化山地的石漠化土壤改良和植被恢復(fù)方面有著重要的作用。通過試驗驗證，在構(gòu)樹苗期施用4%稻殼炭的效果最正確。參考文獻：【1】蘇維詞，楊華，李晴，等.我國西南喀斯特山區(qū)土地石漠化成因及防治J.土壤通報，2021，373：447-451.【2】張信寶，王世杰，白曉永，等.貴州石漠化空間分布與喀斯特地貌、巖性、降水和人口密度的關(guān)系J.地球與環(huán)境，2021，411：1-6.【3】鄧曉紅，畢坤.貴州省喀斯特地

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25、林土壤pH值的測定：LY/T12391999S.北京：中國標準出版社，1999.24中國林業(yè)科學(xué)院林業(yè)研究所.森林土壤速效鉀的測定：LY/T12361999S.北京：中國標準出版社，1999.25SohiSP，KrullE，Lopez-CapelE，etal.AreviewofbiocharanditsuseandfunctioninsoilJ.AdvancesinAgronomy，2021，105：47-82.26張明月.生物炭對土壤性質(zhì)及作物生長的影響研究D.泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021.27卜巧珍.生物炭對石灰土理化性質(zhì)和作物生長的影響D.桂林：廣西師范大學(xué)，2021.28方培結(jié).生物炭

26、對石灰土性質(zhì)及土壤系統(tǒng)中碳遷移轉(zhuǎn)化的影響研究D.南寧：廣西大學(xué)，2021.29張祥，王典，姜存?zhèn)}，等.生物炭及其對酸性土壤改良的研究進展J.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，525：997-1000.30劉祥宏.生物炭在黃土高原典型土壤中的改良作用D.楊凌：中國科學(xué)院研究生院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，2021.31韓瑛祚，婁春榮，王秀娟，等.生物炭還田條件下磷肥減施對玉米產(chǎn)量及養(yǎng)分利用的影響J.玉米科學(xué)，2021，262：125-130.32劉悅，黎子涵，鄒博，等.生物炭影響作物生長及其與化肥混施的增效機制研究進展J.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2021，283：1030-1038.33LehmannnJ，J

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