牛粪生物炭对蔬菜大棚土壤性能影响

林静雯, 丁海涛, 吴 丹, 王丹丹, 孙丽娜, 贺 彬

(沈阳大学 环境学院, 辽宁 沈阳 110044)

牛粪生物炭对蔬菜大棚土壤性能影响

林静雯, 丁海涛, 吴 丹, 王丹丹, 孙丽娜, 贺 彬

(沈阳大学 环境学院, 辽宁 沈阳 110044)

研究了牛粪生物炭对蔬菜大棚土壤性能影响,对比了牛粪生物炭单施处理(C)较空白(CK)处理、牛粪生物炭和化肥混施处理(CCF)较化肥单施处理(CF)种植后的情况.结果表明:牛粪生物炭施用明显改善了土壤理化性质,提高了化肥利用率,促进了蔬菜生长.

牛粪生物炭; 大棚; 土壤; 性能; 蔬菜

由于营养元素和农药的过度施用,蔬菜大棚土壤的酸化、板结问题十分突出.开发研究蔬菜大棚土壤低成本的绿色原位修复技术,一直是迫切需要解决的焦点问题[1].

近年来生物炭作为一种新兴复合材料,在应用其作为土壤改良剂方面已显示出较大潜力,国内外研究表明,施用生物炭可提高土壤持水性能和养分吸持容量、阳离子交换量(CEC) 、有机质含量和酸性土壤 pH 值、土壤微生物量及活性,促进作物生长和增产等.此外,由于生物炭可延缓肥料释放,可降低肥料损失,将其与肥料配施作物增产效果更显著.在目前开展的应用生物炭作为土壤改良剂的研究中,利用生物炭对蔬菜大棚土壤进行改良的研究虽然也有文献涉及.但以牛粪为原料制备的生物炭对蔬菜大棚土壤进行改良的研究却鲜有报道,是一个亟待开发研究的领域.

为了给蔬菜大棚土壤改良提供低成本、无二次污染的修复技术,拓展牛粪生物炭在农业生产领域的应用范围,同时解决牛养殖业带来的牛粪排放环境污染问题,实现牛粪资源化利用,本文以牛粪为原料制备生物炭,研究牛粪生物炭施用对蔬菜大棚土壤理化性质及作物产量的影响,以期为利用牛粪生物炭对蔬菜大棚土壤进行修复提供技术支撑的同时,也为牛粪资源化利用提供有效途径.

1 材料与方法

(1) 试验区概况.试验区位于辽宁省沈阳市沈北地区大棚基地,地理位置N42°09.194′,E123° 52.56′.

土壤的性质:pH值5.9,有机质含量33.6 g·kg-1,容重1.3 g/cm3,CEC 23.4 mol/kg,持水量26.8%.

(2) 生物炭的制备.牛粪生物炭在实验室通过在缺氧的条件下热解制备.鲜牛粪取自沈阳市辽中县某牛养殖厂,经过自然风干的牛粪,粉碎后置于有控温装置的马弗炉中热解,在500 ℃条件下热解2 h,冷却到室温后研磨,过0.25 mm筛,备用.牛粪生物炭性质:pH值为9.55,比表面积为86.43 m2·g-1,灰分为27.3%.

(3) 试验方法.试验在沈阳市沈北地区某蔬菜大棚进行,试验面积为16 m2,随机区组排列.共设2组,分别种植小白菜和油菜.每组设4个处理:CK处理为对照(不施氮肥和牛粪生物炭);CF处理为常规处理,化肥单施,尿素施用量为600 kg·hm-2(与沈阳市大棚种植蔬菜作物施肥量相当); C处理为牛粪生物炭单施,用量为10 t· hm-2; CCF处理为牛粪生物炭和化肥混合施用,用量为牛粪生物炭10 t· hm-2,化肥600 kg· hm-2.在种植前,准确称量牛粪生物炭和氮肥,将事先称量好的牛粪生物炭均匀撒在C和CCF处理区域,均匀撒施后翻耕(20 cm)土.氮肥分两次撒施,第一次在种植前,第二次在种植30 d以后,每次施用为总量的一半.田间管理按照正常农艺管理方法进行.

(4) 样品的采集与分析.土壤样品种植前和种植后各采集一次,取自地表0～20 cm土层,用四分法对角取出适量土壤样品.土壤样品室内风干,过0.355 mm筛后,用于测定相关理化性质.

植物样品:在小白菜和油菜收获季节采集供分析用的植株样品,每个处理分别采6株小白菜或油菜作为一组样品,每个植株样品分解为地上部分(茎叶)和地下部分(根),洗净,晾干去除水分,分别称重和测量株高.

土壤理化性质参照中华人民共和国农业行业标准(NY/T 1121.1-2006)的方法测定:容重分析采用环刀法;土壤田间持水量的测定采用环刀法;pH值采用上海圣科仪器设备有限公司pH计(型号:pHSJ-5pH) 测定(土水比为1∶5);土壤有机质含量采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法; 阳离子交换量采用氯化铵-乙醇法测定.

(5) 数据分析.所有指标的测定均重复3次,使用Microsoft Excel 2007进行实验数据的录入、计算;使用Origin绘制图形;使用SPSS tatistics 19.0中Post-Hoc(Dun-can)方法进行统计处理.

2 结果讨论与分析

2.1牛粪生物炭对土壤pH值的影响

土壤pH值是土壤的重要理化性质之一,pH值可以综合反映土壤其他化学性质,为此本文研究了种植前后牛粪生物炭对土壤pH值的影响,结果如图1所示.

图1不同处理对土壤pH值的影响
Fig.1 Effects of different treatments on soil pH

注: 不同小写字母表示各处理之间在0.05水平存在显著差异(n=3).下同

从图1可见,4种不同处理下,种植前后的土壤pH值都有不同程度的变化.其中空白处理(CK)在种植后比种植前土壤pH值稍微增高,单施化肥处理(CF)种植后较种植前土壤pH值降低了0.1个单位,表明化肥的使用导致或者加剧土壤酸化.种植前单施生物炭处理(C)比空白处理(CK)的土壤pH值增高了0.46个单位,而种植后增高了0.90个单位,表明生物炭提高了土壤pH值;生物炭和化肥混施处理(CCF)和单施化肥处理(CF)比较,种植前土壤pH值增高了0.31个单位,种植后增高了0.71个单位,表明生物炭的使用抑制了化肥使用导致的土壤酸化.

这是因为生物炭含有的灰分元素如K、Na、Ca、Mg等均呈可溶态,施入土壤后可提高土壤的盐基饱和度,通过吸持作用降低土壤的交换性H+和交换性铝离子的水平,从而提高土了壤的pH值[2].

2.2牛粪生物炭对土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤的重要组成部分,是土壤质量化学指标的重要内容.为此本文研究了种植前后生物炭对土壤有机质的影响,结果如图2所示.

图2不同处理对土壤有机质的影响

Fig.2 Effects of different treatments on soil organic matter

从图2可见,4种不同处理下种植后较种植前土壤有机质值都有不同程度的增大.增大的幅度分别为7.46 %、16.25 %、29.39%和36.74%.这可能是蔬菜生长过程中有根系和枯叶在土壤微生物的分解下,从而使得土壤有机质有所增大.种植后牛粪生物炭单施处理(C)和牛粪生物炭和化肥混施处理(CCF)较空白处理(CK)相比,土壤有机质提高效果显著,分别增加了45.5%和61.9%.牛粪生物炭和化肥混施处理(CCF)与单施化肥处理(CF)比较,土壤有机质值增加了43%.这是因为牛粪生物炭作为一种富含有机质的物质,可以提高土壤有机质含量[3];另一方面,生物炭有巨大的比表面积和很好的吸附性能,能吸附土壤中物质,可能是牛粪生物炭增大土壤有机质的另一个原因[4].可见牛粪生物炭对于提高土壤有机质效果显著,比化肥单施对土壤有机质提升效果明显.

2.3牛粪生物炭对土壤阳离子交换量(CEC)的影响

土壤阳离子交换量(CEC)反应了土壤的供肥能力、保肥能力和缓冲能力,常被用作衡量土壤缓冲力和土壤肥力的重要指标,是土壤理化性质之一[5].为此本文研究了种植前后生物炭对土壤阳离子交换量(CEC)的影响,结果如图3所示.

图3不同处理对土壤CEC的影响
Fig.3 Effects of different treatments on soil CEC

从图3可见, 4种不同处理条件下种植后较种植前土壤CEC值都有不同程度的下降,下降的幅度分别为8.4%、7.1%、8.1%和7.7%.这是因为可能是蔬菜生长过程中吸收利用了土壤中的一些矿物元素,导致各处理下的土壤CEC在种植后较种植前都有一定程度的下降.

种植后牛粪生物炭单施处理(C)和牛粪生物炭和化肥混施(CCF)处理条件下较空白(CK)相比,土壤CEC值分别提高了42.9%和44.0%,这表明牛粪生物炭对提高土壤的CEC效果较显著.牛粪生物炭化肥混施处理(CCF)与单施化肥处理(CF)比较,土壤CEC值增加了30.5%.这是由于牛粪生物炭本身具有微孔结构和较强的吸附作用,使其能够吸附更多的矿物质元素.同时生物炭还能激活部分稳定态元素,使其成为活化态,因而生物炭能增加土壤的CEC[6].另外,牛粪生物炭中含有丰富的有机大分子和孔隙结构,施入土壤后容易形成大团聚体,因而可增强土壤对养分离子的吸持和保持,从而增加土壤CEC[2].还有研究表明,芳香族碳的氧化和羧基官能团的形成也是提高CEC值的原因[7].

2.4牛粪生物炭对土壤持水性的影响

土壤持水能力是评价土壤涵养水源和水文调节功能的重要指标,它主要与土壤容重和孔隙度相关[8].为此本文研究了种植前后生物炭对土壤持水性的影响,结果如图4所示.

图4不同处理对土壤持水量的影响

Fig.4 Effects of different treatments on soil water retention

从图4可见,4种不同处理条件下种植后较种植前土壤持水量都有不同程度的增高.增大的幅度分别为6.28%、5.40%、7.45% 和9.19% .这是因为蔬菜种植提高了土壤的有机质含量,因此提高了土壤的持水性能.

种植前,没有添加牛粪生物炭的空白(CK)处理和单施化肥处理(CF)土壤持水量接近,牛粪生物炭的单施处理(C)和牛粪生物炭和化肥混施处理(CCF)的土壤持水量明显优于空白(CK)和单施化肥处理(CF).这表明牛粪生物炭的添加较大地提高了土壤的持水性能.种植后,牛粪生物炭单施处理(C)和牛粪生物炭与化肥混施(CCF)处理条件下较空白(CK)相比,土壤持水量分别提高了6.29%和7.01%,牛粪生物炭化肥混施处理(CCF)与单施化肥处理(CF)比较,土壤持水量增加了16.5%.

牛粪生物炭孔隙结构发达、比表面积巨大,当牛粪生物炭施加于土壤中,土壤相对的比表面积增加,另一方面,牛粪生物炭具有比表面积大、容重小的特点,添加到土壤后能改变原土壤的孔隙结构状况,增加了土壤孔隙度和土壤原有颗粒的黏性,使得团聚性增强,土壤结构得以改善,从而提高了土壤持水量[9].

2.5牛粪生物炭对土壤容重的影响

土壤容重是土壤的重要物理性状,是衡量土壤肥力状况的重要指标之一[10].为此本文研究了种植前后生物炭对土壤容重的影响,结果如图5所示.

图5不同处理对土壤容重的影响
Fig.5 Effects of different treatments on soil bulk density

从图5可见, 4个不同处理条件下,种植后较种植前土壤的容重都有不同的程度的下降,下降的幅度分别为3.01% 、7.63 %、6.14%和7.08%.随着蔬菜的生长,土壤中的有机质有所增加,蔬菜根系作用土壤结构有所改变,因此在种植后,土壤容重都有所下降.

种植后,单施化肥处理(CF)、单施牛粪生物炭处理(C)、牛粪生物炭和化肥混施处理(CCF)与空白(CK)相比,土壤容重下降分别为6.2%、17.1%、和18.6%.牛粪生物炭化肥混施处理(CCF)与单施化肥处理(CF)比较,土壤容重降低了13.2%.因此牛粪生物炭的施加,增加了土壤容重降低的幅度,且种植后降低的幅度大于种植前.

牛粪生物炭具有多孔结构且密度较低、容重远低于矿质土壤,施加于土壤中对土壤有一定的稀释作用[11].此外,施用牛粪生物炭后可能导致土壤微生物活性增加,团聚性增强,从而降低了土壤容重.也可能是由于化肥在短时间内促进了作物的生长,增强了根系作用对土壤结构的改变[12].

2.6牛粪生物炭对蔬菜生长的影响

蔬菜生长情况反应了土壤性能的改变,为此本文研究了种植前后生物炭对蔬菜生长的影响,结果如图6所示.

图6 不同处理对作物鲜重和株高的影响

从图6中可看出,牛粪生物炭和化肥的施用对蔬菜生长具有促进作用.与空白CK相比,其中CF、C、CCF处理蔬菜的鲜重、株高均有一定的增加.而牛粪生物炭与化肥混施处理(CCF)条件下,蔬菜的鲜重、株高增幅最大,与CK相比,增幅约为2倍.因此,土壤中添加牛粪生物炭对蔬菜鲜重、株高增加有较显著的促进作用,这是因为牛粪生物炭施加土壤后,对土壤进行了良性改良.从而对提高蔬菜生长有一定的积极作用.特别是生物炭与化肥配施效果就更加突出,因为牛粪生物炭不但可以改良土壤,而且可以阻止土壤中氮肥营养的流失[13].

3 结 论

牛粪生物炭的施用明显能改善土壤理化性质.不同处理条件下蔬菜种植后较种植前土壤有机质、持水量都有不同程度的增大,而土壤CEC值、土壤的容重都有不同程度的下降.牛粪生物炭单施处理(C)较空白(CK)相比,土壤pH值、有机质、土壤阳离子交换容量(CEC)和持水率分别提高了0.9单位、45.5%、42.9%和6.29%,土壤容重下降了17.1%.

牛粪生物炭的施用,提高了化肥的利用率,对化肥使用导致的土壤酸化具有抑制作用.牛粪生物炭化肥混施处理(CCF)较化肥单施处理(CF)相比,土壤pH值、有机质、阳离子交换容量(CEC)和持水率分别增加了0.71单位、43.0%、30.5%和16.5%;土壤容重下降了13.2%.

牛粪生物炭的施用对蔬菜生长具有促进作用.与空白(CK)相比,牛粪生物炭单施处理(C)、牛粪生物炭化肥混施处理(CCF)处理蔬菜的鲜重、株高均有一定的增加.且牛粪生物炭化肥混施处理(CCF)处理条件下,蔬菜的鲜重、株高增幅最大,增幅约为2倍.

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EffectofCowDungBiocharonSoilPropertiesofVegetableGreenhouse

LinJingwen,DingHaitao,WuDan,WangDandan,SunLina,HeBin

(College of Environment, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

The effect of cow dung biochar on soil properties of vegetable greenhouse was studied. The situation after single treatment of cow dung biochar(C) planting is compared to blank(CK) planting; and the situation after mixed treatment of cow dung biochar and fertilizer(CCF) planting compared to the single treatment of fertilizer(CF) planting. The experimental result indicate that the application of cow dung biochar can significantly improve the physical and chemical properties of soil, increase the utilization rate of fertilizer, and promote the growth of vegetables.

cow dung biochar; greenhouse; soil; properties; vegetables

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: A

【责任编辑:肖景魁】

2017-03-07

国家重点基础研发资助项目(2014CB441106); 沈阳科技计划资助项目(F14-133-9-00); 沈阳大学大学生创新创业资助项目(201611035000095).

林静雯(1965-),女,辽宁大连人,沈阳大学教授.

2095-5456(2017)04-0292-05