生物炭还田对融雪期棕壤有效养分的影响

刘菁华，米彩红，周丽丽，许秀泉，师澜峰，曹湘英

(沈阳农业大学 水利学院，沈阳 110866)

秸秆炭化是指将作物秸秆在完全或部分缺氧条件下进行热裂解，最后生成一类高度芳香化、难溶性的固态生物质炭的过程[1]。秸秆生物炭具有良好的多孔结构和理化性质，在改良土壤结构、改善微生物生存环境及提高作物产量与品质等方面具有重要作用[2-3]。近年来，生物质炭对土壤养分有效性的影响更成为农业和环境领域的研究热点。生物炭本身含有一定的营养元素，对土壤养分有直接添加作用[4]。生物炭具有很强的离子吸附交换能力，可以吸附土壤中矿物质养分，延缓其在土壤中的释放[5]。此外，生物炭可以改变土壤微生物环境，通过影响微生物进而间接影响土壤养分的吸收、释放和有效性[6]。生物炭施入土壤能够改变土壤体积质量和孔隙度，提高土壤的持水能力和供水能力，减少水溶性营养离子的溶解迁移，避免营养元素快速淋失[7]。综上可见，生物炭可以通过改变土壤理化性质或土壤环境直接或间接影响土壤养分有效性。

但是，以往学者关于生物炭对土壤养分有效性的影响大多集中于作物生长期，结合生物炭对作物生长发育及作物产量影响进行研究。关于生物炭输入对寒区春季融雪期有效养分影响少有报道。在中国东北地区，春季融雪期积雪及冻土融化导致土壤含水率较高，部分养分随融雪水向下迁移而淋失[8]。同时反复的冻融作用使土壤稳定性减弱，土壤有效养分随土壤离子浓度变化而发生改变[9-10]。融雪期土壤有效养分的流失直接制约春季作物幼苗的生长发育。在春季融雪期，生物炭输入是否可以有效改善土壤养分水平，其具体影响因素有哪些，目前尚缺少相关研究。因此，本试验选取辽宁地区典型土壤棕壤为研究对象，通过在野外布设小区进行田间原位观测试验，分析融雪期各小区土壤有效养分变化，探讨生物炭还田对融雪期土壤养分的影响及机理，旨在为生物炭防治融雪期面源污染及改善作物生长初期养分供应水平提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验地位于辽宁省沈阳农业大学水利学院综合试验基地玉米试验田。试验区域位于北纬41°44′，东经123°27′，海拔44.7 m，位于沈阳市东部。年平均气温8.1 ℃，冬季平均气温-9.6 ℃。多年平均降水量680.3 mm，年无霜期为149 d。冬季土壤最大冻结深度为148 cm。试验田地势平缓，土壤类型为棕壤，成土母质为黄土性黏土及淤积物，土壤pH 6.36，田间持水量为37.89%，体积质量1.28 g/cm3。

1.2 试验材料

试验所需生物炭原材料为玉米秸秆，委托辽宁省生物炭技术研究中心采用专利炭化技术(ZL201110073104.1)，在裂解炉及限氧条件下(450 ℃)下制备而成[11]。为保证生物炭颗粒均匀性，将制备成的秸秆生物炭磨细过1 mm筛备用。生物炭基本性质：pH 7.74，有机质14.1 mg/kg，全氮质量分数1.54%，有效磷19.3 mg/kg，全钾质量分数1.68%，电导率179.6 S/m。

1.3 试验设计

1.3.1 田间布设 于2015 年10月末秋收后在玉米大田中划分小区，施加生物炭。生物炭一次性均匀撒施于土壤表层并浅翻，与表层土壤均匀混合。生物炭施用量设定4个水平：以不施生物炭为对照(CK)、生物炭用量为6(B1)、12(B2)、24(B3)t/hm2。小区规格为3 m×5 m，采用随机区组设计，重复3 次，共设12个小区。

1.3.2 土样采集 因2016年为沈阳地区积雪较少年份，为保证各小区融雪前积雪量与常年平均积雪量相当，在2016-02-15大雪过后，用雪铲将空闲地积雪均匀撒在试验小区内，保证积雪初始厚度为25 cm。3月上旬积雪开始融化，逐日采集土样。每日采土时在小区内均匀布设5个采样点，14:00气温最高时采样。用雪铲清理表层未融化积雪，利用环刀采集0～10 cm表层土壤。采样过程中尽量避免扰动周围土壤，采样结束后将积雪重新覆盖。小区内积雪融化持续7 d，所以观测及采样共7 d。融雪期结束后，测定各小区土壤体积质量。

1.4 测定指标及方法

1.5 数据分析

测定结果均采用3次重复(误差不超过5%)的平均值。应用Excel 2010和SPSS 18.0软件进行数据处理，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)对数据进行显著性检验，用皮尔森(Pearson)法分析各指标间相关性。

2 结果与分析

2.1 生物炭还田对融雪期土壤速效养分质量分数的影响

融雪期土壤有效磷质量分数变化趋势为先增大后减小，融雪后期趋于稳定。融雪第1天各处理有效磷质量分数差别较大，依次为CK(14.64 mg/kg)

表1 生物炭不同施加量处理融雪期土壤有效养分质量分数Table 1 Variation of soil available nutrient under different treatments during snowmelt period

2.2 生物炭输入对融雪期土壤速效养分影响因素分析

通过测定各小区内土壤电导率、含水率、土壤温度和每日积雪厚度等相关指标在融雪期的变化(图1)，分析融雪期土壤有效养分变化主要影响因素。

表2 生物炭施加量与融雪持续期对土壤有效养分质量分数影响的方差分析Table 2 ANOVA of biochar application rate and snowmelt period on mass fraction of available nutrient in soil

图上不同小写字母表示不同施加生物炭处理间指标差异达到显著水平(P<0.05) Different lowercase letters in the figure mean significant difference in effect of biochar application rate on mass fraction of available nutrient (P< 0.05)

土壤有效磷与土壤含水率、土壤温度等均无显著相关关系。通过分析各处理在融雪前期的变化发现，B3处理的变化趋势与其他处理不同：施加生物炭较高处理中有效磷质量分数受土壤水分影响较明显，融雪前期随土壤水下渗导致质量分数有所减少。速效钾质量分数也随积雪融化而减少，呈现缓慢下降趋势。土壤电导率反映土壤浸出液中各种阴离子和阳离子的总和。大部分有效养分与电导率呈正相关关系，说明融雪前期土壤养分和各种离子变化规律一致。

融雪后期(5～7 d)土壤及积雪融化特征与有效养分相关关系分析结果见表4。各有效养分之间呈现极显著相关关系。说明各有效养分在融雪后期变化规律较为一致。融雪后期，每日积雪厚度较少，积雪厚度对土壤有效养分影响不再显著。土壤温度与各养分指标间也无明显相关关系。

表3 融雪前期(1～4 d)土壤及积雪融化特征与有效养分的相关性Table 3 Correlation coefficients of soil available nutrient with soil and snowmelt characteristic during snowmelt period(1-4 d)

表4 融雪后期(5～7 d)土壤及积雪融化特征与有效养分的相关性Table 4 Correlation coefficients of soil available nutrient with soil and snowmelt characteristic during snowmelt period(5-7 d)

3 讨 论

通过土壤有效养分和其他指标相关分析，探讨生物炭融雪期固持土壤养分原理。融雪第1天开始，施加生物炭处理有效养分质量分数都大于对照处理，主要有以下2个原因。首先，生物炭本身含有丰富的养分元素，在秋季施入土壤后，可以直接补给土壤速效养分[4]。其次，生物炭对速效养分具有较强吸附能力。生物炭中含有丰富的有机大分子，施入土壤后较易形成大团聚体，增进土壤矿质氮素的吸附和保持，延缓其在土壤中的释放[20,5]；生物炭含有丰富的化学官能团，具有较高离子吸附交换量，可以吸附和负载土壤养分离子[21]。

4 结 论

参考文献Reference：

[1] 孙红文.生物炭与环境[M].北京:化学工业出版社,2013.

SUN H W.Biochar and Environment[M].Beijing:Chemical Industry Press,2013.

[2] 武 玉,徐 刚,吕迎春,等.生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J].地球科学进展,2014,29(1):68-79.

WU Y,XU G,LÜ Y CH,etal.Effects of biochar amendment on soil physical and chemical properties:Current status and knowledge gaps[J].AdvancesinEarthScience,2014,29(1):68-79.

[3] ATHINSON C J,FITZGERALD J D,HIPPS N A.Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils:a review[J].PlantSoil,2010,337(1/2):1-18.

[4] ANGST T E,SOHI S P.Establishing release dynamics for plant nutrients from biochar[J].GlobalChangeBiologyBioenergy,2013,5(2):221-226．

[5] 惠锦卓,张爱平,刘汝亮,等.添加生物炭对灌淤土土壤养分含量和氮素淋失的影响[J].中国农业气象,2014,35(2):156-161.

HUI J ZH,ZHAGN A P,LIU R L,etal.Effects of biochar on soil nutrients and nitrogen leaching in anthropogenic-alluvial soil[J].ChineseJournalofAgrometeorology,2014,35(2):156-161.

[6] GUNDALE M J,DELUCA T H.Charcoal effects on soil solution chemistry and growth ofKoeleriamacranthain the ponderosa pine/Douglas-fir ecosystem[J].BiologyFertilizerSoils,2007,43(3):303-311.

[7] 曾 爱,廖允成,张俊丽,等.生物炭对土娄土土壤含水量、有机碳及速效养分含量的影响[J].农业环境科学学报,2013,32(5):1009-1015.

ZENG A,LIAO Y CH,ZHANG J L,etal.Effects of biochar on soil moisture,organic carbon and available nutrient mass fractions in manural loessial soils[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2013,32(5):1009-1015.

[8] JOSEPH G,HENRY H A L.Soil nitrogen leaching losses in response to freeze-thaw cycles and pulsed warming in a temperate old field[J].SoilBiology&Biochemistry,2008,40(7):1947-1953.

[9] 孙跃嘉,田 甜,何 娜,等.冻融周期对棕壤性质及砷吸附解吸特性的影响[J].生态环境学报,2016,25(4):724-728.

SUN Y J,TIAN T,HE N,etal.Effects of freeze-thaw on soil characters and arsenate adsorption and desorption [J].EcologyandEnvironmentalSciences,2016,25(4):724-728.

[10] 乔思宇,周丽丽,范昊明,等.冻融条件下黑土无机磷分级及有效性研究[J].土壤,2016,48(2):259-264.

QIAO S Y,ZHOU L L,FAN H M,etal.Classification and efficiency of inorganic phosphorus in black soil under freezing and thawing conditions[J].Soils,2016,48(2):259-264.

[11] 陈温福.简易玉米芯颗粒炭化炉及其生产方法:200710086505.4[P].2007-10-03.

CHEN W F.Simple corncob granule carbonization furnace and production method thereof:200710086505.4[P].2007-10-03.

[12] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000.

BAO SH D.Soil Agricultural Chemistry Analysis[M].Beijing:China Agriculture Press,2000.

[13] 国家质量技术监督局.木质活性炭试验方法pH值的测定:GB/t12496.7-1999[S].北京:中国标准出版社,2000.

The State Bureau of Quality and Technical Supervision.Test Methods of Wooden Activated Carbon-Determination of pH:GB/t12496.7-1999[S].Beijing:Standards Press of China,2000.

[14] 中华人民共和国国家林业局.活性炭水萃取液电导率测定方法:LY/T 1616-2004[S].北京:中国标准出版社,2004.

The State Forestry Administration of the People’s Republic of China.Determination of Electric Conductivity of Aqueous Extract from Activated Carbon:LY/T 1616-2004[S].Beijing:Standards Press of China,2004.

[15] 范昊明,张瑞芳,周丽丽,等.气候变化对东北黑土冻融作用与冻融侵蚀发生的影响分析[J].干旱区资源与环境,2009,23(6):48-53.

FAN H M,ZHANG R F,ZHOU L L,etal.Impact of climate change on freeze-thaw function and freeze-thaw erosion in black soil region of Northeast China[J].JournalofAridLandResourcesandEnvironment,2009,23(6):48-53.

[16] 陈 哲,杨世琦,张晴雯,等.冻融对土壤氮素损失及有效性的影响[J].生态学报,2016,36(4):1083-1094.

CHEN ZH,YANG SH Q,ZHANG Q W,etal.Effects of freeze-thaw cycles on soil nitrogen loss and availability[J].ActaEcologicaSinica,2016,36(4):1083-1094.

[17] MALYSHEV A V,HENRY H A L.N uptake and growth responses to sub-lethal freezing in the grass Poa pratensis [J].Plant&Soil,2012,360(1-2):175-185.

[18] 孙桂芳,金继运,石元亮.土壤磷素形态及其生物有效性研究进展[J].中国土壤与肥料,2011(2):1-9.

SUN G F,JIN J Y,SHI Y L.Research advance on soil phosphorous forms and their availability to crops in soil[J].SoilandFertilizerSciencesinChina,2011(2):1-9.

[19] 钱 多,范昊明,周丽丽,等.冻融作用对棕壤磷素吸附—解吸特性的影响[J].水土保持学报,2012,26(2):279-283.

QIAN D,FAN H M,ZHOU L L,etal.Effects of freeze-thaw cycles on phosphorus adsorption and desorption characteristic in brown earth[J].JournalofSoilandWaterConservation,2012,26(2):279-283.

[20] WILLIAM H,PHILIP R,JAMES W.Effects of three different biochars on aggregate stability,organic carbon mobility and micronutrient bioavailability[J].JournalofEnvironmentalManagement,2016,181:770-778.

[21] 盖霞普,刘宏斌,翟丽梅,等.玉米秸秆生物炭对土壤无机氮素淋失风险的影响研究[J].农业环境科学学报,2015,34(2):310-318.

GAI X P,LIU H B,ZHAI L M,,etal.Effects of corn-stalk biochar on inorganic nitrogen leaching from soil[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2015,34(2):310-318.

[22] 解 倩,王丽梅,齐瑞鹏,等.生物炭对黄绵土水分入渗和持水性能的影响[J].地球环境学报,2016,7(1):65-76,86.

XIE Q,WANG L M,QI R P,etal.Effects of biochar on water infi ltration and water holding capacity of loessial soil[J].JournalofEarthEnvironment,2016,7(1):65-76,86.

[23] 王怀玉,杨万勤.季节性冻融对亚高山冷杉林土壤微生物数量的影响[J].林业科学,2012,48(5):88-94.

WANG H Y,YANG W Q.Effects of seasonal freeze-thaw cycles on quantity of soil microbes in the subalpine fir forest[J].ScientiaSilvaeSinicae,2012,48(5):88-94.