生物炭配施沼液对番茄根区土壤养分环境的影响及评价

2023-08-04杨少鸿宿智鹏刘俊彦张平安

干旱地区农业研究 2023年4期

郑健,杨少鸿 ,宿智鹏 ,刘俊彦 ,张平安

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050;2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室,甘肃兰州 730050;3.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心,甘肃兰州 730050)

在农业生产中,化肥被用来保持土壤中作物所需的各种营养元素,在促进作物生长发育和提高产量品质方面发挥了重要作用[1]。但长期施用化肥会对土壤养分环境造成负面影响,比如土壤中H+含量增加、重金属含量过高及出现土壤酸化现象等,降低了土地的可持续利用性[2]。而已有研究表明有机肥的施用可以有效改善土壤养分环境条件[3]。

沼液作为一种液态速效有机肥料,其施用不仅可以促进植物生长[4],还能改善土壤结构、提高土壤肥力[5]。研究表明,土壤中施用适量沼液对番茄生长有积极的影响,能提高番茄产量和改善果实品质[6];同时沼液作为一种良好的有机肥,与常规化肥相比可以增加土壤孔隙度和土壤团聚体[7]。Yu等[8]发现沼液是一种营养易被植物获取和吸收的有机肥,适量施用可以提高土壤中的有机质、速效氮、速效磷、全氮、全磷和番茄果实中的氨基酸、可溶性糖和维生素含量等。但不少研究忽略了沼液的高水低肥特性,在沼液对番茄生长及土壤环境影响的前期研究中发现,沼液的高水低肥特性使其在施用过程存在潜在的深层渗漏问题,出现了水肥利用效率提升和土壤改善效果不明显的情况[9]。为了解决这一问题,需要采用新的方法来提高沼液在土壤根区的滞留量。生物炭是各种生物材料在高温封闭条件下处理后产生的吸附性强和比表面积大的固体物质[10],其作为一种土壤添加剂已经被广泛应用[11]。施用生物炭会使得土壤容重变低、孔隙数量增多,有助于提高作物水肥利用率[12]。何绪生等[13]研究发现生物炭是水肥留存于作物根部的关键,其施用后能够使水肥长时有效地在土壤中发挥作用,提高水肥的利用效率。

将具有强吸附特性和改善土壤结构作用的生物炭与绿色有机液肥沼液结合使用,能否充分发挥两者优势,同时解决沼液的深层渗漏问题,目前尚无定论。基于此,本试验采用水/沼液一体化穴孔灌溉技术,通过设置不同生物炭施用量配施沼液的处理,探讨各处理对番茄根区土壤养分含量的影响,并采用层次分析的方法进行评价,筛选适宜的生物炭添加量,以期为沼液潜在的深层渗漏问题提供解决方案,同时为温室沼液资源的高效利用和土壤养分环境的改善提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2019年9月—2020年10月在甘肃省兰州市七里河区魏岭乡的温室内(104°13′35′′E,36°58′12″N)进行,该区域海拔1 871.6 m,温室长50 m,宽11 m,高4.5 m。温室为东西方向,作物行为南北方向。温室顶部的通风系统用于控制白天的室内温度,冬季编织草席铺在温室表面保持夜间室内温度。试验开始之前,试验地0～60 cm土层土壤的理化性质见表1。

表1 研究区域土壤理化性质

1.2 试验材料

供试番茄品种为‘中研-958F1’,供试沼液理化性质如表2所示。供试生物炭理化性质:速效磷10.3 g·kg-1,速效钾56.57 g·kg-1,容重0.18 g·cm-3,比表面积9.1 m2·g-1,总孔隙度67.01%,通气孔隙度12.82%,含水孔隙度61.11%,pH 10.21,阳离子交换量60.5 mol·kg-1。

1.3 试验设计

试验设5个处理,包括1个当地常规化肥处理(CF)和4个沼液-生物炭处理(T0,T0.5,T1.0,T2.0)。CF处理按照当地经验进行施肥,单次施肥量为尿素78.5 kg·hm-2、磷肥94.8 kg·hm-2、钾肥97.8 kg·hm-2,肥料溶于水后滴灌施入土壤;前期试验和文献调研[8-9]发现,大田试验中20%沼液施加浓度对作物和土壤的影响最佳,故本研究将4个沼液-生物炭处理的沼液浓度设置为20%,T0、T0.5、T1.0、T2.0处理对应的生物炭施加量(质量比)分别为0%、0.5%、1.0%、2.0%,即各处理将水和沼液按照体积比配成20%浓度的沼液后,与不同质量比的生物炭混合滴灌施用。5个处理灌溉量均为W=KP×A×EP,式中,KP为蒸发皿系数,本研究取0.85;A为根区面积,本研究取1 800 cm2(30 cm×60 cm);EP为蒸发皿的蒸散量(cm)。灌溉间隔1 d,灌溉时间为8∶00—9∶00。具体试验设计见表3。番茄分别于2019年9月3日和2020年6月5日播种,2019年12月26日和2020年10月8日收获,每年播种前开始灌溉施肥。试验不设置休耕期,下一次种植之前清除植物残体,翻耕土壤。

1.4 测定指标

分别于番茄的苗期、开花结果期、果实膨大期、果实成熟期结束时,各处理随机选定一株番茄,采用土钻在距离番茄根部5～10 cm的地方取0～60 cm土层的土壤,风干研磨后测定土壤养分指标;番茄各生育时期开始前取样测定沼液的养分指标。土壤和沼液的pH值使用DDSJ-308F检测仪测定,土壤总氮含量采用凯氏定氮仪测定,土壤有机质含量采用重铬酸钾法测定,土壤硝态氮和铵态氮含量采用分光光度仪测定[9]。

表2 供试沼液养分状况

1.5 番茄根区土壤养分环境质量评价方法

采用层次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)评价土壤养分环境质量,具体步骤如下:

(1)建立层次结构模型:结构分为目标层、准则层和方案层。

(3)层次单排序及一致性检验:

②查找一致性指标RI,见表5;

③计算一致性比例CR;

CR=CI/RI,当CR<0.10时,判断矩阵的一致性是合理的。

表3 试验设计

④层次总排序及一致性检验:计算各层元素对目标层的合成权重和一致性检验,得到总排序。

1.6 数据处理及分析方法

数据处理采用SPSS 24.0软件,图表处理采用Origin 8.5软件。采用单因素方差分析(One-way,ANOVA)对不同处理下番茄根区土壤pH值、有机质、硝态氮、铵态氮和总氮含量进行差异显著性分析和配对比较(LSD,P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物炭配施沼液对番茄根区土壤pH值的影响

由图1可知,2019年和2020年两季试验番茄根区每一层(10 cm)土壤的pH值在番茄的苗期、开花结果期、果实膨大期、果实成熟期均呈T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF的变化规律。随着番茄生育期的进行,各处理0～40 cm土层土壤平均pH值均逐渐增大,40～60 cm土层土壤平均pH值部分处理出现小幅降低。其中T2.0处理果实成熟期0～60 cm各土层土壤pH值较苗期分别提高了0.120%、0.132%、0.122%、0.081%、0.072%、0.054%,较开花结果期分别提高了0.073%、0.112%、0.091%、0.052%、0.033%、-0.001%,较果实膨大期分别提高了0.013%、0.034%、0.032%、0.002%、-0.001%、0.024%。且果实成熟期T2.0处理10～20 cm土层pH值较CF、T0、T0.5、T1.0处理分别提高了0.093%、0.066%、0.053%、0.026%。结果表明,随着生物炭施用量的增加和番茄生育期的推进,根区土壤pH值有逐渐增加的趋势,但增量较小,在番茄果实成熟期的10～20 cm土壤深度T2.0处理pH值最大。

2.2 生物炭配施沼液对番茄根区土壤全氮含量的影响

由图2可知,2019年和2020年两季番茄根区0～60 cm各土层土壤全氮含量均随番茄生育期的进行逐渐增大,各生育时期均以T2.0处理土壤全氮含量最高,CF处理土壤全氮含量最低。各处理全氮含量在土层深度上都表现为0～20 cm土层内逐渐增大、20～40 cm土层内逐渐减小的规律,在10～20 cm土层达到最大值。T2.0处理苗期10～20 cm土层土壤全氮含量较T1.0、T0.5、T0、CF处理分别提高了2.61%、3.06%、10.47%、15.46%,开花结果期分别提高了2.92%、5.51%、9.68%、8.51%,果实膨大期分别提高了2.97%、4.69%、7.32%、13.01%,果实成熟期分别提高了4.56%、6.22%、10.73%、16.46%,说明T2.0处理更有利于番茄根区土壤全氮含量的增加,且番茄各生育时期土壤全氮含量在T2.0处理的10～20 cm土层处达到最大值。

表5 平均随机一致性指标

2.3 生物炭配施沼液对番茄根区土壤硝态氮含量的影响

从图3可以看出,2019年和2020年两季番茄根区0～60 cm各土层土壤硝态氮含量均随着番茄生育期的进行而逐渐增大,全生育期0～60 cm土层土壤硝态氮含量表现为T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF,各处理番茄整个生育期内的土壤硝态氮含量在土层深度上都呈0～20 cm土层增大、20～40 cm土层减小的趋势,且均在10～20 cm土层达到最大值;各生育时期根区土壤硝态氮含量均为T2.0处理最高。T2.0处理苗期10～20 cm土层的土壤硝态氮含量较T1.0、T0.5、T0、CF处理分别提高了6.66%、10.04%、13.45%、17.88%,开花结果期分别提高了4.27%、7.55%、15.21%、16.51%,果实膨大期分别提高了3.11%、6.18%、11.13%、17.18%,果实成熟期分别提高了2.63%、4.25%、7.11%、13.53%,表明T2.0处理可以显著提高番茄根区土壤硝态氮的累积。

2.4 生物炭配施沼液对番茄根区土壤铵态氮含量的影响

由图4可知,2019年和2020年两季番茄根区0～60 cm各土层土壤铵态氮含量均随番茄生育期的进行逐渐增大,各生育时期土壤铵态氮含量表现为T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF,均为T2.0处理最高,CF最低。各处理全生育期铵态氮含量均随土层深度增加呈先增大后减小的趋势,最大值出现在10～20 cm土层。T2.0处理10～20 cm土层土壤铵态氮含量在苗期较T1.0、T0.5、T0、CF处理分别提高了2.06%、4.32%、11.81%、17.92%,开花结果期分别提高了5.61%、2.95%、9.71%、15.35%,果实膨大期分别提高了2.15%、4.93%、8.56%、7.61%,果实成熟期分别提高了1.69%、5.25%、8.68%、14.07%,表明T2.0处理番茄根区土壤铵态氮的累积效果优于其他处理。

图2 生物炭配施沼液对根区土壤全氮的影响

图3 生物炭配施沼液对根区土壤硝态氮的影响

图4 生物炭配施沼液对根区土壤铵态氮的影响

2.5 生物炭配施沼液对番茄根区土壤有机质含量的影响

从图5看出,2019年和2020年两季番茄根区0～60 cm各土层土壤有机质含量随着番茄生育期的进行而逐渐增大,各个生育时期均为T2.0处理最高,CF处理最低。在番茄整个生育期,各处理0～60 cm土层土壤有机质含量均随土层加深呈先增大后减小的趋势,并在10～20 cm土层处出现最大值。T2.0处理10～20 cm土层有机质含量在苗期较T1.0、T0.5、T0、CF处理分别提高了2.42%、5.44%、9.74%、13.56%,开花结果期分别提高了1.40%、4.87%、9.95%、13.94%,果实膨大期分别提高了2.21%、5.53%、13.93%、18.59%,果实成熟期分别提高了3.27%、6.65%、10.71%、14.63%,说明T2.0处理能够有效增加番茄根区土壤有机质含量。

2.6 番茄根区土壤养分环境评价

作物的产量和品质与土壤养分环境有直接关系,后者会通过影响前者而影响人们的生活质量与健康状况[2]。土壤理化性质与土壤质量和作物生长发育有密切联系,对土壤自身构造和肥力有一定的影响。本文选取土壤pH值、全氮含量、铵态氮含量、硝态氮含量和有机质含量作为评价指标,采用层次分析法(AHP)评价生物炭配施沼液各处理下土壤养分环境质量的优劣,步骤如下:

(1)建立土壤养分环境质量评价的递阶层次结构模型(图6)。本研究中目标层A为土壤养分环境质量,准则层B为:土壤pH值(B1)、土壤全氮含量(B2)、土壤铵态氮含量(B3)、土壤硝态氮含量(B4)、土壤有机质含量(B5),方案层C为:CF处理(C1)、T0处理(C2)、T0.5处理(C3)、T1.0处理(C4)、T2.0处理(C5)。

(2)根据建立的土壤养分环境质量评价递阶层次结构模型,在调查表上写明层次分析法的特点及比率标度(表4)后,根据层次分析法的专家打分机制向相关专业的26位老师及本专业208位本科生和研究生散发土壤养分环境质量评价分析的调查表,调查表收回有效率98%。通过统计分析形成各个层次的判断矩阵如表6所示。

图5 生物炭配施沼液对根区土壤有机质的影响

图6 土壤养分环境质量评价的递阶层次结构模型

表6 土壤养分环境质量评价因子判断矩阵

(3)计算各层元素对目标层的合成权重及一致性检验,各层元素对目标层的合成权重见表7。

通过目标总排序一致性检验发现,方案层的总排序一致性比率CR=0.0308<0.1000,满足条件。根据处理总权重值可知,各处理对根区土壤养分环境质量影响的排序表现为:T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF,表明在相同沼液浓度(20%)灌溉下,随着施用量的增加,生物炭对土壤养分环境质量的影响逐渐增大。当生物炭施加量的质量比为2.0%(T2.0处理)时,目标层的总权重达到最大值0.3966,即T2.0处理改善土壤养分环境质量效果最好。T0处理的排序高于CF处理,说明在不增施生物炭的情况下,20%浓度的沼液作为有机肥施用比同等条件下常规化肥施用对土壤养分环境质量的影响大,即施用合理浓度的沼液一定程度上也可改善土壤养分环境质量。

3 讨论

生物炭具有表面积大、孔隙率高、吸附性强的特点。Qian等[14]开展的施用生物炭对华南红壤保水特性影响的试验,以及Barna等[15]开展的混掺生物炭对粉壤土物理特性影响的研究结果均表明,生物炭添加可以改善土壤物理结构并提高土壤持水性能。沼液施用对土壤持水能力的提高也有积极作用,杨乐等[16]、侯冬梅等[17]和Yague等[18]的研究结果表明,施加沼液能增大土壤的总孔隙度及毛管孔隙度,进而提高土壤的持水能力。Abdo等[19]发现,生物炭和沼液配施提高沙土持水能力的效果优于生物炭或沼液单独施用处理。本研究发现,生物炭和沼液的pH值在7.0以上,但其配合施用并未引起土壤pH值的明显升高,反而对番茄根区土壤pH值起到了一定的改善作用,使0～40 cm土层土壤pH值出现小幅度的增大;同时,当灌溉沼液浓度为20%时,随着生物炭施用量的增加,番茄根区土壤0～60 cm土层的总氮、硝态氮、铵态氮含量、pH、有机质含量均较常规施肥处理有不同程度的增加,以土壤10～20 cm土层T2.0处理增幅最大。一方面可能是因为施加的沼液和生物炭自身就呈碱性,能缓解土壤的酸化,同时,沼液中有机质在微生物分解作用下产生的各类酸也能防止土壤碱化,这与黄连喜等[20]和陈瑶等[21]的研究结果一致;另一方面,作为有机肥,沼液含有能促进作物生长的氮、磷、钾等营养元素,它还可以改善土壤结构[22],与生物炭联合施用后能促进土壤团粒结构的形成,同时生物炭的强吸附特性降低了作物根层土壤中的养分流失[23-24],使得沼液中促进作物生长发育的大量和微量元素在作物根层的滞留量有所增加[25],从而提高了作物根区土壤的养分含量。

表7 各层元素对目标层的合成权重

土壤养分环境会影响作物的生长和产量品质的形成,对土壤养分环境质量的科学合理评价至关重要。层次分析法(AHP)是定性和定量相结合的一种评价方法,与传统的分析方法相比,其优势在于能用较少的信息使决策思维过程数学化,为多个准则的问题提供简单的评价方法[26]。土地利用适宜性分析[27]和土壤质量评价[28]等方面的研究充分证实了该方法的科学性和合理性。本研究采用层次分析法评价番茄根区土壤养分环境质量时发现,在沼液施用浓度为20%时,生物炭施用量越大,其对土壤养分环境质量的影响越大,即T2.0处理(生物炭施用量2.0%)在改善土壤养分环境质量方面效果最明显。这与郑健等[29-30]生物炭配施沼液条件对土壤中各种养分指标影响的研究所得结论相似。