林靜雯, 丁海濤, 吳 丹, 王丹丹, 孫麗娜, 賀 彬

(沈陽大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

牛糞生物炭對蔬菜大棚土壤性能影響

林靜雯, 丁海濤, 吳 丹, 王丹丹, 孫麗娜, 賀 彬

(沈陽大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

研究了牛糞生物炭對蔬菜大棚土壤性能影響,對比了牛糞生物炭單施處理(C)較空白(CK)處理、牛糞生物炭和化肥混施處理(CCF)較化肥單施處理(CF)種植后的情況.結(jié)果表明:牛糞生物炭施用明顯改善了土壤理化性質(zhì),提高了化肥利用率,促進(jìn)了蔬菜生長.

牛糞生物炭; 大棚; 土壤; 性能; 蔬菜

由于營養(yǎng)元素和農(nóng)藥的過度施用,蔬菜大棚土壤的酸化、板結(jié)問題十分突出.開發(fā)研究蔬菜大棚土壤低成本的綠色原位修復(fù)技術(shù),一直是迫切需要解決的焦點(diǎn)問題[1].

近年來生物炭作為一種新興復(fù)合材料,在應(yīng)用其作為土壤改良劑方面已顯示出較大潛力,國內(nèi)外研究表明,施用生物炭可提高土壤持水性能和養(yǎng)分吸持容量、陽離子交換量(CEC) 、有機(jī)質(zhì)含量和酸性土壤 pH 值、土壤微生物量及活性,促進(jìn)作物生長和增產(chǎn)等.此外,由于生物炭可延緩肥料釋放,可降低肥料損失,將其與肥料配施作物增產(chǎn)效果更顯著.在目前開展的應(yīng)用生物炭作為土壤改良劑的研究中,利用生物炭對蔬菜大棚土壤進(jìn)行改良的研究雖然也有文獻(xiàn)涉及.但以牛糞為原料制備的生物炭對蔬菜大棚土壤進(jìn)行改良的研究卻鮮有報(bào)道,是一個(gè)亟待開發(fā)研究的領(lǐng)域.

為了給蔬菜大棚土壤改良提供低成本、無二次污染的修復(fù)技術(shù),拓展牛糞生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,同時(shí)解決牛養(yǎng)殖業(yè)帶來的牛糞排放環(huán)境污染問題,實(shí)現(xiàn)牛糞資源化利用,本文以牛糞為原料制備生物炭,研究牛糞生物炭施用對蔬菜大棚土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響,以期為利用牛糞生物炭對蔬菜大棚土壤進(jìn)行修復(fù)提供技術(shù)支撐的同時(shí),也為牛糞資源化利用提供有效途徑.

1 材料與方法

(1) 試驗(yàn)區(qū)概況.試驗(yàn)區(qū)位于遼寧省沈陽市沈北地區(qū)大棚基地,地理位置N42°09.194′,E123° 52.56′.

土壤的性質(zhì):pH值5.9,有機(jī)質(zhì)含量33.6 g·kg-1,容重1.3 g/cm3,CEC 23.4 mol/kg,持水量26.8%.

(2) 生物炭的制備.牛糞生物炭在實(shí)驗(yàn)室通過在缺氧的條件下熱解制備.鮮牛糞取自沈陽市遼中縣某牛養(yǎng)殖廠,經(jīng)過自然風(fēng)干的牛糞,粉碎后置于有控溫裝置的馬弗爐中熱解,在500 ℃條件下熱解2 h,冷卻到室溫后研磨,過0.25 mm篩,備用.牛糞生物炭性質(zhì):pH值為9.55,比表面積為86.43 m2·g-1,灰分為27.3%.

(3) 試驗(yàn)方法.試驗(yàn)在沈陽市沈北地區(qū)某蔬菜大棚進(jìn)行,試驗(yàn)面積為16 m2,隨機(jī)區(qū)組排列.共設(shè)2組,分別種植小白菜和油菜.每組設(shè)4個(gè)處理:CK處理為對照(不施氮肥和牛糞生物炭);CF處理為常規(guī)處理,化肥單施,尿素施用量為600 kg·hm-2(與沈陽市大棚種植蔬菜作物施肥量相當(dāng)); C處理為牛糞生物炭單施,用量為10 t· hm-2; CCF處理為牛糞生物炭和化肥混合施用,用量為牛糞生物炭10 t· hm-2,化肥600 kg· hm-2.在種植前,準(zhǔn)確稱量牛糞生物炭和氮肥,將事先稱量好的牛糞生物炭均勻撒在C和CCF處理區(qū)域,均勻撒施后翻耕(20 cm)土.氮肥分兩次撒施,第一次在種植前,第二次在種植30 d以后,每次施用為總量的一半.田間管理按照正常農(nóng)藝管理方法進(jìn)行.

(4) 樣品的采集與分析.土壤樣品種植前和種植后各采集一次,取自地表0～20 cm土層,用四分法對角取出適量土壤樣品.土壤樣品室內(nèi)風(fēng)干,過0.355 mm篩后,用于測定相關(guān)理化性質(zhì).

植物樣品:在小白菜和油菜收獲季節(jié)采集供分析用的植株樣品,每個(gè)處理分別采6株小白菜或油菜作為一組樣品,每個(gè)植株樣品分解為地上部分(莖葉)和地下部分(根),洗凈,晾干去除水分,分別稱重和測量株高.

土壤理化性質(zhì)參照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 1121.1-2006)的方法測定:容重分析采用環(huán)刀法;土壤田間持水量的測定采用環(huán)刀法;pH值采用上海圣科儀器設(shè)備有限公司pH計(jì)(型號:pHSJ-5pH) 測定(土水比為1∶5);土壤有機(jī)質(zhì)含量采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法; 陽離子交換量采用氯化銨-乙醇法測定.

(5) 數(shù)據(jù)分析.所有指標(biāo)的測定均重復(fù)3次,使用Microsoft Excel 2007進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的錄入、計(jì)算;使用Origin繪制圖形;使用SPSS tatistics 19.0中Post-Hoc(Dun-can)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理.

2 結(jié)果討論與分析

2.1牛糞生物炭對土壤pH值的影響

土壤pH值是土壤的重要理化性質(zhì)之一,pH值可以綜合反映土壤其他化學(xué)性質(zhì),為此本文研究了種植前后牛糞生物炭對土壤pH值的影響,結(jié)果如圖1所示.

圖1不同處理對土壤pH值的影響
Fig.1 Effects of different treatments on soil pH

注: 不同小寫字母表示各處理之間在0.05水平存在顯著差異(n=3).下同

從圖1可見,4種不同處理下,種植前后的土壤pH值都有不同程度的變化.其中空白處理(CK)在種植后比種植前土壤pH值稍微增高,單施化肥處理(CF)種植后較種植前土壤pH值降低了0.1個(gè)單位,表明化肥的使用導(dǎo)致或者加劇土壤酸化.種植前單施生物炭處理(C)比空白處理(CK)的土壤pH值增高了0.46個(gè)單位,而種植后增高了0.90個(gè)單位,表明生物炭提高了土壤pH值;生物炭和化肥混施處理(CCF)和單施化肥處理(CF)比較,種植前土壤pH值增高了0.31個(gè)單位,種植后增高了0.71個(gè)單位,表明生物炭的使用抑制了化肥使用導(dǎo)致的土壤酸化.

這是因?yàn)樯锾亢械幕曳衷厝鏚、Na、Ca、Mg等均呈可溶態(tài),施入土壤后可提高土壤的鹽基飽和度,通過吸持作用降低土壤的交換性H+和交換性鋁離子的水平,從而提高土了壤的pH值[2].

2.2牛糞生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分,是土壤質(zhì)量化學(xué)指標(biāo)的重要內(nèi)容.為此本文研究了種植前后生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)的影響,結(jié)果如圖2所示.

圖2不同處理對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

Fig.2 Effects of different treatments on soil organic matter

從圖2可見,4種不同處理下種植后較種植前土壤有機(jī)質(zhì)值都有不同程度的增大.增大的幅度分別為7.46 %、16.25 %、29.39%和36.74%.這可能是蔬菜生長過程中有根系和枯葉在土壤微生物的分解下,從而使得土壤有機(jī)質(zhì)有所增大.種植后牛糞生物炭單施處理(C)和牛糞生物炭和化肥混施處理(CCF)較空白處理(CK)相比,土壤有機(jī)質(zhì)提高效果顯著,分別增加了45.5%和61.9%.牛糞生物炭和化肥混施處理(CCF)與單施化肥處理(CF)比較,土壤有機(jī)質(zhì)值增加了43%.這是因?yàn)榕＜S生物炭作為一種富含有機(jī)質(zhì)的物質(zhì),可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[3];另一方面,生物炭有巨大的比表面積和很好的吸附性能,能吸附土壤中物質(zhì),可能是牛糞生物炭增大土壤有機(jī)質(zhì)的另一個(gè)原因[4].可見牛糞生物炭對于提高土壤有機(jī)質(zhì)效果顯著,比化肥單施對土壤有機(jī)質(zhì)提升效果明顯.

2.3牛糞生物炭對土壤陽離子交換量(CEC)的影響

土壤陽離子交換量(CEC)反應(yīng)了土壤的供肥能力、保肥能力和緩沖能力,常被用作衡量土壤緩沖力和土壤肥力的重要指標(biāo),是土壤理化性質(zhì)之一[5].為此本文研究了種植前后生物炭對土壤陽離子交換量(CEC)的影響,結(jié)果如圖3所示.

圖3不同處理對土壤CEC的影響
Fig.3 Effects of different treatments on soil CEC

從圖3可見, 4種不同處理?xiàng)l件下種植后較種植前土壤CEC值都有不同程度的下降,下降的幅度分別為8.4%、7.1%、8.1%和7.7%.這是因?yàn)榭赡苁鞘卟松L過程中吸收利用了土壤中的一些礦物元素,導(dǎo)致各處理下的土壤CEC在種植后較種植前都有一定程度的下降.

種植后牛糞生物炭單施處理(C)和牛糞生物炭和化肥混施(CCF)處理?xiàng)l件下較空白(CK)相比,土壤CEC值分別提高了42.9%和44.0%,這表明牛糞生物炭對提高土壤的CEC效果較顯著.牛糞生物炭化肥混施處理(CCF)與單施化肥處理(CF)比較,土壤CEC值增加了30.5%.這是由于牛糞生物炭本身具有微孔結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的吸附作用,使其能夠吸附更多的礦物質(zhì)元素.同時(shí)生物炭還能激活部分穩(wěn)定態(tài)元素,使其成為活化態(tài),因而生物炭能增加土壤的CEC[6].另外,牛糞生物炭中含有豐富的有機(jī)大分子和孔隙結(jié)構(gòu),施入土壤后容易形成大團(tuán)聚體,因而可增強(qiáng)土壤對養(yǎng)分離子的吸持和保持,從而增加土壤CEC[2].還有研究表明,芳香族碳的氧化和羧基官能團(tuán)的形成也是提高CEC值的原因[7].

2.4牛糞生物炭對土壤持水性的影響

土壤持水能力是評價(jià)土壤涵養(yǎng)水源和水文調(diào)節(jié)功能的重要指標(biāo),它主要與土壤容重和孔隙度相關(guān)[8].為此本文研究了種植前后生物炭對土壤持水性的影響,結(jié)果如圖4所示.

圖4不同處理對土壤持水量的影響

Fig.4 Effects of different treatments on soil water retention

從圖4可見,4種不同處理?xiàng)l件下種植后較種植前土壤持水量都有不同程度的增高.增大的幅度分別為6.28%、5.40%、7.45% 和9.19% .這是因?yàn)槭卟朔N植提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量,因此提高了土壤的持水性能.

種植前,沒有添加牛糞生物炭的空白(CK)處理和單施化肥處理(CF)土壤持水量接近,牛糞生物炭的單施處理(C)和牛糞生物炭和化肥混施處理(CCF)的土壤持水量明顯優(yōu)于空白(CK)和單施化肥處理(CF).這表明牛糞生物炭的添加較大地提高了土壤的持水性能.種植后,牛糞生物炭單施處理(C)和牛糞生物炭與化肥混施(CCF)處理?xiàng)l件下較空白(CK)相比,土壤持水量分別提高了6.29%和7.01%,牛糞生物炭化肥混施處理(CCF)與單施化肥處理(CF)比較,土壤持水量增加了16.5%.

牛糞生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積巨大,當(dāng)牛糞生物炭施加于土壤中,土壤相對的比表面積增加,另一方面,牛糞生物炭具有比表面積大、容重小的特點(diǎn),添加到土壤后能改變原土壤的孔隙結(jié)構(gòu)狀況,增加了土壤孔隙度和土壤原有顆粒的黏性,使得團(tuán)聚性增強(qiáng),土壤結(jié)構(gòu)得以改善,從而提高了土壤持水量[9].

2.5牛糞生物炭對土壤容重的影響

土壤容重是土壤的重要物理性狀,是衡量土壤肥力狀況的重要指標(biāo)之一[10].為此本文研究了種植前后生物炭對土壤容重的影響,結(jié)果如圖5所示.

圖5不同處理對土壤容重的影響
Fig.5 Effects of different treatments on soil bulk density

從圖5可見, 4個(gè)不同處理?xiàng)l件下,種植后較種植前土壤的容重都有不同的程度的下降,下降的幅度分別為3.01% 、7.63 %、6.14%和7.08%.隨著蔬菜的生長,土壤中的有機(jī)質(zhì)有所增加,蔬菜根系作用土壤結(jié)構(gòu)有所改變,因此在種植后,土壤容重都有所下降.

種植后,單施化肥處理(CF)、單施牛糞生物炭處理(C)、牛糞生物炭和化肥混施處理(CCF)與空白(CK)相比,土壤容重下降分別為6.2%、17.1%、和18.6%.牛糞生物炭化肥混施處理(CCF)與單施化肥處理(CF)比較,土壤容重降低了13.2%.因此牛糞生物炭的施加,增加了土壤容重降低的幅度,且種植后降低的幅度大于種植前.

牛糞生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)且密度較低、容重遠(yuǎn)低于礦質(zhì)土壤,施加于土壤中對土壤有一定的稀釋作用[11].此外,施用牛糞生物炭后可能導(dǎo)致土壤微生物活性增加,團(tuán)聚性增強(qiáng),從而降低了土壤容重.也可能是由于化肥在短時(shí)間內(nèi)促進(jìn)了作物的生長,增強(qiáng)了根系作用對土壤結(jié)構(gòu)的改變[12].

2.6牛糞生物炭對蔬菜生長的影響

蔬菜生長情況反應(yīng)了土壤性能的改變,為此本文研究了種植前后生物炭對蔬菜生長的影響,結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同處理對作物鮮重和株高的影響

從圖6中可看出,牛糞生物炭和化肥的施用對蔬菜生長具有促進(jìn)作用.與空白CK相比,其中CF、C、CCF處理蔬菜的鮮重、株高均有一定的增加.而牛糞生物炭與化肥混施處理(CCF)條件下,蔬菜的鮮重、株高增幅最大,與CK相比,增幅約為2倍.因此,土壤中添加牛糞生物炭對蔬菜鮮重、株高增加有較顯著的促進(jìn)作用,這是因?yàn)榕＜S生物炭施加土壤后,對土壤進(jìn)行了良性改良.從而對提高蔬菜生長有一定的積極作用.特別是生物炭與化肥配施效果就更加突出,因?yàn)榕＜S生物炭不但可以改良土壤,而且可以阻止土壤中氮肥營養(yǎng)的流失[13].

3 結(jié) 論

牛糞生物炭的施用明顯能改善土壤理化性質(zhì).不同處理?xiàng)l件下蔬菜種植后較種植前土壤有機(jī)質(zhì)、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.牛糞生物炭單施處理(C)較空白(CK)相比,土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、土壤陽離子交換容量(CEC)和持水率分別提高了0.9單位、45.5%、42.9%和6.29%,土壤容重下降了17.1%.

牛糞生物炭的施用,提高了化肥的利用率,對化肥使用導(dǎo)致的土壤酸化具有抑制作用.牛糞生物炭化肥混施處理(CCF)較化肥單施處理(CF)相比,土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換容量(CEC)和持水率分別增加了0.71單位、43.0%、30.5%和16.5%;土壤容重下降了13.2%.

牛糞生物炭的施用對蔬菜生長具有促進(jìn)作用.與空白(CK)相比,牛糞生物炭單施處理(C)、牛糞生物炭化肥混施處理(CCF)處理蔬菜的鮮重、株高均有一定的增加.且牛糞生物炭化肥混施處理(CCF)處理?xiàng)l件下,蔬菜的鮮重、株高增幅最大,增幅約為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

X 52

: A

【責(zé)任編輯:肖景魁】

2017-03-07

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研發(fā)資助項(xiàng)目(2014CB441106); 沈陽科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(F14-133-9-00); 沈陽大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目(201611035000095).

林靜雯(1965-),女,遼寧大連人,沈陽大學(xué)教授.

2095-5456(2017)04-0292-05