黃雨晗,曹銀貴,2,*,周 偉,2,況欣宇,王 凡,白中科,2

1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100083 2 自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100035

生物炭是植物或廢棄的原料通過(guò)熱裂解而產(chǎn)生的固體材料[1],可以單獨(dú)或者作為添加劑使用,能夠改良土壤、提高資源利用效率、改善或避免特定的環(huán)境污染,以及作為溫室氣體減排的有效手段(國(guó)際生物炭協(xié)會(huì)(IBI),2013)[1- 5]。從南美亞馬遜流域印第安人的黑土壤(Terra Preta)到中國(guó)最肥沃的東北黑土地,無(wú)一不是地表植被剝落、腐蝕、積累形成厚厚的腐殖質(zhì)所演化而來(lái)的,其中來(lái)源于生物質(zhì)“黑炭”的有機(jī)碳含量高達(dá)35%[6- 7]。在全球性資源日益匱乏,環(huán)境污染問(wèn)題愈發(fā)突出的背景下,生物炭因具備豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、大量的植物營(yíng)養(yǎng)元素、較高的化學(xué)穩(wěn)定性和較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力[8- 9],已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境及能源等領(lǐng)域[2,10]。

在近二十年的科學(xué)研究中,長(zhǎng)期的田間試驗(yàn)為國(guó)內(nèi)外學(xué)者準(zhǔn)確評(píng)價(jià)生物炭農(nóng)用價(jià)值提供了重要且可靠的數(shù)據(jù)[1]。眾多研究表明生物炭作為土壤改良劑,可以改善土壤肥力[11- 12]、促進(jìn)種子萌發(fā)和提高作物產(chǎn)量[13- 16]。近年來(lái)關(guān)于生物炭對(duì)植被生長(zhǎng)狀況影響的研究越來(lái)越多,例如國(guó)外學(xué)者Danso等[17]研究發(fā)現(xiàn)稻草生物炭能夠提高退化土壤上玉米的干物質(zhì)總產(chǎn)量、光合有效輻射和輻射利用效率；Jain等[18]研究表明在高酸性礦山廢料中添加生物炭,可以提高植物修復(fù)效率,減輕植物的非生物氧化脅迫；Rashti等[19]研究證實(shí)通過(guò)生物炭進(jìn)行的根際管理和淋溶可改善新鮮鋁土礦渣中的植物性能。國(guó)內(nèi)學(xué)者劉慧敏等[20]研究表明生物炭可以改善谷子幼苗地下根系和地上莖葉形態(tài),提高葉片光合作用和根系對(duì)水分和礦質(zhì)元素的吸收能力,從而促進(jìn)谷子生物量的積累。且有研究發(fā)現(xiàn)適量的生物炭可以改善植被混凝土的特性,提高植被株高、根長(zhǎng)及發(fā)芽率[21]；隨著生物炭添加量的增加,如小麥與黃花的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)[22]及高粱幼苗[23]等植被生長(zhǎng)特征均呈現(xiàn)出低添加量促進(jìn)、高添加量抑制的趨勢(shì)。但另有研究表明生物炭在制備過(guò)程中,因不完全燃燒和熱解所產(chǎn)生的多種多環(huán)芳烴化合物[24],會(huì)隨生物炭施用量的增加而升高,從而對(duì)作物早期生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著抑制作用[25- 26]?？梢?jiàn),生物炭對(duì)植被的影響不僅體現(xiàn)在其性質(zhì)與功能上,其制備過(guò)程與施用方式對(duì)植被生長(zhǎng)狀況的影響更為顯著[10,13,27- 28]?？偟膩?lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究大多集中在生物炭對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響上,關(guān)于生物炭對(duì)重構(gòu)土復(fù)墾植被生長(zhǎng)狀況影響的研究較國(guó)外而言少之甚少。

現(xiàn)階段,針對(duì)露天礦區(qū)損毀土地的復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)工作迫在眉睫,土壤重構(gòu)是其核心,植被重建是其關(guān)鍵[29- 30],而中國(guó)內(nèi)蒙古草原礦區(qū)地處生態(tài)脆弱區(qū),表土稀缺、氣候干旱、土壤貧瘠、植被稀疏等均是阻礙該區(qū)生態(tài)修復(fù)進(jìn)程的重要因素。因此,本文利用礦區(qū)固體廢棄物重構(gòu)土壤,生物炭改良土壤,以盆栽試驗(yàn)的方式開(kāi)展秸稈生物炭對(duì)草原礦區(qū)重構(gòu)土苜蓿生長(zhǎng)狀況影響的基礎(chǔ)研究,篩選出最佳的生物炭施用方式,為草原礦區(qū)土壤重構(gòu)與植被重建提供新思路,對(duì)于推進(jìn)區(qū)域土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)進(jìn)程及實(shí)現(xiàn)秸稈資源化具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 供試土壤

盆栽試驗(yàn)所采用的重構(gòu)土壤原材料來(lái)源于內(nèi)蒙古勝利礦區(qū)(115°30′—116°26′ E,43°57′—44°14′ N),包含表土、煤矸石、巖土剝離物(母質(zhì)與生土混合物)及粉煤灰(表1)。2018年,于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)校內(nèi)花房(116°21′09.0″ E,39°59′34.4″ N)開(kāi)展了第一期盆栽試驗(yàn)[31],將以上材料按不同比例重構(gòu)表層土壤,具體方案如圖1所示。依據(jù)第一期盆栽試驗(yàn)草木樨地上生物量數(shù)據(jù),篩選出植被生長(zhǎng)狀況最佳方案(H11)、中等方案(H3)及最差方案(H10和H15)為本試驗(yàn)的重構(gòu)組,并設(shè)置表土對(duì)照組(D1)。所選方案中重構(gòu)土壤的理化性質(zhì)見(jiàn)表2,其中重構(gòu)土壤pH值采用電位法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用電砂浴加熱重鉻酸鉀(K2Cr2O7)容量法測(cè)定；全氮含量采用自動(dòng)定氮儀法測(cè)定；有效磷含量采用碳酸氫鈉Olsen(連續(xù)流動(dòng)分析儀)法測(cè)定；速效鉀含量以中性乙酸銨(CH3COONH4)溶液浸提、火焰光度計(jì)法測(cè)定；參照LY/T1225—1999《森林土壤顆粒組成(機(jī)械組成)的測(cè)定》,采用吸管法測(cè)定重構(gòu)土壤顆粒機(jī)械組成,土壤質(zhì)地分級(jí)按美國(guó)分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；此外,重構(gòu)表層土壤中的礫石含量為每kg土壤樣本中粒徑>2 mm的土壤顆粒質(zhì)量含量,用重量百分?jǐn)?shù)加以表示。

表1 重構(gòu)材料背景值[31]

圖1 盆栽試驗(yàn)備選方案Fig.1 Alternatives for pot experiment圖中生物量均值為3次重復(fù)試驗(yàn)所得結(jié)果

2.2 生物炭制備

盆栽試驗(yàn)采用的生物炭原材料為廢棄的玉米秸稈,制炭前將玉米秸稈風(fēng)干,切成10 cm左右,放入炭化爐(專利批準(zhǔn)號(hào)200920232191.9)。采用“程序升溫控制”技術(shù)控制生物炭的熱解溫度,即每min升溫8.5℃,達(dá)到最高目標(biāo)溫度后,維持此溫度直至出氣口無(wú)氣體溢出,關(guān)閉加熱程序,整個(gè)炭化過(guò)程大約10 h。按上述制炭方法分別制備300℃、400℃和500℃的玉米秸稈生物炭(表3),高溫?zé)峤饨Y(jié)束后,冷卻至室溫,打開(kāi)炭化爐,取出生物炭,待盆栽試驗(yàn)施用。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)校內(nèi)花房,花盆高11 cm,直徑10cm,表面積約為80 cm2,重構(gòu)表層土壤厚度為10 cm。根據(jù)每hm2土地生物炭施用量0、7.5、15和30 t,對(duì)應(yīng)設(shè)定盆栽試驗(yàn)生物炭施用量為0、6、12和24 g。將原始方案的供試土壤和不同熱解溫度的生物炭分別置于已鋪設(shè)的試驗(yàn)帆布上,采用CP114電子天平稱取所需生物炭,將土壤與生物炭按比例充分混合后置于花盆中,新處理方案以“原始方案-生物炭熱解溫度-施用量”為原則命名(表4)。

表2 盆栽試驗(yàn)所選方案土壤理化性質(zhì)

表3 不同熱解溫度下生物炭的理化性質(zhì)

表4 盆栽試驗(yàn)處理方案一覽表

選取草原礦區(qū)復(fù)墾地先鋒植被草木樨、紫花苜蓿及黃花苜蓿開(kāi)展種子發(fā)芽試驗(yàn),其發(fā)芽率分別為33.33%、64.67%、75.67%,最終選擇黃花苜蓿為播種對(duì)象,每個(gè)花盆播種25粒種子。試驗(yàn)于2019年3月24日開(kāi)始,以7d為一周期,記錄其株數(shù)、株高、葉片長(zhǎng)度及葉片寬度等生長(zhǎng)狀況指標(biāo),苜蓿計(jì)劃生長(zhǎng)周期為30 d,選取4月28日所監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)作為分析數(shù)據(jù),以D1和D1- 500- 24為例,日常生長(zhǎng)狀況如圖2所示。待后期的苜?？购翟囼?yàn)結(jié)束后,于5月25日收割盆栽內(nèi)苜蓿地上部分,采用實(shí)驗(yàn)室烘箱將其烘至恒重,溫度設(shè)定為65℃,以獲取苜蓿生物量數(shù)據(jù)。

圖2 盆栽試驗(yàn)苜蓿生長(zhǎng)狀況Fig.2 Growth status of Medicago falcata in pot experiment

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析[32],P<0.05。其中利用株數(shù)求取苜蓿出苗率,利用葉片長(zhǎng)度和寬度求取葉面積,采用校正系數(shù)法[33],k值為0.71,計(jì)算公式為：A=KLW(A：葉面積；K：校正系數(shù)；L：葉長(zhǎng)；W：葉寬)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物炭對(duì)苜蓿出苗率的影響

3.1.1生物炭對(duì)苜蓿出苗率的影響

秸稈生物炭對(duì)重構(gòu)土苜蓿出苗率影響的結(jié)果如圖3所示：在表土對(duì)照組D1中,D1與D1- 500- 24處理方案的苜蓿出苗率最高,均為66.67%,二者與D1- 300- 6/12、D1- 400- 6/24、D1- 500- 6等處理方案存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為31.59%、56.26%、35.14%、35.14%、42.86%,可見(jiàn),生物炭的添加對(duì)于D1方案的苜蓿出苗產(chǎn)生抑制作用。在重構(gòu)組H3中,H3- 500- 24處理方案的苜蓿出苗率最高,為46.67%,H3- 500- 6/12次之,為45.33%,其與H3- 300/400- 24處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為84.22%、105.90%；在重構(gòu)組H10中,H10- 500- 12/24處理方案的苜蓿出苗率最高,均為52.00%,二者與H10- 300- 12/24、H10- 400- 24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為105.26%、105.26%、116.67%；在重構(gòu)組H11中,各處理方案之間苜蓿出苗率無(wú)顯著性差異(P>0.05),其中H11- 400- 12處理方案的苜蓿出苗率最高,為42.67%；在重構(gòu)組H15中,H15- 500- 12處理方案的苜蓿出苗率最高,為69.33%,H15- 500- 24次之,為62.67%,其與H15- 300/400- 24處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為57.57%、52.93%?？梢?jiàn),僅熱解溫度為500℃的秸稈生物炭促進(jìn)了重構(gòu)土(除H11)苜蓿的出苗,300℃和400℃的生物炭抑制了苜蓿的出苗。

圖3 生物炭對(duì)苜蓿出苗率影響的差異性Fig.3 Differences in the effect of biochar on the emergence rate of Medicago falcata

3.1.2重構(gòu)土壤間苜蓿出苗率的差異

重構(gòu)土壤間苜蓿出苗率的差異性分析結(jié)果顯示(圖4)：在未添加生物炭的盆栽中,D1苜蓿出苗率最高,為66.67%,與H3、H11存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為117.40%、92.32%,可見(jiàn),重構(gòu)組的苜蓿出苗率均低于表土對(duì)照組D1,且H15>H10>H11>H3。在熱解溫度為300℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),各方案無(wú)顯著性差異(P>0.05,下同),其中D1苜蓿出苗率最高,為50.67%；當(dāng)施用量為12g時(shí),H15苜蓿出苗率最高,為62.67%,與H3、H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為104.36%、147.38%、213.35%；當(dāng)施用量為24g時(shí),D1苜蓿出苗率最高,為53.33%,與H3、H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為110.51%、110.51%、122.21%。在熱解溫度為400℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),H15苜蓿出苗率最高,為62.67%,與H3、H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為88.01%、42.43%、80.78%；當(dāng)施用量為12g時(shí),D1苜蓿出苗率最高,為54.67%,H15次之,為53.33%,二者與H10均存在顯著性差異,高出比例分別為86.38%、81.82%；當(dāng)施用量為24g時(shí),D1苜蓿出苗率最高,為49.33%,與H3、H10均存在顯著性差異,高出比例分別為117.63%、105.54%。在熱解溫度為500℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),H15苜蓿出苗率最高,為58.67%,與H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為57.15%、83.34%；當(dāng)施用量為12g時(shí),H15苜蓿出苗率最高,為69.33%,與H3、H11存在顯著性差異,高出比例分別52.93%、126.08%；當(dāng)施用量為24g時(shí),D1苜蓿出苗率最高,為66.67%,H15次之,為62.67%,二者與H11均存在顯著性差異,高出比例分別為138.11%、123.82%?？梢?jiàn),在相同生物炭處理下,重構(gòu)組(除H15)苜蓿出苗率均低于對(duì)照組。

圖4 重構(gòu)表層土壤間苜蓿出苗率的差異性Fig.4 Differences in emergence rate of Medicago falcata between reconstructed topsoil

3.2 生物炭對(duì)苜蓿株高的影響

3.2.1生物炭對(duì)苜蓿株高的影響

株高是植物形態(tài)學(xué)調(diào)查工作中最基本的指標(biāo)之一,其定義為從植株基部至主莖頂部即主莖生長(zhǎng)點(diǎn)之間的距離。盆栽試驗(yàn)結(jié)果顯示(圖5)：在表土對(duì)照組D1中,D1- 300- 24處理方案的苜蓿植株最高,為6.17 cm,D1- 400/500- 24處理方案次之,分別為6.01cm、6.16 cm,且D1- 300- 24與D1- 300/400- 12等處理方案存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為25.35%、30.66%,可見(jiàn),當(dāng)施用量為24g時(shí),不同熱解溫度的生物炭對(duì)D1方案苜蓿株高均可產(chǎn)生促進(jìn)作用。在重構(gòu)組H3中,H3- 500- 24處理方案的苜蓿植株最高,為7.83 cm,與H3、H3- 300- 24等處理存在顯著性差異,高出比例分別為53.53%、81.62%；在重構(gòu)組H10中,H10- 500- 12處理方案的苜蓿植株最高,為7.61 cm,與H10、H10- 300- 12/24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為58.54%、47.93%、149.05%；在重構(gòu)組H11中,H11- 400- 6處理方案的苜蓿植株最高,為8.00 cm,與H11- 300- 24、H11- 500- 24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為63.64%、53.19%；在重構(gòu)組H15中,H15- 500- 12處理方案的苜蓿植株最高,為7.61 cm,H15- 500- 6處理次之,為7.28cm,二者與其他處理均存在顯著性差異,其中H15- 500- 12處理高出其他處理(除H15- 500- 6)的比例分別為59.28%、32.99%、55.66%、47.29%、52.20%、41.22%、45.72%、18.09%?？梢?jiàn),重構(gòu)組中除H11外,熱解溫度為500℃的生物炭對(duì)苜蓿株高均能起到促進(jìn)作用,H3、H10和H15方案的生物炭最佳施用量分別為24g、12g、12g,但對(duì)于H11而言,當(dāng)生物炭的熱解溫度相同時(shí),其施用量越高對(duì)苜蓿株高的改良效果越差,達(dá)到24g時(shí)會(huì)產(chǎn)生抑制作用,其中H11- 400- 6處理方案改良效果最佳。

圖5 生物炭對(duì)苜蓿株高影響的差異性Fig.5 Differences in the effect of biochar on the plant height of Medicago falcata

3.2.2重構(gòu)土壤間苜蓿株高的差異

在相同生物炭處理的條件下,重構(gòu)表層土壤間苜蓿株高的差異性分析結(jié)果顯示(圖6)：在未添加生物炭的盆栽中,H11苜蓿植株最高,為6.11 cm,與H10、H15存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為27.29%、27.88%。在熱解溫度為300℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),H11苜蓿植株最高,為7.56 cm,與其他方案均存在顯著性差異,高出比例分別為35.54%、32.12%、33.41%、32.12%；當(dāng)施用量為12g或24g時(shí),各方案無(wú)顯著性差異(P>0.05,下同)。在熱解溫度為400℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),H11苜蓿植株最高,為8.00 cm,與D1、H3、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為44.87%、26.76%、60.00%；當(dāng)施用量為12g時(shí),H11苜蓿植株最高,為7.61 cm,與其他方案均存在顯著性差異,高出比例分別為61.15%、33.25%、17.08%、41.22%；當(dāng)施用量為24g時(shí),各方案無(wú)顯著性差異。在添加500℃的生物炭盆栽中,當(dāng)施用量為6g時(shí),H11苜蓿植株最高,為7.78 cm,與D1、H3均存在顯著性差異,高出比例分別為49.94%、36.23%；當(dāng)施用量為12g時(shí),H10與H15苜蓿植株最高,為7.61 cm,與D1存在顯著性差異,高出比例為44.80%；當(dāng)施用量為24g時(shí),H3苜蓿植株最高,為7.83 cm,與H11均存在顯著性差異,高出比例為49.94%?？梢?jiàn),重構(gòu)組(除H15- 300- 12)施用6g 或12g的生物炭,其苜蓿株高基本超過(guò)對(duì)照組,但施用24g 300℃的生物炭時(shí),其苜蓿株高均低于對(duì)照組,當(dāng)生物炭熱解溫度為400℃或500℃時(shí),H3和H10苜蓿株高超過(guò)表土。

圖6 重構(gòu)表層土壤間苜蓿株高的差異性Fig.6 Differences in plant height of Medicago falcata between reconstructed topsoil

3.3 生物炭對(duì)苜蓿葉面積的影響

3.3.1生物炭對(duì)苜蓿葉面積的影響

秸稈生物炭對(duì)苜蓿葉面積影響的結(jié)果如圖7所示：在表土對(duì)照組D1中,D1- 500- 24處理方案的苜蓿葉面積最大,為72.18 mm2,與其他處理方案(除D1- 400- 12)均存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為118.54%、73.07%、104.08%、45.69%、45.39%、61.18%、32.47%、53.17%,可見(jiàn),生物炭對(duì)D1方案的苜蓿葉面積具有明顯促進(jìn)作用。在重構(gòu)組H3中,H3- 400- 6處理方案的苜蓿葉面積最大,為84.67 mm2,與H3- 300/400- 24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為61.56%、57.68%；在重構(gòu)組H10中,H10- 500- 24處理方案的苜蓿葉面積最大,為73.76 mm2,與H10- 300- 6/12/24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為74.00%、46.93%、215.16%；在重構(gòu)組H11中,H11- 500- 6處理方案的苜蓿葉面積最大,為88.99 mm2,與其他處理方案(除H11- 400- 6/12)均存在顯著性差異,高出比例分別為68.53%、31.83%、32.66%、129.59%、36.40%、36.57%、59.03%；在重構(gòu)組H15中,H15- 500- 12處理方案的苜蓿葉面積最大,為91.59 mm2,H15- 500- 6處理次之,為85.52 mm2,二者與其他處理方案均存在顯著性差異,其中H15- 500- 12處理高出其他處理(除H15- 500- 6)的比例分別為163.86%、74.85%、74.41%、54.12%、85.76%、67.86%、102.97%、38.27%?？梢?jiàn),生物炭對(duì)重構(gòu)組H3和H10方案的苜蓿葉面積改良效果不顯著,對(duì)于H11和H15方案產(chǎn)生明顯促進(jìn)作用,其中對(duì)于H11方案,當(dāng)生物炭熱解溫度相同時(shí),施用量越低,促進(jìn)作用越顯著,當(dāng)施用量為6g時(shí),熱解溫度越高,促進(jìn)作用越顯著,而對(duì)于H15方案,H15- 500- 12處理方案改良效果較好,H15- 500- 6次之。

圖7 生物炭對(duì)苜蓿葉面積影響的差異性Fig.7 Differences in the effect of biochar on the leaf area of Medicago falcata

3.3.2重構(gòu)土壤間苜蓿葉面積的差異

在相同生物炭處理的條件下,重構(gòu)表層土壤間苜蓿葉面積的差異性結(jié)果如圖8所示：在未添加生物炭的盆栽中,H3苜蓿面積最大,為65.56 mm2,與D1、H15存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例分別為98.05%、88.87%。在熱解溫度為300℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),H11苜蓿葉面積最大,為67.50 mm2,與D1、H10、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為61.85%、59.24、28.86%；當(dāng)施用量為12g時(shí),H11苜蓿葉面積最大,為67.08 mm2,與D1、H10均存在顯著性差異,高出比例分別為89.66%、33.63%；當(dāng)施用量為24g時(shí),各方案無(wú)顯著性差異(P>0.05，下同)。在熱解溫度為400℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),H11苜蓿葉面積最大,為85.33 mm2,H3次之,為84.67 mm2,二者與D1、H10、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為71.87%、49.88%、73.06%；當(dāng)施用量為12g時(shí),H11苜蓿葉面積最大,為81.60 mm2,與其他方案均存在顯著性差異,高出比例分別為35.33%、32.44%、37.61%、49.55%；當(dāng)施用量為24g時(shí),H10苜蓿葉面積最大,為66.79 mm2,與D1、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為49.14%、48.01%。在熱解溫度為500℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),H11苜蓿葉面積最大,為88.99 mm2,與D1、H3、H10均存在顯著性差異,高出比例分別為63.33%、52.92%、45.37%；當(dāng)施用量為12g時(shí),H15苜蓿葉面積最大,為91.59 mm2,與其他方案均存在顯著性差異,高出比例分別為94.36%、38.60%、57.25%、40.56%；當(dāng)施用量為24g時(shí),H3苜蓿葉面積最大,為84.54 mm2,與H11存在顯著性差異,高出比例為51.08%?？梢?jiàn),重構(gòu)組施用6g或12g生物炭時(shí),其苜蓿葉面積均高于對(duì)照組；施用24g 400℃生物炭時(shí),重構(gòu)組的苜蓿葉面積均高于對(duì)照組,施用24g 500℃的生物炭顯著提升了除H11外其他方案的苜蓿葉面積。

圖8 重構(gòu)表層土壤間苜蓿葉面積的差異性Fig.8 Differences in leaf area of Medicago falcata between reconstructed topsoil

3.4 生物炭對(duì)苜蓿地上生物量的影響

3.4.1生物炭對(duì)苜蓿地上生物量的影響

植被地上生物量是指植被在某一時(shí)刻單位面積地上部分存活的有機(jī)物質(zhì)干重(包括生物體內(nèi)所存食物的重量)總量。盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明不同生物炭處理下的苜蓿地上生物量存在明顯差異(圖9)：在表土對(duì)照組D1中,D1- 500- 24處理方案的的苜蓿地上生物量最高,為0.46 g/盆,與其他處理方案均存在顯著性差異(P<0.05,下同),其高出比例分別為48.39%、130.00%、213.64%、91.67%、79.22%、56.82%、40.82%、81.58%、50.00%,可見(jiàn),D1方案中僅D1- 500- 24處理對(duì)于苜蓿地上生物量具有促進(jìn)作用,其余處理均產(chǎn)生抑制作用。在重構(gòu)組H3中,H3- 500- 24處理方案的苜蓿地上生物量最大,為0.34 g/盆,與H3- 400- 12/24等處理方案存在顯著性差異,高出比例分別為72.88%、112.50%；在重構(gòu)組H10中,H10- 500- 24處理方案的苜蓿地上生物量最高,為0.28 g/盆,與H10、H10- 300- 12/24、H10- 400- 24、H10- 500- 6等處理均存在顯著性差異,高出比例分別為211.11%、86.67%、127.03%、104.88%、82.61%；在重構(gòu)組H11中,H11- 400- 6處理方案的苜蓿地上生物量最高,為0.28 g/盆,與 H11- 300- 24、H11- 500- 12/24等處理均存在顯著性差異,高出比例分別為104.88%、180.00%、140.00%；在重構(gòu)組H15中,H15- 500- 24處理方案的苜蓿地上生物量最高,為0.37 g/盆,H15- 500- 12處理次之,為0.35 g/盆,二者與其他處理(除H15- 500- 6)均存在顯著性差異,其中H15- 500- 24處理高出其他處理(除H15- 500- 6/12)的比例分別為56.34%、79.03%、70.77%、85.00%、48.00%、50.00%、146.67%?？梢?jiàn),重構(gòu)組中施用熱解溫度為500℃的生物炭對(duì)H3、H10及H15方案均能起到促進(jìn)作用,且施用含量越高改良效果越好,而對(duì)于H11方案,施用6g生物炭改良效果較好,且熱解溫度為400℃的生物炭最適宜。

圖9 生物炭對(duì)苜蓿地上生物量影響的差異性Fig.9 Differences in the effect of biochar on the aboveground biomass of Medicago falcata

3.4.2重構(gòu)土壤間苜蓿地上生物量的差異

在相同生物炭處理的條件下,重構(gòu)表層土壤間苜蓿地上生物量的差異性結(jié)果表明(圖10)：在未添加生物炭的盆栽中,D1苜蓿地上生物量最高,為0.31 g/盆,與H10存在顯著性差異(P<0.05,下同),高出比例為244.44%。在熱解溫度為300℃的生物炭處理下,各方案之間均無(wú)顯著性差異(P>0.05,下同)。在熱解溫度為400℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),各方案之間均無(wú)顯著性差異；當(dāng)施用量為12g時(shí),D1苜蓿地上生物量最高,為0.29 g/盆,與H10存在顯著性差異,高出比例為55.36%；當(dāng)施用量為24g時(shí),D1苜蓿地上生物量最高,為0.33 g/盆,與H3、H10、H15均存在顯著性差異,高出比例分別為106.25%、141.46%、120.00%。在熱解溫度為500℃的生物炭處理下,當(dāng)施用量為6g時(shí),H15苜蓿地上生物量最高,為0.32 g/盆,與H10存在顯著性差異,高出比例為108.70%；當(dāng)施用量為12g時(shí),H15苜蓿地上生物量最高,為0.35 g/盆,與H3、H10、H11均存在顯著性差異,高出比例分別為29.63%、84.21%、250.00%；當(dāng)施用量為24g時(shí),D1苜蓿地上生物量最高,為0.46 g/盆,與H10、H11存在顯著性差異,高出比例分別為66.27%、294.29%?？梢?jiàn),在相同生物炭處理?xiàng)l件下,重構(gòu)組苜蓿地上生物量均難以超過(guò)對(duì)照組。

圖10 重構(gòu)表層土壤間苜蓿地上生物量的差異性Fig.10 Differences in aboveground biomass of Medicago falcata between reconstructed topsoil

4 討論

4.1 秸稈生物炭對(duì)苜蓿生長(zhǎng)狀況的影響

近年來(lái)關(guān)于生物炭提高砂壤土質(zhì)量、促進(jìn)作物生長(zhǎng)的研究受到廣泛關(guān)注[1],有研究表明玉米秸稈生物炭(400℃下制備)與苜蓿相結(jié)合可改善京郊砂質(zhì)壤土土壤理化性質(zhì)、提高養(yǎng)分有效性和恢復(fù)植被[11]；較高生物炭施用量(40g/kg)可以有效增加內(nèi)蒙古砂壤土的番茄產(chǎn)量[16]。但因生物炭熱解溫度及施用量的不同,植被生長(zhǎng)的響應(yīng)狀態(tài)存在顯著差異[34],盆栽試驗(yàn)選用的秸稈生物炭,隨熱解溫度的提高,其pH值、P、K元素含量逐漸增加[35],C/N逐漸降低。無(wú)論是原表土還是重構(gòu)土壤,秸稈生物炭的添加對(duì)于苜蓿出苗均存在不同程度的抑制作用,可能是由于生物炭較高的碳氮比影響了植被對(duì)氮素的吸收,也可能由于部分生物炭的分解導(dǎo)致了氮的固定[36]；而對(duì)于苜蓿株高、葉面積及地上生物量基本呈現(xiàn)正激發(fā)效應(yīng),一定程度上促進(jìn)了苜蓿的生長(zhǎng),這與鄭瑞倫等部分研究結(jié)果相吻合[11]。因表層土壤物質(zhì)組成不同,生物炭的最佳處理方式不同：對(duì)于D1、H3及H10三種方案,其土壤質(zhì)地均為砂質(zhì)壤土,且礫石含量處于15%—30%之間,施用24g 500℃(即30 t/hm2)的秸稈生物炭對(duì)苜蓿生長(zhǎng)改良效果最佳；而對(duì)于H15方案,其土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土,但礫石含量低于15%,施用12g 500℃(即15 t/hm2)的秸稈生物炭對(duì)苜蓿生長(zhǎng)改良效果最佳；對(duì)于H11方案,其土壤質(zhì)地為砂質(zhì)粘壤土,礫石含量高于30%,施用6g 400℃(即7.5 t/hm2)的秸稈生物炭對(duì)苜蓿生長(zhǎng)改良效果最佳。可見(jiàn),在不同土壤環(huán)境中,生物炭并不是熱解溫度越高、施用量越高,對(duì)苜蓿改良的效果越好。

4.2 重構(gòu)表層土壤間苜蓿生長(zhǎng)狀況的差異性

重構(gòu)表層土壤理化性質(zhì)呈現(xiàn)明顯的異質(zhì)性[37],即使在相同生物炭處理下,苜蓿苗期生長(zhǎng)的響應(yīng)機(jī)制也各不相同。在未添加生物炭時(shí),重構(gòu)組苜蓿出苗率和地上生物量均未達(dá)到表土對(duì)照組的水平,而苜蓿株高和葉面積已達(dá)到表土水平；施用6g或12g(即7.5 t/hm2或15 t/hm2)生物炭,重構(gòu)組僅H15方案苜蓿出苗率高于對(duì)照組,而重構(gòu)組四種方案的苜蓿株高和葉面積均高于對(duì)照組；但當(dāng)施用24g(即30 t/hm2)生物炭時(shí),重構(gòu)組苜蓿出苗率和地上生物量均低于對(duì)照組,若生物炭熱解溫度為400℃或500℃,H3和H10苜蓿株高和葉面積均高于對(duì)照組。綜上所述,在相同生物炭處理?xiàng)l件下,重構(gòu)表層土壤苜蓿出苗率和地上生物量均難以超越原表土水平,而苜蓿株高和葉面積可達(dá)到原表土水平,可見(jiàn),秸稈生物炭的添加對(duì)重構(gòu)土單株苜蓿生長(zhǎng)起到正激發(fā)效應(yīng)。有研究表明在玉米苗期,不同水平下的生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)的抑制程度不同,但隨著玉米的生長(zhǎng),抑制作用逐漸減少,植株間的差異逐漸消失[38]。而本研究只是針對(duì)苜蓿苗期生長(zhǎng)狀況開(kāi)展的短期研究,將生物炭與重構(gòu)土壤融合后對(duì)土壤與植被長(zhǎng)期的作用機(jī)制尚且未知,還需通過(guò)田間試驗(yàn)深入探究。

5 結(jié)論

(1)秸稈生物炭對(duì)原表土和重構(gòu)土壤的苜蓿出苗均存在不同程度的抑制作用,而對(duì)于苜蓿株高、葉面積及地上生物量基本呈現(xiàn)正激發(fā)效應(yīng)。

(2)在不同土壤環(huán)境中,并非生物炭熱解溫度越高、施用量越高,對(duì)苜蓿改良的效果越好,其最佳處理方式與表層土壤物質(zhì)組成有關(guān)。本研究重構(gòu)土生物炭最佳處理方式分別為D1H3H10- 500- 24(即30 t/hm2)、H11- 400- 6(即7.5 t/hm2)、H15- 500- 12(即15 t/hm2)。

(3)在相同生物炭處理下,因重構(gòu)表層土壤理化性質(zhì)具有明顯異質(zhì)性,秸稈生物炭對(duì)苜蓿苗期生長(zhǎng)的影響程度不同,重構(gòu)土苜蓿出苗率和地上生物量均難以超越原表土水平,而苜蓿株高和葉面積可達(dá)到原表土水平。