生物炭施用对喀斯特地区黄壤理化性质的影响

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黄壤作为贵州省喀斯特地区主要的农业土壤类型,具有酸性较强,质地粘重,而且养分含量低,比水容量小,易发生水土流失的特征。如何提高黄壤酸碱度、养分含量以及改善土壤结构,是黄壤改良的重点。研究单施生物炭、植物和生物炭组合模式对喀斯特黄壤养分和结构的影响,有助于确定缓解喀斯特黄壤肥力低下、质地粘重的措施布设方式,能为改良喀斯特地区黄壤农业生产限制因子提供科学依据。本研究以贵州省播州区黄壤为研究对象,在温室进行盆栽试验,设置24个处理,分别为:裸地对照(CK);单植黑麦草(R);单植雀稗(P);单植黄花菜(D);单施不同比例生物炭(B1、B3、B5、B7、B9);黑麦草+不同比例生物炭组合模式(BR1、BR3、BR5、BR7、BR9);雀稗+不同比例生物炭组合模式(PR1、PR3、PR5、PR7、PR9);黄花菜+不同比例生物炭组合模式(DR1、DR3、DR5、DR7、DR9)。试验开始120 d、240 d、360 d后采集土壤测定土壤的理化性质。结果表明:(1)单施生物炭、植物+生物炭组合模式均能显著提高土壤pH值、养分含量和碳氮比(p<0.001),且生物炭比例对土壤pH值、养分含量有极显著影响,生物炭比例在一定限度内,土壤养分含量随生物炭比例增大而增大,当生物炭比例升高到79%时,单施生物炭处理中有效磷含量有所降低;在相同生物炭比例条件下,植物+生物炭组合模式中土壤有机质含量在黑麦草+生物炭组合模式相对较多,氮素、钾素含量在黄花菜+生物炭组合模式中较多,雀稗+生物炭中磷素含量较多。应根据供试土壤养分含量的不同选择植物类型。生物炭施用时间对黄壤pH值、养分有显著影响(p<0.05)。随着生物炭施用时间延长,单施生物炭处理中黄壤pH值、有机质、碱解氮以及速效磷含量随生物炭施用时间延长呈总体增大趋势。而植物+生物炭组合模式中土壤pH值均值先减小后增大,有机质、碱解氮以及速效磷和速效钾含量均值总体呈先增大后减小的变化趋势。(2)与裸地对照相比,单施生物炭能显著降低10.25 mm和0.250.05 mm粒径微团聚体含量,变化范围分别为2.995.05%和-0.0836.05%。生物炭小于5%时,10.25mm粒径含量随生物炭比例增大而降低,当生物炭比例增加到5%时,该粒径含量有所增加,B5、B7、B9处理间无显著差异。单施生物炭能显著减小土壤平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD)值,土壤团聚状态在B7处理相对较好。相较单植植物而言,植物+生物炭组合模式能降低0.250.05mm粒径微团聚体含量,增加10.25mm,0.050.01mm和<0.001mm粒径含量。其中,不同植物10.25mm粒径含量最大值处理分别为BR9、BP7和BD7。植物+生物炭组合模式会减小土壤MWD和GMD值。植物+生物炭组合模式中,土壤MWD和GMD值总体随生物炭比例增大而减小,但在黑麦草+生物炭、雀稗+生物炭组合模式中MWD值在生物炭比例为3%9%间差异不显著,而在黄花菜+生物炭组合模式中,MWD值(生物炭5%)<MWD值(生物炭7%)。(3)与裸地对照相比,单施生物炭能显著增加10.25mm粒径颗粒含量,降低0.010.005mm和<0.001mm粒径颗粒含量,且10.25mm和<0.001mm粒径含量随生物炭比例增大分别增大和减小,变化范围分别为:-0.034.43%和1.4513.54%。同时,单施生物炭能减小土壤颗粒分形维数D值,并随生物炭比例增大先减小后增大。试验结束时,土壤颗粒D值B5处理中达到最小值2.9005,其次为B7处理。与单植植物而言,植物+生物炭组合模式会增加10.25mm粒径颗粒含量,降低<0.001mm粒径含量,二者同样随生物炭生物炭比例增大分别增大和减小,变化范围分别为:0.214.96%和0.7920.49%。植物+生物炭组合模式均能减小土壤颗粒D值,且随生物炭比例增大整体呈降低趋势。生物炭比例较小时,黑麦草处理中土壤分形维数最大,但在生物炭比例达3%及以上时,该处理中分形维数最小。(4)对比单施生物炭和植物+生物炭组合模式发现,生物炭比例达3%时,植物+生物炭组合模式中土壤有机质含量均高于单施生物炭处理。此外,组合模式中,土壤微团MWD和GMD值总体大于单施生物炭处理,颗粒D值总体小于单施生物炭处理。运用主成分分析方法,比较单施生物炭、单植植物、植物+生物炭组合模式对黄壤质量的影响,发现试验开始一段时间后,3种布设措施对黄壤质量改善的强弱顺序表现为:植物+生物炭组合模式>单施生物炭>单植植物。考虑到不同植物生长最适酸碱度,且土壤pH值随生物炭施用时间延长而增大的因素,确定长时间施用生物炭条件下,有效改善喀斯特养分和结构,缓解黄壤肥力低下和质地粘重障碍的组合模式分别为:黑麦草+5%生物炭、雀稗+5%生物炭以及黄花菜+7%生物炭组合模式。
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