不同類(lèi)型生物質(zhì)材料對(duì)酸性茶園土壤的改良效果

不同類(lèi)型生物質(zhì)材料對(duì)酸性茶園土壤的改良效果

茶樹(shù)是一種喜酸植物，酸性土壤是茶樹(shù)生長(zhǎng)所必需的生態(tài)條件之一。茶樹(shù)生長(zhǎng)適宜的土壤pH范圍在4.5~6.0,其最適pH值為5.5,當(dāng)土壤pH<4.0時(shí),茶樹(shù)生長(zhǎng)將受到抑制。近年來(lái),由于酸雨、人為施肥管理不當(dāng),以及茶樹(shù)自身代謝作用等原因,茶園土壤酸化日趨嚴(yán)重,土壤pH值小于4.0的茶園越來(lái)越多,并已成為當(dāng)前茶葉生產(chǎn)中的普遍性問(wèn)題。茶園土壤過(guò)度酸化,不僅影響茶葉產(chǎn)量,而且會(huì)導(dǎo)致茶園土壤的其他生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此,迫切需要探索經(jīng)濟(jì)、有效和適用的改良措施來(lái)緩解和防治茶園土壤酸化。作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的生物質(zhì)材料,有不同的資源化利用途徑及其副產(chǎn)品。作物秸稈中含有一定量的堿性物質(zhì)(通常以灰化堿表示),一般呈中性偏堿性,并富含N、K、C、Ca、Mg等營(yíng)養(yǎng)元素和灰分元素。近年來(lái)利用生物質(zhì)材料改良酸化土壤的研究已有報(bào)道,施用秸稈可提高土壤pH和鹽基飽和度,而降低土壤鋁飽和度。但有關(guān)施用生物質(zhì)材料改良酸化茶園土壤的研究報(bào)道較少。本文通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),分析水稻秸稈、玉米秸稈、牛糞、商品有機(jī)肥、秸稈堆肥、作物秸稈炭和沼渣7種生物質(zhì)材料對(duì)酸化茶園土壤的改良效果,以尋求經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、操作簡(jiǎn)便且對(duì)酸化茶園土壤改良效果較佳的材料,旨在為進(jìn)一步調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),促進(jìn)茶葉生產(chǎn)的合理區(qū)劃和茶園科學(xué)施肥管理提供依據(jù)。1材料和方法1.1供試生物質(zhì)材料及方法供試土壤分別采自江蘇省主要茶區(qū)之一的宜興市嶺下茶場(chǎng)(LX)、靈谷茶場(chǎng)(LG)和林場(chǎng)茶場(chǎng)(LC)。采樣深度0~20cm。土樣經(jīng)風(fēng)干后磨細(xì),分別過(guò)2mm、1mm和0.149mm篩,充分混合后備用。本試驗(yàn)供試土壤的基本性質(zhì)列于表1。供試生物質(zhì)材料主要包括兩大類(lèi):(1)作物秸稈:選取水稻秸稈(SD)和玉米秸稈(YM),80℃烘干、磨細(xì)備用;(2)秸稈資源化產(chǎn)品及副產(chǎn)品:秸稈堆肥(JD)、沼渣(ZZ)、牛糞(NF)、作物秸稈炭(SC)和商品有機(jī)肥(SY),均風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)2mm篩備用。供試材料pH值采用復(fù)合電極法測(cè)定(固液比為1∶10);灰化堿采用馬弗爐灰化、酸溶解和NaOH返滴定法測(cè)定,將樣品置于馬弗爐中200℃加熱1h,再升至500℃加熱4h,將灰化的樣品溶于標(biāo)準(zhǔn)HCl溶液中,取灰化物酸溶液,Ca、Mg含量采用原子吸收分光光度法測(cè)定,K、Na含量采用火焰光度法測(cè)定;總C和總N含量用碳氮分析儀測(cè)定。本試驗(yàn)中各供試材料的化學(xué)成分見(jiàn)表2。1.2生物質(zhì)的改良和利用,保證土壤正常生長(zhǎng)所需采用模擬施肥方法,稱(chēng)取200g風(fēng)干土(過(guò)2mm篩)和15g/kg生物質(zhì)材料(過(guò)2mm篩)于500mL塑料燒杯中,混合均勻后,用去離子水將混合體系的含水量調(diào)節(jié)至田間持水量的75%(土壤田間飽和持水量用環(huán)刀法測(cè)定),以保證土壤呈濕潤(rùn)和通氣狀態(tài)。除對(duì)照(CK)以外,每種土壤上設(shè)置了水稻秸稈、玉米秸稈、牛糞、秸稈堆肥、商品有機(jī)肥、作物秸稈炭和沼渣共7種生物質(zhì)材料的改良處理。各處理重復(fù)3次。采用恒溫好氣培養(yǎng)法,將聚乙烯塑料薄膜蓋在燒杯的口上,并用橡皮筋扎緊。在塑料薄膜中間開(kāi)一小口,以保障杯內(nèi)空氣可以與外界自由交換,又可防止土壤水分損失過(guò)快。將上述各處理按隨機(jī)排列方式放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中,每隔2d稱(chēng)重并補(bǔ)充水分。培養(yǎng)試驗(yàn)持續(xù)45d,培養(yǎng)結(jié)束后將土壤樣品取出風(fēng)干,磨細(xì)過(guò)2mm、1mm和0.149mm篩備用。1.3土壤陽(yáng)離子和土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定方法土樣分析方法參照《土壤農(nóng)化分析》:土壤pH按土水比1∶2.5攪拌,復(fù)合電極法測(cè)定;土壤交換性酸(土壤交換性氫、交換性鋁)用1mol/L氯化鉀溶液淋洗,堿滴定法測(cè)定;土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)用1mol/L乙酸銨交換法;土壤交換性鹽基離子用1mol/L乙酸銨溶液浸提,提取液中的Ca和Mg用原子吸收分光光度法測(cè)定,K和Na用火焰光度法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)用外加熱重鉻酸鉀容量法測(cè)定;土壤總可溶性鋁及單核鋁用去離子水按1∶2.5的土水比提取,8-羥基喹啉比色法測(cè)定。1.4數(shù)據(jù)處理與分析方法采用MicrosoftExcel2010及SPSS18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)采用鄧肯新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),并用MicrosoftExcel2010軟件進(jìn)行繪圖。2結(jié)果與分析2.1不同酸度土壤對(duì)土壤ph值的影響供試的3種不同酸度茶園土壤中分別加入不同生物質(zhì)材料,培養(yǎng)45d后測(cè)定土壤pH值。測(cè)定結(jié)果(表3)顯示,加入生物質(zhì)材料后所有供試土壤的pH值均有所提高,但提高幅度不同。對(duì)于嶺下茶場(chǎng)土壤,與對(duì)照相比,各處理提高幅度由高至低依次為水稻秸稈、牛糞>秸稈堆肥>商品有機(jī)肥>玉米秸稈>作物秸稈炭>沼渣;對(duì)于靈谷茶場(chǎng)土壤,與對(duì)照相比,各處理提高幅度由高至低依次為:牛糞>作物秸稈炭>商品有機(jī)肥>秸稈堆肥>水稻秸稈>玉米秸稈>沼渣;對(duì)于林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤,與對(duì)照相比,各處理提高幅度由高至低依次為:秸稈堆肥>牛糞>商品有機(jī)肥>水稻秸稈>作物秸稈炭>玉米秸稈>沼渣。有研究表明,培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中植物物料釋放的灰化堿可以中和土壤酸度,提高土壤pH值;植物物料中有機(jī)氮的礦化過(guò)程消耗質(zhì)子,也使土壤pH值升高;但由于礦化過(guò)程中產(chǎn)生的銨態(tài)氮的硝化作用釋放質(zhì)子,會(huì)抵消植物物料的部分改良效果。因此,土壤pH值改變的方向和程度是這3個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。從表2可以看出,商品有機(jī)肥、沼渣、秸稈堆肥和牛糞的灰化堿含量比玉米秸稈、水稻秸稈和生物秸稈炭的高,而秸稈堆肥、商品有機(jī)肥、生物秸稈炭和沼渣的總氮含量高于牛糞、水稻秸稈和玉米秸稈。由于植物物料中的灰化堿能很快釋放,植物物料加入土壤后,土壤pH很快升高,而銨態(tài)氮的硝化過(guò)程在有機(jī)氮的礦化之后發(fā)生,相對(duì)滯后。這是牛糞、秸稈堆肥和商品有機(jī)肥對(duì)土壤pH的提高效果優(yōu)于其他處理的主要原因。此外,由表3可以看出,不同生物質(zhì)材料對(duì)不同酸度土壤的改良效果存在差異。相同條件下,與對(duì)照相比,生物質(zhì)材料對(duì)林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤pH值提高幅度最大,平均提高了0.44個(gè)pH單位;其次是靈谷茶場(chǎng)土壤,土壤pH平均提高了0.31個(gè)pH單位;嶺下茶場(chǎng)土壤pH提高幅度相對(duì)較小,平均提高了0.26個(gè)pH單位,這與土壤自身酸緩沖性能強(qiáng)弱和土壤質(zhì)地等有關(guān)。由表1供試土壤基本性質(zhì)可知,林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤的有機(jī)質(zhì)、粘粒和交換性酸含量均低于靈谷茶場(chǎng)土壤和嶺下茶場(chǎng)土壤,土壤質(zhì)地相對(duì)偏砂性。綜合來(lái)看,林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤對(duì)酸、堿的緩沖能力較嶺下茶場(chǎng)和靈谷茶場(chǎng)土壤小,因而施加改良材料后土壤pH值提高的幅度較大。作為供試對(duì)照組的3種不同酸度土壤培養(yǎng)45d后,其中靈谷茶場(chǎng)土壤和林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤pH值分別由培養(yǎng)前的4.35和5.39降至4.19和5.05,這可能是由于表層土壤中含有一定量有機(jī)N,恒溫培養(yǎng)過(guò)程中有機(jī)N發(fā)生礦化形成NH4+-N,NH4+-N進(jìn)一步發(fā)生硝化作用形成NO3--N,并釋放質(zhì)子,使土壤酸化。然而,對(duì)于嶺下茶場(chǎng)土壤,其不加生物質(zhì)材料的對(duì)照土壤pH值由培養(yǎng)前的3.60升至4.00,這可能是在這種酸度很強(qiáng)的土壤上所存在的硝化微生物數(shù)量少、作用弱所致,即在酸性程度不同的土壤上微生物種群及其活性不同。2.2不同生物材料對(duì)茶園土壤交換性能的影響2.2.1秸稈生物炭對(duì)林下茶場(chǎng)的影響施加生物質(zhì)材料,不僅能調(diào)控土壤pH值(土壤酸度的強(qiáng)度指標(biāo)),而且也會(huì)影響土壤交換性酸(土壤酸度的容量指標(biāo))。表4結(jié)果表明,施用不同生物質(zhì)材料能顯著降低酸化茶園土壤交換性H+和交換性Al3+的含量;同時(shí),作為交換性H+和Al3+之和的交換性酸也有所降低。比較7種生物質(zhì)材料的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),嶺下茶場(chǎng)土壤中水稻秸稈的效果最好,其次為牛糞、商品有機(jī)肥、秸稈堆肥和作物秸稈炭,沼渣和玉米秸稈效果最差;靈谷茶場(chǎng)土壤中,牛糞的效果最好,其次為秸稈堆肥、沼渣、玉米秸稈和水稻秸稈,商品有機(jī)肥和作物秸稈炭效果最差;林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤中,玉米秸稈的效果最好,其次為秸稈堆肥、牛糞、水稻秸稈和作物秸稈炭,商品有機(jī)肥和沼渣效果最差。這可能與生物質(zhì)材料本身的性質(zhì)及與土壤的相互作用有關(guān)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,與對(duì)照相比,除個(gè)別處理(如LG-SY)外,其他處理均能顯著降低酸化茶園土壤交換性酸和交換性Al3+含量(P<0.05),部分處理的降低效果達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。生物質(zhì)材料降低酸化茶園土壤交換性酸的幅度因土壤酸度不同而有所差異。嶺下茶場(chǎng)土壤交換性酸降低幅度大于靈谷茶場(chǎng)的降低幅度,而林場(chǎng)茶場(chǎng)降低幅度最小,這與土壤本身pH值高低有關(guān)。對(duì)土壤pH值與交換性酸進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明土壤pH值和交換性酸呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.959**,n=24),說(shuō)明施用生物質(zhì)材料后茶園土壤交換性酸減少也是土壤pH值提高的原因,這一研究結(jié)果與其他相關(guān)研究結(jié)論一致。從表4可以看出,林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤的交換性Al3+含量明顯低于嶺下茶場(chǎng)土壤和靈谷茶場(chǎng)土壤,這是因?yàn)榻粨Q性Al3+是土壤酸的主體部分,而它與土壤pH值關(guān)系密切,隨著pH值的提高,交換性鋁含量急劇減少,在pH5.0以上的土壤中交換性鋁含量很低。在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的自然條件下,酸性土壤的酸度主要由交換性Al3+引起,交換性H+所占比例較小。如表4所示,靈谷茶場(chǎng)土壤中交換性Al3+平均占交換性酸的88.2%,嶺下茶場(chǎng)土壤中交換性Al3+平均占交換性酸的90.8%,而林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤中交換性Al3+占交換性酸的比例相對(duì)較低,僅為77.3%。這主要是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤pH值對(duì)交換性酸的影響。2.2.2增加土壤交換性鹽基總量和鹽基飽和度從表5可以看出,施用生物質(zhì)材料提高了3種酸化茶園土壤陽(yáng)離子交換量(CEC),同時(shí),不同生物質(zhì)材料對(duì)茶園土壤的CEC提高效果也有差異。這是因?yàn)槭┯蒙镔|(zhì)材料后茶園土壤的交換性鋁含量大幅度下降,釋放了土壤膠體上被掩蓋的永久負(fù)電荷,從而增加了陽(yáng)離子交換量。其中,對(duì)靈谷茶場(chǎng)土壤的提高幅度最大,CEC平均提高了2.60個(gè)單位,并且,與對(duì)照相比,牛糞、商品有機(jī)肥、作物秸稈炭和沼渣均能顯著提高土壤CEC值(P<0.05),其中商品有機(jī)肥和作物秸稈炭的提高效果達(dá)到極顯著水平(P<0.01),這與作物秸稈炭和商品有機(jī)肥的基本性質(zhì)有關(guān),有關(guān)研究表明,作物秸稈炭比表面積大,而且氧化作用顯著增加了作物秸稈炭表面的含氧官能團(tuán),從而增強(qiáng)對(duì)土壤陽(yáng)離子的吸附能力,增加了土壤陽(yáng)離子交換量,從而增強(qiáng)了土壤的緩沖能力,提高了酸化土壤的鹽基離子保持能力,促進(jìn)酸化土壤pH值的提升;對(duì)嶺下茶場(chǎng)土壤的提高幅度最小,雖然CEC平均提高了0.74個(gè)單位,但各處理與對(duì)照相比均無(wú)顯著性差異。生物質(zhì)材料富含鹽基離子,加入生物質(zhì)材料后土壤交換性鹽基含量增加,交換性酸減少,從而導(dǎo)致土壤鹽基飽和度增加。結(jié)果(表5)表明,生物質(zhì)材料對(duì)土壤交換性鹽基離子有著一定的影響。對(duì)于土壤交換性K+和交換性Na+離子,作物秸稈炭的提高幅度最大,其次為水稻秸稈、秸稈堆肥、商品有機(jī)肥和沼渣,玉米秸稈和牛糞的增幅最小;對(duì)于土壤交換性Ca2+和交換性Mg2+離子而言,作物秸稈炭的提高幅度最大,其次為秸稈堆肥、牛糞、水稻秸稈和玉米秸稈,商品有機(jī)肥和沼渣的增幅最小。這可能與作物秸稈炭本身性質(zhì)有關(guān),有研究表明,作物秸稈炭含有的灰分元素如K、Ca、Mg都呈可溶態(tài),且氧化作用顯著增加了炭表面的含氧官能團(tuán),從而增強(qiáng)對(duì)陽(yáng)離子的吸附能力,施入土壤可增加酸性土壤的鹽基離子含量,提高土壤鹽基飽和度。土壤交換性鹽基總量和鹽基飽和度是衡量土壤中鹽基數(shù)量以及交換鹽基在土壤中所占的比例,是反映土壤,尤其是酸性土壤交換性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。從表5可以看出,所有生物質(zhì)材料均能顯著提高土壤交換性鹽基總量和鹽基飽和度,但調(diào)控效果因不同生物質(zhì)材料而異。作物秸稈炭處理對(duì)增加土壤交換性鹽基總量效果最好。各種處理均能提高土壤鹽基飽和度,且土壤酸性不同,其提高程度也有所不同。2.3對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響如圖1所示,生物質(zhì)材料的施用對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有著不同程度的影響。其中,作物秸稈炭、玉米秸稈和水稻秸稈對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提高效果較顯著。這是由生物質(zhì)材料基本性質(zhì)及與土壤的相互作用所決定的,作物秸稈炭具有很高的穩(wěn)定性,在土壤中不易被微生物分解,因此施用作物秸稈炭后土壤總的有機(jī)質(zhì)含量還包括一部分作物秸稈炭本身未分解的有機(jī)碳,這是施用作物秸稈炭后土壤有機(jī)質(zhì)含量高于其他處理的主要原因。有研究表明,植物物料在土壤中的分解速率與植物物料本身C/N比有關(guān),C/N比高于25的植物物料在210d的培養(yǎng)試驗(yàn)中沒(méi)有有機(jī)N的凈礦化。由于水稻秸稈和玉米秸稈的C/N比高于25,并且秸稈中含有大量的纖維素、木質(zhì)素,導(dǎo)致分解速度較慢。因此,在培養(yǎng)45d后水稻秸稈和玉米秸稈未被微生物完全分解,導(dǎo)致施用秸稈后土壤有機(jī)質(zhì)含量高于其他處理。另外,土壤有機(jī)質(zhì)提高幅度因土壤酸性強(qiáng)度不同和本身有機(jī)質(zhì)含量高低而異。靈谷茶場(chǎng)土壤有機(jī)質(zhì)含量提高幅度大于嶺下茶場(chǎng)土壤和林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤。嶺下茶場(chǎng)土壤中,與對(duì)照相比,作物秸稈炭能極顯著地提高土壤有機(jī)質(zhì)含量(P<0.01),其他處理均無(wú)顯著性差異;靈谷茶場(chǎng)土壤中,與對(duì)照相比,作物秸稈炭、秸稈堆肥和玉米秸稈能極顯著地提高土壤有機(jī)質(zhì)含量(P<0.01),其他處理效果不顯著;林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤中,與對(duì)照相比,玉米秸稈、水稻秸稈和作物秸稈炭能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量(P<0.05),其他處理有機(jī)質(zhì)含量反而有所下降,這與供試土壤有機(jī)質(zhì)含量高,改良材料的施入增強(qiáng)了土壤礦化作用有關(guān)。2.4土壤ph值與總可溶性鋁及總提單形態(tài)鋁的關(guān)系土壤酸化會(huì)導(dǎo)致土壤交換性鋁和可溶性鋁增加,在一定程度上會(huì)對(duì)土壤微生物系統(tǒng)產(chǎn)生危害,土壤中鋁過(guò)多就可能影響茶樹(shù)生長(zhǎng)和茶葉品質(zhì)。有研究表明,植物物料施加到土壤中,對(duì)土壤中可溶性鋁的影響,最終取決于因植物物料在微生物作用下分解產(chǎn)生的可溶性有機(jī)物促進(jìn)土壤鋁釋放,從而增加水溶性鋁含量,以及因土壤pH值的提高而降低鋁的溶解度這兩個(gè)相反過(guò)程的綜合作用。如圖2所示,除個(gè)別處理外,大多數(shù)生物質(zhì)材料使土壤總可溶性鋁和總單核鋁濃度極顯著或顯著降低(P<0.01,P<0.05)。對(duì)于土壤總可溶性鋁而言,商品有機(jī)肥的降低幅度最大;其次為秸稈堆肥、牛糞、沼渣和玉米秸稈,水稻秸稈和作物秸稈炭的降幅最小。對(duì)于土壤總單核鋁而言,商品有機(jī)肥的降低幅度最大;其次為牛糞、秸稈堆肥、水稻秸稈和玉米秸稈,沼渣和作物秸稈炭的降幅最小。這與加入不同生物質(zhì)材料后土壤pH值的變化趨勢(shì)基本一致。加入商品有機(jī)肥、牛糞和秸稈堆肥后,土壤pH值較其他處理顯著提高,使部分可溶性鋁發(fā)生水解反應(yīng),并又成為土壤固相部分,導(dǎo)致土壤溶液中可溶性鋁含量減少。比較3種土壤的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),不同生物質(zhì)材料對(duì)土壤pH值的影響不同,它對(duì)土壤可溶性鋁含量的影響也有所差異。從圖2可以看出,pH3.60的嶺下茶場(chǎng)土壤和pH4.35的靈谷茶場(chǎng)土壤中可溶性鋁的降幅大于pH5.39的林場(chǎng)茶場(chǎng)土壤。這與加入不同生物質(zhì)材料后土壤