生物炭配施沼液对番茄根区土壤养分环境的影响及评价.pdf

为探明施用生物炭对沼液灌溉时作物根区养分滞留量的影响将生物炭的强吸附特性与沼液绿色有机的特点相结合在 年和 年开展两季大田试验设置 个当地常规化肥处理()和 个沼液生物炭处理(沼液浓度、.、.、.处理生物炭施用量分别为、.、.、.质量比)探求不同生物炭施加量配施沼液对番茄根区土壤养分环境的影响并采用层次分析法()进行了评价 结果表明:灌溉沼液浓度为 时番茄根区 土层土壤全氮、硝态氮、铵态氮、有机质含量以及 土层土壤 值随生物炭施加量的增加而逐渐增大.处理土壤全氮、硝态氮、铵态氮和有机质含量均高于其他处理层次分析法对生物炭配施沼液处理下番茄根区土壤养分环境质量评价的结果表明各处理对根区土壤养分环境质量的影响表现为:.不同生物炭施加量配施沼液处理不仅能提高番茄根区土壤养分含量还可以进一步改善番茄根区土壤养分环境质量.处理(浓度沼液配施.生物炭)表现最佳关键词:生物炭沼液土壤养分番茄层次分析法中图分类号:.文献标志码:(.):.().().:.收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金()甘肃省教育厅产业支撑计划项目()兰州理工大学红柳一流学科建设项目()作者简介:郑健()男甘肃会宁人博士教授博士生导师主要从事农业水土工程方面的研究:.: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 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 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 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还能改善土壤结构、提高土壤肥力 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 等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 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其作为一种土壤添加剂已经被广泛应用 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 何绪生等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 材料与方法.研究区域概况试验于 年 月 年 月在甘肃省兰州市七里河区魏岭乡的温室内()进行该区域海拔 .温室长 宽 高.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 土层土壤的理化性质见表 表 研究区域土壤理化性质 年份土层/含水率/容重/()全氮/()硝态氮/()铵态氮/()有机质/().第 期 郑 健等:生物炭配施沼液对番茄根区土壤养分环境的影响及评价.试验材料供试番茄品种为中研供试沼液理化性质如表 所示 供试生物炭理化性质:速效磷.速效钾.容重.比表面积.总孔隙度.通气孔隙度.含水孔隙度.阳离子交换量.试验设计试验设 个处理包括 个当地常规化肥处理()和 个沼液生物炭处理(.)处理按照当地经验进行施肥单次施肥量为尿素.、磷肥.、钾肥.肥料溶于水后滴灌施入土壤前期试验和文献调研发现大田试验中 沼液施加浓度对作物和土壤的影响最佳故本研究将 个沼液生物炭处理的沼液浓度设置为、.、.、.处理对应的生物炭施加量(质量比)分别为、.、.、.即各处理将水和沼液按照体积比配成 浓度的沼液后与不同质量比的生物炭混合滴灌施用 个处理灌溉量均为 式中为蒸发皿系数本研究取.为根区面积本研究取 ()为蒸发皿的蒸散量()灌溉间隔 灌溉时间为 具体试验设计见表 番茄分别于 年 月 日和 年 月 日播种 年 月 日和 年 月 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.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 的地方取 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 值使用 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表 供试沼液养分状况 年份全氮/()全磷/()硝态氮/()铵态氮/().番茄根区土壤养分环境质量评价方法采用层次分析法()评价土壤养分环境质量具体步骤如下:()建立层次结构模型:结构分为目标层、准则层和方案层()构造判断矩阵:式中表示纵列与相比较的结果且数字 及其倒数作为标度确定 的值 表 为各标度的含义()层次单排序及一致性检验:计算一致性指标 式中表示判断矩阵对应的最大特征值 表示判断矩阵的行数或者列数查找一致性指标 见表 计算一致性比例/当.时判断矩阵的一致性是合理的表 试验设计 处理灌溉量沼液浓度/生物炭配比/.表 判断矩阵标度及含义 标度 含义 和 同等重要 比 稍微重要 比 明显重要 比 强烈重要 比 极端重要 表示上述数字标度的中间值 倒数 若因素 与因素 的重要性之比为 那么因素 与因素 重要性之比为 .干旱地区农业研究 第 卷 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.数据处理及分析方法数据处理采用 .软件图表处理采用.软件 采用单因素方差分析()对不同处理下番茄根区土壤 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(.的变化规律 随着番茄生育期的进行各处理 土层土壤平均 值均逐渐增大 土层土壤平均 值部分处理出现小幅降低 其中.处理果实成熟期 各土层土壤 值较苗期分别提高了.、.、.、.、.、.较开花结果期分别提高了.、.、.、.、.、.较果实膨大期分别提高了.、.、.、.、.、.且果实成熟期.处理 土层 值较、.、.处理分别提高了.、.、.、.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 值有逐渐增加的趋势但增量较小在番茄果实成熟期的 土壤深度.处理 值最大.生物炭配施沼液对番茄根区土壤全氮含量的影响 由图 可知 年和 年两季番茄根区 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.处理土壤全氮含量最高 处理土壤全氮含量最低 各处理全氮含表 平均随机一致性指标 .图 生物炭配施沼液对番茄根区土壤 的影响.第 期 郑 健等:生物炭配施沼液对番茄根区土壤养分环境的影响及评价量在土层深度上都表现为 土层内逐渐增大、土层内逐渐减小的规律在 土层达到最大值.处理苗期 土层土壤全氮含量较.、.、处理分别提高了.、.、.、.开花结果期分别提高了.、.、.、.果实膨大期分别提高了.、.、.、.果实成熟期分别提高了.、.、.、.说明.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.处理的 土层处达到最大值.生物炭配施沼液对番茄根区土壤硝态氮含量的影响 从图 可以看出 年和 年两季番茄根区 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 土层土壤硝态氮含量表现为.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 土层增大、土层减小的趋势且均在 土层达到最大值各生育时期根区土壤硝态氮含量均为.处理最高.处理苗期 土层的土壤硝态氮含量较.、.、处 理 分 别 提 高 了.、.、.、.开花结果期分别提高了.、.、.、.果实膨大期分别提高了.、.、.、.果实成熟期分别提高了.、.、.、.表明.处理可以显著提高番茄根区土壤硝态氮的累积.生物炭配施沼液对番茄根区土壤铵态氮含量的影响 由图 可知 年和 年两季番茄根区 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.均为.处理最高 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 土层.处理 土层土壤铵态氮含量在苗期较.、.、处理分别提高了.、.、.、.开花结果期分别提高了.、.、.、.果实膨大期分别提高图 生物炭配施沼液对根区土壤全氮的影响.干旱地区农业研究 第 卷图 生物炭配施沼液对根区土壤硝态氮的影响.图 生物炭配施沼液对根区土壤铵态氮的影响.第 期 郑 健等:生物炭配施沼液对番茄根区土壤养分环境的影响及评价了.、.、.、.果实成熟期分别提高了.、.、.、.表明.处理番茄根区土壤铵态氮的累积效果优于其他处理.生物炭配施沼液对番茄根区土壤有机质含量的影响 从图 看出 年和 年两季番茄根区 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.处理最高 处理最低 在番茄整个生育期各处理 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 土层处出现最大值.处理 土层有机质含量在苗期较.、.、处 理 分 别 提 高 了.、.、.、.开花结果期分别提高了.、.、.、.果实膨大期分别提高了.、.、.、.果实成熟期分别提高了.、.、.、.说明.处理能够有效增加番茄根区土壤有机质含量.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 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 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()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:()建立土壤养分环境质量评价的递阶层次结构模型(图)本研究中目标层 为土壤养分环境质量准则层 为:土壤 值()、土壤全氮含量()、土壤铵态氮含量()、土壤硝态氮含量()、土壤有机质含量()方案层 为:处理()、处理()、.处理()、.处理()、.处理()()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)后根据层次分析法的专家打分机制向相关专业的 位老师及本专业 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 通过统计分析形成各个层次的判断矩阵如表 所示图 生物炭配施沼液对根区土壤有机质的影响.干旱地区农业研究 第 卷图 土壤养分环境质量评价的递阶层次结构模型.表 土壤养分环境质量评价因子判断矩阵 权重参数检验./././.权重参数检验/./././.权重参数检验/././.权重参数检验/././.权重参数检验/./././.权重参数检验/./././.()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 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.表明在相同沼液浓度()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.(.处理)时目标层的总权重达到最大值.即.处理改善土壤养分环境质量效果最好 处理的排序高于 处理说明在不增施生物炭的情况下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 讨 论生物炭具有表面积大、孔隙率高、吸附性强的特点 等开展的施用生物炭对华南红壤保水特性影响的试验以及 等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、侯冬梅等和 等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 等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 值在.以上但其配合施用并未引起土壤 值的明显升高反而对番茄根区土壤 值第 期 郑 健等:生物炭配施沼液对番茄根区土壤养分环境的影响及评价表 各层元素对目标层的合成权重 处理 权重 全氮权重 铵态氮权重 硝态氮权重 有机质权重 总权重.起到了一定的改善作用使 土层土壤 值出现小幅度的增大同时当灌溉沼液浓度为时随着生物炭施用量的增加番茄根区土壤 土层的总氮、硝态氮、铵态氮含量、有机质含量均较常规施肥处理有不同程度的增加以土壤 土层.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和陈瑶等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从而提高了作物根区土壤的养分含量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()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 土地利用适宜性分析和土壤质量评价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 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.处理(生物炭施用量.)在改善土壤养分环境质量方面效果最明显 这与郑健等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 结 论)沼液浓度为 时生物炭施用量的增加能有效促进番茄根区 土层土壤总氮、硝态氮、铵态氮和有机质含量的增大.处理(生物炭施加量为.质量比)提升效果最佳)层次分析法()能够对生物炭配施沼液条件下番茄根区土壤养分环境进行准确评价当生物炭施加量的质量比为.(.处理)时目标层的总权重达到最大值(.)表明 个处理中.对土壤养分环境质量改善效果最好参 考 文 献:.:.张北赢 陈天林 王兵.长期施用化肥对土壤质量的影响.中国农学通报 ():.():.宁川川 王建武 蔡昆争.有机肥对土壤肥力和土壤环境质量的影响研究进展.生态环境学报 ():.:.():.陆国弟 杨扶德 陈红刚 等.沼液应用的研究进展.中国土壤与肥料():.():.杜妍宁.施用沼液和生物炭对杨树人工林土壤氮、磷的影响.南京:南京林业大学.:.():.(.).():.干旱地区农业研究 第 卷 ():.张平安.生物炭配施沼液对番茄生理生态指标、产量品质及土壤环境的影响.兰州:兰州理工大学.:.():.:.李昌见 屈忠义 勾芒芒 等.生物炭对土壤水肥利用效率与番茄生长影响研究.农业环境科学学报 ():.():.何绪生 张树清 佘雕 等.生物炭对土壤肥料的作用及未来研究.中国农学通报 ():.():.():.():.杨乐 张凤华 庞玮 等.沼液灌溉对绿洲农田土壤养分的影响.石河子大学学报(自然科学版)():.()():.侯东梅 王新平 杨萍 等.沼液改良煤矸石地对樱桃栽培地土壤性状的影响.安徽农业科学 ():.():.:.():.():.黄连喜 魏岚 刘晓文 等.生物炭对土壤植物体系中铅镉迁移累积的影响.农业环境科学学报 ():.():.陈瑶 史秋萍 陈玉成.沼液连续浇灌对旱作和水田土壤养分及重金属含量的影响.水土保持学报 ():.():.林少华 凌玮 孙芹菊 等.滨海盐碱地施用沼液对紫甘蓝生长及土壤性状的影响.中国沼气 ():.():.():.郑健 殷李高 朱传远 等.施用沼液对设施番茄生长与土壤生态环境的影响.农业机械学报 ():.():.:.郭金玉 张忠彬 孙庆云.层次分析法的研究与应用.中国安全科学学报 ():.():.:().():.:.郑健 李欣怡 马静 等.生物炭配施沼液对渗出液电导率、全氮含量及土壤理化性质的影响.干旱地区农业研究 ():.():.郑健 李欣怡 马静 等.秸秆生物炭配施沼液对土壤有机质和全氮含量的影响.农业环境科学学报 ():.():.第 期 郑 健等:生物炭配施沼液对番茄根区土壤养分环境的影响及评价