不同类型生物质材料对酸性茶园土壤的改良效果

不同类型生物质材料对酸性茶园土壤的改良效果

茶树是一种喜酸植物，酸性土壤是茶树生长所必需的生态条件之一。茶树生长适宜的土壤pH范围在4.5~6.0,其最适pH值为5.5,当土壤pH<4.0时,茶树生长将受到抑制。近年来,由于酸雨、人为施肥管理不当,以及茶树自身代谢作用等原因,茶园土壤酸化日趋严重,土壤pH值小于4.0的茶园越来越多,并已成为当前茶叶生产中的普遍性问题。茶园土壤过度酸化,不仅影响茶叶产量,而且会导致茶园土壤的其他生态环境问题。因此,迫切需要探索经济、有效和适用的改良措施来缓解和防治茶园土壤酸化。作物秸秆是农业生产中常见的生物质材料,有不同的资源化利用途径及其副产品。作物秸秆中含有一定量的碱性物质(通常以灰化碱表示),一般呈中性偏碱性,并富含N、K、C、Ca、Mg等营养元素和灰分元素。近年来利用生物质材料改良酸化土壤的研究已有报道,施用秸秆可提高土壤pH和盐基饱和度,而降低土壤铝饱和度。但有关施用生物质材料改良酸化茶园土壤的研究报道较少。本文通过室内培养试验,分析水稻秸秆、玉米秸秆、牛粪、商品有机肥、秸秆堆肥、作物秸秆炭和沼渣7种生物质材料对酸化茶园土壤的改良效果,以寻求经济实惠、操作简便且对酸化茶园土壤改良效果较佳的材料,旨在为进一步调整农业产业结构,促进茶叶生产的合理区划和茶园科学施肥管理提供依据。1材料和方法1.1供试生物质材料及方法供试土壤分别采自江苏省主要茶区之一的宜兴市岭下茶场(LX)、灵谷茶场(LG)和林场茶场(LC)。采样深度0~20cm。土样经风干后磨细,分别过2mm、1mm和0.149mm筛,充分混合后备用。本试验供试土壤的基本性质列于表1。供试生物质材料主要包括两大类:(1)作物秸秆:选取水稻秸秆(SD)和玉米秸秆(YM),80℃烘干、磨细备用;(2)秸秆资源化产品及副产品:秸秆堆肥(JD)、沼渣(ZZ)、牛粪(NF)、作物秸秆炭(SC)和商品有机肥(SY),均风干后磨细过2mm筛备用。供试材料pH值采用复合电极法测定(固液比为1∶10);灰化碱采用马弗炉灰化、酸溶解和NaOH返滴定法测定,将样品置于马弗炉中200℃加热1h,再升至500℃加热4h,将灰化的样品溶于标准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测定,K、Na含量采用火焰光度法测定;总C和总N含量用碳氮分析仪测定。本试验中各供试材料的化学成分见表2。1.2生物质的改良和利用,保证土壤正常生长所需采用模拟施肥方法,称取200g风干土(过2mm筛)和15g/kg生物质材料(过2mm筛)于500mL塑料烧杯中,混合均匀后,用去离子水将混合体系的含水量调节至田间持水量的75%(土壤田间饱和持水量用环刀法测定),以保证土壤呈湿润和通气状态。除对照(CK)以外,每种土壤上设置了水稻秸秆、玉米秸秆、牛粪、秸秆堆肥、商品有机肥、作物秸秆炭和沼渣共7种生物质材料的改良处理。各处理重复3次。采用恒温好气培养法,将聚乙烯塑料薄膜盖在烧杯的口上,并用橡皮筋扎紧。在塑料薄膜中间开一小口,以保障杯内空气可以与外界自由交换,又可防止土壤水分损失过快。将上述各处理按随机排列方式放入25℃恒温培养箱中,每隔2d称重并补充水分。培养试验持续45d,培养结束后将土壤样品取出风干,磨细过2mm、1mm和0.149mm筛备用。1.3土壤阳离子和土壤有机质的测定方法土样分析方法参照《土壤农化分析》:土壤pH按土水比1∶2.5搅拌,复合电极法测定;土壤交换性酸(土壤交换性氢、交换性铝)用1mol/L氯化钾溶液淋洗,碱滴定法测定;土壤阳离子交换量(CEC)用1mol/L乙酸铵交换法;土壤交换性盐基离子用1mol/L乙酸铵溶液浸提,提取液中的Ca和Mg用原子吸收分光光度法测定,K和Na用火焰光度法测定;土壤有机质用外加热重铬酸钾容量法测定;土壤总可溶性铝及单核铝用去离子水按1∶2.5的土水比提取,8-羟基喹啉比色法测定。1.4数据处理与分析方法采用MicrosoftExcel2010及SPSS18.0统计分析软件进行数据处理,数据采用邓肯新复极差法进行差异显著性检验,并用MicrosoftExcel2010软件进行绘图。2结果与分析2.1不同酸度土壤对土壤ph值的影响供试的3种不同酸度茶园土壤中分别加入不同生物质材料,培养45d后测定土壤pH值。测定结果(表3)显示,加入生物质材料后所有供试土壤的pH值均有所提高,但提高幅度不同。对于岭下茶场土壤,与对照相比,各处理提高幅度由高至低依次为水稻秸秆、牛粪>秸秆堆肥>商品有机肥>玉米秸秆>作物秸秆炭>沼渣;对于灵谷茶场土壤,与对照相比,各处理提高幅度由高至低依次为:牛粪>作物秸秆炭>商品有机肥>秸秆堆肥>水稻秸秆>玉米秸秆>沼渣;对于林场茶场土壤,与对照相比,各处理提高幅度由高至低依次为:秸秆堆肥>牛粪>商品有机肥>水稻秸秆>作物秸秆炭>玉米秸秆>沼渣。有研究表明,培养实验过程中植物物料释放的灰化碱可以中和土壤酸度,提高土壤pH值;植物物料中有机氮的矿化过程消耗质子,也使土壤pH值升高;但由于矿化过程中产生的铵态氮的硝化作用释放质子,会抵消植物物料的部分改良效果。因此,土壤pH值改变的方向和程度是这3个因素综合作用的结果。从表2可以看出,商品有机肥、沼渣、秸秆堆肥和牛粪的灰化碱含量比玉米秸秆、水稻秸秆和生物秸秆炭的高,而秸秆堆肥、商品有机肥、生物秸秆炭和沼渣的总氮含量高于牛粪、水稻秸秆和玉米秸秆。由于植物物料中的灰化碱能很快释放,植物物料加入土壤后,土壤pH很快升高,而铵态氮的硝化过程在有机氮的矿化之后发生,相对滞后。这是牛粪、秸秆堆肥和商品有机肥对土壤pH的提高效果优于其他处理的主要原因。此外,由表3可以看出,不同生物质材料对不同酸度土壤的改良效果存在差异。相同条件下,与对照相比,生物质材料对林场茶场土壤pH值提高幅度最大,平均提高了0.44个pH单位;其次是灵谷茶场土壤,土壤pH平均提高了0.31个pH单位;岭下茶场土壤pH提高幅度相对较小,平均提高了0.26个pH单位,这与土壤自身酸缓冲性能强弱和土壤质地等有关。由表1供试土壤基本性质可知,林场茶场土壤的有机质、粘粒和交换性酸含量均低于灵谷茶场土壤和岭下茶场土壤,土壤质地相对偏砂性。综合来看,林场茶场土壤对酸、碱的缓冲能力较岭下茶场和灵谷茶场土壤小,因而施加改良材料后土壤pH值提高的幅度较大。作为供试对照组的3种不同酸度土壤培养45d后,其中灵谷茶场土壤和林场茶场土壤pH值分别由培养前的4.35和5.39降至4.19和5.05,这可能是由于表层土壤中含有一定量有机N,恒温培养过程中有机N发生矿化形成NH4+-N,NH4+-N进一步发生硝化作用形成NO3--N,并释放质子,使土壤酸化。然而,对于岭下茶场土壤,其不加生物质材料的对照土壤pH值由培养前的3.60升至4.00,这可能是在这种酸度很强的土壤上所存在的硝化微生物数量少、作用弱所致,即在酸性程度不同的土壤上微生物种群及其活性不同。2.2不同生物材料对茶园土壤交换性能的影响2.2.1秸秆生物炭对林下茶场的影响施加生物质材料,不仅能调控土壤pH值(土壤酸度的强度指标),而且也会影响土壤交换性酸(土壤酸度的容量指标)。表4结果表明,施用不同生物质材料能显著降低酸化茶园土壤交换性H+和交换性Al3+的含量;同时,作为交换性H+和Al3+之和的交换性酸也有所降低。比较7种生物质材料的结果可以发现,岭下茶场土壤中水稻秸秆的效果最好,其次为牛粪、商品有机肥、秸秆堆肥和作物秸秆炭,沼渣和玉米秸秆效果最差;灵谷茶场土壤中,牛粪的效果最好,其次为秸秆堆肥、沼渣、玉米秸秆和水稻秸秆,商品有机肥和作物秸秆炭效果最差;林场茶场土壤中,玉米秸秆的效果最好,其次为秸秆堆肥、牛粪、水稻秸秆和作物秸秆炭,商品有机肥和沼渣效果最差。这可能与生物质材料本身的性质及与土壤的相互作用有关。根据统计分析结果,与对照相比,除个别处理(如LG-SY)外,其他处理均能显著降低酸化茶园土壤交换性酸和交换性Al3+含量(P<0.05),部分处理的降低效果达到极显著水平(P<0.01)。生物质材料降低酸化茶园土壤交换性酸的幅度因土壤酸度不同而有所差异。岭下茶场土壤交换性酸降低幅度大于灵谷茶场的降低幅度,而林场茶场降低幅度最小,这与土壤本身pH值高低有关。对土壤pH值与交换性酸进行相关分析,结果表明土壤pH值和交换性酸呈极显著负相关关系(r=-0.959**,n=24),说明施用生物质材料后茶园土壤交换性酸减少也是土壤pH值提高的原因,这一研究结果与其他相关研究结论一致。从表4可以看出,林场茶场土壤的交换性Al3+含量明显低于岭下茶场土壤和灵谷茶场土壤,这是因为交换性Al3+是土壤酸的主体部分,而它与土壤pH值关系密切,随着pH值的提高,交换性铝含量急剧减少,在pH5.0以上的土壤中交换性铝含量很低。在达到动态平衡的自然条件下,酸性土壤的酸度主要由交换性Al3+引起,交换性H+所占比例较小。如表4所示,灵谷茶场土壤中交换性Al3+平均占交换性酸的88.2%,岭下茶场土壤中交换性Al3+平均占交换性酸的90.8%,而林场茶场土壤中交换性Al3+占交换性酸的比例相对较低,仅为77.3%。这主要是土壤有机质和土壤pH值对交换性酸的影响。2.2.2增加土壤交换性盐基总量和盐基饱和度从表5可以看出,施用生物质材料提高了3种酸化茶园土壤阳离子交换量(CEC),同时,不同生物质材料对茶园土壤的CEC提高效果也有差异。这是因为施用生物质材料后茶园土壤的交换性铝含量大幅度下降,释放了土壤胶体上被掩盖的永久负电荷,从而增加了阳离子交换量。其中,对灵谷茶场土壤的提高幅度最大,CEC平均提高了2.60个单位,并且,与对照相比,牛粪、商品有机肥、作物秸秆炭和沼渣均能显著提高土壤CEC值(P<0.05),其中商品有机肥和作物秸秆炭的提高效果达到极显著水平(P<0.01),这与作物秸秆炭和商品有机肥的基本性质有关,有关研究表明,作物秸秆炭比表面积大,而且氧化作用显著增加了作物秸秆炭表面的含氧官能团,从而增强对土壤阳离子的吸附能力,增加了土壤阳离子交换量,从而增强了土壤的缓冲能力,提高了酸化土壤的盐基离子保持能力,促进酸化土壤pH值的提升;对岭下茶场土壤的提高幅度最小,虽然CEC平均提高了0.74个单位,但各处理与对照相比均无显著性差异。生物质材料富含盐基离子,加入生物质材料后土壤交换性盐基含量增加,交换性酸减少,从而导致土壤盐基饱和度增加。结果(表5)表明,生物质材料对土壤交换性盐基离子有着一定的影响。对于土壤交换性K+和交换性Na+离子,作物秸秆炭的提高幅度最大,其次为水稻秸秆、秸秆堆肥、商品有机肥和沼渣,玉米秸秆和牛粪的增幅最小;对于土壤交换性Ca2+和交换性Mg2+离子而言,作物秸秆炭的提高幅度最大,其次为秸秆堆肥、牛粪、水稻秸秆和玉米秸秆,商品有机肥和沼渣的增幅最小。这可能与作物秸秆炭本身性质有关,有研究表明,作物秸秆炭含有的灰分元素如K、Ca、Mg都呈可溶态,且氧化作用显著增加了炭表面的含氧官能团,从而增强对阳离子的吸附能力,施入土壤可增加酸性土壤的盐基离子含量,提高土壤盐基饱和度。土壤交换性盐基总量和盐基饱和度是衡量土壤中盐基数量以及交换盐基在土壤中所占的比例,是反映土壤,尤其是酸性土壤交换性能的两个重要指标。从表5可以看出,所有生物质材料均能显著提高土壤交换性盐基总量和盐基饱和度,但调控效果因不同生物质材料而异。作物秸秆炭处理对增加土壤交换性盐基总量效果最好。各种处理均能提高土壤盐基饱和度,且土壤酸性不同,其提高程度也有所不同。2.3对土壤有机质含量的影响如图1所示,生物质材料的施用对土壤有机质有着不同程度的影响。其中,作物秸秆炭、玉米秸秆和水稻秸秆对土壤有机质的提高效果较显著。这是由生物质材料基本性质及与土壤的相互作用所决定的,作物秸秆炭具有很高的稳定性,在土壤中不易被微生物分解,因此施用作物秸秆炭后土壤总的有机质含量还包括一部分作物秸秆炭本身未分解的有机碳,这是施用作物秸秆炭后土壤有机质含量高于其他处理的主要原因。有研究表明,植物物料在土壤中的分解速率与植物物料本身C/N比有关,C/N比高于25的植物物料在210d的培养试验中没有有机N的净矿化。由于水稻秸秆和玉米秸秆的C/N比高于25,并且秸秆中含有大量的纤维素、木质素,导致分解速度较慢。因此,在培养45d后水稻秸秆和玉米秸秆未被微生物完全分解,导致施用秸秆后土壤有机质含量高于其他处理。另外,土壤有机质提高幅度因土壤酸性强度不同和本身有机质含量高低而异。灵谷茶场土壤有机质含量提高幅度大于岭下茶场土壤和林场茶场土壤。岭下茶场土壤中,与对照相比,作物秸秆炭能极显著地提高土壤有机质含量(P<0.01),其他处理均无显著性差异;灵谷茶场土壤中,与对照相比,作物秸秆炭、秸秆堆肥和玉米秸秆能极显著地提高土壤有机质含量(P<0.01),其他处理效果不显著;林场茶场土壤中,与对照相比,玉米秸秆、水稻秸秆和作物秸秆炭能显著提高土壤有机质含量(P<0.05),其他处理有机质含量反而有所下降,这与供试土壤有机质含量高,改良材料的施入增强了土壤矿化作用有关。2.4土壤ph值与总可溶性铝及总提单形态铝的关系土壤酸化会导致土壤交换性铝和可溶性铝增加,在一定程度上会对土壤微生物系统产生危害,土壤中铝过多就可能影响茶树生长和茶叶品质。有研究表明,植物物料施加到土壤中,对土壤中可溶性铝的影响,最终取决于因植物物料在微生物作用下分解产生的可溶性有机物促进土壤铝释放,从而增加水溶性铝含量,以及因土壤pH值的提高而降低铝的溶解度这两个相反过程的综合作用。如图2所示,除个别处理外,大多数生物质材料使土壤总可溶性铝和总单核铝浓度极显著或显著降低(P<0.01,P<0.05)。对于土壤总可溶性铝而言,商品有机肥的降低幅度最大;其次为秸秆堆肥、牛粪、沼渣和玉米秸秆,水稻秸秆和作物秸秆炭的降幅最小。对于土壤总单核铝而言,商品有机肥的降低幅度最大;其次为牛粪、秸秆堆肥、水稻秸秆和玉米秸秆,沼渣和作物秸秆炭的降幅最小。这与加入不同生物质材料后土壤pH值的变化趋势基本一致。加入商品有机肥、牛粪和秸秆堆肥后,土壤pH值较其他处理显著提高,使部分可溶性铝发生水解反应,并又成为土壤固相部分,导致土壤溶液中可溶性铝含量减少。比较3种土壤的试验结果可以发现,不同生物质材料对土壤pH值的影响不同,它对土壤可溶性铝含量的影响也有所差异。从图2可以看出,pH3.60的岭下茶场土壤和pH4.35的灵谷茶场土壤中可溶性铝的降幅大于pH5.39的林场茶场土壤。这与加入不同生物质材料后土壤