桑树及桑枝生物炭对风沙土改良

郑冬梅，王玉琦，毛莹

桑树及桑枝生物炭对风沙土改良

郑冬梅，王玉琦，毛莹

（沈阳大学 环境学院，辽宁 沈阳 110044）

选择辽西北风沙土作为研究对象，通过盆栽实验种植桑树以及施加不同浓度的生物炭改良风沙土．结果表明，桑树单独种植会减小风沙土pH，在风沙土中添加生物炭会增加土壤pH，随着实验时间变长，桑树种植可平衡生物炭对风沙土pH的增加作用；桑树单独种植及添加生物炭处理都能有效增加风沙土有机质、CEC、全氮、全磷，其在种植6个月土壤中的含量明显高于种植3个月土壤中的含量，桑树及桑枝生物炭对风沙土改良具有明显的效果．

桑树；生物炭；风沙土

土地沙化是全球生态环境问题之一，目前我国土地沙化问题日益严重．截至2014年，全国有2.61×106km2已成为荒漠化地区[1]，沙化土地面积也达到了1.72×106km2，占国土总面积的18%，其中有接近二分之一的面积为极重度沙化土[2]．桑树是一种适应性极强的植物，近年来作为生态树种在防沙治沙，水土流失，退耕还林等方面的影响力逐渐被发掘[3]，与裸土地相比，桑林每年至少减少水土流失124.5 t[4]．生物炭施入土壤对土壤的理化特性有显著改良作用，能有效提升土壤保水保肥能力等[5]．张功臣[6]等研究小麦秸秆炭施用能显著增加土壤速效氮、速效钾、全氮、全钾含量，对土壤全磷、速效磷影响不明显，生物炭的施加可以提升作物品质，增加产量．辽西北地处科尔沁沙地与西辽河平原的交汇处，是典型的生态脆弱区，该区是阻止科尔沁沙地向东南侵入辽河平原最前沿、最重要的生态屏障[7]．因此，本文利用桑树、桑枝生物炭改良风沙土，以期为辽西北沙化土壤治理提供技术支撑．

1　材料与方法

1.1　实验材料

土壤（2020年9月21日采集于辽宁彰武县大冷乡（东经122.50°，北纬42.56°）的风沙土，其基本理化性质见表1）；桑枝炭（实验室自制，其基本理化性质见表1）；生物炭（粉碎后过100目筛备用）；桑树（课题组自行培育品种，选用（20±3）cm高的1年生桑苗，进行室内盆栽模拟实验）．风沙土中，生物炭添加浓度分别为0（CK），0.5%（S0.5），1%（S1），2%（S2）．

表1　风沙土及生物炭养分

1.2　实验方法

采用pH计（PB-10）测定土壤pH；采用重铬酸钾-氧化外加热法测定土壤有机质含量[8]；采用硫酸-氯化钡强迫交换法测定土壤CEC[9]；使用凯式定氮仪测定土壤全氮含量；采用氢氧化钠熔融法测定土壤全磷、全钾含量[10]．

2　结果与分析

2.1　桑树及生物炭对风沙土pH的影响

土壤酸碱度是土壤理化性质的重要指标之一，土壤pH的检测有利于了解土壤状况，为土壤改良提供理论依据．不同处理3个月时，不同处理中土壤pH均大于CK处理（见图1），随着生物炭添加量的增加，pH增加．对土壤pH的调节作用效果明显，这与Schulz[11]等的研究结果类似．3～6个月时，所有处理中，CK和S1处理土壤pH均下降，但S1处理组pH降低的幅度较小，添加生物炭的S0.5和S2组土壤pH有明显的升高趋势；6个月时，S2土壤pH变化最大，S1略有降低，说明在相对较长的时间周期内，生物炭的添加会改变土壤pH，土壤接近中性，有利于作物生长．

2.2　桑树及生物炭对风沙土有机质含量的影响

风沙土添加生物炭后，桑树生长3个月的土壤有机质含量均低于桑树生长6个月的土壤（见图2），CK有机质含量最低．不同处理6个月时，有机质含量为17.03～45.28 g·kg-1，与CK对照相比增加了35.79%～165.91%．生物炭可以将吸附于炭表面的有机分子转化为有机质，进而增加土壤有机质含量[11]413，随着实验时间的推移，生物炭添加量越大，土壤有机质含量变化也越大，与王桂君[12]等的研究结果一致．生物炭同一施加量水平下，添加桑枝生物炭更有助于提高土壤有机质含量．

图1　不同处理土壤pH

图2　不同处理土壤有机质含量

2.3　桑树及生物炭对风沙土CEC的影响

土壤CEC是指pH=7时，土壤可吸附阳离子（如K+，Ca2+，Mg2+，Na+等）值，CEC的大小代表了土壤吸持和供给可交换养分能力的强弱[13]440．S0.5处理照CK略有减少，约减少了5.0%，其它处理组均有不同程度的增加（见图3）．3～6个月时，土壤阳离子交换量均呈现上升趋势，不同处理6个月时，CEC为0.59～0.61 mol·kg-1．添加生物炭处理后，土壤CEC均会随着生物炭添加量的增加而增加．Zwieten[14]等在红壤中添加生物炭后，红壤CEC增加了0.04 mol·kg-1；在Chan[13]441等的实验中也得到了相似的结论，当生物炭按10，25，50 t·hm-2的用量施入土壤，CEC分别增加了29.50%，71.70%，82.00%，与本实验结果一致．桑树种植和生物炭的添加均会增加土壤CEC，且随着时间的推移而增大，对土壤改良具有一定效果．

图3　不同处理土壤阳离子交换量

2.4　桑树及生物炭对风沙土氮磷钾养分含量的影响

添加生物炭可以提高土壤养分含量，不同处理3个月时，土壤全氮含量均大于CK对照（见图4a），范围为0.42～0.63 g·kg-1，与CK对照相比增加了10.6%～48.0%．3～6个月时，添加生物炭土壤全氮含量均有不同程度的增加．不同处理6个月时，土壤全氮含量均大于CK，比CK增加了49.3%～104.9%．桑树单独种植或添加生物炭处理后，土壤全氮含量会在生物炭的作用下发生变化；添加桑枝生物炭条件下，桑树单独种植更有利于土壤氮元素的累积．生物炭可以在短期内促进土壤稳定态有机氮的矿化和易分解有机氮对铵态氮的吸附固定的过程[15-16]，增加土壤氮的生物有效性[17]．因此，添加生物炭后，土壤中全氮含量增加．

不同处理3个月时，S1和S2土壤全磷含量与CK对照相比有增加（见图4b），其土壤全磷含量分别为0.51，0.52 g·kg-1．3～6个月时S2处理大于其它处理，较CK对照增加了34.6%．桑树单独种植比较有利于土壤磷元素的保持与利用，添加桑枝生物炭更有利于土壤全磷含量的增加．不同处理6个月时，S0.5，S1，S2土壤的磷含量均高于不同处理3个月时，说明随着培养时间的增加，生物炭可以通过与土壤中有机物和其它阳离子（如Ca2+）的相互作用影响土壤磷的有效性[18]，随生物炭添加量变大，土壤对磷的吸附能力减小，磷的有效性增加[19]．

不同处理3个月时，添加生物炭处理组土壤全钾含量与CK对照相比均有微小的增减变化，CK，S0.5，S1，S2的全钾含量分别为13.33，13.35，13.90，13.30 g·kg-1（见图4c）；3～6个月时不同处理土壤钾含量变化较小．由此可以看出，添加不同浓度生物炭处理组，对风沙土全钾含量起到正向的影响．实验期内并未发现植物有明显的缺钾现象，有研究结果表明生物炭施入风沙土后，能有效增加土壤全钾含量，随着生物炭添加量的增加而增加[20]．不同处理6个月时，S2处理组土壤全钾含量高于其他处理组，与修立群[21]的研究结果相似．

图4　不同处理土壤全氮、全磷、全钾含量

3　结论

（1）桑树单独种植会减小风沙土pH，添加生物炭会增加土壤pH，随着实验时间增加，桑树种植可平衡生物炭对风沙土pH的增加作用；桑树在单独种植或混种时添加生物炭处理，都能有效增加风沙土有机质，其变化与生物炭添加量呈正相关关系．

（2）风沙土CEC含量随着生物炭添加量的增加而增加，不同处理6个月时，CEC为0.59～0.61 mol·kg-1．添加生物炭处理后，土壤CEC均会随着生物炭添加量的增加而增加．

（3）不同处理对桑树种植下的风沙土氮磷钾含量均会产生正向的影响，添加生物炭处理与桑树单独种植相比，桑树对风沙土磷元素的转化与利用有积极影响，桑树单独种植添加桑枝生物炭时，土壤磷元素显著增加且与添加量呈正相关关系．

（4）综合各处理间风沙土pH、有机质、CEC、其他养分含量变化，S2实验处理组桑枝生物炭对风沙土理化性质的改良效果最佳．

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Improvement of windy sandy soil by mulberry tree and mulberry branch biochar

ZHENG Dongmei，WANG Yuqi，MAO Ying

（College of Environment，Shenyang University，Shenyang 110044，China）

The aeolian sandy soil of Northwest Liaoning Province is selected as the research object，mulberry trees were planted in pots and biochar was applied at different concentrations to improve the wind-sand soil．And the results showed that the pH of wind-sand soil was reduced by mulberry trees alone and increased by adding biochar to the wind-sand soil．Both mulberry trees planted alone and treated with biochar effectively increased organic matter，CEC，total nitrogen，and total phosphorus in wind-sand soil，and the soil content was significantly higher in six months of planting than in three months of planting．Mulberry trees and mulberry branch biochar had obvious effects on wind-sand soil improvement．

mulberry tree；biochar；windy sandy soil；improvement

1007-9831（2022）08-0091-04

X53

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.08.018

2022-04-18

辽宁省科技厅重点研发计划指导项目（2019JH8/10200024）

郑冬梅（1977-），女，黑龙江海伦人，教授，博士，从事污染土壤修复研究．E-mail：zhengdm126@163.com