生物炭对岩溶区玉米生长_土壤CO2及岩溶作用的影响_方培结1_2_张超兰2_曹建

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收稿日期: 2014-03-17;修回日期:2014-05-06
上影响土壤 CO2 。 随着研究的深入, 生物炭作为 土壤改良剂对农作物生长、土壤 CO2 影响结果与生 [13-14] 物炭种类及土壤的类型密切相关 ,目前国内关 于生物炭的研究多集中于对酸性土壤和热带亚热带 高度风化土壤,而对西南岩溶山区石灰土的研究鲜 见报道。基于此,本文将生物炭引入西南岩溶山区 石灰土改良研究,尝试探究蔗渣生物炭对岩溶山区 农作物生长、土壤 CO2 及岩溶作用的影响。以期为 生物炭在岩溶山区石灰土应用提供基础数据,为寻 求岩溶山区农业增产、 岩溶研究提供新思路新方法。
4 期方培结等:生物炭对岩溶区玉米生长、土壤 CO2 及岩溶作用的影响
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明理化学工业株式会社产)生产的真空泵和专制的 CO2 检测试管现场测定,土壤 CO2 体积分数由专制 的 CO2 检测试管现场直接读出。 4)土壤 CO2 排放速率。参考文献[23],采用密 闭式碱液吸收法现场测定。将 1 L 大烧杯(直径为 12 cm) 倒置于土壤表层, 烧杯外面用黑色塑料袋罩 住隔光,烧杯里面放有装入 5 mL 质量分数为 1 moL/L 的 NaOH 溶液培养皿,培养皿放于铁丝制作 的架子之上, 2 h 后取出培养皿, 加入 2 mL 饱和 BaCl2 溶液,再加入 2~3 滴酚酞指示剂,用质量分数为 1 moL/L 的 HCl 滴定剩余的 NaOH, 根据消耗的 NaOH 量计算土壤 CO2 释放速率,其计算公式为: 1 1 RCO2= 5C NaOH VHCl C HCl 44 (1) 2 ST 2 式中: RCO2 为土壤 CO2 释放速率[mg/ (m ·h) ]; CNaOH 为氢氧化钠的质量分数(mol/L) ;CHCl 为盐酸的质 量分数(mol/L) ;VHCl 为消耗盐酸的体积(mL) ;S 2 为烧杯的面积(m ) ;T 为测试时间(h) 、44 为 CO2 的摩尔质量 g/mol; 5 为氢氧化钠加入的体积 (mL) 。 2+ 5)土壤淋溶水 Ca 和 HCO3 质量分数,则采用 2+ 德国 Aquamerk 公司生的产 Ca 试剂盒和碱度计 ( HCO3 )现场测定(精度分别为 2 mg/L 和 0.1 mmoL/L) 。 6)玉米生物量。将玉米棒、玉米秸秆和玉米根 分别采收并带回实验室,在 105℃下杀青,然后在 80℃下烘干称重。 1.2.4 数据处理方法 实验所得数据用 Excel 2007 处理,单因素方差分析使用 SPSS 16.0 软件,多重 比较采用 Ducan 法(P≤0.05) ,用 Origin 8.5 作图。
玉米
土壤
土壤CO2 检测导管
石灰岩
淋溶水
图 1 盆栽试验结构示意
Schematic diagram of pot experiment
2%、T4:5%添加到土壤中,每个处理重复 3 次。 2013-04-26 播种玉米,每盆播种 4~5 粒种子,到了 三叶期选苗,每盆留 2 株长势一致的玉米苗。播种 前施加底肥氮 150 mg/kg、 磷 50 mg/kg、 钾 125 mg/kg (尿素、磷酸氢二铵、氯化钾) ,在玉米拔节期追施 一次肥(氮 150 mg/kg、磷 50 mg/kg、钾 125 mg/kg) 。 视天气和玉米的生长情况每隔 2~3 d 灌溉 1 次,每 2+ 1.1.3 玉米 选取试验点农民常见栽种农作物玉米 盆等水量的浇灌岩溶水 (富含 Ca 和 HCO3 ) 2~3 L。 (迪卡 008)作为试验栽培作物,玉米种子购买于桂 于 2013-08-12 采收玉米,分别采摘玉米秸秆、玉 林市农贸市场。 米棒和玉米根。 1.2 试验方法 在玉米的苗期、拔节期、抽穗期和成熟期分别 1.2.1 试验地点 野外盆栽试验地点位于桂林市灵 选择天晴的一天上午 T 09:00―12:00 测土壤 CO2 排 川县潮田乡毛村(25°10′ N,110°33′ E) ,土壤采集 放速率和土壤 15 cm 深处 CO2 体积分数。于 2013点和试验点都是典型的峰丛洼地和峰丛谷地,属中 06-02、06-11、06-29 收集降雨之后的土壤淋溶水, 2+ 亚热带湿润气候,降雨充沛,气候温和,年平均降 现场测定土壤淋溶水的 Ca 和 HCO3 质量分数。 雨量约 1 915.2 mm,年平均蒸发量 1 378.3 mm,年 1.2.3 分析测试方法 [17] 平均气温 18.8℃;受季风影响,全年的降水分配不 1) 生物炭。 阳离子交换量采用乙酸铵交换法 , 均,降雨主要集中于 4―7 月,9 月到来年 2 月为旱 pH 采用炭水比 1﹕20(W/V) ,振荡 24 h 后静置测 [15] [18] 季,降雨量很少 。 量 ,TOC 和 TN 用德国 Elementar 公司生产的 CNS [19] 1.2.2 试验设计 试验采用直径为 31 cm、高 50 元素分析仪测定 ,灰分及磷、钾、钙、镁元素分 [20] cmPVC 圆筒装置(图 1) ,圆筒底部开有一直径为 2 析参照 Yuan 所描述的方法测定。 cm 的小孔,小孔配有阀门,用以收集土壤淋溶水。 2)土壤基本性质分析方法参照文献[21]。 底部放置直径约 3 cm 的石灰岩(5±0.1)kg,模拟 3)土壤 CO2 体积分数。参考文献[22],自制土 石灰土底部碳酸盐岩基岩,石灰岩上装(25±0.1) 壤 CO2 体积分数收集装置。 将直径 25 mm、 长 15 cm kg 的石灰土,土与岩石之间用孔径约 1 mm 的尼龙网 PVC 管埋于离地面约 15 cm 处(见图 1) ,管壁钻有 [16] 隔开,离盆栽土面约 15 cm 深处埋设 CO2 收集管 , 直径 5 mm 圆孔,作为气体交换孔;PVC 管一头用 上层栽种玉米。 橡胶塞塞住, 另一端用直径为 6 mm 软管导出地面, 试验设 5 个处理,每个处理生物炭以土壤质量 软管露出地面的一头用止水夹夹住, 防止 PVC 管中 分数 CK(参照组) :0%、T1:0.5%、T2:1%、T3: 气体与大气交换。检测时采用日本 Gestec 公司(光
表 1 供试土壤的基本性质
Tab.1 Characteristics of soil used in this study 基本性质 数值 pH 6.91 -1 CEC/(cmol·kg ) 29.34 -1 TN/(g·kg ) 2.23 -1 TP/(g ·kg ) 1.07 -1 TK/(g·kg ) 7.56 -1 Ca/(g·kg ) 11.44 -1 Mg/(g·kg ) 5.6 -3 容重/(g ·cm ) 1.54 Fig.1
[11-12]
1
材料与方法
1.1 试验材料 1.1.1 生物炭 试验使用生物炭以蔗渣为原料,所
基金项目:中国地质调查项目(12120113005300) ;国土资源部公益性行业科研专项基金(201211086-05) ;广西自然科学基金(青年基金项目) (2013GXNSFBA019217) 作者简介:方培结(1989― ) ,男,江西上饶人,硕士研究生,主要研究方向为水土环境污染修复理论与技术, (E-mail)fpjie0906@163.com 通信作者:曹建华(1962― ) ,男,江苏省海安县人,研究员,博士,博士生导师,主要研究方向为岩溶生态学, (E-mail)jhcao@karst.edu.cn。
生物炭对岩溶区玉米生长、土壤 CO2 及 岩溶作用的影响
方培结 1,2,张超兰 2,曹建华 1,卜巧珍 1,3,张春来 1,杨
广西壮族自治区 南宁 530004;3.广西师范大学 生命科学学院,桂林 541004)
慧1
(1.中国地质科学院岩溶地质研究所 国土资源部//广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室,桂林 541004;2.广西大学 环境学院,
方培结,张超兰,曹建华,卜巧珍,张春来,杨慧.生物炭对岩溶区玉米生长、土壤 CO2 及岩溶作用的影响[J].热带地理, 2014,34(4) : . FANG Peijie, ZHANG Chaolan, CAO Jianhua, BU Qiaozhen, ZHANG Chunlai, YANG Hui. Effect of Biochar on Maize Growth, Soil CO2 and Karstification in Karst Area[J].Tropical Geography,2014,34(4) : .
2+
岩溶区石灰土是岩溶区岩石、水、生物、大气 [1] 等四大圈层相互作用形成的产物 ,其所处的特殊 岩溶生态环境导致石灰土成土速率慢, 侵蚀速率快; 土壤呈现出富钙偏碱的环境,质地黏重,团粒结构 性差,肥力较差;给岩溶山区农业生产带来极大阻 [2-4] 碍 。岩溶作用是在碳循环及与其相耦联的水循 [5] 环、钙循环系统中碳酸盐岩的被溶蚀或沉积 ,因 岩溶作用产生的“岩溶碳汇”近年来受到国内外岩 [6] 溶学者广泛关注 , 且注意到土壤 CO2 对岩溶作用有 [7] 驱动力的作用 。生物炭是生物质在缺氧条件下热 [8] 解得到固体产物 ,生物炭具有较大比表面积和孔 隙结构,作为土壤改良剂,能够降低土壤容重,增 加土壤的保水保肥能力,提高土壤肥力,促进农作 [9-10] 物生长 ; 同时生物炭作为土壤添加剂在一定程度
网络出版时间:2014-08-12 11:41 网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1209.N.20140812.1141.001.html
第 34 卷 第 4 期 2014 年 7 月




Vol.34, No.4 July,2014
TROPICAL GEOGRAPHY
热 带 地
理 34 卷
用蔗渣采自广西壮族自治区桂林市永福县永福顺风 糖厂,出厂的蔗渣晾晒 3 d 备用。以自制的炭化炉 烧制生物炭,烧制温度控制在 500℃左右,停留时 间约 2 h。 其主要性状为: pH 值 8.31、 总有机碳 (TOC) 为 633.20 g/kg、全氮(TN)为 6.32 g/kg、全磷(TP) 为 15.21 g/kg、 全钾 (TK) 为 4.04 g/kg、 灰分 14.09%、 产率约 20%。 1.1.2 土壤 供试土壤采自广西壮族自治区桂林市 灵川县潮田乡灯明村洼地(25°15′ N,110°14′ E) , 属典型的岩溶洼地。于 2013-03-29 采集 0~30 cm 的表层耕作土,土壤风干后过 4 mm 尼龙筛混匀备 用。土壤为棕色石灰土,质地黏重,其基本性质见 表 1。
摘 要:为研究生物炭对岩溶区玉米生长、土壤 CO2 体积分数和排放速率及岩溶作用的影响,通过野外盆栽试验, 将蔗渣生物炭分别以土壤质量分数为 0%(CK) 、0.5%(T1) 、1%(T2) 、2%(T3)和 5%(T4)添加到石灰土中, 并栽培玉米。测定玉米生育期中土壤 CO2 体积分数和排放速率、土壤淋溶水中 Ca 和 HCO 3 质量分数;并测试玉 米收割后土壤有机碳质量分数和容重及玉米生物量。结果表明,添加生物炭增加土壤有机碳质量分数,显著降低 了土壤容重;2%和 5%生物炭添加显著增加了玉米秸秆干重、玉米棒干重和玉米根干重;在玉米苗期,5%生物炭 添加显著增加了土壤 CO2 体积分数和排放速率;在玉米拔节期、抽穗期和成熟期,2%和 5%生物炭添加显著增加 2+ 了土壤 CO2 体积分数、排放速率以及在此期间收集的土壤淋溶水 Ca 和 HCO 3 质量分数。由此可见,蔗渣生物炭 作为岩溶区石灰土改良剂,在一定程度上改良石灰土性质,促进了玉米生长,提高了岩溶区土壤 CO2 的体积分数 和排放速率,加快了岩溶作用。 关键词:生物炭;石灰土;玉米生物量;土壤 CO2;岩溶作用 中图分类号:S156;P595 文献标志码:A 文章编号:
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土壤有机碳/(gkg-1)
35 30 25 20 15 10 5 0 CK T1 T2 T3 T4 d d c b
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