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植物样品Cd 和Pb 含量分析采用HNO3-HClO4 消煮,土壤样品有效态Cd 和有效态Pb 含量分析采用0.1 mol˙L-1 HCl 浸提,然后利用原子吸收光谱仪(美国PerkinElmer 公司AA800)测定。
株高按照从地面至玉米植株捋直后最高点的高度来测量。于玉米收获期,选择晴天上午的10:00—11:00 之间,每小区选取3 株生长均匀的玉米叶片,利用LI-6400 便携式光合系统分析仪和SPAD-502 型叶绿素计,测定玉米叶片净光合速率。
1.5数据统计分析
采用SPSS 18(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)和SigmaPlot 12.0(Systat Software Inc.,San Jose,CA,USA)进行数据拟合,用Student′s t 检验确定两种处理之间的差异性。此外,用单因子(One-way)、双因子(Two-way)或三因子(Three-way)变异数分析(ANOVA)和邓肯多范围测试(Duncan′s Multiple Range Test)确定处理之间的显著性差异,当P< 0.05 时表示差异具有统计学意义。
2 结果与讨论
2.1生物炭对土壤pH 和有机质的影响
土壤pH 值是土壤的重要理化属性,直接影响重金属在农田系统中的移动性和有效性。土壤有机质是土壤肥力的重要指标,在改良土壤结构,改善土壤通气性和透水性,增加土壤保肥能力以及为植物提供营养等诸多方面发挥着重要作用。施用棕榈丝生物炭后,各处理土壤的pH 值均有所提高,且提高的幅度随生物炭用量的增加而增大,相对于不施用生物炭的T1 处理(CK,pH=4.67),pH 值最低增加了0.42 个单位(5 t˙hm-2,T2),而最高增加达0.92 个单位(30 t˙hm-2,T5),T2、T3 和T4 的pH 值均有所提升,但T3 和T4 处理间差异不显著(图 1)。生物炭本身灰分中富含各种氢氧化物和碳酸盐等碱性物质,故大多生物炭偏碱性,施入土壤能有效提高土壤的pH 值。施用生物炭后,土壤有机质的提升变化趋势与pH 变化趋势类似,土壤有机质含量随生物炭施用量的增加而增加,T1 与T3、T4 与T5 处理呈显著(P<0.05)增加,从最低的3.06%提高至5.08%,当施用量为30 t˙hm-2 生物炭(T5)时,其土壤有机质含量是对照的1.66 倍(图 1)。土壤有机质的特点是随时间而消耗,故土壤需要有外来的有机质补给以维持其基本生产力。生物炭本身富含大量的烷氧基、芳基等稳定芳香化合物和部分不稳定脂肪族化合物,进入土壤后对土壤有机质形成直接的补充作用。例如,在土壤中添加300 ℃制备的生物炭,培养112 d 后发现,土壤总有机碳含量从6.94 g˙kg-1 显著提升至10.25 g˙kg-1,而进一步研究发现土壤有机质含量的增加源于生物炭输入所携带的稳定组分所产生的直接贡献。此外,生物炭的添加有利于形成并提高土壤团聚体的稳定性,从而减少了土壤有机质的淋失。生物炭作为新型的土壤调理剂,尤其适宜对我国南方酸性土壤进行改良。这与已有的研究结果是一致的。
土壤有机碳作为土壤质量和功能的核心,被认为是影响土壤肥力和作物产量高低的决定性因子。为了进一步了解生物炭添加对原有土壤性状的影响,我们将生物炭的施用量与土壤有机碳含量进行相关性分析(图 2)。由图 2 可知,生物炭施用量和土壤有机碳呈很好的正相关关系(R2=0.9779),生物炭施用量为30 t˙hm-2 时,土壤有机碳含量比不施用生物炭时提高了66.12%,究其原因可能与本试验所用生物炭的有机碳含量高达42.13%有关。
2.2生物炭对土壤CEC 的影响
土壤阳离子交换量是衡量和评价土壤保肥能力的重要指标之一。在本试验中,施用生物炭显著提高了耕层土壤的阳离子交换量,最高值是T4 处理的5.26 cmol˙kg-1,比CK 处理提高了10.74%(图 3)。土壤胶体表面的可变电荷受土壤pH 的影响极大,生物炭作为土壤改良剂添加到土壤中,通过改变土壤pH 值和土壤有机质而引起土壤CEC 的变化。研究发现,随着生物炭滞留土壤时间的延长,其表面在生物氧化和非生物氧化共同作用下,会形成更多的含氧官能团,增加其表面电荷量,导致土壤CEC 值的升高。然而,生物炭由于材料的不同以及制备温度的差异,其施入土壤后对土壤CEC 的影响还有待进一步研究。
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