生物炭本身呈碱性,将其施入土壤中会对土壤pH值产生一定的影响(图1)。在D₁方案中,D_1-500-6处理土壤pH值最高,与D_1-300-12处理存在显著性差异。在H₃方案中,各处理之间均不存在显著性差异。在H₁₀方案中,H_10-300-24处理土壤pH值最高,与表土对照组H₁₀处理存在显著性差异。在H₁₁方案中,H_11-500-24处理土壤pH值最高,与H₁₁,H_11-500-6处理存在显著性差异。在H₁₅中,H_15-400-12处理土壤pH值最高,与H_{15-300-6/12/24},H_15-400-24,H_15-500-12/24处理均存在显著性差异。

在重构土壤中施入不同处理方式的生物炭对土壤有机质产生不同程度的影响(图2)。在D₁方案中,各处理之间均不存在显著性差异。在H₃方案中,H_3-500-6处理土壤有机质含量最高,与H₃,H_3-300-6,H_3-300-12处理存在显著性差异。在H₁₀,H₁₁和H₁₅方案中,各方案组内处理之间均不存在显著性差异。

施用不同处理方式的生物炭对土壤有效氮含量的影响见图3。在D₁方案中,各处理之间均不存在显著性差异。在H₃方案中,H_3-500-6处理土壤有效氮含量最高,与H₃,H_3-300-6/12处理存在显著性差异。在H₁₀,H₁₁和H₁₅方案中,各方案组内处理之间均不存在显著性差异。

图1 生物炭不同处理方式对土壤pH值的影响

图2 生物炭不同处理方式对土壤有机质含量的影响

施入不同处理方式的生物炭对土壤速效磷含量的影响见图4。在D₁方案中,各处理之间均不存在显著性差异。在H₃方案中,H_3-500-6处理土壤速效磷含量最高,与H₃,H_3-300-6/12处理存在显著性差异。在H₁₀,H₁₁和H₁₅方案中,各方案组内处理之间均不存在显著性差异。

图3 生物炭不同处理方式对土壤有效氮含量的影响

施入不同处理方式的生物炭对土壤速效钾含量的影响见图5。在D₁方案中,D_1-400-24处理土壤速效钾含量最高,与D₁处理存在显著性差异。在H₃方案中,H_3-400-24处理土壤速效钾含量最高,与H_3-500-6处理存在显著性差异。在H₁₀方案中,H_10-400-24处理土壤速效钾含量最高,与其余处理均存在显著性差异。在H₁₁方案中,H_11-400-24处理土壤速效钾含量最高,与H_11-500-6处理存在显著性差异。在H₁₅方案中,各处理之间均不存在显著性差异。

由于盆栽土壤中pH值、有机质、有效氮、速效磷和速效钾的水平和排名不同,单一的化学指标只能反映土壤质量的某些方面,因此,采用主成分分析法对盆栽土壤养分状况进行综合评价。利用SPSS 22.0对上述土壤化学性质进行了分析。通过变量的预选择,本研究选取了两个主成分变量,对方差的贡献率分别为60.71%,28.70%。累积贡献率为89.41%,表明每个测试样本的信息量为89.41%,信息丢失率为10.59%。其中有机质、速效磷和有效氮在第一个主成分上具有较高的负荷,表明该成分反映了有机质、速效磷和有效氮的信息。相反,速效钾和pH值在第2个主成分上负荷较高,表明该成分反映了速效钾和pH值的信息。

利用下式计算各盆栽土壤化学性质综合得分:

式中:U_ij为第i主成分j指标的荷载值; A_ij为第i主成分j指标的初始因子荷载值; λ_i为i成分的特征值。ZX₁,ZX₂,ZX₃,ZX₄和ZX₅为原始变量标准化的值,包括土壤有机质、速效磷、有效氮、速效钾和pH值; F为综合得分; F₁和F₂分别为主成分1,2的得分; λ₁和λ₂为主成分1,2分别对应的特征值。

根据以上计算公式,得出在表土对照组D₁中,D_1-500-12处理盆栽土壤化学性质综合最优,其综合得分为1.61; 在重构土壤组H₃中,H_3-500-6处理盆栽土壤化学性质综合最优,其综合得分为2.37; 在重构土壤组H₁₀中,H_10-300-24处理盆栽土壤化学性质综合最优,其综合得分为1.46; 在重构土壤组H₁₁中,H_15-400-6处理盆栽土壤化学性质综合最优,其综合得分为0.83; 在重构土壤组H₁₅中,H_15-400-6处理盆栽土壤化学性质综合最优,其综合得分为2.12。

图4 生物炭不同处理方式对土壤速效磷含量的影响

干旱胁迫下各方案中生物炭不同处理方式对苜蓿存活率的影响见图6。在D₁方案中,抗旱试验开始5 d后,除D_1-300-24处理外其余添加生物炭的处理苜蓿存活率均低于D₁; 抗旱试验开始10 d后,添加生物炭的处理苜蓿存活率均低于D₁。此后尽管添加生物炭后各盆中苜蓿存活率的下降速率不同,但在抗旱试验开始20 d后均降为0%。

图5 生物炭不同处理方式对土壤速效钾含量的影响

在H₃方案中,抗旱试验开始5 d后,H_3-400-24处理苜蓿存活率最高; 抗旱试验开始10 d后一直到第15 d,除H_3-400-6,H_3-500-12/24处理外,其余添加生物炭的处理苜蓿存活率均高于H₃; 抗旱试验开始20 d后,只有H_3-400-12处理苜蓿存活率低于H₃。对于重构土壤组H₃,在抗旱试验开始10 d后,添加生物炭的处理苜蓿存活率随时间的增加下降速率较慢,且H_3-400-24处理在整个抗旱试验中苜蓿存活率均能保持较高水平。

在H₁₀方案中,一直到抗旱试验开始10 d后,添加生物炭的处理苜蓿存活率均高于H₁₀; 抗旱试验开始15 d后一直到第20 d,除H_10-500-12处理外其余添加生物炭的处理苜蓿存活率均高于H₁₀。对于重构土壤组H₁₀,苜蓿存活率随时间的增加下降速率较慢。在整个抗旱试验过程中,H_10-300-12/24,H_10-400-24处理苜蓿存活率均能保持较高水平。

在H₁₁方案中,抗旱试验开始5 d后,除H_11-500-6/12外其余添加生物炭的处理苜蓿存活率均高于H₁₁; 抗旱试验开始10 d后一直到试验结束,H_11-300-24处理苜蓿存活率一直保持较高水平。对于重构土壤组H₁₁,H_{11-300/400/500-24}处理苜蓿存活率随时间的增加下降速率较慢; 在整个抗旱试验过程中,H_11-300-24处理苜蓿存活率均能保持较高水平。

在H₁₅方案中,从抗旱试验开始一直到试验结束,H₁₅处理苜蓿存活率均最高,其次为H_15-500-24处理。对于重构土壤组H₁₅,在整个抗旱试验过程中,添加生物炭的处理对苜蓿存活率均存在抑制作用。

综上所述,生物炭在一定条件下可以提高苜蓿的抗旱性。在重构土壤组H₃,H₁₀和H₁₁处理中,当生物炭裂解温度为300℃或400℃,且添加的生物炭含量为24 g时,干旱胁迫下苜蓿存活率均得到了有效的改善,整个盆栽试验中H_3-400-24处理在干旱胁迫下苜蓿存活率最高。

干旱胁迫下不同方案中苜蓿在5月25日的存活率差异性见表4。表土对照组D₁中,干旱胁迫下苜蓿在5月25日的存活率在不同处理方式的生物炭施用下均为0%,无显著性差异。重构土壤组H₃中,H_3-400-24处理苜蓿存活率最高,为86.67%,显著高于其余处理。重构土壤组H₁₀中,H_10-300-24处理苜蓿在5月25日的存活率最高,为84.13%; H_10-400-24次之,苜蓿存活率为80.16%; 其次为H_10-300-12,苜蓿存活率为75.66%。干旱胁迫下以上3种处理方式的生物炭施用下苜蓿在5月25日的存活率均高于其余处理,且显著高于H₁₀和H_10-500-12处理,其中H₁₀和H_10-500-12处理苜蓿在5月25日的存活率均为0%。重构土壤组H₁₁中,H_11-300-24处理苜蓿在5月25日的存活率最高,为81.48%,显著高于除H_{11-400/500-24}外的其余处理,其中H₁₁,H_{11-300/400/500-6},H_{11-400/500-12}处理苜蓿在5月25日的存活率均为0%。重构土壤组H₁₅中,H₁₅处理苜蓿存活率最高,为40.74%; 显著高于除H_15-500-24外的其余处理。

图6 干旱胁迫下各方案中生物炭不同处理方式对苜蓿存活率的影响

表4 干旱胁迫下不同方案中苜蓿存活率差异性

综上所述,在H₁₀方案中,H_10-300-24处理对土壤改良效果最优,且在整个抗旱试验过程中H_10-300-24处理苜蓿均能保持较高的存活率,抗旱试验最后一天(5月25日)H_10-300-24处理的苜蓿存活率仍最高,为84.13%。因此结合不同处理方式的生物炭施用对土壤化学性质和苜蓿抗旱性的综合影响,最优的生物炭处理方式为H_10-300-24。