应用和环境土壤学

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应用和环境土壤学/2012年/文章
特殊的问题

使用废料,提高土壤肥力,增加作物的质量和数量

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2012年 |文章的ID 907831年 | https://doi.org/10.1155/2012/907831

史蒂文·l·McGeehan, 浪费材料和有机修正案对土壤的影响性质和营养性能”,应用和环境土壤学, 卷。2012年, 文章的ID907831年, 11 页面, 2012年 https://doi.org/10.1155/2012/907831

浪费材料和有机修正案对土壤的影响性质和营养性能

学术编辑器:Horea Cacovean
收到了 01 2011年6月
接受 2011年10月20日
发表 2012年2月12日

文摘

来自废物废料,材料,具有许多特点,可以提高土壤肥力和提高农作物的性能。这些材料可以特别有用修正案严重退化的土壤与采矿活动有关。本研究评估有机堆肥,日志庭院废物,和两个有机土壤使用并排治疗改善土壤肥力和植物的性能比较。每个情节都与一个标准化的种子播种混合和评估一系列土壤化学和物理参数,总植被响应,物种多样性,生态植物响应和入侵指数。所有的治疗方法都成功地改善土壤肥力,促进自我维持的植被。可用氮水平对植物覆盖率有强烈影响,物种分布和程度不结果实的植被。例如,高氮处理促进了grass-dominated(低forb)含量低的植物群落种子植物。相比之下,低氮处理促进更平衡的植物群落的草和forb物种和更大的敏感性不结果实的植被。

1。介绍

使用废料作为土壤改良剂对农艺应用近年来受到更多的关注,以及土地复垦项目。在土壤中添加这些材料可以被视为服务的双重目的:(1)固体废物的处置城市和农业操作和(2)作为一种手段来提高土壤化学和物理性质进而促进改善作物的性能。

各种材料的追究他们作为土壤改良剂的适用性。例如,市政固体废物堆肥,堆肥农作物残余的应用被证明增加土壤肥力,提高农业土壤结构稳定性(1,2]。同样,城市有机固体残被用来改善土壤化学和物理性质在许多研究[3- - - - - -5]。日志院子罚款(LYF)可以增加持水量和孔隙度6),但也可以减少作物性能由于氮固定7]。往往是出于这个原因,有机混合LYF和其它木材副产品作为一种手段来减少C: N和保持氮的可用性(8,9]。其他人利用农业石灰岩或木灰在有机固体混合物中减少金属生物利用度(3,10]。

废料的化学性质也可以对作物性能有显著的影响。例如,氮含量高有利于快速增长的草地物种通常可取的回收和再种植项目(11]。然而,草的主导地位会导致竞争排除forb物种(12),可以启动一个强大的植物物种丰富度下降(10,13]。额外的土壤pH值等因素,导电性,水容量,可用磷也被证明影响植物群落组成(14]。

一些微生物过程包括substrate-induced呼吸,潜在的铵氧化、氮矿化和酶活性增加响应堆肥应用程序(15,16]。多项研究使用各种基板没有发现负面影响在微生物多样性16- - - - - -18]。有机废物的潜在存在有害的影响增加,主要原因是重金属的存在(19- - - - - -21和养分径流22,23]。许多这些问题得到解决通过仔细的废弃物的特性和应用程序的调整率(24,25]。

上面的讨论表明,给定的废弃物必须评估其有益的组件和负面影响在特定的背景下土地利用和作物的性能目标。考虑到多种类型的废物,这是可取的进行对比以评估每个材料对作物的影响表现在同样的环境和土壤条件。此外,尽管多个调查记录的影响有机农业系统的修改,更少的研究调查这些影响复垦土壤植物系统中与我有关网站。在许多情况下,我的战利品代表一个被完全摧毁的植物生态系统。恢复这些网站的发展提供了一个独特的机会来研究新放置相关的土壤和植物群落的演替有机改性的修正案。在最近的研究中,七个基于废物和有机土壤改良剂进行评估对土壤肥力和作物的影响性能。“作物”在这种情况下是一个grass-forb种子混合评价植被严重退化的网站。具体研究目标文档(1)土壤特性的变化,(2)总体植被的成功,和(3)植物群落多样性的函数有机修正案。

2。方法

2.1。网站描述

银币矿山遗址位于Osburn以西,爱达荷州,美国(47°30.22′N;115°59.39′W)。该网站是由产生的矸石堆在矿山开发和有序的矿石开采过程中。实验地块坐落在陡峭面北斜坡(1:2坡,H: V)海拔约760米。每月平均总降水范围从7月份的3.8厘米到11.4厘米11月,年降水总量为96厘米。月平均气温0.5 /−6°C(最大/最小)在1月和8月25.8/8.4°C。

2.2。网站/情节安装做准备

该网站使用猫D5推土机重新分类,和9块(6米×30.5米)和护堤安装(1米×0.6米)之间情节。西方——和射程以内,情节是控制;剩下的情节被分配一个随机的基础上。修改类型,应用利率和合作者参与指定的应用程序方法研究(表1)。项目合作者包括当地的污水处理设施(有机固体残+ woodash),一个当地的木材厂(日志院子罚款(LYF) +尿素肥料),和两个商业堆肥(有机-和木材产品)。此外,两个商业有机修正案进行调查。奇异力量旨在重建菌根真菌、土壤细菌,和其他有益的土壤生物需要恢复土壤严重退化。Biosol是一种有机肥料材料旨在提高微生物生物量和构建腐殖质。于2002年9月25日开始安装块,10月23日,2002年。每个情节被播种,通过手或播种的,使用一个标准化的种子混合(表2)。没有额外的工作,进行了修改,或维护五年研究的其余部分的情节有一个例外。这部LYF +尿素阴谋受移植者在2003年8月。这是必要的因为一个彻底失败的种子发芽1年。


修正案类型 率和应用方法

控制(土壤) 30米3表层土(表面应用,而不是合并,修正案深度约。15厘米)
有机固体残+ woodash 20米3B类有机固体混合木灰(0.75:1)(表面应用,而不是合并,修正案深度约。10厘米)
日志院子罚款(LYF) +尿素 37米3日志院子罚款(< 3/4′′)与尿素混合(10% v / v)(表面应用,而不是合并,修正案深度约。15厘米)
奇异的力量 肥沃的纤维+,奇异的力量,强大的持有+敲平头钉和Atlas土壤锁(由hydroseeder材料混合和表面应用)
Biosolids-based堆肥 15米3堆肥(表面应用,而不是合并,修正案深度约。10厘米)
木材产品堆肥 15米3堆肥(表面应用,而不是合并,修正案深度约。10厘米)
Biosol 38公斤Biosol混合(7-2-3)+ 2.3公斤木材纤维覆盖物(由hydroseeder材料混合和表面应用)
日志庭院废弃物(LYW) 15米3的日志庭院废弃物(表面应用,而不是合并,修正案深度约。10厘米)
控制(肥料) 23公斤肥料(16-16-16)+增粘剂(由hydroseeder材料混合和表面应用)


普通的名字 物种/品种 数量/英亩 Pct wt。 分钟pct。

纤细的麦草 大trachycaulusssp。Trachycaulusvar。收入 6.4公斤 22.3 21.9
爱达荷州羊茅 羊茅属idahoensisvar。约瑟夫 3.9公斤 13.4 13.2
羊茅 羊茅属ovinavar。柯伐合金 3.2公斤 11.1 10.9
布罗姆山 叶片有边缘的var。Bromar 3.5公斤 12.2 12.0
草地雀麦草 叶片biebersteiniivar围场。 3.9公斤 13.4 13.2
白蓍草 蓍属原 0.34公斤 1.1 1.1
蓝色亚麻 亚麻属植物lewisiivar。仪表 1.9公斤 6.7 6.6
落基山penstemon Penstemon strictus 0.68公斤 2.2 2.2
荷兰白三叶草 三叶草被l 0.23公斤 0.8 0.8
加拿大蓝草 小泥蜂 0.34公斤 1.1 1.1
大的蓝草 Poa amplavar。谢尔曼 0.68公斤 2.3 2.3
坎比蓝草 Poa canbyivar。Canbar 0.68公斤 2.2 2.2
中投鉴别 黄芪中投 3.2公斤。 11.1 10.9
杂草 Epilobium angustifolia 0.28公斤 0.1 0.1
杂草种子 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.5 (Max)
惰性和其他作物 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1.5 (Max)

2.3。土壤和植被的评估

故事情节是每月检查在每个字段季节开始于2003年4月和2007年8月结束。进行了定量测定再种植成功的每个7月使用土地管理局标准方法(26]。覆盖率百分比用后卫光学投影测量范围。一百点记录每隔1米样沿着随机分布在每一个情节。每一个点确定一株,岩石裸露的土壤,或垃圾。

从控制情节重复收集土壤样本后再分类,但之前的情节修正案;这些结果报道如下数据控制(也许)和表。土壤剖面特征进行评估领域的5年。在年1,3,5,复合(3 x)清廉厘米深度的土壤样本收集每一个情节。土壤肥力参数(ammonium-N nitrate-N,可用P和K, pH值,和EC)和物理性质(百分比砂、粉砂、粘土、粗糙的片段,和结构类)使用标准方法测定(27]。可用计算N - nitrate-N铵的总和。有机质含量是由比色法28]。总可采金属使用EPA方法测定3050 b / 6010 (29日]。所有实验室工作进行了爱达荷州大学分析科学实验室。标准质量保证/质量控制协议之后的所有分析工作(30.]。

2.4。数据分析

Diversity-related指数,即Shannon-Wineer指数(H′)和均匀度(E),计算每个治疗。入侵指数(我)也计算为每个治疗,我是引进物种的数量/物种的总数。多样性指数和植物覆盖数据进行方差分析使用广义线性模型(31日]。单自由度对比被用来比较意味着反应。95%的显著性水平( )是用于所有统计比较。

3所示。结果与讨论

3.1。土壤和修改属性

之前网站准备但修正案应用程序后,表层土壤材料矸石和细材料的混合物。也许控制(表3)表现出银元站点特有的属性,即碱性(pH值8.3)砂壤土,58%粗碎片。也许控制的电导率(EC)是0.35 dS / m和重金属浓度(Ba、Cd、铬、铅)低于风险监管限制金属(32]。这并不奇怪,因为铣和冶炼活动发生非现场。也许控制的常量营养元素含量很低,可用N和P的浓度1.5 ug / g和1.0 ug / g,分别(图1)。有机质含量也低0.9%,可用K温和79 ug / g。因此,化学和物理数据表明,低土壤肥力的主要因素限制也许可持续植物生长的土壤。第二个问题是低持水量。


作为 英航 Cd 有限公司 Cr Pb pH值 电子商务 沙子 粘土 淤泥 > 2毫米
(ug / g) (ug / g) (ug / g) (ug / g) (ug / g) (ug / g) (ug / g) (ug / g) (ug / g) (ug / g) (ug / g) (ug / g) dS /米 % % % % 纹理

也许控制 59 220年 0.08 15 13 81年 20000年 1400年 < 3.8 16 One hundred. 170年 8.3 0.35 66年 16 18 58 砂壤土
控制(土壤) 16 240年 < 0.75 13 54 25 27000年 830年 < 3.8 32 19 91年 6.3 0.24 46.4 9.6 44.0 59 壤土
有机固体残+ woodash 34 850年 2.8 11 58 130年 16000年 2200年 < 3.8 45 34 470年 7.5 3.8 72.4 7.6 20.0 35 砂壤土
LYF +尿素 12 310年 < 0.75 11 71年 33 22000年 930年 < 3.8 43 22 110年 7.2 3.4 52.4 7.6 40.0 38 砂壤土
奇异的力量 46 230年 < 0.75 18 35 140年 29000年 2400年 4.6 32 26 74年 7.8 0.78 70.4 11.6 18.0 57 砂壤土
有机肥料 22 260年 0.75 13 63年 110年 22000年 1400年 4.6 41 37 190年 7.4 1.3 56.4 7.6 36.0 34 砂壤土
木头堆肥 33 400年 < 0.75 8.8 74年 130年 17000年 1500年 < 3.8 41 29日 110年 6.5 0.31 66.4 9.6 24.0 51 砂壤土
Biosol 47 480年 < 0.75 12 66年 96年 23000年 2000年 < 3.8 39 80年 150年 7.8 1.6 60.4 15.6 24.0 57 砂壤土
LYW 23 240年 < 0.75 7.3 62年 35 16000年 1100年 < 3.8 36 16 78年 6.8 0.54 64.4 9.6 26.0 33 砂壤土
控制(肥料) 62年 350年 3.7 11 46 86年 22000年 1300年 < 3.8 31日 99年 920年 7.8 0.80 66.4 13.6 20.0 68年 砂壤土

每个治疗降低土壤pH值相对于也许控制(表3)。修改情节的pH值范围从6.3到7.8 biosolid + woodash和控制(肥料)治疗整体表现出最高的博士,pH值保持相对一致的修改情节在整个五年研究期间(数据没有显示)。最高的EC值观察有机固体残+ woodash和LYF +尿素处理(表3)。虽然这些更高的EC值接近临界值农艺作物(2 - 4 dS /米),没有植被表现出的症状一个盐度的问题。

在第一年(2003年),~ 1%的有机质含量变化的控制和液态修正案(奇异力量和Biosol) 15 - 34%基础的坚实修正案(biosolid,堆肥,LYF LYW)(图1(一))。有机质含量的几个治疗(有机固体残,LYF +尿素和biosolids-compost)在2003年和2005年之间(图增加1(一))。这些治疗方法表现出大量的营养生长导致作物残留高,有机碳循环。每个治疗与高有机质相关修正案(biosolid,堆肥,LYF LYW)表现出明显降低有机物在2005和2007之间。

每个治疗增加可用的P和K含量增加的程度是强烈依赖于修正案(数据的性质1 (c)1 (d))。可用P值范围从< 2 > 600 ug / g可用K范围从80到1000 ug / g。把这些数字,可用P和K水平超过8和100 ug / g,分别被认为是满足不用灌溉legume-grass牧场在爱达荷州北部[33]。

也可用N在治疗之间存在着显著的差异,从~ 5 ug / g的奇异力量和Biosol > 450 ug / g的有机和LYF +尿素治疗(图1 (b))。每个治疗高N (biosolid、biosolid-compost LYF +尿素)表现出大幅减少2003年至2005年,2005年和2007年之间。潜在的可用的命运N包括浸出、植物吸收和蒸发。可用N的一个重要部分是通过地表径流损失由McGeehan[如前所述34),这是最重要的有机固体残+ woodash LYF +尿素,biosolids-compost治疗。高可用N与这些情节也支持非常沉重的营养生长,主要展览的多年生牧草高摄入率和N封存(35,36]。然而,鉴于下降的大小,很可能在减少氨挥发扮演了最重要的角色可用N . N的大规模、快速的损失通常观察到表施有机挥发率超过50%的总N [37- - - - - -39]。这种机制是由高pH水平进一步提高。

3.2。配置文件属性

在牛奶中添加各种修正案对每个情节的土壤剖面的不同影响。应该注意的是,一个真正的成土的土壤剖面的形成需要数百到数千年。因此,这多少有点拉伸来描述每个情节的概要文件使用标准的土壤术语。尽管如此,每个情节的修正案并改变表面性质的方式会有持久影响的可持续性植物覆盖。例如,增加约20米3有机固体残、堆肥或日志庭院废弃物导致了上覆岩层的深度10 - 15厘米。这上覆岩层倾向与一个非常黑暗的颜色脆性(容易崩溃)纹理。等特征与高生产力和肥沃的表层土,因此,这些情节很好的支持植物生长导致的存在丰富的细根表土。由于有机材料表面应用但不合并,有一个突然的表土和底层之间的边界矸石用很少的根穿透这个边界。在整个研究这突然的边界仍然非常明显。同时,过重的身体状况改善在5年的研究。例如,有机固体残很粘,往往在应用涂片。然而,由于这种材料干和饱经风霜的几年来,结果是很轻的材料物理性能,非常适合植物生长。同样,日志庭院废弃物堆肥进行了物理和生物风化作用,导致一个非常易碎的材料具有优良的耕作和其他的物理特性。

相比之下,猕猴桃,Biosol和肥料控制没有收到大量的有机的修正案。因此,这些情节表现出一层薄薄的有机表层由腐烂的植物残骸。尽管缺乏厚,有机覆盖层,这些情节仍然支持好的植物生长中根的存在就证明了这一点。这些情节很可能将继续建立有机质含量随着时间的推移,慢慢地改善土壤物理性质。

3.3。植被的评估
3.3.1。植物覆盖

每个治疗成功地促进自我维持的植物覆盖在2003年和维持植物生长在五年的研究(图2)。在第一年,覆盖程度的差异,从19%到77%不等的LYW biosolid-compost治疗,分别。wood-compost治疗表现出低覆盖率的第一年,最有可能的结果高C: N。植物覆盖率之间的所有治疗年增加1和2。这些变化是增加草地物种的生长有机固体残+ woodash有机堆肥,Biosol情节和forb奇异力量的增长增加,木材堆肥,LYW情节。纤细的麦草和布罗姆物种是最广泛的草期间观察到1和2在荷兰蓍草和白三叶草最频繁观察福布斯。大部分的情节保持植物覆盖率在75 - 90%的范围从3年5(图2)。

3.3.2。不结果实的植被

不结果实的植被占很大一部分覆盖在几个疗法在研究期间(图2)。例如,topsoil-control表现出高发病率的杂草开始第一年,> 50%的植物覆盖由于兔子的脚三叶草的建立和成长。相比之下,猕猴桃,木头堆肥,LYW情节才表现出大幅增加杂草年3和4(图2)。这些大量增加主要是黑人医生和草木樨的结果。应该注意的是,一些情节(即。,biosolids + woodash, LYF + urea, biosolids compost, and Biosol) exhibited very little weed invasion. The majority of the unseeded species can be classified as common weeds of the Northwestern US [40),很容易被风传播、动物和其他向量。然而,考虑到不成比例的非种子的植物出现在topsoil-control 1年,很可能许多杂草种子在表层土修正案被运送到事发地点。表层土的作用作为一个种子库建立,和进口土壤报道介绍理想的和不受欢迎的入侵物种(41,42]。

3.3.3。物种分布和多样性

草地物种为主的植物群落高N治疗。作为一个例子,物种组成的有机固体残+ woodash治疗是绘制在图3(一个)。类似的结果LYF +尿素和biosolid-compost治疗。虽然麦草是占主导地位的草1年,2 - 5(年)2004 - 2007年的数据显示的趋势下降麦草并发增加布朗和羊茅grass-dominated的阴谋。目前尚不清楚在麦草逐渐下降是一种天然的连续性的特征或响应这个物种减少低N N可用治疗表现出更均匀分布在整个研究期间草和forb物种之间。作为一个例子,物种组成wood-compost绘制在图3 (b)。类似的结果奇异力量和LYW治疗。蓍草、羊茅和布朗倾向于在年稳步增加1,2,3。白车轴草是常见的在几个较低N治疗1年,但很少遇到在2 - 5年。相比之下,中投鉴别期间没有观察到1和2但显著增加在最后三年的学习。

植被和N之间的关系可用性进一步评估植物响应数据池到高与低的治疗方法统计分析。如图4(一),明显高于香农多样性指数(H′)获得高N治疗在三个五年的研究。这反映了更多的草地物种与这些治疗有关,特别是在最后两年。物种均匀度(E)之间非常相似的高和低N治疗(图4 (b))指示物种的相对多度没有显著差异在这些团体之间,除了2006年。

基于生态营养分组比较营养的响应(草与forb)如图5。在每一个五年,由于草覆盖百分比明显高于forb覆盖在池高N治疗(图5(一个))。相比之下,福布斯都明显高于3 5年的低N治疗。此外,入侵指数(I)是由N显著影响治疗。杂草物种的数量非常低的头两年研究但大幅增加在低N多年来治疗3、4和5(图6)。

几项研究报告增加了杂草的生长在高氮环境43,44]。相反的趋势是在我们的研究中观察到,如图6清楚地显示,之间存在反比关系可用氮和入侵指数。即低入侵指数与高N治疗,反之亦然。可能机制解释这个结果是一个营养竞争和光线可以支持快速增长的草(45,46]。杂草生长习性的物种较低的可能是一个额外的因素,径向传播物种不能够光和竞争,因此,由更加开放的封面青睐低氮处理(47]。

4所示。结论

本研究的总体目标是评估基于废物的和有机的修正案的能力提高土壤肥力和作物性能。每个修正案最终显著提高土壤肥力参数和都成功地建立植物覆盖在第一个生长季节和维持整个五年研究这张封面。

有机质含量和可用的N, P, K被各种显著增加修正案虽然增加的程度是由组成的修正案。所有固体修正案类型(堆肥有机固体残,LYF / LYW)大大增加有机质含量。然而,只有有机固体残、biosolid-based堆肥和LYF与尿素混合了大量的木材产品堆肥和N可用LYF贡献少可用N .每个治疗相关的高输入可用的有机质和N表现出显著的下降,这些属性的研究。

每个修正案的生育状态对作物性能有极大的影响。更具体地说,可用氮是一个关键因素在决定总植物覆盖,物种分布,不结果实的植被的发病率。例如,高氮修正案提升grass-dominated覆盖较低数量的福布斯。麦草是占主导地位的物种在这些情节在年1和2但麦草的更平等的分配,布朗,羊茅和蓝草近年来观察3 - 5。在整个研究中,这些情节非常健壮的植物覆盖率最高和维护和厚厚的草生长。这些特征成功地防止外来杂草物种的建立和传播。相比之下,修正案可用较低氮促进了更多元化的grass-forb混合物。没有单一的草地物种占主导地位;相反,各种草与白蓍草混杂在一起,白三叶草,中投鉴别。这些情节植物生长植物覆盖率较低和不完整的。 Consequently, a higher incidence of invasive weed species was observed.

确认

作者感谢尼克Zilka和约翰·劳森的爱达荷州环境质量、Jerrry李和汤姆Borque TerraGraphics环境工程,和马克·斯坦的USDA-NRCS这个项目的支持和有益的讨论。他赞赏的无价的帮助威廉博士价格统计分析。他还感谢项目合作者:凯尔(心d 'Alene污水处理厂),威尔玛斯伯尼(冬季赠礼节corp .)、彼得·麦克雷(Quattro环境,Inc .),乔·杰克逊(Eko贸易堆肥),大卫•拉森(冰川黄金,LLC)和汤姆·鲍曼(落基山生物制品);这个项目将不可能没有他们的参与。

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