生物炭及炭基肥對土壤理化性質的影響

張鍇

（合肥工業大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥230009）

1 引言

生物炭是農作物秸稈或者外殼在不完全燃燒的狀態下，產生的一種非純凈炭的混合物，它含有60%以上的碳，具有生物化學和熱穩定性。生物炭具有復雜的孔隙結構和極強的吸附性能，能夠改善土壤保水、保肥性能，減少養分損失，有益于土壤微生物活動，特別是菌根真菌，是良好的土壤改良劑。當前國內外關于生物炭研究仍處于起步階段，研究使用的生物炭制作工藝不同，有采用嚴格控氧技術生產的、有采用不控氧技術生產的，由于制作工藝不同導致生物炭中化學物質的含量不同，因此研究結果不具有可比性，必須開展生物炭標準研究［1］。生物炭作為土壤改良劑及肥料緩釋載體應用研究大多都是短期研究分析的結果，有些是溫室或實驗室的研究結果，研究結果存在一些相互沖突的現象［2］，這不僅與土壤類型有關，而且與生物炭中化學物質組分以及這些組分的性質或特征有關。另外，當前國際上暫時未有生物炭農用的標準［3］，這將影響生物炭的農業應用，也影響生物炭對土壤、環境及生物長期作用的科學評價。因此，制定出一個關于生物炭農用標準是研究生物炭的一個重點。

生物炭及生物炭基肥作為土壤改良劑或者處理污水的吸附劑目前仍處于研究初級階段，對土壤、農作物及環境影響的研究結果很大程度上僅僅是短期實驗的結果，有些僅是實驗室土柱淋洗、土壤培養及土壤水分特征曲線測定評價的結果，而并沒有在田間大面積地使用生物炭以測定其對土壤物化性質的長期影響如何，以及對土壤及肥料養分的淋洗影響如何，并且生物炭對土壤穩定性影響的測定需要系統長期的試驗和分析。因此，本研究基于此情況在田間大面積地使用生物炭，以期獲得準確有效的研究結果。

2 材料與方法

2.1 供試材料

2.1.1 供試土壤

土壤基本肥力狀況如表1。

表1 各試驗區供試土壤的肥力狀況

2.1.2 供試作物和供試肥料

花生，品種為白沙1016，屬早熟中粒珍珠豆型品種；炭基緩釋肥（8－10－14），高級磷肥（10－44－0），高效鉀肥（0－0－52）。

2.2 試驗設計

采用田間小區試驗，設6個處理，3次重復，小區面積27m2，長7.5m，寬3.6m，行距0.6m，小區之間間隔50～60cm。采用隨機區組排列。各處理氮磷鉀為等養分（對照和生物炭除外），試驗處理如下：

處理1（CK）：對照，不施肥料。

處理2（生物炭）：生物炭225kghm－2（炭顆粒）。

處理3（NPK）：將尿素（46%）66kghm－2，磷酸二銨（18－46－0）165kghm－2，硫酸鉀（50%）210kghm－2，混合后做底肥一次施入。

處理4（炭基肥）：施炭基緩釋肥750kghm－2，與處理3等養分，與處理2等炭。

處理5（高效磷）：自制高效磷肥172.9kghm－2，尿素（46%）91.4kghm－2，KCl（60%）174.9kghm－2混合后做底肥一次施入，與處理3等養分。

處理6（高效鉀）：自制高效鉀肥202.7kghm－2，尿素（46%）66.0kghm－2，磷酸二銨（18－46－0）164.9 kghm－2混合后做底肥一次施入，與處理3等養分。

2.3 試驗方法

2.3.1 樣品采集

按花生生育期采集土壤樣品供分析，土壤樣品取0～10cm、10～20cm土層。

2.3.2 測定方法

（1）土壤物理性質測定方法。

土壤含水量—105℃烘干恒重法；土壤pH—用pH計測定（水∶土＝2.5∶1）。

（2）土壤化學性質測定。

土壤銨態氮—2molL－1KCL浸提—蒸餾法。

土壤硝態氮—酚二磺酸比色法。

土壤速效磷—碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法。

土壤速效鉀—乙酸銨提取—火焰光度法。

3 結果與討論

3.1 生物炭及炭基肥料對含水量、pH值的影響

3.1.1 生物炭及炭基肥對土壤含水量的影響

從圖1可以看出，在土層0～20cm范圍內生物炭和炭基肥可增大土壤通透性，促進土壤水分入滲，提高土壤持水量。在土層20～40cm范圍內表現出的結果更為明顯。這說明由于生物炭具有大量、復雜的孔隙結構的特點，使得生物炭材料的比表面積較大，容重較小，通氣透水性能較大，有利于水分入滲，同時有利于土壤通透性的提高，促進土壤水分入滲，提高了土壤持水性能，這與高海英等［4］研究一致。

圖1 不同處理土壤含水量

3.1.2 生物炭及炭基肥對土壤pH值的影響

pH值是土壤的一項重要物理性質同時也是土壤肥力的影響因子之一，其變化直接影響土壤中物質組分的存在狀態和有效性，也影響土壤肥力形成和土壤質量的演變過程。

從表2可以看出，施入生物炭、NPK、炭基肥的土壤pH 值均有所升高，分別升高了0.29、0.03、0.38，在土壤中施用高效鉀后pH＜CK，降低了0.03，只有施入高效磷后土壤pH值沒有變化。表明施用這幾種肥料在一定程度上改變了土壤的酸堿度。各種肥料在施用量相同條件下，各處理的土壤pH值順序為炭基肥＞生物炭＞NPK＞高效磷＞高效鉀。

表2 土壤pH值

3.2 生物炭及炭基肥料對土壤速效養分的影響

3.2.1 生物炭及炭基肥料對土壤速效氮含量的影響

銨態氮能夠解離出銨離子被土壤膠體吸收，不易流失，但是遇到堿性物質，易分解放出氨氣揮發，導致氮素損失。在良好通氣的條件下，銨離子經過硝化作用由銨態氮裝化為硝態氮，能夠被植物吸收，但是不易被土壤膠體吸附保存。

從圖2可以看出，在0～20cm土層花生成長的各個時期，施肥處理土壤銨態氮含量均高于CK，達顯著水平，各生育時期的平均值為25.5mg·kg－1。施用生物炭處理的土壤銨態氮含量提高幅度最小，而施用炭基肥提高幅度最大，其中在花生幼苗期效果最為明顯，漲幅度最大。這說明炭施入土壤后可以提高土壤中銨態氮含量。3種新型肥料中，炭基肥對提高土壤中銨態氮含量的作用效果明顯，高效磷和高效鉀的作用效果無明顯差異。

圖2 不同處理0～20cm土層銨態氮含量

從圖3可以看出，在花生成長的各個時期，施肥處理土壤硝態氮含量均高于CK，施用生物炭處理的土壤硝態氮含量提高幅度最小，而施用炭基肥提高幅度最大，與其它處理相比差異達顯著水平。生物炭處理與CK相比，各生育時期土壤硝態氮含量差異顯著，說明生物炭能顯著提高土壤中硝態氮含量，提高土壤的供氮能力。高效磷與NPK相比除飽果期，其它3個時期差異均顯著。

圖3 不同處理0～20cm土層硝態氮含量

3.2.2 生物炭及炭基肥料對土壤速效磷的影響

速效磷是土壤中養分的重要組成部分，土壤速效磷的含量大小是土壤磷素養分供應水平高低的指標，土壤磷素含量高低在某種程度反映了土壤中磷素的貯量和供應能力。在農業生產中一般采用土壤速效磷的指標來指導施用磷肥，土壤速效磷含量是決定磷肥有無效果以及效果大小的主要因素。

從圖4可以看出在花生生長的各個時期，在幼苗期速效磷含量最高，到飽果期依次減少。其中速效磷含量最高的為高效磷處理，各時期的平均值為28.3mg·kg－1，高效磷處理土壤速效磷含量高，是因為肥料中添加腐殖酸后使土壤中的磷不容易被固定。高效磷與NPK相比，在各生育期中土壤速效磷含量差異顯著，說明在同等氮鉀肥條件下，高效磷肥施用對提高土壤速效磷含量的效果好于常規磷肥。

圖4 不同處理0～20cm土層速效磷含量

3.2.3 生物炭及炭基肥料對土壤速效鉀的影響

鉀是土壤中有機質的重要組成部分之一，土壤速效鉀易受外界條件（如季節、水分、溫度等）的影響，由于鉀在土壤中有容易移動的特點，所以容易被淋失，特別是高溫多雨的季節，淋失更為嚴重。因此，速效鉀含量也是衡量土壤鉀素供應能力的主要指標。

從圖5可以看出在花生生長的各個時期，土壤0～20cm速效鉀含量從花生幼苗期至飽果期呈下降的趨勢。一般作物需鉀的高峰出現在生長旺盛期，花生由幼苗期到結莢期吸收鉀的量最多，花生幼苗期平均值為120.5mg·kg－1，到結莢期降為83.2mg· kg－1，平均下降了37.3mg·kg－1。結莢期到飽果期吸收鉀量明顯減少，速度減慢。整個生育期中，高效鉀肥處理土壤速效鉀含量一直處于最高，各時期的平均值為103.3mg·kg－1，其次為炭基肥處理。炭基肥與NPK相比土壤速效鉀含量只在幼苗期顯著差異，其它時期都達不到顯著水平。高效磷處理與NPK相比在整個生育期內無顯著差異。生物炭與CK相比在整個生育期中差異均達顯著水平，說明施用生物炭提高了土壤供鉀能力。

圖5 不同處理0～20cm土層速效鉀含量

4 結論

本文以砂壤為供試土壤，通過采集花生生長的各個時期土壤為研究基礎，結果如下。

（1）生物炭及炭基肥能夠改善土壤的酸堿度，其中炭基肥對土壤改善酸堿度最好。但是，隨著炭基肥料施用年限的增加，土壤pH值的變化還有待進一步研究。

（2）將生物炭或炭基肥作為土壤改良劑施入土壤，可吸附更多的水分和養分離子，提高土壤養分吸持量和持水容量，改善土壤持水能力。

（3）以生物炭或炭基緩釋肥作為土壤改良劑，能夠增加土壤中銨態氮、硝態氮含量，高效磷肥有利于土壤中速效磷含量提高，高效鉀肥有利于土壤中速效鉀含量的提高，說明在等量氮磷鉀條件下炭基肥對提高土壤速效養分含量的作用好于普通的氮磷鉀肥料。生物炭對提高速效養分含量也有一定的促進作用。

［1］謝祖彬，劉 琦，許燕萍，等.生物碳研究進展及其研究方向［J］.土壤（Soil），2011，43（6）：857～861.

［2］張文玲，李桂花，高衛東.生物質炭對土壤性狀和作物產量的影響［J］.中國農學報，2009，25（17）：153～157.

［3］劉玉學，劉 微，吳偉祥，等.土壤生物質炭環境行為與環境效應［J］.應用生態學報，2009，20（4）：977～982.

［4］高海英，何旭生，耿增超，等.生物炭及炭基氮肥對土壤持水性能影響的研究［J］.中國農學通報，2011，27（24）：207～213.