甘蔗渣基生物質炭對熱帶磚紅壤理化性質的影響

邢巧　陳嘉川　葛成軍　吳曉晨　李昉澤　岳林　俞花美

摘 要 為明確生物質炭添加對熱帶地區磚紅壤理化性質的影響，采用室內模擬實驗，于5種不同溫度（350 、450、550、650、750 ℃）下熱解制備甘蔗渣基生物質炭（GZ350、GZ450、GZ550、GZ650、GZ750），研究4種不同添加比例（0.1%、0.5%、1.0%、5.0%）下各生物質炭對磚紅壤理化性質的影響。結果顯示：生物質炭可以提高土壤pH、CEC、有機質和有效養分（N、P、K）含量，其效果隨生物質炭添加比例的增加而增強；不同溫度制備的生物質炭對土壤不同理化性質的影響不一，與低溫制備的生物質炭相比，高溫制備生成的生物質炭提高土壤pH、CEC、有機質和有效養分的效果更好，其中GZ750提高土壤pH、CEC和有效P的效果最好，GZ650增加有機質和堿解N含量的效果最佳，GZ550對有效K的提高作用最為明顯。綜合考慮，650 ℃和750 ℃制備的甘蔗渣基生物質炭對磚紅壤具有較好的改良效果。

關鍵詞 甘蔗渣；生物質炭；磚紅壤；理化性質

中圖分類號 S156 文獻標識碼 A

在中國，絕大部分磚紅壤分布在南方熱帶及亞熱帶地區，尤其是海南島，63.85%的土壤皆為磚紅壤[1]。由于這些地區高溫多雨、濕熱同季的特點，土壤的風化和淋溶作用強烈，鐵鋁氧化物明顯富積，生物物質循環非常迅速，有機碳含量較低。磚紅壤不僅土壤鹽基飽和度較低，土壤酸度高，而且具有分散性大、結構比較簡單、絮固作用很弱、氧化鐵含量較高、難以形成比較穩定的團聚體等特點，土壤密度較高、持水能力差，有效氮和磷含量也普遍不高，肥力水平低[2-3]。

在酸性土壤中施用石灰是改良酸性土壤的傳統和有效的方法，此外人們還發現利用某些礦物和工業廢棄物也能改良土壤酸度，如白云石、磷石膏、粉煤灰、磷礦粉和堿渣等礦物和制漿廢液污泥、糖廠碳法濾坭等工業廢棄物[4]。但上述方法也存在一定的缺陷，如施用石灰時堿性消耗后土壤會再次發生酸化，而且酸化程度比施用石灰前有所加劇[5]；施用白云石需消耗寶貴的礦產資源，也會增加農業生產的成本；磷石膏、磷礦粉、粉煤灰等工業廢棄物含有一定量的鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、鉻（Cr）等重金屬元素，長期施用存在污染土壤的風險[6]。施用有機物料是另一大類改良酸性土壤的方法。關于利用有機物料改良酸性土壤的研究，之前多數集中在利用種植綠肥、使用豬糞和作物秸稈等手段來調節土壤酸度方面。但直接用農業廢棄物改良酸性土壤的一個不足之處是，添加到土壤中的有機物料易被微生物分解[7]。

生物質炭是有機物原料在完全或者部分缺氧條件下，經過高溫熱裂解（通常<700 ℃）產生的一類富碳、高度芳香化和穩定性高的有機物質。生物質炭自身具有較高的pH值，可以有效提高酸性土壤中活性氫離子的含量，從而降低土壤的酸度，提高土壤pH值。生物質炭表面一般帶負電荷，有很高的CEC，可以提高土壤中鉀、鈣、鎂和有效氮、有效磷的含量，從而可以提高土壤肥力[8-10]。由于生物質炭自身的多孔條件和高比表面積，將其施入土壤后可以有效地改良土壤的通氣性和持水能力，降低土壤容重和比重，促使土壤形成溫度團聚體，提高土壤的孔隙度，加強土壤的持水能力，提高土壤的通氣效果[11-13]。此外，生物質熱解形成的生物質炭芳香性很高，在土壤中較其他有機物料更為穩定[14]，對土壤理化性質的改善可以持續較長時間。因此，盡管目前還存在著制備能耗高以及在制備過程中會產生PAHs等問題[15]，生物質炭對于酸性土壤來說仍然不失為一種較為理想的改良劑[16]。

近年來，為提高生物質炭對土壤改良的效果，不同生物質炭在土壤中的配施方式得到了廣泛關注。但目前關于不同溫度制備的甘蔗渣炭施入土壤后對熱帶磚紅壤理化性質的影響鮮有報道。本研究以南方代表性農業廢棄物甘蔗渣為前驅物制備生物質炭，以生物質炭為改良劑，通過室內模擬實驗，分析生物質炭對熱帶磚紅壤物理性質和化學性質的影響，為熱帶農業土壤改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試生物質炭 生物質炭由甘蔗渣在不同溫度條件下熱解炭化制成。本實驗所用甘蔗渣為甘蔗（海南產）榨糖后剩余的殘留物，經過風干并粉碎后密封保存備用。制備過程參考筆者前期的研究[16]，按以下程序進行：將采集的甘蔗渣自然風干，使其含水量保持在10%左右，用粉碎機粉碎，使得甘蔗渣樣品粒徑<3 mm，盛入瓷坩堝，蓋緊密封，置于馬弗爐內，采用程序升溫法進行炭化，升溫速率設為10 ℃/min，升溫至200 ℃后，保持200 ℃預炭化2 h；繼續程序升溫，分別升溫到350 ℃、450 ℃、550 ℃、650 ℃和750 ℃，保持以上溫度炭化3 h；自然冷卻至室溫，制成的生物質炭按制備溫度分別命名為GZ350、GZ450、GZ550、GZ650、GZ750，研磨過100目篩后備用。供試生物質炭的基本性質見表1。

1.1.2 供試土壤 供試土壤采自海南省海口市郊區，為發育自砂巖頁巖的0～20 cm表層磚紅壤。供試土壤經自然風干后，研磨過2 mm孔徑篩供培養實驗用，過0.25 mm孔徑篩供土壤基本性質測定。供試土壤的基本性質：pH為4.92，有機質含量為27.1 g/kg，CEC為26.62 cmol/kg，容重為1.20 g/cm，全氮含量為1.47 g/kg，全磷含量為0.37 g/kg，全鉀含量為2.08 g/kg。

1.2 方法

1.2.1 培養實驗 添加5種分別以甘蔗渣為前驅材料制備的生物質炭，按比例（0、0.1%、0.5%、1.0%和5.0%，m/m）添加于供試土壤中，充分混合后取200 g于500 mL錐形瓶中；將裝有模擬施用生物質炭的土壤樣品的錐形瓶置于人工振蕩培養箱中，在200 r/min條件下反復振蕩7 d，以便生物質炭與土壤接觸均勻；隨后停止振蕩，使土壤水分保持在70%田間持水量，在28 ℃條件下培養45 d；培養結束后，將土樣全部風干，部分過2 mm、1 mm和0.25 mm篩，分析土樣的理化性質。

1.2.2 分析方法 甘蔗渣基生物質炭樣品中的C、H、N、S元素采用Vario Micro Cube元素分析儀（德國Elementar公司）進行測定，陽離子交換量采用氯化鋇-硫酸強迫交換法進行測定[17]；按1 ∶ 20固液比振蕩混勻后，放置0.5 h ，用pH計測定上清液的pH值。

土樣比重采用比重瓶法測定，容重和田間持水量采用環刀法測定，通過試驗所得的土樣容重與比重值分別求得孔隙度。土壤CEC采用氯化鋇-硫酸強迫交換法測定，pH采用玻璃電極法測定，有機質使用重鉻酸鉀容量法測定，堿解氮采用堿擴散法測定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，有效鉀采用1 mol/L HNO3、火焰光度計測定[18]。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 繪制圖表，用SPSS 19.0 軟件對數據進行方差分析，應用最小顯著差數法（LSD）進行多重比較，顯著性水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同溫度制備的生物質炭對土壤化學性質的影響

2.1.1 對土壤pH的影響 甘蔗渣基生物質炭對土壤pH的影響見圖1。添加不同溫度下制備的甘蔗渣基生物質炭均可以提高磚紅壤的pH值。土壤pH值的變化與生物質炭的添加比例正相關，隨著添加比例的提高，pH值也逐漸增大。分別添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%的5種生物質炭，土壤pH分別平均增加了0.082、0.15、0.27、1.05個單位；當添加量達到1%以上時，5種溫度下制備的生物質炭均較對照顯著提高了磚紅壤的pH值。而在生物質炭添加量相同的情況下，隨著生物質炭制備溫度的提高，土壤pH值提高幅度明顯增加，其中GZ350平均提升了0.12個單位，GZ450平均提升了0.17個單位，GZ550平均提升了0.54個單位，GZ650平均提升了0.52個單位，GZ750提升了0.59個單位。當添加量在0.5%以上時，添加GZ550、GZ650、GZ750的土壤pH均顯著高于添加GZ350和GZ450的土壤pH。

2.1.2 對土壤CEC的影響 甘蔗渣基生物質炭對土壤CEC的影響見圖2。添加生物質炭可以提高磚紅壤CEC，CEC隨生物質炭的增加而上升，分別添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%生物質炭的土壤CEC平均各增加3.82、5.49、8.95、13.79 cmol/kg，比對照土壤分別提高14.3%、20.6%、33.6%、51.8%。添加比例為5.0%時，5種生物質炭處理的土壤CEC均顯著高于對照土壤。不同生物質炭對土壤CEC的提高效果隨制備溫度的上升而增大，添加0.5%～5.0%的生物質炭，土壤CEC分別較對照平均提升了17.3%（GZ350）、 20.5%（GZ450）、 34.9%（GZ550）、 36.5%（GZ650）、 41.3%（GZ750），其中添加4種不同比例GZ750的土壤CEC均顯著高于對照。

2.1.3 對土壤有機質的影響 甘蔗渣基生物質炭對土壤有機質的影響見圖3。隨著生物質炭添加比例的增加，土壤有機質的含量也逐漸增加。添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%生物質炭，5種不同生物質炭處理的土壤有機質分別比對照平均提高了0.98、1.67、2.08、2.84 g/kg。添加不同比例、不同種類生物質炭，土壤有機質平均提升了1.89 g/kg。添加比例達到1.0%以上時，不同溫度制備的生物質炭均能顯著提高土壤有機質。不同溫度制備的生物質炭對土壤有機質的提高效果不一，添加比例相同時，土壤有機質平均提高幅度為GZ650>GZ750>GZ550>GZ350>GZ450，其中GZ650和GZ750的4種不同添加比例處理較對照均能顯著提高土壤有機質。

2.2 不同溫度制備生物質炭對土壤速效養分的影響

2.2.1 對土壤堿解氮的影響 甘蔗渣基生物質炭對土壤堿解氮的影響見圖4。添加甘蔗渣基生物質炭可以提高磚紅壤對堿解氮的保持能力，添加不同比例和不同種類的生物質炭的土壤堿解氮較對照平均提高了37.4%。除添加0.1%的GZ350處理外，其他添加不同比例、不同種類生物質炭的處理均顯著提高了土壤堿解氮含量。土壤堿解氮含量隨著生物質炭添加比例的增加而提高，添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%生物質炭，土壤堿解氮含量平均分別比對照提高了20.2%、30.0%、41.5%、57.9%。添加比例相同時，不同溫度制備的生物質炭對土壤堿解氮含量的提高效果為GZ650>GZ750> GZ550>GZ450>GZ350。

2.2.2 對土壤有效磷的影響 甘蔗渣基生物質炭對土壤有效磷的影響見圖5。添加0.1%的生物質炭后土壤有效磷含量較對照土壤下降了3.21～6.64 mg/kg，平均下降4.93 mg/kg，下降幅度達到31.0%。進一步提高生物質炭添加比例，土壤有效磷含量明顯增加，分別平均比對照提升31.7%（0.5%）、151.5%（1.0%）、1318.8%（5.0%），同一種生物質炭處理土壤的有效磷含量與生物質炭的添加比例呈線性相關（表2）。分別添加5.0%不同生物質炭處理的土壤有效磷含量均顯著高于對照土壤，最高的是GZ750處理，較對照增加了386.73 mg/kg。生物質炭添加比例相同時，不同溫度制備的生物質炭處理的土壤有效磷含量大小為GZ750>GZ650>GZ450>GZ550>GZ350，添加不同比例的GZ350和GZ550處理的土壤有效磷含量均無顯著差異。

2.2.3 對土壤有效鉀的影響 甘蔗渣基生物質炭對土壤有效鉀的影響見圖6。土壤有效鉀含量隨著生物質炭添加比例的增加而上升。添加比例較低時，生物質炭對土壤有效鉀的影響不明顯，添加0.1%的不同生物質炭，土壤有效鉀含量與對照無明顯差異；添加比例為0.5%時，也僅有GZ550處理的土壤有效鉀含量顯著高于對照土壤；當添加比例達到1.0%以上時，不同生物質炭處理的土壤有效鉀含量均顯著高于對照土壤。同種生物質炭處理的土壤有效鉀含量與生物質炭的添加比例呈線性相關（表2）。添加比例相同時，不同溫度制備的生物質炭處理的土壤有效鉀含量不同，具體為GZ550> GZ750>GZ650>GZ450>GZ350，其中GZ350、GZ450、GZ650處理的土壤有效鉀含量無顯著差異。

3 討論與結論

生物質炭具有較高的pH和CEC，眾多研究都表明生物質炭可以提高酸性土壤的pH和CEC[7，19-20]。生物質炭對土壤酸度的改良效果主要決定于生物質炭本身所含堿量[7]，對CEC的改良機理一方面是養分元素由于物理作用而被截留在生物質炭的孔隙中[7]；另一方面生物質炭比表面積大，且施入土壤后其芳香結構邊緣逐漸被氧化，形成羰基、酚基和醌基官能團，從而增加了對陽離子的吸附[21]。本研究表明同一前驅物制備的生物質炭，與低溫制備的生物質炭相比，高溫制備生成的生物質炭（GZ750）對提高酸性土壤pH和CEC的效果更好，這與Yuan等[22]、Nocak等[23]的研究結果基本一致。對土壤pH的提高，可能與生物質炭中碳酸鹽的總量和結晶態碳酸鹽的含量均隨其制備溫度的升高而增加有關[7]。對土壤CEC的提高，一方面可能與生物質炭本身的CEC含量相關，從表1可知，制備溫度越高，生物質炭CEC含量越高；另一方面，制備溫度越高，生物質炭提高土壤pH的幅度越高，而酸性磚紅壤的pH升高，其可變負電荷數量增加，同樣也會提高土壤的CEC[20]。

生物質炭本身碳含量非常高，在土壤中加入生物質炭可以提高土壤有機碳的含量。本研究顯示，GZ650處理的土壤有機碳含量最高，這可能是由于GZ650的穩定性最高的原因[15]，也可能是GZ650具有發達的孔隙度和較大的比表面積，對土壤中易礦化的有機質起到一定的吸附保護作用，從而降低有機質的可利用性[24]。

生物質炭可以提高土壤對養分離子鈣、鉀、鎂和NH4+等的吸持能力，同時其本身含有大量的活性磷、鉀元素，因此，施入生物質炭可提高土壤的有效養分含量[25-27]。本研究發現，添加0.1%的生物質炭后土壤有效磷含量反而較對照土壤有所下降，這可能與生物質炭通過提高土壤pH值改變了土壤中磷的有效性及自身對磷的吸附有關。制備溫度高的生物質炭對提高堿解氮的效果相對較好，這可能是因為制備溫度高的生物質炭具有多孔特性和巨大的比表面積，本身對氮的吸附能力較強[15]；同時生物質炭制備溫度越高，土壤pH也越高，可以促進土壤中的NH3和NH4+轉化為NO3-，有研究表明，高溫制備的生物質炭更有利于NO3-的吸附，降低了土壤中堿解氮的流失[28]。添加GZ650和GZ750的土壤有效鉀含量較GZ550有所下降，原因可能為生物質炭中的有效鉀會隨著熱解產生的灰分而流失。

磚紅壤中添加甘蔗渣基生物質炭，可以提高土壤的pH、CEC、有機質和有效養分含量，效果隨添加量的增加而增強；但添加量需達到5.0%以上，對土壤比重、孔隙度和田間持水量的改良效果才達到顯著水平。不同制備溫度的甘蔗渣基生物質炭之間對磚紅壤物理性狀改良效果沒有顯著差異。制備溫度越高，生物質炭對土壤pH、CEC和有效磷含量的提高效果越好，而GZ650對有機質和堿解氮含量的提高效果最佳，GZ550對有效鉀含量的提高效果最好。綜合考慮，GZ650和GZ750對磚紅壤具有較好的改良效果。但同時考慮制備生物質炭的能耗，建議使用5.0%的GZ650作為改良海南島磚紅壤的最優配方。

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