生物炭對沙化土壤理化性質及作物幼苗的影響

王桂君 許振文 路倩倩

摘要：設置9個生物炭施加比例，通過盆栽試驗測定生物炭對吉林省西部沙化土壤性質及2種作物幼苗生長的影響。結果表明，隨著生物炭施加量的增加，土壤的電導率、pH值、有機質含量及營養元素含量均有所增加，對沙土壤性狀改良有一定效果。一定量的生物炭對作物幼苗生物量的積累以及組織含水量產生促進作用，但是生物炭施加比例過高時反而會對幼苗生長產生抑制。與播種前相比，作物收獲后土壤中的速效營養成分含量有所下降，而播種前后對土壤有機質含量的影響效應不明顯。

關鍵詞：生物炭；沙化土壤；理化性質；生長指標

中圖分類號： S156.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0246-03[HS）][HT9.SS]

土地沙化是人類面臨的世界性環境問題，制約了當地經濟、農業以及生態環境的可持續發展，土壤中如果施加相應的改良劑，可能會減少表土由于風蝕和水分蒸發引起的土壤破壞和侵蝕[1]。南美亞馬遜盆地“黑土”（Terra preta）至今仍為全球最肥沃的土壤之一，這種土壤是南美洲土著人用木炭等作為改良劑對當地高風化淋溶土壤改良的結果。改良過程最初是通過生物炭與生物廢棄物（糞便和骨頭等食余）混合的產物，經微生物轉化，形成類似生物炭-有機肥的基質[2-3]。有研究者認為，“復制”這種黑土的改良技術可以作為提高農業產量和土壤修復的一個新途徑[2]。生物炭是由生物質材料高溫裂解的含黑炭的產物[4]，施加到土壤中可以增加土壤的水分保持與供應能力，從而增加沙化和酸性土壤的持水量[5-6]。生物炭的比表面積是沙土的上千倍，這表明生物炭可以作為土壤改良劑施加到沙化土壤中，提高保水保肥能力。有研究表明，在干旱脅迫下，施加生物炭后可以通過增加作物水分吸收而提高作物產量[1，7]，一定比例的秸稈生物炭可以提高不同土壤（特別是沙化土壤）的持水量。同時，生物炭可以改善土壤理化性質，提高土壤團聚體穩定性，降低土壤強度以及容重等[8-11]。本研究通過設置不同生物炭施加比例進行盆栽試驗，探討生物炭作為改良劑施加到沙化土壤中，對其性質以及作物幼苗生長的影響，為沙化土壤的合理利用提供理論和實踐基礎。

1材料與方法

供試土壤取自吉林省西部大安地區，此區域為風沙土；供試作物種子為綠豆和谷子；所用生物炭從沈陽農業大學生物炭研究所獲得。將風干后的土壤、生物炭分別過1 mm篩備用。設置9個生物炭施加比例，分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，以不加生物炭的處理為對照，土壤與生物炭混合均勻，每個處理重復3次。每盆放置同等質量的混合土，澆等量的蒸餾水，挑選籽粒飽滿的種子，用75%的乙醇表面消毒洗凈，催芽后播種，每盆（直徑15 cm）均勻播種10粒種子，每個處理重復3次。植物生長3周后收獲，測其鮮質量、干質量、組織含水量及葉片葉綠素含量等指標。同時為了分析作物播種前后土壤理化性質的變化，分別于播種前及收獲后取土壤樣品，風干后測定各營養成分含量。

幼苗生物量用稱量法測定；土壤電導率用CON 1000臺式電導儀測定；土壤有機質用重鉻酸鉀法測定；pH值用PH-3C酸度計測定；土壤速效氮含量采用堿擴散法測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定；葉綠素含量用SPAD-502葉綠素儀測定。

[JZ]組織含水量=（FW-DW）/FW×100%。

式中：FW（fresh weight，簡稱FW）表示幼苗鮮質量；DW（dry weight，簡稱DW）表示幼苗干質量。

采用Excel和SigmaPlot 10.0軟件進行數據分析和作圖。

2結果與分析

2.1生物炭的施加對吉林西部沙化土壤理化性質的影響

2.1.1生物炭對沙化土壤pH值和電導率的影響

由于所選用土壤為吉林省西部沙化堿化土壤，本身偏堿性，pH值和電導率本底值均較高。由圖1、圖2可知，隨著生物炭施加量的增加，pH值呈波動上升趨勢，而土壤電導率呈現隨生物炭含量增加而逐漸增加的趨勢。當生物炭含量超過30%后，電導率和pH值上升趨勢更明顯。這可能是由于生物炭自身含有生物質燃燒留下的無機鹽類離子，因此添加到土壤中會提高土壤電導率。而且生物炭本身呈堿性，從而使土壤pH值也隨之增加。當生物炭含量超過35%后，土壤pH值和電導率的增幅變緩。

2.1.2生物炭對沙化土壤養分元素含量的影響

由圖3可以看出，生物炭的施加明顯促進了土壤氮含量的增加，除10%生物炭施加處理土壤速效氮含量有一定降低外，其他處理隨著生物炭施加量的增加，土壤速效氮含量均呈上升趨勢。從圖4、圖5可以看出，隨著生物炭施加量的增加，土壤速效磷含量和速效鉀含量均增加。綠豆收獲后各處理土壤中速效氮、速效磷以及速效鉀的含量均比播種前有一定程度的下降。其中，土壤速效氮含量的降幅在4.58%～29.00%之間，整體來看，隨著生物炭施加量的增加，播種后生物炭的降幅降低，生物炭施加量為10%的處理降幅最明顯，達到29%。土壤速效磷含量的降幅最大，在64.20%～82.70%之間，總體上也呈現隨生物炭含量增加降幅增大的趨勢。土壤速效鉀含量的降幅在0.80%～6.70%之間，降幅呈現先增后減的趨勢，最高降幅出現在生物炭含量10%、15%的處理中，為6.6%。從本試驗結果看，綠豆收獲后土壤速效磷含量比播種前有大幅度降低，可能由于作物的生長初期對速效磷的需求量較高，同時由于受試土壤速效磷含量很低，因此植物對磷的吸收率相對較高。[FL）]

2.1.3生物炭對沙化土壤有機質含量的影響

由圖6可以看出，隨著生物炭施加量的增加，土壤有機質含量總體呈增長趨勢。然而，隨著生物炭施加量的增加，綠豆對土壤中有機質的吸收量未呈現明顯增加趨勢，可能是由于生物炭的主要成分是碳，因此隨著生物炭含量的增加，所測得的土壤樣品中有機炭的含量增高，進而明顯影響到有機質的含量；而生物炭中的碳元素以多環芳烴穩定態的有機碳居多，穩定性強，很難直接被植物吸收利用，因此用化學方法測定的土壤有機質含量不能完全反映出生物炭施加后的土壤肥力水平。[FL）]

2.2生物炭的施加對作物幼苗生長的影響

2.2.1生物炭對作物幼苗生物量及組織含水量的影響

由圖7可以看出，與不加生物炭的對照相比，施加生物炭對2種作物生物量的積累均有促進作用，總體上呈現先增加后降低的趨勢。其中，生物炭施加量為15%～30%之間的處理作物幼苗的干質量較高，當生物炭施加量過高時，生物量反而有所下降。其中，以谷子幼苗生物量的降幅最明顯。由此可見，一定量的生物炭會促進沙化土壤中植物生物量的積累，而含量過高，可能對植株生長起到抑制作用。

施加生物炭對作物幼苗組織含水量有明顯影響（圖8）。生物炭施加量在0～20%之間，隨著施加量的增加，作物幼苗組織含水量有所增加，而隨著生物炭施加量繼續增加，幼苗組織含水量又稍有所下降。這可能由于生物炭在含量較低的情況下，由于它的多孔性和吸附性，增加土壤特別是沙質土壤的蓄水能力以及容水量，水分供給植物根吸收利用；而如果施加量過高，反而會增加土壤的疏水性，引起植物組織對水分保持能力降低。

2.2.2生物炭對幼苗葉綠素含量的影響

由圖9可以看出，隨著生物炭施加量的增加，作物葉片葉綠素含量呈現先增后減的趨勢。當生物炭施加量為5%時，綠豆和谷子幼苗葉片葉綠素含量為最高，而當生物炭含量超過15%后，葉綠素含量開始有所下降，由此可以看出，生物炭在一定濃度會促進植物葉綠素的生成和積累，但含量過高反而會抑制作物對養分的吸收和利用。[FL）]

3結論與討論

施加生物炭到沙化土壤中可以增加土壤的pH值和電導率，同時增加了土壤有機質和營養元素的含量。由于受試土壤偏堿性，施加過多的生物炭會使土壤的pH值過高，從而對植物生長產生抑制作用。從作物幼苗生長指標來看，并不是生物炭施加比例越高對作物生長越有利，當施加生物炭控制在中等濃度時對植物生長的促進最明顯，當濃度過高時生物炭對受試的2種作物生長的促進作用開始減弱，甚至濃度過高時會產生抑制作用。同時，綠豆收獲后各處理土壤中速效氮、速效磷以及有效鉀的含量均比播種前有一定程度的下降。由于不同的原材料以及制備條件所制取的生物炭理化性質以及作用有差別，單純施加生物炭由于營養元素的有限性而限制了推廣使用，如果作物肥料緩釋載體與其他改良劑（如有機肥、微生物菌劑等）混合施加，可能會有更顯著的效果，因此生物炭在農業應用以及土壤修復中的研究也需要更深入、更大規模的試驗和探索。

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