生物炭施加對黃土土壤理化性質及硫素的影響

王晗 趙保衛 陳艷雪 馬鋒鋒

摘要：采用培育實驗，向黃土中分別添加0%、1%、3%和5%的300℃和600℃制得的油菜秸稈生物炭，研究了添加生物炭對土壤的理化性質和硫轉化的影響。結果表明：隨著生物炭添加量的增加，土壤pH值、有機質含量、過氧化氫酶活性、全硫以及無機硫含量也隨之顯著增多;在同一生物炭添加量下，添加600℃生物炭時土壤的pH值比添加300℃生物炭時土壤的pH值高，而添加300℃生物炭時，兩種土壤酶活性均比添加600℃生物炭時的兩種土壤酶活性高;土壤脲酶活性隨著300℃生物炭的添加增多而增大并且差異顯著，但添加600口C生物炭時，脲酶活性在添加量為1%時略微增大，在添加量為3%、5%時活性降低且差異顯著。總體上，添加生物炭有利于改善土壤理化性質，可提高土壤酶活性，增加土壤無機硫含量。

關鍵詞：生物炭;黃土;有機質;土壤酶;土壤硫

中圖分類號：S156

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0004-05

1引言

生物炭（ Biochar）是農作物秸稈、動物糞便以及其他生物質在完全或部分缺氧條件下進行高溫熱解炭化而成的一種含碳量豐富、性質穩定的固態物質。生物炭的元素組成為碳（一般高達60%以上）、氫、氧、氮、硫以及一些少量的微量元素。生物炭表面多孔特性顯著，孔洞數量巨大且大小不一，其孑L隙結構有助于土壤微生物的生長。生物炭具有較大的比表面積，吸水、氣能力強，具有大量的表面負電荷和高電荷密度的特性，使得生物炭具備了良好的吸附特性。基于以上特性，生物炭被國內外學者視為有效的土壤改良劑。

硫是作物生長發育不可缺少的營養元素之一，直接參與生物體內的許多重要的生化反應，調節植物的新陳代謝，并提高作物的品質，在缺硫條件下植物的生長會受到嚴重的阻礙，甚至枯萎、死亡。因此，硫是作為繼氮、磷、鉀之后第四位重要的營養元素。黃土作為我國西北地區的土壤主要類型，具有以下主要特點：養分貧瘠，結構疏松，孔隙度大，團聚能力差，難溶性硫含量較高，有機質含量較低。因此，向黃土中施加生物炭有望改善黃土的性質以及結構，提供一定的有機質，對土壤中的硫轉化勢必會產生影響。Zheng等研究發現，向土壤中添加生物炭可提高氮素的利用效率，降低氮素的積累效率。亦有很多研究表明，生物炭能較好吸附土壤氮素，固持以及緩解各種形態氮素的淋失，促進植物對氮的吸收。生物炭還可以減緩土壤侵蝕和營養元素磷的虧損，增加磷的植物有效性和土壤對磷的吸附能力。然而，目前關于生物炭對土壤營養元素的研究主要集中在氮和磷，對于同等重要的硫的研究報道卻極為鮮見。因此，亟待研究生物炭添加到土壤中對硫素的影響及其機制。

我國作為一個傳統的農業大國，油菜是其常見的經濟作物，而油菜秸稈的利用率極低。常見的處理方法就是口間焚燒或者閑置堆放，這不僅造成了資源的極大浪費，還導致了嚴重的環境污染。因此，將廢棄秸稈資源化利用既環保又能施入土壤中改善土壤的結構和性質。因此，本文使用油菜秸稈作為原料，在300℃和600℃下限氧熱解制備生物炭，將油菜秸稈生物炭作為土壤改良劑施入黃土中，考察了生物炭施加量對黃土的理化性質和土壤中硫的轉化的影響，以期為添加生物炭對黃土的改良提供理論依據。

2材料與方法

2.1材料與儀器

油菜秸稈（Brassica campestris L.）采自甘肅省隴南市某農村田間。將采集到的油菜秸稈用自來水洗凈然后自然風干，粉碎至粒徑小于40目，將其盛入已知質量的坩堝內，置于300℃或600℃馬弗爐中炭化6h，經冷卻至室溫后取出，再過60目篩制得油菜秸稈生物炭，裝于棕色瓶中待用。制得的生物炭分別標記為BS300和BS600，其中BS表示油菜秸稈生物炭，數字表示炭化溫度。生物炭的基本理化性質見表l。

本實驗采用的黃土采集自甘肅省蘭州市龔家灣（北緯36°2'25''，東經103°44'14''）農田土（理化性質見表2），采樣深度為0～20cm。多點隨即采樣經自然風干，去除其中的石塊、樹葉等雜質，再研磨過3mm篩。

主要儀器：電子天平（上海精密科學儀器有限公司，FA2004N型）;馬弗爐（上海嘉占儀器設備有限公司，SX2系列）;pH計（上海儀電科學儀器股份有限公司，PHS-3C型）;電導儀（杭州奧立龍儀器有限公司，DDS-11A型）;紫外可見分光光度計（上海美譜達儀器有限公司，UV-18 00型）;磁力攪拌器（武漢廣顏儀器設備有限公司，XK78-1型）;氣浴恒溫振蕩器（江蘇丹陽門石英玻璃廠，THZ- 82A型）;電熱恒溫培養箱（天津市泰斯特儀器有限公司，WPL-230BE型）;火焰原子吸收分光光度計（上海光譜儀器有限公司，SP-3520AAC2T1型）。

2.2培育實驗

取四份100 g上述黃土分別加入0%、1%、3%和5%的油菜秸稈生物炭后混合均勻，每個處理設置3個重復，然后置于300mL塑料碗（尺寸65mm×65mm）中并進行淹水處理，放人培養箱保持25℃下培養60d，將其取出風干后以四分法取少量土樣測定其pH值、電導率、有機質、脲酶、過氧化氫酶、提取硫和全硫。

2.3測試方法

pH值采用電位法測定;電導率采用電極法測定;有機質采用重鉻酸鉀氧化一分光光度法測定;過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測定;脲酶活性采用苯酚鈉一次氯酸鈉比色法測定;無機硫和全硫分別用連續提取法和堿熔法提取，用間接火焰原子吸收光譜法測定。

數據圖的繪制使用Origin9.3，統計分析使用SPSS21.0.數據平均值和標準偏差采用單因素方差分析法獲取，差異顯著性分析采用Duncan氏新復極差法（P<0.05）。

3結果與討論

3.1生物炭添加對土壤pH的影響

圖1反映了BS300和BS600添加量不同對土壤pH值的影響。從中可以看出，隨著BS300和BS600添加量的增加，土壤pH值也隨之增高并且達到顯著性差異水平（P<0.05）。生物炭添加量為5%時，添加BS300和BS600時，土壤的pH值比未添加生物炭土壤的pH值分別增加了5.9%和10.2%。在同一生物炭添加量下，添加BS600時土壤的pH值比添加BS300時土壤的pH值高。

由于生物炭含有一定量的灰分，導致生物炭呈堿性，而且生物炭中的堿性物質很容易進入土壤中，因此使得土壤pH值升高。另外，生物炭中含有大量的鹽基離子，添加到土壤中后會與土壤中的鋁離子以及質子進行交換，使其濃度降低，提高鹽基飽和度并提高土壤pH值。由于黃土屬于偏堿性土壤（表2），所以相比生物炭對酸性土壤的pH提升幅度略低。通過Chun等的研究發現，300℃制得的秸稈炭所含酸性官能團為2. 83mmol/g，堿性官能團為0.04mmol/g;當溫度上升為700℃時，酸性官能團下降到o.3mmol/g，堿性官能團上升到0.29mmol/g。所以生物炭的堿性官能團隨熱解溫度的升高而增多。因此，在相同生物炭添加量下，添加BS600時土壤的pH值比添加BS300時土壤的pH值高。

3.2生物炭對土壤有機質的影響

添加BS300和BS600對土壤有機質的影響，結果如圖2所示。從圖中可以看出，土壤有機質均隨BS300和BS600添加量的增加而升高且存在顯著差異（P<0.05）。生物炭添加量為5%時，添加BS300和BS600時土壤的有機質含量比未添加生物炭土壤的有機質含量分別提高了81%和86%。

土壤有機質是土壤的重要組成部分，可以改善土壤團具體和穩定性，改良土壤透水性和通氣性，提升土壤保水保肥能力以及為植物輸送營養等，是土壤肥力重要指標之一。生物炭本身含有豐富的有機碳，向土壤中添加生物炭后，可以增加土壤有機碳含量，一定程度上提高土壤腐殖質和有機質的含量，還能間接提高土壤的C/N比以及對其他養分元素的吸持能力。研究表明，生物炭提高有機碳含量的幅度取決于生物炭的用量和穩定性。生物炭可以在土壤中存留數百年，甚至上千年的時間，其穩定性以及穩定化作用遠遠大于綠肥類易解有機物。生物炭在土壤中存在的時間越長，就會與土壤之間產生一種保護基質，使得土壤有機質的氧化穩定性增強，進而提高土壤有機碳的積累。

3.3生物炭對土壤酶的影響

添加BS300和BS600對土壤脲酶活性和過氧化氫酶活性影響分別見圖3（a）和圖3（b）。從圖3（a）中可以看出，土壤脲酶活性隨著BS300的添加增多而增大并且差異顯著（P<0.05）。添加BS600時，脲酶活性在添加量為1%時略微增大，但在添加量為3%、5%時活性降低且差異顯著（P

從圖3 （b）中可以看出，土壤過氧化氫酶活性在BS300和BS600添加量增加時都略有增大，但其變化沒有達到顯著性差異水平。在同一生物炭添加量下，添加BS300的土壤過氧化氫酶活性比添加BS600時的土壤過氧化氫酶活性高。

土壤酶主要來自土壤微生物分泌、植物根系分泌以及殘體分解等，并參與了土壤中的所有生化反應，其活性反映了土壤微生物的活性以及土壤養分轉化的能力，對維持土壤健康以及為植物提供生長所需的養分起到重要作用。土壤脲酶直接參與土壤中含氮有機化合物的轉化，其活性可以用來表征土壤氮素供應強度。過氧化氫酶能夠促進過氧化氫分解為氧氣和水，解除過氧化氫對生物體產生的毒害作用，常用來表征土壤的氧化強度。由于生物炭具有極強的吸附性能，導致其對土壤酶的影響比較復雜。一方面，由于生物炭能夠吸附反應底物，促進了酶促反應而提高土壤酶活性;另一方面，生物炭又能吸附酶分子，對酶促反應結合位點進行保護，從而阻止酶促反應的進行，進而降低土壤酶活性。研究表明，添加生物炭能夠提高土壤酶活性，并且隨著生物炭的添加量增大土壤酶活性也增強。本研究表明，添加BS300的土壤脲酶和過氧化氫酶活性以及添加BS600的過氧化氫酶活性都得到了提高，這可能是生物炭具有很強的吸附性以及巨大的比表面積，促進了酶促反應，為土壤微生物提供生活場所，使土壤微生物活性增強，從而提高了土壤酶活性。而添加BS600，土壤脲酶活性卻隨添加量先增后降低，可能一方面是當添加量達到3%以上后BS600的pH值過高對土壤脲酶活性產生了抑制作用，另一方面可能是淹水條件下培育氧氣不充足導致參與含氮有機化合物轉化的相關微生物活動受到抑制。Deenik等研究發現生物炭含有的揮發性物質可以刺激微生物活動，從而導致土壤有效氮降低，同時降低植物氮素吸收，抑制植物生長。土壤脲酶直接參與土壤中含氮有機化合物的轉化，因此脲酶活性也受到抑制。

3.4生物炭對土壤硫的影響

圖4和表3分別反映了添加BS300和BS600對土壤全硫和無機硫的影響。從圖4中可以看出，土壤全硫均隨著BS300和BS600的添加量增加而升高并且達到顯著性差異水平（P<0.05），生物炭添加量為5%時，添加BS300和BS600時土壤全硫含量比未添加生物炭的土壤全硫含量分別增加了24.9%和22.3%。

由表3可以得出，土壤水溶性硫、吸附性硫和鹽酸可溶性硫含量均隨BS300和BS600的添加量增加而上升。在同一生物炭添加量下，添加BS600時三種形態硫含量比添加BS300的三種形態硫含量都大。

土壤中的硫以有機硫和無機硫兩種形式存在，無機硫一般可以分為水溶性硫、吸附性硫、鹽酸可溶性硫三種形態，植物從土壤中所能吸取的硫幾乎為以上三種無機形態的硫;有機硫一般分為酯鍵硫、碳鍵硫、未知態有機硫三種類別，主要存在于動植物殘體和腐殖質，以及一些經微生物分解形成的簡單的有機化合物中。研究表明，土壤中硫大部分是以有機硫形態存在，但我國北部和西部的石灰性土壤無機硫占全硫的39.4%～61.8%。本研究中，無機硫占全硫的40.6%～65.4%，土壤中硫的遷移轉化主要依靠硫氧化細菌（sulfur oxidizing bacteria，SOB）和硫酸鹽還原菌（sulfate reducing bacteria，SRB）這兩類細菌進行轉換。淹水條件下，土壤中SOB活性較低，而SRB活性較高，因此主要發生的是還原反應，硫酸鹽在SRB的作用下轉化為H2S，其中一部分H2S被釋放到大氣中，導致土壤硫含量降低;另一部分H2S在嫌氣條件下，被化能自養硫細菌氧化成了無機硫。而本研究中，土壤全硫和無機硫含量隨著生物炭添加量增多而上升，這可能是因為生物炭自身還有一定量的硫其量大于釋放到大氣中的H2S的量。

4結論

（1）隨著BS300和BS600添加量的增加，土壤pH值也隨之得到顯著的提高。在同一生物炭添加量下，添加BS600時土壤的pH值比添加BS300時土壤的pH值高。

（2）土壤有機質均隨BS300和BS600添加量的增加而顯著升高，生物炭添加量為5%時，添加BS300和BS600時土壤的有機質含量比未添加生物炭土壤的有機質含量分別提高了81%和86%。

（3）土壤脲酶活性隨著BS300的添加增多而顯著增大。添加BS600時，脲酶活性在添加量為1%時略微增大，但在添加量為3%、5%時活性降低。在同一生物炭添加量下，添加BS300的土壤脲酶活性比添加BS600時的土壤脲酶活性高。土壤過氧化氫酶活性在BS300和BS600添加量增加時都略有增大。在同一生物炭添加量下，添加BS300的土壤過氧化氫酶活性比添加BS600時的土壤過氧化氫酶活性高。

（4）土壤全硫、水溶性硫、吸附性硫和鹽酸可溶性硫含量均隨著BS300和BS600的添加量增加而顯著升高。