生物質(zhì)炭對土壤肥力的影響研究

盧洪秀

（上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)生物與生態(tài)技術(shù)系，上海201600）

近年來，有機(jī)肥用量日趨減少，過量施用化肥造成土質(zhì)下降，土壤中活性有機(jī)碳消耗較大，土壤陽離子交換量下降［1］，肥料利用率降低。因此，提升農(nóng)業(yè)廢棄物的利用效率，重視有機(jī)肥的施用，推廣有機(jī)無機(jī)肥配施技術(shù)是提升土壤肥力和糧食生產(chǎn)能力的必然趨勢［1-2］。同時(shí)，為應(yīng)對全球氣候變化，減少碳排放，國際社會相繼提出把農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭投入土壤中，這樣既可以封存環(huán)境中的碳，又一定程度上達(dá)到土壤改良的目的［3-6］。生物質(zhì)炭就是將如農(nóng)作物廢棄物、木材、植物組織或動物骨骼等生物質(zhì)原料在限氧或厭氧條件下，于較高溫度（＜700℃）中熱解后生成的一類穩(wěn)定的富含碳的芳香環(huán)分子結(jié)構(gòu)和多孔特性的固型產(chǎn)物［7-9］。它屬于黑炭的一種，除富含碳外，還含有鈣、鎂等礦物質(zhì)以及無機(jī)碳酸鹽［10］。一些初步研究已經(jīng)顯示了生物質(zhì)炭在改善土壤肥力、提高土壤碳庫方面具有較大的潛力，且裂解溫度和施用量不同等因素都可能對土壤結(jié)構(gòu)和肥力產(chǎn)生重要影響［11］。Gaskin等［12］研究表明生物炭含有一定量的礦質(zhì)養(yǎng)分，可增加土壤中氮、磷、鉀、鈣和鎂的含量。Chan等［13］的研究顯示，隨著生物質(zhì)炭量的增加，蘿卜對氮的吸收也隨之增加，產(chǎn)量相應(yīng)增加。唐光木等［14］研究表明，生物黑炭能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和玉米產(chǎn)量。本文主要研究了兩種不同裂解溫度下和不同施用量的生物質(zhì)炭對土壤肥力的影響，以期找到最佳的組合，改善土壤肥力，保護(hù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用生物質(zhì)炭以水稻秸稈為原料，分別在300℃和600℃下裂解而成，多空隙結(jié)構(gòu)，呈堿性，pH分別為（8.95±0.31）和（10.52±0.41）。TC、TN、TP、TK含量分別為（401.12±6.19）g/kg、（10.23±0.41）g/kg、（3.03±0.10）g/kg、（50.04±1.66）g/kg和（405.72±7.57）g/kg、（10.68±0.57）g/kg、（4.01±0.09）g/kg、（61.12±2.02）g/kg。施用量分別為0 t/hm2、4 t/hm2、12 t/hm2和24 t/hm2，供試蔬菜為青菜，該蔬菜在上海廣泛種植，消費(fèi)量較大。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取上海市松江區(qū)小昆山鎮(zhèn)沈溇村作為試驗(yàn)場地，播種日期為2016年11月8日，播種前2個(gè)月施用生物質(zhì)炭，保證肥效充分發(fā)揮，土壤及青菜采樣時(shí)間為播種后45 d（12月23日）。田間作業(yè)前先進(jìn)行翻耕、平整和混勻操作，盡量降低非處理因素造成的試驗(yàn)誤差。按照拉丁方設(shè)計(jì)方法［15］，共有7個(gè)處理組，每個(gè)處理組設(shè)置7個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為20 m2，相鄰小區(qū)設(shè)置安全距離和保護(hù)行，方便田間作業(yè)，避免交叉影響，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。采集農(nóng)耕土壤（采樣深度0—20 cm），用不銹鋼土鉆“梅花多點(diǎn)采樣法”采集土樣，每個(gè)小區(qū)設(shè)置10個(gè)采樣點(diǎn)，采樣后充分混合，采用四分法留取1.0 kg農(nóng)田土壤混合樣，并設(shè)置3個(gè)平行。土壤采樣、保存和前處理方法參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》［16］。

表1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 Design scheme for field test

1.3 分析方法

農(nóng)田土壤樣品的分析目前多采用中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具體分析方法如表2所示。

表2 土壤樣品檢測項(xiàng)目及分析方法Table 2 Analytical item s and methods for soil samp les

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2010軟件和SPSS 19.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。所有數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，多重比較采用鄧肯氏新復(fù)極差法（SSR），顯著性水平設(shè)在0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的影響

上海松江區(qū)土壤屬湖沼相沉積的黏土類型，青紫泥為主，生物質(zhì)炭易于改善沙壤土的持水量，但對黏土的飽和持水量影響不明顯，因此本試驗(yàn)主要選擇了土壤容重和pH作為土壤理化性質(zhì)的研究對象，具體結(jié)果見圖1和圖2。

統(tǒng)計(jì)分析表明，300℃和600℃下裂解，生物質(zhì)炭施用量增加，土壤容重下降（P＜0.01），且施用量為24 t/hm2時(shí)降幅最大，分別下降18.0%和25.9%。相反，土壤pH不降反升（P＜0.05），且施用量為24 t/hm2時(shí)分別上升13.6.0%和18.9%。生物質(zhì)炭施用量相同，隨裂解溫度上升，土壤容重下降（P＜0.05）、pH上升效果較為明顯（P＜0.05），由此推斷，施用生物質(zhì)炭能夠降低土壤容重，中和酸性土壤，對土壤改良有一定作用。

圖1 生物質(zhì)炭對土壤容重的影響Fig.1 Effect of biochar on soil bulk density

圖2 生物質(zhì)炭對土壤pH的影響Fig.2 Effect of biochar on soil pH

2.2 生物質(zhì)炭對土壤肥力的影響

由表3可知，生物質(zhì)炭可以明顯提高土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀的含量，且裂解溫度相同，生物質(zhì)炭施用量增加，以上各指標(biāo)含量明顯增加（P＜0.05）。裂解溫度為300℃，施用量為4 t/hm2時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量與空白對照組無差異（P＞0.05），其他各組有機(jī)質(zhì)含量均隨生物質(zhì)炭施用量增加而顯著提高（P＜0.05），全氮、速效磷和速效鉀含量隨施用量的增加而顯著提高（P＜0.05）。

施用量相同，600℃裂解的生物質(zhì)炭的各組相比300℃裂解的各組有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量高（P＜0.05）。當(dāng)裂解溫度為600℃、施用量為24 t/hm2時(shí)，土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀的含量相比空白對照組增幅分別為92.4%，103.4%，181.8%，80.0%，大于其他各處理組（P＜0.05）。

表3 生物質(zhì)炭對土壤肥力的影響Table 3 Effect of biochar on soil fertility

2.3 生物質(zhì)炭施用量對青菜產(chǎn)量的影響

青菜出苗40 d后收獲，將青菜緊貼土壤表層剪下，先后用清水和蒸餾水沖洗，用紗布吸干水分后稱重。由圖3可知，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，青菜產(chǎn)量隨之提高，裂解溫度為300℃、施用量為4 t/hm2時(shí)，青菜產(chǎn)量與對照組無差異（P＞0.05）；生物質(zhì)炭施用量相同的兩個(gè)處理組，裂解溫度為600℃的處理組的青菜產(chǎn)量高于裂解溫度為300℃的組（P＜0.05）。當(dāng)裂解溫度為600℃、施用量為24 t/hm2時(shí)，青菜產(chǎn)量為（1.61±0.12）kg/m2，相比空白對照組產(chǎn)量［（1.50±0.09）kg/m2］增幅達(dá)7.3%。

圖3 生物質(zhì)炭對產(chǎn)量的影響Fig.3 Effect of biochar on yield

2.4 最優(yōu)組合遴選

綜上，當(dāng)裂解溫度為600℃、施用量為24 t/hm2時(shí)，能夠明顯降低土壤容重，改善土壤理化性質(zhì)，改良土壤結(jié)構(gòu)，顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀的含量，且相較其他組合，其增幅最大，同時(shí)還可在一定程度上提高作物產(chǎn)量。因此該組合效果最優(yōu)，可在水稻秸稈富余地區(qū)參考使用，既可實(shí)現(xiàn)秸稈的資源化利用，還可改善土質(zhì)和肥力，提高作物產(chǎn)量，一舉多得。

3 討論

通過向土壤中添加生物質(zhì)炭可改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長。本研究表明：生物質(zhì)炭降低了土壤容重，有利于土壤質(zhì)地和耕作性能改善，主要可能是生物質(zhì)炭自身的容重低、黏性差所致，但對土壤持水性和通透性的影響因土質(zhì)而異；生物質(zhì)炭致使土壤pH上升，這與其本身具有較強(qiáng)的堿性不無關(guān)系，主要原因在于生物質(zhì)炭中的無機(jī)礦物組成及其表面高度共軛的芳香結(jié)構(gòu)［17-19］。雖有報(bào)道表明可以制備低pH（＜7）的生物質(zhì)炭，使得其呈現(xiàn)酸性［20-21］，但多數(shù)研究表明生物質(zhì)炭呈堿性，且隨熱解溫度升高，堿性增強(qiáng)。本研究中，生物質(zhì)炭提高了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀的含量，促進(jìn)作物增產(chǎn)，原因是生物質(zhì)炭中含有大量的溶解性有機(jī)質(zhì)和K、Ca、Mg、P等營養(yǎng)元素，能夠釋放到土壤中，增加有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤肥力。另有研究證明，生物質(zhì)炭的添加可以減少土壤養(yǎng)分的淋失，提高土壤養(yǎng)分有效性［22-24］。在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)裂解溫度為600℃、施用量為24 t/hm2時(shí)，對土壤肥效和生物產(chǎn)量效果最好，但生物質(zhì)炭的施用量繼續(xù)增加是否會對生物產(chǎn)量起到抑制作用？每年的具體施用次數(shù)和施用量是多少？生物質(zhì)炭如何與化肥合理搭配施用？其他原料的生物質(zhì)炭效果如何？諸如這些問題仍需持續(xù)關(guān)注。當(dāng)然，生物質(zhì)炭對土壤肥力的影響是各因素綜合的結(jié)果，不僅取決于生物質(zhì)炭原料和裂解條件，還與土壤本身性質(zhì)密不可分，因此在使用生物質(zhì)炭改良土壤時(shí)，要因地制宜，綜合考慮。