生物炭與腐殖酸配施對鹽堿土理化性質的影響

韓劍宏，孫一博，張連科，王維大，李玉梅，孫 鵬

(內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010)

鹽堿土是我國重要的土壤后備資源，中國鹽堿化土地面積約26.6×106hm2，約占總陸地面積的10.3%，且呈逐年增長的趨勢[1]，截止2010年內蒙古鹽漬化土地面積已達3.2×106hm2，其中耕地鹽漬化面積達到4.7×105hm2，占可灌面積的40%，且耕地次生鹽漬化面積每年仍以1.0×104～1.3×104hm2的速度遞增。內蒙古地區特別是黃河沿岸灘地由于氣候及灌溉方式等原因，土壤結構板結、保水保肥能力下降，嚴重影響農作物的增產，制約了當地的經濟發展。因此，改良利用鹽堿土增加當地的耕地面積，對農業可持續發展及經濟發展具有重要意義。

生物炭和腐殖酸是極易得的有機質，可促進遲效養分轉化，提高氮、磷、鉀的有效性。腐殖酸作為改良劑可提高土壤孔隙度，促進作物對土壤中養分及水分的利用[2]。有報道發現腐殖酸可改變土壤離子組成，促進土壤團粒結構的形成，加快土壤鹽分淋洗，抑制土壤返鹽[3]。多年施用腐殖酸能夠增強土壤酶的活性，促進土壤有機物質的分解和轉化，加速土壤養分的循環，達到培肥土壤與改善土壤質量的目的[4]，同時促進農作物生長[5]。近年來，已有報道將生物炭用作土壤的改良劑[6]，發現其不僅可改善土壤結構、增加土壤團聚體穩定性、增加有機質[7-8]，還能延緩肥料養分在土壤中的釋放，提高肥料養分利用率[9]。對于生物炭、腐殖酸分別與其他改良劑配施改良鹽堿土也有不少研究[10-11]，但是鮮有文獻對生物炭與腐殖酸二者共同施用在鹽堿土中的效果進行研究。本試驗利用不同生物炭與腐殖酸進行單獨及混合施用，通過室內土培研究不同靜置時間下相關土壤指標的變化，以期為應用生物炭和腐殖酸改良鹽堿化土壤提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及儀器設備

1.1.1 試驗材料 供試土壤采集于內蒙古包頭市土右旗某鹽堿地耕層土壤(0～20 cm)，采集時去除礫石及可見根系，土壤風干過2 mm篩，置于室溫下(20℃)保存[12]。

秸稈取自內蒙古西北部農區的玉米秸稈及葵花秸稈，去除表面泥土灰塵，在室溫下自然風干，切碎至2～3 cm后，使用粉碎機進行粉碎試樣，過80目篩后放置于密封袋中備用。

秸稈生物炭制備：將玉米秸稈、向日葵秸稈粉末分別放至于坩堝中，于管式爐中300℃下加熱分解3 h，冷卻至室溫后取出。研磨后，過80目篩分別密封保存。

改良劑制備：混合生物炭BC材料為玉米秸稈生物炭與葵花秸稈生物炭以1∶1的比例混合制得；BC1材料為玉米秸稈生物炭；BC2為葵花秸稈生物炭。

腐殖酸材料(HA)購于淘寶網博威神農官方店。

試驗試劑:氯化鉀、氯化鈉、氫氧化鈉、抗壞血酸、甲醇、乙醇、丙酮、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、丙三醇、阿拉伯樹膠、鹽酸、磷酸二氫鉀、苯酚鈉、次氯酸鈉、碳酸氫鈉、酒石酸銻鉀等均為分析純，試驗用水均為去離子水。

1.1.2 儀器設備 AA800型原子吸收分光光度計(美國PE公司)、BRUKER TENSOR Ⅱ傅立葉轉換紅外光譜儀(布魯克光譜儀器公司)、UV180G紫外分光光度計(天津冠澤科技有限公司)、PHS-3C型pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)、SC-2300 型電導率儀(上海京燦精密機械有限公司)、ZWYR-2102C 型恒溫培養振蕩器(北京思博晟達科技有限公司)、GWL-1700GA管式電爐(洛陽炬星窯爐有限公司)、DHP-9272 型電熱恒溫培養箱(上海一恒科學儀器有限公司)、GZX9140 MBE 數顯鼓風干燥箱(上海博迅醫療生物儀器股份有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案 本研究設置6個處理，分別為原土對照(CK)、單施玉米秸稈生物炭(A)、單施混合秸稈生物炭(A1)、單施腐殖酸(B)、玉米秸稈生物炭+腐殖酸(AB)、混合秸稈生物炭+腐殖酸(A1B)試驗，具體施用方法及用量見表1。

表1 材料使用量

試驗方法室內土培，將土壤與不同改良劑混合后靜置20～80 d，將加入改良劑試驗的土壤和原土試驗分別在20～80 d內測定土壤中pH、電導率(EC)、陽離子交換量(CEC)、堿化度(ESP)、有效磷、速效氮、速效鉀、有機質。

1.2.2 檢測分析 生物炭和腐殖酸改良劑加入鹽堿土壤后，按照國家現行有效標準方法對土壤進行組試驗、測定土壤的基本理化性質，各項土壤理化性質指標的測定參照《土壤農業化學常規分析方法》[13]:陽離子交換量(CEC)采用NaOAc法，交換性鈉離子濃度采用乙酸銨-氫氧化銨交換-火焰光度法，有效磷采用乙酸鈉-鉬銻抗分光光度法，速效氮采用堿解擴散法；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法，有機質采用重鉻酸鉀容量法。堿化度的計算公式為：ESP =交換性鈉離子濃度/土壤CEC。土壤pH采用玻璃電極法測定，水土質量比為2.5∶1；土壤EC采用EC儀測定，水土比5∶1；生物炭pH采用GB/T12496.7-1999木質活性炭試驗方法進行測定，水炭質量比為20∶1[14]。

1.3 數據處理

本研究采用Excel整理數據，SPSS 21.0統計軟件進行單因素方差分析，多重比較采用最小顯著差異法，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤和改良劑理化性質

對生物炭改良劑的理化性質進行檢測，從表2中可以看出改良劑中有機質、CEC、有效磷、速效鉀高于土壤。可見，改良劑所含物質可以增加鹽堿土中某些營養物質的含量，提高土壤肥力。

表2 試驗材料主要理化性質

2.2 改良材料的傅立葉紅外(FT-IR)表征

圖1 生物炭及腐殖酸的FT-IR圖

因此，生物炭表面以及腐殖酸表面都含有豐富的羧基、羥基等含氧官能團[15]，這些基團能夠表現出對酸堿的緩沖能力，使得腐殖酸具有疏水、親水的能力，并且使其具有較高的陽離子交換量(CEC)。

2.3 改良劑對土壤理化性質的影響

2.3.1 土壤pH值 自然條件下土壤酸堿性主要受土壤鹽基狀況的影響，堿性反應及堿性土壤形成是土壤自身及外界共同作用的結果。pH值是最直觀判斷土壤酸堿狀況的指標，對土壤的各種化學反應及過程有很大影響[16]。施用不同的改良劑后土壤pH值測定結果如圖2所示。與CK相比，在靜置20 d時各處理pH值變化不顯著，在40 d時各處理pH值均呈下降趨勢，其中A1B、AB分別下降0.28、0.36，60 d時AB與A1B組pH值繼續下降，較前期(20 d)下降0.45、0.7；在80 d時B、AB及A1B處理與CK組土壤pH值相比出現較大變化，各處理pH值較CK下降0.10～0.92，按pH值變化大小排列各處理順序為：CK>A1>A>B>AB>A1B。經過80 d的觀察測試發現，A1B組在降低pH值方面效果最好。

注：不同小寫字母表示同一時期不同組試驗間差異顯著(P<0.05)，下同。Note:Different small letters indicate significant difference between different groups in the same period (P<0.05). The same below.

2.3.2 土壤電導率(EC) 土壤電導率是表征土壤混合鹽分含量狀況最為直觀的指標。各處理土壤電導率(圖3)隨時間推移呈現降低的趨勢。在20 d時，各處理與CK均呈顯著性差異，A、A1、B處理較CK分別增加90.5%、67.9%、79.6%；40 d較20 d各處理EC均有所下降，除AB外，其余各處理較20 d分別降低25.6%、25.4%、13.1%、34.5%；60d時，A1與CK無顯著性差異，B與AB無顯著性差異，各改良劑處理較上一測定時期(40 d)分別下降4.4%、15.6%、53.5%、14.4%、39.4%；在80 d時，各處理均與CK呈現顯著性差異，A、B、AB、A1B較CK的EC分別降低了7.2%、19.3%、47.4%和55.0%，A1較CK增加了14.0%，表明AB、A1B降低電導率效果更為顯著。

圖3 各處理不同時間土壤電導率的變化情況

2.3.3 土壤陽離子交換量(CEC) 陽離子交換量與土壤保肥能力相關，也是土壤改良的重要指標。在改良劑施用期間，CEC呈現逐漸增加的趨勢(圖4)，在20 d各處理CEC顯著高于CK，增加范圍在5.4%～27.8%之間；40 d時A、A1、AB處理之間無顯著性差異，各處理顯著高于CK，同時較前一時期各處理CEC均有所增加，分別提高43.6%、48.3%、77.8%、51.5%、9%；60 d各處理間呈現顯著性差異，較40 d繼續增加，其中A1B增加最多，提升156.2%；80 d各處理較CK呈現顯著性差異，依次提高了2.2倍、2.8倍、3.7倍、4.1倍和3.4倍，說明施用生物炭、腐殖酸及其混合施用對增加土壤陽離子交換量均有很好的效果，長期改良將對土壤中電導率的影響更為顯著。

圖4 各處理在不同時間土壤CEC的變化情況

2.3.4 土壤堿化度(ESP) 堿化度是觀察土壤鹽堿化程度最直接的指標，從圖5中可以看出CK屬于中重度的鹽堿化土壤(ESP>15%)。試驗前期(20 d)A、A1相比CK的ESP略有降低，A1B降低最多，約為3.67%；40 d除A1B外各處理均保持下降的趨勢，CK、A、A1、B、AB較20 d分別降低3.16%、4.51%、5.36%、4.44%、2.99%；在60 d時A及A1均有小幅提升，是由于生物炭本身的灰分中成分導致交換性Na+有短期的升高；80 d各處理土壤ESP相較前期20 d時分別降低12.51%、13.8%、32.17%、36.16%、37.10%。相比于其他，AB及A1B均持續降低了土壤ESP，且在后期兩者效果基本一致。單獨施用生物炭和腐殖酸可以降低土壤堿化度，這與前人研究結果一致[17]。聯合施用生物炭及腐殖酸降低土壤ESP更有效，結合土壤CEC變化，可知土壤中交換Na+隨時間增加逐漸降低，降低了土壤堿化程度。

圖5 各處理在不同時間土壤ESP的變化情況

2.4 生物炭與腐殖酸配施對土壤養分的影響

速效N、P、K是植物所能直接利用的養分，可保持土壤中植物所需營養元素，增加土壤持水量，減少營養元素的流失[18]。從表3可知，在施用初期(20 d)除B處理外，其余有效磷較CK增幅依次達33.9%、20.7%、81.2%和64.1%，可以看出,在短期內有效磷含量增加較CK出現顯著性差異，而B處理較CK減少6.0%；與CK相比各處理速效氮含量依次增加35.8%、67.2%、52.2%、123.9% 和138.8%；速效鉀的含量分別提高27.8%、50.1%、85.8%、84.6%和56.4%，有機質分別增加29.8%、31.6%、82.13%、84.4%、103.3%。40 d時各處理速效鉀、速效氮及有機質均顯著高于CK，有效磷除B處理外均有所增加，速效鉀、速效氮、有機質較前期有所增加。60 d時除B處理的有效磷含量與CK差異不大外，其余各處理較CK仍呈現顯著差異，有效磷較前期有所降低，而速效鉀、速效氮及有機質則較前期增勢減緩；在施用后期(80 d)，各處理較CK有效磷含量分別增加71.1%、54.9%、11.7%、39.8%、61.1%，這與李春越等[19]的研究結果相一致。速效氮較前一時期基本維持穩定，AB、A1B處理速效鉀仍有小幅提升，分別較前期升高10.0%、8.9%，有機質的含量基本與60 d相同。

表3 各處理在不同時間下土壤養分變化情況

2.5 同一時期各指標間的相關性分析

對同一時期的不同指標進行相關性分析，如表4所示。在20 d時有效磷與速效鉀、速效氮、pH呈極顯著相關，pH與有效磷、速效鉀、速效氮及有機質都呈明顯的負相關，說明這個時期內pH可作為判斷速效營養以及有機質變化趨勢的依據。

表4 試驗指標隨時間變化的相關性

40 d時有機質與有效磷呈現相關性，與速效鉀及速效氮呈現顯著相關性，因此可以嘗試以有機質作為判斷速效營養狀況的依據；電導率與速效氮、速效鉀及有機質呈現極顯著相關，可將電導率作為判斷有機質變化的依據。此時期內pH與其他指標并未呈現相關性。

施用60 d時，pH與速效鉀呈現負相關，與速效氮、有效磷、有機質、CEC及電導率呈現極顯著負相關性；同時CEC與速效磷、速效鉀、速效氮及有機質均呈現極顯著正相關性，說明在此期間可通過pH了解土壤指標變化，同時可通過CEC判斷土壤營養指標的變化趨勢。80 d后，可看出土壤CEC與速效鉀、有效磷、速效氮及有機質呈極顯著相關，可以CEC作為判斷此期間土壤速效營養指標及有機質狀況的依據。同時，pH與電導率呈現負相關。

3 討 論

3.1 生物炭與腐殖酸配施對土壤理化性質的影響

生物炭與腐殖酸施用對于鹽堿土改良具有很好的效果，不僅降低土壤的鹽堿化程度，還可以增加土壤肥力。當生物炭與土壤混合，生物炭可以向腐殖酸轉化[20]，同時生物炭中的灰分含有較多的鉀離子，不僅能夠提高土壤中鉀素含量，而且鈣離子及鉀離子可代換土壤上的鈉離子，降低土壤ESP和pH值[21]；腐殖酸中的羧基、羥基等含氫官能團在土壤中多為酸性，可有效降低土壤pH值，提升鈣離子溶解程度，代換鈉離子從而降低土壤pH和ESP，二者的使用可增強上述效果。但是使用后的20～40 d腐殖酸在土壤中會與堿性離子結合，生成水溶性腐殖酸鹽，導致土壤中電導率升高，后期腐殖酸中羧基等酸性官能團逐漸與碳酸鹽等發生反應又能降低電導率。另外生物炭與腐殖酸均可吸附土壤中硝酸根及部分陽離子，且改良劑的芳香結構維系了土壤孔隙[22]，維持了土壤水鹽平衡，降低了土壤毛細結構中的鹽分含量，從而降低土壤電導率。因此出現了土壤短期電導率升高后又降低的現象。

3.2 生物炭與腐殖酸配施對土壤養分的影響

生物炭和腐殖酸所具有的羧基、羥基與多種陽離子均可發生離子交換，從而提升了土壤CEC，降低養分淋洗[23]，增加養分循環利用效率[24]。

通過FT-IR表征試驗證明腐殖酸具有羧基、羰基、醇羥基、酚羥基等官能團，有較強的離子交換能力，同時可以減少氨態氮損失，提高土壤對氮肥的利用；同時，土壤中Ca3(PO4)2在腐殖酸存在的情況下分解出H2(PO4)-、H(PO4)2-，可提高磷素有效性，減少磷素固定，但是在施用后期出現磷素下降接近對照組土壤水平。分析原因是由于土壤缺乏有機質，會將前期活化的磷素吸附占據了土壤膠體孔隙，從而導致磷素下降[25]，這也可能與土壤中離子變化及土壤中相關酶的改變有關。

生物炭富含有機碳，可以增加土壤有機質含量[26]，通過生物質炭可以改善土壤通透性，利于表層土壤鹽分向土壤下層擴散[27]。由于配施組試驗中BC1、BC2這兩種生物炭結構及養分含量略有不同，導致土壤中的氮素含量略有差異。生物炭中含有灰分，腐殖酸中含有一定量的礦物質，二者均含有一定量的鉀鹽，可提升土壤中速效鉀的含量，同時促進養分有效化，提升有機質的轉化效率。因此pH值與CEC、速效氮、有效磷、速效鉀、有機質、電導率在改良劑施用40～80 d呈現負相關，而營養指標之間呈現正相關。

4 結 論

本文對添加不同改良劑的鹽堿土鹽堿指標、營養指標進行測定，得到如下結論：

(1)生物炭和腐殖酸都具有改良土壤鹽堿性、提高土壤肥力的作用，二者聯合配施對降低土壤pH、EC、ESP及提高土壤養分的效果更明顯，其中混合生物炭與腐殖酸配施(A1B)效果最好。

(2)隨著施用時間增加，A1B的效果最為顯著，pH 較CK降低10.8%，有機質提升178%，堿化度降低9.8%。