施用低溫生物炭對麥田土壤肥力與鎘有效性的影響

閆延梅，孟自力，馬磊

（商丘市農林科學院，河南商丘 476000）

秸稈炭化還田是農作物秸稈資源化利用的重要途徑之一。生物炭具有有機碳含量高、高碳氮比、疏松多孔結構等特性，施入土壤后具有增加土壤有機質、吸附土壤重金屬和保持土壤養分、激活土壤微生物等良好的作用，并能提高肥料利用率，增加作物產量和品質[1-2]。傳統的秸稈炭化工藝多為400℃以上，生產過程中能耗高、產率低、成本高，將秸稈等農業廢棄物采用300℃以下的低溫炭化工藝，則可以很好地解決這些問題。但是，低溫生物炭與傳統工藝的生物炭相比，其在影響麥田土壤肥力和重金屬生物有效性方面的效果如何尚需要探索。因此，筆者針對低溫生物炭和傳統高溫生物炭進行比較分析，從物理化學性質、模擬應用效果、田間應用效果等角度入手，探討低溫生物炭和傳統高溫生物炭的應用效果可能存在的差異，為低溫生物炭的農業深入應用提供一定的技術依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤來源于商丘市重金屬鎘輕中度污染農田，土壤類型為兩合土。供試土壤基本理化性質為：有機碳8.66 g/kg，堿解氮78.76 mg/kg，速效磷31.33 mg/kg，速效鉀99.10 mg/kg，有效態鎘1.248 mg/kg。

1.2 生物炭制備

生物炭原料為玉米秸稈，先用蒸餾水沖洗4次后風干2 d，在70℃～80℃烘箱中烘干后粉碎，備用。生物炭的制備采用限氧升溫炭化法：稱取一定量的玉米秸稈粉末于瓷坩堝中，加蓋后置于管式馬弗爐中，分別于0℃、240℃、400℃溫度下加熱2 h，自然冷卻至室溫后取出過100目篩備用。生物炭基本理化性質見表1。

表1 生物炭基本理化性質 g/kg

1.3 試驗設計

試驗在商丘市農林科學院試驗田進行，供試小麥品種為‘商麥188’。試驗共設置6個處理，分別為：T1（240℃玉米秸稈1%）、T2（240℃玉米秸稈2%）、T3（400℃玉米秸稈1%）、T4（400℃玉米秸稈2%）、CK1（不加生物炭、不施肥）、CK2（不加生物炭、基礎施肥）。每個處理設置3個重復。將土壤與生物炭均勻混合裝盆，基礎施肥為復合肥750 kg/hm2（N∶P∶K=15∶15∶15），每盆播種10顆小麥種子，出苗后進行定苗，每盆保持6株小麥幼苗，培養30 d。

1.4 樣品測定

從播種后30 d采集土壤樣品。土壤樣品風干后，分別過0.80 mm和0.15 mm篩用于測定土壤速效磷、速效鉀、有機質、堿解氮，以及測定土壤有效態鎘的含量。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤的理化性質

由表2可以看出，添加不同熱解溫度不同用量的生物炭，均使土壤有機質含量顯著增加，效果為T2＞T4＞T1＞T3。在添加相同熱解溫度生物炭條件下，有機質含量隨著生物炭用量的增加而增加，并在不同用量生物炭處理間差異顯著，240℃生物炭處理對于土壤有機質含量增加的效果更好，且在2%用量的2組處理中（T2、T4），隨著生物炭熱解溫度的降低，土壤有機質含量也呈顯著增加趨勢。這說明生物炭能夠通過土壤有機質含量水平的提升提高土壤肥力，進而促進植物的生長發育。

表2 施用生物炭對土壤理化性質的影響

相較于基礎施肥處理（CK2）的土壤，添加生物炭的4組處理均能使土壤中的速效鉀含量顯著增高，其中添加2%用量400℃生物炭處理（T4）土壤的速效鉀含量最高。添加1%用量生物炭時，土壤中的速效磷含量有所上升，但隨著生物炭用量的增加，土壤中速效磷含量開始呈現下降趨勢。施用相同用量生物炭的前提下，240℃生物炭處理的土壤速效磷含量均高于400℃生物炭處理的土壤速效磷含量。相較于基礎施肥處理（CK2）的土壤，生物炭對于土壤中堿解氮含量有降低趨勢。其中添加1%用量240℃生物炭（T1）和2%用量400℃生物炭處理（T4）的土壤堿解氮含量顯著降低。

2.2 不同處理土壤中有效態鎘含量

由圖1可以看出，施用生物炭對土壤中有效態鎘含量影響顯著，相較于空白組，添加不同用量不同熱解溫度生物炭處理的土壤有效態鎘含量均顯著降低，降低效果為T1＞T2＞T4＞T3，其中添加1%用量240℃生物炭處理（T1）的土壤有效態鎘含量最低。相同生物炭用量條件下，240℃生物炭處理相比于400℃生物炭處理的土壤有效態鎘含量顯著降低，說明240℃生物炭對于降低土壤鎘有效性的效果更好。

圖1 不同處理對土壤有效態鎘含量的影響

3 結論與討論

研究表明，土壤中施用生物炭能提高土壤有機質含量和各種速效養分的有效性，進而提高土壤肥力，促進植物的生長發育。有研究表明[3]，生物炭對土壤肥料的意義重大，可以促進植物生長發育、改善土壤固有理化性質、平衡土壤有機質。數據表明，較低裂解溫度（240℃）制備的生物炭對于提高土壤有機質、速效磷含量的效果較好，但2種溫度生物炭都降低了土壤中堿解氮含量。有研究表明，這種問題出現的原因可能是生物炭的碳氮比較高，從而導致堿解氮的生物固定[4]。該試驗研究發現，生物炭的施用顯著降低了土壤中有效態鎘含量，且隨著生物炭用量的增加，效果更好。其中，相同生物炭用量的情況下，較低裂解溫度生物炭（240℃）對降低土壤鎘有效性的效果更好。早已有研究表明，生物炭的施用可以降低污染土中鉛、鎘的遷移率[5]，從而減少植物對土壤中鉛、鎘的吸收。黃敏等[6]研究發現，生物炭用量大于5%時，土壤中有效態鎘含量降低了77.47%，達到了最大降幅，說明生物炭能有效地固定污染土壤中的重金屬，其農業應用前景廣闊。經過分析可見，低溫生物炭與傳統工藝的生物炭相比，其在影響土壤重金屬生物有效性、作物養分吸收方面的表現顯著，再加上其產率高、能耗小、綜合效益高，在農業中的應用前景非常廣闊。