生物炭對崇明濱海鹽堿土各形態碳、氮含量的影響

張 瑞 姜 武

（上海源怡種苗股份有限公司，上海普陀 200120）

研究發現，生物炭可有效改善土壤質地、提高土壤養分有效性、調節土壤微生物群落結構，可作為鹽堿土壤的改良劑。上海市崇明區的濱海土壤質地為典型的鹽堿土，為探明生物炭對崇明濱海鹽堿土各形態碳、氮含量的影響，我們開展了相關試驗研究，以期為濱海地區鹽堿土改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料有生物竹炭、竹醋液（時科生物科技（上海）有限公司提供），復合生物炭（澳大利亞新南威爾士大學材料科學與工程學院提供），雞糞（崇明城郊一養雞場提供）。供試土壤取自上海市崇明區中興鎮北七滧低碳農業園區（31°29′N，121°46′E），屬圍墾灘涂的濱海中度氯化鹽堿土壤。供試小白菜品種為華王。生物竹炭是竹子在350～550 ℃條件下裂解炭化制得，竹醋液是裂解過程中通過蒸餾所得的副產物。

1.2 試驗方法

1.2.1 堆肥方案

將雞糞攤放在室外晾5 d，干燥程度以不結塊為宜。將竹醋原液稀釋100倍后分別與生物竹炭和復合生物炭按體積比1：10 混合，以活化生物炭。分別將活化后的生物竹炭和復合生物炭與雞糞按體積比1∶10 混合，翻攪均勻。將混合物和雞糞放在塑料框中置于玻璃溫室內堆制發酵30 d，以不添加生物炭和竹醋液的雞糞堆肥作有機肥。試驗所用生物炭和堆制的生物炭基肥均粉碎后過篩（2 mm）備用。各供試肥料的理化性狀見表1。

表1 供試肥料的理化性狀

1.2.2 試驗設計

試驗設在上海交通大學農業與生物學院人工氣候室，人工氣候室的參數設置為日溫22 ℃、夜溫18 ℃、14 h光照。小白菜采用盆栽，試驗盆上口徑10 cm、底部直徑9 cm、高10 cm。試驗設10個處理。（1）雞糞有機肥：用量為9.5 g∕盆，折單位面積用量28.5 t∕hm2；（2）生物竹炭：用量為0.5 g∕盆，折單位面積用量1.5 t∕hm2；（3）“生物竹炭+雞糞有機肥”：生物竹炭用量0.5 g∕盆，雞糞有機肥用量9.5 g∕盆，折單位面積生物竹炭用量1.5 t∕hm2、雞糞有機肥用量28.5 t∕hm2；（4）1∕2生物竹炭堆肥：用量為5 g∕盆，折單位面積用量15 t∕hm2；（5）生物竹炭堆肥：用量為10 g∕盆，折單位面積用量30 t∕hm2；（6）復合生物炭：用量為0.5 g∕盆，折單位面積用量1.5 t∕hm2；（7）“復合生物炭+雞糞有機肥”：復合生物炭用量0.5 g∕盆，雞糞有機肥用量9.5 g∕盆，折單位面積復合生物炭用量1.5 t∕hm2、雞糞有機肥用量28.5 t∕hm2；（8）1∕2 復合生物炭堆肥：用量為5 g∕盆，折單位面積用量15 t∕hm2；（9）復合生物炭堆肥：用量為10 g∕盆，折單位面積用量30 t∕hm2；（10）空白對照（ck）。每個處理3盆、重復5 次，共150 盆。將雞糞有機肥和生物炭按試驗設計用量一次性施入土壤，攪拌均勻后裝盆，每盆鹽堿土用量0.5 kg、生物炭和雞糞有機肥按試驗設計用量。將小白菜種子放入托盤使其吸水至最大持水量的60%，每盆播種20粒。小白菜生長期間不追施其他任何肥料，只澆水和除蟲。

1.3 調查統計方法

小白菜播后40 d，將每個處理的3盆土壤混合均勻后取樣進行土壤理化性質分析。風干土過100目標準篩后，采用碳氮硫元素分析儀（德國，Elementar Vario EL Ⅲ）測定土壤全碳和全氮含量，采用重鉻酸鉀和濃硫酸氧化法測定有機碳含量，土壤中的總碳含量減去有機碳含量即為無機碳含量。除去可見雜物，測定鮮土中的氮素形態，總可溶性氮采用堿性過硫酸鉀氧化法測定，硝態氮、銨態氮采用全自動間斷化學分析儀（法國，Smartchem 200）測定，土壤中的總可溶性氮減去無機態氮即得可溶性有機氮含量。采用SPSS 18.0 進行差異顯著性分析（LSD法）和t檢驗。

2 結果與分析

2.1 生物竹炭和復合生物炭對土壤總碳、有機碳和無機碳含量的影響

土壤全碳主要包括有機碳和無機碳兩大部分。

生物竹炭對鹽堿土總碳、有機碳和無機碳含量的影響見表2。

表2 各處理土壤總碳、有機碳和無機碳的含量

由表2 可知，各處理的土壤碳含量均高于空白對照（ck）。其中“生物竹炭+雞糞有機肥”、生物竹炭堆肥處理的土壤碳含量較高，其總碳含量、有機碳含量、無機碳含量均顯著高于空白對照（ck）。

復合生物炭對鹽堿土總碳、有機碳和無機碳含量的影響見表3。

表3 各處理土壤總碳、有機碳和無機碳的含量

由表3可知，除復合生物炭處理的土壤無機碳含量低于空白對照（ck）外，其余各處理的土壤碳含量均高于空白對照（ck）。其中復合生物炭堆肥和“復合生物炭+雞糞有機肥”處理的土壤總碳含量、有機碳含量、無機碳含量均較高。

2.2 生物竹炭和復合生物炭對土壤總氮、總可溶性氮、可溶性有機氮、硝態氮和銨態氮含量的影響

氮是植物生長最需要的元素之一，在土壤中以有機氮和無機氮形態存在。土壤中的硝態氮極易淋失，銨態氮是植物可以直接吸收利用的主要氮素形態。

生物竹炭對土壤總氮、總可溶性氮、可溶性有機氮、硝態氮和銨態氮含量的影響見表4。

表4 各處理土壤總氮、總可溶性氮、可溶性有機氮、硝態氮和銨態氮的含量

由表4 可知，除生物竹炭處理的土壤總氮含量、硝態氮含量、銨態氮含量，1∕2 生物竹炭堆肥處理的土壤硝態氮含量低于空白對照（ck）外，其余各處理的土壤氮含量均高于空白對照（ck）。“生物竹炭+雞糞有機肥”、生物竹炭堆肥、雞糞有機肥3 個處理中，除生物竹炭堆肥處理的土壤可溶性有機氮含量高于空白對照（ck）外，其余處理的土壤總氮含量、總可溶性氮含量、可溶性有機氮含量、硝態氮含量、銨態氮含量均顯著高于空白對照（ck）。

復合生物炭對土壤總氮、總可溶性氮、可溶性有機氮、硝態氮和銨態氮含量的影響見表5。

表5 各處理土壤總氮、總可溶性氮、可溶性有機氮、硝態氮和銨態氮的含量

由表5 可知，除1∕2 復合生物炭堆肥處理的土壤可溶性有機氮含量低于空白對照（ck）外，其余各處理的土壤氮含量均高于空白對照（ck）。其中“復合生物炭+雞糞有機肥”處理的土壤氮含量均顯著高于空白對照（ck），雞糞有機肥處理的土壤總氮含量、可溶性有機氮含量、銨態氮含量顯著高于空白對照（ck），復合生物炭堆肥處理的土壤總可溶性氮含量、可溶性有機氮含量顯著高于空白對照（ck），1∕2 復合生物炭堆肥處理的土壤硝態氮含量顯著高于空白對照（ck），復合生物炭堆肥處理的土壤總氮含量、總可溶性氮含量、硝態氮含量、銨態氮含量顯著高于空白對照（ck）。

3 討論與小結

3.1 生物炭對土壤總碳、有機碳和無機碳含量的影響

生物炭因其自身碳含量較高且極穩定的芳香化結構而不易被微生物降解，可以作為儲存碳一種有效的形態[1]。農業生產中增加生物炭的使用量，土壤總碳含量也會隨之提高[2]。本試驗表明，將生物竹炭和復合生物炭與雞糞有機肥一起施用，顯著提高了土壤總碳含量，且提高幅度與施肥量呈正相關；土壤有機碳含量與土壤總碳含量密切相關，不同處理的土壤有機碳含量與土壤總碳含量存在正相關性。研究表明，生物炭有利于碳水化合物和芳烴類等難以被微生物分解利用的有機大分子形成，從而降低有機碳的微生物利用量，降低土壤呼吸強度[3]。本試驗表明，單獨施用復合生物炭、生物竹炭對土壤無機碳含量的影響差異不顯著，將復合生物炭、生物竹炭與雞糞有機肥一起施用，可顯著提高土壤無機碳含量。

3.2 生物炭對土壤總氮、總可溶性氮、可溶性有機氮、硝態氮和銨態氮含量的影響

畜禽糞便有機肥的氮素含量較高，將其施入土壤后可大幅提高土壤總氮含量。生物炭含有少量氮素養分，不能顯著提高土壤總氮含量[4]。本試驗表明，將生物竹炭和復合生物炭與雞糞有機肥一起施用能顯著提高土壤總氮含量。這可能是生物炭對氮素產生的吸附效應減少了土壤中氮素的淋失。生物炭堆肥處理的土壤總氮含量低于其與雞糞有機肥混合物處理，可能是堆肥過程中生物炭加強了微生物活性，導致氮素損失[5]。與單獨施用雞糞有機肥相比，施用生物炭與雞糞有機肥混合物能提高土壤總可溶性氮含量，且土壤總可溶性氮含量的增加幅度與生物炭堆肥用量呈正相關。

氮素淋洗是氮肥投入、作物吸收利用和土壤保持共同作用的結果，減少水分淋失是控制氮素淋洗的有效方法。生物炭對土壤水分和養分離子的吸附與固持作用[6～7]，特別是對NH4+很強的吸附效應，能使銨態氮肥長時間保留在土壤中，從而起到減少氮素淋失的作用[8]。生物竹炭和1∕2生物竹炭堆肥處理的土壤硝態氮含量較低[9]，可能是因為有機質形成的土壤膠體表面吸附硝態氮的能力有限，加上土壤容重降低，導致土壤中硝態氮隨水分淋失。雞糞有機肥的投入量越大，土壤硝態氮含量越高，越容易造成土壤中氮素淋失。與單獨使用雞糞有機肥相比，生物炭與雞糞有機肥混合物、生物炭堆肥處理對土壤銨態氮含量影響不大，可能與雞糞有機肥經分解轉化后被植物吸收利用有關。“復合生物炭+雞糞有機肥”處理的土壤總可溶性氮含量最高，是復合生物炭抑制了有機氮的轉化，同時吸附了土壤中小分子氨基態氮累積綜合表現的結果。