水稻秸稈生物炭對土壤理化性質及不同形態硫含量的影響

賈愿紅，趙保衛，DOUANGDALANGSY Khamhak

（蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070）

硫（S）是水稻生長、發育所必需的重要元素之一，充足的S供給是水稻產量和品質的重要保證。植物體內的S除少部分是通過葉片直接從大氣中吸收SO2外，絕大部分來自于土壤中的硫酸鹽。S在土壤中以有機S和無機S兩種形態存在，其中有機S約占土壤中總硫（TS）的98%。大部分有機S以有機化合物的形式賦存于作物殘茬和土壤有機質（SOM）中，需經微生物分解為無機S和小分子有機硫化物后方能被植物吸收利用。近年來，隨著農業生產的不斷擴張和低S化肥的施用，導致土壤缺S問題日益嚴重［1-3］。

生物炭是生物質在完全或部分缺氧的條件下經高溫（低于700 ℃）熱裂解的產物，含有C、H、O、N、S等元素，具有比表面積大、吸附性強、性質穩定等特點［4-5］。有研究表明，生物炭可作為土壤緩釋肥料，用于改善土壤性質、增強土壤肥力［6-8］。王媛等［9］研究發現，向土壤中施加生物炭，可有效提高土壤pH及土壤中速效N、P、K的含量。QIAN等［10］認為，生物炭有利于提高土壤對養分的保留和利用能力。總之，關于生物炭對土壤中N、P、K等營養元素影響方面的研究報道較多，而有關生物炭對土壤中S影響的報道還比較少。

本工作以不同炭化溫度下制備的水稻秸稈生物炭為對象，通過厭氧培育實驗，考察了生物炭對土壤pH、電導率（EC）、SOM含量和酶活性的影響，重點研究了生物炭對稻田土中各種形態S含量的影響，以期為改善土壤環境，提高土壤中S利用率作參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

水稻秸稈和土壤樣品均取自某農田（17°59′28″N，102°39′42″E）。水稻秸稈經清洗后，置于陰涼通風處晾干，粉碎，過40目篩，裝入棕色瓶中待用。

土壤樣品采集深度為0～20 cm，于室內陰涼通風處自然風干，去除石子和凋落物等，研磨，過3 mm篩備用。經檢測，pH 6.47、EC 0.28 mS/cm、SOM含量0.95 mg/g。

實驗所用試劑均為分析純。

JW-BK112型比表面積及孔徑分析儀：美國MICROMERITICS 公司；Vario EL cube型元素分析儀：德國 Elementar 公司；DDS-11A型電導儀：杭州奧立龍儀器有限公司；SX2-4-10型馬弗爐：上海嘉占儀器設備有限公司；UV-1800型紫外-可見分光光度計：上海雙旭電子有限公司；SP-3520AAC2TI型火焰原子吸收分光光度計：上海光譜儀器有限公司。

1.2 生物炭的制備

將水稻秸稈粉末置于300 mm的瓷坩堝內壓實，蓋蓋兒后置于馬弗爐中，在300 ℃下熱解6 h，冷卻至室溫，取出、研磨，過60目篩，制得水稻秸稈生物炭，記作BC300。

改變熱解溫度和熱解時間分別為600 ℃和4 h，制得水稻秸稈生物炭，記作BC600。兩種生物炭的理化性質見表1。

表1 兩種生物炭的理化性質

1.3 厭氧培育實驗

向塑料培養盒中加入100 g土壤，按照土壤質量的1%、3%和5%分別加入BC300和BC600，攪拌均勻，緩慢添加蒸餾水至土面以上2 cm位置；在25℃恒溫培養箱中培養15周（為保證厭氧環境，培養過程中需定期添加蒸餾水，保證水面位置不變）。分別在初始階段和15周時取樣，測定土壤pH、EC、SOM、脲酶和過氧化氫酶活性，比較土壤理化性質和酶活性隨時間的變化。測定土壤中TS、水溶性S、吸附性S和鹽酸可溶性S的含量，比較土壤中各種S形態和含量隨時間的變化。

本實驗設置3組平行樣，以未添加生物炭的土壤作為對照（CK）。

1.4 分析方法

依據《木質活性炭試驗方法 pH值的測定》（GB/T 12496.7—1999）［11］測定生物炭的pH；采用化學元素分析儀測定土壤中各元素的含量；采用比表面積及孔徑分析儀測定生物炭的比表面積；采用電極法［12］測定土壤pH；采用電導率儀測定土壤EC；采用分光光度法［13］測定SOM含量；采用比色法［14］測定土壤脲酶活性（以NH3-N計，單位 mg/g）和過氧化氫酶活性；采用火焰原子吸收分光光度計測定土壤中TS含量；依據文獻［15］的檢測方法，測定土壤中水溶性S、吸附性S和鹽酸可溶性S的含量。

2 結果與討論

2.1 生物炭對土壤理化性質的影響

2.1.1 pH

生物炭添加量對土壤pH的影響見圖1。由圖1可見：向土壤中添加BC300和BC600后，土壤pH有所增加，且隨著生物炭添加量的增大，pH逐漸增大；在生物炭添加量相同的條件下，BC600對土壤pH的增強作用更加顯著；15周后，與CK組相比，BC600添加量分別為1%、3%、5%時，土壤pH從4.50分別增加至5.48、6.54和7.42，增加了21.7%、45.3%和64.9%。生物炭之所以能夠提高土壤pH，是因為生物炭本身為堿性，且含有大量的Ca、K和Mg等堿性物質，施入土壤后能夠對土壤pH產生直接影響，另外，隨著作用時間的延長，生物炭逐漸老化也會釋放堿性物質，提高土壤pH［16-18］。

圖1 生物炭添加量對土壤pH的影響

2.1.2 EC

生物炭添加量對土壤EC的影響見圖2。由圖2可見：CK組中，土壤初始EC為0.28 mS/cm，培養15周后，降低至0.25 mS/cm，降幅為12.2%；與CK組相比，隨著生物炭添加量的增加，土壤EC逐漸上升；當BC300添加量為1%、3%和5%時，初始階段，相應的EC分別增加至0.36，0.43，0.63 mS/cm，增長了28.5%、53.6%和125.0%；當BC600添加量為1%、3%和5%時，初始階段，相應的EC分別增加至0.31，0.43，0.54 mS/cm，增長了10.7%、53.6%和92.9%。生物炭中含有Ca2+、Mg2+、Na+等可溶性鹽，加入土壤后，土壤中的總離子數量增加，EC也隨之增大［19］。由圖2還可看出：培養15周后，各組土壤的EC均明顯降低，這是因為：添加生物炭后，土壤的孔隙度得到改善，土壤澆灌過程中，持續的淋洗作用會帶走部分鹽分，使土壤EC降低［20］。

圖2 生物炭添加量對土壤EC的影響

2.1.3 SOM含量

生物炭添加量對SOM含量的影響見圖3。由圖3可見：初始階段，隨著土壤中生物炭含量的增加，SOM含量逐漸增加，這是因為生物炭中含有可溶性有機碳（DOC），將生物炭添加到土壤中后，DOC會被釋放出來，從而使SOM含量增加［21］；相比較而言，初始階段，在生物炭添加量相同的條件下，添加BC600后，SOM的增加量較為顯著；培養15周后，添加BC300的土壤中，SOM含量明顯增加，當BC300添加量為1%、3%和5%時，SOM含量分別為1.49，1.62，2.09 mg/g，與初始階段相比，增加了26.3%、14.9%和37.5%；培養15周后，添加BC600的土壤中SOM含量明顯下降，BC600添加量為1%、3%和5%時，與初始階段相比，SOM含量分別下降了13.2%、11.8%和5.5%，這是由于生物炭對SOM具有礦化作用［22］。

圖3 生物炭添加量對SOM含量的影響

2.1.4 酶活性

土壤酶活性是評價土壤肥力和土壤活性的重要指標。土壤酶活性與土壤性質密切相關，因此，添加生物炭在一定程度上也會引起土壤酶活性的變化［18，23］。生物炭添加量對土壤脲酶活性的影響見圖4a和圖4b。由圖4a和圖4b可見：添加生物炭后，土壤脲酶活性受到抑制，且隨著生物炭添加量的增加，土壤脲酶活性逐漸降低；當BC300或BC600添加量大于3%時，脲酶活性均降低了約20.0%；當生物炭添加量大于1%時，培養15周后，土壤脲酶活性繼續降低。這可能是因為生物炭的添加阻礙了酶促反應的進行，從而使土壤脲酶活性降低［24］。

圖4 生物炭添加量對土壤酶活性的影響

生物炭添加量對土壤過氧化氫酶活性的影響見圖4c和圖4d。由圖4c和圖4d可見：添加生物炭后，土壤過氧化氫酶的活性受到明顯抑制，且隨著生物炭添加量的增加，過氧化氫酶的活性逐漸降低，這是因為土壤pH是影響土壤酶活性的關鍵因素［25］，添加生物炭后，土壤pH升高，酶活性受到抑制；另一方面，生物炭具有較強的吸附性能，能夠吸附酶促反應底物，抑制酶促反應的進行，進而抑制了土壤酶活性［26］。

2.2 生物炭對TS和不同形態S含量的影響

2.2.1 TS含量

土壤中S元素的含量會影響植物的生物多樣性和土壤微生物的活性［27-28］。生物炭添加量對土壤中TS含量的影響見圖5。由圖5可見：初始階段，隨著生物炭添加量的增加，TS含量緩慢增加；在生物炭添加量一定的條件下，培養15周后，土壤中TS含量明顯增加，當BC600添加量為1%時，培養15周后，土壤中TS含量提高了22.6%；但當生物炭添加量大于1%時，培養15周后，隨著生物炭用量的增加，土壤中TS含量變化不大，這可能與培養過程中生物炭中S的釋放和土壤中微生物群落的變化有關［29］。

圖5 生物炭添加量對土壤中TS含量的影響

2.2.2 不同形態S含量

生物炭添加量對土壤中水溶性S含量的影響見圖6a和圖6d。由圖6a可見：初始階段，隨著土壤中BC300添加量的增加，土壤中水溶性S含量先減小后逐漸增大，當BC300添加量為1%，水溶性S含量最低，為0.26 mg/g；在BC300添加量一定的條件下，培養15周后，土壤中水溶性S含量均呈現降低趨勢。由圖6d可見：添加BC600后，土壤中水溶性S的變化情況與添加BC300的情況較為相似；當BC600的添加量為5%時，培養15周后，土壤中水溶性S含量由初始的0.39 mg/g降低至0.23 mg/g，降幅為41.3%。添加生物炭導致土壤中水溶性S含量降低的原因可能是生物炭對水溶性S具有強烈的吸附作用［30］。

圖6 生物炭添加量對土壤中不同形態S含量的影響

生物炭添加量對土壤中吸附性S含量的影響見圖6b和圖6e。由圖6b可見：添加BC300后，土壤中吸附性S的含量略有降低，且隨著BC300添加量的增大，土壤中吸附性S的含量逐漸降低；與初始階段相比，當BC300的添加量為5%時，培養15周后，土壤中吸附性S的含量略有增加。添加BC600后，土壤中吸附性S含量的變化情況（圖6e）與添加BC300的情況基本一致。

生物炭添加量對土壤中鹽酸可溶性S含量的影響見圖6c和圖6f。由圖6c可見：初始階段，添加BC300后，土壤中鹽酸可溶性S的含量明顯降低；當BC300添加量由1%增加至3%時，土壤中鹽酸可溶性S的含量由 8.65 mg/kg降至6.96 mg/kg；繼續增加BC300添加量至5%時，土壤中鹽酸可溶性S的含量變化不大；培養15周后，土壤中鹽酸可溶性S的含量顯著增加。添加BC600后，土壤中鹽酸可溶性S含量的變化情況（圖6f）與添加BC300的情況基本一致。

3 結論

a）向土壤中添加水稻秸稈生物炭，能顯著提高土壤的 pH和EC；添加生物炭后，初始階段，土壤中SOM含量增加，培養15周后，添加BC300的土壤中，SOM含量增加，添加BC600的土壤中，SOM含量有所降低。

b）水稻秸稈生物炭對土壤中脲酶和過氧化氫酶的活性具有一定的抑制作用。

c）添加水稻秸稈生物炭后，土壤中TS含量明顯提高；當BC600添加量為1%時，培養15周后，土壤中TS含量提高了22.6%。

d）隨著水稻秸稈生物炭添加量的增大，初始階段，土壤中水溶性S含量明顯增加、吸附性S和鹽酸可溶性S的含量有所降低；培養15周后，土壤中水溶性S含量明顯降低，吸附性S含量略有降低，鹽酸可溶性S含量明顯升高。