吳愉萍，王明湖，席杰君，潘 潔，陳玲瑜，連 瑛，孫 輝，周 萍

（1．寧波市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全管理總站，浙江 寧波 315012；2．寧波市種植業(yè)管理總站，浙江 寧波 315012；3．浙江炭極科技有限公司，浙江 杭州 310100）

我國是一個農(nóng)業(yè)文明古國，在傳統(tǒng)的農(nóng)耕操作中，秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，多以焚燒還田方式處理。但隨著國家的進步，整個社會環(huán)保意識逐漸增強，秸稈焚燒被禁止，農(nóng)業(yè)廢棄物資源化問題面臨巨大的挑戰(zhàn)。生物炭是生物質(zhì)在缺氧和一定溫度條件下熱裂解干餾形成的富碳產(chǎn)物［1］，性質(zhì)類似于大田秸稈焚燒后的產(chǎn)物，具有碳含量高、pH值高和孔隙度高等特點［2］，且因其制作過程經(jīng)過了高溫，去除了生物質(zhì)本身攜帶的蟲卵、病原菌、雜草種子等不利農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的因素，因此被認(rèn)為在低碳農(nóng)業(yè)途徑中具有很大的應(yīng)用前景［3］。許多研究表明，生物炭用在農(nóng)業(yè)土壤中，具有改良酸性土壤［4］，促進土壤保水保肥性能提升［5］，降低土壤重金屬等污染物質(zhì)有效性［6］等作用。但是，這些作用的發(fā)揮與制作生物炭的原料，生物炭的制取方法以及土壤的性狀等有關(guān)［5］，且存在較大的差異［7］。本文以5種寧波當(dāng)?shù)剌^為常見的農(nóng)業(yè)廢棄物資源為原料制作生物炭，比較了5種自制生物炭以及2種外購生物炭對土壤pH值和保水保氮性能的影響，以期為生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大面積推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 生物炭

供試生物炭共7種，分別為黃秋葵秸稈炭（HQK）、茭白秸稈炭（JB）、水稻秸稈炭（SD）、廢棄食用菌基質(zhì)炭（JZ）、無花果秸稈炭（WHG）、豬糞炭（SM）和稻殼炭（DK）。其中黃秋葵秸稈炭、茭白秸稈炭、水稻秸稈炭、廢棄食用菌基質(zhì)炭、無花果秸稈炭由本地農(nóng)場提供原料，公司制備。制備過程為：秸稈田間采收后稍作風(fēng)干，隨即放入炭化爐，以20 ℃·min-1的速率升至炭化溫度，保溫一定時間后，隨爐冷卻至室溫，具體燒制參數(shù)見表1。豬糞炭來源于浙江大學(xué)實驗室。稻殼炭采購自當(dāng)?shù)匾患掖竺准庸S，以稻殼作為稻谷烘干燃料。所有供試生物炭均磨碎過2 mm篩，制備參數(shù)及基本理化性狀見表1。

1.1.2 土壤

供試土壤采自寧波市起源農(nóng)場，類型為青紫泥田，采樣時地面種植作物為蔬菜。樣品采集后帶回實驗室風(fēng)干、磨細(xì)，過2 mm篩備用。經(jīng)測定，土壤 pH 值為 5.84，有機質(zhì)含量為 51.4 g·kg-1，水解性氮含量為 264 mg·kg-1，NH4+-N 含量為 31.4 mg·kg-1，NO3--N 含量為 186.1 mg·kg-1，有效磷含量為 438 mg·kg-1，速效鉀為 502 mg·kg-1。

表1 供試生物炭的制備參數(shù)及基本理化性狀

1.2 試驗方法

試驗均在室內(nèi)完成，設(shè)置0.5%、1%、2%和5% 4個不同生物炭添加水平，制成不同生物炭添加量的土壤樣品備用。7種生物炭，4個不同生物炭添加水平，1個對照不添加生物炭處理，共計29個處理。生物炭對土壤pH值的影響通過測定不同處理土壤樣品pH值的變化確定。pH值的測定參照馬嘉偉等［8］的方法，具體而言，稱取10 g土壤樣品，按照土水比1∶2.5加25 mL去離子水，混勻，待平衡2 h后測定pH值。生物炭對土壤保水性能的影響通過測定不同處理土壤樣品持水量（WHC）的變化確定。土壤持水量的測定方法為：稱取100 g土壤樣品于布氏漏斗中，加去離子水至土樣完全浸透，并使水面高出土面1 cm，平衡4 h，排干水，并抽真空20 s，完成水分飽和土壤樣品的制備，再通過稱重法測定該樣品含水量，視為土壤持水量［9］。生物炭對土壤保氮性能的影響以NH4+-N和NO3--N作為研究對象，通過測定不同處理土壤溶液中NH4+-N和NO3--N含量變化確定，具體而言，稱取2.5 g土壤樣品于100 mL玻璃瓶中， 加入 50 mL 含有 0.01 mol·L-1KCl的溶 液，滴入2滴氯仿，在室溫下水平震蕩24 h，然后用Whatman No. 42濾紙將溶液過濾，并將溶液立即進行-N的測定［10］，-N采用全自動FOSS定氮儀直接測定，-N采用麝香草酚分光光度法測定。按下式計算土壤溶液中NH4+-N或-N被吸附量的量：

Q=（C0-C）×100/C

1.3 數(shù)據(jù)分析

每個處理重復(fù)3次，數(shù)據(jù)的表達均為平均值±se。采用 DPS v 7.05 進行方差分析，用 Sigmaplot 10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤pH值的影響

土壤酸化是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為突出的問題，尋找可持續(xù)的改良酸化土壤的方法迫在眉睫。由圖1可知，供試生物炭對于提高土壤pH值均有一定的作用，黃秋葵秸稈炭、水稻秸稈炭、廢棄食用菌基質(zhì)炭和稻殼炭在0.5%的添加量時即極顯著的提高了土壤pH值，將土壤pH值從5.84提高到了6.03～6.08。除無花果秸稈炭外，其余幾種生物炭在1%的添加量時均極顯著提高了土壤pH值，其中水稻秸稈炭添加后土壤pH值增幅最大，從5.84提高到了6.83（圖1）。在2%的添加量時，所有供試生物炭均極顯著的提高了土壤pH值，增幅達到了0.12～1.33個單位（圖1）。生物炭添加量在5%時，土壤pH值從5.84提高到了6.20～8.01，茭白秸稈炭和水稻秸稈炭將酸性土壤轉(zhuǎn)變成了堿性土壤（圖1）。在實驗室條件下，添加生物炭提高了土壤pH值，生物炭添加量為2%時，所有處理pH值均顯著提高，茭白秸稈炭和水稻秸稈炭在提高酸化土壤pH值的作用上效果最為明顯。

圖1 不同生物炭種類及添加量對土壤pH值的影響

吳敏等［11］研究了椰炭和蔗炭對酸性土壤的改良作用，發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加量在1.5%～7.5%時均顯著提高了土壤pH值，隨著生物炭添加量的增加，椰炭將土壤pH值從4.8提高到了5.5～7.2，蔗炭提高到了5.0～5.7，椰炭對土壤pH值的改良作用要好于蔗炭。王震宇等［12］將在300和400℃2種溫度下慢速熱解花生殼炭以2.5%和5%的比例添加到了酸化果園土壤中，經(jīng)過44 d的培育后，土壤pH值顯著提高，從4.5左右均增加到了5.0～5.9，且熱解溫度高的比低的增加多，添加量大的比添加量小的增加多。本試驗中生物炭提高土壤pH值的能力與生物炭的pH值、燒制終溫或保溫時間均無相關(guān)性。生物炭能夠提高土壤pH值一方面與生物炭的堿性屬性使其施入土壤后對土壤pH值產(chǎn)生直接影響有關(guān)［13］，另一方面也與其含有Ca2+、K+、Mg2+，與土壤 H+和 Al3+的交換有關(guān)［14］。

2.2 對土壤保水性能的影響

由圖2可知，添加生物炭能夠提高土壤的持水能力。水稻秸稈炭在添加量為0.5%時，極顯著（P＜0.01）的提高了土壤的持水量，增幅為2.72%，其它幾種生物炭在添加量為0.5%時效果不顯著（圖2）。當(dāng)生物炭添加量達到1%時，除茭白秸稈炭外，其它幾種生物炭均極顯著提高了土壤持水量，增幅分布在3.00%～6.83%之間（圖2）。生物炭添加量在2%時，所有供試生物炭均極顯著的提高了土壤持水量，增幅分布在2.87%～12.30%之間，水稻秸稈炭和廢棄食用菌基質(zhì)秸稈炭的增幅最大，達到了12.30%（圖2）。當(dāng)生物炭的添加量提高到5%時，土壤持水量增幅達到了8.49%～21.38%，其中添加豬糞炭土壤持水量增加幅度最小，為8.49%，添加水稻秸稈炭土壤持水量增幅最大，為21.38%（圖2）。從實驗室效果看，幾種供試生物炭中，水稻秸稈炭提高土壤保水能力的作用最明顯。

圖2 不同生物炭種類及添加量對土壤保水性能的影響

生物炭具有較高的孔隙度和比表面積，會使土壤水分的滲濾模式、停留時間和流動路徑發(fā)生改變［15］，從而提高土壤的保水能力。李昌見等［16］通過野外大田小區(qū)試驗研究了生物炭對土壤持水能力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加生物炭增加了土壤含水率，0～10 cm土層各生育期土壤含水率較對照組最大增幅分別為20.8%、13.7%和21.8%，施炭量為40 t·hm-2時，土壤含水率增幅最明顯。吳崇書等［7］研究了生物炭對質(zhì)地和有機質(zhì)相差較大的8種土壤田間持水量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加1%生物炭時，不同土壤間持水量增加了2.26%～18.47%，添加2%生物炭時，不同土壤間持水量增加了6.84%～37.37%，生物炭提高土壤保水性能對于壤質(zhì)沙性土壤效果更為明顯。

2.3 對土壤保氮性能的影響

由圖3可知，相對于NO3--N而言，生物炭更有利于土壤溶液中NH4+-N的吸附。除添加1%廢棄食用菌基質(zhì)炭外，其他處理均促進了土壤溶液中-N的吸附，生物炭對土壤溶液中NH4+-N的吸附量分布在1.31%～27.48%（圖3）。這與Yao等［17］的研究結(jié)果一致。但是，所有供試生物炭均未表現(xiàn)出隨著土壤中生物炭的添加量增大，吸附-N量增加的現(xiàn)象（圖3）。不同種類生物炭對的吸附能力不同，無花果秸稈炭對的平均吸附量最大，為20.55%，顯著（P＜0.05）高于廢棄食用菌基質(zhì)炭（7.00%）和黃秋葵秸稈炭（6.98%）（圖4）。添加生物炭對土壤溶液中的N則基本無吸附作用，反而大多數(shù)處理促進了-N的釋放，土壤溶液中-N的吸附量分布在-15.98%～11.48%之間（圖3）。隨著生物炭添加量的增加，土壤溶液中-N的吸附量也并無規(guī)律性變化（圖3）。將土壤溶液中-N吸附量按照不同生物炭種類做平均值顯示，茭白秸稈炭和稻殼炭促進了土壤溶液中N的吸附，平均吸附量分別為2.09%和3.50%，顯著（P＜0.05）高于廢棄食用菌基質(zhì)炭（-11.96%）（圖4）。

圖3 添加不同種類和數(shù)量生物炭對土壤溶液中-N吸附量的影響注：不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）。下同。

生物炭對土壤中氮的固持效應(yīng)取決于生物炭原料［5］、制備條件［5］、施用量［13］及土壤質(zhì)地［13］等因素。許多研究發(fā)現(xiàn)生物炭的添加能夠促進土壤中N的吸附［18-19］。生物炭對土壤中-N的吸附主要與其表面豐富的含氧官能團有關(guān)，豐富的含氧官能團提高了生物炭離子吸附交換能力，從而增加了土壤對的吸附量［20］。Endita等［21］研究了稻殼炭對水溶液中-N和-N的吸附，發(fā)現(xiàn)稻殼炭對硝態(tài)氮基本無吸附能力，對銨態(tài)氮則能吸附一定量，且隨著溶液中銨態(tài)氮濃度的增加，吸附能力增強，當(dāng)溶液中銨態(tài)氮的濃度到達200 mg·L-1時，稻殼炭的吸附力達到了 N 4.7 mg·g-1。Yao等［17］通過實驗室方法研究了13種生物炭對水溶液中-N和-N的吸附，發(fā)現(xiàn)供試生物炭對-N基本無吸附作用，但9種生物炭對水溶液中的-N存在一定的吸附作用，水溶液中-N的減少量分布在1.8%～15.7%之間，與本研究的結(jié)果基本一致。本試驗中，生物炭整體上對土壤溶液中N存在吸附作用，但吸附量并未隨著生物炭的添加量增大而增大，分析原因可能與土壤溶液中-N濃度（1.57 mg·L-1）較低，參與吸附作用的生物炭數(shù)量（0.01～0.13 g）少有關(guān)。Endita等［21］的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液中初始氮濃度在5 mg·L-1時，稻殼炭吸附的氮量也非常低。

圖4 不同種類生物炭對土壤溶液中NH4+-N和NO3--N的平均吸附量

3 結(jié)論

3.1 生物炭具有改良酸化土壤的性能。隨著生物炭添加量的增加，土壤pH值提高。不同原料生物炭改良酸化土壤的能力不同，茭白秸稈炭和水稻秸稈炭提高土壤pH值的作用最明顯，豬糞炭和稻殼炭作用最弱。

3.2 生物炭具有保水的性能。保水能力的強弱與生物炭種類及添加量有關(guān)。當(dāng)生物炭添加量≥2%時，所有供試生物炭均極顯著地提高了土壤持水量。當(dāng)生物炭的添加量提高到5%時，土壤持水量增幅達到了8.49%～21.38%。水稻秸稈炭在提高土壤保水能力上的作用最明顯。

3.3 生物炭能夠吸附土壤溶液中NH4+-N。不同添加量生物炭對土壤溶液中NH4+-N的吸附量分布在1.31%～27.48%。但是，所有供試生物炭均未表現(xiàn)出隨著土壤中生物炭的添加量增大，吸附NH4+-N的量增加的現(xiàn)象。無花果秸稈炭對土壤溶液中NH4+-N的吸附能力最強，廢棄食用菌基質(zhì)炭和黃秋葵秸稈炭吸附能力最弱。添加生物炭對土壤溶液中的NO3--N則基本無吸附作用。