王昆艷，官會林，盧 俊，徐武美

生物質(zhì)炭施用量對旱地酸性紅壤理化性質(zhì)的影響①

王昆艷，官會林，盧 俊，徐武美*

(云南師范大學能源與環(huán)境科學學院，昆明 650500)

我國南方旱地酸性紅壤區(qū)，土壤酸化與干旱等問題突出。近幾年生物質(zhì)炭在土壤改良方面的研究應用已有較多的文獻報道，但針對南方旱地酸性紅壤區(qū)土壤改良方面的研究與應用相對較少。對此，本研究設置了生物質(zhì)炭施加量分別為1%、2%、3%、4% 及對照CK共5個處理，每個處理5次重復的室內(nèi)盆栽試驗；每盆一次性均勻澆灑1 L蒸餾水后在溫室內(nèi)自然放置，模擬干旱30 d，隨后測定土壤含水量、pH、電導率與氮、磷含量。結(jié)果表明：土壤pH、電導率、有效磷含量隨生物質(zhì)炭施加量的增加而顯著提高，NH4+-N含量降低，而NO– 3-N含量無顯著影響；模擬干旱后的土壤含水量與生物質(zhì)炭施加量呈二次函數(shù)曲線關(guān)系，施加低量生物質(zhì)炭(1%)顯著降低了土壤含水量，而高量生物質(zhì)炭(4%)的施加則使土壤含水量顯著提高。本研究為生物質(zhì)炭在我國南方旱地酸性紅壤區(qū)土壤改良方面的應用提供了試驗依據(jù)。

生物質(zhì)炭；酸性紅壤；理化性質(zhì)；土壤改良

生物質(zhì)炭(Biochar)是生物質(zhì)材料在缺氧條件下高溫(小于700 ℃)裂解制備的高碳含量物質(zhì)[1]，其在農(nóng)業(yè)中的應用最早可追溯到兩千多年前，然而直到近十多年才引起廣泛關(guān)注[2]。大量研究表明，生物質(zhì)炭可有效改善土壤理化性質(zhì)[3]、修復土壤污染[1, 4]、調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)并緩解作物土傳病害等[5-6]；此外，由于生物質(zhì)炭性質(zhì)穩(wěn)定，不易分解，將其施入土壤并用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)被認為是應對由于大氣CO2濃度增加所導致的全球變暖問題的良好途徑，因而也備受關(guān)注[7]。

土壤干旱、酸化、鹽漬化與肥力下降等已成為制約現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[8-11]。大量研究表明，向土壤中施加生物質(zhì)炭可有效改善上述問題，主要因為：①生物質(zhì)炭密度較小，且有巨大的比表面積，能降低土壤容重并對土壤水分起到吸附作用，從而提高土壤持水能力，緩解干旱氣候?qū)ψ魑锏挠绊慬2, 12]；②大多數(shù)類型的生物質(zhì)炭呈天然堿性，可有效中和酸性土壤，緩解土壤酸害[13]；③生物質(zhì)炭可對土壤鹽分起到吸附作用，減少土壤中溶解性鹽分含量以及植物對鹽分的吸收[14]；④生物質(zhì)炭本身含有大量養(yǎng)分元素，且在制作過程中會產(chǎn)生一定含量的速效養(yǎng)分，從而提高土壤養(yǎng)分可利用性與肥力[1]。然而，也有研究表明，由于生物質(zhì)炭本身可能含有一定量的鹽分，短期內(nèi)可能導致土壤含鹽量增加；此外，生物質(zhì)炭的施加也可能導致土壤孔隙度增加，水分蒸發(fā)加強，從而導致土壤含水量降低[14]。

我國南方廣泛分布著酸性紅壤，酸度高、肥力低[15]；一些地區(qū)由于常年使用化學肥料，導致土壤表層鹽分聚集，嚴重影響作物生長[16]。此外，隨著全球變化加劇，降水不均與耕地供水不足等也常導致土壤短期或長期干旱，對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生具有嚴重威脅[17]。本研究利用室內(nèi)盆栽試驗，通過探討不同生物質(zhì)炭施加量對旱地酸性紅壤理化性質(zhì)(土壤含水量、pH、電導率與氮磷含量)的影響，以期為其科學應用提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

本研究供試土壤于2018年3月17日采挖自云南師范大學研究生實踐實習基地，為旱地酸性紅壤區(qū)，冬春季節(jié)干旱少雨。土壤pH為5.07，含水量為9.00%，NH4+-N含量為3.02 mg/kg，NO– 3-N含量為43.40 mg/kg，有效磷含量為2.98 mg/kg。供試生物質(zhì)炭為稻殼生物質(zhì)炭，由云南威鑫農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供，生物質(zhì)炭pH為9.95、NH4+-N含量為0.69 mg/kg、NO– 3-N含量為17.08 mg/kg、有效磷含量為347.87 mg/kg。

1.2 研究方法

本研究設置了生物質(zhì)炭/土壤比例分別為1%、2%、3%、4% 及對照CK共5個處理，每個處理5次重復的室內(nèi)盆栽試驗。按不同比例生物質(zhì)炭與5 kg土壤(干重)混勻后裝入花盆編號，每盆一次性均勻澆灑1 L蒸餾水后模擬干旱(溫室內(nèi)自然放置) 30 d，隨后測定土壤含水量、pH、電導率與氮磷含量。土壤含水量根據(jù)標準HJ 613—2011進行測定，土壤pH根據(jù)標準NY/T 1377—2007進行測定，土壤電導率用土壤EC計(YN-EC100)測定，土壤有效磷(Olsen P)含量參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[18]進行測定，NO– 3-N與NH4+-N含量根據(jù)標準LY/T 1228—2015，用流動分析儀(AA3, Seal Analytical, ltd. Germany)進行測定。本研究用電導率反映土壤含鹽量的相對水平[18-19]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Shapiro-Wilk檢驗探討各變量的正態(tài)性，土壤NH4+-N含量不服從正態(tài)分布(<0.05)，故用對數(shù)轉(zhuǎn)換后再進行后續(xù)分析。用單因素方差分析與Duncan多重比較檢驗不同生物質(zhì)炭施加量對土壤含水量、pH、電導率及氮磷含量的影響，用線性回歸與曲線模擬研究其隨生物質(zhì)炭施加量的變化規(guī)律。用結(jié)構(gòu)方程模型探討土壤生物質(zhì)炭含量、pH、NH4+-N、有效磷的因果關(guān)系，模型接受標準為：> 0.05，RMSEA (漸進殘差均方和平方根) < 0.08[20-21]。結(jié)構(gòu)方程模型分析用AMOS 22.0進行(IBM Ltd, Chicago, IL)，其他統(tǒng)計分析均用SPSS16.0進行(SPSS Inc., Chicago, IL)。

2 結(jié)果

2.1 生物質(zhì)炭對土壤含水量、pH與電導率的影響

方差分析表明，不同生物質(zhì)炭施加量對土壤含水量、pH與電導率均具有顯著影響(土壤含水量：= 8.059，<0.001；pH：= 51.487，<0.001；電導率：= 221.489，<0.001)(表1)。Duncan多重比較分析表明(圖1)，與對照相比較，施加1% 的生物質(zhì)炭顯著減少了土壤含水量(16.49%)，而4% 的生物質(zhì)炭施加量則顯著提高了土壤含水量(19.54%)；不同生物質(zhì)炭施加量均顯著提高了土壤pH，當施加量為4% 時，土壤pH達6.826，較對照提高了1.758；不同生物質(zhì)炭施加量均顯著影響了土壤電導率，當施加量為4% 時達1.630 mS/cm。線性回歸與曲線模擬分析表明，生物質(zhì)炭施加量與含水量的關(guān)系更趨向于二次函數(shù)曲線關(guān)系(2=0.488，<0.001)；生物質(zhì)炭與土壤pH及電導率呈線性關(guān)系，土壤生物質(zhì)炭含量解釋了85.1% 的土壤pH變化及94.7% 的電導率變化，表明施加生物質(zhì)炭對上述兩個土壤因子的重要影響(圖2)。

2.2 生物質(zhì)炭對土壤氮磷養(yǎng)分可利用性的影響

方差分析表明，不同生物質(zhì)炭施加量對土壤NH4+-N與有效磷具有顯著影響(NH4+-N：= 6.840，= 0.001；有效磷：= 27.574，<0.001，表1)。Duncan多重比較分析表明(圖1)，與對照相比較，施加生物質(zhì)炭顯著降低了土壤NH4+-N含量，而土壤有效磷含量則顯著提高；施加生物質(zhì)炭對土壤NO– 3-N含量無顯著影響。線性回歸與曲線模擬分析表明(圖2)，土壤NH4+-N含量隨生物質(zhì)炭施加量顯著降低(2=0.242，= 0.012)，而有效磷與生物質(zhì)炭施加量的關(guān)系趨向于三次函數(shù)曲線關(guān)系(2=0.846，<0.001)，即一定量的生物質(zhì)炭施加(1% ~ 3%)雖然提高了土壤有效磷含量，但幅度不大，當提高到4% 時，土壤有效磷含量迅速提高，達12.82 mg/kg；土壤生物質(zhì)炭施加量與NO– 3-N含量無顯著因果關(guān)系。

表1 不同生物質(zhì)炭施加量對土壤理化性質(zhì)影響的單因素方差分析

(圖中小寫字母不同表示處理間差異達P<0.05顯著水平(Duncan多重比較))

圖2 土壤理化性質(zhì)隨生物質(zhì)炭施加量的變化趨勢

2.3 基于結(jié)構(gòu)方程模型的土壤生物質(zhì)炭施加量、pH、NH4+-N與有效磷因果關(guān)系

施加生物質(zhì)炭顯著影響土壤pH、NH4+-N與有效磷含量(圖2)，而土壤pH又與NH4+-N、有效磷含量顯著相關(guān)(圖3)。結(jié)構(gòu)方程模型分析表明(圖4)，pH是生物質(zhì)炭影響土壤有效磷含量的關(guān)鍵中間因素(= 0.349；RMSEA < 0.001)，然而，其并非影響NH4+-N含量的中間因素(= 0.081，RMSEA = 0.292)。

圖3 土壤NH4+-N、有效磷含量隨pH的變化

(箭頭表示作用方向，數(shù)值為標準化直接效應，P < 0.05。模型A：N = 25，χ2 = 3.051，df = 1，P = 0.081，RMSEA (漸進殘差均方和平方根) = 0.292，表明該模型不能接受；模型B：N = 25，χ2 = 0.875，df = 1，P = 0.349；RMSEA < 0.001，表明該模型被數(shù)據(jù)支持，可以接受)

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對土壤含水量、pH與電導率的影響

3.1.1 施加生物質(zhì)炭與土壤含水量 由于生物質(zhì)炭密度較小，且具有吸附水分的能力，施入土壤后可有效降低土壤容重，提高持水能力，緩解干旱氣候?qū)ψ魑锏挠绊慬12, 14]。如代快等[22]研究了生物質(zhì)炭對云南典型植煙土壤持水性的影響，發(fā)現(xiàn)施加生物質(zhì)炭顯著提高了土壤持水能力與烤煙產(chǎn)量；潘金華等[23]研究了生物質(zhì)炭添加對皖南旱地土壤水分特征的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在一定程度上減少了水分蒸發(fā)，提高了土壤的保水保濕能力。然而，也有研究報道生物質(zhì)炭施加量與土壤保水保濕能力的非線性關(guān)系；如曾愛等[24]研究了生物質(zhì)炭對塿土土壤含水量的影響，發(fā)現(xiàn)土壤含水量隨生物質(zhì)炭施用量提高呈先降低后升高趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一個月模擬干旱后，土壤含水量隨生物質(zhì)炭施加量的變化呈二次函數(shù)曲線關(guān)系，即高量生物質(zhì)炭(4%)的添加提高了土壤含水量，而低量生物質(zhì)炭(2%)的施加反倒使土壤含水量降低 (圖2A)，與曾愛等[24]的研究結(jié)果類似?？赡苁怯捎谏镔|(zhì)炭的添加在一定程度上提高了土壤持水能力，但這也可能導致土壤孔隙度增大，水分蒸發(fā)加強，從而使其含水量降低。

3.1.2 施加生物質(zhì)炭與土壤pH 生物質(zhì)炭由于其組成特征，往往呈堿性。Yuan等[13]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭表面的–COO–和–O–等有機官能團和生物質(zhì)炭中的碳酸鹽是堿的主要存在形態(tài)，碳酸鹽對生物質(zhì)炭堿的貢獻隨制備溫度的升高而增加，而有機官能團的貢獻呈相反的趨勢。大量研究證實了生物質(zhì)炭對酸性土壤的改良作用，如張祥等[25]研究了生物質(zhì)炭對我國南方紅壤和黃棕壤理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)施加生物質(zhì)炭能明顯提高土壤pH，當施加量為2.0% 時，紅壤pH平均增加了0.61，黃棕壤pH增加0.55。應介官等[26]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭能顯著提高土壤pH，并有效緩解鋁富集酸性土壤的毒性。本研究表明，不同生物質(zhì)炭施加量(1% ~ 4%)均顯著提高了酸性紅壤pH (圖2B)，當施加量為4% 時，土壤pH較對照提高了1.76，達到6.83 (圖1)。根據(jù)魯如坤[18]總結(jié)，土壤pH在6.5 ~ 7.0時，對磷素及其他養(yǎng)分元素的固定最少，有利于植物吸收養(yǎng)分，促進植物生長。因此，向酸性土壤中施加生物質(zhì)炭可有效調(diào)節(jié)土壤酸性，并有望改善土壤養(yǎng)分可利用性及緩解鋁毒等危害[18, 26]。

3.1.3 施加生物質(zhì)炭與土壤含鹽量 研究表明，由于生物質(zhì)炭具有巨大的比表面積，能吸附土壤中的水溶性鹽分[14]，改善植物對鹽分特別是鈉離子的吸收[12]，從而緩解由于土壤鹽漬化給作物帶來的危害。農(nóng)明英等[27]研究發(fā)現(xiàn)，施加生物質(zhì)炭對改良大棚次生鹽漬化土壤有顯著影響，其不僅降低了土壤全鹽量和電導率，還提高了作物產(chǎn)量；孫運朋等[28]研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中施加生物質(zhì)炭促進了土壤鹽分淋洗；然而，生物質(zhì)炭本身也含有一定量的可溶性鹽分[14]，施入土壤后，短期內(nèi)可能導致土壤含鹽量增加。如吳萍萍等[29]研究發(fā)現(xiàn)，施加普通與載鐵生物質(zhì)炭均顯著提高了土壤電導率，周麗麗等[30]研究發(fā)現(xiàn)，施加秸稈生物質(zhì)炭提高了凍融期棕壤的電導率。本研究表明，向土壤中施加生物質(zhì)炭顯著提高了土壤電導率(圖2C)，且隨施加量的增加而不斷提高，可能是由于生物質(zhì)炭本身含有一定量的水溶性鹽分，施入土壤后短期內(nèi)使土壤含鹽量增加，電導率提高，這也說明施加生物質(zhì)炭短期內(nèi)可能并不能改善土壤鹽漬化，降低植物鹽害。

3.2 生物質(zhì)炭對土壤氮、磷養(yǎng)分可利用性的影響

3.2.1 施加生物質(zhì)炭與土壤 NH4+-N、NO– 3-N 含量 NH4+-N 與NO– 3-N 是作物能直接利用的兩種氮素形式，不同研究揭示生物質(zhì)炭對土壤氮可利用性的影響存在差異。如陳心想等[31]研究發(fā)現(xiàn)施加生物質(zhì)炭明顯提高了土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮(NH4+-N 與NO– 3-N之和)含量，張祥等[25]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施加量為2.0% 時，紅壤堿解氮含量提高了約30%；而張瑞等[32]研究發(fā)現(xiàn)，施加生物竹炭顯著降低了土壤 NH4+-N、NO– 3-N 含量。PH 是土壤最重要的屬性之一，對土壤氮素循環(huán)和植物生長發(fā)育產(chǎn)生重要影響[33]。本研究表明，施加生物質(zhì)炭顯著提高了土壤 pH 并使NH4+-N 含量降低，可能是由于隨著生物質(zhì)炭施加量的提高，土壤pH升高，促進了NH4+-N 的揮發(fā)；然而，結(jié)構(gòu)方程模型分析并不支持這一假設，說明還有其他因素與更為復雜的機制導致土壤NH4+-N 降低，有待進一步研究。土壤NO– 3-N 含量與生物質(zhì)炭施加量無顯著關(guān)聯(lián)性，可能是由于本研究所用生物質(zhì)炭本身NO– 3-N 含量較低，且其在土壤中短期內(nèi)相對穩(wěn)定，從而導致其對土壤NO– 3-N 含量影響較小。

3.2.2 施加生物質(zhì)炭與土壤有效磷含量研究表明，施加生物質(zhì)炭可有效提高土壤磷可利用性，如高利華與屈忠義[34]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷含量隨施炭量增加而顯著增加；鄭慧芬等[35]研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中添加生物質(zhì)炭顯著提高了茶園溶磷細菌的數(shù)量，土壤pH與堿性磷酸酶活性，有利于土壤磷素的活化與利用。本研究發(fā)現(xiàn)，施加生物質(zhì)炭顯著提高了土壤有效磷含量，由于研究中使用的生物質(zhì)炭具有較高的有效磷含量，施入后可能會直接導致土壤磷可利用性提高；此外，施加生物質(zhì)炭提高了土壤pH，而土壤pH是影響磷可利用性的關(guān)鍵因素[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH與磷可利用性具有極高的關(guān)聯(lián)性(2=0.819，<0.001，圖3B)，結(jié)構(gòu)方程模型分析表明，土壤pH是生物質(zhì)炭影響土壤磷可利用性的關(guān)鍵中間因素(圖4B)。這說明，除生物質(zhì)炭施加對有效磷的直接影響外，隨著土壤生物質(zhì)炭含量的增加，pH隨之提高，土壤對磷素的固定減少，從而使磷可利用性水平提高。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，施加生物質(zhì)炭顯著影響了酸性紅壤土壤含水量、pH、電導率、NH4+-N與有效磷含量。需要注意的是，生物質(zhì)炭對這些土壤因子的影響有時并非線性的，如生物質(zhì)炭與土壤含水量的關(guān)系更趨向于二次函數(shù)關(guān)系，與有效磷的關(guān)系更趨向于三次函數(shù)關(guān)系。土壤pH、電導率與生物質(zhì)炭施加量呈線性關(guān)系，隨生物質(zhì)炭含量的增加而提高，NH4+-N隨生物質(zhì)炭施加量的提高而顯著減少，而NO– 3-N含量與生物質(zhì)炭的施加無顯著關(guān)系。在改良酸性紅壤時，還可以進一步提高生物質(zhì)炭的施加量，以改善土壤酸堿度并提高養(yǎng)分可利用性。本研究表明，當生物質(zhì)炭施加量為4% 時，土壤pH近中性(6.83)，且土壤含水量、有效磷含量最高；然而，施加生物質(zhì)炭也可能會帶來一些不良影響，且不同原材料與生產(chǎn)工藝得到的生物質(zhì)炭理化特征也會有所不同[5]。因此，在大規(guī)模應用過程中，建議先進行試驗研究，針對不同土壤特點與生物質(zhì)炭的理化特征，制定合理的施用方案。

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Effects of Biochar on Physicochemical Properties of Dry Land Acid Red Soil

WANG Kunyan, GUAN Huilin, LU Jun, XU Wumei*

(School of Energy and Environment Science, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

The acid red soil is widespread in south China which characterized as low pH and water holding capacity. Biochar, a cheap and widely used carbon-rich material, has shown the potential to ameliorate the degraded soil, but its effects on the dry land acid red soil are still unclear. Hence, a pot experiment of aridity simulation was conducted with different application content of biochar (0, 1%, 2%, 3%, 4%) added in the acid red soil and watered with 1 L distilled water equally, then soil water content, pH, electric conductivity, NH4+-N, NO– 3-N and available phosphorus were measured after one month of aridity simulation. Results showed that soil pH, electric conductivity and available phosphorus increased and NH4+-N decreased significantly with the increase of biochar application, while NO– 3-N changed insignificantly. A quadratic relation was observed between soil water content and the content of biochar application, soil water content was decreased significantly under low application content (1%) but increase significantly under high content of application (4%). This study provides a basis for the biochar application in ameliorating the acid red soil in south China.

Biochar; Acid red soil; Physicochemical properties; Soil amelioration

S156.92

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.03.012

王昆艷, 官會林, 盧俊, 等. 生物質(zhì)炭施用量對旱地酸性紅壤理化性質(zhì)的影響. 土壤, 2020, 52(3): 503–509.

國家自然科學基金項目(31901126，41661069)和云南省應用基礎研究計劃項目(2019FD112)資助。

(xuwumei@ynnu.edu.cn)

王昆艷(1995—)，女，云南曲靖人，碩士研究生，主要從事土壤生態(tài)方面研究。E-mail: wkunyan@163.com