炭化秸秆还田量对土壤肥力与作物生长的影响*

王 菡，王 磊

（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）



炭化秸秆还田量对土壤肥力与作物生长的影响*

王 菡，王 磊

（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

摘要：随着秸秆资源化利用技术的发展，秸秆炭化制成生物炭还田引起了广泛的关注。文章采用室外盆栽的方式，以大豆为目标作物，设置5个生物炭还田比例，研究了炭化秸秆还田量对土壤肥力以及作物生长的影响。结果表明，不同炭化秸秆还田量均可提高土壤肥力，促进作物生长，但其作用程度存在显著差异。土壤和作物对高还田炭量表现出较强的适应能力，还田质量比为30%时具有最强的氮磷保留缓释能力和最高的作物生物量与产量，综合效果最佳。

关键词：秸秆还田 生物炭 土壤肥力 土壤改良

农田土壤是地球表层系统中较为活跃的碳储库［1］，兼具碳源与碳汇的双重功能［2］。随着全球气候变暖日趋严重，农业被赋予了低碳减排的新使命。秸秆是农业作物的主要副产品，是优质的可再生资源，但长期以来未能得到充分合理的利用。据统计，我国有超过50%的秸秆被废弃或燃烧，造成严重的资源浪费和环境污染［3］。如何对作物秸秆进行有效的资源化利用是当前农业发展迫切需要解决的问题。作为目前秸秆利用的主要方式，直接还田具有良好的土壤改良效应［4］。但是由于微生物的分解作用，秸秆还田后降解速率较快，增加了土壤的CO2排放，削弱了其碳汇功能［5］。秸秆经无氧高温热解可以得到生物炭，具有高度的生物化学抗分解性，与直接还田相比能够大幅度提升土壤碳库的稳定性［6］。因此秸秆炭化还田日益被接受为一种重要的CO2减排增汇途径。

秸秆炭化还田具有广阔的前景，但是目前缺乏具体可行的还田模式。由于秸秆资源的可再生性，秸秆炭化还田需要长期进行，而土壤对炭化秸秆的容纳能力是否存在限值，还田炭量积累到一定限度时将如何影响土壤的肥力及作物生长目前尚不清楚。文章通过进行不同秸秆炭化还田量的盆栽试验，分析其对土壤肥力及作物生长的影响，以期为拓展废弃农林秸秆的炭化还田措施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与生物炭

实验所采用的土壤取自崇明东滩湿地公园，土壤类型为新围垦的贫瘠土壤，供试土壤取自0～20 cm 土层，去除杂物后，过2 mm 筛。土壤基本理化性质为：容重1.38 g/cm3，含水率21.67%，pH值7.23，总氮2.29 g/kg，速效磷171.9 mg/kg，土壤总有机碳1.14 g/kg。

供试生物炭由辽宁省生物炭工程技术研究中心生产，原料为花生壳。基本理化性质为：容重0.57 g/cm3，含水率38.80%，pH值7.51，总氮3.57 g/kg，速效磷160.07 mg/kg，土壤总有机碳52.47 g/kg。

1.2 盆栽试验

实验共设置5个处理组别，将生物炭分别以2%、5%、10%、30%、50%的质量比与预处理后的供试土壤均匀混合，置于钻有透气孔的无盖塑料盆中，每盆总质量为35. 00 kg。土壤层高约25 cm，每个处理设置3 组重复，并设空白土壤对照组，记为0%。塑料盆于2014年6月5日置于室外，雨水与日照等同自然界情况，稳定15 d后（6月20日），播种大豆，每盆4 棵。在大豆生长期间根据需要进行浇水，期间不进行施肥。

1.3 样品采集

实验共采集2次土壤样品，分别于土壤混合当日与大豆收获日（9月20日）进行。以梅花布点法采集表层土壤样品（5～10 cm），混合后采用四分法分为2份，一份保存于4 ℃冰箱中，一份风干后过60 目筛，用于土壤理化指标的测定。在大豆生长末期（9月20日）收割植物后分类存放，用于植物生物量的测定。

1.4 样品测定

总氮（TN）：采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法。

速效磷（AP）：采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法。

土壤总有机碳（SOC）：采用日本岛津总有机碳测定仪TOC-V-CPN，总碳（TC）经过900 ℃燃烧炉测定，无机碳（IC）先加入过量磷酸，再经过200 ℃燃烧炉测定，结果采用差减法：SOC=TC﹣IC。

植物生物量：植物成熟后收割洗净，于120 ℃烘干8 h，称其干重。

1.5 数据分析

所有数据测定结果均以平均值表示（3次重复），采用SPSS 16.0软件进行单因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重比较（P=0.05）分析其显著性。

2 结果与分析

2.1 炭化秸秆还田量对土壤肥力的影响

该文采用氮（N）磷（P）两种植物生长发育所必需的营养元素和土壤有机质作为土壤肥力的代表性指标［7］。种植初期，不同秸秆炭化还田量处理之间的TN含量无明显差异（图1）。供试生物炭中TN高于土壤，均匀混合后的初始TN应随炭化秸秆施加量的增加而增加，但此处无显著差异，可能是由于土壤中原本氮素分布不均匀导致。经过一个季度的种植，各处理的TN均比种植初期有所提高，这可能是由于大豆根瘤菌的固氮作用引起的［8］。秸秆生物炭具有巨大的比表面积和表面官能团，能强烈吸附土壤中的溶解态氮，对根瘤菌固定的氮素起到一定的滞留作用，使其不宜被雨水淋洗流失［9］。炭化秸秆对氮的吸附和截留能力与施加量无明显的线性关系，在各处理中，30% 的TN增幅最大，为18.15%，表现出该还田碳量具有较强的保留与缓释能力，对提高土壤TN具有较强的促进作用。

炭化秸秆施加量对AP的影响作用较为明显，由图2可知，不同处理土样速效磷含量差异较大。在种植初期，不同的秸秆炭化还田量均增加了土壤AP，但作用强度有所不同，10%处理的AP（168.62 mg/kg）与空白对照（171.90 mg/kg）无显著差异，而50%处理的AP含量最高（287.93 mg/kg）。从时间上来看，大豆生长末期各处理的AP含量与初期相比均出现不同程度的下降，且施加生物炭各组的AP含量未高于空白对照。10%处理的土壤AP含量最低，为116.94 mg/kg。这可能是由于生物炭对土壤中磷的吸附和截留作用造成的。从相对变化来看，在添加生物炭的各组中，50%虽在初期AP含量最高，但保留比例最低，仅为53.3%，这可能是由于生物炭显著降低了50%处理的土壤容重，增大了土壤的孔隙度，增加了土壤中磷的流失率［10］。而30%处理具有最高的AP保留比例，为70.6%，说明在该还田量下，与生物炭引起磷流失影响相比，其对AP的保留和缓释作用更强。

土壤有机碳可以改善土壤团聚体稳定性、养分吸持和交换，并支持微生物活动等［11］，是土壤肥力的重要指标之一，也是影响作物产量的重要因素。从图3可知，土壤的SOC含量随着还田炭量的增加而增加，这是因为生物炭本身含有丰富的碳元素，使得土壤中的碳得到迅速补充。30%、50%两个高炭量处理由于加入的生物炭比例较高，其SOC显著高于低炭量处理组，分别为143.25 g/kg 和233.60 g/kg。在种植末期，各处理SOC表现出轻微下降，这可能是由土壤中不稳定碳的分解造成的。还田炭量较高时绝对碳输入量较大，所含不稳定碳总量更多，SOC分解更为明显，但其绝对值仍显著高于其它处理。生物炭中碳组分多为芳香化结构，与不稳定碳成分相比更难以被土壤微生物降解利用，稳定性较高，因而具有更强的保留能力。可见，秸秆与秸秆炭化还田可以提高土壤有机质的输入量，增加土壤有机碳含量。

图1 不同还田炭量对土壤TN的影响

图2 不同还田炭量对土壤AP的影响

图3 不同还田炭量对土壤SOC的影响

表1 秸秆炭化还田量对大豆生长的影响

2.2 炭化秸秆还田量对作物生长的影响

从株高、生物量及大豆产量来看，秸秆炭化还田后对大豆的生长均表现出不同程度的促进作用（表1），随还田炭量的增加，促进效果呈先增大后减小的趋势，并在30%处理中达到最佳效果。种植期结束收获大豆时，炭化秸秆还田量的不同处理间植物株高存在显著性差异，生物炭的添加对大豆株高均表现出促进作用，其中30%处理的植株最高（64.75 cm）。植物生物量可以综合反映土壤的改良效果，反映了植物的固碳量［12］。由表可知，不同还田量处理的植物生物量与大豆产量均显著高于空白对照，印证了炭化秸秆作为土壤改良剂的增产作用，且显示作物生长对还田炭量的适应性和容纳能力较高，炭化秸秆的积累量不存在极限值，可进行连续还田。

生物炭的多孔结构导致其比表面积较高，吸附性较强，可固持钝化土壤养分，减缓土壤养分的流失，增加土壤养分利用率，进而提高作物产量。随着还田炭量的增加，大豆的生物量出现先增加后减少的单峰不对称趋势。在30%处理中，生物量（772.33 g/m2）与大豆产量（271.67 g/m2）均达到最高值，与空白对照相比增产率分别高达35%与53%。还田炭量增加至50%时，大豆生物量与产量反而低于30%处理的产量，说明生物炭对作物生长的促进作用与施加量非线性正相关，存在最佳作用阈值。其在高施加量下的抑制作用可能是由于生物炭的高碳氮比提高了土壤的碳氮比，限制了植株对氮的有效吸收［13］，进而限制了作物生长。综合各指标，炭化秸秆还田在质量比为30%时达到最佳的作物生长促进作用。

3 结论

实验的结果表明，秸秆炭化还田时，不同的还田炭量对土壤肥力和作物生长的影响存在显著差异，但不随还田炭量的增加呈现线性变化：（1）还田后的生物炭具有一定氮磷的固持钝化作用，高还田炭量可长期提高TN，吸附缓释AP；（2）秸秆炭化后较为稳定，土壤SOC随还田炭量的增加而线性增加；（3）秸秆炭化还田对作物生长的促进作用随施加量的增加而先增强后减弱，在30%的还田比例时呈最佳状态；（4）土壤和作物对高还田炭量表现出较强的适应能力，炭化秸秆可连续还田，无极限浓度值，还田比例为30%时出现较好的肥力改良效应和最高的作物增产率，综合效果最佳。考虑其较高的生物炭保留能力和植物固碳能力，将秸秆炭化后以此比例还田是较为理想的土壤低碳化改良方式。

秸秆炭化的工艺简单，原料易得，还田操作在在农业领域的可行性高。然而，不同秸秆制成的生物炭性质存在很大差异，且土壤类型众多，不同的秸秆炭化还田方式在各种土壤上的表现也必然不同。因此，生物炭性质与其生物环境效应关系有待进一步研究。由于生物炭的高度稳定性，长期还田后炭化秸秆对土壤肥力和作物生长是否能继续保持其积极影响目前尚未清楚。跟踪观测秸秆炭化还田的长期改良效应并分析其影响机制将成为下一步的研究方向，以探索更佳的秸秆炭化还田模式。

参考文献

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*基金项目：上海市科委重大科技攻关项目 （11 dz1211403；14231200404）