生物炭对盐碱土壤理化性质、生物量及玉米苗期生长的影响

杨刚　周威宇

摘要：采用实验室模拟和玉米盆栽种植试验相结合的方法，研究了添加不同用量的玉米秸秆生物炭后，盐碱土中基础养分含量、pH值、CEC含量、水溶性盐含量、土壤酶活性、微生物生物量及玉米苗期生长的变化，以期为玉米秸秆生物炭在盐碱土壤改良中的应用提供参考。结果表明，随着生物炭用量的增加，盐碱土壤中有机碳含量明显提高，是原土含量的135～151倍，矿质态氮、有效磷及速效钾含量变化较小；pH值降低幅度不大；水溶性盐含量降低明显；添加玉米秸秆生物炭能够显著提高土壤中阳离子交换量及酶活性；生物炭的加入显著提高了土壤微生物生物量，添加生物炭处理的土壤微生物生物量碳、氮含量分别比对照高650%～9667%和4286%～16296%。同时，生物炭使土壤代谢熵分别降低了213%、851%、1560%；生物炭能够促进玉米苗期的生长，对玉米株高、茎粗都有促进作用。总的来说，生物炭对盐碱土壤具有良好的改良效果。

关键词：玉米秸秆；生物炭；盐碱地；改良

中图分类号： S1564文献标志码：

文章编号：1002-1302（2017）16-0068-05

收稿日期：2016-03-23

基金项目：四川省科技计划（编号：2014FZ0056）。

作者简介：杨刚（1980—），男，四川成都人，博士，副教授，主要从事土壤污染评价及治理。E-mail：liuweifeng020552@163com。

[JP+1]

盐碱地是各种盐土和碱土以及不同程度盐化和碱化土壤的总称。其特点是土体中含有较多的盐碱成分，具有不良的物理化学特性，致使大多数植物的生长受到不同程度的抑[JP]制，甚至不能成活。目前我国盐渍土总面积约 3 600万hm2，占全国可利用土地面积的488%。在耕地资源日趋匮乏的今天，盐碱地作为耕地潜在的后备资源，其可持续利用已受到国内外学者的高度关注。

我国是一个农业大国，每年可生产约22亿t的玉米秸秆，大部分玉米秸秆堆积在田间地头自然腐烂或是直接焚烧，造成资源浪费的同时，也造成了一定程度的环境污染[6-8]。因此，加大对玉米秸秆的合理利用，对我国能源利用和农业可持续发展具有十分重要的意义。已有研究发现，以农林废物玉米秸秆为原料制备的生物炭能够大幅度提高土壤有机碳含量[9]、改良土壤理化性状[10-12]和改善土壤肥力等。因此本研究应用玉米盆栽试验的方法，通过向盐碱土中添加玉米秸秆生物炭来探究其对盐碱土改良效应，以期为利用玉米秸秆生物炭改良盐碱土的应用提供理论支撑。

1材料与方法

11供试材料

111生物炭的制备

在宁夏北部的惠农区收集玉米秸秆，[JP3]洗净晾干后，磨细过2 mm筛，在500 ℃下经管式电炉（GWL-[JP]1700GA）热解3 h，加热前通入氮气赶尽炉内空气，形成氮气环境。热解结束后，降至室温取出即得到玉米秸秆生物炭。

112生物炭理化性质及结构分析

生物炭C、H、N含量通过元素分析仪测定；比表面积采用BET法测定；将一定量生物炭置于具盖坩埚中于马弗炉中950 ℃加热6 min测定挥发性物质，剩余固体为固定碳并在敞口坩埚中于750 ℃加热6 h测定其灰分[14]， 其基本理化性质见表1。采用扫描电镜对生物炭微结构进行观察，得到生物炭表面形貌特征（图1）。

113供试土壤

供试土壤采自宁夏北部的惠农区的盐碱土，其基本性质如表2所示。

114供试玉米种子

玉米品种为吉单209，属早熟品种，成熟期为125 d。

12试验设计

将生物炭按10、15、20 g/kg比例施加到盐碱土壤中，每个处理设3个重复，混合均匀，调节水分使土壤含水率达到田

间持水率的65%，25 ℃下进行室内密闭培养，120 d后取样测定土壤中氮含量、磷含量、钾含量、有机碳含量、CEC含量、水溶性盐含量、pH值、土壤酶活性及微生物生物量等指标含量。

玉米种子经催芽后播种，每盆播种3粒，5 d后出苗，10 d后定植，记录玉米生长情况。

13测定方法

土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定； 速效钾含量采用1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度计法测定；速效磷含量采用05 mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；NO3--N和NH4+-N含量采用1 mol/L KCl浸提-流动分析仪测定，矿质态氮含量=NO3-N含量+NH4+-N含量；pH值采用电位法（水 ∶[KG-3]土=5 ∶[KG-3]1）测定；阳离子交换总量采用乙酸钠-火焰光度法测定；水溶性盐总量采用质量法测定；土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶分别采用靛酚比色法、硫代硫酸钠滴定法、磷酸苯二钠比色法测定。土壤微生物量采用氯仿熏蒸-K2SO4提取，TOC自动分析仪测定，根据熏蒸和未熏蒸处理土壤提取液中有机碳、全氮含量之差，分别乘以系数264（MBC）、185（MBN），计算微生物生物量C、N含量。土壤微生物熵为微生物生物量碳含量與土壤有机碳含量的比值，以百分比表示，代谢熵（qCO2）为呼吸强度与微生物生物量碳的比值[14]。

土壤红外光谱采用KBr压片法在美国Nicolet-AV360红外光谱仪上测定。

14数据处理

采用Excel 2007及DPS 705软件对试验数据进行统计分析。采用单因素方差分析法分析不同试验处理对土壤各项理化指标的影响效应，采用最小显著极差法进行多重比较，显著性水平设定为α=005。

2结果与分析

21不同生物炭用量对盐土红外光谱的影响

施入不同用量生物炭后盐碱土壤的红外光谱如图2所示。由图2可观察到有明显的吸收峰，其归属分别为：3 400 cm-1（羧酸、酚类、醇类等的—OH伸缩振动和酰胺类官能团的N—H振动）；2 920～2 820 cm-1（脂类结构中—CH2和—CH3的C—H的伸缩振动）；1 720 cm-1（羧酸的C[FY=，1]O伸缩振动）；1 620 cm-1（酰胺类化合物的C—O伸展振动）；1 250 cm-1（羧基中—OH的变形振动和C—O伸缩振动）。施入不同量生物炭后对土壤结构单元和官能团数量有不同程度的影响，不同生物炭添加量处理下土壤的红外光谱谱形相似，但某些特征峰吸收强度有一定差异，比较3 400、2 920、2 820、1 720、1 620 cm-1处吸收峰强度的变化来比较施用生物炭的效果。

与未添加生物炭相比，施入生物炭后土壤在3 400、2 900、2 800 cm-1处的吸收强度降低。在1 720、1 620 cm-1处吸收强度增加，说明施入生物炭的土壤脂族链烃和羟基含量降低，芳香碳数量增加。Ⅰ2 920/Ⅰ1 620可以反映土壤的芳香性和脂族性强弱，施入生物炭后，随着施加量的增加，Ⅰ2 920/Ⅰ1 620 比值有所降低，这说明施入生物炭后随施加量的增加土壤的芳香性增加，脂族性降低。

22不同生物炭用量对盐土养分的影响

从表3可以看出，随着生物炭施加量的增加，矿质态氮、有效磷、速效钾及有机碳含量与未经任何处理的盐碱土壤相比均逐渐增加，且有机碳含量变化最为显著，是原土含量的135～151倍，相对来说加入生物炭对土壤中矿质态氮、有效磷、速效钾含量增加幅度不大，依次为原土含量的136～152、103～110、101～105倍。土壤中各指标的增加是因为生物炭能够产生正、负电荷，能够有效吸附盐土中的养分、降低盐土的淋溶损失，同时生物炭本身含有植物生长所需的养分，尤其是使土壤中有机碳含量大幅度提高，改善了土壤的养分环境[15-17]。

23不同生物炭用量对盐土pH值、水溶性盐和阳离子交换总量的影响

由图3可知，施加生物炭后盐碱土壤的pH值与未加入生物炭盐碱土壤的pH值有所降低，但降低幅度并不明显，降低007～014，可能是因为生物炭本身呈碱性，其对盐土的改良效应与自身的碱性效应相当[18]，且试验时间较短，尚不能明确生物炭对土壤pH值影响的作用机理。生物炭本身的多孔性、巨大的比表面积及羟基集团赋予生物炭很强的吸附能力，使其能够提高土壤的阳离子交换性能[19-20]，如图3所示，施入生物炭后土壤的阳离子交换总量大大增加，施加量由低到高阳离子交换总量分别是45、57、72 cmol/kg，随着生物炭用量增加而增加，显著高于原土值。添加生物炭后还降低了土壤中水溶性盐含量，低密度的生物炭能够有效减小土壤容重，使土壤的总孔隙度和大孔隙度增加，土壤中盐分离子的淋洗较之前物理结构较差的盐土更强[21-25]，从而使得盐碱土壤中盐分显著减少，由原土的9256 cmol/kg减少到 5516～8054 cmol/kg。

注：同列数据后不同小写字母表示在005水平上差异显著。下同.

24不同生物炭添加量对土壤酶活性的影响

土壤质量不仅取决于土壤理化性质，而且与土壤生物学性质紧密相关[26]。土壤酶是土壤生态系统代谢的又一类重要动力，它是土壤生物学活性的总体现，表现了土壤的综合肥力特征及其变化状况，是评价土壤肥力水平的重要指标[27]。

脲酶与土壤供氮能力密切相关，能够表征土壤氮素的供应程度[28]。不同玉米秸秆生物炭添加量对土壤脲酶活性的影响见表4，玉米秸秆生物炭按20 g/kg比例施加到土壤中，脲酶活性比原土提高2667%，各生物炭添加量处理脲酶活性均大于未添加任何改良剂原土中脲酶活性。土壤磷酸酶活性是指示土壤磷素状况的灵敏指标[29]。由表4可以看出，磷酸酶活性总体呈现出增加趋势，与原土相比，添加玉米秸秆生物炭后明显提高磷酸酶活性，特别是添加量为20 g/kg时，提高幅度达到519%，增加了土壤供磷能力。蔗糖酶活性的大小反映了土壤有机碳积累与分解转化的规律[29]，各添加量处理蔗糖酶活性的变化在92389～98057 μg/（g·h）之间，变化幅度为7445 μg/（g·h）。

25不同生物炭添加量对盐碱土微生物生物量的影响

土壤微生物生物量碳（MBC）是土壤有机质中最活跃和最易变化的部分，是土壤生物肥力的重要标志[30]。由图4可以看出，生物炭的加入明显提高了MBC含量。培养天数相同时，随着生物炭添加量的增加，土壤中微生物生物量碳含量增加。培养20 d后，不同添加量处理下分别比对照高650%、4675%、7922%。在120 d的培养期间，随着培养时间的延长，不同处理的MBC均降低，但是直到培养结束生物炭处理的土壤中MBC含量仍高于对照，添加比例为20 g/kg时，分别比对照高7922%、8484%、2440%、9667%，生物炭具有疏松多孔的结构，巨大的表面积以及能够保持水分和空气的特点，可为土壤微生物的聚集、生长与繁殖提供良好的环境。

图4还显示，不同生物炭添加量对土壤中微生物生物量氮（MBN）影响效果与MBC类似。培养20 d后，不同添加量处理下分别比对照高5556%、11111%、16296%。在120 d的培养期间，添加比例为20 g/kg时，分別比对照高7922%、8484%、2440%、9667%，生物炭含碳量丰富，在培养过程中会部分降解，为微生物提供新的碳源，促进MBN含量的增加，对土壤生物肥力有所提高。

26不同生物炭添加量对盐碱土壤代谢熵和微生物熵的影响

代谢熵（qCO2）是对土壤微生物呼吸速率与微生物生物量变化的综合反映，代谢熵值小，碳源的利用效率高。由表5得出，加入生物炭后土壤代谢熵分别降低了213%、851%、1560%，生物炭添加量越大，代谢熵越小。土壤微生物熵反映土壤微生物对有机碳的利用效率。培养30 d时，添加生物炭能提高微生物熵，提高幅度为2133%；培养60、120 d后添加生物炭降低了微生物熵值。

27生物炭对玉米苗期生长的影响

在玉米收获时对株高、茎粗及叶片数进行了测定。由表6可知，施用玉米秸秆生物炭可促进玉米苗期的生长，不同生物炭施用量比原土种植的玉米株高增加了1244～1313 cm，与原土种植的玉米相比，茎粗的增幅为011～018 cm。但是当生物炭施用量达到15 g/kg后，株高、茎粗和叶片数不再明显增加，其原因可能是生物炭能够增加作物对养分的吸收，减少了养分的淋失以及生物炭改善了土壤的理化性状[31-36]。

3结论

生物炭的添加能够提高土壤中矿质态氮、有效磷、速效钾及有机碳含量，且生物炭施加量越大，各养分含量越大，且对土壤有机碳含量提高幅度较大，加入生物炭后有机碳含量是原土的135～151倍。

施加生物炭后对盐碱土壤pH值影响不显著，pH值降低幅度很小。但是土壤阳离子交换量得到了明显的改善，随着生物炭施用量的增加，阳离子交换量越高，但是保肥能力仍然比较弱，其值均小于10 cmol/kg，需进一步改善提高。盐碱土中添加了生物炭后，其水溶性盐含量大幅度降低。

随着玉米秸秆生物炭添加量的增加，盐碱土中脲酶活性、磷酸酶活性及蔗糖酶活性显著增高，提高幅度分别为 2667%、519%、822%。

生物炭的加入显著提高了土壤微生物生物量的含量。培养20 d后，不同添加量處理下MBC含量分别比对照高 650%、4675%、7922%。在120 d的培养期间，当添加比例为20 g/kg时，MBC含量分别比对照高7922%、8484%、2440%、9667%，不同生物炭添加量对土壤中微生物生物量氮（MBN）影响效果与MBC类似。

加入生物炭后土壤代谢熵分别降低了213%、851%、1560%。培养30 d时，添加生物炭能提高微生物熵，提高幅度为2133%；培养60、120 d后添加生物炭降低了微生物熵值。

生物炭对玉米苗期生长的影响。不同生物炭施用量比原土种植的玉米株高增加了1244～1313 cm，与原土种植的玉米相比，茎粗的增幅为011～018 cm。但是当生物炭施用量达到15 g/kg后株高、茎粗和叶片数不再明显增加。

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