不同水分培养下添加生物质炭湿地土壤pH的变化特征

张群　张平究　杜永固　于小彦

摘要[目的]研究在不同水分条件下添加生物质炭后湿地土壤pH的变化特征。[方法]以巢湖十五里河河口湿地土壤为研究对象，采用室内土柱模拟试验，研究在干湿交替（J）、75%田间持水量（75%）和淹水（Y）3种水分条件下，添加不同条件（350℃与600℃、洗涤与未洗涤）制备的生物质炭对湿地土壤pH的影响。[结果]随着培养时间的延长，在干湿交替和75%田间持水量条件下，对照组土样pH先降低后升高，加入生物质炭可以降低土样的pH，增加其酸度，且干湿交替时培养时间越长，降低作用越明显；淹水培养土壤pH变化趋势呈“W”型，添加生物质炭对其有影响，但在不同培养周期作用不同。培养期间，对照组土壤pH为CKY>CKJ>CK75%。添加生物质炭后，土壤pH为Y>J和75%，且水分培养条件相同，添加同一温度制备的洗涤与未洗涤生物质炭土壤pH变化趋势相同。[结论]该研究为利用生物质炭进行土壤酸碱度改良提供参考。

关键词 湿地土壤；生物质炭；不同水分条件；pH

中图分类号 S156 文献标识码 A 文章编号0517-6611（2018）11-0109—03

土壤pH是重要的土壤理化性质，其变化会影响土壤中重金属的形态和浓度、土壤养分状况、微生物的种类与数量及土壤对磷的吸附解吸特性等。而生物质炭作为一种新型的环境材料，其制取原料来源广、表面性能多样、物理结构独特、生态环境效应优良，在土壤改良、污水治理、全球气候变化以及受污染环境修复等研究方面具有广阔的应用前景。

生物质炭作为土壤改良剂，具有较高的pH，输入土壤后会降低土壤容重、提高土壤保水性或增加土壤斥水性、调节酸性土壤pH、提高土壤CEC及土壤有效磷含量、促进团聚体形成等。笔者将不同条件制备的生物质炭加入湿地土壤中进行6个周期，每周期120d的培养，研究在不同水分条件下，添加生物质炭后湿地土壤pH的变化特征，旨在为利用生物质炭进行土壤酸碱度改良提供参考。

1材料与方法

1.1研究区概况 巢湖地处安徽省中部，位于117°1654”～117°51，46”E、31°2528”～31°4328”N，属副热带季风气候区，是我国五大淡水湖泊之一。该流域地理环境独特、环境生态功能巨大、资源条件丰富，不仅在当地气候和水文调节、生物多样性保存、水源调蓄等方面发挥重要的生态效应，同时也促进流域社会经济的发展。

1.2土壤样品采集与处理 2014年4月土样采于巢湖十五里河河口湿地后，快速运回实验室，自然风干磨碎过筛，一部分过2mm筛后作为土柱培养试验备用。另一部分土样分别过孔径10目和100目筛，进行土壤理化性质测定。十五里河河口湿地土壤基本性质：有机质58.69g/kg，全磷1.64g/kg，有效磷101.59mg/kg，pH4.55，黏粒22.81%，粉粒68.62%，砂粒8.57%。

1.3生物质炭样品的制备与处理 将芦苇收割自然风干后切成小段，密封于不锈钢铁盒中，置于马弗炉中分别在350和600℃下隔氧加热4h，得到2种温度的生物质炭。研磨生物质炭并过10～30目筛选粒径。由于生物质炭在制作过程中会产生醋液、无机盐和焦油等性质较活跃的附在生物质炭表面的热解副产物，影响生物质炭本身及土壤性质。因此将筛选好的炭一份浸于无水乙醇中24h后用去离子水反复浸泡清洗，再用无水乙醇浸泡24h，重复上述操作3次后，将得到的生物质炭置于60℃中进行干燥处理，得到洗涤生物质炭；另一份不进行处理直接加入土壤中作为未洗涤试验组。

1.4室内土柱模拟试验 按生物质炭占炭土混合样质量的4%称取168g土样与7g生物质炭，放入内壁直径7cm、高15cm、底部设有堵上橡胶塞的用于渗滤的聚氯乙烯圆柱管内，在干湿交替（J）、75%田间持水量（75%）、淹水（Y）3种水分条件下，进行120-720d的培养。

处理方案：对照组土样（CK）；土样+350℃洗涤/未洗涤生物质炭（350℃X/350℃WX）；土样+600℃洗涤/未洗涤生物质炭（600%X/600%WX），共15组处理，每个处理设3个重复。在3种水分条件下培养6个周期，每周期120d。培养时间为2014年9月至2016年9月，共培养2年。

1.5样品分析 土壤理化性质的测定参考土壤农业化学分析方法。土壤pH采用pHS-29B酸度计（水土比为2.5：1.0）测定。

1.6数据处理 利用Excel2003对试验数据进行处理和制图，利用SPSS17.0对不同处理间的差异进行分析。

2结果与分析

2.1添加生物质炭对湿地土壤pH的影响 未培养前土壤pH为4.55，酸性土壤，为黏壤土，有机质和全磷含量较高，说明污染较严重，内源污染的风险大。经过培养试验发现在不同水分条件下，添加生物质炭对土壤pH的影响不同。从图1可以看出，干湿交替和75%田间持水量条件下，对照土壤pH呈先降低后升高的趋势，添加生物质炭能降低土样pH，且添入350%WX生物质炭的土样pH大于350℃X。淹水条件下加入350℃生物质炭能降低土样pH，而添入600℃生物质炭在不同试验周期作用不同。

在干湿交替条件下，对照组土壤pH在培养120～480d时下降，培养后期上升。试验组土壤pH低于对照组土壤pH，且在120～600d时变化规律与对照组相同，但在720d时，试验组pH变化与对照组pH变化相反。随着培养时间的延长，生物质炭对土壤pH的降低作用越来越明显，在720d时土壤pH下降了13.84%～17.05%，其中添加350℃X生物质炭的土壤pH下降最多，下降了0.86。这说明在干湿交替条件下，添加生物质炭能降低土壤pH，其生物质炭的作用随着培养时间的增加越来越明显。

从图1可以看出，在75%田间持水量条件下，对照组土样pH在120～360d时呈下降趋势，480～720d时上升，且720d土壤pH比120d增加0.22。添加350℃WX土壤pH变化规律与对照组相同。添加另外3种生物质炭对土壤pH在不同培养时间所起的作用不同。在75%田间持水量条件下，添加350%WX生物質炭的土样pH大于添加350℃X生物质炭，而添加600℃生物质炭的土样pH除120d外均为洗涤大于未洗涤。

而在淹水处理条件下，对照组与试验组的土壤pH变化趋势呈“W”型，在培养120～360和600d时下降，在480和720d时上升。添加350℃生物质炭土样pH小于对照组，且添加350℃x生物质炭的土样pH小于其余4种处理，这说明在淹水条件下，添加350℃生物质炭能够减小土壤pH，且经洗涤的小于未经洗涤的。而添加600℃生物质炭在培养前期土样pH为600℃WXY>600℃XY，后期则是洗涤的大于未洗涤的。

2.2不同水分條件对湿地土壤pH的影响 在干湿交替、75%田间持水量和淹水3种水分条件下，对照组土壤pH由大到小依次为CKY、CKJ、CK75%。添加350及600℃生物质炭后，土壤pH均为CKY大于CKJ和CK75%，且相同水分条件，加入同一温度烧制的洗涤与未洗涤生物质炭土样pH变化趋势相同。

在干湿交替和75%田间持水量培养条件下，试验组pH总体变化趋势：培养120～240d时，干湿交替（J）大于75%田间持水量，360～720d时，75%田间持水量大于等于干湿交替（J），且相较于另外2种水分培养条件，75%田间持水量的土样pH变化幅度较小。75%田间持水量条件下，添加600℃生物质炭的土样pH在整个试验期间缓慢降低，且在360～720d时变化趋势与对照组相反，而添加350℃生物质炭在360720d呈上升趋势，与对照组相同。淹水条件下，添加生物质炭与否土样pH变化均呈“w”型。相较于在另外2种水分条件下土样pH的持续变化，淹水培养土壤pH具有更明显的季节变化特征。

3讨论

研究表明，淹水时添加350℃生物质炭能够降低土壤pH，且经洗涤的小于未经洗涤的，而添加600℃生物质炭对土壤pH的影响在不同培养周期不同。在干湿交替和75%田问持水量条件下，添加生物质炭能降低土壤pH，增加土壤酸度，尤其在干湿交替培养时，随着培养时间的延长，生物质炭对土壤pH的影响越明显，这与Chintala等在酸性土壤中加入各种生物质炭研究结果和袁金华等利用稻壳制成的生物质炭改良土壤的酸度结果均不同。这与生物质炭原料、处理方式、生物质炭的本身性质及试验的水分条件等有关。

生物质炭大部分呈碱性，由制炭原材料、热解温度、氧化程度等因子决定。同一种原料制备的生物质炭，pH随着裂解温度的上升而升高，灰分含量越高，其pH越高。该试验中未经培养的湿地土壤pH为4.55，为强酸性土壤，生物质炭pH：600℃WX为7.71，600℃X为7.47，350℃Wx为6.28，350℃X为5.43。600℃生物质炭灰分含量高于350℃，未经洗涤的生物质炭灰分含量高于洗涤的，因此前者的pH皆高于后者的pH：350℃WX>350℃X，600℃WX>600℃X，600℃>350℃。其他试验中生物质炭为碱性，该试验中生物质炭的pH更接近于中性，这与炭筛选过程造成了生物质炭表面灰分的丢失和洗涤处理时除去了生物质炭表面的碱性灰分有关。且在长时间的培养过程中，生物质炭分解也会造成土壤pH的下降。

4结论

（1）在干湿交替和75%田间持水量条件下，添加生物质炭能降低土壤pH，且添加350℃WX生物质炭的土壤pH大于洗涤的，添加600℃在干湿交替培养后期和75%田间持水量培养时为600℃X大于未洗涤的。尤其是干湿交替水分处理下，生物质炭对土壤pH的作用随着培养时间的延长越明显，且添加350℃生物质炭的土壤pH为未洗涤的大于洗涤的。

（2）对照组土壤pH为CKY>CKJ>CK75%，试验组土壤pH为CKY>CKJ和CK75%，且相同水分条件，加入同一温度的洗涤与未洗涤生物质炭土样pH变化趋势相同。