生物炭的10年土壤培肥效应

2018-12-25史思伟娄翼来杜章留张庆忠

中国土壤与肥料 2018年6期

史思伟,娄翼来,杜章留,王芊,韩硕，张庆忠

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

生物炭是生物质材料在低温缺氧条件下热裂解得到的富碳物质[1]，一般含碳量大于50%，除了富含大量的碳化组分以外，生物炭中也包含了大量的非碳化组分(N、P、K、Ca、Mg等)[2]。近年来，研究者逐渐将生物炭应用到农业领域，作为一种利用价值较高的农田土壤改良剂，能够改善农田土壤的理化性质，增加土壤碳固定，提升土壤肥力[3-4]。然而，生物炭作为一种土壤改良剂，其与土壤、植被之间的交互作用位点变化较大，因此很难建立起明确的土壤理化性质和生物炭适用性之间的关系[5]。从长远角度来看，农田土壤施用生物炭可以增加土壤有机物质储存[6-8]，促进作物对N的吸收[9]，改善土壤孔性、pH值、水分蒸发等[10-11]。

本文以华北平原持续10年的生物炭田间定位试验为依托，通过取样分析，研究了长期施用生物炭对土壤有机质、养分等肥力因子的影响，旨在揭示长期施用生物炭的土壤培肥效应，为生物炭的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点

试验地点位于山东省桓台县华北集约农业生态系统试验站(东经117°58′，北纬36°5′，海拔17.0 m)。桓台县属于温带大陆性季风气候，年平均日照时数2 832.7 h，5月最多，2月最少，日照率62%，年平均气温12.5℃，年平均降水量587 mm，多集中在6～8月。土壤类型为砂姜黑土，试验前基础土壤性质(0～15 cm)为:有机质18.6 g·kg-1，全氮0.70 g·kg-1，有效磷11.5 mg·kg-1，速效钾210.1 mg·kg-1，容重 1.52 g·cm-3，pH值(土水比=1∶2.5)8.1。作物为一年两熟制，冬小麦(10月初至次年6月初)和夏玉米(6月中旬至9月下旬)轮作。

1.2 试验设计

本试验选用的生物炭(粒径<1 mm)为秸秆炭，是将压碎的玉米秸秆在低温(360℃)限氧的条件下热裂解得到的。秸秆炭的基本理化性质为：比重0.297 g·cm-3，pH值8.1，总碳65.7%，总氮0.91%，有效磷0.08%，速效钾1.60%。

田间试验开始于2007年6月，共设4个处理：对照(CK)、生物炭4.5 t·hm-2·年-1(B4.5)、生物炭9 t·hm-2·年-1(B9.0)、秸秆还田(SR)，每个处理重复3次，完全随机区组排列，小区面积为36 m2(6 m×6 m)，共计12个小区。生物炭人工撒施后翻耕(深度15 cm)混入表层土壤中，收获后的作物秸秆直接粉碎翻耕还田。其他栽培管理措施均为一致，其中每季作物氮磷钾肥用量分别为：N 200 kg·hm-2、P2O563.64 kg·hm-2和K2O 45.46 kg·hm-2。其中氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。磷钾肥均做底肥一次性施入，氮肥一半底施，另一半做追肥。

1.3 土样采集与分析

1.4 数据处理

试验所得数据应用Excel 2007和SPSS 19.0进行分析处理，采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较(P<0.05)，最终结果均以“平均值±标准差”的形式呈现。

2 结果与分析

2.1 土壤容重

土壤容重在1.23～1.37 g·cm-3之间，平均为1.30 g·cm-3，下层的容重相对较大(图1)。在0～7.5 cm土层，与CK相比，B4.5、B9.0和SR处理的土壤容重分别降低了2.2%、8.2%和6.7%，其中后两个处理的变化达到显著差异水平，而B4.5处理的变化不显著，且B9.0和B4.5处理之间的差异亦显著。在7.5～15 cm土层，与CK相比，B4.5、B9.0和SR处理的土壤容重分别降低了2.2%、7.3%和5.1%，各处理之间的差异显著性和0～7.5 cm土层一致。

图1 不同处理土壤容重注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 土壤pH值和电导率

土壤pH值在8.01～8.11之间，平均为8.04，上土层相对较高(图2)。在0～7.5 cm土层中，相比于CK,B4.5、B9.0、SR处理的土壤pH值均有提高，但处理间差异不显著。在7.5～15 cm土层，相比于CK，B4.5、B9.0和SR变化较小，处理间差异亦不显著。

图2 不同处理土壤pH值

土壤电导率在189.1～231.3 μS·cm-1之间，平均为208.2 μS·cm-1，土层间差异较小(图3)。在0～7.5 cm土层，与CK相比，B4.5和B9.0处理的土壤电导率分别降低了5.8%和7.8%，SR处理的电导率升高了4.7%，差异均未达显著水平。在7.5～15 cm土层，与CK相比，B4.5和B9.0处理的土壤电导率分别降低了1.5%和7.3%，SR处理提高了13.4%，差异亦不显著。

图3 不同处理土壤电导率

2.3 土壤有机质

土壤有机质含量在20.4～46.4 g·kg-1之间，平均为31.2 g·kg-1，施炭处理上层相对较高，而秸秆还田处理下层相对较高(图4)。在0～7.5 cm土层，与CK相比，B4.5、B9.0和SR处理的土壤有机质含量分别上升了57.7%、123.1%和19.7%,其中B4.5、B9.0处理差异显著，SR处理差异不显著，且B4.5和B9.0处理间差异显著。在7.5～15 cm土层，与CK相比，B4.5、B9.0和SR处理的土壤有机质含量分别上升了58.3%、111.8%和40.7%，且各处理间差异性显著。

图4 不同处理土壤有机质含量

2.4 土壤养分

土壤总氮含量在1.05～1.29 g·kg-1之间，平均为1.19 g·kg-1，土层间差异较小(表1)。在0～7.5 cm土层，与CK相比，B4.5、B9.0和SR处理的总氮含量分别上升了11.4%、21.9%和21%，差异显著，且B4.5和B9.0处理间差异亦显著。在7.5～15 cm土层，与CK相比，B4.5、B9.0和SR处理的总氮含量分别上升了11.3%、15.1%和21.7%，差异显著，而B4.5和B9.0处理间差异不显著。

土壤总磷含量在0.94～1.10 g·kg-1之间，平均为1.01 g·kg-1，土层间差异较小(表1)。在0～7.5 cm土层，与CK相比，B4.5、B9.0和SR处理总磷含量略有上升，但处理间差异不显著。在7.5～15 cm土层，总磷含量变化较小，各处理间差异性与0～7.5 cm一致。

土壤有效磷含量在8.45～23.5 mg·kg-1之间，平均为13.04 mg·kg-1，下土层相对较高(表1)。在0～7.5和7.5～15 cm土层，对比CK,B4.5、B9.0和SR处理的有效磷含量降低了23.1%～42.0%，且差异显著，而B4.5和B9.0处理间差异不显著。

土壤速效钾含量在78.9～131.9 mg·kg-1之间，平均为102.2 mg·kg-1，上土层相对较高(表1)。在0～7.5 cm土层，与CK相比，B4.5、B9.0和SR处理的速效钾含量分别上升了2%、30%和34%，其中后两个处理的变化达到显著差异水平，且B4.5和B9.0处理间差异显著。在7.5～15 cm土层，与CK相比，B4.5、B9.0和SR处理的速效钾含量分别上升了20.3%、10.1%和24.2%，其中B4.5、SR与CK处理间差异显著，而 B4.5和B9.0处理间差异不显著。

表1 不同处理土壤养分状况

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

3 讨论

3.1 长期施用生物炭对土壤容重、pH值、电导率的影响

生物炭使耕层土壤容重降低了，且施炭量越大容重降低幅度越大。施用生物炭降低了土壤容重可能是因为其本身含有大量的表面孔隙，与土壤混合之后提高了土壤的孔隙比从而降低了土壤容重；其次，生物炭促进了土壤团聚体结构的形成[20-21]，从而增大了土壤孔隙度，造成土壤容重降低。此前，关于短期施用生物炭的田间试验降低了土壤容重的研究已有报道[22]。本研究的结果表明，秸秆还田同样降低了土壤容重。秸秆的物理密度较低，归还到土壤中，在未完全腐解的状态下可以对土壤结构产生疏松效果。另外，植物残体的输入可以提高其周围微生物的活性，微生物的分泌液可以促进大团聚体的形成[23]，增加土壤的大孔隙数，进而降低容重。

施用生物炭土壤pH值略有提高，但是变化未达到显著性差异水平。Chan等[24]做了添加不同原材料生物炭对土壤理化性质影响的短期盆栽试验研究，结果表明添加生物炭显著提高了土壤的pH值,该结果与本研究的结果并不一致。产生不同结果的原因可能是：1.供试土壤的初始pH值不同。本研究的试验田初始的土壤pH值(8.1)偏碱性，虽然生物炭的性质也偏碱性，但是对土壤的pH值影响不明显；2.生物炭的施用年限不同。本研究为长期施用生物炭试验，短期内施用生物炭可能会提高土壤pH值，而长期施用生物炭提高了土壤孔隙度，使得土壤的淋洗作用变强，因此施用生物炭10年之后对土壤pH值的影响并不大。本研究的秸秆还田处理的土壤pH值变化较小。秸秆在土壤中腐解转化能够影响微生物活性，可能会影响土壤pH值，但是pH值的变化主要还是受到土壤质地、施肥、灌水等综合因素的影响[25]。

施用生物炭的处理土壤电导率降低了，且施炭量越大电导率降低幅度越大。施用生物炭导致容重降低，因而增加了土壤的通气性、蓄水性，但是容重过低容易造成养分的淋失[14]，养分的淋失更加剧烈可能是导致电导率下降的一个因素。另外，生物炭表面带有大量的负电荷的官能团，对土壤中游离的阳离子(Ca2+、Mg2+等)具有较强的化学吸附作用。该结果与孙军娜等[26]的短期室内培养试验结果不一致。短期试验的生物炭可能增加氢离子与土壤胶体表面发生阳离子置换作用，释放离子增加土壤电导率，而长期试验可能受土壤淋洗的影响更大。本研究中秸秆还田处理的结果则提高了土壤电导率，原因可能是作物秸秆中含有农作物生长需要的氮、磷、钾、镁、钙等矿质营养元素,腐解之后释放到土壤中，为土壤提供了外来的盐分离子，增加了土壤中水溶性盐分离子的总量。

3.2 长期施用生物炭对土壤有机质和养分状况的影响

生物炭使土壤有机质含量提高了，且达到了显著性差异水平。生物炭的含碳量高，稳定性强，能够稳定的保存在土壤当中，有利于土壤中的有机碳的累积[27]。此外，大量研究发现，生物炭对土壤本体有机质存在激发效应，尤其是负的激发效应较多[28-29]，抑制了土壤本体有机碳的分解，减少了土壤的碳输出。本研究的秸秆还田同样提高了土壤有机质含量。秸秆还田增加了土壤的有机碳的输入，有利于土壤有机碳的累积。

生物炭处理的土壤总氮含量同样有显著的提升，上升了11.3%～21.9%。此前有研究表明，生物炭可以提高生物固氮能力[30]，也可以促进菌根真菌的繁殖[31]。同时，由于生物炭对土壤有机质的负激发效应，缓解有机氮的矿化分解，也有利于土壤总氮的累积。本研究的秸秆还田处理也提高了土壤总氮含量。一方面是由于秸秆还田为土壤提供了新鲜的有机物质源，增加了土壤的氮输入。另一方面可能是因为秸秆还田促进了真菌菌丝体的生长，提高了固氮能力。

本试验的生物炭和秸秆还田处理总P含量都有提高，但均未达到显著性差异。生物炭组分中含有一定量的P，在土壤中经过10年的转化之后，可能为土壤提供了少部分的P。Raave等[34]也发现了施用生物炭使P的淋失降低了，增加了土壤中P的累积。因此，施用生物炭降低了P的淋失，也有可能是使总P含量略有上升的原因之一。本研究的秸秆还田处理总P含量同样上升了，但亦未达到显著性差异水平。秸秆中本身包含一定量的P，腐解之后为土壤提供了新的P源，增加了土壤P的输入，有助于P含量的提升。

生物炭处理速效钾的含量提升了2%～30%。生物炭本身包含大量的可提取性钾，施入土壤之后增加了钾的输入，可能有助于速效钾总量的提高。本研究中秸秆还田处理的速效钾含量也提升了，并且达到了显著性差异水平。秸秆可以作为农业生产中重要的肥料资源，能提升土壤有机质含量和质量、速效养分含量[35-36]。秸秆中含有大量的钾元素，腐解之后为土壤提供了大量的钾离子源，增加了土壤中钾离子的输入，这可能是土壤速效钾含量显著提高的主要原因。