不同农业废弃物生物炭及施用量对土壤pH值和保水保氮能力的影响

吴愉萍，王明湖，席杰君，潘 洁，陈玲瑜，连 瑛，孙 辉，周 萍

（1．宁波市农产品质量安全管理总站，浙江 宁波 315012；2．宁波市种植业管理总站，浙江 宁波 315012；3．浙江炭极科技有限公司，浙江 杭州 310100）

我国是一个农业文明古国，在传统的农耕操作中，秸秆等农业废弃物，多以焚烧还田方式处理。但随着国家的进步，整个社会环保意识逐渐增强，秸秆焚烧被禁止，农业废弃物资源化问题面临巨大的挑战。生物炭是生物质在缺氧和一定温度条件下热裂解干馏形成的富碳产物［1］，性质类似于大田秸秆焚烧后的产物，具有碳含量高、pH值高和孔隙度高等特点［2］，且因其制作过程经过了高温，去除了生物质本身携带的虫卵、病原菌、杂草种子等不利农业生产的因素，因此被认为在低碳农业途径中具有很大的应用前景［3］。许多研究表明，生物炭用在农业土壤中，具有改良酸性土壤［4］，促进土壤保水保肥性能提升［5］，降低土壤重金属等污染物质有效性［6］等作用。但是，这些作用的发挥与制作生物炭的原料，生物炭的制取方法以及土壤的性状等有关［5］，且存在较大的差异［7］。本文以5种宁波当地较为常见的农业废弃物资源为原料制作生物炭，比较了5种自制生物炭以及2种外购生物炭对土壤pH值和保水保氮性能的影响，以期为生物炭在农业生产中的大面积推广应用提供基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 生物炭

供试生物炭共7种，分别为黄秋葵秸秆炭（HQK）、茭白秸秆炭（JB）、水稻秸秆炭（SD）、废弃食用菌基质炭（JZ）、无花果秸秆炭（WHG）、猪粪炭（SM）和稻壳炭（DK）。其中黄秋葵秸秆炭、茭白秸秆炭、水稻秸秆炭、废弃食用菌基质炭、无花果秸秆炭由本地农场提供原料，公司制备。制备过程为：秸秆田间采收后稍作风干，随即放入炭化炉，以20 ℃·min-1的速率升至炭化温度，保温一定时间后，随炉冷却至室温，具体烧制参数见表1。猪粪炭来源于浙江大学实验室。稻壳炭采购自当地一家大米加工厂，以稻壳作为稻谷烘干燃料。所有供试生物炭均磨碎过2 mm筛，制备参数及基本理化性状见表1。

1.1.2 土壤

供试土壤采自宁波市起源农场，类型为青紫泥田，采样时地面种植作物为蔬菜。样品采集后带回实验室风干、磨细，过2 mm筛备用。经测定，土壤 pH 值为 5.84，有机质含量为 51.4 g·kg-1，水解性氮含量为 264 mg·kg-1，NH4+-N 含量为 31.4 mg·kg-1，NO3--N 含量为 186.1 mg·kg-1，有效磷含量为 438 mg·kg-1，速效钾为 502 mg·kg-1。

表1 供试生物炭的制备参数及基本理化性状

1.2 试验方法

试验均在室内完成，设置0.5%、1%、2%和5% 4个不同生物炭添加水平，制成不同生物炭添加量的土壤样品备用。7种生物炭，4个不同生物炭添加水平，1个对照不添加生物炭处理，共计29个处理。生物炭对土壤pH值的影响通过测定不同处理土壤样品pH值的变化确定。pH值的测定参照马嘉伟等［8］的方法，具体而言，称取10 g土壤样品，按照土水比1∶2.5加25 mL去离子水，混匀，待平衡2 h后测定pH值。生物炭对土壤保水性能的影响通过测定不同处理土壤样品持水量（WHC）的变化确定。土壤持水量的测定方法为：称取100 g土壤样品于布氏漏斗中，加去离子水至土样完全浸透，并使水面高出土面1 cm，平衡4 h，排干水，并抽真空20 s，完成水分饱和土壤样品的制备，再通过称重法测定该样品含水量，视为土壤持水量［9］。生物炭对土壤保氮性能的影响以NH4+-N和NO3--N作为研究对象，通过测定不同处理土壤溶液中NH4+-N和NO3--N含量变化确定，具体而言，称取2.5 g土壤样品于100 mL玻璃瓶中， 加入 50 mL 含有 0.01 mol·L-1KCl的溶 液，滴入2滴氯仿，在室温下水平震荡24 h，然后用Whatman No. 42滤纸将溶液过滤，并将溶液立即进行-N的测定［10］，-N采用全自动FOSS定氮仪直接测定，-N采用麝香草酚分光光度法测定。按下式计算土壤溶液中NH4+-N或-N被吸附量的量：

Q=（C0-C）×100/C

1.3 数据分析

每个处理重复3次，数据的表达均为平均值±se。采用 DPS v 7.05 进行方差分析，用 Sigmaplot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 对土壤pH值的影响

土壤酸化是我国农业生产中较为突出的问题，寻找可持续的改良酸化土壤的方法迫在眉睫。由图1可知，供试生物炭对于提高土壤pH值均有一定的作用，黄秋葵秸秆炭、水稻秸秆炭、废弃食用菌基质炭和稻壳炭在0.5%的添加量时即极显著的提高了土壤pH值，将土壤pH值从5.84提高到了6.03～6.08。除无花果秸秆炭外，其余几种生物炭在1%的添加量时均极显著提高了土壤pH值，其中水稻秸秆炭添加后土壤pH值增幅最大，从5.84提高到了6.83（图1）。在2%的添加量时，所有供试生物炭均极显著的提高了土壤pH值，增幅达到了0.12～1.33个单位（图1）。生物炭添加量在5%时，土壤pH值从5.84提高到了6.20～8.01，茭白秸秆炭和水稻秸秆炭将酸性土壤转变成了碱性土壤（图1）。在实验室条件下，添加生物炭提高了土壤pH值，生物炭添加量为2%时，所有处理pH值均显著提高，茭白秸秆炭和水稻秸秆炭在提高酸化土壤pH值的作用上效果最为明显。

图1 不同生物炭种类及添加量对土壤pH值的影响

吴敏等［11］研究了椰炭和蔗炭对酸性土壤的改良作用，发现，生物炭的添加量在1.5%～7.5%时均显著提高了土壤pH值，随着生物炭添加量的增加，椰炭将土壤pH值从4.8提高到了5.5～7.2，蔗炭提高到了5.0～5.7，椰炭对土壤pH值的改良作用要好于蔗炭。王震宇等［12］将在300和400℃2种温度下慢速热解花生壳炭以2.5%和5%的比例添加到了酸化果园土壤中，经过44 d的培育后，土壤pH值显著提高，从4.5左右均增加到了5.0～5.9，且热解温度高的比低的增加多，添加量大的比添加量小的增加多。本试验中生物炭提高土壤pH值的能力与生物炭的pH值、烧制终温或保温时间均无相关性。生物炭能够提高土壤pH值一方面与生物炭的碱性属性使其施入土壤后对土壤pH值产生直接影响有关［13］，另一方面也与其含有Ca2+、K+、Mg2+，与土壤 H+和 Al3+的交换有关［14］。

2.2 对土壤保水性能的影响

由图2可知，添加生物炭能够提高土壤的持水能力。水稻秸秆炭在添加量为0.5%时，极显著（P＜0.01）的提高了土壤的持水量，增幅为2.72%，其它几种生物炭在添加量为0.5%时效果不显著（图2）。当生物炭添加量达到1%时，除茭白秸秆炭外，其它几种生物炭均极显著提高了土壤持水量，增幅分布在3.00%～6.83%之间（图2）。生物炭添加量在2%时，所有供试生物炭均极显著的提高了土壤持水量，增幅分布在2.87%～12.30%之间，水稻秸秆炭和废弃食用菌基质秸秆炭的增幅最大，达到了12.30%（图2）。当生物炭的添加量提高到5%时，土壤持水量增幅达到了8.49%～21.38%，其中添加猪粪炭土壤持水量增加幅度最小，为8.49%，添加水稻秸秆炭土壤持水量增幅最大，为21.38%（图2）。从实验室效果看，几种供试生物炭中，水稻秸秆炭提高土壤保水能力的作用最明显。

图2 不同生物炭种类及添加量对土壤保水性能的影响

生物炭具有较高的孔隙度和比表面积，会使土壤水分的渗滤模式、停留时间和流动路径发生改变［15］，从而提高土壤的保水能力。李昌见等［16］通过野外大田小区试验研究了生物炭对土壤持水能力的影响，结果发现，添加生物炭增加了土壤含水率，0～10 cm土层各生育期土壤含水率较对照组最大增幅分别为20.8%、13.7%和21.8%，施炭量为40 t·hm-2时，土壤含水率增幅最明显。吴崇书等［7］研究了生物炭对质地和有机质相差较大的8种土壤田间持水量的影响，结果发现，添加1%生物炭时，不同土壤间持水量增加了2.26%～18.47%，添加2%生物炭时，不同土壤间持水量增加了6.84%～37.37%，生物炭提高土壤保水性能对于壤质沙性土壤效果更为明显。

2.3 对土壤保氮性能的影响

由图3可知，相对于NO3--N而言，生物炭更有利于土壤溶液中NH4+-N的吸附。除添加1%废弃食用菌基质炭外，其他处理均促进了土壤溶液中-N的吸附，生物炭对土壤溶液中NH4+-N的吸附量分布在1.31%～27.48%（图3）。这与Yao等［17］的研究结果一致。但是，所有供试生物炭均未表现出随着土壤中生物炭的添加量增大，吸附-N量增加的现象（图3）。不同种类生物炭对的吸附能力不同，无花果秸秆炭对的平均吸附量最大，为20.55%，显著（P＜0.05）高于废弃食用菌基质炭（7.00%）和黄秋葵秸秆炭（6.98%）（图4）。添加生物炭对土壤溶液中的N则基本无吸附作用，反而大多数处理促进了-N的释放，土壤溶液中-N的吸附量分布在-15.98%～11.48%之间（图3）。随着生物炭添加量的增加，土壤溶液中-N的吸附量也并无规律性变化（图3）。将土壤溶液中-N吸附量按照不同生物炭种类做平均值显示，茭白秸秆炭和稻壳炭促进了土壤溶液中N的吸附，平均吸附量分别为2.09%和3.50%，显著（P＜0.05）高于废弃食用菌基质炭（-11.96%）（图4）。

图3 添加不同种类和数量生物炭对土壤溶液中-N吸附量的影响注：不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05）。下同。

生物炭对土壤中氮的固持效应取决于生物炭原料［5］、制备条件［5］、施用量［13］及土壤质地［13］等因素。许多研究发现生物炭的添加能够促进土壤中N的吸附［18-19］。生物炭对土壤中-N的吸附主要与其表面丰富的含氧官能团有关，丰富的含氧官能团提高了生物炭离子吸附交换能力，从而增加了土壤对的吸附量［20］。Endita等［21］研究了稻壳炭对水溶液中-N和-N的吸附，发现稻壳炭对硝态氮基本无吸附能力，对铵态氮则能吸附一定量，且随着溶液中铵态氮浓度的增加，吸附能力增强，当溶液中铵态氮的浓度到达200 mg·L-1时，稻壳炭的吸附力达到了 N 4.7 mg·g-1。Yao等［17］通过实验室方法研究了13种生物炭对水溶液中-N和-N的吸附，发现供试生物炭对-N基本无吸附作用，但9种生物炭对水溶液中的-N存在一定的吸附作用，水溶液中-N的减少量分布在1.8%～15.7%之间，与本研究的结果基本一致。本试验中，生物炭整体上对土壤溶液中N存在吸附作用，但吸附量并未随着生物炭的添加量增大而增大，分析原因可能与土壤溶液中-N浓度（1.57 mg·L-1）较低，参与吸附作用的生物炭数量（0.01～0.13 g）少有关。Endita等［21］的研究也发现，当溶液中初始氮浓度在5 mg·L-1时，稻壳炭吸附的氮量也非常低。

图4 不同种类生物炭对土壤溶液中NH4+-N和NO3--N的平均吸附量

3 结论

3.1 生物炭具有改良酸化土壤的性能。随着生物炭添加量的增加，土壤pH值提高。不同原料生物炭改良酸化土壤的能力不同，茭白秸秆炭和水稻秸秆炭提高土壤pH值的作用最明显，猪粪炭和稻壳炭作用最弱。

3.2 生物炭具有保水的性能。保水能力的强弱与生物炭种类及添加量有关。当生物炭添加量≥2%时，所有供试生物炭均极显著地提高了土壤持水量。当生物炭的添加量提高到5%时，土壤持水量增幅达到了8.49%～21.38%。水稻秸秆炭在提高土壤保水能力上的作用最明显。

3.3 生物炭能够吸附土壤溶液中NH4+-N。不同添加量生物炭对土壤溶液中NH4+-N的吸附量分布在1.31%～27.48%。但是，所有供试生物炭均未表现出随着土壤中生物炭的添加量增大，吸附NH4+-N的量增加的现象。无花果秸秆炭对土壤溶液中NH4+-N的吸附能力最强，废弃食用菌基质炭和黄秋葵秸秆炭吸附能力最弱。添加生物炭对土壤溶液中的NO3--N则基本无吸附作用。