生物炭对荒漠土壤的改良作用研究

陈萌萌，唐东山，张晓文，邓钦文，李景心，许婉冰

(1.南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001；2.衡阳市土壤污染控制与修复重点实验室，湖南 衡阳 421001)

荒漠化不仅是全球重要的生态环境问题之一，更是全球重要的经济和社会问题，它是脆弱的生态环境发生严重退化的重要标志[1]。目前全世界受荒漠化影响的国家有100多个，全球荒漠化面积达3600万 km2，有约10亿人口受到荒漠化的直接威胁。我国也是受荒漠化影响较严重的国家，其广阔的干旱、半干旱及部分湿润地区存在严重的土地荒漠化现象[2-3]。

近年来生物炭在农业生态学领域应用广泛，为解决废弃生物质利用、土壤改良、肥料创新等问题提供了新的途径，在土壤改良、重金属污染修复、作物生长、土壤微生物、土壤碳库等研究中起到了积极作用[4]。生物炭是生物质在真空或缺氧条件下热解炭化产生的一类高度芳香化的富炭物质[5]。生物炭主要是由碳、氢、氧、氮、灰分及含有大量的高分子、高密度的碳水化合物(主要为纤维素、羰基、酸及酸的衍生物、呋喃、吡喃以及脱水糖、苯酚、烷属烃及烯属烃类的衍生物等成分复杂有机碳的混合物)和多种矿物营养物质组成[6]。诸多研究认为，生物炭能够利用自身特性来弥补土壤的诸多不足，在一定程度上清除或缓解土壤常见的障碍性因子，以达到改良土壤的目的[7]。生物炭改良土壤主要是通过改变土壤的物理、化学和生物学性状来实现的[8]。生物炭表面具有易氧化的官能团，随着生物炭在土壤中存在时间的延长，表面钝化后的生物炭与土壤相互作用产生一种保护基质，增加土壤有机质的氧化稳定性，提高土壤有机碳的积累[9]。生物炭能改善土壤的物理结构，影响土壤微生物活性，减少营养元素的流失，调控营养元素的循环[10-11]。张峥嵘对秸杆、杂木制品废料和污泥三种生物炭对土壤物理性质的改良做了初步研究，研究了生物炭对红壤、交换性酸、有效养分、交换性盐基、水分吸持和机械力学性质的影响[12]。Karrhu K等人研究表明生物炭可以增大土壤的比表面积、能有效降低土壤的容重与密度，增加土壤的总孔隙度、毛管孔隙度与通气孔隙度，有效地保持土壤中的水分，从而促进植物更充分地吸收水分，减少水分的损失等[13]。施用生物炭可提高土壤的田间持水量，因此对砂性土这种水分保蓄能力弱的土壤具有重要意义，可作为一种有效手段来提高干旱地区沙性土的保水能力[14-15]。Zhang Jun 等通过生物炭对沙质土水分蒸发和导水率影响的研究证明，生物炭在沙质土壤中具有较强的吸水能力 ，但吸水能力仅体现在大孔径生物炭，粉末状生物炭对于保存水分没有作用[16]。侯建伟则利用荒漠优势植物沙蒿烧制生物炭，将其进行沙地模拟封存，研究沙土的物理、化学和生物学性状对不同生物炭及有机物料与生物炭协同作用的响应[17]。本试验研究了两种生物炭在增加土壤养分和提高土壤保水性能两个方面对荒漠土壤的改良作用，为解决荒漠化问题提供了参考。

1 材料与方法

1.1 土壤

本试验土样2016年6月取自青海省海南藏族自治州固定-半固定沙丘(35°48.30'N,100°40.12'E)表层(0～5 cm)，沙样平均直径为 0.18 mm(表1)，根据土壤粒径分类，该土壤为砂质沙土，呈弱碱性。

表1 供试沙样粒径范围分布

1.2 生物炭

图1 扫描电镜下生物炭的孔隙结构

图2 X射线能谱分析下生物炭表面矿质元素重量百分比

供试材料为谷壳生物炭和锯末生物炭。谷壳由湖南省衡阳市稻谷脱壳取得，锯末通过网络平台购得。将谷壳与锯末在干燥箱中恒温60 ℃，24 h烘干，用微型植物粉碎机粉碎后制取生物炭。炭化设备选用马弗炉(SX-5-12,天津市泰斯特仪器有限公司),该设备可进行炭化温度的调控。将烘干的谷壳和锯末填满于200 mL坩埚，密封。在马弗炉内400 ℃加热6 h，冷却至室温后取出，留样备用。经扫描电镜扫描发现谷壳生物炭具有多孔特征，孔隙呈蜂窝状，随温度升高孔隙结构更加疏松。经扫描电镜扫描发现锯末生物炭同样具有多孔特征，孔隙呈筛管状，随温度升高孔隙结构更加疏松(图1)。通过X射线能谱仪扫描发现谷壳生物炭的组成元素主要为C、Si、N、Al、K、Ca、Mg、P等，含碳量高(图2)，通过傅里叶红外光谱仪分析的生物炭光谱图见(图3)，通过梅勒普pH计和EDS分析的生物炭化学性质见(表2)。

图3 生物炭的红外光谱(FTIR)分析

生物炭pH值Al/(g·kg-1)K/(g·kg-1)Ca/(g·kg-1)Mg/(g·kg-1)FixedCarbon/%Total N/(g·kg-1)Total C/(g·kg-1)谷壳8.652.070.220.130.168.058.32603.24锯末8.471.940.131.120.0668.939.58600.59

1.3 沙盘实验

本试验共7个处理，每个处理重复2次。分别为：①0%生物炭，400 g沙土(空白)，②2%谷壳生物炭，400 g沙土，③4%谷壳生物炭，400g沙土，④8%谷壳生物炭，400 g沙土，⑤2%锯末生物炭，400 g沙土，⑥4%锯末生物炭，400 g沙土，⑦8%锯末生物炭，400 g沙土。实验中将生物炭与沙土充分混合于沙盘(210 mm×105 mm×10 mm)中，于光照培养箱中(25 ℃)恒温培养，培养周期为60 d。

1.4 生物炭混合沙土分析

生物炭与沙土混合培养过程中，每天定时定量为沙盘浇水，浇水量为每个样品30 mL，实验结束后对受试土壤进行分析。通过梅勒普pH计采用土水比1∶2.5测定土壤pH值；通过重铬酸钾-分光光度法分析土壤有机碳；通过碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法分析土壤速效磷；通过保水性能测试分析各处理土壤的保水率。

1.5 数据分析

所有的试验数据利用 SPSS15.0 单因素方差分析，用 Excel 2010 作图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值的变化

荒漠土壤、谷壳生物炭和锯末生物炭的pH值分别为8.36、8.47和8.65，如图4所示，经过60 d实验室培养后，添加了谷壳生物炭的土壤pH值降低，从降低幅度看，2%生物炭>4%生物炭>8%生物炭，添加8%谷壳生物炭的荒漠土壤pH值最低，为8.10。与之相反，添加锯末生物炭的土壤pH值升高，从升高的幅度看，2%生物炭<4%生物炭<8%生物炭，添加8%锯末生物炭的荒漠土壤pH值最高，为8.49。

根据(图3)FTIR分析显示，锯末生物炭在1600 cm-1之间出现特征峰，按照图谱鉴定，为羧基，是生物炭碱性官能团特征的体现，因此锯末生物炭的pH值更高，也解释了锯末生物炭提高受试土壤pH值的原因。

图4 添加生物炭对荒漠土壤pH值的影响

2.2 土壤有机碳含量的变化

图5 添加生物炭对荒漠土土壤有机碳含量的影响

如图5，相对于没有施用生物炭的荒漠土壤，施用生物炭的荒漠土壤有机碳含量有明显提高，有机碳含量增加1～2倍。不同种类生物炭混合荒漠土壤有机碳含量均为2%生物炭<4%生物炭<8%生物炭，土壤有机碳含量随生物炭施入量增加而上升。施用谷壳生物炭与施用锯末生物炭的荒漠土壤相比，统一施用量水平下，谷壳生物炭混合荒漠土壤有机碳含量均高于锯末生物炭混合荒漠土壤有机碳含量。其中，添加8%谷壳生物炭的荒漠土壤有机碳含量相对较高，达4.979%。

生物炭原材料不同，其有机碳含量也各有差异，通常谷壳生物炭有机碳含量高于锯末生物炭，生物炭与受试土壤混合培养后检测时仍然受生物炭初始有机碳含量影响，因此谷壳生物炭有机碳含量较高。

2.3 土壤有效磷含量的变化

如图6，不同种类生物炭混合荒漠土壤有效磷含量均为2%生物炭<4%生物炭<8%生物炭，土壤有效磷含量随生物炭施入量增加而上升。施用谷壳生物炭与施用锯末生物炭的荒漠土壤相比，统一施用量水平下，谷壳生物炭混合荒漠土壤有效磷含量均高于锯末生物炭混合荒漠土壤有效磷含量。其中添加8%谷壳生物炭的荒漠土壤有效磷含量明显高于其他处理的有效磷含量，达30.74 mg·kg-1。相对来说，不同施用量锯末生物炭的增量幅度较不同施用量谷壳生物炭增量幅度小。

谷壳生物炭有效磷含量高于锯末生物炭，因此在同等施用量作用下谷壳生物炭对提高荒漠土壤有效磷含量的作用更显著。

图6 添加生物炭对荒漠土土壤有效磷含量的影响

处理pH值有效磷/(mg·kg-1)有机碳/%空白8.36±0.0056.70±0.2281.458±0.0042%谷壳8.32±0.01013.33±0.6613.974±0.0014%谷壳8.26±0.02519.04±1.9824.508±0.0028%谷壳8.10±0.03030.74±2.3544.979±0.0032%锯末8.36±0.00511.00±0.3253.092±0.0014%锯末8.44±0.03012.22±0.2043.336±0.0018%锯末8.49±0.03518.41±0.7524.316±0.001

2.4 生物炭对土壤水分特征曲线的影响

按照1.3沙盘实验的处理，将每个沙盘加水至饱和含水量，放置于25 ℃恒温培养箱中，每隔24 h用1/100电子天平称量1次，每个处理2次重复，共计14个，按下式计算土壤保水率(Ri)：Ri(%)=(mi-m0)/(m-m0)×100；式中：Ri-生物炭的保水率，i=1，2，…；mi-第i次称量时沙盘中沙土和生物炭的总质量(g)；m-土壤达饱和含水量后沙盘中沙土和生物炭的总质(g)；m0-沙土和生物炭的初始质量。试验在室内进行，避免光照，同时设空白对照。

各处理水分饱和后，保水率与时间的关系反映了不同炭化材料的保水效果(图7)。在试验过程中，随时间的延长保水率先直线下降，第4天后呈缓慢下降趋势，6～7 d所有处理重量均无明显变化，偶尔呈微弱增加状态。即在试验过程中，不同炭化材料所吸收的水分蒸发速率是恒定的，直至水分蒸发完全。这说明炭化材料吸收水分后，具有一定的保水效果，在蒸发的驱使下使水分稳定持续地释放。所有处理中，8%锯末生物炭的保水效果最佳，而2%锯末生物炭保水效果最弱，综合来看，各施入量锯末生物炭保水效果更好，锯末生物炭表现不稳定。

图7 生物炭混合荒漠土壤吸水后的保水性能

Fig.7 Water retention of biochar mixed with desert soil

3 讨论与结论

本试验中各处理的pH值差异较小，其中锯末生物炭混合土壤的pH值与生物炭施入量呈负正相关关系，这与锯末生物炭碱性官能团特征的体现，本研究选用的荒漠土壤为弱碱性土壤，谷壳生物炭的加入使荒漠土壤pH值趋近中性，相对更适合植物生长。Van Zwieten 研究发现,以造纸废物为原料生产的生物炭作为改良剂施在碱性钙质土上对土壤pH值没有明显影响[18]，而本试验两种生物炭施入情况下均对土壤pH值有影响，这可能与造纸废物生物炭理化性质不同有关。

木制品废料更能增加土壤降低交换性酸含量；生物炭对和交换性酸的效应随着生物炭用量的增大而明显，并能显著增加总炭、有效P、全氮和有机碳含量，其机理是生物炭本身富含这些养分，由于生物炭施用的直接加入作用而提高土中的养分含量[12]。本研究中的锯末生物炭为木制品废料的一种，在试验中有效的增加了土壤的有效磷含量，试验结果与其一致。

随着生物炭用量的增加,土壤有机碳含量随之增加，说明生物炭用量是影响土壤有机碳含量的重要因子[19]。土壤有机碳是土壤的重要组成部分,在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面均起着极其重要的作用,被认为是土壤质量和功能的核心,是影响土壤肥力和作物产量高低的决定性因子[20]。Lehmann et al研究发现生物炭具有固碳、贮存养分，提高土壤肥力的能力。Dempster等[21]还发现，添加木质生物质炭反而会减低土壤微生物碳含量。由于本实验周期较短,生物炭是否有固碳的能力还需要长期的研究。

张富仓和谢博成研究认为[22-23]，相对壤土而言，砂质土添加生物炭后保水性能表现更好，这与壤土自身结构易于存水有关，本试验中添加生物炭的土壤基本比未添加的土壤保水率高，基本符合其论断。肖瑞瑞研究发现[24]，400～600℃的生物炭保水性能最好，这是因为在高温下，生物炭表面的极性官能团减少，导致持水量降低。周志红[25]认为生物炭的保水性能受施用量的制约，生物炭对沙地土壤的水分利用效果较好，并进一步证明其作用效果随着生物炭施用量的增大而增强。当施用量为10、15、20 t·hm-2时，分别比对照增加了6%、139%、91%。

本试验结果显示，综合提高土壤肥力和增强保水性能来看，谷壳生物炭优于锯末生物炭，但是本研究只对单一烧制温度条件下两种生物炭，以不同施入量对比做保水性能试验，对比两类生物炭材料保水性能的优劣，未涉及不同烧制温度生物炭的试验，并且实验设置温度条件恒定，还需进行更广泛的试验。

4 展望

由于生物炭原材料的多样性和制备条件的多样性，当前生物炭改良土壤研究数量繁多，但是大部分研究只从广度拓宽，没有从深度挖掘，在本试验基础上，也应当再加入其他变量，或从其他方面多加考虑，为生物炭改良土壤的研究添砖加瓦。