生物质炭对土壤肥力的影响研究

卢洪秀

（上海农林职业技术学院农业生物与生态技术系，上海201600）

近年来，有机肥用量日趋减少，过量施用化肥造成土质下降，土壤中活性有机碳消耗较大，土壤阳离子交换量下降［1］，肥料利用率降低。因此，提升农业废弃物的利用效率，重视有机肥的施用，推广有机无机肥配施技术是提升土壤肥力和粮食生产能力的必然趋势［1-2］。同时，为应对全球气候变化，减少碳排放，国际社会相继提出把农业废弃物转化为生物质炭投入土壤中，这样既可以封存环境中的碳，又一定程度上达到土壤改良的目的［3-6］。生物质炭就是将如农作物废弃物、木材、植物组织或动物骨骼等生物质原料在限氧或厌氧条件下，于较高温度（＜700℃）中热解后生成的一类稳定的富含碳的芳香环分子结构和多孔特性的固型产物［7-9］。它属于黑炭的一种，除富含碳外，还含有钙、镁等矿物质以及无机碳酸盐［10］。一些初步研究已经显示了生物质炭在改善土壤肥力、提高土壤碳库方面具有较大的潜力，且裂解温度和施用量不同等因素都可能对土壤结构和肥力产生重要影响［11］。Gaskin等［12］研究表明生物炭含有一定量的矿质养分，可增加土壤中氮、磷、钾、钙和镁的含量。Chan等［13］的研究显示，随着生物质炭量的增加，萝卜对氮的吸收也随之增加，产量相应增加。唐光木等［14］研究表明，生物黑炭能显著提高土壤有机质含量和玉米产量。本文主要研究了两种不同裂解温度下和不同施用量的生物质炭对土壤肥力的影响，以期找到最佳的组合，改善土壤肥力，保护农业生产环境。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用生物质炭以水稻秸秆为原料，分别在300℃和600℃下裂解而成，多空隙结构，呈碱性，pH分别为（8.95±0.31）和（10.52±0.41）。TC、TN、TP、TK含量分别为（401.12±6.19）g/kg、（10.23±0.41）g/kg、（3.03±0.10）g/kg、（50.04±1.66）g/kg和（405.72±7.57）g/kg、（10.68±0.57）g/kg、（4.01±0.09）g/kg、（61.12±2.02）g/kg。施用量分别为0 t/hm2、4 t/hm2、12 t/hm2和24 t/hm2，供试蔬菜为青菜，该蔬菜在上海广泛种植，消费量较大。

1.2 试验设计

选取上海市松江区小昆山镇沈溇村作为试验场地，播种日期为2016年11月8日，播种前2个月施用生物质炭，保证肥效充分发挥，土壤及青菜采样时间为播种后45 d（12月23日）。田间作业前先进行翻耕、平整和混匀操作，尽量降低非处理因素造成的试验误差。按照拉丁方设计方法［15］，共有7个处理组，每个处理组设置7个重复，每个小区面积为20 m2，相邻小区设置安全距离和保护行，方便田间作业，避免交叉影响，具体试验设计方案见表1。采集农耕土壤（采样深度0—20 cm），用不锈钢土钻“梅花多点采样法”采集土样，每个小区设置10个采样点，采样后充分混合，采用四分法留取1.0 kg农田土壤混合样，并设置3个平行。土壤采样、保存和前处理方法参照农业行业标准《农田土壤环境质量监测技术规范》［16］。

表1 田间试验设计方案Table 1 Design scheme for field test

1.3 分析方法

农田土壤样品的分析目前多采用中华人民共和国农业行业标准，具体分析方法如表2所示。

表2 土壤样品检测项目及分析方法Table 2 Analytical item s and methods for soil samp les

1.4 数据处理方法

采用Excel 2010软件和SPSS 19.0软件对试验数据进行统计分析和作图。所有数据进行方差分析，多重比较采用邓肯氏新复极差法（SSR），显著性水平设在0.05。

2 结果与分析

2.1 生物质炭对土壤理化性质的影响

上海松江区土壤属湖沼相沉积的黏土类型，青紫泥为主，生物质炭易于改善沙壤土的持水量，但对黏土的饱和持水量影响不明显，因此本试验主要选择了土壤容重和pH作为土壤理化性质的研究对象，具体结果见图1和图2。

统计分析表明，300℃和600℃下裂解，生物质炭施用量增加，土壤容重下降（P＜0.01），且施用量为24 t/hm2时降幅最大，分别下降18.0%和25.9%。相反，土壤pH不降反升（P＜0.05），且施用量为24 t/hm2时分别上升13.6.0%和18.9%。生物质炭施用量相同，随裂解温度上升，土壤容重下降（P＜0.05）、pH上升效果较为明显（P＜0.05），由此推断，施用生物质炭能够降低土壤容重，中和酸性土壤，对土壤改良有一定作用。

图1 生物质炭对土壤容重的影响Fig.1 Effect of biochar on soil bulk density

图2 生物质炭对土壤pH的影响Fig.2 Effect of biochar on soil pH

2.2 生物质炭对土壤肥力的影响

由表3可知，生物质炭可以明显提高土壤中有机质、全氮、速效磷和速效钾的含量，且裂解温度相同，生物质炭施用量增加，以上各指标含量明显增加（P＜0.05）。裂解温度为300℃，施用量为4 t/hm2时，有机质含量与空白对照组无差异（P＞0.05），其他各组有机质含量均随生物质炭施用量增加而显著提高（P＜0.05），全氮、速效磷和速效钾含量随施用量的增加而显著提高（P＜0.05）。

施用量相同，600℃裂解的生物质炭的各组相比300℃裂解的各组有机质、全氮、速效磷和速效钾含量高（P＜0.05）。当裂解温度为600℃、施用量为24 t/hm2时，土壤中有机质、全氮、速效磷和速效钾的含量相比空白对照组增幅分别为92.4%，103.4%，181.8%，80.0%，大于其他各处理组（P＜0.05）。

表3 生物质炭对土壤肥力的影响Table 3 Effect of biochar on soil fertility

2.3 生物质炭施用量对青菜产量的影响

青菜出苗40 d后收获，将青菜紧贴土壤表层剪下，先后用清水和蒸馏水冲洗，用纱布吸干水分后称重。由图3可知，随着生物质炭施用量的增加，青菜产量随之提高，裂解温度为300℃、施用量为4 t/hm2时，青菜产量与对照组无差异（P＞0.05）；生物质炭施用量相同的两个处理组，裂解温度为600℃的处理组的青菜产量高于裂解温度为300℃的组（P＜0.05）。当裂解温度为600℃、施用量为24 t/hm2时，青菜产量为（1.61±0.12）kg/m2，相比空白对照组产量［（1.50±0.09）kg/m2］增幅达7.3%。

图3 生物质炭对产量的影响Fig.3 Effect of biochar on yield

2.4 最优组合遴选

综上，当裂解温度为600℃、施用量为24 t/hm2时，能够明显降低土壤容重，改善土壤理化性质，改良土壤结构，显著提高土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾的含量，且相较其他组合，其增幅最大，同时还可在一定程度上提高作物产量。因此该组合效果最优，可在水稻秸秆富余地区参考使用，既可实现秸秆的资源化利用，还可改善土质和肥力，提高作物产量，一举多得。

3 讨论

通过向土壤中添加生物质炭可改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进作物生长。本研究表明：生物质炭降低了土壤容重，有利于土壤质地和耕作性能改善，主要可能是生物质炭自身的容重低、黏性差所致，但对土壤持水性和通透性的影响因土质而异；生物质炭致使土壤pH上升，这与其本身具有较强的碱性不无关系，主要原因在于生物质炭中的无机矿物组成及其表面高度共轭的芳香结构［17-19］。虽有报道表明可以制备低pH（＜7）的生物质炭，使得其呈现酸性［20-21］，但多数研究表明生物质炭呈碱性，且随热解温度升高，碱性增强。本研究中，生物质炭提高了土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾的含量，促进作物增产，原因是生物质炭中含有大量的溶解性有机质和K、Ca、Mg、P等营养元素，能够释放到土壤中，增加有机质含量，改善土壤肥力。另有研究证明，生物质炭的添加可以减少土壤养分的淋失，提高土壤养分有效性［22-24］。在本试验条件下，当裂解温度为600℃、施用量为24 t/hm2时，对土壤肥效和生物产量效果最好，但生物质炭的施用量继续增加是否会对生物产量起到抑制作用？每年的具体施用次数和施用量是多少？生物质炭如何与化肥合理搭配施用？其他原料的生物质炭效果如何？诸如这些问题仍需持续关注。当然，生物质炭对土壤肥力的影响是各因素综合的结果，不仅取决于生物质炭原料和裂解条件，还与土壤本身性质密不可分，因此在使用生物质炭改良土壤时，要因地制宜，综合考虑。