生物炭与腐殖酸配施对盐碱土理化性质的影响

2020-02-03韩剑宏孙一博张连科王维大李玉梅

干旱地区农业研究 2020年6期

韩剑宏，孙一博，张连科，王维大，李玉梅，孙鹏

(内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头 014010)

盐碱土是我国重要的土壤后备资源，中国盐碱化土地面积约26.6×106hm2，约占总陆地面积的10.3%，且呈逐年增长的趋势[1]，截止2010年内蒙古盐渍化土地面积已达3.2×106hm2，其中耕地盐渍化面积达到4.7×105hm2，占可灌面积的40%，且耕地次生盐渍化面积每年仍以1.0×104～1.3×104hm2的速度递增。内蒙古地区特别是黄河沿岸滩地由于气候及灌溉方式等原因，土壤结构板结、保水保肥能力下降，严重影响农作物的增产，制约了当地的经济发展。因此，改良利用盐碱土增加当地的耕地面积，对农业可持续发展及经济发展具有重要意义。

生物炭和腐殖酸是极易得的有机质，可促进迟效养分转化，提高氮、磷、钾的有效性。腐殖酸作为改良剂可提高土壤孔隙度，促进作物对土壤中养分及水分的利用[2]。有报道发现腐殖酸可改变土壤离子组成，促进土壤团粒结构的形成，加快土壤盐分淋洗，抑制土壤返盐[3]。多年施用腐殖酸能够增强土壤酶的活性，促进土壤有机物质的分解和转化，加速土壤养分的循环，达到培肥土壤与改善土壤质量的目的[4]，同时促进农作物生长[5]。近年来，已有报道将生物炭用作土壤的改良剂[6]，发现其不仅可改善土壤结构、增加土壤团聚体稳定性、增加有机质[7-8]，还能延缓肥料养分在土壤中的释放，提高肥料养分利用率[9]。对于生物炭、腐殖酸分别与其他改良剂配施改良盐碱土也有不少研究[10-11]，但是鲜有文献对生物炭与腐殖酸二者共同施用在盐碱土中的效果进行研究。本试验利用不同生物炭与腐殖酸进行单独及混合施用，通过室内土培研究不同静置时间下相关土壤指标的变化，以期为应用生物炭和腐殖酸改良盐碱化土壤提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及仪器设备

1.1.1 试验材料供试土壤采集于内蒙古包头市土右旗某盐碱地耕层土壤(0～20 cm)，采集时去除砾石及可见根系，土壤风干过2 mm筛，置于室温下(20℃)保存[12]。

秸秆取自内蒙古西北部农区的玉米秸秆及葵花秸秆，去除表面泥土灰尘，在室温下自然风干，切碎至2～3 cm后，使用粉碎机进行粉碎试样，过80目筛后放置于密封袋中备用。

秸秆生物炭制备：将玉米秸秆、向日葵秸秆粉末分别放至于坩埚中，于管式炉中300℃下加热分解3 h，冷却至室温后取出。研磨后，过80目筛分别密封保存。

改良剂制备：混合生物炭BC材料为玉米秸秆生物炭与葵花秸秆生物炭以1∶1的比例混合制得；BC1材料为玉米秸秆生物炭；BC2为葵花秸秆生物炭。

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试验试剂:氯化钾、氯化钠、氢氧化钠、抗坏血酸、甲醇、乙醇、丙酮、硼酸、甲基红、溴甲酚绿、丙三醇、阿拉伯树胶、盐酸、磷酸二氢钾、苯酚钠、次氯酸钠、碳酸氢钠、酒石酸锑钾等均为分析纯，试验用水均为去离子水。

1.1.2 仪器设备 AA800型原子吸收分光光度计(美国PE公司)、BRUKER TENSOR Ⅱ傅立叶转换红外光谱仪(布鲁克光谱仪器公司)、UV180G紫外分光光度计(天津冠泽科技有限公司)、PHS-3C型pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)、SC-2300 型电导率仪(上海京灿精密机械有限公司)、ZWYR-2102C 型恒温培养振荡器(北京思博晟达科技有限公司)、GWL-1700GA管式电炉(洛阳炬星窑炉有限公司)、DHP-9272 型电热恒温培养箱(上海一恒科学仪器有限公司)、GZX9140 MBE 数显鼓风干燥箱(上海博迅医疗生物仪器股份有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 试验方案本研究设置6个处理，分别为原土对照(CK)、单施玉米秸秆生物炭(A)、单施混合秸秆生物炭(A1)、单施腐殖酸(B)、玉米秸秆生物炭+腐殖酸(AB)、混合秸秆生物炭+腐殖酸(A1B)试验，具体施用方法及用量见表1。

表1 材料使用量

试验方法室内土培，将土壤与不同改良剂混合后静置20～80 d，将加入改良剂试验的土壤和原土试验分别在20～80 d内测定土壤中pH、电导率(EC)、阳离子交换量(CEC)、碱化度(ESP)、有效磷、速效氮、速效钾、有机质。

1.2.2 检测分析生物炭和腐殖酸改良剂加入盐碱土壤后，按照国家现行有效标准方法对土壤进行组试验、测定土壤的基本理化性质，各项土壤理化性质指标的测定参照《土壤农业化学常规分析方法》[13]:阳离子交换量(CEC)采用NaOAc法，交换性钠离子浓度采用乙酸铵-氢氧化铵交换-火焰光度法，有效磷采用乙酸钠-钼锑抗分光光度法，速效氮采用碱解扩散法；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法，有机质采用重铬酸钾容量法。碱化度的计算公式为：ESP =交换性钠离子浓度/土壤CEC。土壤pH采用玻璃电极法测定，水土质量比为2.5∶1；土壤EC采用EC仪测定，水土比5∶1；生物炭pH采用GB/T12496.7-1999木质活性炭试验方法进行测定，水炭质量比为20∶1[14]。

1.3 数据处理

本研究采用Excel整理数据，SPSS 21.0统计软件进行单因素方差分析，多重比较采用最小显著差异法，采用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 土壤和改良剂理化性质

对生物炭改良剂的理化性质进行检测，从表2中可以看出改良剂中有机质、CEC、有效磷、速效钾高于土壤。可见，改良剂所含物质可以增加盐碱土中某些营养物质的含量，提高土壤肥力。

表2 试验材料主要理化性质

2.2 改良材料的傅立叶红外(FT-IR)表征

图1 生物炭及腐殖酸的FT-IR图

因此，生物炭表面以及腐殖酸表面都含有丰富的羧基、羟基等含氧官能团[15]，这些基团能够表现出对酸碱的缓冲能力，使得腐殖酸具有疏水、亲水的能力，并且使其具有较高的阳离子交换量(CEC)。

2.3 改良剂对土壤理化性质的影响

2.3.1 土壤pH值自然条件下土壤酸碱性主要受土壤盐基状况的影响，碱性反应及碱性土壤形成是土壤自身及外界共同作用的结果。pH值是最直观判断土壤酸碱状况的指标，对土壤的各种化学反应及过程有很大影响[16]。施用不同的改良剂后土壤pH值测定结果如图2所示。与CK相比，在静置20 d时各处理pH值变化不显著，在40 d时各处理pH值均呈下降趋势，其中A1B、AB分别下降0.28、0.36，60 d时AB与A1B组pH值继续下降，较前期(20 d)下降0.45、0.7；在80 d时B、AB及A1B处理与CK组土壤pH值相比出现较大变化，各处理pH值较CK下降0.10～0.92，按pH值变化大小排列各处理顺序为：CK>A1>A>B>AB>A1B。经过80 d的观察测试发现，A1B组在降低pH值方面效果最好。

注：不同小写字母表示同一时期不同组试验间差异显著(P<0.05)，下同。Note:Different small letters indicate significant difference between different groups in the same period (P<0.05). The same below.

2.3.2 土壤电导率(EC) 土壤电导率是表征土壤混合盐分含量状况最为直观的指标。各处理土壤电导率(图3)随时间推移呈现降低的趋势。在20 d时，各处理与CK均呈显著性差异，A、A1、B处理较CK分别增加90.5%、67.9%、79.6%；40 d较20 d各处理EC均有所下降，除AB外，其余各处理较20 d分别降低25.6%、25.4%、13.1%、34.5%；60d时，A1与CK无显著性差异，B与AB无显著性差异，各改良剂处理较上一测定时期(40 d)分别下降4.4%、15.6%、53.5%、14.4%、39.4%；在80 d时，各处理均与CK呈现显著性差异，A、B、AB、A1B较CK的EC分别降低了7.2%、19.3%、47.4%和55.0%，A1较CK增加了14.0%，表明AB、A1B降低电导率效果更为显著。

图3 各处理不同时间土壤电导率的变化情况

2.3.3 土壤阳离子交换量(CEC) 阳离子交换量与土壤保肥能力相关，也是土壤改良的重要指标。在改良剂施用期间，CEC呈现逐渐增加的趋势(图4)，在20 d各处理CEC显著高于CK，增加范围在5.4%～27.8%之间；40 d时A、A1、AB处理之间无显著性差异，各处理显著高于CK，同时较前一时期各处理CEC均有所增加，分别提高43.6%、48.3%、77.8%、51.5%、9%；60 d各处理间呈现显著性差异，较40 d继续增加，其中A1B增加最多，提升156.2%；80 d各处理较CK呈现显著性差异，依次提高了2.2倍、2.8倍、3.7倍、4.1倍和3.4倍，说明施用生物炭、腐殖酸及其混合施用对增加土壤阳离子交换量均有很好的效果，长期改良将对土壤中电导率的影响更为显著。

图4 各处理在不同时间土壤CEC的变化情况

2.3.4 土壤碱化度(ESP) 碱化度是观察土壤盐碱化程度最直接的指标，从图5中可以看出CK属于中重度的盐碱化土壤(ESP>15%)。试验前期(20 d)A、A1相比CK的ESP略有降低，A1B降低最多，约为3.67%；40 d除A1B外各处理均保持下降的趋势，CK、A、A1、B、AB较20 d分别降低3.16%、4.51%、5.36%、4.44%、2.99%；在60 d时A及A1均有小幅提升，是由于生物炭本身的灰分中成分导致交换性Na+有短期的升高；80 d各处理土壤ESP相较前期20 d时分别降低12.51%、13.8%、32.17%、36.16%、37.10%。相比于其他，AB及A1B均持续降低了土壤ESP，且在后期两者效果基本一致。单独施用生物炭和腐殖酸可以降低土壤碱化度，这与前人研究结果一致[17]。联合施用生物炭及腐殖酸降低土壤ESP更有效，结合土壤CEC变化，可知土壤中交换Na+随时间增加逐渐降低，降低了土壤碱化程度。

图5 各处理在不同时间土壤ESP的变化情况

2.4 生物炭与腐殖酸配施对土壤养分的影响

速效N、P、K是植物所能直接利用的养分，可保持土壤中植物所需营养元素，增加土壤持水量，减少营养元素的流失[18]。从表3可知，在施用初期(20 d)除B处理外，其余有效磷较CK增幅依次达33.9%、20.7%、81.2%和64.1%，可以看出,在短期内有效磷含量增加较CK出现显著性差异，而B处理较CK减少6.0%；与CK相比各处理速效氮含量依次增加35.8%、67.2%、52.2%、123.9% 和138.8%；速效钾的含量分别提高27.8%、50.1%、85.8%、84.6%和56.4%，有机质分别增加29.8%、31.6%、82.13%、84.4%、103.3%。40 d时各处理速效钾、速效氮及有机质均显著高于CK，有效磷除B处理外均有所增加，速效钾、速效氮、有机质较前期有所增加。60 d时除B处理的有效磷含量与CK差异不大外，其余各处理较CK仍呈现显著差异，有效磷较前期有所降低，而速效钾、速效氮及有机质则较前期增势减缓；在施用后期(80 d)，各处理较CK有效磷含量分别增加71.1%、54.9%、11.7%、39.8%、61.1%，这与李春越等[19]的研究结果相一致。速效氮较前一时期基本维持稳定，AB、A1B处理速效钾仍有小幅提升，分别较前期升高10.0%、8.9%，有机质的含量基本与60 d相同。

表3 各处理在不同时间下土壤养分变化情况

2.5 同一时期各指标间的相关性分析

对同一时期的不同指标进行相关性分析，如表4所示。在20 d时有效磷与速效钾、速效氮、pH呈极显著相关，pH与有效磷、速效钾、速效氮及有机质都呈明显的负相关，说明这个时期内pH可作为判断速效营养以及有机质变化趋势的依据。

表4 试验指标随时间变化的相关性

40 d时有机质与有效磷呈现相关性，与速效钾及速效氮呈现显著相关性，因此可以尝试以有机质作为判断速效营养状况的依据；电导率与速效氮、速效钾及有机质呈现极显著相关，可将电导率作为判断有机质变化的依据。此时期内pH与其他指标并未呈现相关性。

施用60 d时，pH与速效钾呈现负相关，与速效氮、有效磷、有机质、CEC及电导率呈现极显著负相关性；同时CEC与速效磷、速效钾、速效氮及有机质均呈现极显著正相关性，说明在此期间可通过pH了解土壤指标变化，同时可通过CEC判断土壤营养指标的变化趋势。80 d后，可看出土壤CEC与速效钾、有效磷、速效氮及有机质呈极显著相关，可以CEC作为判断此期间土壤速效营养指标及有机质状况的依据。同时，pH与电导率呈现负相关。

3 讨论

3.1 生物炭与腐殖酸配施对土壤理化性质的影响

生物炭与腐殖酸施用对于盐碱土改良具有很好的效果，不仅降低土壤的盐碱化程度，还可以增加土壤肥力。当生物炭与土壤混合，生物炭可以向腐殖酸转化[20]，同时生物炭中的灰分含有较多的钾离子，不仅能够提高土壤中钾素含量，而且钙离子及钾离子可代换土壤上的钠离子，降低土壤ESP和pH值[21]；腐殖酸中的羧基、羟基等含氢官能团在土壤中多为酸性，可有效降低土壤pH值，提升钙离子溶解程度，代换钠离子从而降低土壤pH和ESP，二者的使用可增强上述效果。但是使用后的20～40 d腐殖酸在土壤中会与碱性离子结合，生成水溶性腐殖酸盐，导致土壤中电导率升高，后期腐殖酸中羧基等酸性官能团逐渐与碳酸盐等发生反应又能降低电导率。另外生物炭与腐殖酸均可吸附土壤中硝酸根及部分阳离子，且改良剂的芳香结构维系了土壤孔隙[22]，维持了土壤水盐平衡，降低了土壤毛细结构中的盐分含量，从而降低土壤电导率。因此出现了土壤短期电导率升高后又降低的现象。

3.2 生物炭与腐殖酸配施对土壤养分的影响

生物炭和腐殖酸所具有的羧基、羟基与多种阳离子均可发生离子交换，从而提升了土壤CEC，降低养分淋洗[23]，增加养分循环利用效率[24]。

通过FT-IR表征试验证明腐殖酸具有羧基、羰基、醇羟基、酚羟基等官能团，有较强的离子交换能力，同时可以减少氨态氮损失，提高土壤对氮肥的利用；同时，土壤中Ca3(PO4)2在腐殖酸存在的情况下分解出H2(PO4)-、H(PO4)2-，可提高磷素有效性，减少磷素固定，但是在施用后期出现磷素下降接近对照组土壤水平。分析原因是由于土壤缺乏有机质，会将前期活化的磷素吸附占据了土壤胶体孔隙，从而导致磷素下降[25]，这也可能与土壤中离子变化及土壤中相关酶的改变有关。

生物炭富含有机碳，可以增加土壤有机质含量[26]，通过生物质炭可以改善土壤通透性，利于表层土壤盐分向土壤下层扩散[27]。由于配施组试验中BC1、BC2这两种生物炭结构及养分含量略有不同，导致土壤中的氮素含量略有差异。生物炭中含有灰分，腐殖酸中含有一定量的矿物质，二者均含有一定量的钾盐，可提升土壤中速效钾的含量，同时促进养分有效化，提升有机质的转化效率。因此pH值与CEC、速效氮、有效磷、速效钾、有机质、电导率在改良剂施用40～80 d呈现负相关，而营养指标之间呈现正相关。