棉秆炭基复合肥的特征及对土壤理化性质的改良效果

姜麟珂 郑文轩 杨瑛

摘要：以棉秆为原料，热解制作生物炭进而制备炭基复合肥，探讨棉秆炭基复合肥对土壤改良效果的影响。炭基复合肥的表观颗粒形貌分析表明，炭肥具有大小均匀、表面积大的特点。土壤通过棉秆炭基复合肥的添加结果，能够有效降低土壤容重，提高饱和含水率，土壤饱和含水率最大可达40.53%，相比原土壤提高6.34%。弱酸性炭肥能有效中和沙化土壤的碱性，使土壤更有利于作物生长，另外炭基复合肥的添加对土壤饱和导水率的改良可达到 0.48 mm/min 是原来的2倍，有效改善了土壤的渗透性。本研究为南疆生物质秸秆资源综合利用、肥料的充分吸收、碱性土壤的性质改良提供了新方法。

关键词：棉秆炭基复合肥;饱和导水率;土壤容重;饱和含水率;土壤pH值

中图分类号： X712;S156  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）15-0293-04

生物质炭（biochar-biocharcoal）是生物质原料在无氧或缺少氧的状态下进行高温热裂解得到的一种黑色固态产物[1]。将废弃的棉花秸秆热解制作生物炭，然后将生物炭与普通肥料按照添加不同比例与水混合在一起，利用万能压力材料试验机挤压制作成棉秆炭基复合肥[2-3]。炭基复合肥含有氮、磷、钾3种元素，由于生物质炭本身的特性，炭肥也具有较大的比表面积，孔隙结构疏松发达。炭肥施加入土壤后可改良新疆沙化土壤的pH值，降低土壤容重[4]，增加土壤通透性，提高土壤饱和含水率，并且对土壤饱和导水率也有一定的改善。生物炭肥成为近年来研究的热点，但现有文献里很少有人提到研究炭基复合肥的，棉秆生物炭肥不仅使棉花废弃秸秆得到充分利用，而且能够减少普通化肥的利用。将生物炭配合普通肥料制作成的生物炭肥可明显提高普通肥料的利用效果，将普通肥料的元素更好地被充分吸收和利用。

土壤饱和导水率是指土壤被水充分饱和吸收时，单位水势梯度下、单位时间内通过单位土壤横截面积的水量[5]，它是土壤质地、容重、孔隙分布特征的函数。饱和导水率受土壤质地、容重、孔隙大小以及有机质含量不同而发生变化，其中孔隙分布特征对土壤饱和导水率的影响最大。土壤饱和导水率反映了不同结构土壤的水分入渗能力，国内外学者对土壤饱和导水率方面进行了大量研究，但多集中于土壤结构性质对饱和导水率的影响[6]，以及对饱和导水率不同测量方法的研究[7]，比如环刀法、渗透法、土壤渗透仪器测量法等。

本研究根据新疆维吾尔自治区南疆沙化土壤的性质，通过田间采集土壤进行试验探究棉秆炭基复合肥的不同添加量对土壤理化性质的改良，以期为新疆棉花废弃秸秆以及肥料的资源化合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及仪器材料

2019年9月试验在新疆维吾尔自治区阿拉尔市塔里木大学现代农业工程重点实验室进行。使用的主要材料仪器：微机控制电子万能材料试验机，上海卓技仪器设备有限公司生产;JF-2000型智能马弗炉，江苏江分电分析仪器有限公司生产;远红外快速干燥箱，上海博泰实验设备有限公司生产;TFW系列土壤分析仪，武汉市天联科教仪器发展有限公司生产;普通分析纯肥料尿素，氯化钾、过磷酸钙和磷酸氢二铵均为分析纯，rise-3002颗粒图像分析仪、高速多功能粉碎机、150 mL瓷坩埚、PH-2603多参数酸度测试仪、HY-4A数显调速多用振荡器、环刀（内径 51 mm，高50 mm）、铝盒、电子秤（最大量程 600 g，精确度0.01 g）、1 mm筛子、马氏瓶（5 000 mL）、广口瓶（250 mL）、量筒（10、25 mL）、环刀（100 cm3）、喷水壶吸水纸以及保鲜膜等。

1.2 棉秆炭基复合肥的制作

将预处理过的棉花秸秆用粉碎机粉碎过1 mm筛，然后通过马弗炉在400 ℃无氧条件下热解 180 min。將冷却后的棉秆炭与分析纯肥料和水（其中所有材料一共50 g，棉秆炭8.32 g、蒸馏水 6.50 mL、分析纯尿素9.17 g、氯化钾8.33 g、过磷酸钙13.33 g、磷酸氢二铵4.35 g）混合搅拌均匀后，用多功能万能材料机挤压成型，制作成炭基复合肥[8]。最后放入真空干燥箱中，干燥温度为45 ℃，干燥4 h后取出并冷却至室温后保存备用。肥料及土壤电导、pH值用土壤分析仪测定，制作的炭肥颗粒分析及数据见图1、表1。

从表1可以看出，炭肥颗粒整体均匀、体积小，具有较大的表面积，对后期土壤容重和饱和含水率有良好的改良效果。

1.3 棉秆炭基复合肥和试验土壤的基本性质

室内试验所用棉秆和土壤采自新疆维吾尔自治区南疆第一师十二团连作棉花地，供试棉秆炭和所选土壤的基本理化性质见表2。

1.4 棉秆炭基复合肥对土壤饱和含水率改良的测定

土壤饱和含水量是指土壤中所有孔隙全部充满水时的含水量，土壤总孔隙度越大，饱和含水量越大。室内采用烘箱烘干法进行土壤饱和含水率测定，用质量含水量表示，试验设置6个处理。按照每100 g土壤添加棉秆炭基复合肥，设置炭肥与土壤质量比为0%、2%、4%、6%、8%、10%，每个处理重复3次，土样过1 mm筛备用。将土样炭基复合肥混合均匀放入底盖（带有孔和滤纸）的环刀中准备加水饱和。利用喷壶向环刀土壤中加入蒸馏水直到环刀底部渗透出水，达到水饱和状态为止。利用传统烘干法将样本放于105 ℃的远红外烘箱内烘干处理24 h，计算炭基肥不同添加量下土壤饱和含水率。

先对空环刀（带底盖和滤纸）进行称量，记作m1;在试验样本中，添加棉秆炭基复合肥后饱和状态下土壤和环刀的总质量记作m2;最后将土壤和环刀置于105 ℃环境下进行24 h烘干作业，称量环刀和干燥后土壤的质量，记为m3。环刀的体积为 100 cm3。土壤饱和含水率的最终计算公式为

ω=m2-m3m3-m1×100%。

式中：ω为土壤饱和含水率（%）。

1.5 棉稈炭基复合肥添加量对土样pH值和电导的影响

为研究棉秆炭基复合肥对沙化土壤酸碱性的影响，测定了炭肥不同比例添加量下土壤样品的pH值以及电导，每次比例重复3组共18组试验。采用酸度仪测量pH值。具体步骤如下：对照组不添加棉秆炭基复合肥，每份称取3次100 g过1 mm筛的风干土样，试验组5组每组称取100 g土样，并分别添加2、4、6、8、10 g炭肥。土样和蒸馏水比例为 1 ∶ 2.5，将土样装于500 mL烧杯中，振动筛振荡1 h后静置30 min。将pH计电位极插入到静止的炭基肥土壤试样中，轻轻搅拌并记录数值。

1.6 棉秆炭基复合肥添加量对土壤容重的影响

取试验土样过1 mm筛，每100 g土壤分别加入不同比例的棉秆炭基复合肥，每个不同添加比例土壤测定3次，共计18组试验。利用传统烘干法把装有试样的铝盒在105 ℃下烘干12 h，取出冷却到室温后，立即进行测量。

对空铝盒称质量，记作mx;在试验样本中烘干后称量土壤加铝盒的质量记作mz;计算公式如下

rS=mz-mxV。

式中：rS为土壤容重（g/cm3）;V为环刀体积（cm3）。

1.7 棉秆炭基复合肥添加量对土壤饱和导水率的影响

饱和导水率是土壤被水饱和时，单位水势梯度下，单位时间内通过单位面积的水量，可根据达西定律得到[9]。将试验土样装入环刀中，在室内浸入水中5 h，浸水过程中保持水面稍低于环刀上口，保证水不会进入环刀。浸水结束后将环刀取出，除去顶盖在上面套一个规格一样的空环刀并密封好。然后将接合的环刀放到漏斗上，漏斗下放置一个150 mL的广口瓶。

试验利用马氏瓶向上层空环刀中加水，水层厚5 cm。上层环刀加水后，从漏斗下方滴下第1滴水时用秒表开始计时，每隔1、2、3、5、7、10、15 min更换漏斗下的广口瓶（间隔时间的长短，视土壤渗透水速度快慢而定），直到单位时间内渗透水量达到稳定。饱和导水率（渗透系数）按下式计算：

Ks=10QnLStn（h+L）。

式中：Ks为土壤饱和导水率（mm/min）;Qn为n次渗出水量（cm3）;tn为每次渗透时间间隔（min）;S为土壤渗透经过的横截面积（cm2）;h为水层厚度（cm）;L为土层厚度（cm）。

2 结果与分析

2.1 棉秆炭基复合肥添加量对土壤饱和含水量和土壤容重的影响

土壤饱和含水率的变化会影响土壤持水量，土壤饱和含水率是土壤重要的理化性质之一。饱和含水率增加有助于土壤水分的保存和持久吸收。土壤饱和含水率和土壤容重随棉秆炭基复合肥添加量的变化关系见图2。

从图2可以看出，沙化土壤初始含水率为34.19%，随着棉秆炭基复合肥添加量的增加，饱和含水率呈增加趋势，当添加量为10%时含水率达到40.53%。由于棉秆炭基复合肥表面带有生物炭，生物炭颗粒粗糙细小，但表面积大，与普通肥料混合后，土壤能吸收更多的水分，提高土壤的饱和含水率。炭肥表面的生物炭还能保持肥料本身含有的少量水分不会大量挥发，使得土壤保持一定的持水量，提高土壤饱和含水率。

随着棉秆炭基复合肥的添加，土壤容重呈下降趋势，与土壤饱和含水率变化相反[10]。初始对照组土壤容重为1.36 g/cm3，改良后土壤容重下降至1.23 g/cm3。这是由于炭肥表面带有生物质炭，表面颗粒小而疏松，混合土壤后能降低土壤容重，棉秆炭基肥料表面含有带电官能团，能够与土壤中的胶体发生一定的吸引或排斥作用，当二者之间发生相互排斥作用时，土壤中的胶体及其组织发生分散，最终导致土壤容重降低。可见炭肥影响土壤容重是炭肥表面炭的发达孔隙结构、表面带电官能团与土壤组织之间作用力相互竞争排斥的结果。

2.2 棉秆炭基复合肥添加量对土壤pH值的影响

土壤酸碱性是土壤重要的理化性质，对土壤肥力及植物生长影响很大。因此，研究棉秆炭基复合肥添加量是否影响土壤pH值，降低沙化土壤的酸碱度至关重要，棉秆炭基复合肥对pH值的影响见图3。

从图3可以看出，随着炭基肥添加量的增加，pH值先降低后增加。当炭肥添加量为2%和10%时土壤pH值接近于中性，分别为7.09和6.65。由于分析纯肥料呈现弱酸性与碱性生物炭混合制作成的炭肥表现为弱酸性[11]，能够中和碱性沙化土壤，因此土壤施加棉秆炭肥后土壤pH值明显下降。分析结果表明，随着炭肥含量的增加，pH值越来越趋向中性，因此，棉秆炭基复合肥的添加有利于碱性沙化土壤作物的生长。本试验结果也为棉秆炭肥改良沙化土壤的酸碱性提供了理论和实践基础。

2.3 棉秆炭基复合肥添加量对土壤饱和导水率的影响

从图4可以看出，土壤的初始饱和导水率为0.24 mm/min，随着炭肥添加量的增加饱和导水率先增加后降低，当添加量为6%时达到最大值，为0.48 mm/min。由于棉秆炭基复合肥表面含有生物炭，颗粒微小摩擦程度不大，对渗透水流有一定的促进作用，颗粒孔隙小，刚接触水分时水分渗透快，因此，添加一定量的棉秆炭基肥提高了土壤的饱和导水率。当棉秆炭基复合肥添加量超过6%时，饱和导水率开始呈下降趋势，这可能是由于炭肥增多后，表面生物炭的表面积大、空隙多，开始缓慢吸水，造成大量的水分被炭肥吸收固定，降低了水分的外渗流动速度，使得最后流出的水分减少，单位时间内渗透出的水分变少降低了土壤饱和导水率。

由于土壤空隙度与水摩擦不同，炭肥的施加对水流有不同的促进力和抑制力[12]，土壤中间和边界的渗透水流速度也会有所差异。本试验采用的渗透土层厚度和水层高度得到的结果有一定的局限性，不同情况下棉秆炭基复合肥对土壤饱和导水率的影响也可能有差异，还有待进一步研究。

3 结论

棉秆生物炭和肥料混合后制备的炭肥显著降低了生物炭的碱性，呈现弱酸性。添加到碱性沙化土壤中有效降低了土壤的pH值，pH值最终随着添加量的增加总体趋向于中性。

针对新疆维吾尔自治区沙化土壤，通过棉秆炭基复合肥的添加，土壤饱和含水率呈现明显的增加趋势，而土壤容重表现为下降趋势，有效改善了土壤的性质。当棉秆炭基复合肥添加量为6%时饱和导水率达到最大值，为0.48 mm/min，再次添加时表现出下降趋势，但都比对照组饱和导水率大。因此，炭基复合肥的添加能有效改良土壤容重，提升土壤的最大持水量和饱和导水率。

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