600℃秸秆生物炭添加对典型黑土理化性质的影响

张亚楠，郭 薇，赵 倩，刘格格，戴璧远，孟庆峰

（东北农业大学 资源与环境学院，黑龙江哈尔滨150030）

我国黑土面积约占世界16%，是世界四大黑土区之一。黑土有机质含量和利用率较高，是性状好、肥力高、最适宜植物生长的土地之一，故黑土地区为全国粮食供应提供了有力保障。然而统计显示，黑土层退化速度极快，30年减少了约9 厘米，随之而来的问题是土壤有机质层变薄，养分越来越少，严重影响作物产量。因此，黑土的面积退化和质量退化是我们应该迫切关注的问题。

生物炭是生物质材料（如废弃木材、植物秸秆等）在完全或部分缺氧的条件下热解得到的高含碳量固体产物[1]。其来源广泛、对环境友好，且内部孔隙结构丰富、理化性质稳定，在改良土壤各项性能、提高土壤肥力、修复土壤等方面具有重要作用。

众多研究结果表明，施用生物炭可使土壤向有利于作物生长的方向发展：连续施用生物炭可以显著改善土壤的保水持水能力，延缓土壤水分蒸发。此外，生物炭能够提高土壤微生物的活性，在疏松土壤方面效果显著，可有效对抗土壤“硬”的问题，在一定程度上降低土壤的硬度，促进农作物生长[2]。综上，利用生物炭作为黑土的改良剂是一举多得的措施。

试验采用室内培育油菜盆栽的试验方法，通过给不同盆栽施用不同含量秸秆生物炭，进行外源生物炭对典型黑土理化性质和油菜生产的影响的研究，为黑土改良和产量增产提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

土壤采集于东北农业大学试验场，该地土壤基础肥力状况为：土壤深度0～15 cm，碱解氮为182.00 mg·kg-1，速效磷为45.00 mg·kg-1，速效钾为188.00 mg·kg-1。

秸秆生物炭是玉米秸秆置于600℃限氧条件下，高温裂解形成的产物。试验所用生物炭密度为0.64 g·cm-3，pH 为8.01。

1.2 试验设计

本项目研究的作物是油菜，于19年6月14日种植。研究采用油菜盆栽试验法，通过对油菜的土培试验，进行不同含量生物炭的施用处理。分别添加生物炭含量：0（B0）、50（B50）、100（B100）、200（B200）g·kg-1，与黑土混匀装盆种植油菜，待收获后测定油菜产量及黑土的各项理化性质。以未添加生物炭（B0）的作为空白对照组，每个处理设置三次重复。各处理化肥施用量相同，分别为尿素（N=46%）0.65 g·kg-1，磷酸二氢铵（N=18%，P2O5=46%）1.67 g·kg-1，硫酸钾（K2O=52%）0.58 g·kg-1。肥料作为基肥一次性施入待测土样，其余时期不施用其他任何肥料[3]。

1.3 分析方法

同年10月20日油菜收获后，用环刀取土，用于测定土壤容重。剩余土壤经风干晾晒后，研磨过1 mm 筛储备，用于测定土壤容重、比重、饱和持水量、田间持水量、pH、电导率等土壤特性。土壤颗粒密度测定采用比重瓶法；土壤容重、田间持水量和饱和持水量采用环刀法，取样后150℃烘干至恒重；pH 和电导率经5：1 水土比震荡后，分别采用pH 计和电导率仪测定。

1.4 数据分析

数据经SPSS 26.0 进行数据分析，采用Duncan 法检验分析各处理平均值之间的差异显著性，利用WPS 2019进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 秸秆生物炭添加对黑土容重、比重、孔隙度的影响

添加生物碳的处理明显降低了土壤容重，处理B100 和B200 的土壤容重显著低于处理B0，而处理B50和B0 之间差异不显著（P＜0.05）。处理B0、B50、B100 之间的土壤比重差异不显著，处理B200 的土壤容重显著低于处理B0 和B50（P＜0.05）；因此当秸秆生物炭添加量为200 g·kg-1时，土壤的比重显著降低。随生物用量的增加土壤总孔隙度呈现出递增的变化趋势，处理B200的土壤孔隙度显著高于B0 处理（P＜0.05）；而处理B50和处理B0 的土壤总孔隙度之间差异不显著（表1）。

表1 不同处理的容重、比重、孔隙度变化

2.2 秸秆生物炭添加对黑土田间持水量、饱和持水量的影响

秸秆生物炭的添加增加了土壤饱和持水量，处理B200 的土壤饱和持水量显著高于处理B0，而处理B50和B100 之间差异不显著（P＜0.05）；因此当秸秆生物炭添加量为200 g·kg-1时，土壤饱和持水量显著增加。各处理之间的土壤田间持水量差异不显著（P＜0.05）；当秸秆生物炭添加量为100 g·kg-1时，对土壤田间持水量的影响最大（图1，图2）。

图1 不同处理对土壤田间持水量的影响

图2 不同处理对土壤饱和持水量的影响

2.3 土壤持水性与土壤孔隙的关系

为进一步探究土壤孔隙度与土壤田间持水量和饱和持水量的关联效应，分别建立土壤田间持水量y1和饱和持水量y2关于土壤孔隙度的线性回归方程，分别是：

进行回归线性分析可知，随着秸秆生物炭添加量的增加，土壤田间持水量和土壤饱和持水量均呈显著的线性正相关；孔隙度每增加1%，田间持水量便会增加1.47%，饱和持水量将会增加2.20%（图3，图4）。

图3 土壤孔隙度对土壤田间持水量的影响

图4 土壤孔隙度对土壤饱和持水量的影响

2.4 秸秆生物炭添加对黑土pH、电导率的影响

随着秸秆生物炭添加量的增加，pH、电导率都呈现增加的趋势。处理B0 与其他处理组之间的土壤pH差异显著，处理B50 和B100 与B200 之间差异显著（P＜0.05）；因此当生物炭添加量为200 g·kg-1时，土壤pH 显著增加。对于土壤电导率而言，秸秆生物炭添加显著增加了土壤电导率，处理B0 与其他处理之间差异显著（P＜0.05）；当生物炭添加量为200 g·kg-1时，土壤电导率显著提高（图5，图6）。

图5 不同处理对土壤pH 的的影响

图6 不同处理对土壤电导率的影响

3 讨论

土壤容重、比重随秸秆生物炭添加量的增加而下降，是因为生物炭自身的密度和比重比较小，如密度只有0.64 g·cm-3，加入土壤后土壤容重、比重自然呈下降趋势[4]。生物炭孔隙结构丰富，能够与土壤孔隙结构相互作用形成孔隙系统，孔隙增多[5]，故土壤孔隙度随秸秆生物炭添加量的增加而增大。孔隙度随秸秆生物炭添加量增加而增大，土壤中固相物质的相对含量减少，而孔隙用于储存空气和水，间接增加了土壤的持水能力；生物炭自身具有强大的孔隙结构和吸附能力，可吸附水分子，直接增加了土壤的持水量[4，5]。研究表明，生物炭因有机官能团（-COOH 等）、无机碱金属离子（Na+等）因素的影响，呈碱性[6]。碱性物质添加可导致土壤pH 升高，故土壤pH 测定结果随秸秆生物炭添加量的增加呈增大趋势。由于生物炭中有Ca2+、Mg2+、Na+等可溶性盐，加入土壤使土壤中离子数量增加，故土壤电导率随秸秆生物炭添加量的增加而增大。

通过实验数据，可以发现田间持水量的处理组B50 相较于B0 下降、B200 相较于B100 明显下降。造成B50 的田间持水量下降的原因可能是，当生物炭添加量为50 g·kg-1时，土壤孔隙被生物炭的微小颗粒所填补，导致土壤孔隙堵塞，从而造成田间持水能力下降的结果[3，7]。而B200 组数值下降可能是因为当生物炭添加量为200 g·kg-1时，土壤孔隙结构发达，导致其蒸发量过大，持水能力降低，表现为田间持水量下降。

4 结论

随着秸秆生物炭添加量的增加，土壤的孔隙度、pH、电导率、饱和持水量、田间持水量都呈增加的趋势，土壤容重、比重呈下降的趋势。当生物炭添加量为200 g·kg-1时，对土壤孔隙度影响显著，土壤的容重、比重显著降低，土壤的pH、电导率、饱和持水量有所提高。考虑生物炭的施用成本及其对土壤指标的改良程度，建议生物炭的施用量为200 g·kg-1，此时土壤的物理性质、通气性能和保肥保水的性能都有较为显著的改善。