生物炭对重构土壤化学性质及苜蓿抗旱性的影响

王玲玲,曹银贵,2,王 凡,黄雨晗,尚 志,佘长超,王党朝,白中科

(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院,北京 100083; 2.自然资源部土地整治重点实验室,北京 100035;3.神华北电胜利能源有限公司,内蒙古 锡林浩特 026000)

中国是世界上最大的煤炭生产国及消费国，2019年中国煤炭产量达到38.46亿t，占全球总产量的47.3%[1]，其中对露天煤矿的开采是中国主要的采煤方式[2-3]。露天煤矿的大规模开采一方面满足了中国经济建设的需要，另一方面带来了许多生态环境及社会问题[4-6]。露天煤矿大多分布在草原地区，草原地区的水土流失和土地荒漠化问题本就严重，因此对草原露天煤矿的开采使原本脆弱的草原生态系统遭到了更严重的破坏[7]。土壤重构是土地复垦的核心[8]，重构土壤质量直接决定土地复垦状况。表土是土壤重构过程中的首要选择，但矿区土壤发育不良等自然因素及采矿活动等人为因素导致许多矿区表土稀缺问题严重[9-12]，在表土稀缺矿区，表土替代物的选择是土壤重构过程的关键。表土替代物有效地解决了土壤重构过程中表土不足的问题，同时实现了矿区固体废弃物的资源化利用[2]。

生物炭可以改善矿区重构土壤的化学性质，促进矿区植物的生长和矿区生态修复进程[13]。Zheng等[14]发现添加烟草秸秆生物炭可以提高土壤有机质含量、速效磷含量、速效钾含量等土壤化学性质。严陶韬等[15]发现生物炭可以提高土壤氮磷含量。李明等[16]研究水稻和玉米秸秆生物炭添加对红壤性水稻土pH值、有机碳和养分含量的影响，结果表明秸秆生物炭的添加提高了土壤pH值，土壤有机碳、速效磷和速效钾含量相比对照有所提高，其中水稻秸秆炭对土壤速效钾含量的提升作用较大，玉米秸秆炭则主要增加土壤速效磷含量。因此，在土壤中添加生物炭可以提高土壤养分状况。生物炭可以显著改善土壤中的水分关系，在提高农业系统对干旱条件的适应能力方面发挥着重要的作用[17]。蒋太英等[18]发现生物炭表面的水溶活性分子可以提高水稻的耐旱性。赵君等[19]发现在土壤中施入一定量的玉米秸秆生物炭能缓解干旱胁迫对蓝盆花(又名轮锋菊，松虫草)生长的影响。Artiola等[20]研究发现以松林废弃物为原料的生物炭可以提高植物的抗旱性。目前生物炭对土壤化学性质影响的研究比较丰富，但对于不同处理方式的生物炭而言，筛选最优的生物炭处理方式的研究上还有所不足。

本文选取表土稀缺、气候干旱的内蒙古国家能源集团北电胜利露天煤矿的表土(砂壤土)、煤矸石、岩土剥离物(母质与生土混合物)、粉煤灰作为原材料构建重构土壤，以玉米秸秆生物炭为添加剂开展室内盆栽试验，探索不同重构土壤及不同处理方式的生物炭施用下，土壤化学性质的差异性及苜蓿(Medicagosativa)的抗旱性，筛选最优的生物炭处理方式。本研究旨在提高干旱胁迫下矿区植被的存活率，推进草原露天矿区的生态修复工程，为后期矿区土壤重构问题的解决提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盆栽试验所需的重构土壤材料有表土(砂壤土)、煤矸石、岩土剥离物(母质与生土混合物)、粉煤灰，均来自于内蒙古国家能源集团北电胜利露天煤矿(115°30′—116°26′E，43°57′—44°14′N)，其背景值见表1。2018年在中国地质大学(北京)校内温室大棚(116°21′09.0″E,39°59′34.4″N)进行了第一期盆栽试验[21]，将以上材料按不同配比重构土壤，方案设计及地上生物量数据见表2。依据第一批盆栽试验草木樨地上生物量数据，筛选出植被生长状况最佳、中等及最差方案构成重构组(最佳方案H11，中等方案H3，最差方案H10和H15)，同时设置纯表土对照组D1，所选5种方案土壤理化性质见表3。

表1 重构土壤材料背景值

表2 盆栽试验方案设计及草木樨生物量数据

表3 盆栽试验土壤理化性质

盆栽试验所用的生物炭原料为废弃的玉米秸秆，制备前先将玉米秸秆风干，切成10 cm左右后放入炭化炉。生物炭制备的热解温度控制采用“程序升温控制技术”，按此制炭技术将废弃的玉米秸秆分别制成300℃，400℃和500℃的生物炭，高温热解结束后，冷却至室温，取出生物炭，待盆栽试验施用。

1.2 试验设计

盆栽试验设置在中国地质大学(北京)校内温室大棚，花盆高11 cm，直径10 cm，试验设定重构土壤厚度为10 cm。依据现有的研究成果，盆栽试验花盆中生物炭施用量按梯度分别为0，6，12，24 g。将各方案的供试土壤和不同热解温度的生物炭分别置于已铺设的帆布上，将其按比例充分混合后置于花盆中形成重构土壤，新方案以“原方案—生物炭热解温度—生物炭含量”命名，共计50种处理，每个处理重复3次。以表土对照组D1为例，当生物炭热解温度为300℃时，施用生物炭含量分别为0，6，12，24 g时的方案命名分别为：D1，D1-300-6，D1-300-12，D1-300-24。

选取当地复垦地先锋植被黄花苜蓿作为本次盆栽试验的对象，每个花盆播种25粒种子。在温室大棚内模拟内蒙古矿区气候条件，本次试验周期为3—6月，前期进行苜蓿生长状况试验，后期于5月5日开始进行为期20 d的抗旱试验，分别于5月5日、5月10日、5月15日、5月20日、5月23日、5月24日和5月25日记录各盆中未萎蔫的株数。为了在同样的干旱条件下，对比不同环境苜蓿的生长状况，各个方案于5月10日每盆分别浇水50 ml。

抗旱试验结束后，测定土壤化学性质。将重构土壤进行自然风干，风干样品在实验室内磨碎过筛，利用pH计测定重构土壤pH值，利用重铬酸钾混合光度法测定土壤有机质，利用酸水解-蒸馏法测定土壤有效氮，利用0.5 mol/L的NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷，利用乙酸铵提取法测定土壤速效钾。

1.3 数据分析

利用存活植株数求取存活率，采用SPSS 22.0软件对试验数据进行单因素方差分析(p<0.05)，数据均用3次重复试验均值计算。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用对土壤化学性质的影响

2.1.1 对土壤pH值的影响 生物炭本身呈碱性，将其施入土壤中会对土壤pH值产生一定的影响(图1)。在D1方案中，D1-500-6处理土壤pH值最高，与D1-300-12处理存在显著性差异。在H3方案中，各处理之间均不存在显著性差异。在H10方案中，H10-300-24处理土壤pH值最高，与表土对照组H10处理存在显著性差异。在H11方案中，H11-500-24处理土壤pH值最高，与H11，H11-500-6处理存在显著性差异。在H15中，H15-400-12处理土壤pH值最高，与H15-300-6/12/24，H15-400-24，H15-500-12/24处理均存在显著性差异。

注：同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示存在差异显著(p<0.05)，误差线表示标准误差，下同。

2.1.2 对土壤有机质含量的影响 在重构土壤中施入不同处理方式的生物炭对土壤有机质产生不同程度的影响(图2)。在D1方案中，各处理之间均不存在显著性差异。在H3方案中，H3-500-6处理土壤有机质含量最高，与H3，H3-300-6，H3-300-12处理存在显著性差异。在H10，H11和H15方案中，各方案组内处理之间均不存在显著性差异。

图2 生物炭不同处理方式对土壤有机质含量的影响

2.1.3 对土壤有效氮含量的影响 施用不同处理方式的生物炭对土壤有效氮含量的影响见图3。在D1方案中，各处理之间均不存在显著性差异。在H3方案中，H3-500-6处理土壤有效氮含量最高，与H3，H3-300-6/12处理存在显著性差异。在H10，H11和H15方案中，各方案组内处理之间均不存在显著性差异。

图3 生物炭不同处理方式对土壤有效氮含量的影响

2.1.4 对土壤速效磷含量的影响 施入不同处理方式的生物炭对土壤速效磷含量的影响见图4。在D1方案中，各处理之间均不存在显著性差异。在H3方案中，H3-500-6处理土壤速效磷含量最高，与H3，H3-300-6/12处理存在显著性差异。在H10，H11和H15方案中，各方案组内处理之间均不存在显著性差异。

2.1.5 对土壤速效钾含量的影响 施入不同处理方式的生物炭对土壤速效钾含量的影响见图5。在D1方案中，D1-400-24处理土壤速效钾含量最高，与D1处理存在显著性差异。在H3方案中，H3-400-24处理土壤速效钾含量最高，与H3-500-6处理存在显著性差异。在H10方案中，H10-400-24处理土壤速效钾含量最高，与其余处理均存在显著性差异。在H11方案中，H11-400-24处理土壤速效钾含量最高，与H11-500-6处理存在显著性差异。在H15方案中，各处理之间均不存在显著性差异。

图5 生物炭不同处理方式对土壤速效钾含量的影响

2.2 生物炭施用对土壤化学性质影响的综合评价

由于盆栽土壤中pH值、有机质、有效氮、速效磷和速效钾的水平和排名不同，单一的化学指标只能反映土壤质量的某些方面，因此，采用主成分分析法对盆栽土壤养分状况进行综合评价。利用SPSS 22.0对上述土壤化学性质进行了分析。通过变量的预选择，本研究选取了两个主成分变量，对方差的贡献率分别为60.71%，28.70%。累积贡献率为89.41%，表明每个测试样本的信息量为89.41%，信息丢失率为10.59%。其中有机质、速效磷和有效氮在第一个主成分上具有较高的负荷，表明该成分反映了有机质、速效磷和有效氮的信息。相反，速效钾和pH值在第2个主成分上负荷较高，表明该成分反映了速效钾和pH值的信息。

利用下式计算各盆栽土壤化学性质综合得分：

(1)

F1=U11ZX1+U12ZX2+U13ZX3+U14ZX4+

U15ZX5

(2)

F2=U21ZX1+U22ZX2+U23ZX3+U24ZX4+

U25ZX5

(3)

(4)

式中:Uij为第i主成分j指标的荷载值;Aij为第i主成分j指标的初始因子荷载值;λi为i成分的特征值。ZX1,ZX2,ZX3,ZX4和ZX5为原始变量标准化的值,包括土壤有机质、速效磷、有效氮、速效钾和pH值；F为综合得分；F1和F2分别为主成分1,2的得分；λ1和λ2为主成分1,2分别对应的特征值。

根据以上计算公式，得出在表土对照组D1中，D1-500-12处理盆栽土壤化学性质综合最优，其综合得分为1.61；在重构土壤组H3中，H3-500-6处理盆栽土壤化学性质综合最优，其综合得分为2.37；在重构土壤组H10中，H10-300-24处理盆栽土壤化学性质综合最优，其综合得分为1.46；在重构土壤组H11中，H15-400-6处理盆栽土壤化学性质综合最优，其综合得分为0.83；在重构土壤组H15中，H15-400-6处理盆栽土壤化学性质综合最优，其综合得分为2.12。

2.3 生物炭施用对干旱胁迫下苜蓿存活率的影响

干旱胁迫下各方案中生物炭不同处理方式对苜蓿存活率的影响见图6。在D1方案中，抗旱试验开始5 d后，除D1-300-24处理外其余添加生物炭的处理苜蓿存活率均低于D1；抗旱试验开始10 d后，添加生物炭的处理苜蓿存活率均低于D1。此后尽管添加生物炭后各盆中苜蓿存活率的下降速率不同，但在抗旱试验开始20 d后均降为0%。

图6 干旱胁迫下各方案中生物炭不同处理方式对苜蓿存活率的影响

在H3方案中，抗旱试验开始5 d后，H3-400-24处理苜蓿存活率最高；抗旱试验开始10 d后一直到第15 d，除H3-400-6，H3-500-12/24处理外，其余添加生物炭的处理苜蓿存活率均高于H3；抗旱试验开始20 d后，只有H3-400-12处理苜蓿存活率低于H3。对于重构土壤组H3，在抗旱试验开始10 d后，添加生物炭的处理苜蓿存活率随时间的增加下降速率较慢，且H3-400-24处理在整个抗旱试验中苜蓿存活率均能保持较高水平。

在H10方案中，一直到抗旱试验开始10 d后，添加生物炭的处理苜蓿存活率均高于H10；抗旱试验开始15 d后一直到第20 d，除H10-500-12处理外其余添加生物炭的处理苜蓿存活率均高于H10。对于重构土壤组H10，苜蓿存活率随时间的增加下降速率较慢。在整个抗旱试验过程中，H10-300-12/24，H10-400-24处理苜蓿存活率均能保持较高水平。

在H11方案中，抗旱试验开始5 d后，除H11-500-6/12外其余添加生物炭的处理苜蓿存活率均高于H11；抗旱试验开始10 d后一直到试验结束，H11-300-24处理苜蓿存活率一直保持较高水平。对于重构土壤组H11，H11-300/400/500-24处理苜蓿存活率随时间的增加下降速率较慢；在整个抗旱试验过程中，H11-300-24处理苜蓿存活率均能保持较高水平。

在H15方案中，从抗旱试验开始一直到试验结束，H15处理苜蓿存活率均最高，其次为H15-500-24处理。对于重构土壤组H15，在整个抗旱试验过程中，添加生物炭的处理对苜蓿存活率均存在抑制作用。

综上所述，生物炭在一定条件下可以提高苜蓿的抗旱性。在重构土壤组H3，H10和H11处理中，当生物炭裂解温度为300℃或400℃，且添加的生物炭含量为24 g时，干旱胁迫下苜蓿存活率均得到了有效的改善，整个盆栽试验中H3-400-24处理在干旱胁迫下苜蓿存活率最高。

干旱胁迫下不同方案中苜蓿在5月25日的存活率差异性见表4。表土对照组D1中，干旱胁迫下苜蓿在5月25日的存活率在不同处理方式的生物炭施用下均为0%，无显著性差异。重构土壤组H3中，H3-400-24处理苜蓿存活率最高，为86.67%，显著高于其余处理。重构土壤组H10中，H10-300-24处理苜蓿在5月25日的存活率最高，为84.13%；H10-400-24次之，苜蓿存活率为80.16%；其次为H10-300-12，苜蓿存活率为75.66%。干旱胁迫下以上3种处理方式的生物炭施用下苜蓿在5月25日的存活率均高于其余处理，且显著高于H10和H10-500-12处理，其中H10和H10-500-12处理苜蓿在5月25日的存活率均为0%。重构土壤组H11中，H11-300-24处理苜蓿在5月25日的存活率最高，为81.48%，显著高于除H11-400/500-24外的其余处理，其中H11，H11-300/400/500-6，H11-400/500-12处理苜蓿在5月25日的存活率均为0%。重构土壤组H15中，H15处理苜蓿存活率最高，为40.74%；显著高于除H15-500-24外的其余处理。

表4 干旱胁迫下不同方案中苜蓿存活率差异性

综上所述，在H10方案中，H10-300-24处理对土壤改良效果最优，且在整个抗旱试验过程中H10-300-24处理苜蓿均能保持较高的存活率，抗旱试验最后一天(5月25日)H10-300-24处理的苜蓿存活率仍最高，为84.13%。因此结合不同处理方式的生物炭施用对土壤化学性质和苜蓿抗旱性的综合影响，最优的生物炭处理方式为H10-300-24。

3 讨 论

3.1 生物炭施用对土壤化学性质的影响

生物炭由于具有比表面积大、含碳量高、含有大量离子和碱性物质等特性，对土壤化学性质产生一定的影响[22]。本研究中施用不同处理方式的生物炭对土壤养分状况的促进作用大都较为明显。这与Gonzaga[23]、高海英[24]等的研究结果一致。Gonzaga等发现生物炭可以提高土壤养分含量。高海英等发现施用生物炭基氮肥可提高土壤pH值、有机碳、速效磷、速效钾和矿质态氮含量。

生物炭的施用提高了土壤pH值[25]，这是因为生物炭在制备过程中，随着有机物的不断热解使生物炭最终呈碱性，且生物炭中含有大量的K+，Ca+等盐基离子[26-27]，最终提高了土壤pH值。生物炭施用后未刺激碳的矿化，使其具有固碳效应，且生物炭可以促进作物生长，提高土壤中碳的利用率[28-29]，因此生物炭施用可以提高土壤有机质含量。对于土壤有效氮含量，生物炭的施用降低了土壤中氮的矿化作用，增强了土壤对氮的吸附[30-32]，且生物炭含有较多的矿质养分，可增加土壤中氮素含量[29]，生物炭的施用也可以减少土壤中氮的淋溶及消耗[33]，因此提高了土壤中的有效氮含量。高海英[24]、陈心想[34]等发现土壤速效磷和速效钾含量随生物炭用量的增加而显著提高。对土壤养分含量的促进作用而言，由于生物炭原料(秸秆)本身养分较高，因此施用生物炭明显增加了土壤中的有机碳、速效磷、速效钾等养分含量[35]，且其具有巨大的比表面积可以吸附一定的营养元素，提高土壤的保肥性能，因此生物炭的施用促进了土壤中养分含量的提升[36-37]。

3.2 苜蓿抗旱性对生物炭施用的响应

施用不同处理方式的生物炭对土壤理化性质产生影响[38]，进而对干旱胁迫下植物抗旱性产生影响。生物炭由于具有巨大的比表面积、良好的吸附能力，使其抗旱能力更强。Carvalho等[39]发现生物炭作为土壤改良剂可以提高土壤的保水能力，为土壤提供抵御干旱的屏障。在养分、水分缺乏的条件下，生物炭的施用可以降低水分的淋失，提高土壤含水量，促进作物生长[40-41]。蒋太英等[18]发现生物炭浸提液能有效缓解干旱胁迫对幼苗生长造成的影响，提高干旱胁迫下水稻的抗氧化能力，最终提高水稻对干旱胁迫的耐受性。

在重构土壤组H3，H10和H11处理中，当生物炭裂解温度为300℃或400℃，且添加的生物炭含量为24 g时，干旱胁迫下苜蓿存活率均得到了最有效的改善，其中在整个盆栽试验中H3-400-24处理在干旱胁迫下苜蓿存活率最高。这是因为生物炭对干旱胁迫下植物存活率的影响与生物炭的热解温度及施用量有关[42]。研究表明，300～400℃制备的生物炭对养分的保留效果更明显，对土壤团聚体的改善效果更佳[43-44]，生物炭的施用同时提高了土壤孔隙度，进而对土壤保水能力的提升效果更优。

4 结 论

(1)施用不同处理方式的生物炭对表土对照组和重构土壤组土壤化学性质的改良效果不同。D1方案中，D1-500-12对土壤改良效果最优；H3方案中，H3-500-6对土壤改良效果最优；H10方案中，H10-300-24对土壤改良效果最优；H11方案中，H11-500-24对土壤改良效果最优；H15方案中，H15-400-6对土壤改良效果最优。

(2)在重构土壤组H3，H10和H11中，当生物炭热解温度为300℃或400℃，且添加的生物炭含量为24 g时，干旱胁迫下苜蓿存活率均得到了有效的改善，在整个盆栽试验中，H3-400-24在干旱胁迫下苜蓿存活率最高。

(3)结合不同处理方式的生物炭施用对土壤化学性质和苜蓿抗旱性的综合影响，最优的生物炭处理方式为H10-300-24。