水稻秸秆生物炭对土壤理化性质及不同形态硫含量的影响

2024-02-20贾愿红赵保卫DOUANGDALANGSYKhamhak

化工环保 2024年1期

贾愿红，赵保卫，DOUANGDALANGSY Khamhak

（兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070）

硫（S）是水稻生长、发育所必需的重要元素之一，充足的S供给是水稻产量和品质的重要保证。植物体内的S除少部分是通过叶片直接从大气中吸收SO2外，绝大部分来自于土壤中的硫酸盐。S在土壤中以有机S和无机S两种形态存在，其中有机S约占土壤中总硫（TS）的98%。大部分有机S以有机化合物的形式赋存于作物残茬和土壤有机质（SOM）中，需经微生物分解为无机S和小分子有机硫化物后方能被植物吸收利用。近年来，随着农业生产的不断扩张和低S化肥的施用，导致土壤缺S问题日益严重［1-3］。

生物炭是生物质在完全或部分缺氧的条件下经高温（低于700 ℃）热裂解的产物，含有C、H、O、N、S等元素，具有比表面积大、吸附性强、性质稳定等特点［4-5］。有研究表明，生物炭可作为土壤缓释肥料，用于改善土壤性质、增强土壤肥力［6-8］。王媛等［9］研究发现，向土壤中施加生物炭，可有效提高土壤pH及土壤中速效N、P、K的含量。QIAN等［10］认为，生物炭有利于提高土壤对养分的保留和利用能力。总之，关于生物炭对土壤中N、P、K等营养元素影响方面的研究报道较多，而有关生物炭对土壤中S影响的报道还比较少。

本工作以不同炭化温度下制备的水稻秸秆生物炭为对象，通过厌氧培育实验，考察了生物炭对土壤pH、电导率（EC）、SOM含量和酶活性的影响，重点研究了生物炭对稻田土中各种形态S含量的影响，以期为改善土壤环境，提高土壤中S利用率作参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

水稻秸秆和土壤样品均取自某农田（17°59′28″N，102°39′42″E）。水稻秸秆经清洗后，置于阴凉通风处晾干，粉碎，过40目筛，装入棕色瓶中待用。

土壤样品采集深度为0～20 cm，于室内阴凉通风处自然风干，去除石子和凋落物等，研磨，过3 mm筛备用。经检测，pH 6.47、EC 0.28 mS/cm、SOM含量0.95 mg/g。

实验所用试剂均为分析纯。

JW-BK112型比表面积及孔径分析仪：美国MICROMERITICS 公司；Vario EL cube型元素分析仪：德国 Elementar 公司；DDS-11A型电导仪：杭州奥立龙仪器有限公司；SX2-4-10型马弗炉：上海嘉占仪器设备有限公司；UV-1800型紫外-可见分光光度计：上海双旭电子有限公司；SP-3520AAC2TI型火焰原子吸收分光光度计：上海光谱仪器有限公司。

1.2 生物炭的制备

将水稻秸秆粉末置于300 mm的瓷坩埚内压实，盖盖儿后置于马弗炉中，在300 ℃下热解6 h，冷却至室温，取出、研磨，过60目筛，制得水稻秸秆生物炭，记作BC300。

改变热解温度和热解时间分别为600 ℃和4 h，制得水稻秸秆生物炭，记作BC600。两种生物炭的理化性质见表1。

表1 两种生物炭的理化性质

1.3 厌氧培育实验

向塑料培养盒中加入100 g土壤，按照土壤质量的1%、3%和5%分别加入BC300和BC600，搅拌均匀，缓慢添加蒸馏水至土面以上2 cm位置；在25℃恒温培养箱中培养15周（为保证厌氧环境，培养过程中需定期添加蒸馏水，保证水面位置不变）。分别在初始阶段和15周时取样，测定土壤pH、EC、SOM、脲酶和过氧化氢酶活性，比较土壤理化性质和酶活性随时间的变化。测定土壤中TS、水溶性S、吸附性S和盐酸可溶性S的含量，比较土壤中各种S形态和含量随时间的变化。

本实验设置3组平行样，以未添加生物炭的土壤作为对照（CK）。

1.4 分析方法

依据《木质活性炭试验方法 pH值的测定》（GB/T 12496.7—1999）［11］测定生物炭的pH；采用化学元素分析仪测定土壤中各元素的含量；采用比表面积及孔径分析仪测定生物炭的比表面积；采用电极法［12］测定土壤pH；采用电导率仪测定土壤EC；采用分光光度法［13］测定SOM含量；采用比色法［14］测定土壤脲酶活性（以NH3-N计，单位 mg/g）和过氧化氢酶活性；采用火焰原子吸收分光光度计测定土壤中TS含量；依据文献［15］的检测方法，测定土壤中水溶性S、吸附性S和盐酸可溶性S的含量。

2 结果与讨论

2.1 生物炭对土壤理化性质的影响

2.1.1 pH

生物炭添加量对土壤pH的影响见图1。由图1可见：向土壤中添加BC300和BC600后，土壤pH有所增加，且随着生物炭添加量的增大，pH逐渐增大；在生物炭添加量相同的条件下，BC600对土壤pH的增强作用更加显著；15周后，与CK组相比，BC600添加量分别为1%、3%、5%时，土壤pH从4.50分别增加至5.48、6.54和7.42，增加了21.7%、45.3%和64.9%。生物炭之所以能够提高土壤pH，是因为生物炭本身为碱性，且含有大量的Ca、K和Mg等碱性物质，施入土壤后能够对土壤pH产生直接影响，另外，随着作用时间的延长，生物炭逐渐老化也会释放碱性物质，提高土壤pH［16-18］。

图1 生物炭添加量对土壤pH的影响

2.1.2 EC

生物炭添加量对土壤EC的影响见图2。由图2可见：CK组中，土壤初始EC为0.28 mS/cm，培养15周后，降低至0.25 mS/cm，降幅为12.2%；与CK组相比，随着生物炭添加量的增加，土壤EC逐渐上升；当BC300添加量为1%、3%和5%时，初始阶段，相应的EC分别增加至0.36，0.43，0.63 mS/cm，增长了28.5%、53.6%和125.0%；当BC600添加量为1%、3%和5%时，初始阶段，相应的EC分别增加至0.31，0.43，0.54 mS/cm，增长了10.7%、53.6%和92.9%。生物炭中含有Ca2+、Mg2+、Na+等可溶性盐，加入土壤后，土壤中的总离子数量增加，EC也随之增大［19］。由图2还可看出：培养15周后，各组土壤的EC均明显降低，这是因为：添加生物炭后，土壤的孔隙度得到改善，土壤浇灌过程中，持续的淋洗作用会带走部分盐分，使土壤EC降低［20］。

图2 生物炭添加量对土壤EC的影响

2.1.3 SOM含量

生物炭添加量对SOM含量的影响见图3。由图3可见：初始阶段，随着土壤中生物炭含量的增加，SOM含量逐渐增加，这是因为生物炭中含有可溶性有机碳（DOC），将生物炭添加到土壤中后，DOC会被释放出来，从而使SOM含量增加［21］；相比较而言，初始阶段，在生物炭添加量相同的条件下，添加BC600后，SOM的增加量较为显著；培养15周后，添加BC300的土壤中，SOM含量明显增加，当BC300添加量为1%、3%和5%时，SOM含量分别为1.49，1.62，2.09 mg/g，与初始阶段相比，增加了26.3%、14.9%和37.5%；培养15周后，添加BC600的土壤中SOM含量明显下降，BC600添加量为1%、3%和5%时，与初始阶段相比，SOM含量分别下降了13.2%、11.8%和5.5%，这是由于生物炭对SOM具有矿化作用［22］。

图3 生物炭添加量对SOM含量的影响

2.1.4 酶活性

土壤酶活性是评价土壤肥力和土壤活性的重要指标。土壤酶活性与土壤性质密切相关，因此，添加生物炭在一定程度上也会引起土壤酶活性的变化［18，23］。生物炭添加量对土壤脲酶活性的影响见图4a和图4b。由图4a和图4b可见：添加生物炭后，土壤脲酶活性受到抑制，且随着生物炭添加量的增加，土壤脲酶活性逐渐降低；当BC300或BC600添加量大于3%时，脲酶活性均降低了约20.0%；当生物炭添加量大于1%时，培养15周后，土壤脲酶活性继续降低。这可能是因为生物炭的添加阻碍了酶促反应的进行，从而使土壤脲酶活性降低［24］。

图4 生物炭添加量对土壤酶活性的影响

生物炭添加量对土壤过氧化氢酶活性的影响见图4c和图4d。由图4c和图4d可见：添加生物炭后，土壤过氧化氢酶的活性受到明显抑制，且随着生物炭添加量的增加，过氧化氢酶的活性逐渐降低，这是因为土壤pH是影响土壤酶活性的关键因素［25］，添加生物炭后，土壤pH升高，酶活性受到抑制；另一方面，生物炭具有较强的吸附性能，能够吸附酶促反应底物，抑制酶促反应的进行，进而抑制了土壤酶活性［26］。

2.2 生物炭对TS和不同形态S含量的影响

2.2.1 TS含量

土壤中S元素的含量会影响植物的生物多样性和土壤微生物的活性［27-28］。生物炭添加量对土壤中TS含量的影响见图5。由图5可见：初始阶段，随着生物炭添加量的增加，TS含量缓慢增加；在生物炭添加量一定的条件下，培养15周后，土壤中TS含量明显增加，当BC600添加量为1%时，培养15周后，土壤中TS含量提高了22.6%；但当生物炭添加量大于1%时，培养15周后，随着生物炭用量的增加，土壤中TS含量变化不大，这可能与培养过程中生物炭中S的释放和土壤中微生物群落的变化有关［29］。

图5 生物炭添加量对土壤中TS含量的影响

2.2.2 不同形态S含量

生物炭添加量对土壤中水溶性S含量的影响见图6a和图6d。由图6a可见：初始阶段，随着土壤中BC300添加量的增加，土壤中水溶性S含量先减小后逐渐增大，当BC300添加量为1%，水溶性S含量最低，为0.26 mg/g；在BC300添加量一定的条件下，培养15周后，土壤中水溶性S含量均呈现降低趋势。由图6d可见：添加BC600后，土壤中水溶性S的变化情况与添加BC300的情况较为相似；当BC600的添加量为5%时，培养15周后，土壤中水溶性S含量由初始的0.39 mg/g降低至0.23 mg/g，降幅为41.3%。添加生物炭导致土壤中水溶性S含量降低的原因可能是生物炭对水溶性S具有强烈的吸附作用［30］。

图6 生物炭添加量对土壤中不同形态S含量的影响

生物炭添加量对土壤中吸附性S含量的影响见图6b和图6e。由图6b可见：添加BC300后，土壤中吸附性S的含量略有降低，且随着BC300添加量的增大，土壤中吸附性S的含量逐渐降低；与初始阶段相比，当BC300的添加量为5%时，培养15周后，土壤中吸附性S的含量略有增加。添加BC600后，土壤中吸附性S含量的变化情况（图6e）与添加BC300的情况基本一致。

生物炭添加量对土壤中盐酸可溶性S含量的影响见图6c和图6f。由图6c可见：初始阶段，添加BC300后，土壤中盐酸可溶性S的含量明显降低；当BC300添加量由1%增加至3%时，土壤中盐酸可溶性S的含量由 8.65 mg/kg降至6.96 mg/kg；继续增加BC300添加量至5%时，土壤中盐酸可溶性S的含量变化不大；培养15周后，土壤中盐酸可溶性S的含量显著增加。添加BC600后，土壤中盐酸可溶性S含量的变化情况（图6f）与添加BC300的情况基本一致。