生物炭對鹽堿土壤理化性質(zhì)、生物量及玉米苗期生長的影響

楊剛　周威宇

摘要：采用實驗室模擬和玉米盆栽種植試驗相結(jié)合的方法，研究了添加不同用量的玉米秸稈生物炭后，鹽堿土中基礎(chǔ)養(yǎng)分含量、pH值、CEC含量、水溶性鹽含量、土壤酶活性、微生物生物量及玉米苗期生長的變化，以期為玉米秸稈生物炭在鹽堿土壤改良中的應(yīng)用提供參考。結(jié)果表明，隨著生物炭用量的增加，鹽堿土壤中有機碳含量明顯提高，是原土含量的135～151倍，礦質(zhì)態(tài)氮、有效磷及速效鉀含量變化較?。籶H值降低幅度不大；水溶性鹽含量降低明顯；添加玉米秸稈生物炭能夠顯著提高土壤中陽離子交換量及酶活性；生物炭的加入顯著提高了土壤微生物生物量，添加生物炭處理的土壤微生物生物量碳、氮含量分別比對照高650%～9667%和4286%～16296%。同時，生物炭使土壤代謝熵分別降低了213%、851%、1560%；生物炭能夠促進玉米苗期的生長，對玉米株高、莖粗都有促進作用?？偟膩碚f，生物炭對鹽堿土壤具有良好的改良效果。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；生物炭；鹽堿地；改良

中圖分類號： S1564文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2017）16-0068-05

收稿日期：2016-03-23

基金項目：四川省科技計劃（編號：2014FZ0056）。

作者簡介：楊剛（1980—），男，四川成都人，博士，副教授，主要從事土壤污染評價及治理。E-mail：liuweifeng020552@163com。

[JP+1]

鹽堿地是各種鹽土和堿土以及不同程度鹽化和堿化土壤的總稱。其特點是土體中含有較多的鹽堿成分，具有不良的物理化學(xué)特性，致使大多數(shù)植物的生長受到不同程度的抑[JP]制，甚至不能成活。目前我國鹽漬土總面積約 3 600萬hm2，占全國可利用土地面積的488%。在耕地資源日趨匱乏的今天，鹽堿地作為耕地潛在的后備資源，其可持續(xù)利用已受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年可生產(chǎn)約22億t的玉米秸稈，大部分玉米秸稈堆積在田間地頭自然腐爛或是直接焚燒，造成資源浪費的同時，也造成了一定程度的環(huán)境污染[6-8]。因此，加大對玉米秸稈的合理利用，對我國能源利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。已有研究發(fā)現(xiàn)，以農(nóng)林廢物玉米秸稈為原料制備的生物炭能夠大幅度提高土壤有機碳含量[9]、改良土壤理化性狀[10-12]和改善土壤肥力等。因此本研究應(yīng)用玉米盆栽試驗的方法，通過向鹽堿土中添加玉米秸稈生物炭來探究其對鹽堿土改良效應(yīng)，以期為利用玉米秸稈生物炭改良鹽堿土的應(yīng)用提供理論支撐。

1材料與方法

11供試材料

111生物炭的制備

在寧夏北部的惠農(nóng)區(qū)收集玉米秸稈，[JP3]洗凈晾干后，磨細過2 mm篩，在500 ℃下經(jīng)管式電爐（GWL-[JP]1700GA）熱解3 h，加熱前通入氮氣趕盡爐內(nèi)空氣，形成氮氣環(huán)境。熱解結(jié)束后，降至室溫取出即得到玉米秸稈生物炭。

112生物炭理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)分析

生物炭C、H、N含量通過元素分析儀測定；比表面積采用BET法測定；將一定量生物炭置于具蓋坩堝中于馬弗爐中950 ℃加熱6 min測定揮發(fā)性物質(zhì)，剩余固體為固定碳并在敞口坩堝中于750 ℃加熱6 h測定其灰分[14]， 其基本理化性質(zhì)見表1。采用掃描電鏡對生物炭微結(jié)構(gòu)進行觀察，得到生物炭表面形貌特征（圖1）。

113供試土壤

供試土壤采自寧夏北部的惠農(nóng)區(qū)的鹽堿土，其基本性質(zhì)如表2所示。

114供試玉米種子

玉米品種為吉單209，屬早熟品種，成熟期為125 d。

12試驗設(shè)計

將生物炭按10、15、20 g/kg比例施加到鹽堿土壤中，每個處理設(shè)3個重復(fù)，混合均勻，調(diào)節(jié)水分使土壤含水率達到田

間持水率的65%，25 ℃下進行室內(nèi)密閉培養(yǎng)，120 d后取樣測定土壤中氮含量、磷含量、鉀含量、有機碳含量、CEC含量、水溶性鹽含量、pH值、土壤酶活性及微生物生物量等指標含量。

玉米種子經(jīng)催芽后播種，每盆播種3粒，5 d后出苗，10 d后定植，記錄玉米生長情況。

13測定方法

土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定； 速效鉀含量采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度計法測定；速效磷含量采用05 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；NO3--N和NH4+-N含量采用1 mol/L KCl浸提-流動分析儀測定，礦質(zhì)態(tài)氮含量=NO3-N含量+NH4+-N含量；pH值采用電位法（水 ∶[KG-3]土=5 ∶[KG-3]1）測定；陽離子交換總量采用乙酸鈉-火焰光度法測定；水溶性鹽總量采用質(zhì)量法測定；土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶分別采用靛酚比色法、硫代硫酸鈉滴定法、磷酸苯二鈉比色法測定。土壤微生物量采用氯仿熏蒸-K2SO4提取，TOC自動分析儀測定，根據(jù)熏蒸和未熏蒸處理土壤提取液中有機碳、全氮含量之差，分別乘以系數(shù)264（MBC）、185（MBN），計算微生物生物量C、N含量。土壤微生物熵為微生物生物量碳含量與土壤有機碳含量的比值，以百分比表示，代謝熵（qCO2）為呼吸強度與微生物生物量碳的比值[14]。

土壤紅外光譜采用KBr壓片法在美國Nicolet-AV360紅外光譜儀上測定。

14數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007及DPS 705軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析法分析不同試驗處理對土壤各項理化指標的影響效應(yīng)，采用最小顯著極差法進行多重比較，顯著性水平設(shè)定為α=005。

2結(jié)果與分析

21不同生物炭用量對鹽土紅外光譜的影響

施入不同用量生物炭后鹽堿土壤的紅外光譜如圖2所示。由圖2可觀察到有明顯的吸收峰，其歸屬分別為：3 400 cm-1（羧酸、酚類、醇類等的—OH伸縮振動和酰胺類官能團的N—H振動）；2 920～2 820 cm-1（脂類結(jié)構(gòu)中—CH2和—CH3的C—H的伸縮振動）；1 720 cm-1（羧酸的C[FY=，1]O伸縮振動）；1 620 cm-1（酰胺類化合物的C—O伸展振動）；1 250 cm-1（羧基中—OH的變形振動和C—O伸縮振動）。施入不同量生物炭后對土壤結(jié)構(gòu)單元和官能團數(shù)量有不同程度的影響，不同生物炭添加量處理下土壤的紅外光譜譜形相似，但某些特征峰吸收強度有一定差異，比較3 400、2 920、2 820、1 720、1 620 cm-1處吸收峰強度的變化來比較施用生物炭的效果。

與未添加生物炭相比，施入生物炭后土壤在3 400、2 900、2 800 cm-1處的吸收強度降低。在1 720、1 620 cm-1處吸收強度增加，說明施入生物炭的土壤脂族鏈烴和羥基含量降低，芳香碳數(shù)量增加。Ⅰ2 920/Ⅰ1 620可以反映土壤的芳香性和脂族性強弱，施入生物炭后，隨著施加量的增加，Ⅰ2 920/Ⅰ1 620 比值有所降低，這說明施入生物炭后隨施加量的增加土壤的芳香性增加，脂族性降低。

22不同生物炭用量對鹽土養(yǎng)分的影響

從表3可以看出，隨著生物炭施加量的增加，礦質(zhì)態(tài)氮、有效磷、速效鉀及有機碳含量與未經(jīng)任何處理的鹽堿土壤相比均逐漸增加，且有機碳含量變化最為顯著，是原土含量的135～151倍，相對來說加入生物炭對土壤中礦質(zhì)態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量增加幅度不大，依次為原土含量的136～152、103～110、101～105倍。土壤中各指標的增加是因為生物炭能夠產(chǎn)生正、負電荷，能夠有效吸附鹽土中的養(yǎng)分、降低鹽土的淋溶損失，同時生物炭本身含有植物生長所需的養(yǎng)分，尤其是使土壤中有機碳含量大幅度提高，改善了土壤的養(yǎng)分環(huán)境[15-17]。

23不同生物炭用量對鹽土pH值、水溶性鹽和陽離子交換總量的影響

由圖3可知，施加生物炭后鹽堿土壤的pH值與未加入生物炭鹽堿土壤的pH值有所降低，但降低幅度并不明顯，降低007～014，可能是因為生物炭本身呈堿性，其對鹽土的改良效應(yīng)與自身的堿性效應(yīng)相當(dāng)[18]，且試驗時間較短，尚不能明確生物炭對土壤pH值影響的作用機理。生物炭本身的多孔性、巨大的比表面積及羥基集團賦予生物炭很強的吸附能力，使其能夠提高土壤的陽離子交換性能[19-20]，如圖3所示，施入生物炭后土壤的陽離子交換總量大大增加，施加量由低到高陽離子交換總量分別是45、57、72 cmol/kg，隨著生物炭用量增加而增加，顯著高于原土值。添加生物炭后還降低了土壤中水溶性鹽含量，低密度的生物炭能夠有效減小土壤容重，使土壤的總孔隙度和大孔隙度增加，土壤中鹽分離子的淋洗較之前物理結(jié)構(gòu)較差的鹽土更強[21-25]，從而使得鹽堿土壤中鹽分顯著減少，由原土的9256 cmol/kg減少到 5516～8054 cmol/kg。

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在005水平上差異顯著。下同.

24不同生物炭添加量對土壤酶活性的影響

土壤質(zhì)量不僅取決于土壤理化性質(zhì)，而且與土壤生物學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)[26]。土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的又一類重要動力，它是土壤生物學(xué)活性的總體現(xiàn)，表現(xiàn)了土壤的綜合肥力特征及其變化狀況，是評價土壤肥力水平的重要指標[27]。

脲酶與土壤供氮能力密切相關(guān)，能夠表征土壤氮素的供應(yīng)程度[28]。不同玉米秸稈生物炭添加量對土壤脲酶活性的影響見表4，玉米秸稈生物炭按20 g/kg比例施加到土壤中，脲酶活性比原土提高2667%，各生物炭添加量處理脲酶活性均大于未添加任何改良劑原土中脲酶活性。土壤磷酸酶活性是指示土壤磷素狀況的靈敏指標[29]。由表4可以看出，磷酸酶活性總體呈現(xiàn)出增加趨勢，與原土相比，添加玉米秸稈生物炭后明顯提高磷酸酶活性，特別是添加量為20 g/kg時，提高幅度達到519%，增加了土壤供磷能力。蔗糖酶活性的大小反映了土壤有機碳積累與分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律[29]，各添加量處理蔗糖酶活性的變化在92389～98057 μg/（g·h）之間，變化幅度為7445 μg/（g·h）。

25不同生物炭添加量對鹽堿土微生物生物量的影響

土壤微生物生物量碳（MBC）是土壤有機質(zhì)中最活躍和最易變化的部分，是土壤生物肥力的重要標志[30]。由圖4可以看出，生物炭的加入明顯提高了MBC含量。培養(yǎng)天數(shù)相同時，隨著生物炭添加量的增加，土壤中微生物生物量碳含量增加。培養(yǎng)20 d后，不同添加量處理下分別比對照高650%、4675%、7922%。在120 d的培養(yǎng)期間，隨著培養(yǎng)時間的延長，不同處理的MBC均降低，但是直到培養(yǎng)結(jié)束生物炭處理的土壤中MBC含量仍高于對照，添加比例為20 g/kg時，分別比對照高7922%、8484%、2440%、9667%，生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，巨大的表面積以及能夠保持水分和空氣的特點，可為土壤微生物的聚集、生長與繁殖提供良好的環(huán)境。

圖4還顯示，不同生物炭添加量對土壤中微生物生物量氮（MBN）影響效果與MBC類似。培養(yǎng)20 d后，不同添加量處理下分別比對照高5556%、11111%、16296%。在120 d的培養(yǎng)期間，添加比例為20 g/kg時，分別比對照高7922%、8484%、2440%、9667%，生物炭含碳量豐富，在培養(yǎng)過程中會部分降解，為微生物提供新的碳源，促進MBN含量的增加，對土壤生物肥力有所提高。

26不同生物炭添加量對鹽堿土壤代謝熵和微生物熵的影響

代謝熵（qCO2）是對土壤微生物呼吸速率與微生物生物量變化的綜合反映，代謝熵值小，碳源的利用效率高。由表5得出，加入生物炭后土壤代謝熵分別降低了213%、851%、1560%，生物炭添加量越大，代謝熵越小。土壤微生物熵反映土壤微生物對有機碳的利用效率。培養(yǎng)30 d時，添加生物炭能提高微生物熵，提高幅度為2133%；培養(yǎng)60、120 d后添加生物炭降低了微生物熵值。

27生物炭對玉米苗期生長的影響

在玉米收獲時對株高、莖粗及葉片數(shù)進行了測定。由表6可知，施用玉米秸稈生物炭可促進玉米苗期的生長，不同生物炭施用量比原土種植的玉米株高增加了1244～1313 cm，與原土種植的玉米相比，莖粗的增幅為011～018 cm。但是當(dāng)生物炭施用量達到15 g/kg后，株高、莖粗和葉片數(shù)不再明顯增加，其原因可能是生物炭能夠增加作物對養(yǎng)分的吸收，減少了養(yǎng)分的淋失以及生物炭改善了土壤的理化性狀[31-36]。

3結(jié)論

生物炭的添加能夠提高土壤中礦質(zhì)態(tài)氮、有效磷、速效鉀及有機碳含量，且生物炭施加量越大，各養(yǎng)分含量越大，且對土壤有機碳含量提高幅度較大，加入生物炭后有機碳含量是原土的135～151倍。

施加生物炭后對鹽堿土壤pH值影響不顯著，pH值降低幅度很小。但是土壤陽離子交換量得到了明顯的改善，隨著生物炭施用量的增加，陽離子交換量越高，但是保肥能力仍然比較弱，其值均小于10 cmol/kg，需進一步改善提高。鹽堿土中添加了生物炭后，其水溶性鹽含量大幅度降低。

隨著玉米秸稈生物炭添加量的增加，鹽堿土中脲酶活性、磷酸酶活性及蔗糖酶活性顯著增高，提高幅度分別為 2667%、519%、822%。

生物炭的加入顯著提高了土壤微生物生物量的含量。培養(yǎng)20 d后，不同添加量處理下MBC含量分別比對照高 650%、4675%、7922%。在120 d的培養(yǎng)期間，當(dāng)添加比例為20 g/kg時，MBC含量分別比對照高7922%、8484%、2440%、9667%，不同生物炭添加量對土壤中微生物生物量氮（MBN）影響效果與MBC類似。

加入生物炭后土壤代謝熵分別降低了213%、851%、1560%。培養(yǎng)30 d時，添加生物炭能提高微生物熵，提高幅度為2133%；培養(yǎng)60、120 d后添加生物炭降低了微生物熵值。

生物炭對玉米苗期生長的影響。不同生物炭施用量比原土種植的玉米株高增加了1244～1313 cm，與原土種植的玉米相比，莖粗的增幅為011～018 cm。但是當(dāng)生物炭施用量達到15 g/kg后株高、莖粗和葉片數(shù)不再明顯增加。

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