不同水分培養(yǎng)下添加生物質(zhì)炭濕地土壤pH的變化特征

張群　張平究　杜永固　于小彥

摘要[目的]研究在不同水分條件下添加生物質(zhì)炭后濕地土壤pH的變化特征。[方法]以巢湖十五里河河口濕地土壤為研究對(duì)象，采用室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，研究在干濕交替（J）、75%田間持水量（75%）和淹水（Y）3種水分條件下，添加不同條件（350℃與600℃、洗滌與未洗滌）制備的生物質(zhì)炭對(duì)濕地土壤pH的影響。[結(jié)果]隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，在干濕交替和75%田間持水量條件下，對(duì)照組土樣pH先降低后升高，加入生物質(zhì)炭可以降低土樣的pH，增加其酸度，且干濕交替時(shí)培養(yǎng)時(shí)間越長，降低作用越明顯；淹水培養(yǎng)土壤pH變化趨勢(shì)呈“W”型，添加生物質(zhì)炭對(duì)其有影響，但在不同培養(yǎng)周期作用不同。培養(yǎng)期間，對(duì)照組土壤pH為CKY>CKJ>CK75%。添加生物質(zhì)炭后，土壤pH為Y>J和75%，且水分培養(yǎng)條件相同，添加同一溫度制備的洗滌與未洗滌生物質(zhì)炭土壤pH變化趨勢(shì)相同。[結(jié)論]該研究為利用生物質(zhì)炭進(jìn)行土壤酸堿度改良提供參考。

關(guān)鍵詞 濕地土壤；生物質(zhì)炭；不同水分條件；pH

中圖分類號(hào) S156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào)0517-6611（2018）11-0109—03

土壤pH是重要的土壤理化性質(zhì)，其變化會(huì)影響土壤中重金屬的形態(tài)和濃度、土壤養(yǎng)分狀況、微生物的種類與數(shù)量及土壤對(duì)磷的吸附解吸特性等。而生物質(zhì)炭作為一種新型的環(huán)境材料，其制取原料來源廣、表面性能多樣、物理結(jié)構(gòu)獨(dú)特、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)優(yōu)良，在土壤改良、污水治理、全球氣候變化以及受污染環(huán)境修復(fù)等研究方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，具有較高的pH，輸入土壤后會(huì)降低土壤容重、提高土壤保水性或增加土壤斥水性、調(diào)節(jié)酸性土壤pH、提高土壤CEC及土壤有效磷含量、促進(jìn)團(tuán)聚體形成等。筆者將不同條件制備的生物質(zhì)炭加入濕地土壤中進(jìn)行6個(gè)周期，每周期120d的培養(yǎng)，研究在不同水分條件下，添加生物質(zhì)炭后濕地土壤pH的變化特征，旨在為利用生物質(zhì)炭進(jìn)行土壤酸堿度改良提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況 巢湖地處安徽省中部，位于117°1654”～117°51，46”E、31°2528”～31°4328”N，屬副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是我國五大淡水湖泊之一。該流域地理環(huán)境獨(dú)特、環(huán)境生態(tài)功能巨大、資源條件豐富，不僅在當(dāng)?shù)貧夂蚝退恼{(diào)節(jié)、生物多樣性保存、水源調(diào)蓄等方面發(fā)揮重要的生態(tài)效應(yīng)，同時(shí)也促進(jìn)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1.2土壤樣品采集與處理 2014年4月土樣采于巢湖十五里河河口濕地后，快速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干磨碎過篩，一部分過2mm篩后作為土柱培養(yǎng)試驗(yàn)備用。另一部分土樣分別過孔徑10目和100目篩，進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測(cè)定。十五里河河口濕地土壤基本性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)58.69g/kg，全磷1.64g/kg，有效磷101.59mg/kg，pH4.55，黏粒22.81%，粉粒68.62%，砂粒8.57%。

1.3生物質(zhì)炭樣品的制備與處理 將蘆葦收割自然風(fēng)干后切成小段，密封于不銹鋼鐵盒中，置于馬弗爐中分別在350和600℃下隔氧加熱4h，得到2種溫度的生物質(zhì)炭。研磨生物質(zhì)炭并過10～30目篩選粒徑。由于生物質(zhì)炭在制作過程中會(huì)產(chǎn)生醋液、無機(jī)鹽和焦油等性質(zhì)較活躍的附在生物質(zhì)炭表面的熱解副產(chǎn)物，影響生物質(zhì)炭本身及土壤性質(zhì)。因此將篩選好的炭一份浸于無水乙醇中24h后用去離子水反復(fù)浸泡清洗，再用無水乙醇浸泡24h，重復(fù)上述操作3次后，將得到的生物質(zhì)炭置于60℃中進(jìn)行干燥處理，得到洗滌生物質(zhì)炭；另一份不進(jìn)行處理直接加入土壤中作為未洗滌試驗(yàn)組。

1.4室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn) 按生物質(zhì)炭占炭土混合樣質(zhì)量的4%稱取168g土樣與7g生物質(zhì)炭，放入內(nèi)壁直徑7cm、高15cm、底部設(shè)有堵上橡膠塞的用于滲濾的聚氯乙烯圓柱管內(nèi)，在干濕交替（J）、75%田間持水量（75%）、淹水（Y）3種水分條件下，進(jìn)行120-720d的培養(yǎng)。

處理方案：對(duì)照組土樣（CK）；土樣+350℃洗滌/未洗滌生物質(zhì)炭（350℃X/350℃WX）；土樣+600℃洗滌/未洗滌生物質(zhì)炭（600%X/600%WX），共15組處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。在3種水分條件下培養(yǎng)6個(gè)周期，每周期120d。培養(yǎng)時(shí)間為2014年9月至2016年9月，共培養(yǎng)2年。

1.5樣品分析 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定參考土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法。土壤pH采用pHS-29B酸度計(jì)（水土比為2.5：1.0）測(cè)定。

1.6數(shù)據(jù)處理 利用Excel2003對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和制圖，利用SPSS17.0對(duì)不同處理間的差異進(jìn)行分析。

2結(jié)果與分析

2.1添加生物質(zhì)炭對(duì)濕地土壤pH的影響 未培養(yǎng)前土壤pH為4.55，酸性土壤，為黏壤土，有機(jī)質(zhì)和全磷含量較高，說明污染較嚴(yán)重，內(nèi)源污染的風(fēng)險(xiǎn)大。經(jīng)過培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同水分條件下，添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH的影響不同。從圖1可以看出，干濕交替和75%田間持水量條件下，對(duì)照土壤pH呈先降低后升高的趨勢(shì)，添加生物質(zhì)炭能降低土樣pH，且添入350%WX生物質(zhì)炭的土樣pH大于350℃X。淹水條件下加入350℃生物質(zhì)炭能降低土樣pH，而添入600℃生物質(zhì)炭在不同試驗(yàn)周期作用不同。

在干濕交替條件下，對(duì)照組土壤pH在培養(yǎng)120～480d時(shí)下降，培養(yǎng)后期上升。試驗(yàn)組土壤pH低于對(duì)照組土壤pH，且在120～600d時(shí)變化規(guī)律與對(duì)照組相同，但在720d時(shí)，試驗(yàn)組pH變化與對(duì)照組pH變化相反。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH的降低作用越來越明顯，在720d時(shí)土壤pH下降了13.84%～17.05%，其中添加350℃X生物質(zhì)炭的土壤pH下降最多，下降了0.86。這說明在干濕交替條件下，添加生物質(zhì)炭能降低土壤pH，其生物質(zhì)炭的作用隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加越來越明顯。

從圖1可以看出，在75%田間持水量條件下，對(duì)照組土樣pH在120～360d時(shí)呈下降趨勢(shì)，480～720d時(shí)上升，且720d土壤pH比120d增加0.22。添加350℃WX土壤pH變化規(guī)律與對(duì)照組相同。添加另外3種生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH在不同培養(yǎng)時(shí)間所起的作用不同。在75%田間持水量條件下，添加350%WX生物質(zhì)炭的土樣pH大于添加350℃X生物質(zhì)炭，而添加600℃生物質(zhì)炭的土樣pH除120d外均為洗滌大于未洗滌。

而在淹水處理?xiàng)l件下，對(duì)照組與試驗(yàn)組的土壤pH變化趨勢(shì)呈“W”型，在培養(yǎng)120～360和600d時(shí)下降，在480和720d時(shí)上升。添加350℃生物質(zhì)炭土樣pH小于對(duì)照組，且添加350℃x生物質(zhì)炭的土樣pH小于其余4種處理，這說明在淹水條件下，添加350℃生物質(zhì)炭能夠減小土壤pH，且經(jīng)洗滌的小于未經(jīng)洗滌的。而添加600℃生物質(zhì)炭在培養(yǎng)前期土樣pH為600℃WXY>600℃XY，后期則是洗滌的大于未洗滌的。

2.2不同水分條件對(duì)濕地土壤pH的影響 在干濕交替、75%田間持水量和淹水3種水分條件下，對(duì)照組土壤pH由大到小依次為CKY、CKJ、CK75%。添加350及600℃生物質(zhì)炭后，土壤pH均為CKY大于CKJ和CK75%，且相同水分條件，加入同一溫度燒制的洗滌與未洗滌生物質(zhì)炭土樣pH變化趨勢(shì)相同。

在干濕交替和75%田間持水量培養(yǎng)條件下，試驗(yàn)組pH總體變化趨勢(shì)：培養(yǎng)120～240d時(shí)，干濕交替（J）大于75%田間持水量，360～720d時(shí)，75%田間持水量大于等于干濕交替（J），且相較于另外2種水分培養(yǎng)條件，75%田間持水量的土樣pH變化幅度較小。75%田間持水量條件下，添加600℃生物質(zhì)炭的土樣pH在整個(gè)試驗(yàn)期間緩慢降低，且在360～720d時(shí)變化趨勢(shì)與對(duì)照組相反，而添加350℃生物質(zhì)炭在360720d呈上升趨勢(shì)，與對(duì)照組相同。淹水條件下，添加生物質(zhì)炭與否土樣pH變化均呈“w”型。相較于在另外2種水分條件下土樣pH的持續(xù)變化，淹水培養(yǎng)土壤pH具有更明顯的季節(jié)變化特征。

3討論

研究表明，淹水時(shí)添加350℃生物質(zhì)炭能夠降低土壤pH，且經(jīng)洗滌的小于未經(jīng)洗滌的，而添加600℃生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH的影響在不同培養(yǎng)周期不同。在干濕交替和75%田問持水量條件下，添加生物質(zhì)炭能降低土壤pH，增加土壤酸度，尤其在干濕交替培養(yǎng)時(shí)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH的影響越明顯，這與Chintala等在酸性土壤中加入各種生物質(zhì)炭研究結(jié)果和袁金華等利用稻殼制成的生物質(zhì)炭改良土壤的酸度結(jié)果均不同。這與生物質(zhì)炭原料、處理方式、生物質(zhì)炭的本身性質(zhì)及試驗(yàn)的水分條件等有關(guān)。

生物質(zhì)炭大部分呈堿性，由制炭原材料、熱解溫度、氧化程度等因子決定。同一種原料制備的生物質(zhì)炭，pH隨著裂解溫度的上升而升高，灰分含量越高，其pH越高。該試驗(yàn)中未經(jīng)培養(yǎng)的濕地土壤pH為4.55，為強(qiáng)酸性土壤，生物質(zhì)炭pH：600℃WX為7.71，600℃X為7.47，350℃Wx為6.28，350℃X為5.43。600℃生物質(zhì)炭灰分含量高于350℃，未經(jīng)洗滌的生物質(zhì)炭灰分含量高于洗滌的，因此前者的pH皆高于后者的pH：350℃WX>350℃X，600℃WX>600℃X，600℃>350℃。其他試驗(yàn)中生物質(zhì)炭為堿性，該試驗(yàn)中生物質(zhì)炭的pH更接近于中性，這與炭篩選過程造成了生物質(zhì)炭表面灰分的丟失和洗滌處理時(shí)除去了生物質(zhì)炭表面的堿性灰分有關(guān)。且在長時(shí)間的培養(yǎng)過程中，生物質(zhì)炭分解也會(huì)造成土壤pH的下降。

4結(jié)論

（1）在干濕交替和75%田間持水量條件下，添加生物質(zhì)炭能降低土壤pH，且添加350℃WX生物質(zhì)炭的土壤pH大于洗滌的，添加600℃在干濕交替培養(yǎng)后期和75%田間持水量培養(yǎng)時(shí)為600℃X大于未洗滌的。尤其是干濕交替水分處理下，生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH的作用隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長越明顯，且添加350℃生物質(zhì)炭的土壤pH為未洗滌的大于洗滌的。

（2）對(duì)照組土壤pH為CKY>CKJ>CK75%，試驗(yàn)組土壤pH為CKY>CKJ和CK75%，且相同水分條件，加入同一溫度的洗滌與未洗滌生物質(zhì)炭土樣pH變化趨勢(shì)相同。