生物炭與腐殖酸配施對鹽堿土理化性質(zhì)的影響

韓劍宏，孫一博，張連科，王維大，李玉梅，孫 鵬

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

鹽堿土是我國重要的土壤后備資源，中國鹽堿化土地面積約26.6×106hm2，約占總陸地面積的10.3%，且呈逐年增長的趨勢[1]，截止2010年內(nèi)蒙古鹽漬化土地面積已達(dá)3.2×106hm2，其中耕地鹽漬化面積達(dá)到4.7×105hm2，占可灌面積的40%，且耕地次生鹽漬化面積每年仍以1.0×104～1.3×104hm2的速度遞增。內(nèi)蒙古地區(qū)特別是黃河沿岸灘地由于氣候及灌溉方式等原因，土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)、保水保肥能力下降，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的增產(chǎn)，制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，改良利用鹽堿土增加當(dāng)?shù)氐母孛娣e，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

生物炭和腐殖酸是極易得的有機(jī)質(zhì)，可促進(jìn)遲效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，提高氮、磷、鉀的有效性。腐殖酸作為改良劑可提高土壤孔隙度，促進(jìn)作物對土壤中養(yǎng)分及水分的利用[2]。有報道發(fā)現(xiàn)腐殖酸可改變土壤離子組成，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，加快土壤鹽分淋洗，抑制土壤返鹽[3]。多年施用腐殖酸能夠增強(qiáng)土壤酶的活性，促進(jìn)土壤有機(jī)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化，加速土壤養(yǎng)分的循環(huán)，達(dá)到培肥土壤與改善土壤質(zhì)量的目的[4]，同時促進(jìn)農(nóng)作物生長[5]。近年來，已有報道將生物炭用作土壤的改良劑[6]，發(fā)現(xiàn)其不僅可改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、增加有機(jī)質(zhì)[7-8]，還能延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放，提高肥料養(yǎng)分利用率[9]。對于生物炭、腐殖酸分別與其他改良劑配施改良鹽堿土也有不少研究[10-11]，但是鮮有文獻(xiàn)對生物炭與腐殖酸二者共同施用在鹽堿土中的效果進(jìn)行研究。本試驗利用不同生物炭與腐殖酸進(jìn)行單獨(dú)及混合施用，通過室內(nèi)土培研究不同靜置時間下相關(guān)土壤指標(biāo)的變化，以期為應(yīng)用生物炭和腐殖酸改良鹽堿化土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及儀器設(shè)備

1.1.1 試驗材料 供試土壤采集于內(nèi)蒙古包頭市土右旗某鹽堿地耕層土壤(0～20 cm)，采集時去除礫石及可見根系，土壤風(fēng)干過2 mm篩，置于室溫下(20℃)保存[12]。

秸稈取自內(nèi)蒙古西北部農(nóng)區(qū)的玉米秸稈及葵花秸稈，去除表面泥土灰塵，在室溫下自然風(fēng)干，切碎至2～3 cm后，使用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎試樣，過80目篩后放置于密封袋中備用。

秸稈生物炭制備：將玉米秸稈、向日葵秸稈粉末分別放至于坩堝中，于管式爐中300℃下加熱分解3 h，冷卻至室溫后取出。研磨后，過80目篩分別密封保存。

改良劑制備：混合生物炭BC材料為玉米秸稈生物炭與葵花秸稈生物炭以1∶1的比例混合制得；BC1材料為玉米秸稈生物炭；BC2為葵花秸稈生物炭。

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試驗試劑:氯化鉀、氯化鈉、氫氧化鈉、抗壞血酸、甲醇、乙醇、丙酮、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、丙三醇、阿拉伯樹膠、鹽酸、磷酸二氫鉀、苯酚鈉、次氯酸鈉、碳酸氫鈉、酒石酸銻鉀等均為分析純，試驗用水均為去離子水。

1.1.2 儀器設(shè)備 AA800型原子吸收分光光度計(美國PE公司)、BRUKER TENSOR Ⅱ傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(布魯克光譜儀器公司)、UV180G紫外分光光度計(天津冠澤科技有限公司)、PHS-3C型pH計(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)、SC-2300 型電導(dǎo)率儀(上海京燦精密機(jī)械有限公司)、ZWYR-2102C 型恒溫培養(yǎng)振蕩器(北京思博晟達(dá)科技有限公司)、GWL-1700GA管式電爐(洛陽炬星窯爐有限公司)、DHP-9272 型電熱恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)、GZX9140 MBE 數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱(上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案 本研究設(shè)置6個處理，分別為原土對照(CK)、單施玉米秸稈生物炭(A)、單施混合秸稈生物炭(A1)、單施腐殖酸(B)、玉米秸稈生物炭+腐殖酸(AB)、混合秸稈生物炭+腐殖酸(A1B)試驗，具體施用方法及用量見表1。

表1 材料使用量

試驗方法室內(nèi)土培，將土壤與不同改良劑混合后靜置20～80 d，將加入改良劑試驗的土壤和原土試驗分別在20～80 d內(nèi)測定土壤中pH、電導(dǎo)率(EC)、陽離子交換量(CEC)、堿化度(ESP)、有效磷、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)。

1.2.2 檢測分析 生物炭和腐殖酸改良劑加入鹽堿土壤后，按照國家現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)方法對土壤進(jìn)行組試驗、測定土壤的基本理化性質(zhì)，各項土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的測定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法》[13]:陽離子交換量(CEC)采用NaOAc法，交換性鈉離子濃度采用乙酸銨-氫氧化銨交換-火焰光度法，有效磷采用乙酸鈉-鉬銻抗分光光度法，速效氮采用堿解擴(kuò)散法；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法。堿化度的計算公式為：ESP =交換性鈉離子濃度/土壤CEC。土壤pH采用玻璃電極法測定，水土質(zhì)量比為2.5∶1；土壤EC采用EC儀測定，水土比5∶1；生物炭pH采用GB/T12496.7-1999木質(zhì)活性炭試驗方法進(jìn)行測定，水炭質(zhì)量比為20∶1[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究采用Excel整理數(shù)據(jù)，SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行單因素方差分析，多重比較采用最小顯著差異法，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤和改良劑理化性質(zhì)

對生物炭改良劑的理化性質(zhì)進(jìn)行檢測，從表2中可以看出改良劑中有機(jī)質(zhì)、CEC、有效磷、速效鉀高于土壤?？梢姡牧紕┧镔|(zhì)可以增加鹽堿土中某些營養(yǎng)物質(zhì)的含量，提高土壤肥力。

表2 試驗材料主要理化性質(zhì)

2.2 改良材料的傅立葉紅外(FT-IR)表征

圖1 生物炭及腐殖酸的FT-IR圖

因此，生物炭表面以及腐殖酸表面都含有豐富的羧基、羥基等含氧官能團(tuán)[15]，這些基團(tuán)能夠表現(xiàn)出對酸堿的緩沖能力，使得腐殖酸具有疏水、親水的能力，并且使其具有較高的陽離子交換量(CEC)。

2.3 改良劑對土壤理化性質(zhì)的影響

2.3.1 土壤pH值 自然條件下土壤酸堿性主要受土壤鹽基狀況的影響，堿性反應(yīng)及堿性土壤形成是土壤自身及外界共同作用的結(jié)果。pH值是最直觀判斷土壤酸堿狀況的指標(biāo)，對土壤的各種化學(xué)反應(yīng)及過程有很大影響[16]。施用不同的改良劑后土壤pH值測定結(jié)果如圖2所示。與CK相比，在靜置20 d時各處理pH值變化不顯著，在40 d時各處理pH值均呈下降趨勢，其中A1B、AB分別下降0.28、0.36，60 d時AB與A1B組pH值繼續(xù)下降，較前期(20 d)下降0.45、0.7；在80 d時B、AB及A1B處理與CK組土壤pH值相比出現(xiàn)較大變化，各處理pH值較CK下降0.10～0.92，按pH值變化大小排列各處理順序為：CK>A1>A>B>AB>A1B。經(jīng)過80 d的觀察測試發(fā)現(xiàn)，A1B組在降低pH值方面效果最好。

注：不同小寫字母表示同一時期不同組試驗間差異顯著(P<0.05)，下同。Note:Different small letters indicate significant difference between different groups in the same period (P<0.05). The same below.

2.3.2 土壤電導(dǎo)率(EC) 土壤電導(dǎo)率是表征土壤混合鹽分含量狀況最為直觀的指標(biāo)。各處理土壤電導(dǎo)率(圖3)隨時間推移呈現(xiàn)降低的趨勢。在20 d時，各處理與CK均呈顯著性差異，A、A1、B處理較CK分別增加90.5%、67.9%、79.6%；40 d較20 d各處理EC均有所下降，除AB外，其余各處理較20 d分別降低25.6%、25.4%、13.1%、34.5%；60d時，A1與CK無顯著性差異，B與AB無顯著性差異，各改良劑處理較上一測定時期(40 d)分別下降4.4%、15.6%、53.5%、14.4%、39.4%；在80 d時，各處理均與CK呈現(xiàn)顯著性差異，A、B、AB、A1B較CK的EC分別降低了7.2%、19.3%、47.4%和55.0%，A1較CK增加了14.0%，表明AB、A1B降低電導(dǎo)率效果更為顯著。

圖3 各處理不同時間土壤電導(dǎo)率的變化情況

2.3.3 土壤陽離子交換量(CEC) 陽離子交換量與土壤保肥能力相關(guān)，也是土壤改良的重要指標(biāo)。在改良劑施用期間，CEC呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(圖4)，在20 d各處理CEC顯著高于CK，增加范圍在5.4%～27.8%之間；40 d時A、A1、AB處理之間無顯著性差異，各處理顯著高于CK，同時較前一時期各處理CEC均有所增加，分別提高43.6%、48.3%、77.8%、51.5%、9%；60 d各處理間呈現(xiàn)顯著性差異，較40 d繼續(xù)增加，其中A1B增加最多，提升156.2%；80 d各處理較CK呈現(xiàn)顯著性差異，依次提高了2.2倍、2.8倍、3.7倍、4.1倍和3.4倍，說明施用生物炭、腐殖酸及其混合施用對增加土壤陽離子交換量均有很好的效果，長期改良將對土壤中電導(dǎo)率的影響更為顯著。

圖4 各處理在不同時間土壤CEC的變化情況

2.3.4 土壤堿化度(ESP) 堿化度是觀察土壤鹽堿化程度最直接的指標(biāo)，從圖5中可以看出CK屬于中重度的鹽堿化土壤(ESP>15%)。試驗前期(20 d)A、A1相比CK的ESP略有降低，A1B降低最多，約為3.67%；40 d除A1B外各處理均保持下降的趨勢，CK、A、A1、B、AB較20 d分別降低3.16%、4.51%、5.36%、4.44%、2.99%；在60 d時A及A1均有小幅提升，是由于生物炭本身的灰分中成分導(dǎo)致交換性Na+有短期的升高；80 d各處理土壤ESP相較前期20 d時分別降低12.51%、13.8%、32.17%、36.16%、37.10%。相比于其他，AB及A1B均持續(xù)降低了土壤ESP，且在后期兩者效果基本一致。單獨(dú)施用生物炭和腐殖酸可以降低土壤堿化度，這與前人研究結(jié)果一致[17]。聯(lián)合施用生物炭及腐殖酸降低土壤ESP更有效，結(jié)合土壤CEC變化，可知土壤中交換Na+隨時間增加逐漸降低，降低了土壤堿化程度。

圖5 各處理在不同時間土壤ESP的變化情況

2.4 生物炭與腐殖酸配施對土壤養(yǎng)分的影響

速效N、P、K是植物所能直接利用的養(yǎng)分，可保持土壤中植物所需營養(yǎng)元素，增加土壤持水量，減少營養(yǎng)元素的流失[18]。從表3可知，在施用初期(20 d)除B處理外，其余有效磷較CK增幅依次達(dá)33.9%、20.7%、81.2%和64.1%，可以看出,在短期內(nèi)有效磷含量增加較CK出現(xiàn)顯著性差異，而B處理較CK減少6.0%；與CK相比各處理速效氮含量依次增加35.8%、67.2%、52.2%、123.9% 和138.8%；速效鉀的含量分別提高27.8%、50.1%、85.8%、84.6%和56.4%，有機(jī)質(zhì)分別增加29.8%、31.6%、82.13%、84.4%、103.3%。40 d時各處理速效鉀、速效氮及有機(jī)質(zhì)均顯著高于CK，有效磷除B處理外均有所增加，速效鉀、速效氮、有機(jī)質(zhì)較前期有所增加。60 d時除B處理的有效磷含量與CK差異不大外，其余各處理較CK仍呈現(xiàn)顯著差異，有效磷較前期有所降低，而速效鉀、速效氮及有機(jī)質(zhì)則較前期增勢減緩；在施用后期(80 d)，各處理較CK有效磷含量分別增加71.1%、54.9%、11.7%、39.8%、61.1%，這與李春越等[19]的研究結(jié)果相一致。速效氮較前一時期基本維持穩(wěn)定，AB、A1B處理速效鉀仍有小幅提升，分別較前期升高10.0%、8.9%，有機(jī)質(zhì)的含量基本與60 d相同。

表3 各處理在不同時間下土壤養(yǎng)分變化情況

2.5 同一時期各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

對同一時期的不同指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，如表4所示。在20 d時有效磷與速效鉀、速效氮、pH呈極顯著相關(guān)，pH與有效磷、速效鉀、速效氮及有機(jī)質(zhì)都呈明顯的負(fù)相關(guān)，說明這個時期內(nèi)pH可作為判斷速效營養(yǎng)以及有機(jī)質(zhì)變化趨勢的依據(jù)。

表4 試驗指標(biāo)隨時間變化的相關(guān)性

40 d時有機(jī)質(zhì)與有效磷呈現(xiàn)相關(guān)性，與速效鉀及速效氮呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，因此可以嘗試以有機(jī)質(zhì)作為判斷速效營養(yǎng)狀況的依據(jù)；電導(dǎo)率與速效氮、速效鉀及有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)，可將電導(dǎo)率作為判斷有機(jī)質(zhì)變化的依據(jù)。此時期內(nèi)pH與其他指標(biāo)并未呈現(xiàn)相關(guān)性。

施用60 d時，pH與速效鉀呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與速效氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)、CEC及電導(dǎo)率呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)性；同時CEC與速效磷、速效鉀、速效氮及有機(jī)質(zhì)均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性，說明在此期間可通過pH了解土壤指標(biāo)變化，同時可通過CEC判斷土壤營養(yǎng)指標(biāo)的變化趨勢。80 d后，可看出土壤CEC與速效鉀、有效磷、速效氮及有機(jī)質(zhì)呈極顯著相關(guān)，可以CEC作為判斷此期間土壤速效營養(yǎng)指標(biāo)及有機(jī)質(zhì)狀況的依據(jù)。同時，pH與電導(dǎo)率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

3 討 論

3.1 生物炭與腐殖酸配施對土壤理化性質(zhì)的影響

生物炭與腐殖酸施用對于鹽堿土改良具有很好的效果，不僅降低土壤的鹽堿化程度，還可以增加土壤肥力。當(dāng)生物炭與土壤混合，生物炭可以向腐殖酸轉(zhuǎn)化[20]，同時生物炭中的灰分含有較多的鉀離子，不僅能夠提高土壤中鉀素含量，而且鈣離子及鉀離子可代換土壤上的鈉離子，降低土壤ESP和pH值[21]；腐殖酸中的羧基、羥基等含氫官能團(tuán)在土壤中多為酸性，可有效降低土壤pH值，提升鈣離子溶解程度，代換鈉離子從而降低土壤pH和ESP，二者的使用可增強(qiáng)上述效果。但是使用后的20～40 d腐殖酸在土壤中會與堿性離子結(jié)合，生成水溶性腐殖酸鹽，導(dǎo)致土壤中電導(dǎo)率升高，后期腐殖酸中羧基等酸性官能團(tuán)逐漸與碳酸鹽等發(fā)生反應(yīng)又能降低電導(dǎo)率。另外生物炭與腐殖酸均可吸附土壤中硝酸根及部分陽離子，且改良劑的芳香結(jié)構(gòu)維系了土壤孔隙[22]，維持了土壤水鹽平衡，降低了土壤毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的鹽分含量，從而降低土壤電導(dǎo)率。因此出現(xiàn)了土壤短期電導(dǎo)率升高后又降低的現(xiàn)象。

3.2 生物炭與腐殖酸配施對土壤養(yǎng)分的影響

生物炭和腐殖酸所具有的羧基、羥基與多種陽離子均可發(fā)生離子交換，從而提升了土壤CEC，降低養(yǎng)分淋洗[23]，增加養(yǎng)分循環(huán)利用效率[24]。

通過FT-IR表征試驗證明腐殖酸具有羧基、羰基、醇羥基、酚羥基等官能團(tuán)，有較強(qiáng)的離子交換能力，同時可以減少氨態(tài)氮損失，提高土壤對氮肥的利用；同時，土壤中Ca3(PO4)2在腐殖酸存在的情況下分解出H2(PO4)-、H(PO4)2-，可提高磷素有效性，減少磷素固定，但是在施用后期出現(xiàn)磷素下降接近對照組土壤水平。分析原因是由于土壤缺乏有機(jī)質(zhì)，會將前期活化的磷素吸附占據(jù)了土壤膠體孔隙，從而導(dǎo)致磷素下降[25]，這也可能與土壤中離子變化及土壤中相關(guān)酶的改變有關(guān)。

生物炭富含有機(jī)碳，可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[26]，通過生物質(zhì)炭可以改善土壤通透性，利于表層土壤鹽分向土壤下層擴(kuò)散[27]。由于配施組試驗中BC1、BC2這兩種生物炭結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分含量略有不同，導(dǎo)致土壤中的氮素含量略有差異。生物炭中含有灰分，腐殖酸中含有一定量的礦物質(zhì)，二者均含有一定量的鉀鹽，可提升土壤中速效鉀的含量，同時促進(jìn)養(yǎng)分有效化，提升有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率。因此pH值與CEC、速效氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率在改良劑施用40～80 d呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，而營養(yǎng)指標(biāo)之間呈現(xiàn)正相關(guān)。

4 結(jié) 論

本文對添加不同改良劑的鹽堿土鹽堿指標(biāo)、營養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行測定，得到如下結(jié)論：

(1)生物炭和腐殖酸都具有改良土壤鹽堿性、提高土壤肥力的作用，二者聯(lián)合配施對降低土壤pH、EC、ESP及提高土壤養(yǎng)分的效果更明顯，其中混合生物炭與腐殖酸配施(A1B)效果最好。

(2)隨著施用時間增加，A1B的效果最為顯著，pH 較CK降低10.8%，有機(jī)質(zhì)提升178%，堿化度降低9.8%。