施用生物炭對土壤養(yǎng)分有效性和離子交換性能影響的整合分析*

冉繼偉,齊昕,武棟,黃敏,蔡澤江,4,黃亞萍**,張文菊

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081;2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 武漢 430070;3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100083;4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽紅壤實(shí)驗(yàn)站 祁陽 426182)

生物炭是農(nóng)業(yè)廢棄物(如作物秸稈、殼渣、木材和糞肥等)在缺氧條件下燃燒后的固體殘留物,通常呈堿性[1]。生物炭一般主要由芳香烴、單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳組成,碳含量可達(dá)到50%以上,通常具備較大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)[2]。研究結(jié)果顯示,施用適量的生物炭能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況、促進(jìn)作物生長和產(chǎn)量提升[3]。

近年來,大量研究集中在施用生物炭對土壤理化性質(zhì)方面的影響,但是由于施入農(nóng)田系統(tǒng)的生物炭受原料類型、施用時(shí)間、土壤類型等因素影響,導(dǎo)致研究結(jié)果存在差異[4-6]。例如,施用棉稈生物炭能夠促進(jìn)沙壤土大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性[7];施用玉米秸稈生物炭提高潮土有效磷(Olsen-P)和速效鉀(AK)含量,增幅分別為7.5%～20.6%和5.53%～14.9%[8];稻殼生物炭配施化肥顯著提升土壤Olsen-P 含量達(dá)18.0%[9]。施用生物炭1 年后,土壤硝態(tài)氮(NO3--N)的含量降低36.7%,而施用2 年后則顯著提高10.0%[10];連續(xù)5 年施用生物炭,棕壤全磷以及Olsen-P 含量顯著提高[11]。除了生物炭原料、施用時(shí)間會(huì)影響土壤養(yǎng)分有效性以外,不同土壤pH 環(huán)境可能通過影響土壤碳氮礦化相關(guān)過程改變生物炭添加對土壤養(yǎng)分含量及有效性的影響[12-13]。酸性土壤條件下,施用生物炭顯著降低土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)和NO3--N 的含量分別達(dá)71.2%和81.5%[14];但也有研究表明施用生物炭能顯著提升土壤總氮、Olsen-P 及速效鉀含量[15]。因此,基于早期的田間試驗(yàn)或者室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,生物炭應(yīng)用的適宜性可能是非單一因素影響而是受多種因素共同作用,需進(jìn)一步將其影響因素進(jìn)行分類和整理分析。

土壤交換性鹽基離子(K+、Na+、Ca2+和Mg2+)對維持土壤養(yǎng)分和緩沖性能起關(guān)鍵作用,陽離子交換量(CEC)是評價(jià)土壤保肥能力的重要指標(biāo)。由于生物炭含有大量的堿金屬離子和豐富的陰陽離子交換位點(diǎn),農(nóng)田施用后會(huì)顯著改變鹽基離子含量;另一方面,由農(nóng)作物秸稈和渣殼制備而成生物質(zhì)炭含有大量鹽基離子,施用后通過與土壤表面交換位點(diǎn)上的H+、Al3+發(fā)生置換反應(yīng),會(huì)進(jìn)一步富集土壤交換性鹽基離子[16-17]。李九玉等[18]研究表明,紅壤施用秸稈炭顯著增加土壤交換性鹽基陽離子、有效陽離子交換量和鹽基飽和度,其中油菜秸稈炭對Ca2+的增幅最大、花生秸稈炭對Mg2+增幅最高。Uzoma 等[19]的研究表明,不同用量生物炭對Ca2+的影響存在差異,其中施用20.0 t·hm-2生物炭增幅效果可顯著達(dá)到65.8%。王世斌等[16]針對鹽堿土的研究表明,連續(xù)3 年施用生物炭均能有效降低土壤水溶性Na+含量,減輕土壤鹽堿化程度,其中每年施用10.0 t·hm-2處理效果最優(yōu)。除了單施生物炭,郭春雷等[17]研究表明生物炭配施化肥能顯著提高棕壤土壤交換性Ca2+、Mg2+和K+含量、而對Na+含量無顯著影響。另外,制備生物炭的熱解溫度會(huì)影響生物炭的孔隙結(jié)構(gòu),改變生物炭比表面積,進(jìn)而決定土壤鹽基離子含量。季雅嵐等[20]研究表明,生物質(zhì)炭的酸堿度和鹽基離子含量受熱解溫度和制備原料不同呈現(xiàn)差異性,其中500 ℃下制備的生物質(zhì)炭對改良鹽基不飽和酸性土壤效果更好。盡管這些研究都聚焦了施用生物炭對離子交換性能的影響,但隨著生物質(zhì)炭設(shè)備工藝的發(fā)展和農(nóng)田管理措施的改變,還需綜合分析實(shí)際地域環(huán)境條件下施用生物炭的效果及影響因素。

綜上所述,隨著生物炭應(yīng)用研究的不斷深入,為了更加準(zhǔn)確評估施用生物炭對土壤養(yǎng)分有效性及交換性能的影響,本研究通過數(shù)據(jù)整合分析(Meta-analysis)方法,針對生物炭原料類型、施用時(shí)間和土壤屬性等方面,重點(diǎn)區(qū)分單施生物炭和生物炭與化肥配施效果,明確影響其使用效果的主要因素,以期為生物炭的選擇性應(yīng)用,以及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物生長和糧食增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)、萬方和Web of Science 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫。檢索關(guān)鍵詞分別為“生物炭”或“生物質(zhì)炭”或“生物焦”或“半焦” “土壤”和“全氮”或“有效氮”或“有效磷”或“陽離子交換量”或“鹽基離子”,檢索時(shí)間為2000 年至2020 年。篩選文獻(xiàn)的基本要求包括: 1)同一試驗(yàn)須包含配對的對照組和處理組,對照組為不施用生物炭處理,處理組分為單獨(dú)施用生物炭,或生物炭與化肥配施處理;2)試驗(yàn)處理重復(fù)數(shù)大于或等于3 次[21]。

數(shù)據(jù)收集內(nèi)容主要包括: 單施生物炭處理、生物炭配施化肥處理、生物炭性質(zhì)、生物炭施用時(shí)間、生物炭施用量和土壤理化性質(zhì)[ 全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、NH4+-N、NO3--N、Olsen-P、AK、CEC 和鹽基離子 ],還包括每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)對應(yīng)的質(zhì)地和土壤pH 等,其中土壤質(zhì)地分為黏土、壤土和砂土,土壤pH 分為酸性(pH＜6.5)、中性(6.5≤pH≤7.5)和堿性(pH＞7.5)。土壤pH 的測定統(tǒng)一為水浸提測定結(jié)果,如果采用CaCl2溶液法則通過公式進(jìn)行換算,即pH(H2O)=1.65+0.86×pH(CaCl2)[22]。數(shù)據(jù)收集過程中,以圖形式展示的數(shù)據(jù)利用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件獲得。最終共計(jì)143 篇有效文獻(xiàn),獲得不施生物炭和單施生物炭648 組匹配數(shù)據(jù)、不施生物炭和生物炭配施化肥430 組匹配數(shù)據(jù)。

結(jié)合搜集數(shù)據(jù)和已發(fā)表文獻(xiàn)將影響生物炭施用效果的因素進(jìn)行分類[23-25]。其中,將生物炭原材料分為3 種類型: 秸稈類(花生秸稈、玉米秸稈和小麥秸稈等),殼渣(核桃殼、花生殼和甘蔗渣等)以及木材類(樹皮、木片和樹干等);生物炭pH 分為4 個(gè)水平:＜8、8～9、9～10 和≥10;生物炭熱解溫度分為3 個(gè)水平: ≤400 ℃、400～500 ℃和＞500 ℃;生物炭碳氮比值(C/N)劃分為3 個(gè)水平: ＜50、50～100 和＞100;生物炭陽離子交換量分為3 個(gè)水平: ＜20 cmol·kg-1、20～50 cmol·kg-1和＞50 cmol·kg-1;生物炭總施用量分為3個(gè)水平: ＜10 t·hm-2、10～40 t·hm-2和≥40 t·hm-2;施用生物炭以后試驗(yàn)時(shí)間按年份分為3 個(gè)水平: ＜1 年、1～2 年和≥2 年。

1.2 數(shù)據(jù)分析

本文所收集的數(shù)據(jù)均來自相對獨(dú)立的研究,可以通過整合分析來判斷施用生物炭和生物炭配施化肥對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生的正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)以及效應(yīng)大小[26]。主要利用Meta Win 2.1 軟件進(jìn)行整合分析,量化生物炭特性對土壤理化性質(zhì)的影響程度。在檢驗(yàn)影響因子差異性時(shí),每組數(shù)據(jù)均包含平均值(mean,M)、標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviations,SD)和樣本數(shù)(samples size,n)。如果文獻(xiàn)中是標(biāo)準(zhǔn)誤(standard errors,SE)則根據(jù)下式進(jìn)行換算:

統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)采用合并計(jì)數(shù)資料響應(yīng)比(response ratio,RR)表示,并計(jì)算其95%置信區(qū)間(95% CI),其中RR 計(jì)算公式為:

式中:Ma表示處理組平均值,Mb表示對照組平均值。

分析過程中需將RR 進(jìn)行對數(shù)化,采用自然對數(shù)響應(yīng)比(lnRR)反映不同生物炭特性對土壤理化性質(zhì)的影響程度并通過式(3)實(shí)現(xiàn):

另外,平均值的變異系數(shù)(V)、權(quán)重(Wij)、權(quán)重響應(yīng)比(RR++)、RR++的標(biāo)準(zhǔn)誤[S(RR++)]和95% CI通過下式計(jì)算:

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方式施用生物炭對土壤養(yǎng)分有效性和離子交換性能的影響

施用生物炭增加土壤養(yǎng)分有效性和鹽基離子含量(圖1)。與不施生物炭相比,單施生物炭土壤TN、TP、TK、Olsen-P 和AK 含量顯著增加14.0%～43.0%,生物炭與化肥配施增加24.4%～128.1%。施用生物炭對鹽基離子含量的增加幅度為22.5%～270.2%,其中單施生物炭顯著增加30.1%～270.2%,包括K+含量270.2%、Na+含量43.8%、Ca2+含量30.1%和Mg2+含量84.7%,但是生物炭和生物炭與化肥配施處理間并無顯著差異。同時(shí),單施生物炭顯著增加CEC 達(dá)8.2%,而生物炭與化肥配施CEC 僅增加4.6%。因此,生物炭與化肥配施土壤氮磷有效性的增加效果較好,而單施生物炭對土壤鹽基離子和CEC 的增加效果較好。施用生物炭(單施或與化肥配施)顯著增加了土壤氮磷鉀含量為14.0%～128.1%、土壤鹽基離子含量為22.5%～270.2%。

圖1 生物炭單施和與化肥配施對土壤養(yǎng)分有效性和鹽基離子含量的影響Fig.1 Effects of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability and salt-based ions contents

2.2 施用不同特性生物炭對土壤氮磷有效性和離子交換性能的影響

施用不同特性的生物炭對土壤養(yǎng)分有效性的影響存在差異(圖2)。單施殼渣類生物炭,土壤TN 和NO3--N 增加31.6%和15.4%,Olsen-P 含量增加33.0%;秸稈類(木材類)生物炭配施化肥對NH4+-N 和Olsen-P 含量的增加幅度是單施生物炭的5.6 (10.6)倍和2.2 (2.8)倍。同時(shí),與不施用生物炭相比,當(dāng)生物炭pH 為8～9、9～10 和≥10 時(shí),單施生物炭對土壤Olsen-P含量的增加幅度分別為27.4%、58.5%和10.3%。

當(dāng)制備溫度≤400℃時(shí),與不施生物炭相比,單施生物炭顯著增加23.6%的土壤TN 含量和39.8%的Olsen-P 含量;制備溫度在400～500 ℃時(shí),生物炭與化肥配施對土壤NH4+-N 和Olsen-P 含量的增加顯著高于單施生物炭,分別為81.8%和106.6%;當(dāng)制備溫度＞500 ℃時(shí),單施生物炭對土壤Olsen-P 的影響無顯著差異。

當(dāng)生物炭C/N＜50 時(shí),單施生物炭有利于土壤TN 增加,同時(shí)配施化肥后對NH4+-N 的增加幅度是單施生物炭的28.8 倍;當(dāng)生物炭C/N＞100 時(shí),單施生物炭對土壤Olsen-P 含量的影響無顯著差異。另外,單施生物炭CEC 值的增加有助于促進(jìn)土壤NH4+-N和Olsen-P 含量的提升。

土壤鹽基離子和CEC 的變化受生物炭特性和施用方式影響(圖3)。相較于單施秸稈類生物炭,生物炭與化肥配施降低了土壤交換性K+和Na+含量,而木材類生物炭對土壤交換性Mg2+含量的增加效果低于殼渣類和秸稈類生物炭;另外,施用木材類生物炭和秸稈類生物炭可分別增加土壤CEC 達(dá)21.7%和14.8%。生物炭pH 的增加有助于土壤CEC 增加,與不施生物炭相比,當(dāng)生物炭pH 在＜8、8～9、9～10 和≥10 范圍時(shí)單施時(shí)可有助于土壤CEC 分別增加7.4%、10.8%、16.8%和24.0%。隨著制備溫度的升高,生物炭對土壤鹽基離子的增加效果有所降低,當(dāng)制備溫度＞500 ℃時(shí),土壤鹽基離子含量提高幅度為33.9%～384.7%。單施生物炭對土壤CEC 的增加效果隨著生物炭C/N 值的增加逐漸降低,其中生物炭原料C/N 值＞100 時(shí),土壤 CEC 增加幅度是C/N 值＜50 的46.3%。隨著生物炭CEC 值的增加,單施生物炭土壤CEC 的增加幅度有所降低,生物炭CEC 值為20～50 cmol·kg-1時(shí),增加幅度為29.6%。

圖3 生物炭單施和與化肥配施條件下生物炭特征對土壤鹽基離子 [K+(a)、Na+ (b)、Ca2+ (c)和Mg2+ (d)] 含量和陽離子交換量(CEC) (e)的影響Fig.3 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil salt-based ions (a: K+;b: Na+;c: Ca2+;d: Mg2+) contents and soil cation exchange capacity (CEC,e) under different biochar properties

2.3 生物炭施用量及施用時(shí)間對土壤氮磷有效性和離子交換性能的影響

生物炭施用量和施用時(shí)間是影響土壤養(yǎng)分有效性的重要因素。分析結(jié)果表明,土壤TN 和Olsen-P含量隨著生物炭施用量的增加而增加(圖4)。其中當(dāng)施用量為≥40 t·hm-2時(shí),TN 增加幅 度達(dá)到最高29.8%;當(dāng)施用量為10～40 t·hm-2和≥40 t·hm-2時(shí),單施生物炭可顯著增加35.7%和37.5%的土壤Olsen-P 含量。另一方面,隨著生物炭施用時(shí)間的延長,土壤NO3--N 含量增加幅度逐年降低;而NH4+-N 含量表現(xiàn)為: 施用時(shí)間≤1 a 時(shí)顯著增加10.6%、施用時(shí)間≥2.0 a 時(shí)較不施用生物炭處理降低12.2%。

圖4 生物炭單施和與化肥配施條件下生物炭施用量和施用時(shí)間對土壤有效性 [ 全氮(a)、NH4+-N (b)、NO3—-N (c)和Olsen-P(d)含量 ] 的影響Fig.4 Effects of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability (a: content of total nitrogen;b: content of NH4+-N;c: content of NO3--N;d: content of Olsen-P) under different application rates and application times

從圖5 可知,當(dāng)生物炭施用量為10～40 t·hm-2時(shí),與不施生物炭相比,單施生物炭對鹽基離子含量的增加幅度高于生物炭與化肥配施,同時(shí)單施生物炭對土壤CEC 的增幅最大(19.4%)。隨著生物炭施用時(shí)間的延長,土壤鹽基離子含量增加幅度逐漸降低。施用1 a 內(nèi),單施生物炭增加土壤交換性Ca2+和Mg2+含量分別達(dá)35.7%和109.0%,同時(shí)增加17.3%的土壤CEC。當(dāng)生物炭施用時(shí)間≥2.0 a 時(shí),單施生物炭對土壤CEC 的增加幅度為23.0%;而當(dāng)施用年限＜1 a和≥2 a 時(shí),單施生物炭對土壤CEC 的增加幅度是生物炭配施化肥的6.6 倍和3.8 倍。

圖5 生物炭單施和與化肥配施條件下生物炭施用量和施用時(shí)間對土壤鹽基離子 [K+(a)、Na+ (b)、Ca2+(c)和Mg2+(d)] 含量和陽離子交換量(CEC) (e)的影響Fig.5 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil salt-based ions (a: K+;b: Na+;c: Ca2+;d: Mg2+) contents and soil cation exchange capacity (CEC,e) under different amendment rates and application times

2.4 土壤屬性對土壤氮磷有效性和離子交換性能的影響

土壤質(zhì)地是土壤穩(wěn)定的自然屬性,能夠反映母質(zhì)來源及成土過程。與不施生物炭相比,砂質(zhì)土壤單施生物炭能顯著增加28.1%的土壤TN 含量,遠(yuǎn)高于壤質(zhì)土壤(11.4%)(圖6)。土壤pH＞7.5 的環(huán)境中,單施生物炭顯著增加了NO3--N 含量,增加幅度為15.1%;當(dāng)土壤pH＜6.5 時(shí),單施生物炭顯著增加了土壤Olsen-P 含量,增加幅度為45.0%。生物炭與化肥配施對土壤Olsen-P 含量的增加隨著土壤pH 值的增加而降低,當(dāng)土壤pH＜6.5 時(shí)增加幅度達(dá)75.0%。

圖6 生物炭單施和與化肥配施條件下土壤質(zhì)地和pH 對土壤有效性 [ 全氮(a)、NH4+-N (b)、NO3—-N (c)和Olsen-P (d)含量 ]的影響Fig.6 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability (a: content of total nitrogen;b: content of NH4+-N;c: content of NO3--N;d: content of Olsen-P) under different soil textures and soil pH

單施生物炭對砂質(zhì)土壤能提升56.5%的土壤CEC,而單施生物炭對壤質(zhì)土壤CEC 提升幅度僅為11.8% (圖7)。在黏質(zhì)和壤質(zhì)土壤上,單施生物炭對土壤CEC 的增加幅度是生物炭與化肥配施的2.8 倍和16.6 倍。在pH＜6.5 的土壤上,單施生物炭和生物炭配施化肥顯著增加了土壤鹽基離子含量,其中,土壤中交換性K+含量增加幅度最大,分別為311.4%和180.7%。

圖7 生物炭單施和與化肥配施條件下土壤質(zhì)地和pH 對土壤鹽基離子 [K+(a)、Na+ (b)、Ca2+(c)和Mg2+(d)] 含量和陽離子交換量(CEC) (e)的影響Fig.7 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil salt-based ions (a: K+;b: Na+;c: Ca2+;d: Mg2+) contetns and soil cation exchange capacity (CEC,e) under different soil textures and soil pH

3 討論

由于生物炭價(jià)格低廉、材料易獲取,并且含有較高的礦質(zhì)養(yǎng)分,探索其應(yīng)用于土壤養(yǎng)分調(diào)理劑是目前一個(gè)研究熱點(diǎn)。本研究表明,單施生物炭和生物炭配施化肥均能顯著增加土壤氮磷養(yǎng)分(除礦質(zhì)態(tài)氮)有效性,這與前人的研究結(jié)果一致[25,28]。施用生物炭對土壤養(yǎng)分有效性提升的主要原因可能與其本身含有的礦質(zhì)養(yǎng)分有關(guān),而化肥配施后由于額外礦質(zhì)養(yǎng)分的投入對土壤中氮磷鉀養(yǎng)分含量的提升效果更加顯著[10]。分析顯示,單施生物炭顯著增加了土壤離子交換性能,這與先前多數(shù)研究一致[29-30]。一方面,生物炭具有較大比表面積和較強(qiáng)吸附性能,大量的養(yǎng)分離子通過物理作用被截留在生物炭空隙中,從而增加了對陽離子的吸附;另一方面,生物炭中含有大量的鹽基離子,當(dāng)施入土壤后生物炭表面被氧化形成羰基和酚基等含氧的官能團(tuán),從而增加了土壤陽離子交換量和鹽基離子含量吸附位點(diǎn)[2-3,29]。然而,生物炭配施化肥降低了土壤鹽基離子含量和陽離子交換量,主要原因是化肥施入導(dǎo)致土壤酸化,土壤溶液中H+進(jìn)入膠體,導(dǎo)致交換性鹽基離子發(fā)生置換性淋溶而逐步減少,從而降低了土壤膠體表面吸附的可交換陽離子總量[31]。

生物炭特性對土壤養(yǎng)分有效性和鹽基離子含量具有重要影響[32-33]。生物炭含氮量為0.24%～6.80%,生物炭單施或與化肥配施由于外源氮素的補(bǔ)充及其強(qiáng)吸附性能有助于提高土壤氮素含量,特別是配施化學(xué)氮肥時(shí)生物炭吸附土壤中的NH4+-N 同時(shí)削弱硝化作用[34]。同時(shí),單施原材料pH≥8 的生物炭對土壤Olsen-P 含量的增幅效果較好,主要原因是: 相較于中性和酸性生物炭,堿性生物炭對土壤中吸附磷的陽離子活性降低效果較好,但生物炭pH 過高對土壤中磷的活性有所降低[35]。制備溫度對不同方式施用生物炭影響礦質(zhì)態(tài)氮含量的差異可能與生物炭電子接受能力有關(guān),低溫?zé)峤獾纳锾孔鳛殡娮庸w能降低反硝化作用[35]。

隨著生物炭制備溫度的提高,單施生物炭對土壤Olsen-P 無顯著影響,可能原因是生物炭對土壤可溶性磷的吸附作用增強(qiáng),進(jìn)而使得土壤中Olsen-P 含量降低[36-37]。另外,施用木材生物炭增加了土壤CEC,主要的原因可能是木材熱解炭化后芳構(gòu)化程度較高,比表面積較大,利于生物炭對土壤陽離子的吸附[38];對于秸稈類生物炭而言,土壤陽離子交換量與有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切,其中秸稈類生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)的增加效果最好,進(jìn)而增加了土壤陽離子交換量[39]。制備溫度過高條件下,生物炭對土壤鹽基離子含量的增加效果高于中溫條件(400～500 ℃)制備的生物炭,主要原因可能是過高溫度致使生物炭中揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā),導(dǎo)致鈉、鈣和鎂等元素富集,從而增加了土壤中鹽基離子含量[40]。

生物炭C/N 和土壤pH 是影響生物質(zhì)炭改良土壤的最主要因子[41]。結(jié)果表明,當(dāng)生物炭的C/N＞100時(shí)土壤Olsen-P 含量并無顯著變化,主要原因可能是生物炭中含有大量有機(jī)碳,施入土壤后會(huì)產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)使得微生物磷需求增加[42-43]。在本研究中,生物炭CEC 的增加對土壤CEC 的影響呈先增加后緩慢降低的趨勢,主要原因可能是高CEC 的生物炭具有較低的石灰值,提高土壤pH 的效果較低,從而使土壤ECE 有所降低[44-45]。當(dāng)生物炭CEC 較低時(shí),單施生物炭降低了土壤NH4+-N 的含量;隨著生物炭ECE的增加,土壤NH4+-N 含量顯著增加。原因可能是生物炭吸收土壤中H+的能力逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致土壤pH 的增加,進(jìn)而使得土壤中NH4+-N 含量的增加[46]。生物炭施用量≥40 t·hm-2時(shí),土壤中Olsen-P 含量的增加幅度顯著高于施低量的生物炭(＜10 t·hm-2),主要原因可能是生物炭是土壤磷的直接來源,隨著施用量的增加,生物炭中部分有機(jī)結(jié)合態(tài)磷化物會(huì)被礦化釋放,導(dǎo)致輸入土壤中的有效磷量增加[47-48]。隨著生物炭施用時(shí)間的延長,土壤總氮含量逐漸增加,主要原因是生物炭氮含量較高,并且能夠促進(jìn)微生物將礦質(zhì)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮,增強(qiáng)土壤對氮素的吸附,減少氮素的流失,導(dǎo)致土壤中總氮含量增加[48-49]。當(dāng)施用時(shí)間超過2 a 時(shí),生物炭對土壤NH4+-N 和鹽基離子含量的增加效果逐漸降低,這主要是由于生物炭具有較高的生物化學(xué)穩(wěn)定性,施用一段時(shí)間內(nèi)難以被降解,對持續(xù)改善土壤理化性質(zhì)的作用有限[50-51]。本研究表明,施用生物炭對土壤CEC 的增加效果在施用量為10～40 t·hm-2時(shí)最明顯,該結(jié)果與Liang 等[52]的研究結(jié)果一致。原因可能是超量生物炭施入土壤后,生物炭對土壤養(yǎng)分的固持能力有所降低,吸附土壤陽離子能力下降[53]。黃超等[54]研究發(fā)現(xiàn),生物炭施用時(shí)間超過2 a 時(shí),生物炭芳香結(jié)構(gòu)邊緣逐漸氧化,形成碳基、酚基等官能團(tuán),從而增加了陽離子的吸附,導(dǎo)致旱地紅壤中CEC 顯著增加。

土壤質(zhì)地和酸堿度也是影響施用生物炭條件下土壤化學(xué)性質(zhì)變化的重要因素。分析結(jié)果顯示,砂質(zhì)和黏質(zhì)土壤中單施生物炭對土壤總氮含量和CEC的增加幅度顯著高于壤質(zhì)土壤,主要原因可能是砂質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)較為松散,生物炭易于進(jìn)入土壤,充分利用生物炭表面的官能團(tuán)和比表面積,其中生物炭吸附更多養(yǎng)分離子,避免養(yǎng)分的流失[46,55]。針對不同pH 土壤的分析結(jié)果表明,土壤pH＞7.5 時(shí)單施生物炭顯著增加了土壤NO3--N 含量,其原因可能是土壤硝化作用受到土壤pH 的影響,pH 越高硝化速率越快,促進(jìn)了土壤NO3--N 含量的增加[56]。而在pH＜6.5 土壤條件下,單施生物炭和生物炭配施化肥顯著增加了土壤鹽基離子含量,主要原因是生物炭中鹽基離子(硅酸鹽和碳酸氫鹽等)可與土壤溶液中H+結(jié)合,釋放出生物炭中鹽基陽離子,同樣提高了土壤pH 從而增加了磷的有效性,導(dǎo)致土壤Olsen-P 含量增加[57]。

由于收集樣本數(shù)量的限制,未考慮試驗(yàn)條件如盆栽和大田的影響,部分試驗(yàn)結(jié)果有一定的條件適應(yīng)性。本研究定量化分析了單施生物炭和生物炭與化肥配施對土壤理化性質(zhì)的影響,為土壤培肥和糧食增產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。未來研究仍需加強(qiáng)生物炭制備和生物炭對土壤養(yǎng)分影響機(jī)理方面的探究,為進(jìn)一步促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭由于制備原料和工藝的差異而具備不同的酸堿性和吸附特性,施用生物炭能顯著提高土壤氮磷養(yǎng)分有效性和交換性鹽基離子性能。在不同生物質(zhì)炭特性和土壤條件下,生物炭單施或與化肥配施對土壤NH4+-N、NO3--N 和Olsen-P,以及鈣鎂離子及交換性能的影響存在明顯差異。其中,生物炭與化肥配施對土壤養(yǎng)分有效性的增加幅度高于單施生物炭,而單施生物炭對土壤鹽基離子的提升效果比生物炭與化肥配施效果更加顯著。影響生物炭的施用效果與生物炭屬性、施用量以及土壤屬性密切相關(guān)。在酸性和砂質(zhì)土壤條件下,單施生物炭對土壤總氮、Olsen-P、鹽基離子和陽離子交換量的增加較為顯著;低于500 ℃制備的偏堿性(pH＞8)木材類生物炭對土壤磷有效性提升效果較好,特別是在酸性的砂土中效果更加明顯;生物炭制備溫度在400～500 ℃、原料C/N 比值低于50、原料pH＞9 的秸稈類生物炭能顯著增加酸性土壤中Ca2+和Mg2+含量。優(yōu)選生物炭施用方式和條件以達(dá)最佳效果,對土壤保肥能力提升具有重要意義。