稻殼炭對紅壤理化特性及芥菜生長的影響①

杜衍紅，蔣恩臣，王明峰，李治宇，張世軍，劉勇欣

(華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院，廣州 510642)

稻殼炭對紅壤理化特性及芥菜生長的影響①

杜衍紅，蔣恩臣*，王明峰，李治宇，張世軍，劉勇欣

(華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院，廣州 510642)

本文探討了不同熱解溫度制備的稻殼炭的基本性質(zhì)，并通過盆栽試驗研究了500℃熱解稻殼炭添加量對南方紅壤理化性質(zhì)和芥菜產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：稻殼炭添加量3%、5% 和10% 三個處理顯著改善了紅壤的理化性質(zhì)，土壤體積質(zhì)量較對照處理依次降低0.11、0.28和0.42 g/cm3，pH由4.5分別增加到7.5、7.8、8.4，CEC依次增加52.16%、187.02% 和214.35%，土壤有機質(zhì)、速效磷和速效鉀顯著增加，但稻殼炭添加量 10% 處理的土壤堿解氮含量降低。稻殼炭對芥菜的養(yǎng)分含量、產(chǎn)量等指標影響較為顯著，隨著施炭量的增加，芥菜的生物量增加，葉片全氮從1.63 g/kg增加到2.44 g/kg，全磷從2.32 g/kg增加到3.09 g/kg，全鉀從47.1 g/kg增加到56.7 g/kg，產(chǎn)量由108.37 g/盆增加到608.7 g/盆?？傊?，添加5% 的500℃熱解稻殼炭有效改善了酸度較強的紅壤的理化性質(zhì)，促進了芥菜的生長和增收以及對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收和儲存。在紅壤改良上，稻殼炭的最佳添加比例為5%。

生物質(zhì)炭；紅壤pH；理化特性；芥菜；陽離子交換量；有效養(yǎng)分

近年來，生物質(zhì)炭作為農(nóng)林生物質(zhì)資源厭氧炭化產(chǎn)物，由于具有豐富的孔隙度和比表面積，穩(wěn)定的環(huán)氧芳香環(huán)結(jié)構(gòu)以及較豐富的鉀、鈣、硼等元素，越來越多的國內(nèi)外學者關(guān)注到生物質(zhì)炭的還田問題[1–5]。匡崇婷等[6]的研究表明添加生物質(zhì)炭降低了土壤有機碳礦化速率和累積礦化量，顯著提高了土壤微生物生物量；葛順峰等[7]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭可以有效降低土壤體積質(zhì)量(容重)，提高土壤的陽離子交換量，提高氮素利用率；尹云峰等[8]研究發(fā)現(xiàn)低溫熱解秸稈炭比秸稈本身還田更利于提高土壤碳庫。另外，生物質(zhì)炭富含有機碳，能夠增加土壤的有機碳含量以及土壤中的有機質(zhì)或者腐殖質(zhì)含量，從而提高土壤的養(yǎng)分貯藏量及持水容量[9]。施用生物質(zhì)炭可以促進土壤有機質(zhì)含量的提高[10]，一方面是由于生物質(zhì)炭吸附并通過表面催化活性促進小的有機分子聚合反應形成土壤有機質(zhì)，另外生物質(zhì)炭本身被微生物極為緩慢的分解過程有助于腐殖質(zhì)的形成，能夠通過長期作用促進土壤肥力的提高[11]。

但是，由于生物質(zhì)炭的制備原料和條件差異較大，其性質(zhì)也存在較大差異，對土壤和作物的效應也不盡相同[12]。林志斌等[13]對比研究了木屑炭和雞糞炭對土壤肥力的影響，發(fā)現(xiàn)雞糞炭對林木土壤肥力的提高效果更顯著。Haefele等[14]研究了稻殼炭對3種基礎肥力懸殊的土壤上輪作作物產(chǎn)量的影響得出，在肥沃的硬質(zhì)潛育土上，稻殼炭沒有促進作物增產(chǎn)，在肥力較低的酸性黏綈土上出現(xiàn)了減產(chǎn)情況，而在肥力極低的強酸性黏土上，輪作4季，作物產(chǎn)量依然有較大提高，增產(chǎn)率達到了16% ~ 35%。Van等[15]研究表明，在堿性鈣化土上施入造紙工業(yè)廢料高溫熱解制備的生物質(zhì)炭，降低了小麥和蘿卜的干物質(zhì)重，而同種炭施用在酸性鐵質(zhì)土上，促進了小麥和蘿卜的干物質(zhì)重。Wang等[16]研究了生物質(zhì)炭在高原土和水稻土上的施用效果，單施生物質(zhì)炭對小麥和水稻的產(chǎn)量沒有促進作用，氮肥和生物質(zhì)炭互作顯著提高了小麥和水稻的產(chǎn)量。Chan等[17]研究發(fā)現(xiàn)在酸性淋溶土上，農(nóng)業(yè)廢棄物制備的生物質(zhì)炭顯著促進了蘿卜的干物質(zhì)重。因此，生物質(zhì)炭對土壤的改良效果和對作物生長特性影響有著較大差異，不僅與生物質(zhì)炭的原料有著直接的關(guān)系，還與土壤的類型、施肥條件、作物種類有著顯著的相關(guān)性。

受熱帶、亞熱帶高溫多雨氣候的影響，南方紅壤長期的被氧化淋溶，酸度過高、肥力過低、保肥保水性能差，選擇一種合適的改良劑對其綜合環(huán)境的改善，從而適于蔬菜作物的種植是一項很有意義的研究工作。將生物質(zhì)炭作為一種土壤改良劑，可以改善土壤的理化性質(zhì)，增強土壤的保水能力，促進有益微生物種群的興盛和增強微生物的活性，減少土壤養(yǎng)分的淋失，促進養(yǎng)分循環(huán)，并且可以增加有機碳的含量，因此促進了作物的生長[18–21]。本文用自制的稻殼炭對南方紅壤進行改良，并在常規(guī)施肥的條件下種植芥菜來研究稻殼炭對紅壤的改良效果，以為生物質(zhì)炭的還田研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土采自湛江甘蔗種植基地紅壤0 ~ 20 cm表層土，土樣自然風干后粉碎，過3 mm 篩，去除作物殘留物等雜物后備用。土壤有機質(zhì)含量2.6 g/kg、堿解氮28.4 g/kg、速效磷17.3 g/kg、速效鉀63.2 g/kg和CEC 4.23 cmol/kg。

試驗所用生物質(zhì)炭為稻殼炭，由華南農(nóng)業(yè)大學自制的干餾釜熱解裝置制備，熱解溫度為400℃、500℃和600℃，保溫1 h。生物炭研碎后過100目篩，供稻殼炭的基本性質(zhì)分析；500℃稻殼炭粉碎后過 60目篩供盆栽試驗用。稻殼及稻殼炭的工業(yè)分析和元素分析見表1。

試驗作物為芥藍，種子購自廣東省農(nóng)科院蔬菜研究所；實驗用塑料槽規(guī)格為70 cm × 17 cm × 20 cm，裝土7 kg。

表1 稻殼及稻殼炭的性質(zhì)Table 1 Properties of rice husk and its biochars

1.2 試驗方法

采用盆栽試驗，稻殼炭添加量設置6個水平，分別為C0、C1、C2、C3、C5和C10，對應的炭土質(zhì)量比分別為：0、1%、2%、3%、5% 和10%，每個處理重復6次。炭土充分混勻，放置一個月后，澆足水分，適宜濕度時松土施肥，施肥量：N 1.5 g/kg，P2O50.1 g/kg，K2O 0.1 g/kg，等量基施[22]，肥料為尿素、磷酸二氫鉀(分析純)，作為底肥一次性施入。采用直播方式播種，待芥藍長出兩片真葉后間苗，每盆留苗7棵。作物管理按照大田管理方法，稱重法保持各槽含水量一致。

1.3 測定項目

土壤體積質(zhì)量：環(huán)刀法。用100 cm3的環(huán)刀在盆栽土壤中原位取土，重量法測定土壤體積質(zhì)量，計算孔隙度。土壤pH：采用pH計(pH-720型復合電極)測定。土壤和去離子水1︰5混合，充分攪拌、靜置2 h后測定[23]。土壤、稻殼炭陽離子交換量：乙酸銨交換、乙醇淋洗–蒸餾法測定。土壤有機質(zhì)：采用重鉻酸鉀氧化法測定。土壤堿解氮：堿解擴散法；土壤速效磷：鹽酸氟化銨浸提–鉬銻抗比色法。土壤速效鉀：乙酸銨浸提–原子吸收分光光度法測定。

稻殼炭堿含量測試：采用酸堿反滴定法測定[11]。準確稱量0.200 0 g干燥的生物質(zhì)炭于100 ml塑料瓶中，加入40 ml 0.03 mol/L的標準鹽酸溶液，于25℃條件下在恒溫振蕩機上振蕩2 h，然后所有樣品靜置24 h，剩余的鹽酸用0.5 mol/L的標準堿溶液采用自動滴定儀進行滴定，滴定至中性為止，記錄滴定儀上的數(shù)據(jù)。生物質(zhì)炭中和的鹽酸的量即為其堿含量，以質(zhì)量記。公式為：A=cHCl×[v0–(cNaOH×v)/cHCl]× 36.5/m。生物質(zhì)炭比表面積測定：采用比表面積分析儀(美國 MicromeriticsASAP2020M)進行生物質(zhì)炭XRD分析。BrukerD8Adance型X射線衍射儀電鏡掃描：XL-30-ESEM型掃描電鏡。

蔬菜養(yǎng)分分析：全氮為凱氏定氮法；全磷為干灰化–鉬黃比色法；全鉀為干灰化–原子吸收分光光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計數(shù)據(jù)由SPSS19.0軟件進行方差分析，多重比較采用最小顯著差異法(LSD)，用Origin 8.0作圖、分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱解溫度對稻殼炭基本特性的影響

溫度是影響生物質(zhì)熱解產(chǎn)物非常重要的因素，稻殼經(jīng)過400℃、500℃和600℃熱解后物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)發(fā)生了變化。生物質(zhì)炭含有一定量的堿性物質(zhì)，一般呈堿性。研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的堿含量和pH 均隨制備溫度的升高而增加[12]。經(jīng)測定分析，稻殼炭的堿含量和pH變化如圖1，兩者均隨著熱解溫度的升高而增加，變化趨勢一致。速效鉀(有效鉀)是植物有效吸收利用的鉀素之一，經(jīng)測定，稻殼炭含有豐富的速效鉀(圖 2)，可為作物的生長提供足夠的鉀營養(yǎng)。另外，如圖 2 所示，稻殼炭的陽離子交換量、速效鉀含量均隨著稻殼熱解溫度的升高而增加，這也與稻殼炭的工業(yè)分析(表 1)中灰分含量的變化規(guī)律一致。500℃以上熱解所得稻殼炭堿含量、CEC都比較高，也含有較豐富的速效鉀，適宜還田。圖3分別是稻殼原料和400℃、500℃和600℃熱解制得的稻殼炭的電鏡掃描圖像，對比可知，稻殼經(jīng) 500℃熱解制得稻殼炭(RHC500)后，孔隙度更發(fā)達，孔道更加明顯，RHC600的孔道坍塌，表面又形成新的孔隙結(jié)構(gòu)。經(jīng)比表面積分析儀測得RH、RHC400、RHC500和RHC600的比表面積分別為0.370 6、2.962 7、8.786 9和183.526 m2/g，隨著熱解溫度的升高，比表面積也不斷增加。

圖1 不同熱解溫度的稻殼炭堿含量和pHFig. 1 Alkalinity content and pH of the rice husk biochars produced at different pyrolysis temperatures

圖2 不同熱解溫度的稻殼炭CEC和速效鉀含量Fig. 2 Cations exchangeable capacity and available K content of the rice husk biochars produced at different pyrolysis temperatures

圖3 稻殼及稻殼炭的SEM圖Fig. 3 SEM of rice husk and its biochar

制備的稻殼炭經(jīng)過 X-射線衍射分析，實驗結(jié)果見圖4。經(jīng)PDF比對可知，稻殼炭XRD譜圖出現(xiàn)了晶體物質(zhì)KCl的特征峰，這與前人研究結(jié)果一致[24]。稻殼炭RHC600，KCl的特征峰最強，同時存在K2CO3和KHCO3的特征峰，RHC600的速效鉀含量也最高(圖 2)， CEC和速效鉀含量均隨著熱解溫度的升高而升高，變化趨勢一致，可推測稻殼炭的速效鉀主要以氯化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽的形式存在。

圖4 不同熱解溫度的稻殼炭XRD譜圖Fig. 4 X-ray diffraction spectra of rice husk biochars produced at different pyrolysis temperatures

2.2 稻殼炭對紅壤體積質(zhì)量和孔隙度的影響

土壤體積質(zhì)量和孔隙度是反映土壤結(jié)構(gòu)和環(huán)境的一個重要指標。稻殼炭改良后紅壤的體積質(zhì)量和孔隙度變化如圖5和圖6。稻殼炭對土壤體積質(zhì)量和孔隙度的影響較大，隨著稻殼炭添加量的增加，紅壤體積質(zhì)量不斷降低，孔隙度逐漸增加。紅壤的體積質(zhì)量除了C1和C2處理差異不顯著外，其他各處理間差異均達到了極顯著水平(P<0.01)。C3、C5和C10處理土壤體積質(zhì)量比對照C0處理分別下降了0.11、0.28和0.42 g/cm3。C3、C5和C10處理的紅壤孔隙度呈線性增加，高炭量的處理，使得紅壤孔隙度基本呈倍數(shù)增加。C5和C10處理的土壤更加疏松，基本改變了紅壤堅硬板結(jié)狀態(tài)，炭粒和土粒結(jié)合后，改變了紅壤特別黏重的質(zhì)地和致密的土壤結(jié)構(gòu)，降低了土壤的體積質(zhì)量，豐富了土壤的孔隙狀況。

圖5 稻殼炭不同添加量對紅壤體積質(zhì)量的影響Fig. 5 Effects of the biochar applied at different rates on the bulk density of red soil

圖6 稻殼炭不同添加量對紅壤孔隙度的影響Fig. 6 Effects of the biochar applied at different rates on the porosity of red soil

2.3 稻殼炭對紅壤CEC、pH的影響

土壤陽離子交換量反映了土壤吸附和交換養(yǎng)分的能力。稻殼炭改良后紅壤的CEC變化如圖7所示。經(jīng)單因素方差差異性分析可知，C1和C2處理與對照(C0)相比，無顯著差異，C3、C5和C10處理與對照處理間差異顯著(P<0.01)，其分別比C0的CEC提高了52.16%、187.02% 和214.35%。低炭量的處理對紅壤的CEC改變不大，較高炭量的處理顯著提高了紅壤的 CEC，增強了土壤陽離子交換能力，其原因主要是500℃稻殼炭具有較高的陽離子交換量，添加到紅壤后增強了紅壤膠體的交換吸附性能，另外，芥菜收獲后殘留的肥料也屬于土壤陽離子的一部分。

圖7 稻殼炭處理的紅壤陽離子交換量變化Fig. 7 Changes of the cations exchangeable capacity of the red soil induced by biochar

稻殼炭促進了紅壤pH的提高，具體變化如圖8，C10處理的pH由4.5提高到8.4，主要是稻殼炭的堿性物質(zhì)中和了紅壤的酸性物質(zhì)，使得紅壤酸度降低。

圖8 紅壤pH的變化Fig. 8 Changes of the pH of the red soil induced by biochar applied at different rates

2.4 稻殼炭對紅壤肥力的影響

如表2所示，添加不同比例的稻殼炭后，紅壤的有機質(zhì)含量均顯著增加；各處理間差異達到顯著水平，C1、C2、C3、C5和C10處理的有機質(zhì)分別比C0依次增加了19.72%、15.99%、12.47%、27.26% 和92.15%；隨著稻殼炭添加量的增加，紅壤的堿解氮含量先增加后減少，其中 C1處理組的堿解氮增加最為明顯，較 C0處理增加了82.87%，隨著炭土比的增加，堿解氮含量的增幅變小，C10處理組堿解氮含量最低，降低了21.60%，這與王典等[25]研究結(jié)果一致。其原因是炭土比過高，堿性過高，土壤礦質(zhì)氮氨化揮發(fā)，導致堿解氮含量降低，也可能是高炭量的添加，促進了土壤氨化細菌的生長，氨化細菌將礦質(zhì)氮氨化導致堿解氮的流失。

通過試驗可以看出，在1% ~ 10% 的炭添加范圍內(nèi)，土壤速效磷含量均有不同程度的提高，C2、C3、C5和C10分別比C0提高了5.18%、4.15%、1.6% 和18.65%；添加稻殼炭后，紅壤中的速效鉀含量顯著增加，最大增幅達到600倍。這是因為500℃熱解稻殼炭速效鉀含量較高，添加到紅壤中，致使紅壤的速效鉀含量迅速增加；另外速效鉀是植物重要的鉀素來源，這也是促進植物增產(chǎn)的主要原因。

表2 稻殼炭不同添加量對土壤肥力因素的影響Table 2 Effects of rice husk biochar at different application rates on the fertility factors of the red soil

2.5 稻殼炭對芥菜養(yǎng)分含量的影響

由表3可以看出，在不同炭添加量的土壤中收獲的芥菜養(yǎng)分含量差異較大，C1~ C10處理的葉片與C0處理相比，全氮依次提高23.31%、49.69%、38.04%、19.02% 和25.15%，全磷依次提高7.76%、9.48%、 14.22%、20.69% 和33.19%，全鉀依次提高4.03%、6.58%、8.49%、4.25% 和20.38%，根部的氮磷鉀也有不同程度的提高，說明稻殼炭顯著提高了芥菜對氮、磷、鉀3種主要營養(yǎng)元素的吸收和積累，改善了植株的營養(yǎng)狀況。

表3 稻殼炭不同添加量對芥菜養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of rice husk biochar at different application rates on the nutrient contents of mustard

2.6 稻殼炭對蔬菜產(chǎn)量及干物質(zhì)量的影響

由表 4 可以看出，除了 C0和 C1處理間干物質(zhì)量差異不顯著外，其他各處理間差異極顯著；產(chǎn)量變化規(guī)律相同。與 C0處理相比，加炭處理均促進了芥菜的生長，當?shù)練ぬ刻砑恿繛?5% 和 10% 時，增產(chǎn)效果最好，考慮到成本等因素，建議最適宜添加量為 5%。另外，葉菜作物對鉀肥的需求較高，稻殼炭含有豐富的速效鉀，添加稻殼炭后土壤的速效鉀大幅增加，促進了葉菜的增產(chǎn)。

表4 稻殼炭不同添加量對芥菜產(chǎn)量及干物質(zhì)量的影響Table 4 Effects of rice husk biochar at different application rates on the yields and dry matters of mustard

3 結(jié)論

隨著熱解溫度的提高，稻殼炭的比表面積、灰分、pH、堿含量、陽離子交換量、速效鉀含量不斷增加，500℃熱解稻殼炭含有豐富的速效鉀，可供蔬菜吸收利用，適宜作蔬菜作物的鉀肥。紅壤中添加適量的稻殼炭，有效改善了土壤的理化環(huán)境。首先明顯降低了紅壤的體積質(zhì)量，增加了紅壤的孔隙度，有效改善了紅壤的板結(jié)狀態(tài)，使得土壤疏松，提高了紅壤的pH，增加了紅壤的陽離子交換能力。按照5% 和10% 的比例向紅壤中添加500℃熱解稻殼炭，可以顯著增加土壤的肥力，尤其土壤中的速效鉀含量，增幅達數(shù)百倍，紅壤的有機質(zhì)增加；另外促進了芥菜的生長和芥菜干物質(zhì)的積累，促進了芥菜對土壤氮磷鉀養(yǎng)分的吸收和貯藏。考慮土壤的綜合特性，南方紅壤的最佳添加比例為5%，既能根本改善土壤的板結(jié)低肥狀態(tài)，又能節(jié)省成本，促進作物的增產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)10% 的炭添加量降低了紅壤的堿解氮含量，可能是因為炭添加比例過高，紅壤堿性過高，導致銨態(tài)氮氨化蒸發(fā)流失，其降低的機理還有待于進一步研究。

致謝：感謝華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境作物營養(yǎng)與施肥研究室對本論文工作的大力支持。

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Effects of Rice Husk Biochar on the Physical and Chemical Properties of Red Soil and Mustard Growth

DU Yanhong, JIANG Enchen*, WANG Mingfeng, LI Zhiyu, ZHANG Shijun, LIU Yongxin
(College of Materials and Energy,South China Agricultural University,Guangzhou510642,China)

Ameliorating effects of biochar as a soil amendment vary with its feedstock, properties, application rate, reaction time with the soil, and soil properties. The objective of this study was to investigate the effects of rice husk biochar at different application rates on the physical-chemical properties and nutrient availability of red soil and mustard growth using pot experiment. The biochar prepared at 500℃ was applied at six rates, i.e. 0, 1, 2, 3, 5, and 10% (w/w) (C0, C1, C2. C3, C5and C10). The results indicated that the physical-chemical properties of the red soil were significantly improved due to application of the biochar at C3, C5and C10. The soil bulk density was reduced by 0.11g/cm3, 0.28g/cm3and 0.42g/cm3, respectively, compared to C0. Soil CEC for C3, C5and C10treatments increased by 52.16%, 187.02% and 214.35%, respectively, compared to C0. Soil pH significantly increased from 4.5 for C0to 8.4 for C10. The organic matter content, available P and available potassium of C3, C5and C10treatments increased significantly, but the alkali-hydrolysable nitrogen content decreased for C10treatment compared to C0. Application of the biochar also increased the contents of nutrients in plant leaves and plant biomass yields. Leaf tissue N concentrations increased from 1.63 to 2.44 g/kg, leaf tissue P from 2.32 to 3.09 g/kg and leaf tissue K from 47.1 to 56.7 g/kg. The mustard yields increased significantly from 108.37 g/pot for C0to 608.7 g/pot for C10. In conclusion, application of the biochar at 5% (w/w) was appropriate for the red soil with high acidity, low fertility, and poor water holding capacity. The biochar applied at this rate can promote mustard growth and increase uptake of N, P, K nutrients by the plant.

Biochar; Red soil; Physical-chemical properties; Mustard; CEC; Available nutrients

S156.6

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.014

科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(2014GB2E000048)資助。

* 通訊作者(ecjiang@scau.edu.cn)

杜衍紅(1984—)，女，山東泰安人，博士研究生，主要從事生物質(zhì)炭的土壤改良研究。E-mail: wn221017@163.com