生物炭對(duì)沙化土壤理化性質(zhì)及作物幼苗的影響

王桂君 許振文 路倩倩

摘要：設(shè)置9個(gè)生物炭施加比例，通過(guò)盆栽試驗(yàn)測(cè)定生物炭對(duì)吉林省西部沙化土壤性質(zhì)及2種作物幼苗生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，隨著生物炭施加量的增加，土壤的電導(dǎo)率、pH值、有機(jī)質(zhì)含量及營(yíng)養(yǎng)元素含量均有所增加，對(duì)沙土壤性狀改良有一定效果。一定量的生物炭對(duì)作物幼苗生物量的積累以及組織含水量產(chǎn)生促進(jìn)作用，但是生物炭施加比例過(guò)高時(shí)反而會(huì)對(duì)幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制。與播種前相比，作物收獲后土壤中的速效營(yíng)養(yǎng)成分含量有所下降，而播種前后對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響效應(yīng)不明顯。

關(guān)鍵詞：生物炭；沙化土壤；理化性質(zhì)；生長(zhǎng)指標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)： S156.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）11-0246-03[HS）][HT9.SS]

土地沙化是人類(lèi)面臨的世界性環(huán)境問(wèn)題，制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)以及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，土壤中如果施加相應(yīng)的改良劑，可能會(huì)減少表土由于風(fēng)蝕和水分蒸發(fā)引起的土壤破壞和侵蝕[1]。南美亞馬遜盆地“黑土”（Terra preta）至今仍為全球最肥沃的土壤之一，這種土壤是南美洲土著人用木炭等作為改良劑對(duì)當(dāng)?shù)馗唢L(fēng)化淋溶土壤改良的結(jié)果。改良過(guò)程最初是通過(guò)生物炭與生物廢棄物（糞便和骨頭等食余）混合的產(chǎn)物，經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化，形成類(lèi)似生物炭-有機(jī)肥的基質(zhì)[2-3]。有研究者認(rèn)為，“復(fù)制”這種黑土的改良技術(shù)可以作為提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和土壤修復(fù)的一個(gè)新途徑[2]。生物炭是由生物質(zhì)材料高溫裂解的含黑炭的產(chǎn)物[4]，施加到土壤中可以增加土壤的水分保持與供應(yīng)能力，從而增加沙化和酸性土壤的持水量[5-6]。生物炭的比表面積是沙土的上千倍，這表明生物炭可以作為土壤改良劑施加到沙化土壤中，提高保水保肥能力。有研究表明，在干旱脅迫下，施加生物炭后可以通過(guò)增加作物水分吸收而提高作物產(chǎn)量[1，7]，一定比例的秸稈生物炭可以提高不同土壤（特別是沙化土壤）的持水量。同時(shí)，生物炭可以改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，降低土壤強(qiáng)度以及容重等[8-11]。本研究通過(guò)設(shè)置不同生物炭施加比例進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，探討生物炭作為改良劑施加到沙化土壤中，對(duì)其性質(zhì)以及作物幼苗生長(zhǎng)的影響，為沙化土壤的合理利用提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1材料與方法

供試土壤取自吉林省西部大安地區(qū)，此區(qū)域?yàn)轱L(fēng)沙土；供試作物種子為綠豆和谷子；所用生物炭從沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭研究所獲得。將風(fēng)干后的土壤、生物炭分別過(guò)1 mm篩備用。設(shè)置9個(gè)生物炭施加比例，分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，以不加生物炭的處理為對(duì)照，土壤與生物炭混合均勻，每個(gè)處理重復(fù)3次。每盆放置同等質(zhì)量的混合土，澆等量的蒸餾水，挑選籽粒飽滿(mǎn)的種子，用75%的乙醇表面消毒洗凈，催芽后播種，每盆（直徑15 cm）均勻播種10粒種子，每個(gè)處理重復(fù)3次。植物生長(zhǎng)3周后收獲，測(cè)其鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、組織含水量及葉片葉綠素含量等指標(biāo)。同時(shí)為了分析作物播種前后土壤理化性質(zhì)的變化，分別于播種前及收獲后取土壤樣品，風(fēng)干后測(cè)定各營(yíng)養(yǎng)成分含量。

幼苗生物量用稱(chēng)量法測(cè)定；土壤電導(dǎo)率用CON 1000臺(tái)式電導(dǎo)儀測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀法測(cè)定；pH值用PH-3C酸度計(jì)測(cè)定；土壤速效氮含量采用堿擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用火焰光度法測(cè)定；葉綠素含量用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定。

[JZ]組織含水量=（FW-DW）/FW×100%。

式中：FW（fresh weight，簡(jiǎn)稱(chēng)FW）表示幼苗鮮質(zhì)量；DW（dry weight，簡(jiǎn)稱(chēng)DW）表示幼苗干質(zhì)量。

采用Excel和SigmaPlot 10.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2結(jié)果與分析

2.1生物炭的施加對(duì)吉林西部沙化土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1生物炭對(duì)沙化土壤pH值和電導(dǎo)率的影響

由于所選用土壤為吉林省西部沙化堿化土壤，本身偏堿性，pH值和電導(dǎo)率本底值均較高。由圖1、圖2可知，隨著生物炭施加量的增加，pH值呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，而土壤電導(dǎo)率呈現(xiàn)隨生物炭含量增加而逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)生物炭含量超過(guò)30%后，電導(dǎo)率和pH值上升趨勢(shì)更明顯。這可能是由于生物炭自身含有生物質(zhì)燃燒留下的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)離子，因此添加到土壤中會(huì)提高土壤電導(dǎo)率。而且生物炭本身呈堿性，從而使土壤pH值也隨之增加。當(dāng)生物炭含量超過(guò)35%后，土壤pH值和電導(dǎo)率的增幅變緩。

2.1.2生物炭對(duì)沙化土壤養(yǎng)分元素含量的影響

由圖3可以看出，生物炭的施加明顯促進(jìn)了土壤氮含量的增加，除10%生物炭施加處理土壤速效氮含量有一定降低外，其他處理隨著生物炭施加量的增加，土壤速效氮含量均呈上升趨勢(shì)。從圖4、圖5可以看出，隨著生物炭施加量的增加，土壤速效磷含量和速效鉀含量均增加。綠豆收獲后各處理土壤中速效氮、速效磷以及速效鉀的含量均比播種前有一定程度的下降。其中，土壤速效氮含量的降幅在4.58%～29.00%之間，整體來(lái)看，隨著生物炭施加量的增加，播種后生物炭的降幅降低，生物炭施加量為10%的處理降幅最明顯，達(dá)到29%。土壤速效磷含量的降幅最大，在64.20%～82.70%之間，總體上也呈現(xiàn)隨生物炭含量增加降幅增大的趨勢(shì)。土壤速效鉀含量的降幅在0.80%～6.70%之間，降幅呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，最高降幅出現(xiàn)在生物炭含量10%、15%的處理中，為6.6%。從本試驗(yàn)結(jié)果看，綠豆收獲后土壤速效磷含量比播種前有大幅度降低，可能由于作物的生長(zhǎng)初期對(duì)速效磷的需求量較高，同時(shí)由于受試土壤速效磷含量很低，因此植物對(duì)磷的吸收率相對(duì)較高。[FL）]

2.1.3生物炭對(duì)沙化土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖6可以看出，隨著生物炭施加量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。然而，隨著生物炭施加量的增加，綠豆對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的吸收量未呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，可能是由于生物炭的主要成分是碳，因此隨著生物炭含量的增加，所測(cè)得的土壤樣品中有機(jī)炭的含量增高，進(jìn)而明顯影響到有機(jī)質(zhì)的含量；而生物炭中的碳元素以多環(huán)芳烴穩(wěn)定態(tài)的有機(jī)碳居多，穩(wěn)定性強(qiáng)，很難直接被植物吸收利用，因此用化學(xué)方法測(cè)定的土壤有機(jī)質(zhì)含量不能完全反映出生物炭施加后的土壤肥力水平。[FL）]

2.2生物炭的施加對(duì)作物幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2.1生物炭對(duì)作物幼苗生物量及組織含水量的影響

由圖7可以看出，與不加生物炭的對(duì)照相比，施加生物炭對(duì)2種作物生物量的積累均有促進(jìn)作用，總體上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。其中，生物炭施加量為15%～30%之間的處理作物幼苗的干質(zhì)量較高，當(dāng)生物炭施加量過(guò)高時(shí)，生物量反而有所下降。其中，以谷子幼苗生物量的降幅最明顯。由此可見(jiàn)，一定量的生物炭會(huì)促進(jìn)沙化土壤中植物生物量的積累，而含量過(guò)高，可能對(duì)植株生長(zhǎng)起到抑制作用。

施加生物炭對(duì)作物幼苗組織含水量有明顯影響（圖8）。生物炭施加量在0～20%之間，隨著施加量的增加，作物幼苗組織含水量有所增加，而隨著生物炭施加量繼續(xù)增加，幼苗組織含水量又稍有所下降。這可能由于生物炭在含量較低的情況下，由于它的多孔性和吸附性，增加土壤特別是沙質(zhì)土壤的蓄水能力以及容水量，水分供給植物根吸收利用；而如果施加量過(guò)高，反而會(huì)增加土壤的疏水性，引起植物組織對(duì)水分保持能力降低。

2.2.2生物炭對(duì)幼苗葉綠素含量的影響

由圖9可以看出，隨著生物炭施加量的增加，作物葉片葉綠素含量呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)生物炭施加量為5%時(shí)，綠豆和谷子幼苗葉片葉綠素含量為最高，而當(dāng)生物炭含量超過(guò)15%后，葉綠素含量開(kāi)始有所下降，由此可以看出，生物炭在一定濃度會(huì)促進(jìn)植物葉綠素的生成和積累，但含量過(guò)高反而會(huì)抑制作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用。[FL）]

3結(jié)論與討論

施加生物炭到沙化土壤中可以增加土壤的pH值和電導(dǎo)率，同時(shí)增加了土壤有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素的含量。由于受試土壤偏堿性，施加過(guò)多的生物炭會(huì)使土壤的pH值過(guò)高，從而對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。從作物幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)來(lái)看，并不是生物炭施加比例越高對(duì)作物生長(zhǎng)越有利，當(dāng)施加生物炭控制在中等濃度時(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)最明顯，當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)生物炭對(duì)受試的2種作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用開(kāi)始減弱，甚至濃度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生抑制作用。同時(shí)，綠豆收獲后各處理土壤中速效氮、速效磷以及有效鉀的含量均比播種前有一定程度的下降。由于不同的原材料以及制備條件所制取的生物炭理化性質(zhì)以及作用有差別，單純施加生物炭由于營(yíng)養(yǎng)元素的有限性而限制了推廣使用，如果作物肥料緩釋載體與其他改良劑（如有機(jī)肥、微生物菌劑等）混合施加，可能會(huì)有更顯著的效果，因此生物炭在農(nóng)業(yè)應(yīng)用以及土壤修復(fù)中的研究也需要更深入、更大規(guī)模的試驗(yàn)和探索。

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