生物炭施加對黃土土壤理化性質(zhì)及硫素的影響

王晗 趙保衛(wèi) 陳艷雪 馬鋒鋒

摘要：采用培育實驗，向黃土中分別添加0%、1%、3%和5%的300℃和600℃制得的油菜秸稈生物炭，研究了添加生物炭對土壤的理化性質(zhì)和硫轉(zhuǎn)化的影響。結(jié)果表明：隨著生物炭添加量的增加，土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、過氧化氫酶活性、全硫以及無機(jī)硫含量也隨之顯著增多;在同一生物炭添加量下，添加600℃生物炭時土壤的pH值比添加300℃生物炭時土壤的pH值高，而添加300℃生物炭時，兩種土壤酶活性均比添加600℃生物炭時的兩種土壤酶活性高;土壤脲酶活性隨著300℃生物炭的添加增多而增大并且差異顯著，但添加600口C生物炭時，脲酶活性在添加量為1%時略微增大，在添加量為3%、5%時活性降低且差異顯著?？傮w上，添加生物炭有利于改善土壤理化性質(zhì)，可提高土壤酶活性，增加土壤無機(jī)硫含量。

關(guān)鍵詞：生物炭;黃土;有機(jī)質(zhì);土壤酶;土壤硫

中圖分類號：S156

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0004-05

1引言

生物炭（ Biochar）是農(nóng)作物秸稈、動物糞便以及其他生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下進(jìn)行高溫?zé)峤馓炕傻囊环N含碳量豐富、性質(zhì)穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)。生物炭的元素組成為碳（一般高達(dá)60%以上）、氫、氧、氮、硫以及一些少量的微量元素。生物炭表面多孔特性顯著，孔洞數(shù)量巨大且大小不一，其孑L隙結(jié)構(gòu)有助于土壤微生物的生長。生物炭具有較大的比表面積，吸水、氣能力強(qiáng)，具有大量的表面負(fù)電荷和高電荷密度的特性，使得生物炭具備了良好的吸附特性。基于以上特性，生物炭被國內(nèi)外學(xué)者視為有效的土壤改良劑。

硫是作物生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素之一，直接參與生物體內(nèi)的許多重要的生化反應(yīng)，調(diào)節(jié)植物的新陳代謝，并提高作物的品質(zhì)，在缺硫條件下植物的生長會受到嚴(yán)重的阻礙，甚至枯萎、死亡。因此，硫是作為繼氮、磷、鉀之后第四位重要的營養(yǎng)元素。黃土作為我國西北地區(qū)的土壤主要類型，具有以下主要特點(diǎn)：養(yǎng)分貧瘠，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度大，團(tuán)聚能力差，難溶性硫含量較高，有機(jī)質(zhì)含量較低。因此，向黃土中施加生物炭有望改善黃土的性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)，提供一定的有機(jī)質(zhì)，對土壤中的硫轉(zhuǎn)化勢必會產(chǎn)生影響。Zheng等研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中添加生物炭可提高氮素的利用效率，降低氮素的積累效率。亦有很多研究表明，生物炭能較好吸附土壤氮素，固持以及緩解各種形態(tài)氮素的淋失，促進(jìn)植物對氮的吸收。生物炭還可以減緩?fù)寥狼治g和營養(yǎng)元素磷的虧損，增加磷的植物有效性和土壤對磷的吸附能力。然而，目前關(guān)于生物炭對土壤營養(yǎng)元素的研究主要集中在氮和磷，對于同等重要的硫的研究報道卻極為鮮見。因此，亟待研究生物炭添加到土壤中對硫素的影響及其機(jī)制。

我國作為一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，油菜是其常見的經(jīng)濟(jì)作物，而油菜秸稈的利用率極低。常見的處理方法就是口間焚燒或者閑置堆放，這不僅造成了資源的極大浪費(fèi)，還導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，將廢棄秸稈資源化利用既環(huán)保又能施入土壤中改善土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因此，本文使用油菜秸稈作為原料，在300℃和600℃下限氧熱解制備生物炭，將油菜秸稈生物炭作為土壤改良劑施入黃土中，考察了生物炭施加量對黃土的理化性質(zhì)和土壤中硫的轉(zhuǎn)化的影響，以期為添加生物炭對黃土的改良提供理論依據(jù)。

2材料與方法

2.1材料與儀器

油菜秸稈（Brassica campestris L.）采自甘肅省隴南市某農(nóng)村田間。將采集到的油菜秸稈用自來水洗凈然后自然風(fēng)干，粉碎至粒徑小于40目，將其盛入已知質(zhì)量的坩堝內(nèi)，置于300℃或600℃馬弗爐中炭化6h，經(jīng)冷卻至室溫后取出，再過60目篩制得油菜秸稈生物炭，裝于棕色瓶中待用。制得的生物炭分別標(biāo)記為BS300和BS600，其中BS表示油菜秸稈生物炭，數(shù)字表示炭化溫度。生物炭的基本理化性質(zhì)見表l。

本實驗采用的黃土采集自甘肅省蘭州市龔家灣（北緯36°2'25''，東經(jīng)103°44'14''）農(nóng)田土（理化性質(zhì)見表2），采樣深度為0～20cm。多點(diǎn)隨即采樣經(jīng)自然風(fēng)干，去除其中的石塊、樹葉等雜質(zhì)，再研磨過3mm篩。

主要儀器：電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司，F(xiàn)A2004N型）;馬弗爐（上海嘉占儀器設(shè)備有限公司，SX2系列）;pH計（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，PHS-3C型）;電導(dǎo)儀（杭州奧立龍儀器有限公司，DDS-11A型）;紫外可見分光光度計（上海美譜達(dá)儀器有限公司，UV-18 00型）;磁力攪拌器（武漢廣顏儀器設(shè)備有限公司，XK78-1型）;氣浴恒溫振蕩器（江蘇丹陽門石英玻璃廠，THZ- 82A型）;電熱恒溫培養(yǎng)箱（天津市泰斯特儀器有限公司，WPL-230BE型）;火焰原子吸收分光光度計（上海光譜儀器有限公司，SP-3520AAC2T1型）。

2.2培育實驗

取四份100 g上述黃土分別加入0%、1%、3%和5%的油菜秸稈生物炭后混合均勻，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，然后置于300mL塑料碗（尺寸65mm×65mm）中并進(jìn)行淹水處理，放人培養(yǎng)箱保持25℃下培養(yǎng)60d，將其取出風(fēng)干后以四分法取少量土樣測定其pH值、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、脲酶、過氧化氫酶、提取硫和全硫。

2.3測試方法

pH值采用電位法測定;電導(dǎo)率采用電極法測定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化一分光光度法測定;過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測定;脲酶活性采用苯酚鈉一次氯酸鈉比色法測定;無機(jī)硫和全硫分別用連續(xù)提取法和堿熔法提取，用間接火焰原子吸收光譜法測定。

數(shù)據(jù)圖的繪制使用Origin9.3，統(tǒng)計分析使用SPSS21.0.數(shù)據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差采用單因素方差分析法獲取，差異顯著性分析采用Duncan氏新復(fù)極差法（P<0.05）。

3結(jié)果與討論

3.1生物炭添加對土壤pH的影響

圖1反映了BS300和BS600添加量不同對土壤pH值的影響。從中可以看出，隨著BS300和BS600添加量的增加，土壤pH值也隨之增高并且達(dá)到顯著性差異水平（P<0.05）。生物炭添加量為5%時，添加BS300和BS600時，土壤的pH值比未添加生物炭土壤的pH值分別增加了5.9%和10.2%。在同一生物炭添加量下，添加BS600時土壤的pH值比添加BS300時土壤的pH值高。

由于生物炭含有一定量的灰分，導(dǎo)致生物炭呈堿性，而且生物炭中的堿性物質(zhì)很容易進(jìn)入土壤中，因此使得土壤pH值升高。另外，生物炭中含有大量的鹽基離子，添加到土壤中后會與土壤中的鋁離子以及質(zhì)子進(jìn)行交換，使其濃度降低，提高鹽基飽和度并提高土壤pH值。由于黃土屬于偏堿性土壤（表2），所以相比生物炭對酸性土壤的pH提升幅度略低。通過Chun等的研究發(fā)現(xiàn)，300℃制得的秸稈炭所含酸性官能團(tuán)為2. 83mmol/g，堿性官能團(tuán)為0.04mmol/g;當(dāng)溫度上升為700℃時，酸性官能團(tuán)下降到o.3mmol/g，堿性官能團(tuán)上升到0.29mmol/g。所以生物炭的堿性官能團(tuán)隨熱解溫度的升高而增多。因此，在相同生物炭添加量下，添加BS600時土壤的pH值比添加BS300時土壤的pH值高。

3.2生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

添加BS300和BS600對土壤有機(jī)質(zhì)的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，土壤有機(jī)質(zhì)均隨BS300和BS600添加量的增加而升高且存在顯著差異（P<0.05）。生物炭添加量為5%時，添加BS300和BS600時土壤的有機(jī)質(zhì)含量比未添加生物炭土壤的有機(jī)質(zhì)含量分別提高了81%和86%。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，可以改善土壤團(tuán)具體和穩(wěn)定性，改良土壤透水性和通氣性，提升土壤保水保肥能力以及為植物輸送營養(yǎng)等，是土壤肥力重要指標(biāo)之一。生物炭本身含有豐富的有機(jī)碳，向土壤中添加生物炭后，可以增加土壤有機(jī)碳含量，一定程度上提高土壤腐殖質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的含量，還能間接提高土壤的C/N比以及對其他養(yǎng)分元素的吸持能力。研究表明，生物炭提高有機(jī)碳含量的幅度取決于生物炭的用量和穩(wěn)定性。生物炭可以在土壤中存留數(shù)百年，甚至上千年的時間，其穩(wěn)定性以及穩(wěn)定化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于綠肥類易解有機(jī)物。生物炭在土壤中存在的時間越長，就會與土壤之間產(chǎn)生一種保護(hù)基質(zhì)，使得土壤有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定性增強(qiáng)，進(jìn)而提高土壤有機(jī)碳的積累。

3.3生物炭對土壤酶的影響

添加BS300和BS600對土壤脲酶活性和過氧化氫酶活性影響分別見圖3（a）和圖3（b）。從圖3（a）中可以看出，土壤脲酶活性隨著BS300的添加增多而增大并且差異顯著（P<0.05）。添加BS600時，脲酶活性在添加量為1%時略微增大，但在添加量為3%、5%時活性降低且差異顯著（P

從圖3 （b）中可以看出，土壤過氧化氫酶活性在BS300和BS600添加量增加時都略有增大，但其變化沒有達(dá)到顯著性差異水平。在同一生物炭添加量下，添加BS300的土壤過氧化氫酶活性比添加BS600時的土壤過氧化氫酶活性高。

土壤酶主要來自土壤微生物分泌、植物根系分泌以及殘體分解等，并參與了土壤中的所有生化反應(yīng)，其活性反映了土壤微生物的活性以及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的能力，對維持土壤健康以及為植物提供生長所需的養(yǎng)分起到重要作用。土壤脲酶直接參與土壤中含氮有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化，其活性可以用來表征土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度。過氧化氫酶能夠促進(jìn)過氧化氫分解為氧氣和水，解除過氧化氫對生物體產(chǎn)生的毒害作用，常用來表征土壤的氧化強(qiáng)度。由于生物炭具有極強(qiáng)的吸附性能，導(dǎo)致其對土壤酶的影響比較復(fù)雜。一方面，由于生物炭能夠吸附反應(yīng)底物，促進(jìn)了酶促反應(yīng)而提高土壤酶活性;另一方面，生物炭又能吸附酶分子，對酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，從而阻止酶促反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而降低土壤酶活性。研究表明，添加生物炭能夠提高土壤酶活性，并且隨著生物炭的添加量增大土壤酶活性也增強(qiáng)。本研究表明，添加BS300的土壤脲酶和過氧化氫酶活性以及添加BS600的過氧化氫酶活性都得到了提高，這可能是生物炭具有很強(qiáng)的吸附性以及巨大的比表面積，促進(jìn)了酶促反應(yīng)，為土壤微生物提供生活場所，使土壤微生物活性增強(qiáng)，從而提高了土壤酶活性。而添加BS600，土壤脲酶活性卻隨添加量先增后降低，可能一方面是當(dāng)添加量達(dá)到3%以上后BS600的pH值過高對土壤脲酶活性產(chǎn)生了抑制作用，另一方面可能是淹水條件下培育氧氣不充足導(dǎo)致參與含氮有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化的相關(guān)微生物活動受到抑制。Deenik等研究發(fā)現(xiàn)生物炭含有的揮發(fā)性物質(zhì)可以刺激微生物活動，從而導(dǎo)致土壤有效氮降低，同時降低植物氮素吸收，抑制植物生長。土壤脲酶直接參與土壤中含氮有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化，因此脲酶活性也受到抑制。

3.4生物炭對土壤硫的影響

圖4和表3分別反映了添加BS300和BS600對土壤全硫和無機(jī)硫的影響。從圖4中可以看出，土壤全硫均隨著BS300和BS600的添加量增加而升高并且達(dá)到顯著性差異水平（P<0.05），生物炭添加量為5%時，添加BS300和BS600時土壤全硫含量比未添加生物炭的土壤全硫含量分別增加了24.9%和22.3%。

由表3可以得出，土壤水溶性硫、吸附性硫和鹽酸可溶性硫含量均隨BS300和BS600的添加量增加而上升。在同一生物炭添加量下，添加BS600時三種形態(tài)硫含量比添加BS300的三種形態(tài)硫含量都大。

土壤中的硫以有機(jī)硫和無機(jī)硫兩種形式存在，無機(jī)硫一般可以分為水溶性硫、吸附性硫、鹽酸可溶性硫三種形態(tài)，植物從土壤中所能吸取的硫幾乎為以上三種無機(jī)形態(tài)的硫;有機(jī)硫一般分為酯鍵硫、碳鍵硫、未知態(tài)有機(jī)硫三種類別，主要存在于動植物殘體和腐殖質(zhì)，以及一些經(jīng)微生物分解形成的簡單的有機(jī)化合物中。研究表明，土壤中硫大部分是以有機(jī)硫形態(tài)存在，但我國北部和西部的石灰性土壤無機(jī)硫占全硫的39.4%～61.8%。本研究中，無機(jī)硫占全硫的40.6%～65.4%，土壤中硫的遷移轉(zhuǎn)化主要依靠硫氧化細(xì)菌（sulfur oxidizing bacteria，SOB）和硫酸鹽還原菌（sulfate reducing bacteria，SRB）這兩類細(xì)菌進(jìn)行轉(zhuǎn)換。淹水條件下，土壤中SOB活性較低，而SRB活性較高，因此主要發(fā)生的是還原反應(yīng)，硫酸鹽在SRB的作用下轉(zhuǎn)化為H2S，其中一部分H2S被釋放到大氣中，導(dǎo)致土壤硫含量降低;另一部分H2S在嫌氣條件下，被化能自養(yǎng)硫細(xì)菌氧化成了無機(jī)硫。而本研究中，土壤全硫和無機(jī)硫含量隨著生物炭添加量增多而上升，這可能是因為生物炭自身還有一定量的硫其量大于釋放到大氣中的H2S的量。

4結(jié)論

（1）隨著BS300和BS600添加量的增加，土壤pH值也隨之得到顯著的提高。在同一生物炭添加量下，添加BS600時土壤的pH值比添加BS300時土壤的pH值高。

（2）土壤有機(jī)質(zhì)均隨BS300和BS600添加量的增加而顯著升高，生物炭添加量為5%時，添加BS300和BS600時土壤的有機(jī)質(zhì)含量比未添加生物炭土壤的有機(jī)質(zhì)含量分別提高了81%和86%。

（3）土壤脲酶活性隨著BS300的添加增多而顯著增大。添加BS600時，脲酶活性在添加量為1%時略微增大，但在添加量為3%、5%時活性降低。在同一生物炭添加量下，添加BS300的土壤脲酶活性比添加BS600時的土壤脲酶活性高。土壤過氧化氫酶活性在BS300和BS600添加量增加時都略有增大。在同一生物炭添加量下，添加BS300的土壤過氧化氫酶活性比添加BS600時的土壤過氧化氫酶活性高。

（4）土壤全硫、水溶性硫、吸附性硫和鹽酸可溶性硫含量均隨著BS300和BS600的添加量增加而顯著升高。