生物炭的10年土壤培肥效應(yīng)

史思偉,婁翼來,杜章留,王 芊,韓 碩，張慶忠

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

生物炭是生物質(zhì)材料在低溫缺氧條件下熱裂解得到的富碳物質(zhì)[1]，一般含碳量大于50%，除了富含大量的碳化組分以外，生物炭中也包含了大量的非碳化組分(N、P、K、Ca、Mg等)[2]。近年來，研究者逐漸將生物炭應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，作為一種利用價值較高的農(nóng)田土壤改良劑，能夠改善農(nóng)田土壤的理化性質(zhì)，增加土壤碳固定，提升土壤肥力[3-4]。然而，生物炭作為一種土壤改良劑，其與土壤、植被之間的交互作用位點變化較大，因此很難建立起明確的土壤理化性質(zhì)和生物炭適用性之間的關(guān)系[5]。從長遠(yuǎn)角度來看，農(nóng)田土壤施用生物炭可以增加土壤有機(jī)物質(zhì)儲存[6-8]，促進(jìn)作物對N的吸收[9]，改善土壤孔性、pH值、水分蒸發(fā)等[10-11]。

本文以華北平原持續(xù)10年的生物炭田間定位試驗為依托，通過取樣分析，研究了長期施用生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分等肥力因子的影響，旨在揭示長期施用生物炭的土壤培肥效應(yīng)，為生物炭的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點

試驗地點位于山東省桓臺縣華北集約農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站(東經(jīng)117°58′，北緯36°5′，海拔17.0 m)?；概_縣屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均日照時數(shù)2 832.7 h，5月最多，2月最少，日照率62%，年平均氣溫12.5℃，年平均降水量587 mm，多集中在6～8月。土壤類型為砂姜黑土，試驗前基礎(chǔ)土壤性質(zhì)(0～15 cm)為:有機(jī)質(zhì)18.6 g·kg-1，全氮0.70 g·kg-1，有效磷11.5 mg·kg-1，速效鉀210.1 mg·kg-1，容重 1.52 g·cm-3，pH值(土水比=1∶2.5)8.1。作物為一年兩熟制，冬小麥(10月初至次年6月初)和夏玉米(6月中旬至9月下旬)輪作。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗選用的生物炭(粒徑<1 mm)為秸稈炭，是將壓碎的玉米秸稈在低溫(360℃)限氧的條件下熱裂解得到的。秸稈炭的基本理化性質(zhì)為：比重0.297 g·cm-3，pH值8.1，總碳65.7%，總氮0.91%，有效磷0.08%，速效鉀1.60%。

田間試驗開始于2007年6月，共設(shè)4個處理：對照(CK)、生物炭4.5 t·hm-2·年-1(B4.5)、生物炭9 t·hm-2·年-1(B9.0)、秸稈還田(SR)，每個處理重復(fù)3次，完全隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為36 m2(6 m×6 m)，共計12個小區(qū)。生物炭人工撒施后翻耕(深度15 cm)混入表層土壤中，收獲后的作物秸稈直接粉碎翻耕還田。其他栽培管理措施均為一致，其中每季作物氮磷鉀肥用量分別為：N 200 kg·hm-2、P2O563.64 kg·hm-2和K2O 45.46 kg·hm-2。其中氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。磷鉀肥均做底肥一次性施入，氮肥一半底施，另一半做追肥。

1.3 土樣采集與分析

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗所得數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行分析處理，采用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較(P<0.05)，最終結(jié)果均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式呈現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重

土壤容重在1.23～1.37 g·cm-3之間，平均為1.30 g·cm-3，下層的容重相對較大(圖1)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的土壤容重分別降低了2.2%、8.2%和6.7%，其中后兩個處理的變化達(dá)到顯著差異水平，而B4.5處理的變化不顯著，且B9.0和B4.5處理之間的差異亦顯著。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的土壤容重分別降低了2.2%、7.3%和5.1%，各處理之間的差異顯著性和0～7.5 cm土層一致。

圖1 不同處理土壤容重注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 土壤pH值和電導(dǎo)率

土壤pH值在8.01～8.11之間，平均為8.04，上土層相對較高(圖2)。在0～7.5 cm土層中，相比于CK,B4.5、B9.0、SR處理的土壤pH值均有提高，但處理間差異不顯著。在7.5～15 cm土層，相比于CK，B4.5、B9.0和SR變化較小，處理間差異亦不顯著。

圖2 不同處理土壤pH值

土壤電導(dǎo)率在189.1～231.3 μS·cm-1之間，平均為208.2 μS·cm-1，土層間差異較小(圖3)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5和B9.0處理的土壤電導(dǎo)率分別降低了5.8%和7.8%，SR處理的電導(dǎo)率升高了4.7%，差異均未達(dá)顯著水平。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5和B9.0處理的土壤電導(dǎo)率分別降低了1.5%和7.3%，SR處理提高了13.4%，差異亦不顯著。

圖3 不同處理土壤電導(dǎo)率

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)含量在20.4～46.4 g·kg-1之間，平均為31.2 g·kg-1，施炭處理上層相對較高，而秸稈還田處理下層相對較高(圖4)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別上升了57.7%、123.1%和19.7%,其中B4.5、B9.0處理差異顯著，SR處理差異不顯著，且B4.5和B9.0處理間差異顯著。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別上升了58.3%、111.8%和40.7%，且各處理間差異性顯著。

圖4 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量

2.4 土壤養(yǎng)分

土壤總氮含量在1.05～1.29 g·kg-1之間，平均為1.19 g·kg-1，土層間差異較小(表1)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的總氮含量分別上升了11.4%、21.9%和21%，差異顯著，且B4.5和B9.0處理間差異亦顯著。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的總氮含量分別上升了11.3%、15.1%和21.7%，差異顯著，而B4.5和B9.0處理間差異不顯著。

土壤總磷含量在0.94～1.10 g·kg-1之間，平均為1.01 g·kg-1，土層間差異較小(表1)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理總磷含量略有上升，但處理間差異不顯著。在7.5～15 cm土層，總磷含量變化較小，各處理間差異性與0～7.5 cm一致。

土壤有效磷含量在8.45～23.5 mg·kg-1之間，平均為13.04 mg·kg-1，下土層相對較高(表1)。在0～7.5和7.5～15 cm土層，對比CK,B4.5、B9.0和SR處理的有效磷含量降低了23.1%～42.0%，且差異顯著，而B4.5和B9.0處理間差異不顯著。

土壤速效鉀含量在78.9～131.9 mg·kg-1之間，平均為102.2 mg·kg-1，上土層相對較高(表1)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的速效鉀含量分別上升了2%、30%和34%，其中后兩個處理的變化達(dá)到顯著差異水平，且B4.5和B9.0處理間差異顯著。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的速效鉀含量分別上升了20.3%、10.1%和24.2%，其中B4.5、SR與CK處理間差異顯著，而 B4.5和B9.0處理間差異不顯著。

表1 不同處理土壤養(yǎng)分狀況

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 長期施用生物炭對土壤容重、pH值、電導(dǎo)率的影響

生物炭使耕層土壤容重降低了，且施炭量越大容重降低幅度越大。施用生物炭降低了土壤容重可能是因為其本身含有大量的表面孔隙，與土壤混合之后提高了土壤的孔隙比從而降低了土壤容重；其次，生物炭促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成[20-21]，從而增大了土壤孔隙度，造成土壤容重降低。此前，關(guān)于短期施用生物炭的田間試驗降低了土壤容重的研究已有報道[22]。本研究的結(jié)果表明，秸稈還田同樣降低了土壤容重。秸稈的物理密度較低，歸還到土壤中，在未完全腐解的狀態(tài)下可以對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疏松效果。另外，植物殘體的輸入可以提高其周圍微生物的活性，微生物的分泌液可以促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成[23]，增加土壤的大孔隙數(shù)，進(jìn)而降低容重。

施用生物炭土壤pH值略有提高，但是變化未達(dá)到顯著性差異水平。Chan等[24]做了添加不同原材料生物炭對土壤理化性質(zhì)影響的短期盆栽試驗研究，結(jié)果表明添加生物炭顯著提高了土壤的pH值,該結(jié)果與本研究的結(jié)果并不一致。產(chǎn)生不同結(jié)果的原因可能是：1.供試土壤的初始pH值不同。本研究的試驗田初始的土壤pH值(8.1)偏堿性，雖然生物炭的性質(zhì)也偏堿性，但是對土壤的pH值影響不明顯；2.生物炭的施用年限不同。本研究為長期施用生物炭試驗，短期內(nèi)施用生物炭可能會提高土壤pH值，而長期施用生物炭提高了土壤孔隙度，使得土壤的淋洗作用變強(qiáng)，因此施用生物炭10年之后對土壤pH值的影響并不大。本研究的秸稈還田處理的土壤pH值變化較小。秸稈在土壤中腐解轉(zhuǎn)化能夠影響微生物活性，可能會影響土壤pH值，但是pH值的變化主要還是受到土壤質(zhì)地、施肥、灌水等綜合因素的影響[25]。

施用生物炭的處理土壤電導(dǎo)率降低了，且施炭量越大電導(dǎo)率降低幅度越大。施用生物炭導(dǎo)致容重降低，因而增加了土壤的通氣性、蓄水性，但是容重過低容易造成養(yǎng)分的淋失[14]，養(yǎng)分的淋失更加劇烈可能是導(dǎo)致電導(dǎo)率下降的一個因素。另外，生物炭表面帶有大量的負(fù)電荷的官能團(tuán)，對土壤中游離的陽離子(Ca2+、Mg2+等)具有較強(qiáng)的化學(xué)吸附作用。該結(jié)果與孫軍娜等[26]的短期室內(nèi)培養(yǎng)試驗結(jié)果不一致。短期試驗的生物炭可能增加氫離子與土壤膠體表面發(fā)生陽離子置換作用，釋放離子增加土壤電導(dǎo)率，而長期試驗可能受土壤淋洗的影響更大。本研究中秸稈還田處理的結(jié)果則提高了土壤電導(dǎo)率，原因可能是作物秸稈中含有農(nóng)作物生長需要的氮、磷、鉀、鎂、鈣等礦質(zhì)營養(yǎng)元素,腐解之后釋放到土壤中，為土壤提供了外來的鹽分離子，增加了土壤中水溶性鹽分離子的總量。

3.2 長期施用生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分狀況的影響

生物炭使土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了，且達(dá)到了顯著性差異水平。生物炭的含碳量高，穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠穩(wěn)定的保存在土壤當(dāng)中，有利于土壤中的有機(jī)碳的累積[27]。此外，大量研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對土壤本體有機(jī)質(zhì)存在激發(fā)效應(yīng)，尤其是負(fù)的激發(fā)效應(yīng)較多[28-29]，抑制了土壤本體有機(jī)碳的分解，減少了土壤的碳輸出。本研究的秸稈還田同樣提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。秸稈還田增加了土壤的有機(jī)碳的輸入，有利于土壤有機(jī)碳的累積。

生物炭處理的土壤總氮含量同樣有顯著的提升，上升了11.3%～21.9%。此前有研究表明，生物炭可以提高生物固氮能力[30]，也可以促進(jìn)菌根真菌的繁殖[31]。同時，由于生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)的負(fù)激發(fā)效應(yīng)，緩解有機(jī)氮的礦化分解，也有利于土壤總氮的累積。本研究的秸稈還田處理也提高了土壤總氮含量。一方面是由于秸稈還田為土壤提供了新鮮的有機(jī)物質(zhì)源，增加了土壤的氮輸入。另一方面可能是因為秸稈還田促進(jìn)了真菌菌絲體的生長，提高了固氮能力。

本試驗的生物炭和秸稈還田處理總P含量都有提高，但均未達(dá)到顯著性差異。生物炭組分中含有一定量的P，在土壤中經(jīng)過10年的轉(zhuǎn)化之后，可能為土壤提供了少部分的P。Raave等[34]也發(fā)現(xiàn)了施用生物炭使P的淋失降低了，增加了土壤中P的累積。因此，施用生物炭降低了P的淋失，也有可能是使總P含量略有上升的原因之一。本研究的秸稈還田處理總P含量同樣上升了，但亦未達(dá)到顯著性差異水平。秸稈中本身包含一定量的P，腐解之后為土壤提供了新的P源，增加了土壤P的輸入，有助于P含量的提升。

生物炭處理速效鉀的含量提升了2%～30%。生物炭本身包含大量的可提取性鉀，施入土壤之后增加了鉀的輸入，可能有助于速效鉀總量的提高。本研究中秸稈還田處理的速效鉀含量也提升了，并且達(dá)到了顯著性差異水平。秸稈可以作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥料資源，能提升土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量、速效養(yǎng)分含量[35-36]。秸稈中含有大量的鉀元素，腐解之后為土壤提供了大量的鉀離子源，增加了土壤中鉀離子的輸入，這可能是土壤速效鉀含量顯著提高的主要原因。

4 結(jié)論

基于10年田間定位試驗的研究結(jié)果表明，長期施用生物炭能夠降低土壤容重，改善土壤的通氣和保水性能，此外顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量，以及不同程度的提高土壤硝態(tài)氮和速效鉀含量。總的來說，長期施用生物炭具有明顯的固碳和土壤培肥效應(yīng)。