不同地區(qū)油菜秸稈制備的生物質(zhì)炭對酸性紅壤的改良效果①

董 穎，邵 捷，徐仁扣，王 輝，趙震杰,4，姜 軍*

不同地區(qū)油菜秸稈制備的生物質(zhì)炭對酸性紅壤的改良效果①

董 穎1,2，邵 捷3，徐仁扣2，王 輝1，趙震杰2,4，姜 軍2*

(1 河南科技大學環(huán)境工程系，河南洛陽 471023；2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；3東南大學能源與環(huán)境學院，南京 210096；4 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京 210095)

從江西鷹潭、安徽宣城、江蘇南京和淮陰等4個地區(qū)收集油菜秸稈，在500 ℃下厭氧熱解制備生物質(zhì)炭，比較生物質(zhì)炭的pH、鹽基離子和碳酸鹽含量的差異，并在20 g/kg加入量下考察其對安徽宣城pH 4.1的酸性紅壤改良效果。結果表明，江西鷹潭油菜秸稈炭pH、鹽基離子和碳酸鹽含量最低，安徽宣城油菜秸稈炭次之，江蘇淮陰和南京油菜秸稈炭的相應參數(shù)值最高。當用這4種油菜秸稈炭改良土壤酸度時，改良效果表現(xiàn)為江蘇淮陰>江蘇南京>安徽宣城>江西鷹潭，與生物質(zhì)炭pH、鹽基離子和碳酸鹽含量一致。因此，利用秸稈生物質(zhì)炭改良土壤酸度時，不僅需要考慮炭化條件和秸稈類型，作物的產(chǎn)地差異也需要進行考量。

油菜秸稈生物質(zhì)炭；不同地區(qū)；鹽基離子；土壤酸度改良

酸性紅壤約占我國國土面積的22.7%，由于酸沉降和化肥的不合理施用等使得該類土壤酸化程度不斷加劇，土壤更加貧瘠，進而影響作物生長，同時又會對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成破壞[1-3]。改良酸性土壤的常用方法是施用石灰等堿性物質(zhì)，石灰的施用可有效中和土壤酸度，提高土壤pH 。但石灰的長期使用也會對土壤性質(zhì)造成許多負面影響，如導致土壤板結，Ca、Mg 和K 等養(yǎng)分失衡[4-5]。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中每年產(chǎn)生大量農(nóng)業(yè)廢棄物，其中農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量達7億多噸[5]。近年來的研究結果表明，作物秸稈在厭氧條件下低溫熱解制備的生物質(zhì)炭具有較高的pH，通常呈堿性[7]，可用于改良酸性土壤[8-9]。一般認為，生物質(zhì)炭的性質(zhì)受原料、熱解溫度和時間等影響，而原料和熱解溫度是主要影響因素[10-12]。植物吸收鹽基離子因土而異，植物體內(nèi)積累的堿性物質(zhì)也應不同，因此不同地區(qū)的作物秸稈在相同炭化條件下制備得到的生物質(zhì)炭，其中所含的鹽基離子和堿性物質(zhì)及對土壤酸度改良效果應有所差異，但目前還未有這方面的報道。本文選取江蘇南京和淮陰、安徽宣城以及江西鷹潭4個地區(qū)的油菜秸稈，在500 ℃下制備生物質(zhì)炭，測定不同地區(qū)油菜秸稈制備的生物質(zhì)炭的pH、交換性鹽基及碳酸鹽含量，研究這些生物質(zhì)炭對酸性紅壤的改良效果，探討農(nóng)作物秸稈生長環(huán)境條件對生物質(zhì)炭性質(zhì)的影響，進一步揭示秸稈生物質(zhì)炭改良紅壤酸度的機理。

1 材料與方法

1.1 油菜秸稈產(chǎn)地土壤和生物質(zhì)炭性質(zhì)

本文選取的油菜秸稈分別采自江蘇南京(31o55′N，118o51′E)、江蘇淮陰(33o37′N，119o02′E)、安徽宣城(31o07′N，119o10′E)及江西鷹潭(28o12′N，116o56′E)。同步采集油菜生長地的土壤樣品，1︰2.5 (︰)土水比下測定土壤pH，乙酸銨取代法提取土壤交換性鹽基，提取液中交換性K+、Na+用火焰光度法測定(M410，Sherwood Scientific，英國)，Ca2+、Mg2+用原子吸收分光光度法測定(novAA350，耶拿，德國)。將油菜秸稈洗凈風干后粉碎過 10 目篩，在500 ℃ 下燜燒2 h，冷卻后取出，生物質(zhì)炭稱重磨細后過 60 目篩備用[7,13]。油菜秸稈炭按1︰10 (︰)的固液比與除CO2的去離子水混合，60 r/min旋轉振蕩30 min，用電位法測定生物質(zhì)炭pH。稱取0.2 g生物質(zhì)炭，用1 mol/L乙酸銨(pH = 7.0)淋洗5次，定容收集得到濾液測定生物質(zhì)炭中交換性鹽基離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量[7]。氣量法測定生物質(zhì)炭中碳酸鹽含量[7]。

1.2 土壤改良試驗

采自安徽宣城的紅壤用于土壤改良試驗，土壤經(jīng)自然風干，研磨過60目篩備用。土壤pH(︰= 1︰5)、有機質(zhì)、陽離子交換量(CEC)分別用電位法、水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法和乙酸銨法測定，結果列于表1中。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

稱取117.6 g過2 mm篩的土壤樣品，加入2.4 g生物質(zhì)炭，充分混勻后放入240 ml聚丙烯塑料杯中。將土壤含水量調(diào)至田間持水量的70%，用保鮮膜封口且在其中間位置扎一直徑5 mm小孔，以便土壤進行氣體交換，聚丙烯杯置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)56 d，在培養(yǎng)過程中每隔3 ~ 4 d補充一次水分，保持土壤含水量基本恒定。培養(yǎng)結束后，將樣品取出風干、研磨過60目篩備用。

用與前述相同的方法測定改良后土壤的pH(︰=1︰2.5)和交換性鹽基離子含量[14]。用1 mol/L KCl提取土壤交換性酸，然后采用堿滴定法測定土壤交換性H+和交換性Al3+[15]。以上試驗均重復2次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Duncan多重比較進行多組樣本間差異顯著性分析，通過Pearson 相關分析進行多組樣本間相關性分析。

2 結果與討論

2.1 油菜秸稈產(chǎn)地土壤對生物質(zhì)炭性質(zhì)的影響

油菜秸稈產(chǎn)地土壤和生物質(zhì)炭性質(zhì)分別如表2和表3所示。4 種油菜秸稈產(chǎn)地土壤的pH 和交換性鹽基離子總量均表現(xiàn)為：江西鷹潭<安徽宣城<江蘇南京<江蘇淮陰。4 種鹽基陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)中，Ca2+含量最高，因為它是土壤溶液中最主要的陽離子[16]，二價 Ca2+對土壤顆粒的親和能力要高于單價的K+和Na+。江西鷹潭和安徽宣城紅壤發(fā)育于第四紀紅黏土，江蘇南京黃棕壤和淮陰潮土分別發(fā)育于下蜀黃土和湖相沉積物，母質(zhì)差異導致江蘇淮陰土壤鹽基離子含量最高，江蘇南京次之。另外江西鷹潭和安徽宣城緯度略低，風化淋溶作用增強，導致其鹽基離子含量顯著低于江蘇兩地土壤。

表2 油菜秸稈產(chǎn)地土壤pH和交換性鹽基離子含量

注：同列小寫字母不同表示不同秸稈產(chǎn)地間差異達＜0.05顯著水平，下表同。

一般認為，植物吸收的陽離子與溶液中陽離子種類和含量關系密切[17]，作物在生長過程中會通過其根系從土壤中吸收水分和礦質(zhì)養(yǎng)分以供其自身生長[5]，因此，作物秸稈含有的鹽基離子的數(shù)量和種類與作物生長的土壤密切相關。如表3所示，不同地區(qū)秸稈生物質(zhì)炭中交換性鹽基離子含量表現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異，總鹽基含量順序為江蘇南京>江蘇淮陰>安徽宣城>江西鷹潭，基本與油菜秸稈產(chǎn)地土壤鹽基離子含量順序一致(表2)。兩者間呈正相關關系，絕對系數(shù)2為0.121，未達到顯著水平(圖1A，=0.396)，這可能與統(tǒng)計數(shù)據(jù)量不足，以及影響植物生長代謝活動因素復雜有關。在作物秸稈制備成生物質(zhì)炭過程中，秸稈中存在的鹽基離子大量富集，使得生物質(zhì)炭中鹽基離子含量增加，因此相比于作物秸稈，生物質(zhì)炭用于改良酸性土壤效果更佳[18]。

表3 不同地區(qū)油菜秸稈生物質(zhì)炭基本性質(zhì)

圖1 油菜秸稈產(chǎn)地土壤交換性鹽基與生物質(zhì)炭交換性鹽基(A)和生物質(zhì)炭pH(B)之間的相關性

生物質(zhì)炭在燒制過程中還產(chǎn)生了新的堿性物質(zhì)碳酸鹽，它主要存在于生物質(zhì)炭制備過程中形成的灰分中[5]，碳酸鹽對生物質(zhì)炭總堿含量的貢獻在20% ~ 73%[19]。本研究中氣量法得到的不同地區(qū)油菜秸稈炭碳酸鹽含量存在顯著差異 (表3，<0.05)，順序為江蘇淮陰>江蘇南京>安徽宣城>江西鷹潭。

此外，植物主要通過主動運輸吸收土壤溶液中鹽基陽離子，植株體內(nèi)陽離子需要與有機和無機陰離子形成離子對維持植物體內(nèi)電荷平衡，秸稈中的羧基和酚羥基等弱酸性陰離子是其堿性物質(zhì)的重要來源，可以直接與酸性土壤中的H+反應，達到改良酸性土壤的目的[5, 20-21]。作物秸稈在厭氧條件下熱解制備成生物質(zhì)炭過程中，秸稈中的弱酸性官能團轉移并富集到生物質(zhì)炭中，紅外光譜(FTIR) 和Boehm滴定結果都表明，生物質(zhì)炭中含有豐富的羧基和酚羥基等含氧官能團[22]，這些弱酸性官能團是秸稈生物質(zhì)炭呈堿性，并可用于酸性土壤改良的另一個重要原因[7, 23-24]。

表3結果還表明，鷹潭油菜秸稈生物質(zhì)炭所含鹽基陽離子和碳酸鹽含量最低，因此制備得到的生物質(zhì)炭pH僅為7.35，顯著低于安徽宣城和江蘇淮陰油菜秸稈炭(pH分別為9.30和9.31)，更低于江蘇南京油菜秸稈炭(pH=9.61)。因此，江西鷹潭油菜秸稈炭的pH、交換性鹽基以及碳酸鹽含量在所研究的4種生物質(zhì)炭中都最低。產(chǎn)地土壤交換性鹽基與生物質(zhì)炭pH之間存在正相關關系，但沒有達到顯著水平 (圖1B，=0.261)，原因可能也與統(tǒng)計數(shù)據(jù)量不足和植物生長的影響因素復雜有關。

2.2 不同地區(qū)油菜秸稈生物質(zhì)炭對安徽紅壤交換性鹽基離子的影響

由于不同地區(qū)油菜秸稈生物質(zhì)炭中所含鹽基離子含量不同，將其添加到酸性紅壤中時，生物質(zhì)炭所含鹽基離子釋放，并與土壤交換性酸發(fā)生反應，導致土壤交換性鹽基離子含量增加。改良后紅壤鹽基離子含量結果如表4所示，添加江蘇淮陰和南京油菜秸稈生物質(zhì)炭的紅壤鹽基離子含量最高，安徽宣城次之，江西鷹潭最低，這一順序與油菜秸稈生物質(zhì)炭中交換性鹽基離子含量一致(表2)。相關分析結果表明，油菜秸稈生物質(zhì)炭與改良紅壤中交換性鹽基離子含量存在極顯著正相關關系(圖2，=0.000)，證明生物質(zhì)炭中鹽基離子釋放是導致改良土壤交換性鹽基含量增加的主要原因。

表4 添加生物質(zhì)炭對安徽宣城紅壤交換性鹽基、pH和交換性酸的影響

圖2 生物質(zhì)炭交換性鹽基與改良土交換性鹽基離子含量間的相關性

同時，Ca、Mg和K是植物必需大量營養(yǎng)元素，而酸性紅壤由于遭受強烈風化淋溶作用導致這些元素廣泛缺乏[5]。4種油菜秸稈制備的生物質(zhì)炭中含有大量的Ca2+、Mg2+、K+和Na+等離子，因此，4種油菜秸稈生物質(zhì)炭加入土壤后都提高了土壤Ca、Mg、K含量，從而提高土壤的肥力[10]。另外，生物質(zhì)炭由于表面帶有凈負電荷，可以提高改良土壤陽離子交換量 (CEC)，從而提高了土壤吸持陽離子 (如Ca2+，Mg2+，K+和NH4+) 的能力，能夠阻止它們從酸性土壤中淋失[25]。因此，生物質(zhì)炭改良酸性土壤可以提高土壤肥力水平[7]。

2.3 不同地區(qū)油菜秸稈生物質(zhì)炭對安徽紅壤酸度的改良效果

4個地區(qū)油菜秸稈生物質(zhì)炭對紅壤pH和交換性酸的影響如表4所示，生物質(zhì)炭的添加顯著提高了酸性紅壤pH。江蘇淮陰和南京油菜秸稈炭提高土壤pH的效果最好，安徽宣城的油菜秸稈炭次之，江西鷹潭的油菜秸稈炭效果最差?；搓幒湍暇┯筒私斩捥扛牧己笸寥纏H分別較對照提高了0.81和0.61，宣城油菜秸稈炭處理pH提高了0.53，而鷹潭油菜秸稈炭處理pH僅提高了0.37，這與油菜秸稈生物質(zhì)炭本身的pH和碳酸鹽含量的大小順序一致(表2)。

將油菜秸稈生物質(zhì)炭添加到土壤中后，生物質(zhì)炭中含有的堿性物質(zhì)得以釋放并與土壤中的部分酸性物質(zhì)發(fā)生酸堿中和反應，降低土壤酸度并提高土壤pH。生物質(zhì)炭中含有大量的Ca2+、Mg2+、K+和Na+等鹽基離子[26]，當添加生物質(zhì)炭到酸性土壤后，這些鹽基離子可與土壤表面交換位上的H+、Al3+發(fā)生交換反應，促進交換性Al釋放并進入土壤溶液。土壤溶液中的Al3+發(fā)生水解并形成Al(OH)3沉淀，從而降低鋁毒的危害。

圖3相關分析結果表明，秸稈生物質(zhì)炭交換性鹽基與改良酸性土壤pH呈正相關關系，與交換性酸存在負相關關系，絕對系數(shù)分別為0.366和0.547，且后者達到了顯著水平(= 0.036)，證明添加油菜秸稈生物質(zhì)炭可顯著降低改良紅壤交換性酸 (交換性H和交換性Al)含量。從表4可以發(fā)現(xiàn)，土壤中交換性酸主要為交換性Al，交換性H含量僅占交換性酸的6.89% ~ 13.26%。添加油菜秸稈生物質(zhì)炭后，江西鷹潭，安徽宣城，江蘇南京和淮陰油菜秸稈生物質(zhì)炭處理紅壤交換性酸含量分別較對照降低了33.94%，59.09%，66.48% 和78.32%，交換性Al含量分別降低了35.93%，61.89%，68.77% 和78.83%。添加油菜秸稈生物質(zhì)炭后紅壤pH的提高幅度與其交換性Al的降低幅度一致，說明生物質(zhì)炭中的堿性物質(zhì)在這一過程中起中和作用，促進交換性Al的水解和羥基鋁化合物沉淀的形成，進而使得改良土壤中交換性Al的含量降低，Al的活性也隨之降低，土壤Al毒得以緩解。

3 結論

1)母質(zhì)原因造成江蘇淮陰和江蘇南京兩地土壤鹽基離子含量較高，強烈的風化淋溶作用使得江西鷹潭土壤中鹽基陽離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+大量流失。

2)與另外3個地區(qū)土壤相比，江西鷹潭土壤中鹽基陽離子含量最低，油菜在生長過程中可吸收利用的鹽基離子較少，使得以鷹潭油菜秸稈為原料制備的生物質(zhì)炭中鹽基離子含量也相對較少。

圖3 油菜秸稈生物質(zhì)炭交換性鹽基離子含量與改良紅壤pH和交換性酸相關性分析

3)添加4種油菜秸稈生物質(zhì)炭均提高了采自安徽宣城紅壤的pH和交換性鹽基陽離子含量，降低土壤的交換性酸，江蘇淮陰和江蘇南京油菜秸稈生物質(zhì)炭改良紅壤酸度的效果最好，安徽宣城油菜秸稈生物質(zhì)炭效果次之，而江西鷹潭油菜秸稈生物質(zhì)炭的改良效果最差。

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Amelioration of Ultisol Acidity by Biochars Derived from Canola Straws from Different Areas

DONG Ying1,2, SHAO Jie3, XU Renkou2, WANG Hui1, ZHAO Zhenjie2,4, JIANG Jun2*

(1 Department of Environment Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang, Henan 471023, China; 2State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China; 4College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

The biochars were prepared from canola straws collected from Yingtan in Jiangxi Province, Xuancheng in Anhui Province, Nanjing and Huaiying in Jiangsu Province, respectively, at 500 ℃ under anaerobic condition. The pH values, contents of base cations and carbonates in these biochars were measured. The amelioration effects of biochars on an acid Ultisol collected from Xuancheng, Anhui Province were examined with incubation experiments at 20 g/kg addition level of the biochars. Results showed the biochar of canola straw from Yingtan had the lowest pH value, contents of base cations and carbonate, followed by the biochar of canola straw from Xuancheng, and the biochars of canola straw from Huaiying and Nanjing had the highest pH and the contents of base cations and carbonate. The amelioration effects of these biochars on soil acidity of the Ultisol followed the order: Huaiying > Nanjing > Xuancheng > Yingtan, consistent with pH, the contents of base cations and carbonate in these biochars. Therefore, the amelioration effects of crop straw biochars on acid soils depended not only on the pyrolysis condition and crop residue types, but also on the sites of crop straw collected.

Canola straw biochar; Different areas; Base cations; Soil acidity amelioration

S153.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.01.019

董穎, 邵捷, 徐仁扣, 等. 不同地區(qū)油菜秸稈制備的生物質(zhì)炭對酸性紅壤的改良效果. 土壤, 2020, 52(1): 134–138.

國家自然科學基金面上項目(41371245，41771275)和國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2014CB441003)資助。

董穎(1991—)，女，河南漯河人，碩士研究生，主要從事土壤酸化研究。E-mail: 942812534@qq.com