棉稈炭基復合肥的特征及對土壤理化性質的改良效果

姜麟珂 鄭文軒 楊瑛

摘要：以棉稈為原料，熱解制作生物炭進而制備炭基復合肥，探討棉稈炭基復合肥對土壤改良效果的影響。炭基復合肥的表觀顆粒形貌分析表明，炭肥具有大小均勻、表面積大的特點。土壤通過棉稈炭基復合肥的添加結果，能夠有效降低土壤容重，提高飽和含水率，土壤飽和含水率最大可達40.53%，相比原土壤提高6.34%。弱酸性炭肥能有效中和沙化土壤的堿性，使土壤更有利于作物生長，另外炭基復合肥的添加對土壤飽和導水率的改良可達到 0.48 mm/min 是原來的2倍，有效改善了土壤的滲透性。本研究為南疆生物質秸稈資源綜合利用、肥料的充分吸收、堿性土壤的性質改良提供了新方法。

關鍵詞：棉稈炭基復合肥;飽和導水率;土壤容重;飽和含水率;土壤pH值

中圖分類號： X712;S156 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）15-0293-04

生物質炭（biochar-biocharcoal）是生物質原料在無氧或缺少氧的狀態(tài)下進行高溫熱裂解得到的一種黑色固態(tài)產(chǎn)物[1]。將廢棄的棉花秸稈熱解制作生物炭，然后將生物炭與普通肥料按照添加不同比例與水混合在一起，利用萬能壓力材料試驗機擠壓制作成棉稈炭基復合肥[2-3]。炭基復合肥含有氮、磷、鉀3種元素，由于生物質炭本身的特性，炭肥也具有較大的比表面積，孔隙結構疏松發(fā)達。炭肥施加入土壤后可改良新疆沙化土壤的pH值，降低土壤容重[4]，增加土壤通透性，提高土壤飽和含水率，并且對土壤飽和導水率也有一定的改善。生物炭肥成為近年來研究的熱點，但現(xiàn)有文獻里很少有人提到研究炭基復合肥的，棉稈生物炭肥不僅使棉花廢棄秸稈得到充分利用，而且能夠減少普通化肥的利用。將生物炭配合普通肥料制作成的生物炭肥可明顯提高普通肥料的利用效果，將普通肥料的元素更好地被充分吸收和利用。

土壤飽和導水率是指土壤被水充分飽和吸收時，單位水勢梯度下、單位時間內(nèi)通過單位土壤橫截面積的水量[5]，它是土壤質地、容重、孔隙分布特征的函數(shù)。飽和導水率受土壤質地、容重、孔隙大小以及有機質含量不同而發(fā)生變化，其中孔隙分布特征對土壤飽和導水率的影響最大。土壤飽和導水率反映了不同結構土壤的水分入滲能力，國內(nèi)外學者對土壤飽和導水率方面進行了大量研究，但多集中于土壤結構性質對飽和導水率的影響[6]，以及對飽和導水率不同測量方法的研究[7]，比如環(huán)刀法、滲透法、土壤滲透儀器測量法等。

本研究根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)南疆沙化土壤的性質，通過田間采集土壤進行試驗探究棉稈炭基復合肥的不同添加量對土壤理化性質的改良，以期為新疆棉花廢棄秸稈以及肥料的資源化合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及儀器材料

2019年9月試驗在新疆維吾爾自治區(qū)阿拉爾市塔里木大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室進行。使用的主要材料儀器：微機控制電子萬能材料試驗機，上海卓技儀器設備有限公司生產(chǎn);JF-2000型智能馬弗爐，江蘇江分電分析儀器有限公司生產(chǎn);遠紅外快速干燥箱，上海博泰實驗設備有限公司生產(chǎn);TFW系列土壤分析儀，武漢市天聯(lián)科教儀器發(fā)展有限公司生產(chǎn);普通分析純肥料尿素，氯化鉀、過磷酸鈣和磷酸氫二銨均為分析純，rise-3002顆粒圖像分析儀、高速多功能粉碎機、150 mL瓷坩堝、PH-2603多參數(shù)酸度測試儀、HY-4A數(shù)顯調(diào)速多用振蕩器、環(huán)刀（內(nèi)徑 51 mm，高50 mm）、鋁盒、電子秤（最大量程 600 g，精確度0.01 g）、1 mm篩子、馬氏瓶（5 000 mL）、廣口瓶（250 mL）、量筒（10、25 mL）、環(huán)刀（100 cm3）、噴水壺吸水紙以及保鮮膜等。

1.2 棉稈炭基復合肥的制作

將預處理過的棉花秸稈用粉碎機粉碎過1 mm篩，然后通過馬弗爐在400 ℃無氧條件下熱解 180 min。將冷卻后的棉稈炭與分析純肥料和水（其中所有材料一共50 g，棉稈炭8.32 g、蒸餾水 6.50 mL、分析純尿素9.17 g、氯化鉀8.33 g、過磷酸鈣13.33 g、磷酸氫二銨4.35 g）混合攪拌均勻后，用多功能萬能材料機擠壓成型，制作成炭基復合肥[8]。最后放入真空干燥箱中，干燥溫度為45 ℃，干燥4 h后取出并冷卻至室溫后保存?zhèn)溆谩７柿霞巴寥离妼?、pH值用土壤分析儀測定，制作的炭肥顆粒分析及數(shù)據(jù)見圖1、表1。

從表1可以看出，炭肥顆粒整體均勻、體積小，具有較大的表面積，對后期土壤容重和飽和含水率有良好的改良效果。

1.3 棉稈炭基復合肥和試驗土壤的基本性質

室內(nèi)試驗所用棉稈和土壤采自新疆維吾爾自治區(qū)南疆第一師十二團連作棉花地，供試棉稈炭和所選土壤的基本理化性質見表2。

1.4 棉稈炭基復合肥對土壤飽和含水率改良的測定

土壤飽和含水量是指土壤中所有孔隙全部充滿水時的含水量，土壤總孔隙度越大，飽和含水量越大。室內(nèi)采用烘箱烘干法進行土壤飽和含水率測定，用質量含水量表示，試驗設置6個處理。按照每100 g土壤添加棉稈炭基復合肥，設置炭肥與土壤質量比為0%、2%、4%、6%、8%、10%，每個處理重復3次，土樣過1 mm篩備用。將土樣炭基復合肥混合均勻放入底蓋（帶有孔和濾紙）的環(huán)刀中準備加水飽和。利用噴壺向環(huán)刀土壤中加入蒸餾水直到環(huán)刀底部滲透出水，達到水飽和狀態(tài)為止。利用傳統(tǒng)烘干法將樣本放于105 ℃的遠紅外烘箱內(nèi)烘干處理24 h，計算炭基肥不同添加量下土壤飽和含水率。

先對空環(huán)刀（帶底蓋和濾紙）進行稱量，記作m1;在試驗樣本中，添加棉稈炭基復合肥后飽和狀態(tài)下土壤和環(huán)刀的總質量記作m2;最后將土壤和環(huán)刀置于105 ℃環(huán)境下進行24 h烘干作業(yè)，稱量環(huán)刀和干燥后土壤的質量，記為m3。環(huán)刀的體積為 100 cm3。土壤飽和含水率的最終計算公式為

ω=m2-m3m3-m1×100%。

式中：ω為土壤飽和含水率（%）。

1.5 棉稈炭基復合肥添加量對土樣pH值和電導的影響

為研究棉稈炭基復合肥對沙化土壤酸堿性的影響，測定了炭肥不同比例添加量下土壤樣品的pH值以及電導，每次比例重復3組共18組試驗。采用酸度儀測量pH值。具體步驟如下：對照組不添加棉稈炭基復合肥，每份稱取3次100 g過1 mm篩的風干土樣，試驗組5組每組稱取100 g土樣，并分別添加2、4、6、8、10 g炭肥。土樣和蒸餾水比例為 1 ∶ 2.5，將土樣裝于500 mL燒杯中，振動篩振蕩1 h后靜置30 min。將pH計電位極插入到靜止的炭基肥土壤試樣中，輕輕攪拌并記錄數(shù)值。

1.6 棉稈炭基復合肥添加量對土壤容重的影響

取試驗土樣過1 mm篩，每100 g土壤分別加入不同比例的棉稈炭基復合肥，每個不同添加比例土壤測定3次，共計18組試驗。利用傳統(tǒng)烘干法把裝有試樣的鋁盒在105 ℃下烘干12 h，取出冷卻到室溫后，立即進行測量。

對空鋁盒稱質量，記作mx;在試驗樣本中烘干后稱量土壤加鋁盒的質量記作mz;計算公式如下

rS=mz-mxV。

式中：rS為土壤容重（g/cm3）;V為環(huán)刀體積（cm3）。

1.7 棉稈炭基復合肥添加量對土壤飽和導水率的影響

飽和導水率是土壤被水飽和時，單位水勢梯度下，單位時間內(nèi)通過單位面積的水量，可根據(jù)達西定律得到[9]。將試驗土樣裝入環(huán)刀中，在室內(nèi)浸入水中5 h，浸水過程中保持水面稍低于環(huán)刀上口，保證水不會進入環(huán)刀。浸水結束后將環(huán)刀取出，除去頂蓋在上面套一個規(guī)格一樣的空環(huán)刀并密封好。然后將接合的環(huán)刀放到漏斗上，漏斗下放置一個150 mL的廣口瓶。

試驗利用馬氏瓶向上層空環(huán)刀中加水，水層厚5 cm。上層環(huán)刀加水后，從漏斗下方滴下第1滴水時用秒表開始計時，每隔1、2、3、5、7、10、15 min更換漏斗下的廣口瓶（間隔時間的長短，視土壤滲透水速度快慢而定），直到單位時間內(nèi)滲透水量達到穩(wěn)定。飽和導水率（滲透系數(shù)）按下式計算：

Ks=10QnLStn（h+L）。

式中：Ks為土壤飽和導水率（mm/min）;Qn為n次滲出水量（cm3）;tn為每次滲透時間間隔（min）;S為土壤滲透經(jīng)過的橫截面積（cm2）;h為水層厚度（cm）;L為土層厚度（cm）。

2 結果與分析

2.1 棉稈炭基復合肥添加量對土壤飽和含水量和土壤容重的影響

土壤飽和含水率的變化會影響土壤持水量，土壤飽和含水率是土壤重要的理化性質之一。飽和含水率增加有助于土壤水分的保存和持久吸收。土壤飽和含水率和土壤容重隨棉稈炭基復合肥添加量的變化關系見圖2。

從圖2可以看出，沙化土壤初始含水率為34.19%，隨著棉稈炭基復合肥添加量的增加，飽和含水率呈增加趨勢，當添加量為10%時含水率達到40.53%。由于棉稈炭基復合肥表面帶有生物炭，生物炭顆粒粗糙細小，但表面積大，與普通肥料混合后，土壤能吸收更多的水分，提高土壤的飽和含水率。炭肥表面的生物炭還能保持肥料本身含有的少量水分不會大量揮發(fā)，使得土壤保持一定的持水量，提高土壤飽和含水率。

隨著棉稈炭基復合肥的添加，土壤容重呈下降趨勢，與土壤飽和含水率變化相反[10]。初始對照組土壤容重為1.36 g/cm3，改良后土壤容重下降至1.23 g/cm3。這是由于炭肥表面帶有生物質炭，表面顆粒小而疏松，混合土壤后能降低土壤容重，棉稈炭基肥料表面含有帶電官能團，能夠與土壤中的膠體發(fā)生一定的吸引或排斥作用，當二者之間發(fā)生相互排斥作用時，土壤中的膠體及其組織發(fā)生分散，最終導致土壤容重降低?？梢娞糠视绊懲寥廊葜厥翘糠时砻嫣康陌l(fā)達孔隙結構、表面帶電官能團與土壤組織之間作用力相互競爭排斥的結果。

2.2 棉稈炭基復合肥添加量對土壤pH值的影響

土壤酸堿性是土壤重要的理化性質，對土壤肥力及植物生長影響很大。因此，研究棉稈炭基復合肥添加量是否影響土壤pH值，降低沙化土壤的酸堿度至關重要，棉稈炭基復合肥對pH值的影響見圖3。

從圖3可以看出，隨著炭基肥添加量的增加，pH值先降低后增加。當炭肥添加量為2%和10%時土壤pH值接近于中性，分別為7.09和6.65。由于分析純肥料呈現(xiàn)弱酸性與堿性生物炭混合制作成的炭肥表現(xiàn)為弱酸性[11]，能夠中和堿性沙化土壤，因此土壤施加棉稈炭肥后土壤pH值明顯下降。分析結果表明，隨著炭肥含量的增加，pH值越來越趨向中性，因此，棉稈炭基復合肥的添加有利于堿性沙化土壤作物的生長。本試驗結果也為棉稈炭肥改良沙化土壤的酸堿性提供了理論和實踐基礎。

2.3 棉稈炭基復合肥添加量對土壤飽和導水率的影響

從圖4可以看出，土壤的初始飽和導水率為0.24 mm/min，隨著炭肥添加量的增加飽和導水率先增加后降低，當添加量為6%時達到最大值，為0.48 mm/min。由于棉稈炭基復合肥表面含有生物炭，顆粒微小摩擦程度不大，對滲透水流有一定的促進作用，顆粒孔隙小，剛接觸水分時水分滲透快，因此，添加一定量的棉稈炭基肥提高了土壤的飽和導水率。當棉稈炭基復合肥添加量超過6%時，飽和導水率開始呈下降趨勢，這可能是由于炭肥增多后，表面生物炭的表面積大、空隙多，開始緩慢吸水，造成大量的水分被炭肥吸收固定，降低了水分的外滲流動速度，使得最后流出的水分減少，單位時間內(nèi)滲透出的水分變少降低了土壤飽和導水率。

由于土壤空隙度與水摩擦不同，炭肥的施加對水流有不同的促進力和抑制力[12]，土壤中間和邊界的滲透水流速度也會有所差異。本試驗采用的滲透土層厚度和水層高度得到的結果有一定的局限性，不同情況下棉稈炭基復合肥對土壤飽和導水率的影響也可能有差異，還有待進一步研究。

3 結論

棉稈生物炭和肥料混合后制備的炭肥顯著降低了生物炭的堿性，呈現(xiàn)弱酸性。添加到堿性沙化土壤中有效降低了土壤的pH值，pH值最終隨著添加量的增加總體趨向于中性。

針對新疆維吾爾自治區(qū)沙化土壤，通過棉稈炭基復合肥的添加，土壤飽和含水率呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，而土壤容重表現(xiàn)為下降趨勢，有效改善了土壤的性質。當棉稈炭基復合肥添加量為6%時飽和導水率達到最大值，為0.48 mm/min，再次添加時表現(xiàn)出下降趨勢，但都比對照組飽和導水率大。因此，炭基復合肥的添加能有效改良土壤容重，提升土壤的最大持水量和飽和導水率。

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