生物炭對鄂西茶園土壤改良的研究

李 鑫，張曉晴,2，齊伊麗，張 馳，任大軍,2，葉 俊，張淑琴,2

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 4300003；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

近年來，生物炭憑借其獨特的特性與優(yōu)點得到廣泛關(guān)注，已成為當前環(huán)境科學(xué)的研究熱點。生物炭是一種生物質(zhì)（如木材、農(nóng)作物廢棄物、畜禽糞便、植物組織或動物骨骼等），在缺氧或無氧和相對溫度“較低”（200～700 ℃）條件下的熱解產(chǎn)物，一般含有60%上的碳[1]。通常條件下生物炭呈堿性（pH 值＞8.5），且裂解溫度越高，堿性越強[2]。生物炭主要由穩(wěn)定碳、不穩(wěn)定碳及灰分組成，性質(zhì)穩(wěn)定，分解速率低，其碳元素占比因生物質(zhì)原料不同差異較大，但在土壤微生物的作用下，生物炭本身也會發(fā)生某種程度分解，可直接或間接提升土壤有機質(zhì)，生物炭引起的有機質(zhì)循環(huán)變化不僅影響土壤中營養(yǎng)元素的變化，而且也影響了植物的生長[3]。生物炭的芳香凝聚結(jié)構(gòu)使其相對穩(wěn)定，適用于土壤改良和環(huán)境修復(fù)[4-5]。因其比表面積大、帶負電荷和電荷密度高[6]。故對營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、和有機化合物具有較高的吸附能力[7]。生物炭還能促進植物對土壤中養(yǎng)分的吸收，增加土壤中有機碳和不穩(wěn)定碳的含量，提高作物產(chǎn)量[8]。生物炭可提高土壤pH 值和抑制土壤中天然有機碳的分解[9]，增加土壤中有效磷含量和陽離子交換容量（CEC），形成穩(wěn)定的微團聚體，從而增加了土壤的通氣性、土壤肥力，提高養(yǎng)分利用率和作物根際微生物活性，促進作物生長等特性[10]。生物炭具有極高的碳、氧比可限制氮元素的微生物轉(zhuǎn)化和反硝化，有效吸附土壤中的NH4+，NO3-等和降低農(nóng)田NH4+的揮發(fā)和NO3-的淋失，可使氮元素被植物直接利用[11-12]。生物炭中豐富的有機大分子和發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)對土壤營養(yǎng)物質(zhì)的吸附和保持有著重要作用，可提高土壤陽離子交換量，進而改變土壤電導(dǎo)率[13]。生物炭本身容重遠小于土壤，因此添加到土壤中上課可使土壤容重下降[14]，一般來說含有較高有機質(zhì)的低容重土壤更利于營養(yǎng)物質(zhì)的釋放和養(yǎng)分儲存，并降低了土壤的板結(jié)程度，說明生物炭對改良土壤有一定的積極作用。

酸性土壤適宜種植茶樹，最適宜的pH 值范圍為4.5～6.0，土壤過酸會影響茶樹的正常生長。茶園土壤因受酸雨、不合理的施肥以及茶樹自身代謝等多種因素影響，酸化問題日趨嚴重，尤其是西南茶園種植區(qū)域，pH 值小于4.0 的茶園土壤日漸增多[15]。茶園土壤酸化造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、不利于營養(yǎng)元素的吸收、重金屬元素的生物有效性增加和土壤微生物的活性下降等問題，最終嚴重影響茶樹生長和茶葉品質(zhì)[16]。湖北省恩施州是全國產(chǎn)茶優(yōu)勢區(qū)域，盛產(chǎn)的“富硒茶” 更是馳名中外，茶園面積已達6.7×104hm2，為提高茶葉品質(zhì)改良該區(qū)域酸化茶園土壤已迫在眉睫。因此，選取恩施地區(qū)10 個典型茶園的土壤，研究不同生物炭添加量（質(zhì)量分數(shù)分別為0，1%，3%）和不同的培養(yǎng)時間（3 個月和6 個月）對茶園土壤理化性質(zhì)（pH 值、電導(dǎo)率、有機質(zhì)含量）的調(diào)控效果和變化規(guī)律，擬探究生物炭培養(yǎng)對恩施地區(qū)典型茶園土壤理化性質(zhì)改良效果的影響，為該區(qū)茶葉品質(zhì)提高及土壤改良提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

（1）供試土壤：湖北省恩施州屬于亞熱帶季風(fēng)性山地濕潤氣候，年均氣溫16.2 ℃，年平均降水量1 600 mm，根據(jù)恩施地區(qū)茶葉基地的分布現(xiàn)狀，分別采集10 個具有代表性的茶園土壤，其采樣點位分布見圖1。土壤樣品采集深度范圍為0～20 cm，多點采樣（S形），混合去雜后用四分法得到1 kg 土樣，再將土樣風(fēng)干、粉碎后過孔徑為2 mm 尼龍篩備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 采樣地茶園定位、土壤類型和土壤的基本理化性質(zhì)

（2）生物炭：研究所用生物炭為市場采購的水稻秸稈生物炭。

1.2 測試方法

使用Thermo Scientific Nicolet 6700 型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）對樣品表面官能團進行分析，測試采用KBr 壓片法，分辨率為4 cm-1，記錄樣品波數(shù)范圍在500～4 000 cm-1區(qū)域的紅外光譜圖；使用Bruke D8 Advance 型X 射線衍射儀（XRD）分析樣品的物相組成，掃描速度為2°/min，激發(fā)源為Cu-Kα靶，電流為40 mA，電壓為40 kV。使用蔡司Gemini300 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的微觀形貌特征，加速電壓為20 kV；使用雷磁PHS-3C型酸度計測定溶液pH 值；使用雷磁DDSJ-318 型電導(dǎo)率儀測量生物炭電導(dǎo)率；采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定土壤有機質(zhì)含量。通過生物炭的各種表征，探究生物炭表面物理和化學(xué)性質(zhì)對茶園土壤改良的影響。

1.3 土壤樣品的制備

采用室內(nèi)模擬試驗，將10 個不同地區(qū)的實驗土壤各100 g 分別裝入250 mL 的塑料杯中，分3 次加入質(zhì)量分數(shù)分別為0，1%，3%的生物炭，杯口用保鮮膜和橡皮筋扎緊密封，并在保鮮薄膜表面用針扎孔通氣。為模擬實際田間情況，設(shè)定土壤培養(yǎng)時間分別為3 個月和6 個月。試驗期間，定期稱量土重并補充水分，使土壤保持60%～80%田間持水量，室溫范圍為10～25 ℃。土壤培養(yǎng)至3 個月和6 個月時，分別取一定量的土壤樣品，在水、土的質(zhì)量比為1∶5條件下振蕩1 h，靜止30 min 后測量土壤的pH 值和電導(dǎo)率；采用重鉻酸鉀-硫酸砂浴加熱法測定土壤有機質(zhì)含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭的表征

測得水稻秸稈生物炭的基本性質(zhì)見表2。

表2 水稻秸稈生物炭的基本性質(zhì)

生物炭表面形貌特征、表面官能團、表面晶體結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

圖1 生物炭的掃描電鏡(SEM)圖像

圖2 生物炭的紅外光譜與X 射線衍射圖譜

由圖1可以看出，生物炭表面呈多孔、高比表面積結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)明顯，孔隙結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)進入生物炭內(nèi)層，并與內(nèi)層表面吸附位點和活性基團結(jié)合，增大了生物炭的吸附量（比如離子吸附能力），改變了土壤電導(dǎo)率和有機質(zhì)含量。

由圖2可以看出，圖2(a)中生物炭在3 400 cm-1的強吸收峰為-OH 的伸縮振動峰是由于生物炭表面存在的酚和醇羥基形成的；波數(shù)約1 430 cm-1處的峰為活性炭中C=C 特征峰；波數(shù)范圍為1 300～1 000 cm-1中出現(xiàn)的峰為碳氧化的特征峰是由羧酸、醇、酚、醚和酯中C-O 和C-H 的伸縮振動引起的，生物炭表面含有豐富的含氧有機官能團，可增強土壤對酸的緩沖性能，影響土壤pH 值。圖2(b)中生物炭主要特征峰在2θ 為21.06°，25.23°，26.86°，28.84°，36.58°，39.36°，44.58°，47.57°和48.55°處,經(jīng)JCPDS卡片分析主要為C，SiO2·C，CaCO3·Fe2O3·FeO(OH)，CaCO3晶體結(jié)構(gòu)。生物炭表面大量的碳酸鹽和含氧化合物可增加土壤表面的含氧官能團，不僅增強了對陽離子的吸附能力，也增加了陽離子交換量，同時改變了土壤的電導(dǎo)率及有機質(zhì)含量。

2.2 生物炭對土壤pH 值影響

生物炭對土壤pH 值的影響見圖3。

圖3 生物炭對土壤pH 值的影響

由圖3可以看出，圖3(a)中大部分點位添加ω（生物炭）=1%后土壤pH 值有一定程度增加；添加ω（生物炭）=3%的土壤pH 值相比添加ω（生物炭）=1%的顯著提高。圖3(b)中施加3 個月的生物炭便可改善茶園土壤的pH 值；延長土壤培養(yǎng)時間到6 個月時，不同生物炭處理的土壤pH 值出現(xiàn)不同程度下降。以S7（新塘）為例，添加ω（生物炭）分別為1%和3%時，土壤pH 值由初始的5.58 分別增至6.02和6.80；施加ω（生物炭）=1%，土壤培養(yǎng)6 個月時，土壤pH 值由6.02 降至5.78。

試驗施加少量pH 值為8.05 的生物炭，即達到提高pH 值的效果。由生物炭表征結(jié)果可知，生物炭表面含有較多的鹽基離子，皆以碳酸鹽或者氧化物的形式而存在，碳酸鹽或氧化物與氨離子發(fā)生中和反應(yīng)；生物炭中含氧有機官能團在土壤中發(fā)生質(zhì)子化作用[17]，從而增強了土壤對酸的緩沖性能。因此，添加生物炭顯著提高茶園土壤pH 值的同時，且在一定范圍內(nèi)土壤交換性酸濃度則隨著生物炭添加量的增加反而降低[18]。當延長土壤的培養(yǎng)時間，不同生物炭處理的土壤pH 值均出現(xiàn)不同程度的下降，說明施入土壤中的生物炭會隨時間的推移而逐漸發(fā)生老化作用。研究表明，生物炭老化后其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)均發(fā)生改變，經(jīng)老化處理后的生物炭pH 值有所下降[19]。土壤pH 值在4.34～7.91 范圍內(nèi)，土壤pH 值越低，生物炭中碳酸鹽更易溶解形成CO2，且表面基團中的C-O 及OH 結(jié)構(gòu)增多，更易被老化[20]。因此，添加生物炭對酸性茶園土壤pH 值的改良效果需考慮生物炭的老化問題。

2.3 生物炭對土壤電導(dǎo)率影響

生物炭對土壤電導(dǎo)率的影響見圖4。

圖4 生物炭對土壤電導(dǎo)率的影響

由圖4可以看出，比較生物炭添加量對土壤改良效果的影響，發(fā)現(xiàn)大部分點位施加ω（生物炭）=1% 后土壤的電導(dǎo)率會有一定程度增加；施加ω（生物炭）=3%后土壤的電導(dǎo)率則顯著提高。比較培養(yǎng)時間對生物炭改良效果的影響，發(fā)現(xiàn)施加3 個月的生物炭便可改善茶園土壤電導(dǎo)率；延長土壤培養(yǎng)時間至6 個月，不同生物炭處理的土壤電導(dǎo)率則出現(xiàn)不同程度的下降。單看S5（白楊坪）樣點，發(fā)現(xiàn)分別添加ω（生物炭）=1%和ω（生物炭）=3% 后，土壤電導(dǎo)率由初始604.5 μS/cm 分別增至702 和729 μS/cm。添加ω（生物炭）=1%的土壤培養(yǎng)6 個月后，該點位電導(dǎo)率下降至442 μS/cm。

在高度風(fēng)化的熱帶土壤中，大量施用生物炭可使土壤陽離子交換量提高50%，即使投入少量生物炭亦可增加土壤陽離子交換量。生物炭比表面積大，而氧化作用又顯著增加了其表面的含氧官能團，從而增強對陽離子的吸附能力，增加陽離子交換量[21-22]。施用生物炭可顯著增加土壤陽離子交換量，說明生物炭可潛在降低養(yǎng)分淋洗，增加養(yǎng)分循環(huán)利用效率[23]。與以往研究結(jié)果類似，短期內(nèi)施加生物炭可提高土壤電導(dǎo)率；隨著培養(yǎng)時間的延長，生物炭由于老化等原因，可降低土壤中可溶性鹽分的含量[24]，從而降低了電導(dǎo)率，一定程度上可緩解土壤對作物的鹽害。

2.4 生物炭對土壤有機質(zhì)影響

生物炭對土壤有機質(zhì)含量的影響見圖5。

圖5 生物炭對土壤有機質(zhì)含量的影響

由圖5可以看出：①添加生物炭濃度對生物炭改良土壤效果的影響。大部分點位添加ω（生物炭）=1%后土壤中有機質(zhì)有一定程度增加；添加ω（生物炭）=3% 的土壤中有機質(zhì)含量較添加ω（生物炭）=1%的顯著提高，如點位S7(新塘)、S8(茅壩)的有機質(zhì)均顯著提高；②培養(yǎng)時間對生物炭改良效果的影響。發(fā)現(xiàn)施加3 個月的生物炭便可改善茶園土壤有機質(zhì)含量；當延長土壤培養(yǎng)時間至6 個月，部分點位土壤有機質(zhì)含量出現(xiàn)不同程度的下降。添加ω（生物炭）=3%土壤中有機質(zhì)含量比添加ω（生物炭）=1%的下降幅度較低，這是由于有機碳礦化速率和土壤有機碳含量呈顯著負相關(guān)[25]。

生物炭在土壤微生物的作用下發(fā)生某種程度分解，可直接或間接提升土壤有機質(zhì)[26]。生物炭具有的表面含氧官能團和芳環(huán)結(jié)構(gòu)，能提供大量的離子交換點位，從而提高了土壤的離子交換活性，影響了植物對營養(yǎng)元素的吸收效果[27]。生物炭通過吸附土壤中有機小分子的表面催化活性促進小的有機分子聚合形成有機質(zhì)，來提高土壤有機質(zhì)含量。隨著生物炭土壤培養(yǎng)時間的延長，生物炭老化作用明顯，其表面微孔結(jié)構(gòu)使得吸附點位被破壞，降低了吸附能力。相對新鮮生物炭，老化生物炭對土壤的緩沖能力影響較弱[28]。施加生物炭可顯著增強土壤有機質(zhì)的礦化作用[25]，因此，生物炭改良的土壤有機質(zhì)含量的變化規(guī)律仍需進一步研究。

3 結(jié)論

（1）生物炭的表面結(jié)構(gòu)特征（如極大的比表面積，豐富的含氧官能團等多性基團）有利于提高土壤的pH 值、電導(dǎo)率和有機質(zhì)含量。

（2）生物炭具有較高的pH 值和有機質(zhì)含量，對于大部分茶園土壤，施加少量的生物炭就可達到茶園土壤的pH 值、電導(dǎo)率和有機質(zhì)含量的改良效果，增加生物炭的施加量，可顯著改善茶園土壤上述指標。

（3）當延長土壤培養(yǎng)時間，不同生物炭處理的茶園土壤pH 值、電導(dǎo)率和有機質(zhì)含量等指標均同步出現(xiàn)下降現(xiàn)象。因此，添加生物炭對酸性茶園土壤理化性質(zhì)的改良效果時，需考慮生物炭的老化問題。