棉稈基活性炭對棉花生長及新疆南疆沙化土壤物理性質(zhì)影響

孔德國 ，劉龍 ，周嶺 ，弋曉康 ，張紅美 *

（1塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

新疆是我國主要棉花生產(chǎn)基地之一，隨著栽種面積逐年擴大，棉花已逐漸成為當?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)與經(jīng)濟命脈。然而，由于棉花產(chǎn)量的不斷提高，主要副產(chǎn)物棉花秸稈量也迅速增加，大量剩余秸稈給周邊環(huán)境帶來了巨大壓力。目前棉花秸稈的處理途徑有粉碎還田、用做飼料以及就地焚燒［1-2］等方式。用做飼料僅能消耗極少部分的秸稈，就地焚燒會導致環(huán)境污染，粉碎還田是目前棉花秸稈的一種主要處理方式，然而該方法會加重次年的病蟲害［3-4］。

生物質(zhì)原料在厭氧或缺氧條件下，經(jīng)過高溫熱解得到的固態(tài)物質(zhì)為生物炭，已有研究表明生物炭可以改良土壤結(jié)構(gòu)［5］、增加作物產(chǎn)量［6］。近年來眾多學者開展了利用棉花秸稈為原料制備棉稈炭，并研究其對水體中污染物的去除效應［7-8］、棉稈炭對新疆南疆沙化土壤性能影響［9］等，還有部分學者開展了棉稈炭對棉田土壤性能和棉花生長影響的研究。顧美英等［10］研究結(jié)果表明，棉稈炭與生物有機肥配合施用能改善連作棉花根際土壤微生態(tài)環(huán)境，促進棉花生長。ZHU Y Q等［11］研究結(jié)果表明添加生物炭和生物肥料可以促進棉花生長。馮雷等［12］研究了棉稈炭施用方式對新疆灰漠土棉花生長及土壤性質(zhì)的影響，結(jié)果表明含水量對于花蕾花鈴數(shù)有一定積極影響，灰漠土增施適量棉稈炭可彌補氮的不足，改善土壤理化性質(zhì)。QAYYUM M F等［13］研究結(jié)果表明稻殼生物炭、麥秸生物炭和稻草生物炭對籽棉產(chǎn)量和品質(zhì)的影響各不相同。侯艷艷等［14］研究結(jié)果表明棉稈炭的添加提高了陽離子交換性能，增加了土壤肥力，有利于新疆灰漠土土壤生產(chǎn)力的提高。

由于新疆南疆地區(qū)土壤堿性強，保水保肥能力差，棉稈基生物炭呈堿性，不利于改良新疆南疆沙化土壤。而棉稈基活性炭由于經(jīng)過多次水洗，堿性減弱，不會加重土壤堿性。棉稈基活性炭對土壤物理性質(zhì)和棉花生長影響的研究目前尚未見報道。本試驗在前期研究結(jié)果的基礎(chǔ)上［15-17］，以持水能力為參考指標，在最優(yōu)化試驗方案下以NaOH、H3PO4和ZnCl2為活化劑制備棉稈基活性炭，并將其施入南疆沙化土壤中，研究其對現(xiàn)蕾期、吐絮期棉花生長及棉花采摘后土壤性能的影響，以期能夠為棉稈資源化的利用提供實驗數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料的制備

試驗所需棉花秸稈采自于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師阿拉爾市十二團棉田，化學試劑（85%H3PO4、NaOH、ZnCl2）均為分析純，天津市化學試劑批發(fā)有限公司生產(chǎn)，蒸餾水自制。

制備棉稈基活性炭最佳工藝參數(shù)如表1所示，活性炭基本性質(zhì)如表2所示。

表1 制備棉稈基活性炭工藝參數(shù)

表2 活性炭基本性質(zhì)

田間試驗于2018年4月至11月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師阿拉爾市十團棉花試驗田進行，土壤質(zhì)地為壤土。土壤基本理化性質(zhì)：pH為8.09，電導率為3.25 ms/cm，速效磷含量為34.63 mg/kg，速效鉀含量為57.79 mg/kg，堿解氮含量為49.28 mg/kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

田間試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積為3 m2，以復合肥（N-P2O5-K2O：17-17-17）為底肥，50 kg/667 m2一次性施入。試驗共設(shè)計4個處理，即NaOH體系（C1）、H3PO4體系（C2）、ZnCl2體系（C3），不施活性炭處理組為對照組（CK）。每小區(qū)于翻地時一次性施入活性炭1.35 kg，每個處理3次重復。棉花種植采用雙行模式，雙行間距10 cm，株距10 cm，相鄰兩個雙行間距66 cm。棉花品種為‘新陸中49號’，采用田間管理模式。

1.2.2 樣品采集與測定

分別于現(xiàn)蕾期和吐絮期選取一定數(shù)量棉株測量株高。收獲期分3次全部采摘吐絮鈴，去除棉殼后曬干稱重，計算平均單鈴重，統(tǒng)計平均單株成鈴數(shù)，計算棉花產(chǎn)量，收獲密度按照12 000株/667 m2計算；棉花收獲后整株拔起，自然晾干稱量地上和地下生物量。

土壤養(yǎng)分：棉花收獲后，用環(huán)刀采集0～30 cm土層樣品，從上至下每10 cm為一層，記為上層、中層、下層。每個處理組于多個不同位置采樣。土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別采用擴散法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定。

土壤保水性能：采用烘干稱重法測定土壤含水率和保水率，并按（1）、（2）式計算。

其中，m2為環(huán)刀與濕土質(zhì)量，g；m1為環(huán)刀與干土質(zhì)量，g；m0為環(huán)刀質(zhì)量，g。

其中mi為第i次稱量時環(huán)刀與土質(zhì)量，g；m為采樣當天環(huán)刀與鮮土質(zhì)量，g；m0為環(huán)刀與干土質(zhì)量，g。

土壤容重和孔隙度：用紗布將取樣后的環(huán)刀底部包裹嚴實并置于盆中，加水至距環(huán)刀上邊緣3 cm，浸泡24 h，去除紗布并稱重，記為m1，g；環(huán)刀放在鋪有一層中性濾紙的沙土上，環(huán)刀上面用6 kg的砝碼壓實8 h后稱重，記為m2，g；將帶土環(huán)刀于105℃烘干至恒重，記為m3，g；環(huán)刀質(zhì)量為m0，g，體積為V，mL。土壤容重和孔隙度采用式（3）～（6）計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭對棉花生長影響

2.1.1 活性炭對棉花株高影響

為了研究活性炭對棉花生長的影響，分別于現(xiàn)蕾期和吐絮期測定棉花株高，結(jié)果如圖1所示。分析可知，NaOH體系（C1）、H3PO4體系（C2）、ZnCl2體系（C3），在現(xiàn)蕾期使棉花平均株高相對CK分別提高了-0.7%、5.7%和13.1%，在吐絮期分別提高了17.3%、24.9%和0.4%。可見C1在現(xiàn)蕾期對棉花生長具有抑制作用，在吐絮期具有促進作用；C2在棉花生育期均具有促進作用；C3由現(xiàn)蕾期的最強促進作用轉(zhuǎn)變?yōu)橥滦跗诘淖钊醮龠M作用。

圖1 活性炭對棉花株高影響

2.1.2 活性炭對棉花生物量和產(chǎn)量影響

為了進一步研究活性炭對棉花生長的影響，于棉花收獲后測定棉花生物量和產(chǎn)量，結(jié)果如表3所示。分析可知，地上生物量和地下生物量由大到小均為C1＞C2＞CK＞C3，可見C1和C2較CK地上生物量和地下生物量有所提高，雖然在現(xiàn)蕾期和吐絮期C3株高均高于CK，但其生物量低于CK，因為植株生物量除了與株高有關(guān)，還與莖粗有關(guān)。籽棉畝產(chǎn)量由大到小為C1＞C2＞CK＞C3，與植株生物量大小順序相同，C1、C2、C3較CK產(chǎn)量分別提高了18.5%、8.3%和-3.5%，可見C1籽棉畝產(chǎn)量提高最多，C3籽棉畝產(chǎn)量降低。

表3 活性炭對棉花生物量和產(chǎn)量影響

2.2 活性炭對土壤物理性質(zhì)影響

為了探討不同活化劑處理的活性炭對棉花生長影響的原因，研究了活性炭對土壤容重、含水率、保水性能、孔隙度等物理性能影響。

2.2.1 活性炭對土壤容重影響

土壤上層緊實可減少水分蒸發(fā)，中層疏松有利于棉花根系發(fā)育，促進養(yǎng)分吸收，下層緊實能降低水肥流失。當土壤容重為1.25～1.4 g/mL時最有利于棉花生長?；钚蕴繉ν寥廊葜赜绊懡Y(jié)果如圖2所示。分析可知，C1和C2土壤中層容重平均值小于上層和下層，有利于土壤保水保肥，C3和CK土壤容重上層最大，下層最小，水肥易流失，不利于棉花生長。C1、C2、C3和CK三層容重平均值分別為1.21 g/mL、1.17 g/mL、1.16 g/mL和1.14 g/mL，C1容重最接近1.25 g/mL?？梢奀1最有利于棉花生長。

圖2 活性炭對土壤容重的影響

2.2.2 活性炭對土壤含水率影響

活性炭對土壤上層、中層、下層及三層平均含水率影響結(jié)果如圖3所示。分析可知，活性炭增加了土壤含水率，C1、C2、C3平均含水率較CK分別增加了88.5%、77.0%和38.5%，即平均含水率由大到小為 C1＞C2＞C3＞CK，與土壤平均容重一致，這是因為活性炭的施入改變了土壤結(jié)構(gòu)，同時也是由于活性炭本身具有發(fā)達的孔隙所造成的［18］。另外C2、C3和CK上、中、下層含水率依次減小，這是因為下層土壤容重小導致水分流失引起的；C1三層含水率相差不大，與其上下緊實、中間疏松的土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖3 活性炭對土壤含水率的影響

2.2.3 活性炭對土壤保水性能影響

為了研究活性炭對土壤保水性能影響，試驗測定了上層土壤水分蒸發(fā)曲線，結(jié)果如圖4所示。分析可知，水分蒸發(fā)12 d時添加活性炭的處理組保水率均高于CK，活性炭的施入提高了土壤保水性能。

圖4 活性炭對土壤保水性能影響

對曲線進行擬合得到水分蒸發(fā)方程，結(jié)果如表4所示。分析可知，C1、C2、C3水分蒸發(fā)速度相對CK分別為0.946 9、0.943 8和0.963 1，可見C2蒸發(fā)速度最慢，C1次之，C3較快，與上層土壤含水率結(jié)果一致。

表4 活性炭施入后沙化土壤保水性能

2.2.4 活性炭對土壤孔隙度影響

孔隙度的大小關(guān)系到土壤的透水性，當土壤總孔隙度為45%～50%時最有利于棉花生長。圖5為活性炭對上層土壤孔隙度的影響。分析可知，各個處理總孔隙度均在45%～50%之間，毛管孔隙度和非毛管孔隙度由大到小分別為C2＞C3＞C1＞CK、CK＞C1＞C3＞C2。CK組非毛管孔隙度最大，含水率和容重最小，是因為非毛管孔隙度中含有的大孔孔隙多［18］，土壤過于疏松，水分通過大孔孔隙滲入地下，使得水肥流失，導致棉花產(chǎn)量相對較低；C2毛管與非毛管孔隙度二者比值最大，同時容重和含水率最高，是因為C2所用活性炭孔徑小，水分被束縛于孔隙中無法釋放，導致棉花產(chǎn)量不是最高。C3組總孔隙度最大，而容重和含水率較CK組稍高，但低于C1和C2，是因為C3組中大孔孔隙較多，但少于CK，使得水分流失；C1組中毛管孔隙度不是最大，含水率也不是最高，但其棉花產(chǎn)量最高，是因為該組所用活性炭孔徑相對C2和C3大，被活性炭吸附的水分容易脫附被棉花吸收利用。

圖5 活性炭對土壤孔隙度的影響

2.3 活性炭對土壤養(yǎng)分含量的影響

棉花采摘后，保水能力越高的土壤養(yǎng)分含量反而越低，土壤中的養(yǎng)分被作物利用率越高。為了深入探究活性炭對棉花生長影響，測定了棉花采摘后土壤的堿解氮、速效磷和速效鉀含量，結(jié)果如圖6所示。分析可知，CK堿解氮含量最高，其他3個處理組相差不大；速效磷和速效鉀含量C1最低，這是因為C1所用活性炭孔徑相對C2和C3大，被活性炭吸附的養(yǎng)分易脫附，同時C3和CK保水性能差，肥料易隨水分流失。另外C2速效磷含量最高，這是因為活性炭在水洗過程中孔隙中的磷酸根沒有完全釋放導致的。C1提高了棉花對養(yǎng)分的利用率，因此C1棉花產(chǎn)量最高。C3保水性能較CK高，但由于被活性炭吸附的養(yǎng)分不易釋放，導致其棉花產(chǎn)量低于CK。

圖6 活性炭對土壤養(yǎng)分含量的影響

3 結(jié)論

1）NaOH體系活性炭有利于棉花的生長和產(chǎn)量提高，對棉花起促進作用；ZnCl2體系活性炭不利于棉花的生長和產(chǎn)量提高，且作用效果低于對照組。

2）NaOH體系活性炭對土壤的容重為1.21 g/mL，H3PO4體系活性炭對土壤容重為1.17 g/mL，ZnCl2體系活性炭對土壤容重為1.16 g/mL。NaOH體系活性炭處理的土壤的容重最適合棉花生長的土壤容重（1.25～1.24 g/mL）。

3）不同處理組對土壤毛管孔隙度由大到小依次為H3PO4體系、ZnCl2體系、NaOH體系、對照組，對土壤非毛管孔隙度由大到小依次為對照組、NaOH體系、ZnCl2體系、H3PO4體系。綜上所述，NaOH體系活性炭處理的土壤孔隙度，最有利于棉花對水分和養(yǎng)分的吸收，最適宜棉花生長。