整合分析生物炭施用對土壤pH的影響

高靜， 徐明崗， 李然， 蔡澤江， 孫楠*， 張強(qiáng)， 鄭磊

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030800； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030031； 3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 4.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，山東 臨沭 276700）

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)[1]，土壤酸堿性是綜合反映土壤許多化學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)[2]，其不僅是土壤酸程度的量化表征，而且對土壤微生物活性、地表作物生長和養(yǎng)分有效性有著深刻的影響。土壤酸度的提高導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力和質(zhì)量的降低，制約植物的生長。因此，有效控制土壤酸化，對保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。生物炭是利用農(nóng)業(yè)廢棄物（如農(nóng)作物秸稈、木材和糞便等）在低氧或缺氧條件，經(jīng)高溫（＜700 ℃）熱解形成的一類高度芳香化的富含碳的物質(zhì)[4]，它具有較大的比表面積、豐富的孔結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)以及穩(wěn)定的特點(diǎn)，是一種新興的農(nóng)業(yè)土壤改良材料[4]，在碳匯、土壤改良和環(huán)境保護(hù)等方面有巨大的潛力[5-7]。生物炭施用能顯著提高土壤pH，增加陽離子交換能力、電導(dǎo)率和持水能力，改善土壤質(zhì)地等，對低產(chǎn)酸性土壤的改良作用明顯[8]。因此，生物炭在增強(qiáng)土壤肥力、提高土壤質(zhì)量和改善植物生長等方面具有重要意義。

近年來，關(guān)于生物炭施用對土壤酸堿度的影響已有大量研究。閻海濤等[9]通過長期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物炭施用可顯著提高土壤pH?；ɡ騕10]研究也發(fā)現(xiàn)，生物炭施用可以使土壤pH 提高1 個單位。徐秋桐等[11]發(fā)現(xiàn)，生物炭施用提高了土壤pH，且在酸性土壤中的作用比在石灰性土壤中更顯著。黃超等[12]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭施用于紅壤且施用量為10 和50 g·kg-1時，pH 增加0.11～0.40個單位。張祥等[13]研究發(fā)現(xiàn)，同種生物炭施入不同土壤中，對土壤酸堿度影響不同。陳心想等[14]研究表明，生物炭施用可顯著增加新積土糜子季土壤pH，但對塿土pH 提升不明顯。另外，生物炭對土壤酸堿度的影響與生物炭本身的性質(zhì)有關(guān)[15-17]。楊彩迪等[15]研究發(fā)現(xiàn)，不同類型生物炭施用對酸性土壤pH的提升效果不同，其中稻殼生物炭改良酸化效果最好，但改良效果隨時間降低。也有研究發(fā)現(xiàn)，稻殼炭、油菜秸稈炭和花生秸稈炭施用均可提高土壤pH，降低土壤交換性酸含量，且提升效果隨施用量的增加而增強(qiáng)[16]。由于生物炭特性、生物炭施用量、土壤質(zhì)地等的不同，導(dǎo)致其對土壤調(diào)酸效果不完全一致[17]。

對土壤調(diào)酸效果不僅與生物炭特性有關(guān)，還與土壤條件密切相關(guān)，生物炭改良土壤pH的效果也受到多種因素影響?；谝陨蠁栴}，本研究收集整理了我國開展的田間試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)，分析了不同制備條件下形成的具有不同特性的生物炭施用后土壤pH 的變化規(guī)律。采用數(shù)據(jù)整合分析(Meta-analysis)的方法，深入探究施用生物炭對土壤酸堿度的影響，以期為改善土壤質(zhì)量和培肥土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 文獻(xiàn)收集

本研究基于中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)和Web of Science 等國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫，以關(guān)鍵詞“生物炭”“Biochar”“土壤pH”和“土壤酸堿度”進(jìn)行檢索，收集截至2021年7月國內(nèi)外發(fā)表的關(guān)于生物炭對土壤pH 影響的文獻(xiàn)。對每篇文獻(xiàn)的標(biāo)題和摘要進(jìn)行評估，以確定它們是否包含本研究響應(yīng)變量的原始數(shù)據(jù)。篩選文獻(xiàn)的基本要求如下：①研究地區(qū)為中國且試驗(yàn)條件（如時間、地點(diǎn)、管理措施等）清楚；②研究的土層深度為0—20 cm；③試驗(yàn)類型分為大田試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)；④試驗(yàn)中至少包含1組生物炭施用和不施用的處理，且其他試驗(yàn)條件一致；⑤試驗(yàn)中每個處理至少3次重復(fù)?；谝陨虾Y選標(biāo)準(zhǔn)，收集有效文獻(xiàn)共59篇，有效數(shù)據(jù)413組。

1.2 數(shù)據(jù)庫建立與數(shù)據(jù)分類

對每篇文獻(xiàn)中土壤pH的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，包括對照和處理的均值、標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，SD）或標(biāo)準(zhǔn)誤（standard error，SE）、樣本大?。╪）。在文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤給出的情況下，需要根據(jù)以下公式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)差。

從所得的有效文獻(xiàn)中逐一提取信息，利用Excel 軟件建立生物炭與土壤pH 關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，主要包括文獻(xiàn)基本信息（第一作者、題目），試驗(yàn)點(diǎn)性質(zhì)及基礎(chǔ)信息（試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)時間、土壤酸堿度、土壤速效養(yǎng)分等），生物炭基本性質(zhì)（生物炭類型、制備溫度、施用量及pH、全氮、有機(jī)碳含量等）。在建庫過程中，對于以表格形式表示的數(shù)據(jù)，直接提??；對于以圖形式表示的數(shù)據(jù)，用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件將其數(shù)字化后再進(jìn)行記錄。所有數(shù)據(jù)在后續(xù)分析前均需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將生物炭施用量的單位統(tǒng)一為t·hm-2。其中，如果是盆栽試驗(yàn)，以每667 m2耕層土壤15萬kg來進(jìn)行單位換算[18]。針對土壤pH，如果給出的數(shù)據(jù)是用CaCl2溶液方法進(jìn)行測定的，則需要根據(jù)公式（2）將其轉(zhuǎn)化為用水測定的pH[19]。

根據(jù)收集文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中的土壤類型及生物炭特性進(jìn)行數(shù)據(jù)分組。根據(jù)《中國土壤》[20]對土壤酸堿度進(jìn)行分類：極強(qiáng)酸性土壤（pH≤4.5）；強(qiáng)酸性土壤（4.5＜pH≤5.5）；酸性土壤（5.5＜pH≤6.5）；中性土壤（6.5＜pH≤7.5）；堿性土壤（pH＞7.5）。根據(jù)生物炭原材料將生物炭類型大致分為3 類：秸稈類（小麥秸稈、玉米秸稈和油菜秸稈等）、木材類（剪枝、木材和樹皮等）、殼渣類（花生殼、甘蔗渣和稻殼等）。關(guān)于生物炭的熱解溫度，如果文獻(xiàn)所給的是溫度區(qū)間，則以其平均值進(jìn)行歸類。將熱解溫度分為4個區(qū)間：低溫（≤400 ℃）、中溫（401～500 ℃）、中高溫（501～600 ℃）、高溫（＞600 ℃）。將生物炭的pH 分為7≤pH＜8、8≤pH＜10 和pH≥10 共3 組。生物炭（biochar，B）施用量可分為4 類：B＜10 t·hm-2；10≤B＜40 t·hm-2；40≤B＜80 t·hm-2；B≥80 t·hm-2。生物炭施用時間分為3 個水平：＜0.25 年、0.25～1 年、≥1年。

1.3 數(shù)據(jù)分析

Meta 分析是一種將多項(xiàng)研究結(jié)果進(jìn)行定量合成分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可對不同影響因素的綜合效應(yīng)進(jìn)行定量分析，綜合探討結(jié)果之間的關(guān)系，明確各影響因素的相對貢獻(xiàn)大小，為科研、應(yīng)用等提供理論依據(jù)[21]。本研究采用整合分析的方法，比較施用生物炭對土壤pH 影響的效應(yīng)大小。因此需要引入效應(yīng)值指標(biāo)量化試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本研究中，土壤pH 利用自然對數(shù)的響應(yīng)比（response ratios，RR）作為效應(yīng)值，并計(jì)算95%置信區(qū)間（95% confidence interval，95%CI）。如果納入的研究結(jié)果之間沒有異質(zhì)性，即P≥0.1、I2＜50%，選用固定效應(yīng)模型（fixed effect model，F(xiàn)EM），反之則用隨機(jī)效應(yīng)模型（random effect model，REM）[22]。因此，本研究采用隨機(jī)模型計(jì)算95%置信度下的置信區(qū)間、加權(quán)平均差和相關(guān)方差，以減少異質(zhì)性的影響。其中，lnRR可通過公式（3）進(jìn)行計(jì)算[23]。

式中，B代表處理組即生物炭施用后土壤pH的平均值；CK代表對照組即不施加生物炭的土壤pH 的平均值。此外，平均值的變異系數(shù)（variance，V）、權(quán)重（weighted factor,Wij）、權(quán)重響應(yīng)比（weighted response ration，RR++）、RR++的標(biāo)準(zhǔn)誤（S）以及其95%CI可按如下公式計(jì)算[24]。

式（4）中，和分別代表處理組（施用生物炭）和對照組（不施用生物炭）的標(biāo)準(zhǔn)差；nB和nCK分別表示處理組和對照組的樣本數(shù)。效應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)差越小，分配的權(quán)重越大，權(quán)重響應(yīng)比（處理相對于對照增減的百分?jǐn)?shù)）及其95%CI可以通過(eRR++-1)×100%來轉(zhuǎn)化。若95%的置信區(qū)間包含零值，表明施用生物炭對土壤pH 無顯著影響（P＞0.05）[25]；若95%CI大于零，則表明施用生物炭能顯著提高土壤pH（P＜0.05）；若95%CI小于零，則表明施用生物炭能顯著降低土壤pH（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH變化響應(yīng)比的整體分布

如圖1 所示，運(yùn)用SPSS 26.0 軟件對施用生物炭土壤pH變化數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，柱形圖代表了土壤pH變化響應(yīng)比的頻數(shù)分布，擬合曲線呈顯著正態(tài)分布（P＜0.05），檢驗(yàn)結(jié)果符合整合分析要求。

圖1 生物炭施用后土壤pH變化的響應(yīng)比Fig. 1 Response ratio of soil pH change with biochar application

2.2 施用生物炭對強(qiáng)酸性土壤pH增幅最大

由圖2 可知，在不同酸堿度的土壤中施用生物炭，土壤的pH 顯著提高（P＜0.05）。其中，在強(qiáng)酸性土壤(4.5＜pH≤5.5)中施用生物炭，土壤pH 的增幅（15.17%）顯著高于中性土壤（6.5＜pH≤7.5）與堿性土壤（pH＞7.5）（P=0.001），而在極強(qiáng)酸性土壤（pH≤4.5）中施用生物炭，土壤pH 的增幅為9.68%，僅次于強(qiáng)酸性土壤，但其提高土壤pH 的效果也顯著優(yōu)于中性（4.46%）與堿性土壤（2.48%）（P=0.001）。因此，在強(qiáng)酸性或酸性土壤中施用生物炭提高土壤pH的效果更佳。

圖2 不同酸堿度土壤施用生物炭對土壤pH的權(quán)重響應(yīng)比Fig. 2 Weighted response ratio of biochar application to soil pH under different pH

2.3 生物炭特性對土壤pH的影響

2.3.1 不同原料制備的生物炭對土壤pH 的影響 由圖3可知，不同原料制備的生物炭施入土壤對土壤pH 的提升效果有所差異（P＜0.05）。其中，秸稈類生物炭提高土壤pH的幅度達(dá)到10.04%，顯著高于其他類型原料制備的生物炭（P=0.007）。殼渣類和木材類(主要包括木材、樹皮、剪枝和木屑等)生物炭對土壤pH 的增幅也比較高，分別為7.02%和6.61%，但兩者差異不顯著。

圖3 施用不同原料制備的生物炭對土壤pH的權(quán)重響應(yīng)比Fig. 3 Weighted response ratio of biochar prepared with different raw materials to soil pH

2.3.2 不同熱解溫度生物炭對土壤pH 的影響由圖4 可以看出，當(dāng)熱解溫度低于600 ℃時，施用生物炭可顯著提升土壤pH，其提高土壤pH 的增幅效應(yīng)值依次為低溫（T≤400 ℃）15.26%、中溫（400＜T≤500 ℃）7.52%和中高溫（500＜T≤600 ℃）6.10%。而當(dāng)熱解溫度在400～700 ℃時，隨著熱解溫度的不斷升高，其對土壤pH的增幅效應(yīng)逐漸降低。當(dāng)生物炭熱解溫度高于600 ℃時，施用此生物炭對土壤pH 無顯著提升效果。說明低溫?zé)峤馍锾繉ν寥纏H的提升效果最好。

圖4 施用不同熱解溫度范圍下的生物炭對土壤pH的權(quán)重響應(yīng)比Fig. 4 Weighted response ratio of biochar to soil pH under different pyrolysis temperature ranges

2.3.3 不同pH 生物炭對土壤pH 的影響 如圖5所示，施用生物炭均能顯著提高土壤pH。其中，pH 在7～8的生物炭對土壤pH 的增幅為4.87%，相比于其他pH 水平生物炭而言，提高土壤pH 的幅度較小，當(dāng)生物炭pH 范圍為8＜pH≤10 和pH＞10時，土壤pH 的增幅分別是5.49%和13.34%，生物炭pH＞10 時其增幅效應(yīng)最顯著。說明高pH 生物炭對土壤pH的提升效果最好。

圖5 施用不同pH的生物炭對土壤pH的權(quán)重響應(yīng)比Fig. 5 Weighted response ratio of biochar with different pH values to soil pH

2.4 不同用量生物炭對土壤pH的影響

由圖6可知，隨著生物炭施用量（B）增加，其對土壤pH的提升效果也逐漸增加。其中，高施用量（B＞80.0 t·hm-2）（19.49%）對土壤pH的提升幅度是低施用量（B＜10.0 t·hm-2）（4.16%）的4.6 倍。當(dāng)生物炭施用量為10≤B＜40 t·hm-2和40≤B＜80 t·hm-2時，生物炭對于土壤pH 的提升幅度分別為5.46%和9.11%。因此，施用生物炭均能達(dá)到改善土壤pH的效果，高用量生物炭對土壤pH的提升效果更好。

圖6 生物炭施用量對土壤pH的權(quán)重響應(yīng)比Fig. 6 Weight response ratio of biochar application rate to soil pH

2.5 生物炭施用時間對土壤pH的影響

施用生物炭對土壤pH 影響的效應(yīng)大小會隨著施用時間的延長而變化（圖7）。施用生物炭0.25 年內(nèi)，增幅效果最高，為11.46%，而生物炭施用時間在 0.25～1 年時，其增幅效應(yīng)逐漸減緩，且低于平均增幅（8.79%），降至5.35%。當(dāng)生物炭施用時間＞1年時，其增幅為7.50%，但仍小于施用生物炭0.25年的效果。說明短期施用生物炭對土壤pH提升效果最好。

圖7 生物炭施用時間對土壤pH的權(quán)重響應(yīng)比Fig. 7 Weighted response ratio of biochar application time to soil pH

注： 括號內(nèi)數(shù)值分別為土壤pH的增幅百分?jǐn)?shù)和樣本量。
Note： Values in brackets show the percentage increased in soil pH and sample size， respectively.

2.6 土壤pH與其各影響因素的相關(guān)性分析

回歸分析結(jié)果（圖8）顯示，土壤pH 的變化量與生物炭pH 和生物炭施用量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）;而土壤pH 變化量與土壤pH 呈極顯著負(fù)相關(guān)。就生物炭熱解溫度來說，在生物炭熱解溫度為300～400 ℃時，土壤pH 的變化量隨著生物炭熱解溫度的升高而顯著增加，但在生物炭熱解溫度為400～700 ℃時，土壤pH 的變化量隨著生物炭熱解溫度的升高而逐漸降低。在生物炭施用量＜50 t·hm-2或者生物炭pH＞10 或者土壤pH 在4～5 時，土壤pH 的提升效果相對不穩(wěn)定，變化幅度較大。總體上來說，在強(qiáng)酸性土壤中，擁有較高灰分含量的秸稈類生物炭以及堿性生物炭在低溫裂解的情況下對土壤pH的提升效果更好。

圖8 土壤pH的變化量與土壤pH、生物炭pH、生物炭熱解溫度和生物炭施用量的關(guān)系Fig. 8 Relationship between soil pH change and soil pH， biochar pH， biochar pyrolysis temperature and biochar pplication amount

3 討論

土壤酸度作為土壤重要屬性之一，如果發(fā)生酸化則伴隨著鹽基離子的不斷淋失[26]，會影響作物生長及養(yǎng)分有效性。生物炭能夠改善土壤酸度，原因在于土壤中被吸附的氫離子和交換性鋁與生物炭灰分中的鹽基離子發(fā)生陽離子交換反應(yīng)，導(dǎo)致鋁離子進(jìn)入溶液，生物炭表面存在的堿性基團(tuán)（-COO-、-O-、-OH 等）及本身的堿性能夠吸收并中和土壤溶液中的H+[8]，促使鋁離子發(fā)生水解轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基鋁或者是氫氧化鋁沉淀，從而降低了交換性鋁的含量[27]，進(jìn)而降低了交換性酸，在提高土壤酸度緩沖容量的同時，釋放出大量交換性鹽基離子進(jìn)入土壤溶液中。從而改良土壤酸度。除堿性基團(tuán)中和外，生物炭中快速釋放的可溶性有機(jī)組分，也會與鋁離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，促進(jìn)交換性鋁向有機(jī)絡(luò)合態(tài)鋁轉(zhuǎn)化，降低交換性酸含量。此外，施加生物炭會改變土壤中氮素的轉(zhuǎn)化和質(zhì)子消長過程，從而影響土壤pH。研究表明，施加生物炭可以顯著加快土壤有機(jī)氮的礦化，而且銨根離子礦化的實(shí)質(zhì)就是質(zhì)子消耗的過程，從而導(dǎo)致土壤pH 升高[28]。同時，由于生物炭較大的比表面積，能夠吸附土壤中的NH+4，從而減少土壤中可利用的NH+4并抑制硝化作用，而土壤中的硝化作用是質(zhì)子釋放過程，因此生物炭可有效減緩?fù)寥纏H的下降[29]。

3.1 土壤pH對施用生物炭的響應(yīng)

本研究結(jié)果表明，生物炭應(yīng)用于強(qiáng)酸性土壤中，提升土壤pH 的效果更好，提高幅度達(dá)15.17%；施用生物炭對pH＜4.5的土壤即極強(qiáng)酸性土壤的pH 提高幅度較小，這與王義祥等[30]的研究結(jié)果一致。這可能與土壤緩沖體系有較大關(guān)系，當(dāng)土壤pH＜4.5 時，進(jìn)行鋁緩沖體系作用，土壤pH改變1 個單位需要的堿量較強(qiáng)酸性或酸性土壤多；此外，生物炭釋放出堿的同時，鹽基離子與交換性酸發(fā)生交換反應(yīng)，在一定程度上對生物炭的酸度調(diào)節(jié)能力有減緩作用。生物炭的酸度調(diào)節(jié)能力會因交換反應(yīng)而消弱，所以其提高土壤pH的幅度相對后者較差[31]。也有可能是土壤酸度越強(qiáng)、pH 越低，H+含量就呈指數(shù)型增加，土壤中活性酸的含量也就越高，當(dāng)生物炭施入土壤中，土壤的抵御能力也就越強(qiáng)，土壤H+濃度降低就越緩慢[32]。因此生物炭施入到強(qiáng)酸性(4.5＜pH≤5.5)土壤中的改酸效果最好。

3.2 土壤pH對生物炭特性的響應(yīng)

不同原料制備的生物炭，其本身性質(zhì)存在較大的差異[33]。本研究發(fā)現(xiàn),不同類型原材料制備的生物炭均能提升土壤pH，除秸稈類原材料制備的生物炭的增幅效應(yīng)(10.04%)高于平均增幅(8.76%)外，木材類和殼渣類原材料制備的生物炭的增幅效應(yīng)均低于平均水平。這與前人[34-35]的研究結(jié)果一致。有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈類生物炭和木材類生物炭的灰分含量均值分別為18.3%和4.1%，木材類生物炭僅為秸稈類生物炭的1/4左右[33]，這也很好的印證了本研究結(jié)果。但楊彩迪等[15]研究表明，稻殼生物炭改良酸性土壤效果最好。與本研究結(jié)果不同的原因可能是稻殼的有機(jī)磷和有機(jī)氮含量較高，且其受到試驗(yàn)條件（氣候、作物、根系分泌物、生物炭施用量等）的影響較大。因此，以秸稈為原料制備的生物炭在改善土壤pH 方面作用較大，具有良好的應(yīng)用前景。

生物質(zhì)在不同溫度下熱分解產(chǎn)生的生物炭的性質(zhì)和特征有所不同。本研究中，熱解溫度低于400 ℃的生物炭施用于土壤中，土壤pH 提升15.26%，但隨著熱解溫度的升高，生物炭對土壤pH的提升效果逐漸減弱。這可能是因?yàn)樯锾扛纳扑嵝酝寥赖挠行圆粌H取決于生物炭本身的酸堿度，還與生物炭中的碳酸鹽和有機(jī)酸根（-COO-）有關(guān)。碳酸鹽含量隨著生物炭熱解溫度的升高而增多，有機(jī)酸根含量卻在低溫?zé)峤鈺r較多[36]。中間溫度熱解產(chǎn)生的生物炭也可能是酸性土壤較好的改良劑[37]。此外，隨著制備溫度的升高，生物炭表面極性官能團(tuán)逐漸裂解消失，形成穩(wěn)定性更高的非極性結(jié)構(gòu)，從而使H/C、O/C下降，生物炭穩(wěn)定性越來越強(qiáng)[38]。雖然大多數(shù)生物炭的pH 隨著熱解溫度升高而升高，無機(jī)元素也會不斷的富集，但在高溫條件下，無機(jī)元素會在生物炭中形成穩(wěn)定性更強(qiáng)、難溶解的礦物晶體[39-40]。不同的物料制成的生物炭的pH 隨熱解溫度的上升而呈現(xiàn)不同的變化趨勢，秸稈類生物炭在較低熱解溫度下，尤其是在300～350 ℃的范圍，其化學(xué)反應(yīng)是最劇烈的，pH的增速也是最快的，此后，生物炭pH 增速隨熱解溫度的升高而逐漸放緩，變化幅度較小[41]。當(dāng)熱解溫度升高至超過500 ℃時，生物炭表面的羥基含量減少，酚羥基和羧基也會隨熱解溫度的升高逐漸減弱，甚至消失[42-43]。也可能是因?yàn)閿?shù)據(jù)庫中大多都是秸稈類生物炭且熱解溫度大多數(shù)在300～400 ℃，成本低，效率高，而且施用量較大。而熱解溫度高的大部分是木材和殼渣類生物炭，成本高，效率低，它們本身的pH比秸稈類小，而且施用量較小，所以導(dǎo)致其增幅效應(yīng)逐漸降低。因此，低溫制備的生物炭因其含有碳酸根、有機(jī)酸根和羥基等，比較適合作為土壤改良劑，增加土壤肥力[44]。故選用熱解溫度低于400 ℃的秸稈類生物炭改良土壤pH的效果最合適。

本研究中生物炭的pH 越高，其對土壤pH 的增幅越大，這主要是因?yàn)樯锾康膒H 大多呈堿性，生物炭原料中的灰分含量越高，制備的生物炭pH 越高[45]。其灰分中包含較多的鹽基離子如Ca2+、Mg2+、Na+等，溶于水后顯著提高土壤交換性鹽基數(shù)量和鹽基飽和度，從而提高土壤pH[46]。

3.3 土壤pH對人為管理措施的響應(yīng)

本研究在土壤中施用生物炭均不同程度地提高了土壤pH，且這種增加效應(yīng)隨著生物炭添加量的增大而越來越明顯，這與以往的大量研究結(jié)果一致[47-48]。王義祥等[30]通過盆栽試驗(yàn)探討了施加生物炭對強(qiáng)酸性土壤的改良效果，發(fā)現(xiàn)隨著生物炭施用量的增加茶園土壤酸度的改良效果也增加。張文鋒等[49]在江西旱地紅壤中施入758 和1 515 kg·hm-2小麥秸稈生物質(zhì)，土壤pH 分別提升了2%～13%和8%～12%。由此可見，高施用量（＞80.0 t·hm-2）提升土壤pH 的幅度最大，但是具體生物炭施用量對土壤pH 的增幅效應(yīng)還需進(jìn)一步探討。

生物炭是穩(wěn)定的，但其中的可溶性成分在土壤中會較快釋放出來。本研究表明，土壤pH的增幅效應(yīng)在0～0.25 年期間達(dá)到峰值(11.46%)，而在1年以上雖有明顯效果，但其值下降到7.50%?？赡苁且?yàn)樯锾康臒岱€(wěn)定性，生物炭在進(jìn)入土壤的初始階段其可溶性成分會較快釋放，但之后很難被微生物分解，并能長期吸附在土壤中，因此在施用生物炭后持續(xù)改善土壤理化性狀的作用可觀[22]。與此同時，隨著時間的推移，植物在生長過程中也會吸收可溶性成分，從而降低生物炭含量，降低鹽基飽和度，使增效降低。從相關(guān)關(guān)系可以看出，土壤pH 的提升幅度與土壤、生物炭的多個特性之間的相關(guān)關(guān)系雖然達(dá)到了顯著或極顯著的水平，但由于各點(diǎn)都比較分散，說明土壤pH 的變化是由諸多因素共同影響造成的。因此，未來有必要加強(qiáng)對影響因素之間交互作用的研究。