2020, Vol. 41
土壤酸化是近年来土壤退化的一种重要形式, 与土壤本身性质和人类活动等外部条件密切相关.土壤酸化直接影响土壤的物理、化学和生物特征, 不仅破坏土壤正常团粒结构, 造成土壤板结和养分流失, 而且活化有毒重金属, 抑制微生物活性, 从而影响作物生产, 严重制约农业的可持续发展[1~3].生物炭是生物质在无氧或限氧条件下热解形成的富碳固体物质, 具有弱碱性、多孔、高稳定性和阳离子交换量较高等特点, 施入土壤后可以提高酸性土壤pH, 增加阳离子交换量, 同时提高有效养分含量[4, 5].王义祥等[6]的研究发现生物炭和石灰处理均可显著提高茶园土壤pH值和盐基饱和度, 且生物炭的改良效果优于石灰.董颖[7]的研究发现不同地区的油菜秸秆生物质炭均可提高红壤pH和交换性盐基含量, 降低交换性酸含量, 且改良效果随生物炭制备温度和添加量的增加而提高.生物炭本身含有大量高效的磷素养分可以直接提高土壤磷素有效性, pH的提高也可以促进土壤中固定磷的释放, 同时生物炭还通过影响磷的吸附解吸来改变磷的形态和有效性[8, 9].靖彦等[10]的研究表明, 添加小麦秸秆生物炭后土壤pH和有效磷含量在油菜各生育期均有所提高, 且二者显著相关.Zhai等[11]通过研究玉米秸秆生物炭对酸性红壤和碱性潮土中磷有效性的影响, 发现土壤有效磷和微生物量磷含量随生物炭添加量的增加而增加.洪灿[12]的研究发现, 老成土中施用生物炭使Al-P和Ca-P含量分别增加8.34%和3.94%, 而在淋溶土中二者分别增加11.02%和3.81%.除此之外, 生物炭在改良土壤结构、固碳减排、污染修复等方面也具有非常重要的作用[13~15].
目前国内外对于生物炭改良土壤的研究集中于对土壤养分的分别研究, 且多为室内模拟试验, 对不同原料生物炭影响酸性土壤理化性质和作物产量的长期动态综合研究相对较少, 特别是在大田试验的多因素条件下.本文选取水稻土为研究对象、5种不同原料的生物炭为改良剂, 于2017年4月将生物炭施入农田进行长期定点试验, 对水稻-油菜-玉米三季作物收割后土壤的理化性质和作物产量进行综合动态分析.通过获得生物炭对酸性土壤影响的动态变化规律, 以期为阻控农田土壤酸化、提高养分利用率和增加作物产量等农业生产提供一定的理论指导.
1 材料与方法 1.1 试验材料试验田位于浙江省温州市雁荡镇(N28°20′, E121°7′), 属于河谷冲积物发育的水稻土.生物炭购买于商业生物炭公司, 将水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、稻壳和竹子5种有机物料分别置于550℃反应器中热解3 h, 分别制得水稻秸秆生物炭(RSB)、玉米秸秆生物炭(MSB)、小麦秸秆生物炭(WSB)、稻壳生物炭(RHB)和竹炭(BCB).试验基地土壤和生物炭的基本性质如表 1所示.试验基地黏粒(< 0.002 mm)、粉粒(0.002~0.02 mm)和砂粒(0.25~2 mm)占土壤的质量分数分别为21.24%、59.24%和19.52%.
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表 1 不同原料生物炭及供试土壤的基本性质 Table 1 Basic properties of different biochars and soils tested |
1.2 样地设置与样品处理
2017年4月采用翻施的方式将5种生物炭按0.1%的质量分数添加(土壤容重为1.13 g·cm-2, 按耕层20 cm计算施用量为2.25×104 kg·hm-2)均匀施入土壤耕层(0~20 cm), 每个小区面积16 m2(4 m×4 m), 小区间以0.3 m宽的田埂隔开.以不施生物炭为对照, 共6种处理, 每种处理重复3次. 2017年5月起进行水稻-油菜-玉米三季作物轮作, 各小区田间管理与农民习惯施肥处理一致(表 2).本试验开始前和每季作物收获后在各小区内采用“S形采样法”采集耕层土壤样品, 收割水稻、油菜和玉米籽粒后计算产量.
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表 2 水稻-油菜-玉米三季作物轮作的施肥与生长状况 Table 2 Fertilization management and growth status of rice-rapeseed-corn crop rotation |
1.3 样品测定指标与方法
土壤室温下风干, 研磨过2 mm和0.15 mm筛备用, 测定土壤酸度、交换性能和磷素养分指标.土壤酸度指标：pH值以1：2.5土水比使用pH计(Metler Toledo, 下同)测定；交换性酸使用KCl提取、NaOH滴定法测定.土壤阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵交换法测定, 盐基阳离子采用原子吸收法(交换性Ca2+和Mg2+)和火焰光度法(交换性K+和Na+)分别测定.有机质采用K2Cr2O7氧化-外加热法测定；分别采用Olsen法(NaHCO3提取)和Bray 1法(HCl+NH4F提取)提取土壤有效磷、NaOH熔融法提取总磷, 钼锑抗比色法测定[16].采用Hedley等[17]改进的方法测定无机磷, NH4Cl-NH4F (pH=8.2)提取铝磷, NaOH提取铁磷, H2SO4提取钙磷, 钼锑钪比色法测定.生物炭pH以1：20的比例使用pH计测定.总有机碳采用K2Cr2O7氧化法测定.Olsen-P用NaHCO3提取、全磷采用HClO4-HF溶液消化样品, 钼锑抗比色法测定[16].用元素分析仪测定元素组成.每个指标重复3次, 求平均值.
1.4 数据处理采用Excel 2010进行数据整理和绘图, 采用SPSS16.0进行统计分析, 利用Duncan多重比较进行多组处理间差异显著性检验分析(P=0.05).
2 结果与分析 2.1 不同原料生物炭对土壤酸度的影响从图 1可以看出, 不同原料生物炭对土壤pH均有不同程度提高, 而交换性酸则相反.三季作物收割后土壤pH以RHB、RSB和RHB处理较好, 较对照分别提高0.79、0.59和0.58个单位；RHB、BCB和RHB处理下交换性酸分别较对照降低72.8%、50.6%和58.2%.土壤pH随时间降低, 表明生物炭的作用效果随时间下降.交换性酸含量的变化反映了相同的规律.不同原料生物炭均能有效改良土壤酸化, 以稻壳生物炭降低土壤酸性的效果最好.
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A:水稻收割后的土壤, B:油菜收割后的土壤, C:玉米收割后的土壤；相同小写字母表示不同处理间无显著差异(P>0.05), 不同小写字母表示处理间存在显著差异(P < 0.05), 下同 图 1 不同原料生物炭对土壤酸度的影响 Fig. 1 Effects of different biochars on soil acidity |
表 3是不同原料生物炭对土壤交换性能的影响, 结果表明不同原料生物炭能有效提高土壤CEC, 三季土壤在最优处理RHB下较对照分别显著提高16.6%、15.1%和21.9%；各处理ECEC含量均显著高于对照, 介于3~6 cmol·kg-1, 三季土壤的RHB处理分别较对照提高64.4%、82.1%和162.9%.各交换性盐基离子关系为Ca2+>Mg2+>K+>Na+, Ca2+占60%~80%.不同处理均提高交换性Ca2+含量, 随时间显著增强, 油菜和玉米收割后的土壤提高显著；交换性Mg2+的变化与Ca2+基本相同, 三季土壤在RHB处理下分别较对照提高120.8%、99.6%和189.8%, 总体趋势减小；交换性K+在BCB处理下分别较对照提高141.6%、57.6%和168.8%, 显著性降低；交换性Na+含量整体降低, 各处理间差异不显著.总体来看, 生物炭能有效提高土壤CEC和ECEC, 其中交换性K+、Ca2+和Mg2+含量增加, Na+含量降低, 稻壳生物炭提高土壤交换性能的效果最好.
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表 3 不同原料生物炭对土壤交换性能的影响/cmol·kg-1 Table 3 Effects of different biochars on soil exchange performance/cmol·kg-1 |
2.3 不同原料生物炭对土壤养分的影响 2.3.1 不同原料生物炭对土壤有机质、速效磷和总磷的影响
从图 2可以看出, 不同原料生物炭均可提高土壤有机质含量, 其中MSB、RHB和BCB处理在3季作物土壤中效果均为显著.Olsen-P含量随时间增加, 三季土壤在RHB处理下分别较对照显著提高119.0%、96.1%和52.2%.Bray 1-P含量变化与Olsen-P变化基本一致, 不同处理关系为RHB>RSB>WSB>BCB>MSB, 三季土壤在最优处理RHB下分别较对照显著提高171.6%、110.0%和172.2%.土壤总磷含量为0.54~1.01g·kg-1, 三季土壤在最优处理BCB、RHB和RHB下分别较对照显著提高50.7%、45.7%和25.5%.整体来看, 稻壳生物炭在长期的土壤改良中对提高有机质和磷素养分效果最好.
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图 2 不同原料生物炭对土壤有机质、速效磷和总磷的影响 Fig. 2 Effects of different biochars on soil organic matter, available P, and total P |
从图 3可以看出, 三季土壤的Al-P和Fe-P含量随时间增加, Ca-P则相反, 其中Al-P是无机磷的主要成分, 含量为79.5~311.5mg·kg-1；Fe-P含量次之, 为38.9~188.8mg·kg-1；Ca-P含量最低, 为48.5~90.5mg·kg-1, 不同处理间差异不大.三季土壤的Al-P在最优处理RSB、RHB和RHB下分别较对照提高52.1%、139.8%和120.4%；Fe-P在最优处理RHB下分别提高91.8%、27.3%和50.8%；Ca-P含量随时间略有降低, 但显著性增强.生物炭对无机磷的影响主要表现为Al-P和Fe-P含量的增加, 稻壳生物炭对提高二者含量的综合效果最好.
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图 3 不同原料生物炭对土壤无机磷的影响 Fig. 3 Effects of different biochars on soil inorganic phosphorus |
轮作水稻、油菜和玉米三季作物产量如图 4所示.添加不同生物炭后, 三季作物产量较对照均有增加.不同处理对水稻增产效果为RHB>WSB>MSB>RSB>BCB, 分别较对照显著提高13.3%、10.8%、10.1%、7.7%和6.3%；RHB和RSB处理对油菜籽粒产量分别显著提高83.0%和59.9%, 其余处理增产不显著；对玉米的增产效果与水稻基本一致, 为RHB>WSB>RSB>MSB>BCB, 分别较对照显著提高57.8%、36.6%、32.6%、27.0%和5.3%.整体来看, 稻壳生物炭对三季作物增产效果最优, 这与上述其对土壤酸度、交换性能和磷素养分的改良效果一致.
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图 4 添加不同原料生物炭对大田作物产量的影响 Fig. 4 Effects of different biochars on crop yields in field |
土壤酸化实质是H+增加、Al3+水解和盐基阳离子减少的过程, 因此增加盐基离子是改良酸性土壤的有效途径之一[2].研究区土壤初始pH为4.78, 有机质、交换性盐基和黏土矿物是影响pH的主要缓冲物质[18].生物炭弱碱性、高养分的特点可以直接提高土壤pH, 补充淋失的盐基离子, 提高土壤CEC[4].虽然三季土壤pH随时间降低, 但加入生物炭后pH均显著高于当季对照, 同时交换性酸显著降低, 且随时间显著性增强.土壤pH随时间降低是因为在种植水稻的淹水条件下, 硝化作用较弱, 硝酸盐淋溶较少, 释放质子较少；而在种植油菜和玉米的旱地条件下, 硝化作用产生硝酸盐随土壤淋溶, 质子含量增加[19].整体来看, 稻壳生物炭改良酸性土壤效果最好, 这与其pH最低不一致, 但与有效磷、总磷和总氮含量较高相一致, 原因是生物炭改良土壤不仅由生物炭本身性质决定, 还与大田试验的多因素(气候、作物、根系分泌物等)有关；生物炭可以显著提高土壤有机质和交换性盐基含量, 进而提高养分的有效性, 促进土壤生物多样性及生产力[4]；该地土壤黏粒含量较高, 对改良土壤酸性起到重要作用.三季土壤的CEC均在RHB处理下效果最优, 各盐基阳离子的关系为Ca2+>Mg2+>K+>Na+, 生物炭可以提高交换性K+、Ca2+和Mg2+含量, 降低Na+含量, 这与已有研究结果一致, 原因是二价离子与土壤胶体结合更为紧密, 因此交换性Ca2+和Mg2+更易在团聚体中积累[20]；同时, 生物炭含有的羟基、羧基和苯环等官能团可以增加对阳离子的吸附[21].交换性盐基离子组成的差异是成土母质、生物物质循环及淋溶等综合作用的结果.土壤交换性Ca2+和Mg2+含量与pH呈正相关关系；交换性K+受成土母质中速效钾影响较大；Na+极易受到淋溶[22].总之, 生物炭对酸性土壤具有重要的修复效应, 但因生物炭材料及组成不同, 改良效果也有所差异.
生物炭本身含有的N、P、K、Ca、Mg和S等营养元素可以直接提高土壤养分[4]. 5种生物炭含碳量为40.35%~70.44%, 能显著提高土壤有机质含量.不同生物炭对磷素养分有效性作用效果不同, 3种土壤的有效磷均在RHB处理下效果最优.生物炭提高土壤有效磷有3个原因：①生物炭含有的有效磷直接为土壤提供磷素养分[4]；②生物炭改良土壤酸性条件, 促进含磷矿物的转化, 释放磷素养分[23]；③生物炭与土壤作用促进生物炭自身含磷矿物的有效化.土壤总磷含量随时间逐渐增加, 稻壳生物炭效果最好, 这与稻壳生物炭的总磷含量最高一致.土壤无机磷含量为Al-P>Fe-P>Ca-P, 生物炭对不同无机磷的影响差异较大, 稻壳生物炭对提高Al-P和Fe-P的综合效果最好, 这是因为pH、Eh等环境条件改变会影响铁、铝等金属与磷的结合状态, 促进沉淀物磷的释放, OH-对吸附态铁磷具有解吸作用, 从而使Fe-P含量明显升高[24]；另外, 生物炭还可以通过促进微生物繁殖、提高土壤磷酸酶活性等途径活化土壤中的磷素[23].生物炭不仅对土壤改良有较大的作用, 同时对作物的生长发育有较大的影响. 5种生物炭中稻壳生物炭对3种作物的增产效果最好, 这与稻壳生物炭对土壤理化性质的改良效果一致.这是因为生物炭不但可以补充土壤养分, 还可以优化土壤团粒结构, 有效截留水分和养分, 提高土壤肥力[25].土壤性质的改良对农业生产具有积极影响, 有效促进作物产量和作物品质的提升.
4 结论(1) 不同生物炭可以不同程度地提高酸性土壤pH和CEC, 降低交换性酸, 增强土壤交换性能, 但作用效果随时间降低.生物炭可使土壤交换性K+、Ca2+和Mg2+含量增加, Na+含量减小, 其中稻壳生物炭改良酸化效果最好.
(2) 添加生物炭可以增加土壤有机质、速效磷和总磷含量.土壤中无机磷含量为Al-P>Fe-P>Ca-P, 生物炭可以增加Al-P和Fe-P含量, 降低Ca-P含量；其中以稻壳生物炭提高土壤养分含量效果最好.
(3) 添加不同原料生物炭后, 三季作物产量较对照组均有增加.不同处理对水稻产量增加显著, 稻壳生物炭对提高三季作物产量综合效果较好, 这与稻壳生物炭对土壤酸度、交换性能和磷素养分改良的效果一致.
| [1] |
张玲玉, 赵学强, 沈仁芳. 土壤酸化及其生态效应[J]. 生态学杂志, 2019, 38(6): 1900-1908. Zhang L Y, Zhao X Q, Shen R F. Soil acidification and its ecological effects[J]. Chinese Journal of Ecology, 2019, 38(6): 1900-1908. |
| [2] | Cai Z J, Wang B R, Xu M G, et al. Nitrification and acidification from urea application in red soil (Ferralic cambisol) after different long-term fertilization treatments[J]. Journal of Soils and Sediments, 2014, 14(9): 1526-1536. DOI:10.1007/s11368-014-0906-4 |
| [3] | Guo J H, Liu X J, Zhang Y, et al. Significant acidification in major Chinese croplands[J]. Science, 2010, 327(5968): 1008-1010. DOI:10.1126/science.1182570 |
| [4] | Wrobel-Tobiszewska A, Boersma M, Sargison J, et al. Nutrient changes in potting mix and Eucalyptus nitens leaf tissue under macadamia biochar amendments[J]. Journal of Forestry Research, 2018, 29(2): 383-393. DOI:10.1007/s11676-017-0437-0 |
| [5] |
王月玲, 耿增超, 王强, 等. 生物炭对塿土土壤温室气体及土壤理化性质的影响[J]. 环境科学, 2016, 37(9): 3634-3641. Wang Y L, Geng Z C, Wang Q, et al. Influence of biochar on greenhouse gases emissions and physico-chemical properties of loess soil[J]. Environmental Science, 2016, 37(9): 3634-3641. |
| [6] |
王义祥, 辛思洁, 叶菁, 等. 生物炭对强酸性茶园土壤酸度的改良效果研究[J]. 中国农学通报, 2018, 34(12): 108-111. Wang Y X, Xin S J, Ye J, et al. Improvement effect of biochar on soil acidity in strong acidity tea garden[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2018, 34(12): 108-111. DOI:10.11924/j.issn.1000-6850.casb17030001 |
| [7] |
董颖.不同地区油菜秸秆生物质炭改良红壤酸度的差异性研究[D].洛阳: 河南科技大学, 2018. Dong Y. Amelioration of an ultisol acidity by biochars derived from canola straw varied with their cultivating soils[D]. Luoyang: Henan University of Science and Technology, 2018. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10464-1018712539.htm |
| [8] | Song D L, Tang J W, Xi X Y, Zhang S, et al. Responses of soil nutrients and microbial activities to additions of maize straw biochar and chemical fertilization in a calcareous soil[J]. European Journal of Soil Biology, 2018, 84: 1-10. DOI:10.1016/j.ejsobi.2017.11.003 |
| [9] | Xu G, Sun J N, Shao H B, et al. Biochar had effects on phosphorus sorption and desorption in three soils with differing acidity[J]. Ecological Engineering, 2014, 62: 54-60. DOI:10.1016/j.ecoleng.2013.10.027 |
| [10] |
靖彦, 陈效民, 刘祖香, 等. 生物黑炭与无机肥料配施对旱作红壤有效磷含量的影响[J]. 应用生态学报, 2013, 24(4): 989-994. Jing Y, Chen X M, Liu Z X, et al. Effects of combined application of biochar and inorganic fertilizers on the available phosphorus content of upland red soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(4): 989-994. |
| [11] | Zhai L M, Cai Z N, Liu J, et al. Short-term effects of maize residue biochar on phosphorus availability in two soils with different phosphorus sorption capacities[J]. Biology and Fertility of Soils, 2015, 51(1): 113-122. DOI:10.1007/s00374-014-0954-3 |
| [12] |
洪灿.土壤改良剂对酸性土壤磷的生物有效性和土壤物理性质的影响[D].杭州: 浙江大学, 2018. Hong C. The effects of the soil modifiers on the bioavailability of phosphorus and the physical properties in acid soils[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10335-1018085288.htm |
| [13] |
李倩倩, 许晨阳, 耿增超, 等. 生物炭对塿土土壤容重和团聚体的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(7): 3388-3396. Li Q Q, Xu C Y, Geng Z C, et al. Impact of biochar on soil bulk density and aggregates of Lou soil[J]. Environmental Science, 2019, 40(7): 3388-3396. |
| [14] |
李亚森, 丁松爽, 殷全玉, 等. 多年施用生物炭对河南烤烟种植区土壤呼吸的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(2): 915-923. Li Y S, Ding S S, Yin Q Y, et al. Effect of long-term biochar application on soil respiration in flue-cured tobacco planting fields in Henan province[J]. Environmental Science, 2019, 40(2): 915-923. |
| [15] | O'Connor D, Peng T, Zhang J, et al. Biochar application for the remediation of heavy metal polluted land:a review of in situ field trials[J]. The Science of the Total Environment, 2017, 619-620: 815-826. |
| [16] |
鲍士旦. 土壤农化分析[M]. (第三版). 北京: 中国农业出版社, 2000. Bao S D. Soil and agricultural chemistry analysis[M]. (3rd ed.). Beijing: China Agricultural Press, 2000. |
| [17] | Hedley M J, Stewart J W B, Chauhan B S. Changes in inorganic and organic soil phosphorus fractions induced by cultivation practices and by laboratory incubations[J]. Soil Science Society of America Journal, 1982, 46(5): 970-976. DOI:10.2136/sssaj1982.03615995004600050017x |
| [18] | Ulrich B. Natural and anthropogenic components of soil acidification[J]. Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde, 1986, 149(6): 702-717. DOI:10.1002/jpln.19861490607 |
| [19] | Zhang H M, Wang B R, Xu M G. Effects of inorganic fertilizer inputs on grain yields and soil properties in a long-term wheat-corn cropping system in South China[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2008, 39(11-12): 1583-1599. DOI:10.1080/00103620802071721 |
| [20] | Adesodun J K, Adeyemi E F, Oyegoke C O. Distribution of nutrient elements within water-stable aggregates of two tropical agro-ecological soils under different land uses[J]. Soil and Tillage Research, 2007, 92(1-2): 190-197. DOI:10.1016/j.still.2006.03.003 |
| [21] | Uphoff N, Ball A S, Fernandes E, et al. Biological approaches to sustainable soil systems[M]. Boca Raton: CRC Press, 2006. |
| [22] | Lü L Y, Wang R Z, Liu H Y, et al. Effect of soil coarseness on soil base cations and available micronutrients in a semi-arid sandy grassland[J]. Solid Earth, 2016, 7(2): 549-556. DOI:10.5194/se-7-549-2016 |
| [23] | Xu N, Tan G C, Wang H Y, et al. Effect of biochar additions to soil on nitrogen leaching, microbial biomass and bacterial community structure[J]. European Journal of Soil Biology, 2016, 74: 1-8. DOI:10.1016/j.ejsobi.2016.02.004 |
| [24] | Hass A, Gonzalez J M, Lima I M, et al. Chicken manure biochar as liming and nutrient source for acid Appalachian soil[J]. Journal of Environmental Quality, 2012, 41(4): 1096-1106. DOI:10.2134/jeq2011.0124 |
| [25] |
张又弛, 李会丹. 生物炭对土壤中微生物群落结构及其生物地球化学功能的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(5): 898-905. Zhang Y C, Li H D. Influence of biochar on the community structure and biogeochemical functions of microorganisms in soils[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 898-905. |