随着人类活动的加剧, 近20年来土壤酸化问题愈加严重, 成为限制农业发展的重要因子^[1].土壤酸化不仅造成土壤理化性质恶化和养分流失, 还制约着土壤中营养元素的转化和释放, 严重影响农作物的生长发育及农业的可持续发展^[2].酸性土壤分布区域大多水热资源丰富, 植物生产潜力巨大, 对酸性土壤的改良不仅可以提高农业生产力, 同时对保护生态环境和改善农产品品质具有重要意义^[1].农作物秸秆的不合理配置既浪费资源又污染环境^[3].作为一种可再生生物质资源, 秸秆还田不仅提高土壤养分含量, 还能改善土壤酸化、板结等问题, 为发展有机农业提供条件^[4].已有研究表明, 秸秆还田可以显著降低土壤容重, 提高土壤孔隙度, 同时增加土壤中水稳性大团聚体的数量, 改善土壤结构^{[5, 6]}.张雅洁等^[7]的研究表明单独秸秆还田和秸秆与肥料配施均可以提高土壤有机质含量.曹湛波等^[8]的研究表明不同来源的秸秆还田后效果不同, 玉米和水稻等秸秆较黄豆秸秆对土壤微生物活性的促进作用显著.生物质炭是秸秆、木屑和动物粪便等在完全或部分缺氧的条件下, 热解炭化产生的一种含碳量丰富、稳定性高的物质^[9].在改良土壤理化性质方面, 生物质炭的多孔结构和巨大表面积可以增加土壤孔隙度, 降低土壤容重, 提高田间持水量^[10].生物质炭呈弱碱性, 具有较高的阳离子交换量, 因此可以提高酸性土壤pH, 增加阳离子交换量和养分含量^[11].在固碳减排和土壤污染修复方面, 生物质炭通过施入稳定性碳来改变土壤碳库的自然平衡, 提高土壤碳库容量, 降低土壤呼吸强度和减少温室气体排放, 同时生物质炭对重金属有很高的吸附容量, 可以降低重金属元素的生物有效性, 对农药残留的吸收和固持可以减少污染物下渗或地表径流^[12~14].赵海成等^[3]通过研究连年秸秆与生物炭还田对盐碱土理化性状的影响发现, 各处理均显著提高了土壤有效磷和速效钾, 且以秸秆还田提高的幅度更大.而郭春雷等^[4]的研究表明在等秸秆量和等氮磷钾养分条件下, 秸秆炭化还田对降低土壤酸度, 提高土壤交换性能的效果好于直接还田.Eduah等^[15]通过研究不同热解温度下生物炭对土壤磷的有效性影响发现, 300~450℃下制备的生物炭可有效降低磷的吸附性能, 提高磷的生物利用度, 特别是在酸性土壤中.

目前国内外的研究多为秸秆还田和生物质炭对土壤改良的影响状态, 但秸秆原料和炭化温度对土壤性质影响的对比研究较少, 特别是作物种植过程中土壤性质的动态变化.本文以亚热带典型红壤为盆栽试验的研究对象, 选取水稻和油菜收割后的秸秆为原料, 将两种秸秆原料分别在350℃和550℃下制备成生物质炭, 进行秸秆直接还田和炭化还田的对比试验, 分析等量秸秆以两种方式还田对土壤酸度、养分和交换性能的影响, 以期为土壤酸化改良及秸秆生物质资源合理利用提供理论依据.

本试验用红壤取自浙江省余姚市低丘区(N29°45.6′, E121°07.2′), 该地属于亚热带季风气候, 四季分明, 雨量充沛, 年平均气温16.2℃, 年平均降水量1 547 mm.水稻秸秆和油菜秸秆取自浙江省乐清市(N28°07.2′, E120°58.5′), 分别于2017年11月和2018年5月作物收割后采集.将两种作物秸秆带回室内用蒸馏水清洗干净, 放入105℃烘箱中烘24 h, 将烘干的原材料磨碎过2 mm筛备用.

将过筛后的两种作物秸秆用铝箔包好置于马弗炉中, 分别升温至350℃和550℃加热2 h, 冷却至室温后取出生物质炭产品, 计算生物质炭的产率, 研磨过2 mm和0.15 mm筛, 放在封口袋里备用.水稻秸秆及350℃和550℃制备的生物质炭分别记为R1B0、R1B1和R1B2, 油菜秸秆及其制备的生物质炭分别记为R2B0、R2B1和R2B2.盆栽试验每盆土壤为5 kg, 按照0.15g ·kg^-1(尿素, 以N计)、0.10 g ·kg^-1(氯化钾, 以K计)施入氮钾底肥, 按1%秸秆和等量秸秆制备的生物质炭与土壤均匀混合, 设计CK、R1B0、R1B1、R1B2、R2B0、R2B1和R2B2共7个处理, 每个处理3个重复.土壤保持田间含水量老化一个月后, 插入水稻秧苗, 在水稻4个生长期(秧苗期、分蘖期、灌浆期和成熟期)分别使用盆栽取样器沿对角线在距离根部5cm处取两个点, 混匀后测定土壤各项指标.

土壤基本理化性质测定采用常规方法^[16]. pH值1 :2.5土水比pH计(Metler Toledo, 下同)测定; 交换性酸用KCl提取、NaOH滴定法测定.有机质用重铬酸钾氧化法测定; NH₄⁺-N用KCl提取, 靛酚蓝比色法测定; NO₃^--N用CaCl₂提取, 紫外分光光度法测定.土壤阳离子交换量(CEC)用乙酸铵交换法测定, 交换性Ca²⁺和Mg²⁺用原子吸收分光光度计, 交换性K⁺和Na⁺用火焰光度计测定.总磷NaOH熔融法提取, 有效磷NaHCO₃提取(Olsen法), 钼锑抗比色法测定.生物质炭元素组成用元素分析仪(Elementar Analysensysteme GmbH, Germany)测定.秸秆和生物质炭pH 1 :20固液比pH计测定.每个指标重复3次, 取平均值.供试土壤、秸秆和生物质炭的基本理化性质如表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 供试土壤、秸秆和生物质炭的基本理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of soil, straw, and biomass charcoal 项目 产率/% pH TOC /g·kg-1 Olsen-P /g·kg-1 全磷 /g·kg-1 所占质量分数/% N C H S 红壤 — 4.61 8.25 0.03 0.17 0.03 0.43 1.03 0.01 R1B0 — 8.93 289.05 0.35 1.28 1.09 37.79 5.13 0.11 R1B1 41.90 9.94 420.08 0.53 1.62 0.91 48.71 3.55 0.26 R1B2 31.21 11.11 422.83 0.97 2.57 0.77 48.53 2.08 0.24 R2B0 — 7.71 370.43 0.52 1.63 1.51 40.46 5.76 0.64 R2B1 34.07 10.58 603.20 0.64 2.60 1.01 56.21 3.42 0.93 R2B2 28.67 10.76 563.33 0.88 3.11 0.89 60.26 2.23 1.20

表 1 供试土壤、秸秆和生物质炭的基本理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of soil, straw, and biomass charcoal

采用Excel 2010和Origin 2017进行数据整理和绘图, 采用SPSS 16.0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).

秸秆直接还田和炭化还田对水稻不同生长期红壤pH的影响见图 1.红壤pH随水稻生长期呈现降低的趋势.与对照相比, 秧苗期时秸秆直接还田显著提高土壤pH, 而炭化还田不明显; 成熟期时秸秆直接还田和炭化还田均显著提高土壤pH, 350℃制备的生物质炭效果较好, 水稻和油菜秸秆生物质炭分别较对照提高pH 0.29和0.42个单位.

图 1

Fig. 1

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 秸秆直接还田和炭化还田对水稻不同生长期红壤pH的影响 Fig. 1 Effects of direct returning of straw and biochar on pH of red soil at different stages of rice growth

图 2是秸秆直接还田和炭化还田对红壤交换性酸度的动态影响, 可以看出, 土壤交换性酸总量和交换性Al³⁺随水稻生长期呈现降低的趋势.秸秆直接还田和炭化还田在4个生长期均可以降低交换性酸总量和交换性Al³⁺含量, 灌浆期和成熟期效果显著, 成熟期时秸秆炭化处理效果显著高于秸秆直接还田, R1B2和R2B1处理的土壤交换性酸总量分别较对照降低54.8%和58.9%.而土壤交换性H⁺随生长期变化规律为先减小后增加, 成熟期水稻秸秆直接还田和炭化还田显著(P < 0.05)降低土壤交换性H⁺含量, 而油菜秸秆处理则出现相反的效果.

图 2

Fig. 2

图 2 秸秆直接还田和炭化还田对水稻不同生长期红壤交换性酸度的影响 Fig. 2 Effects of direct returning of straw and biochar on exchangeable acidity of red soil at different stages of rice growth

从图 3可见, 红壤SOM含量随水稻生长期呈现增加的趋势, 而NH₄⁺-N和NO₃^--N含量呈现降低的趋势.与对照相比, 水稻秧苗期、分蘖期和成熟期时不同处理均显著提高SOM含量, 成熟期时炭化还田处理效果显著(P < 0.05)好于秸秆直接还田, 在最优处理R1B2和R2B2下分别较对照显著(P < 0.05)提高58.5%和57.2%.秸秆直接还田和炭化还田对红壤NH₄⁺-N含量的影响规律是前期升高, 后期降低, 成熟期时不同处理的NH₄⁺-N含量较对照显著(P < 0.05)降低.不同处理对NO₃^--N的影响规律因秸秆原料不同而不同, 其中水稻秸秆及炭化处理表现为前期升高, 后期降低, 而油菜秸秆炭化还田在不同生长期均显著(P < 0.05)提高NO₃^--N含量, 且R2B1处理效果较好.

图 3

Fig. 3

图 3 秸秆直接还田和炭化还田对水稻不同生长期红壤SOM、NH4+-N和NO3--N含量的影响 Fig. 3 Effects of direct returning of straw and biochar on SOM, NH4+-N, and NO3--N of red soil at different stages of rice growth

表 2是秸秆直接还田和炭化还田对水稻不同生长期红壤交换性能的影响.可以看出, 除交换性K⁺外, 土壤CEC与交换性Ca²⁺、Mg²⁺和Na⁺含量随水稻生长期均呈现增加的趋势.成熟期时秸秆炭化还田的土壤CEC显著(P < 0.05)高于秸秆直接还田, 在最优处理R1B2和R2B1下分别较对照提高50.9%和67.4%.不同生长期的交换性Ca²⁺含量均在R1B2和R2B1处理下较高, 显著(P < 0.05)高于秸秆直接还田.成熟期时交换性Mg²⁺和Na⁺也表现为秸秆炭化还田处理显著(P < 0.05)高于秸秆直接还田.土壤交换性K⁺含量以两种秸秆550℃炭化温度处理下较高.整体来看, 秸秆直接还田和炭化还田均提高土壤交换性能, 且以油菜秸秆350℃炭化还田的效果较好.

表 2 (Table 2)

表 2 秸秆直接还田和炭化还田对水稻不同生长期红壤交换性能的影响/cmol ·kg-1 Table 2 Effects of direct returning of straw and biochar on exchange performance of red soil at different stages of rice growth/cmol ·kg-1 水稻生长期 处理 CEC 交换性K+ 交换性Na+ 交换性Ca2+ 交换性Mg2+ CK 7.00±1.12bc 1.71±0.03bc 0.39±0.15b 3.16±0.13ab 0.79±0.01ab R1B0 5.74±0.41c 1.86±0.11bc 0.71±0.16a 2.58±0.12b 0.59±0.01b R1B1 6.11±0.78c 1.57±0.14c 0.80±0.16a 2.92±0.36ab 0.82±0.12ab 秧苗期 R1B2 7.37±1.12b 2.14±0.26b 0.86±0.17a 3.45±0.56ab 0.92±0.14a R2B0 5.38±0.51c 1.75±0.07bc 0.71±0.17a 2.32±0.22b 0.60±0.04b R2B1 7.74±0.95ab 2.14±0.03b 0.71±0.30a 4.03±0.55a 0.87±0.07ab R2B2 8.46±0.24a 2.70±0.05a 0.89±0.04a 3.97±0.15a 0.90±0.00a CK 6.99±0.33c 0.87±0.15b 0.57±0.03d 4.53±0.14b 1.01±0.01b R1B0 7.47±1.07c 1.07±0.11ab 1.07±0.31ab 4.47±0.30b 0.86±0.04b R1B1 7.42±0.30c 1.38±0.01ab 0.72±0.02c 4.29±0.26b 1.02±0.01b 分蘖期 R1B2 9.85±1.48a 1.77±0.28a 0.96±0.29b 5.85±0.56a 1.27±0.16a R2B0 6.91±0.56c 1.29±0.02ab 0.70±0.02c 4.02±0.35b 0.91±0.17b R2B1 8.73±1.16b 1.30±0.12ab 1.12±0.14a 5.41±0.77ab 0.89±0.14b R2B2 8.73±0.73b 1.68±0.21a 0.72±0.00c 5.26±0.44ab 1.06±0.08b CK 8.55±1.24cd 1.07±0.06c 0.46±0.02c 5.83±1.02c 1.20±0.14c R1B0 8.75±0.66cd 1.22±0.07bc 0.51±0.03c 5.96±0.52c 1.06±0.04cd R1B1 10.01±2.23bc 1.46±0.07ab 1.06±0.17a 6.04±1.66bc 1.45±0.03ab 灌浆期 R1B2 12.19±1.57a 1.42±0.09ab 0.56±0.06c 8.65±1.21a 1.56±0.21a R2B0 7.73±0.46d 1.13±0.04bc 0.61±0.10c 5.04±0.30c 0.95±0.03d R2B1 11.27±1.27ab 1.07±0.19c 1.20±0.08a 7.69±0.83ab 1.32±0.16b R2B2 9.35±0.67cd 1.71±0.02a 0.77±0.01b 5.80±0.56c 1.08±0.09cd CK 7.27±0.39d 1.45±0.03de 0.71±0.02d 4.22±0.3c 0.88±0.04bc R1B0 7.34±0.55d 1.20±0.03e 0.80±0.06cd 4.50±0.43c 0.84±0.03c R1B1 9.72±0.43c 1.53±0.10cd 1.14±0.18bc 5.97±0.15abc 1.08±0.01ab 成熟期 R1B2 10.97±0.89b 1.84±0.04b 1.43±0.15b 6.46±0.58ab 1.23±0.12a R2B0 8.78±0.16c 1.78±0.00bc 0.95±0.09cd 5.17±0.04bc 0.89±0.02bc R2B1 12.17±0.38a 1.51±0.12cd 2.33±0.08a 7.14±0.17a 1.20±0.02a R2B2 9.96±1.72bc 2.56±0.13a 2.05±0.39a 4.31±1.13c 1.04±0.08bc

表 2 秸秆直接还田和炭化还田对水稻不同生长期红壤交换性能的影响/cmol ·kg-1 Table 2 Effects of direct returning of straw and biochar on exchange performance of red soil at different stages of rice growth/cmol ·kg-1

土壤酸化是红壤地区土壤退化的主要原因, 施用有机肥和生物质炭是改良土壤酸化的重要措施^{[17, 18]}.秸秆和生物质炭中含有的碱性物质及有机氮的矿化作用可提高土壤pH; 而氮的硝化作用和盐基离子的消耗降低土壤pH^[19].本研究中, 红壤pH随水稻生长期呈现降低的趋势, 说明氮的硝化作用和盐基离子消耗引起土壤酸化.秸秆直接还田和炭化还田处理可提高土壤pH, 降低交换性酸含量, 且炭化还田效果更为明显, 这是由于秸秆中的碱性物质在热解条件下富集到生物炭中, 同时产生新的碱性物质(碳酸盐和有机官能团等)^[20], 而秸秆在土壤中的分解会积累一定的酸性产物^[21], 这与郭春雷等^[4]的研究结果一致.成熟期时两种秸秆生物质炭均以350℃炭化处理效果较好, 且油菜秸秆生物质炭好于水稻秸秆生物质炭, 这与不同生物质炭pH的变化规律不同, 说明生物质炭改良红壤酸性受到除生物炭本身性质外的气候、作物和根系分泌物等多因素的影响.

秸秆和生物质炭含有的氮、磷、钾、钙、镁和硫等营养元素, 可直接提高土壤养分含量, 促进团粒结构形成^[9~11].有研究表明, 生物质炭富含的性质稳定的非活性有机碳是土壤有机质含量提高的直接因素, 且制备温度越高, 炭化程度越高^[22].秸秆和生物质炭含碳量为37.8% ~60.3%(表 1), 因此可以显著(P < 0.05)提高土壤SOM含量, 秸秆炭化还田的效果明显好于直接还田, 且随制备温度的提高而增加, 这与生物质炭中的有机碳稳定性较高有关.土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量随水稻生长期呈现减小的趋势, 这是由于水稻生长会吸收利用部分有效氮^[23].成熟期时不同处理的NH₄⁺-N含量较对照显著降低, 这是因为有机物料促进土壤微生物的活动, 土壤矿化产生的NH₄⁺-N被微生物固定^[24].不同秸秆原料对NO₃^--N的影响规律不同, 其中水稻秸秆炭化还田表现为前期升高, 后期降低, 而油菜秸秆炭化还田在不同生长期均显著提高.分析其原因可能是:土壤中NO₃^--N很不稳定, 在样品测定过程中极易转化丢失^[24]; 亚热带酸性土壤硝化速率分为不受基质控制和受基质控制两类:前者表现为零级反应, 即NH₄⁺-N进入土壤不促进硝化速率, 也不促进土壤酸化; 后者表现为一级反应, 即NH₄⁺-N进入土壤加速土壤硝化和酸化, 而绝大多数酸性土壤(68.9%)的硝化不受基质(NH₄⁺-N或NH₃)供应的控制, 加上秸秆原料与炭化温度的影响, NO₃^--N的变化规律因此更加复杂^[25].同时, 秸秆和生物质炭对NH₄⁺-N和NO₃^--N的吸附作用可以减少土壤有效氮的挥发和淋失; 而二者的加入使土壤碱性提高, 促进NH₄⁺-N向NO₃^--N转化, NO₃^--N极易挥发^[26].油菜秸秆生物质炭提高NO₃^--N含量可能是因为NH₄⁺-N转化成NO₃^--N的含量大于NO₃^--N的吸附和挥发之和.

土壤交换性能与土壤物理、化学及生物性质的交互作用, 是养分有效性的基础; 交换性Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺和Na⁺在维持土壤养分与缓冲土壤酸化中起到重要作用^[27].本研究中, 秸秆炭化还田处理对提高土壤CEC的效果好于直接还田, 这是由于生物质炭本身的碱性及其表面的含氧官能团能够吸收并中和土壤溶液中的H⁺, 将Al³⁺由活性态水解为惰性的氢氧化铝或羟基铝; 同时生物质炭灰分中的盐基离子与土壤中被吸附的H⁺和Al³⁺发生阳离子交换作用, 因此在改良土壤酸度的同时, 增加土壤盐基离子总量^{[28, 29]}.各交换性盐基离子的关系为Ca²⁺＞Mg²⁺≈K⁺＞Na⁺, Ca²⁺占绝大多数, 其与土壤胶体中的H⁺交换会形成钙胶体, 促进土壤胶体凝聚, 有利于形成团粒结构, 促进作物的养分吸收和积累.秸秆炭化还田较秸秆直接还田对提高土壤交换性Ca²⁺和Mg²⁺的效果更为明显, 这是因为秸秆施入土壤中会腐解产生一定的盐基离子, 但其在土壤中分解时间较长, 养分释放较慢; 而生物质炭中的Ca²⁺和Mg²⁺等矿质元素以氧化物或碳酸盐的形式存在于灰分中, 更易被土壤分解利用^{[30, 31]}.两种作物秸秆分别在R1B2和R2B1处理下对提高土壤交换性能效果较好, 且油菜秸秆效果更佳, 这与不同秸秆原料及其本身的组分差异有关, 其中水稻秸秆生物质炭在制备温度较高时效果较好, 而油菜秸秆正好相反^[8], 生物质炭对土壤CEC的调节作用可能需要建立在一个长期施用的条件下^[21].结合土壤酸度、养分含量和交换性能等进行相关分析表明(表 3), 土壤交换性酸与有机质呈极显著负相关关系(R=-0.912, P < 0.01), 与土壤CEC呈显著负相关关系(R=-0.866, P < 0.05), CEC和有机质呈显著正相关关系(R=0.833, P < 0.05), 交换性Mg²⁺、Na⁺和有机质呈显著正相关关系(相关系数分别为R=0.841和R=0.802, P < 0.05), 由此证明, 三者之间密切相关, 秸秆直接还田和炭化还田通过降低交换性酸总量和提高土壤盐基饱和度等作用, 从而达到改良土壤酸性, 提高土壤养分含量的目的^{[4, 9]}.

表 3 (Table 3)

表 3 水稻成熟期红壤酸度、养分和交换性能的相关性1) Table 3 Correlation of acidity, nutrients, and exchangeable properties of red soil in the mature stage of rice pH 交换性酸 SOM NH4+-N NO3--N 交换性Ca2+ 交换性Mg2+ 交换性K+ 交换性Na+ CEC pH 1 交换性酸 -0.754 1 SOM 0.451 -0.912** 1 NH4+-N -0.865* 0.806* -0.623 1 NO3--N 0.129 -0.267 0.432 -0.130 1 交换性Ca2+ 0.727 -0.741 0.579 -0.499 0.181 1 交换性Mg2+ 0.415 -0.793* 0.841* -0.353 0.420 0.833* 1 交换性K+ -0.135 -0.318 0.478 0.003 0.440 -0.163 0.283 1 交换性Na+ 0.476 -0.727 0.802* -0.488 0.847* 0.519 0.731 0.526 1 CEC 0.626 -0.866* 0.833* -0.513 0.551 0.846* 0.937** 0.345 0.865* 1 1)*表示在0.05水平上显著相关; **表示在0.01水平上显著相关

表 3 水稻成熟期红壤酸度、养分和交换性能的相关性1) Table 3 Correlation of acidity, nutrients, and exchangeable properties of red soil in the mature stage of rice

水稻与油菜秸秆直接还田和炭化还田处理下, 土壤不同指标随水稻生长期呈现不同的变化规律, 其中pH、NH₄⁺-N和NO₃^--N含量呈现降低的趋势, 而SOM、CEC和各交换性盐基离子含量则相反.两种秸秆直接还田和炭化还田均可以提高红壤pH, 降低交换性酸总量, 同时提高有机质含量及交换性能.成熟期时秸秆炭化还田对土壤各项性质的影响明显大于直接还田, 其中350℃炭化处理提高pH的效果较好, 土壤SOM含量随炭化温度升高而增加, 土壤CEC在R1B2和R2B1处理下效果较好.总体上, 秸秆原料和炭化温度对土壤酸度、养分和交换性能可产生不同的影响, 炭化还田对阻控土壤酸化的效果较好, 油菜秸秆生物质炭的影响较水稻秸秆生物质炭明显.