李昌見，屈忠義*，勾芒芒,2，高文慧,2，孫貫芳

生物炭對土壤水肥熱效應(yīng)的影響試驗(yàn)研究

李昌見1，屈忠義1*，勾芒芒1,2，高文慧1,2，孫貫芳1

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010020

本文通過野外大田小區(qū)試驗(yàn)以番茄（Lycopersicon esculentum Mill）為供試作物，通過在土壤中施加不同含量生物炭（Biochar）研究生物炭對土壤含水率、有機(jī)碳、速效養(yǎng)分含量和土壤溫度的影響，從而尋求一個較為合適的施用量，為生物炭在內(nèi)蒙古地區(qū)的大面積推廣提供科學(xué)的理論依據(jù)。試驗(yàn)共設(shè)5個處理，3個重復(fù)：不施加生物炭（CK），生物炭使用量分別為10 t·hm-2(A)，20 t·hm-2(B)，40 t·hm-2(C)，60 t·hm-2(D), 在各生育期取土樣測定土壤含水率、有機(jī)碳、速效養(yǎng)分含量，并在各生育期連續(xù)3天測定土壤地表溫度。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同處理下土壤含水率隨生物炭施用量增加呈先增加后減小的趨勢，且均高于對照組，其中施炭量為40 t·hm-2處理的土壤含水率增幅最明顯，0～10 cm土層各生育期土壤含水率較對照組最大增幅分別為20.8%、13.7%、21.8%，10～20 cm土層各生育期土壤含水率較對照組最大增幅分別為33.9%、17.1%、21.3%；不同處理下土壤溫度隨著生物炭施用量的增加而升高，兩者具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，各生育期各處理土壤地表溫度較對照組最大增幅分別為58.1%、31.3%、55.8%；不同處理土壤有機(jī)碳含量隨著生物炭施用量的增加而增大，番茄各生育期各處理土壤有機(jī)碳含量較對照組最大增幅分別為80.9%、62.7%、63.9%；不同處理土壤中堿解氮、速效鉀、速效磷含量均隨生物炭施用量的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且均大于對照組，各生育期各處理土壤堿解氮較對照組最大增幅分別為92.7%、45.7%、106.5%，速效磷最大增幅分別為120.1%、39.3%、250.4%，速效鉀最大增幅分別為86.2%、118.5%、203.4%。綜上所述，生物炭對于砂壤土具有保水、保肥、保溫的特性，對于提高土壤水肥利用效率，增加土壤有機(jī)碳具有重要的作用，而且通過試驗(yàn)驗(yàn)證40 t·hm-2的施用量是最適合砂壤土的使用量。

生物炭；含水率；有機(jī)碳；速效養(yǎng)分；土壤溫度

生物炭(biochar)是指在缺氧或低氧條件下生物質(zhì)在高溫裂解后燒掉其中的油和燃?xì)?，剩下的一種具有高度芳香化、富含碳素的固體顆粒物質(zhì)（Glaser等，1998）。常見的生物炭有竹炭、木炭、秸稈炭等。目前，全球?qū)ι锾靠茖W(xué)研究的重視源于對亞馬遜盆地中部黑土（Terra Preta de Indio）的認(rèn)識，雖然近年來生物炭作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑備受世人關(guān)注（Tenenbaum，2010；Kimetu和Lehmann，2010；Steiner等，2008；Lehmann等，2006），但是在中國將生物炭運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐尚處于起步階段。自從沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)20世紀(jì)90年代從荷蘭引進(jìn)第一套生物質(zhì)裂解裝置以后，國內(nèi)許多學(xué)者、研究院所才逐步開始開展生物炭的相關(guān)研究（何緒生等，2011）。生物炭具有高度羧酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu)（Washington等，2003），擁有較大的孔隙度和比表面積（Gerard等，2004），生物炭的這些理化性質(zhì)賦予了生物炭具有強(qiáng)吸附力、強(qiáng)穩(wěn)定性、親水性等特點(diǎn)。生物炭的這些特性賦予了生物炭保水保肥性能，王丹丹等（2013）研究表明施入生物炭可以有效地改善土壤容重，提高土壤田間持水量和土壤的導(dǎo)水性能。何緒生等（2011）研究表明生物炭能夠提高土壤有機(jī)碳含量，改善土壤保水、保肥性能，減少養(yǎng)分損失。但目前相關(guān)研究大多局限于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和溫室大棚（勾芒芒等，2014），田間小區(qū)試驗(yàn)的研究還很少。

水肥作為作物生長的最基本指標(biāo)，被廣泛開展研究，但是土壤溫度作為作物生長環(huán)境的重要指標(biāo)，生物炭對其影響的研究較少。且在干旱半干旱

地區(qū)進(jìn)行生物炭對番茄水、肥、熱的田間試驗(yàn)基本為空白，本文通過設(shè)置不同生物炭施用量，研究生物炭對土壤含水率、有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量以及土壤溫度的影響，為培肥土壤，提高土壤水、肥的利用效率提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013年5月中旬至2013年10月中旬在內(nèi)蒙古和林縣水利部科技推廣中心內(nèi)蒙古科技推廣示范基地進(jìn)行，該地區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫6～7 ℃，年均降雨量為392.8 mm。該試驗(yàn)區(qū)土壤為砂壤土，大多以種植土豆為主，本次選定的試驗(yàn)田前茬種植的作物為土豆。土壤基本性質(zhì)：砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)64.15%、粉粒16.49%、粘粒19.36%，耕層土壤（0～20 cm），土壤容重1.39 g·cm-3，孔隙度43.52%，田間持水率(體積分?jǐn)?shù))31%，pH值7.85，電導(dǎo)率141.8 us·cm-1，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為6.66 g·kg-1，堿解氮48.07 mg·kg-1，速效磷12.06 mg·kg-1，速效鉀為146.98 mg·kg-1。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計

選用生物炭為遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司玉米秸稈生物炭。選用當(dāng)年玉米秸稈在炭化爐中溫度控制在400 ℃缺氧情況下燃燒8 h制成成品炭。生物炭的主要性質(zhì)：C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.17%、N為0.71%、H為3.83%，C/N比67.03%，pH值9.04，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為925.74 g·kg-1，堿解氮為159.15 mg·kg-1，速效磷為394.18 mg·kg-1，速效鉀為783.98 mg·kg-1。將生物碳均勻施于土壤表面，用旋耕機(jī)翻混入耕層土壤。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計5處理：對照不施生物炭（CK）,處理生物炭施用量為10 t·hm-2(A)，20 t·hm-2(B)，40 t·hm-2(C)，60 t·hm-2(D)。采取隨機(jī)分區(qū)設(shè)計，每個處理3個重復(fù)，共計15個小區(qū)，小區(qū)面積5 m×3 m=15 m2。供試作物為番茄，品種為上海合作918，種植密度為4.5 萬株/hm2，底肥施用量：尿素[ω(N)=46%]，408 kg·hm-2，二胺[ω（P2O5）=46%]，163 kg·hm-2，氯化鉀[ω（KCL）=50%]，300 kg·hm-2。

1.3試驗(yàn)測試內(nèi)容及方法

在番茄各生育期（苗期～開花著果期、開花著果期～結(jié)果盛期、結(jié)果盛期～果實(shí)成熟期）的各處理小區(qū)灌水前后用土鉆分別在0～10、10～20 cm的土層取土，取部分土裝入鋁盒測定各土層土壤含水率，最后將相同土層3個重復(fù)含水率求平均值；在各小區(qū)插入地溫計測定地表溫度（地溫計插入深度為10 cm）；在各生育期分別鉆取0～15、15～30 cm土層土樣經(jīng)風(fēng)干過篩后測定各處理土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效鉀、速效磷的含量。土壤含水率測定采用烘干稱重法（張軍紅等，2012），土壤有機(jī)碳測定采用外加熱法（李莉等，2010），堿解氮測定采用堿解擴(kuò)散法（葉祥盛和趙竹青，2011），速效磷采用磷鉬藍(lán)比色法測定（魯緒會，2002），速效鉀采用火焰光度法測定（王鳳智，2000）。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel繪制圖表，SPSS19.0軟件進(jìn)行方差分析，相關(guān)分析和主成分分析。

圖1 番茄全生育期0～10 cm土壤含水率Fig.1 tomato growth period 0-10 cm soil moisture

2 結(jié)果與分析

2.1不同生物炭施量對土壤含水率的影響

由圖1、2可知，在全生育期各處理相同土層均表現(xiàn)出一致的規(guī)律，隨著生物炭含量的增加土壤含水率呈先遞增后減小的趨勢，且施用生物炭處理土壤含水率均大于對照組（CK）。土壤深度為0～10 cm時，苗期～開花著果期灌水后土壤含水率較對照組分別提高了5.9%、10%、20%、5.6%，開花著果期～結(jié)果盛期灌水后土壤含水率分別提高6%、9.3%、13.7%、4.8%，結(jié)果盛期～果實(shí)成熟期土壤含水率分別提高3%、13.2%、21.7%、13.7%；在土壤深度為

10～20 cm時，苗期～開花著果期灌水后土壤含水率較對照組分別提高了5.46%、14.14%、33.97%、10.96%。開花著果期～結(jié)果盛期灌水后土壤含水率分別提高6.60%、8.37%、17.04%、7.09%，結(jié)果盛期～果實(shí)成熟期土壤含水率分別提高8.51%、17.78%、21.31%、8.84%，差異性達(dá)到顯著水平。

圖2 番茄全生育期10～20 cm土壤含水率Fig.2 tomato growth period 10～20 cm soil moisture

土壤保水能力受土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響，影響程度取決于土壤比表面積的相對變化（曾愛等，2013）。生物炭施入土壤后改變土壤孔隙度和團(tuán)聚程度，增大了土壤的比表面積，最終影響到土壤的持水能力。在番茄全生育期不同處理土壤含水率與生物炭施用量相關(guān)性較為明顯，隨著生物炭施用量的增加土壤含水率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這與高海英等研究結(jié)果基本一致（高海英等，2011）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是生物炭擁有較大的孔隙度和比表面積（Gerard等，2004），施用生物炭增大了土壤孔隙度和生物炭具有較大的吸附力促使土壤團(tuán)聚體的形成，從而增加土壤比表面積，加之生物炭本身具有較強(qiáng)的親水性，使得土壤的持水能力提高，增大了土壤含水率；當(dāng)生物炭施用量超過40 t·hm-2時，土壤含水率會隨著生物炭施用量增加而減小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是高生物炭用量使得土壤的孔隙進(jìn)一步增大，毛管作用減弱，土壤持水能力下降。但是施用生物炭量太高為什么會減小土壤含水率還有待進(jìn)一步研究。

2.2不同生物炭施用量對土壤溫度的影響

由圖3可知，在番茄全生育期隨著生物碳含量的增加土壤地表溫度均呈現(xiàn)遞增的趨勢，與CK相比，生物炭對提高土壤地表溫度效果明顯，地表溫度從高到低依次為D、C、B、A、CK。表明較高生物碳施用量能夠增加地表溫度。

通過對地溫在不同處理間的變化趨勢分析，生物炭用量的增加促進(jìn)了地表溫度的升高，可能是因?yàn)楹谏锾渴禽^好的熱吸收體，比較容易吸收各種波長的光，因此容易吸收紫外線，也容易吸收可見光的熱量。因此隨著生物炭含量的增加土壤表層的顏色也隨之加深，吸收可見光、熱量的能力也增強(qiáng)，所以生物炭施用量越大地表溫度也越高。

2.3不同生物炭施用量對土壤肥力的影響

由圖4可知，有機(jī)碳含量隨生物炭施用量增加而提高，較大生物炭施用量條件下土壤有機(jī)碳含量增幅較為明顯，且施用生物炭的處理均高于對照組。苗期～開花著果期，土壤有機(jī)碳含量與CK相比A、B、C、D依次增加11.5%、40.6%、57.4%、80.9%差異性達(dá)到顯著水平。開花著果期～結(jié)果盛期，土壤有機(jī)碳含量與CK相比各處理依次增加1.5%、1.4%、52.6%、62.7%差異性達(dá)到顯著水平，結(jié)果盛期～果實(shí)成熟期，土壤有機(jī)碳含量與CK相比各處理依次增加24.5%、25.3%、37.7%、63.9%差異性達(dá)到顯著水平。說明生物炭的施用對土壤有機(jī)碳含量的提高有顯著的作用，在高生物炭施用量情況下尤為明顯。生物炭的施用不僅提高了土壤肥力，而且有效的較少了碳的排放。有效的實(shí)現(xiàn)了節(jié)水保肥與固碳減排的綜合效應(yīng)。

由圖5可知，番茄在全生育期土壤堿解氮含量隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。苗期～開花著果期，土壤堿解氮含量與CK相比A、B、C、D依次增加92.7%、59.7%、47.7%、39.5%差異性達(dá)到顯著水平。開花著果期～結(jié)果盛期，土壤堿解氮含量與CK相比各處理依次增加45.7%、33.3%、6.5%、1.1%差異性達(dá)到顯著水平。結(jié)果盛期～果實(shí)成熟期，土壤堿解氮含量與CK相比各處理依次增加106.5%、46.7%、31.5%、23.9%差異性達(dá)到顯著水平。由數(shù)據(jù)分析可知生物炭對土壤堿解氮的提高作用顯著，在低生物炭施用量情況下最為顯著。造成這種現(xiàn)象的原因可能是低

生物炭施用量條件下更容易吸收有機(jī)氮，減少土壤中氮的淋失，從而表現(xiàn)出土壤堿解氮含量在低生物炭用量下顯著增加。

圖3 番茄全生育期地溫變化情況Fig.3 tomato growth period ground temperature changes

由圖6可知，番茄在全生育期土壤速效磷含量隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。苗期～開花著果期，土壤速效磷含量與CK相比A、B、C、D依次增加22.1%、58.1%、120.1%、41.5%差異性達(dá)到顯著水平。開花著果期～結(jié)果盛期，各處理土壤速效磷含量與CK相比依次增加4.8%、 17.7%、39.3%、16.8%差異性達(dá)到顯著水平。結(jié)果盛期～果實(shí)成熟期，各處理土壤速效磷含量與CK相比依次增加50.6%、110.5%、250.4%、70.9%差異性達(dá)到顯著水平。

由圖7可知，番茄在全生育期土壤速效鉀含量隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。苗期～開花著果期，土壤速效鉀含量與CK相比A、B、C、D依次增加11.6%、26.3%、86.2%、31.5%差異性達(dá)到顯著水平。開花著果期～結(jié)果盛

期，土壤速效鉀含量與CK相比各處理依次增加57.7%、73.3%、118.5%、81.1%差異不顯著。結(jié)果盛期～果實(shí)成熟期，土壤速效鉀含量與CK相比各處理依次增加9.6%、30.7%、203.4%、172.7%差異性達(dá)到顯著水平。

圖4 番茄全生育期不同處理土壤有機(jī)碳含量Fig.4 tomato growth period different soil organic carbon content

圖5 番茄全生育期不同處理土壤堿解氮含量Fig.5 tomato growth period different soil nitrogen content

圖6 番茄全生育期不同處理土壤速效磷含量Fig.6 tomato growth period different soil available phosphorus content

生物炭通常含碳40%～75%，含少量礦物質(zhì)和揮發(fā)有機(jī)化合物，呈堿性，不易為微生物分解（何緒生等，2011），且生物炭富含有機(jī)碳，其中碳大多以穩(wěn)定芳香環(huán)不規(guī)則疊層堆積存在（Zwieten等，2010），因此土壤有機(jī)碳含量與生物炭施用量有密切的關(guān)系，生物炭施用量越大土壤有機(jī)碳含量越高，這與本試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。本試驗(yàn)生物炭含碳量為47.17%，施入土壤后提高了土壤有機(jī)碳含量，而且呈正相關(guān)。生物炭具有高的吸附能力、CEC及

化學(xué)反應(yīng)性，因此，生物炭可作為肥料緩釋載體，可延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放，降低肥料養(yǎng)分的淋失及固定等損失，提高肥料養(yǎng)分利用率（鐘雪梅等，2006；Magrini-Bair等，2009），從上文的數(shù)據(jù)分析可知土壤中全生育期各處理堿解氮、速效磷、速效鉀的含量均高于對照，這一方面是生物炭具有高吸附能力，生物炭施入土壤促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體形成，增大了比表面積，從而增強(qiáng)了土壤的吸附力，增加土壤對N、P、K等離子吸附，另一方面生物炭施入土壤增強(qiáng)了土壤的陽離子交換，減少了土壤中氮、磷、鉀淋溶損失，從這兩個方面提高了土壤氮、磷、鉀的含量。

圖7 番茄全生育期不同處理土壤速效鉀含量Fig.7 tomato period different soil available k content

3 結(jié)論

（1）生物炭具有保水的性能。隨著生物炭施用量的增加土壤含水率呈現(xiàn)先增加后遞減的趨勢。在各生育期不同土壤深度均呈現(xiàn)相同趨勢，且土壤含水率均大于對照組。與對照CK相比較施用生物炭的處理在各生育期土壤含水率至少提高5.6%、4.8%、3%。差異性達(dá)到顯著水平。

（2）生物炭具有保溫的性能。隨著生物炭施用量的增加土壤地表溫度呈現(xiàn)遞增的趨勢，且呈正相關(guān)。與對照CK相比較施用生物炭的處理土壤溫度顯著提高，各生育期土壤溫度增幅最大的均是處理D（60 t·hm-2），最大增幅分別為58.1%、31.3%、55.8%，差異性顯著。

（3）生物炭具有保肥的性能。施用生物炭可以提高土壤的肥力，有機(jī)碳在各生育期最大增幅分別為80.9%、62.7%、63.9%，在結(jié)果盛期-果實(shí)成熟期尤為顯著；堿解氮在各生育期最大增幅分別為39.5%、45.7%、106.5%，；速效磷在各生育期最大增幅分別為120.1%、39.3%、250.4%，在結(jié)果盛期-果實(shí)成熟期尤為顯著；速效鉀在各生育期最大增幅分別為86.2%、118.5%、203.4%。

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The Research of BioChar’s Effect on Soil Humidity, Fertility and Temperature

LI Changjian1, QU Zhongyi1*, GOU Mangmang1,2, GAO Wenhui1,2, SUN Guangfang1
1. Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China; 2. Hydraulic Research Institute of Inner Mongolia, Hohhot 010020, China

Taking tomato growing in field plot as subject, the research focus on biochar’s effect on soil moisture, organic carbon, available nutrients contents and temperature by applying vary amounts of biochar on it. The research aims to find a suitable applying amount which could supplies scientific theoretical base for biochar used in large-scale Mongolia area. The experiment designs five treatments and three repetitions, which are no biochar (CK), 10 t·hm-2amount of biochar, 20 t·hm-2amount of biochar , 40 t·hm-2amount of biochar and 60t·hm-2amount of biochar. By measuring the soil moisture, organic carbon, available nutrients contents and temperature (in three consecutive days) during different growth periods of tomato, the experiment gets the following results. Soil moisture in all four subject treatments is higher than that of the contrast one (CK), and decreases after the increasing trend. Among of them, treatment of 40 t·hm-2biochar increases most. Compared with the contrast treatment (CK), soil layer of 0-10 cm increase 20.8%、13.7%、21.8% respectively, and soil layer of 10-20 cm increase 33.9%、17.1%、21.3% respectively during the different growth periods. Both the soil temperature and organic carbon in all treatments rise with the rising applying amount of biochar: during different growth periods, the largest increasing amount for soil temperature is 58.1%、31.3%、55.8% respectively; for organic carbon is 80.9%、62.7%、63.9% respectively. Alkali hydrolyzable nitrogen, available potassium, available phosphorus in all four subject treatments are higher than that of the contrast one (CK), and also decrease after the increasing trend. During different growth periods, the largest increasing amount for alkali hydrolyzable nitrogen is 92.7%、45.7%、106.5% respectively, for available potassium is 120.1%、39.3%、250.4% respectively, and for available phosphorus is 86.2%、118.5%、203.4% respectively. In conclusion, biochar could maintain soil water, fertilizer and heat, enhance fertilizer efficiency and organic carbon. The 40 t·hm-2application amount of biochar is the best quantity in the improvement of sandy loam.

Biochar; Soil Moisture; Organic Carbon; Available Nutrients; Soil Temperature

S15

A

1674-5906（2014）07-1141-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41161038）；內(nèi)蒙古自治區(qū)2013年科技廳應(yīng)用項(xiàng)目(20130425)

李昌見（1987年生），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水資源高效利用與水土環(huán)境調(diào)控。E-mail:461663804@qq.com*

2014-05-04

李昌見，屈忠義，勾芒芒，高文慧，孫貫. 生物炭對土壤水肥熱效應(yīng)的影響試驗(yàn)研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(7): 1141-1147.

LI Changjian, QU Zhongyi, GOU Mangmang, GAO Wenhui, SUN Guangfang. The Research of BioChar’s Effect on Soil Humidity, Fertility and Temperature [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1141-1147.