邢巧　陳嘉川　葛成軍　吳曉晨　李昉澤　岳林　俞花美

摘 要 為明確生物質(zhì)炭添加對熱帶地區(qū)磚紅壤理化性質(zhì)的影響，采用室內(nèi)模擬實驗，于5種不同溫度（350 、450、550、650、750 ℃）下熱解制備甘蔗渣基生物質(zhì)炭（GZ350、GZ450、GZ550、GZ650、GZ750），研究4種不同添加比例（0.1%、0.5%、1.0%、5.0%）下各生物質(zhì)炭對磚紅壤理化性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示：生物質(zhì)炭可以提高土壤pH、CEC、有機質(zhì)和有效養(yǎng)分（N、P、K）含量，其效果隨生物質(zhì)炭添加比例的增加而增強；不同溫度制備的生物質(zhì)炭對土壤不同理化性質(zhì)的影響不一，與低溫制備的生物質(zhì)炭相比，高溫制備生成的生物質(zhì)炭提高土壤pH、CEC、有機質(zhì)和有效養(yǎng)分的效果更好，其中GZ750提高土壤pH、CEC和有效P的效果最好，GZ650增加有機質(zhì)和堿解N含量的效果最佳，GZ550對有效K的提高作用最為明顯。綜合考慮，650 ℃和750 ℃制備的甘蔗渣基生物質(zhì)炭對磚紅壤具有較好的改良效果。

關(guān)鍵詞 甘蔗渣；生物質(zhì)炭；磚紅壤；理化性質(zhì)

中圖分類號 S156 文獻標識碼 A

在中國，絕大部分磚紅壤分布在南方熱帶及亞熱帶地區(qū)，尤其是海南島，63.85%的土壤皆為磚紅壤[1]。由于這些地區(qū)高溫多雨、濕熱同季的特點，土壤的風化和淋溶作用強烈，鐵鋁氧化物明顯富積，生物物質(zhì)循環(huán)非常迅速，有機碳含量較低。磚紅壤不僅土壤鹽基飽和度較低，土壤酸度高，而且具有分散性大、結(jié)構(gòu)比較簡單、絮固作用很弱、氧化鐵含量較高、難以形成比較穩(wěn)定的團聚體等特點，土壤密度較高、持水能力差，有效氮和磷含量也普遍不高，肥力水平低[2-3]。

在酸性土壤中施用石灰是改良酸性土壤的傳統(tǒng)和有效的方法，此外人們還發(fā)現(xiàn)利用某些礦物和工業(yè)廢棄物也能改良土壤酸度，如白云石、磷石膏、粉煤灰、磷礦粉和堿渣等礦物和制漿廢液污泥、糖廠碳法濾坭等工業(yè)廢棄物[4]。但上述方法也存在一定的缺陷，如施用石灰時堿性消耗后土壤會再次發(fā)生酸化，而且酸化程度比施用石灰前有所加劇[5]；施用白云石需消耗寶貴的礦產(chǎn)資源，也會增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本；磷石膏、磷礦粉、粉煤灰等工業(yè)廢棄物含有一定量的鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、鉻（Cr）等重金屬元素，長期施用存在污染土壤的風險[6]。施用有機物料是另一大類改良酸性土壤的方法。關(guān)于利用有機物料改良酸性土壤的研究，之前多數(shù)集中在利用種植綠肥、使用豬糞和作物秸稈等手段來調(diào)節(jié)土壤酸度方面。但直接用農(nóng)業(yè)廢棄物改良酸性土壤的一個不足之處是，添加到土壤中的有機物料易被微生物分解[7]。

生物質(zhì)炭是有機物原料在完全或者部分缺氧條件下，經(jīng)過高溫熱裂解（通常<700 ℃）產(chǎn)生的一類富碳、高度芳香化和穩(wěn)定性高的有機物質(zhì)。生物質(zhì)炭自身具有較高的pH值，可以有效提高酸性土壤中活性氫離子的含量，從而降低土壤的酸度，提高土壤pH值。生物質(zhì)炭表面一般帶負電荷，有很高的CEC，可以提高土壤中鉀、鈣、鎂和有效氮、有效磷的含量，從而可以提高土壤肥力[8-10]。由于生物質(zhì)炭自身的多孔條件和高比表面積，將其施入土壤后可以有效地改良土壤的通氣性和持水能力，降低土壤容重和比重，促使土壤形成溫度團聚體，提高土壤的孔隙度，加強土壤的持水能力，提高土壤的通氣效果[11-13]。此外，生物質(zhì)熱解形成的生物質(zhì)炭芳香性很高，在土壤中較其他有機物料更為穩(wěn)定[14]，對土壤理化性質(zhì)的改善可以持續(xù)較長時間。因此，盡管目前還存在著制備能耗高以及在制備過程中會產(chǎn)生PAHs等問題[15]，生物質(zhì)炭對于酸性土壤來說仍然不失為一種較為理想的改良劑[16]。

近年來，為提高生物質(zhì)炭對土壤改良的效果，不同生物質(zhì)炭在土壤中的配施方式得到了廣泛關(guān)注。但目前關(guān)于不同溫度制備的甘蔗渣炭施入土壤后對熱帶磚紅壤理化性質(zhì)的影響鮮有報道。本研究以南方代表性農(nóng)業(yè)廢棄物甘蔗渣為前驅(qū)物制備生物質(zhì)炭，以生物質(zhì)炭為改良劑，通過室內(nèi)模擬實驗，分析生物質(zhì)炭對熱帶磚紅壤物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的影響，為熱帶農(nóng)業(yè)土壤改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試生物質(zhì)炭 生物質(zhì)炭由甘蔗渣在不同溫度條件下熱解炭化制成。本實驗所用甘蔗渣為甘蔗（海南產(chǎn)）榨糖后剩余的殘留物，經(jīng)過風干并粉碎后密封保存?zhèn)溆?。制備過程參考筆者前期的研究[16]，按以下程序進行：將采集的甘蔗渣自然風干，使其含水量保持在10%左右，用粉碎機粉碎，使得甘蔗渣樣品粒徑<3 mm，盛入瓷坩堝，蓋緊密封，置于馬弗爐內(nèi)，采用程序升溫法進行炭化，升溫速率設(shè)為10 ℃/min，升溫至200 ℃后，保持200 ℃預(yù)炭化2 h；繼續(xù)程序升溫，分別升溫到350 ℃、450 ℃、550 ℃、650 ℃和750 ℃，保持以上溫度炭化3 h；自然冷卻至室溫，制成的生物質(zhì)炭按制備溫度分別命名為GZ350、GZ450、GZ550、GZ650、GZ750，研磨過100目篩后備用。供試生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)見表1。

1.1.2 供試土壤 供試土壤采自海南省?？谑薪紖^(qū)，為發(fā)育自砂巖頁巖的0～20 cm表層磚紅壤。供試土壤經(jīng)自然風干后，研磨過2 mm孔徑篩供培養(yǎng)實驗用，過0.25 mm孔徑篩供土壤基本性質(zhì)測定。供試土壤的基本性質(zhì)：pH為4.92，有機質(zhì)含量為27.1 g/kg，CEC為26.62 cmol/kg，容重為1.20 g/cm，全氮含量為1.47 g/kg，全磷含量為0.37 g/kg，全鉀含量為2.08 g/kg。

1.2 方法

1.2.1 培養(yǎng)實驗 添加5種分別以甘蔗渣為前驅(qū)材料制備的生物質(zhì)炭，按比例（0、0.1%、0.5%、1.0%和5.0%，m/m）添加于供試土壤中，充分混合后取200 g于500 mL錐形瓶中；將裝有模擬施用生物質(zhì)炭的土壤樣品的錐形瓶置于人工振蕩培養(yǎng)箱中，在200 r/min條件下反復(fù)振蕩7 d，以便生物質(zhì)炭與土壤接觸均勻；隨后停止振蕩，使土壤水分保持在70%田間持水量，在28 ℃條件下培養(yǎng)45 d；培養(yǎng)結(jié)束后，將土樣全部風干，部分過2 mm、1 mm和0.25 mm篩，分析土樣的理化性質(zhì)。

1.2.2 分析方法 甘蔗渣基生物質(zhì)炭樣品中的C、H、N、S元素采用Vario Micro Cube元素分析儀（德國Elementar公司）進行測定，陽離子交換量采用氯化鋇-硫酸強迫交換法進行測定[17]；按1 ∶ 20固液比振蕩混勻后，放置0.5 h ，用pH計測定上清液的pH值。

土樣比重采用比重瓶法測定，容重和田間持水量采用環(huán)刀法測定，通過試驗所得的土樣容重與比重值分別求得孔隙度。土壤CEC采用氯化鋇-硫酸強迫交換法測定，pH采用玻璃電極法測定，有機質(zhì)使用重鉻酸鉀容量法測定，堿解氮采用堿擴散法測定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，有效鉀采用1 mol/L HNO3、火焰光度計測定[18]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 繪制圖表，用SPSS 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，應(yīng)用最小顯著差數(shù)法（LSD）進行多重比較，顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度制備的生物質(zhì)炭對土壤化學性質(zhì)的影響

2.1.1 對土壤pH的影響 甘蔗渣基生物質(zhì)炭對土壤pH的影響見圖1。添加不同溫度下制備的甘蔗渣基生物質(zhì)炭均可以提高磚紅壤的pH值。土壤pH值的變化與生物質(zhì)炭的添加比例正相關(guān)，隨著添加比例的提高，pH值也逐漸增大。分別添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%的5種生物質(zhì)炭，土壤pH分別平均增加了0.082、0.15、0.27、1.05個單位；當添加量達到1%以上時，5種溫度下制備的生物質(zhì)炭均較對照顯著提高了磚紅壤的pH值。而在生物質(zhì)炭添加量相同的情況下，隨著生物質(zhì)炭制備溫度的提高，土壤pH值提高幅度明顯增加，其中GZ350平均提升了0.12個單位，GZ450平均提升了0.17個單位，GZ550平均提升了0.54個單位，GZ650平均提升了0.52個單位，GZ750提升了0.59個單位。當添加量在0.5%以上時，添加GZ550、GZ650、GZ750的土壤pH均顯著高于添加GZ350和GZ450的土壤pH。

2.1.2 對土壤CEC的影響 甘蔗渣基生物質(zhì)炭對土壤CEC的影響見圖2。添加生物質(zhì)炭可以提高磚紅壤CEC，CEC隨生物質(zhì)炭的增加而上升，分別添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%生物質(zhì)炭的土壤CEC平均各增加3.82、5.49、8.95、13.79 cmol/kg，比對照土壤分別提高14.3%、20.6%、33.6%、51.8%。添加比例為5.0%時，5種生物質(zhì)炭處理的土壤CEC均顯著高于對照土壤。不同生物質(zhì)炭對土壤CEC的提高效果隨制備溫度的上升而增大，添加0.5%～5.0%的生物質(zhì)炭，土壤CEC分別較對照平均提升了17.3%（GZ350）、 20.5%（GZ450）、 34.9%（GZ550）、 36.5%（GZ650）、 41.3%（GZ750），其中添加4種不同比例GZ750的土壤CEC均顯著高于對照。

2.1.3 對土壤有機質(zhì)的影響 甘蔗渣基生物質(zhì)炭對土壤有機質(zhì)的影響見圖3。隨著生物質(zhì)炭添加比例的增加，土壤有機質(zhì)的含量也逐漸增加。添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%生物質(zhì)炭，5種不同生物質(zhì)炭處理的土壤有機質(zhì)分別比對照平均提高了0.98、1.67、2.08、2.84 g/kg。添加不同比例、不同種類生物質(zhì)炭，土壤有機質(zhì)平均提升了1.89 g/kg。添加比例達到1.0%以上時，不同溫度制備的生物質(zhì)炭均能顯著提高土壤有機質(zhì)。不同溫度制備的生物質(zhì)炭對土壤有機質(zhì)的提高效果不一，添加比例相同時，土壤有機質(zhì)平均提高幅度為GZ650>GZ750>GZ550>GZ350>GZ450，其中GZ650和GZ750的4種不同添加比例處理較對照均能顯著提高土壤有機質(zhì)。

2.2 不同溫度制備生物質(zhì)炭對土壤速效養(yǎng)分的影響

2.2.1 對土壤堿解氮的影響 甘蔗渣基生物質(zhì)炭對土壤堿解氮的影響見圖4。添加甘蔗渣基生物質(zhì)炭可以提高磚紅壤對堿解氮的保持能力，添加不同比例和不同種類的生物質(zhì)炭的土壤堿解氮較對照平均提高了37.4%。除添加0.1%的GZ350處理外，其他添加不同比例、不同種類生物質(zhì)炭的處理均顯著提高了土壤堿解氮含量。土壤堿解氮含量隨著生物質(zhì)炭添加比例的增加而提高，添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%生物質(zhì)炭，土壤堿解氮含量平均分別比對照提高了20.2%、30.0%、41.5%、57.9%。添加比例相同時，不同溫度制備的生物質(zhì)炭對土壤堿解氮含量的提高效果為GZ650>GZ750> GZ550>GZ450>GZ350。

2.2.2 對土壤有效磷的影響 甘蔗渣基生物質(zhì)炭對土壤有效磷的影響見圖5。添加0.1%的生物質(zhì)炭后土壤有效磷含量較對照土壤下降了3.21～6.64 mg/kg，平均下降4.93 mg/kg，下降幅度達到31.0%。進一步提高生物質(zhì)炭添加比例，土壤有效磷含量明顯增加，分別平均比對照提升31.7%（0.5%）、151.5%（1.0%）、1318.8%（5.0%），同一種生物質(zhì)炭處理土壤的有效磷含量與生物質(zhì)炭的添加比例呈線性相關(guān)（表2）。分別添加5.0%不同生物質(zhì)炭處理的土壤有效磷含量均顯著高于對照土壤，最高的是GZ750處理，較對照增加了386.73 mg/kg。生物質(zhì)炭添加比例相同時，不同溫度制備的生物質(zhì)炭處理的土壤有效磷含量大小為GZ750>GZ650>GZ450>GZ550>GZ350，添加不同比例的GZ350和GZ550處理的土壤有效磷含量均無顯著差異。

2.2.3 對土壤有效鉀的影響 甘蔗渣基生物質(zhì)炭對土壤有效鉀的影響見圖6。土壤有效鉀含量隨著生物質(zhì)炭添加比例的增加而上升。添加比例較低時，生物質(zhì)炭對土壤有效鉀的影響不明顯，添加0.1%的不同生物質(zhì)炭，土壤有效鉀含量與對照無明顯差異；添加比例為0.5%時，也僅有GZ550處理的土壤有效鉀含量顯著高于對照土壤；當添加比例達到1.0%以上時，不同生物質(zhì)炭處理的土壤有效鉀含量均顯著高于對照土壤。同種生物質(zhì)炭處理的土壤有效鉀含量與生物質(zhì)炭的添加比例呈線性相關(guān)（表2）。添加比例相同時，不同溫度制備的生物質(zhì)炭處理的土壤有效鉀含量不同，具體為GZ550> GZ750>GZ650>GZ450>GZ350，其中GZ350、GZ450、GZ650處理的土壤有效鉀含量無顯著差異。

3 討論與結(jié)論

生物質(zhì)炭具有較高的pH和CEC，眾多研究都表明生物質(zhì)炭可以提高酸性土壤的pH和CEC[7，19-20]。生物質(zhì)炭對土壤酸度的改良效果主要決定于生物質(zhì)炭本身所含堿量[7]，對CEC的改良機理一方面是養(yǎng)分元素由于物理作用而被截留在生物質(zhì)炭的孔隙中[7]；另一方面生物質(zhì)炭比表面積大，且施入土壤后其芳香結(jié)構(gòu)邊緣逐漸被氧化，形成羰基、酚基和醌基官能團，從而增加了對陽離子的吸附[21]。本研究表明同一前驅(qū)物制備的生物質(zhì)炭，與低溫制備的生物質(zhì)炭相比，高溫制備生成的生物質(zhì)炭（GZ750）對提高酸性土壤pH和CEC的效果更好，這與Yuan等[22]、Nocak等[23]的研究結(jié)果基本一致。對土壤pH的提高，可能與生物質(zhì)炭中碳酸鹽的總量和結(jié)晶態(tài)碳酸鹽的含量均隨其制備溫度的升高而增加有關(guān)[7]。對土壤CEC的提高，一方面可能與生物質(zhì)炭本身的CEC含量相關(guān)，從表1可知，制備溫度越高，生物質(zhì)炭CEC含量越高；另一方面，制備溫度越高，生物質(zhì)炭提高土壤pH的幅度越高，而酸性磚紅壤的pH升高，其可變負電荷數(shù)量增加，同樣也會提高土壤的CEC[20]。

生物質(zhì)炭本身碳含量非常高，在土壤中加入生物質(zhì)炭可以提高土壤有機碳的含量。本研究顯示，GZ650處理的土壤有機碳含量最高，這可能是由于GZ650的穩(wěn)定性最高的原因[15]，也可能是GZ650具有發(fā)達的孔隙度和較大的比表面積，對土壤中易礦化的有機質(zhì)起到一定的吸附保護作用，從而降低有機質(zhì)的可利用性[24]。

生物質(zhì)炭可以提高土壤對養(yǎng)分離子鈣、鉀、鎂和NH4+等的吸持能力，同時其本身含有大量的活性磷、鉀元素，因此，施入生物質(zhì)炭可提高土壤的有效養(yǎng)分含量[25-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，添加0.1%的生物質(zhì)炭后土壤有效磷含量反而較對照土壤有所下降，這可能與生物質(zhì)炭通過提高土壤pH值改變了土壤中磷的有效性及自身對磷的吸附有關(guān)。制備溫度高的生物質(zhì)炭對提高堿解氮的效果相對較好，這可能是因為制備溫度高的生物質(zhì)炭具有多孔特性和巨大的比表面積，本身對氮的吸附能力較強[15]；同時生物質(zhì)炭制備溫度越高，土壤pH也越高，可以促進土壤中的NH3和NH4+轉(zhuǎn)化為NO3-，有研究表明，高溫制備的生物質(zhì)炭更有利于NO3-的吸附，降低了土壤中堿解氮的流失[28]。添加GZ650和GZ750的土壤有效鉀含量較GZ550有所下降，原因可能為生物質(zhì)炭中的有效鉀會隨著熱解產(chǎn)生的灰分而流失。

磚紅壤中添加甘蔗渣基生物質(zhì)炭，可以提高土壤的pH、CEC、有機質(zhì)和有效養(yǎng)分含量，效果隨添加量的增加而增強；但添加量需達到5.0%以上，對土壤比重、孔隙度和田間持水量的改良效果才達到顯著水平。不同制備溫度的甘蔗渣基生物質(zhì)炭之間對磚紅壤物理性狀改良效果沒有顯著差異。制備溫度越高，生物質(zhì)炭對土壤pH、CEC和有效磷含量的提高效果越好，而GZ650對有機質(zhì)和堿解氮含量的提高效果最佳，GZ550對有效鉀含量的提高效果最好。綜合考慮，GZ650和GZ750對磚紅壤具有較好的改良效果。但同時考慮制備生物質(zhì)炭的能耗，建議使用5.0%的GZ650作為改良海南島磚紅壤的最優(yōu)配方。

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