王 菡，王 磊

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

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炭化秸稈還田量對(duì)土壤肥力與作物生長(zhǎng)的影響*

王 菡，王 磊

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

摘要：隨著秸稈資源化利用技術(shù)的發(fā)展，秸稈炭化制成生物炭還田引起了廣泛的關(guān)注。文章采用室外盆栽的方式，以大豆為目標(biāo)作物，設(shè)置5個(gè)生物炭還田比例，研究了炭化秸稈還田量對(duì)土壤肥力以及作物生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，不同炭化秸稈還田量均可提高土壤肥力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，但其作用程度存在顯著差異。土壤和作物對(duì)高還田炭量表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)能力，還田質(zhì)量比為30%時(shí)具有最強(qiáng)的氮磷保留緩釋能力和最高的作物生物量與產(chǎn)量，綜合效果最佳。

關(guān)鍵詞：秸稈還田 生物炭 土壤肥力 土壤改良

農(nóng)田土壤是地球表層系統(tǒng)中較為活躍的碳儲(chǔ)庫(kù)［1］，兼具碳源與碳匯的雙重功能［2］。隨著全球氣候變暖日趨嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)被賦予了低碳減排的新使命。秸稈是農(nóng)業(yè)作物的主要副產(chǎn)品，是優(yōu)質(zhì)的可再生資源，但長(zhǎng)期以來(lái)未能得到充分合理的利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有超過50%的秸稈被廢棄或燃燒，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染［3］。如何對(duì)作物秸稈進(jìn)行有效的資源化利用是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展迫切需要解決的問題。作為目前秸稈利用的主要方式，直接還田具有良好的土壤改良效應(yīng)［4］。但是由于微生物的分解作用，秸稈還田后降解速率較快，增加了土壤的CO2排放，削弱了其碳匯功能［5］。秸稈經(jīng)無(wú)氧高溫?zé)峤饪梢缘玫缴锾浚哂懈叨鹊纳锘瘜W(xué)抗分解性，與直接還田相比能夠大幅度提升土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性［6］。因此秸稈炭化還田日益被接受為一種重要的CO2減排增匯途徑。

秸稈炭化還田具有廣闊的前景，但是目前缺乏具體可行的還田模式。由于秸稈資源的可再生性，秸稈炭化還田需要長(zhǎng)期進(jìn)行，而土壤對(duì)炭化秸稈的容納能力是否存在限值，還田炭量積累到一定限度時(shí)將如何影響土壤的肥力及作物生長(zhǎng)目前尚不清楚。文章通過進(jìn)行不同秸稈炭化還田量的盆栽試驗(yàn)，分析其對(duì)土壤肥力及作物生長(zhǎng)的影響，以期為拓展廢棄農(nóng)林秸稈的炭化還田措施提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與生物炭

實(shí)驗(yàn)所采用的土壤取自崇明東灘濕地公園，土壤類型為新圍墾的貧瘠土壤，供試土壤取自0～20 cm 土層，去除雜物后，過2 mm 篩。土壤基本理化性質(zhì)為：容重1.38 g/cm3，含水率21.67%，pH值7.23，總氮2.29 g/kg，速效磷171.9 mg/kg，土壤總有機(jī)碳1.14 g/kg。

供試生物炭由遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心生產(chǎn)，原料為花生殼?；纠砘再|(zhì)為：容重0.57 g/cm3，含水率38.80%，pH值7.51，總氮3.57 g/kg，速效磷160.07 mg/kg，土壤總有機(jī)碳52.47 g/kg。

1.2 盆栽試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理組別，將生物炭分別以2%、5%、10%、30%、50%的質(zhì)量比與預(yù)處理后的供試土壤均勻混合，置于鉆有透氣孔的無(wú)蓋塑料盆中，每盆總質(zhì)量為35. 00 kg。土壤層高約25 cm，每個(gè)處理設(shè)置3 組重復(fù)，并設(shè)空白土壤對(duì)照組，記為0%。塑料盆于2014年6月5日置于室外，雨水與日照等同自然界情況，穩(wěn)定15 d后（6月20日），播種大豆，每盆4 棵。在大豆生長(zhǎng)期間根據(jù)需要進(jìn)行澆水，期間不進(jìn)行施肥。

1.3 樣品采集

實(shí)驗(yàn)共采集2次土壤樣品，分別于土壤混合當(dāng)日與大豆收獲日（9月20日）進(jìn)行。以梅花布點(diǎn)法采集表層土壤樣品（5～10 cm），混合后采用四分法分為2份，一份保存于4 ℃冰箱中，一份風(fēng)干后過60 目篩，用于土壤理化指標(biāo)的測(cè)定。在大豆生長(zhǎng)末期（9月20日）收割植物后分類存放，用于植物生物量的測(cè)定。

1.4 樣品測(cè)定

總氮（TN）：采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法。

速效磷（AP）：采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法。

土壤總有機(jī)碳（SOC）：采用日本島津總有機(jī)碳測(cè)定儀TOC-V-CPN，總碳（TC）經(jīng)過900 ℃燃燒爐測(cè)定，無(wú)機(jī)碳（IC）先加入過量磷酸，再經(jīng)過200 ℃燃燒爐測(cè)定，結(jié)果采用差減法：SOC=TC﹣IC。

植物生物量：植物成熟后收割洗凈，于120 ℃烘干8 h，稱其干重。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)測(cè)定結(jié)果均以平均值表示（3次重復(fù)），采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）和Duncan多重比較（P=0.05）分析其顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭化秸稈還田量對(duì)土壤肥力的影響

該文采用氮（N）磷（P）兩種植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素和土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤肥力的代表性指標(biāo)［7］。種植初期，不同秸稈炭化還田量處理之間的TN含量無(wú)明顯差異（圖1）。供試生物炭中TN高于土壤，均勻混合后的初始TN應(yīng)隨炭化秸稈施加量的增加而增加，但此處無(wú)顯著差異，可能是由于土壤中原本氮素分布不均勻?qū)е?。?jīng)過一個(gè)季度的種植，各處理的TN均比種植初期有所提高，這可能是由于大豆根瘤菌的固氮作用引起的［8］。秸稈生物炭具有巨大的比表面積和表面官能團(tuán)，能強(qiáng)烈吸附土壤中的溶解態(tài)氮，對(duì)根瘤菌固定的氮素起到一定的滯留作用，使其不宜被雨水淋洗流失［9］。炭化秸稈對(duì)氮的吸附和截留能力與施加量無(wú)明顯的線性關(guān)系，在各處理中，30% 的TN增幅最大，為18.15%，表現(xiàn)出該還田碳量具有較強(qiáng)的保留與緩釋能力，對(duì)提高土壤TN具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。

炭化秸稈施加量對(duì)AP的影響作用較為明顯，由圖2可知，不同處理土樣速效磷含量差異較大。在種植初期，不同的秸稈炭化還田量均增加了土壤AP，但作用強(qiáng)度有所不同，10%處理的AP（168.62 mg/kg）與空白對(duì)照（171.90 mg/kg）無(wú)顯著差異，而50%處理的AP含量最高（287.93 mg/kg）。從時(shí)間上來(lái)看，大豆生長(zhǎng)末期各處理的AP含量與初期相比均出現(xiàn)不同程度的下降，且施加生物炭各組的AP含量未高于空白對(duì)照。10%處理的土壤AP含量最低，為116.94 mg/kg。這可能是由于生物炭對(duì)土壤中磷的吸附和截留作用造成的。從相對(duì)變化來(lái)看，在添加生物炭的各組中，50%雖在初期AP含量最高，但保留比例最低，僅為53.3%，這可能是由于生物炭顯著降低了50%處理的土壤容重，增大了土壤的孔隙度，增加了土壤中磷的流失率［10］。而30%處理具有最高的AP保留比例，為70.6%，說(shuō)明在該還田量下，與生物炭引起磷流失影響相比，其對(duì)AP的保留和緩釋作用更強(qiáng)。

土壤有機(jī)碳可以改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、養(yǎng)分吸持和交換，并支持微生物活動(dòng)等［11］，是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，也是影響作物產(chǎn)量的重要因素。從圖3可知，土壤的SOC含量隨著還田炭量的增加而增加，這是因?yàn)樯锾勘旧砗胸S富的碳元素，使得土壤中的碳得到迅速補(bǔ)充。30%、50%兩個(gè)高炭量處理由于加入的生物炭比例較高，其SOC顯著高于低炭量處理組，分別為143.25 g/kg 和233.60 g/kg。在種植末期，各處理SOC表現(xiàn)出輕微下降，這可能是由土壤中不穩(wěn)定碳的分解造成的。還田炭量較高時(shí)絕對(duì)碳輸入量較大，所含不穩(wěn)定碳總量更多，SOC分解更為明顯，但其絕對(duì)值仍顯著高于其它處理。生物炭中碳組分多為芳香化結(jié)構(gòu)，與不穩(wěn)定碳成分相比更難以被土壤微生物降解利用，穩(wěn)定性較高，因而具有更強(qiáng)的保留能力?？梢姡斩捙c秸稈炭化還田可以提高土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量，增加土壤有機(jī)碳含量。

圖1 不同還田炭量對(duì)土壤TN的影響

圖2 不同還田炭量對(duì)土壤AP的影響

圖3 不同還田炭量對(duì)土壤SOC的影響

表1 秸稈炭化還田量對(duì)大豆生長(zhǎng)的影響

2.2 炭化秸稈還田量對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

從株高、生物量及大豆產(chǎn)量來(lái)看，秸稈炭化還田后對(duì)大豆的生長(zhǎng)均表現(xiàn)出不同程度的促進(jìn)作用（表1），隨還田炭量的增加，促進(jìn)效果呈先增大后減小的趨勢(shì)，并在30%處理中達(dá)到最佳效果。種植期結(jié)束收獲大豆時(shí)，炭化秸稈還田量的不同處理間植物株高存在顯著性差異，生物炭的添加對(duì)大豆株高均表現(xiàn)出促進(jìn)作用，其中30%處理的植株最高（64.75 cm）。植物生物量可以綜合反映土壤的改良效果，反映了植物的固碳量［12］。由表可知，不同還田量處理的植物生物量與大豆產(chǎn)量均顯著高于空白對(duì)照，印證了炭化秸稈作為土壤改良劑的增產(chǎn)作用，且顯示作物生長(zhǎng)對(duì)還田炭量的適應(yīng)性和容納能力較高，炭化秸稈的積累量不存在極限值，可進(jìn)行連續(xù)還田。

生物炭的多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其比表面積較高，吸附性較強(qiáng)，可固持鈍化土壤養(yǎng)分，減緩?fù)寥鲤B(yǎng)分的流失，增加土壤養(yǎng)分利用率，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。隨著還田炭量的增加，大豆的生物量出現(xiàn)先增加后減少的單峰不對(duì)稱趨勢(shì)。在30%處理中，生物量（772.33 g/m2）與大豆產(chǎn)量（271.67 g/m2）均達(dá)到最高值，與空白對(duì)照相比增產(chǎn)率分別高達(dá)35%與53%。還田炭量增加至50%時(shí)，大豆生物量與產(chǎn)量反而低于30%處理的產(chǎn)量，說(shuō)明生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用與施加量非線性正相關(guān)，存在最佳作用閾值。其在高施加量下的抑制作用可能是由于生物炭的高碳氮比提高了土壤的碳氮比，限制了植株對(duì)氮的有效吸收［13］，進(jìn)而限制了作物生長(zhǎng)。綜合各指標(biāo)，炭化秸稈還田在質(zhì)量比為30%時(shí)達(dá)到最佳的作物生長(zhǎng)促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，秸稈炭化還田時(shí)，不同的還田炭量對(duì)土壤肥力和作物生長(zhǎng)的影響存在顯著差異，但不隨還田炭量的增加呈現(xiàn)線性變化：（1）還田后的生物炭具有一定氮磷的固持鈍化作用，高還田炭量可長(zhǎng)期提高TN，吸附緩釋AP；（2）秸稈炭化后較為穩(wěn)定，土壤SOC隨還田炭量的增加而線性增加；（3）秸稈炭化還田對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用隨施加量的增加而先增強(qiáng)后減弱，在30%的還田比例時(shí)呈最佳狀態(tài)；（4）土壤和作物對(duì)高還田炭量表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)能力，炭化秸稈可連續(xù)還田，無(wú)極限濃度值，還田比例為30%時(shí)出現(xiàn)較好的肥力改良效應(yīng)和最高的作物增產(chǎn)率，綜合效果最佳?？紤]其較高的生物炭保留能力和植物固碳能力，將秸稈炭化后以此比例還田是較為理想的土壤低碳化改良方式。

秸稈炭化的工藝簡(jiǎn)單，原料易得，還田操作在在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的可行性高。然而，不同秸稈制成的生物炭性質(zhì)存在很大差異，且土壤類型眾多，不同的秸稈炭化還田方式在各種土壤上的表現(xiàn)也必然不同。因此，生物炭性質(zhì)與其生物環(huán)境效應(yīng)關(guān)系有待進(jìn)一步研究。由于生物炭的高度穩(wěn)定性，長(zhǎng)期還田后炭化秸稈對(duì)土壤肥力和作物生長(zhǎng)是否能繼續(xù)保持其積極影響目前尚未清楚。跟蹤觀測(cè)秸稈炭化還田的長(zhǎng)期改良效應(yīng)并分析其影響機(jī)制將成為下一步的研究方向，以探索更佳的秸稈炭化還田模式。

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*基金項(xiàng)目：上海市科委重大科技攻關(guān)項(xiàng)目 （11 dz1211403；14231200404）