摘要：選取9個(gè)生物炭施加比例進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，測(cè)定生物炭的施加對(duì)吉林西部地區(qū)沙化土壤理化性質(zhì)及綠豆幼苗生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，隨著生物炭施加比例的增加，土壤的電導(dǎo)率、pH顯著升高，土壤吸濕水含量、土壤有機(jī)質(zhì)以及氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素含量均有所增加。生物炭的施加對(duì)綠豆種子出苗的影響不顯著，一定量的生物炭對(duì)綠豆幼苗的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，但是生物炭施加比例過(guò)高會(huì)對(duì)綠豆幼苗的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。

關(guān)鍵詞：吉林西部地區(qū)；生物炭；沙化土壤；理化性質(zhì)；生長(zhǎng)指標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：S156.2；S156.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）17-4457-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.026

Abstract： Nine different biochar proportions were chosen for pot experiments， to determine the effect of biochar on the physical-chemical properties of sandy soil and mungbean seedling growth in western Jilin province. Results showed that with increase of biochar applied proportion， the soil electrical conductivity and pH were significantly increased， the soil hygroscopic moisture content， soil organic matter and NPK nutrients content increased accordingly. The effect of biochar application on the germination of mung bean seeds was insignificant. The growth of mung bean seedlings was stimulated by a certain amount of biochar， but inhibited in the excessively high biochar proportion.

Key words： western Jilin province； biochar； sandy soil； physical-chemical properties； growth index

生物炭還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。通常認(rèn)為生物炭是由生物殘?bào)w在缺氧的情況下，經(jīng)高溫慢熱解（通常低于700 ℃）產(chǎn)生的一類(lèi)難溶、穩(wěn)定、高度芳香化、富含碳素的固態(tài)物質(zhì)，具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的吸附性能。根據(jù)生物質(zhì)材料的來(lái)源，生物炭可以分為木炭、竹炭、秸稈炭、動(dòng)物糞便炭等[1]。

生物炭體系由碳元素構(gòu)成，由于碳原子彼此間具有極強(qiáng)的親和力，使生物炭無(wú)論在低溫或高溫下都有很好的穩(wěn)定性，可以在土壤中長(zhǎng)時(shí)間存留，甚至上千年不被降解，具有碳封存作用[2]。制備生物炭的原材料可以選取農(nóng)業(yè)廢棄物，如秸稈、花生殼等，減少二次污染。生物炭作為土壤改良劑，施入土壤，可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改變土壤理化性質(zhì)、提高土壤持水量、通氣性，提高土壤肥力及營(yíng)養(yǎng)的可利用性[3-5]。生物炭的比表面積（通常是200～400 m2/g）比沙質(zhì)土的比表面積（沙粒表面積0.01～0.10 m2/g）高，適宜做為沙化土壤的改良劑，有益于改善沙質(zhì)土壤的持水性[6，7]。生物炭作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑受到關(guān)注[8]，本研究通過(guò)設(shè)置不同生物炭施加比例進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，探討以生物炭作為改良劑對(duì)吉林西部沙化土壤理化性質(zhì)及作物幼苗不同生長(zhǎng)指標(biāo)的影響，為生物炭改良劑在退化土壤生態(tài)環(huán)境修復(fù)中的運(yùn)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

沙化土壤取自吉林省西部大安地區(qū)，此區(qū)域?yàn)轱L(fēng)沙土；作物材料為綠豆種子；生物炭由沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 栽培試驗(yàn) 將土壤風(fēng)干，土壤、生物炭分別過(guò)1 mm篩。設(shè)置9個(gè)生物炭施加比例，碳含量分別為0、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，混合均勻，以不施加生物炭的土壤作為對(duì)照，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，每個(gè)處理3次重復(fù)。每盆放置等量土、澆等量水（200 mL/盆），挑選飽滿的綠豆，用75%乙醇表面消毒，洗凈催芽，出芽后播種，每盆均勻播種20粒，播種深度一致。綠豆出苗后記錄出苗情況，計(jì)算發(fā)芽率。發(fā)芽率=發(fā)芽的種子數(shù)/供檢測(cè)的種子數(shù)×100%。7 d后發(fā)芽率統(tǒng)計(jì)完，每盆選擇3株長(zhǎng)勢(shì)較好的幼苗保留。3周后收獲，測(cè)株高、地上部鮮重、地下部鮮重、干重、葉片葉綠素含量等指標(biāo)。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)試 幼苗株高、根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)測(cè)定用電子式數(shù)顯卡尺；幼苗鮮重和干重測(cè)定用稱(chēng)量法；土壤電導(dǎo)率測(cè)定用CON1000型臺(tái)式電導(dǎo)儀；土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定用重鉻酸鉀法；pH測(cè)定用PH-3C型酸度計(jì)；土壤速效氮測(cè)定采用堿擴(kuò)散法，速效磷測(cè)定采用鉬銻抗比色法，速效鉀測(cè)定采用火焰光度法；葉綠素測(cè)定用SPAD-502型葉綠素儀。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)采用EXCEL和SPSS軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭的施加對(duì)吉林西部沙化土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 生物炭對(duì)土壤吸濕水含量的影響 不同生物炭施加比例對(duì)土壤吸濕水含量的影響見(jiàn)圖1。隨著生物炭施加比例逐步升高，沙土吸濕水含量總體也呈上升趨勢(shì)。在生物炭施加比例達(dá)到30%時(shí)，沙土吸濕水含量達(dá)到峰值2.27%。隨后生物炭施加比例逐步上升，沙土吸濕水含量反而呈緩慢下降趨勢(shì)。

2.1.2 生物炭對(duì)土壤電導(dǎo)率和pH的影響 不同生物炭施加比例對(duì)土壤pH和電導(dǎo)率的影響見(jiàn)圖2。隨著生物炭含量的增加，pH和電導(dǎo)率均呈顯著上升趨勢(shì)，當(dāng)生物炭含量超過(guò)30%后，電導(dǎo)率和pH上升趨勢(shì)更明顯。這可能是由于生物炭自身含有生物質(zhì)留下的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)離子，因此添加到土壤中會(huì)提高土壤電導(dǎo)率。而且生物炭本身呈堿性，因此隨著生物炭含量的增高，pH也隨之增加。

2.1.3 生物炭對(duì)土壤中養(yǎng)分元素含量的影響 土壤礦質(zhì)元素是影響作物產(chǎn)量的主要因素，是反映作物生長(zhǎng)條件的重要指標(biāo)。不同生物炭施加比例對(duì)土壤氮磷鉀含量的影響見(jiàn)圖3。隨著生物炭含量的增加，土壤中N、P、K含量均呈上升趨勢(shì)，且在生物炭比例超過(guò)25%后，N、P、K含量漲幅迅速。因此生物炭的施加對(duì)土壤中養(yǎng)分元素的積累和含量存在正相關(guān)關(guān)系。

2.1.4 生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響 不同生物炭施加比例對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響見(jiàn)圖4。隨著生物炭施加比例的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，可能是由于生物炭的主要成分是碳，因此隨著生物炭含量的增加，所測(cè)得的土壤樣品中有機(jī)炭的含量增高，進(jìn)而影響到有機(jī)質(zhì)的含量。

2.2 生物炭對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2.1 生物炭對(duì)綠豆發(fā)芽率的影響 發(fā)芽率是衡量種子生命力的重要指標(biāo)之一，土壤作為種子生長(zhǎng)的環(huán)境對(duì)種子的質(zhì)量和健康情況起控制作用。向土壤中施入生物炭可以減小土壤的抗張力強(qiáng)度[9]和土壤密度[10]，抗張力強(qiáng)度減小會(huì)使種子易發(fā)芽，同時(shí)利于根系的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，促進(jìn)土壤生物在土壤中的移動(dòng)[11]。不同生物炭施加比例對(duì)綠豆發(fā)芽率的影響見(jiàn)圖5。生物炭為0、15%、20%、30%處理綠豆發(fā)芽最早，生物炭為35%、40%的處理發(fā)芽較晚。但總體上看，生物炭的施加對(duì)綠豆的發(fā)芽率沒(méi)有顯著影響。

2.2.2 生物炭對(duì)植株葉綠素、株高的影響 葉綠素在植物體內(nèi)的合成很大程度上受土壤中的礦質(zhì)元素的影響，對(duì)葉綠素的測(cè)定可以反映植株的生長(zhǎng)狀況，從而側(cè)面反映出土壤中的礦物元素富含程度。不同生物炭施加比例對(duì)綠豆幼苗葉綠素含量的影響見(jiàn)圖6。當(dāng)施加的生物炭達(dá)到5%時(shí)，綠豆幼苗中葉綠素含量達(dá)到最高，植株生長(zhǎng)狀況最好，而在生物炭過(guò)高時(shí)（達(dá)到40%時(shí)），植株葉綠素含量小幅度下降。與對(duì)照相比，生物炭施加對(duì)綠豆幼苗株高的影響不明顯，生物炭過(guò)高時(shí)，反而抑制綠豆幼苗的生長(zhǎng)。

2.2.3 生物炭對(duì)綠豆幼苗生物量的影響 不同生物炭施加比例對(duì)綠豆幼苗生物量的影響見(jiàn)圖7。施加生物炭之后綠豆幼苗的鮮重明顯增加，生物炭為15%和30%的處理中綠豆幼苗的生物量達(dá)最高；隨著生物炭施加比例的提高，綠豆幼苗的干重隨之升高，當(dāng)施加比例過(guò)高（超過(guò)30%）時(shí)，綠豆幼苗的干重小幅下降，干重最高值出現(xiàn)在15%和30%處理。由此可見(jiàn)，生物炭過(guò)多可能對(duì)植株生長(zhǎng)起到抑制作用。

3 小結(jié)與討論

大量、復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)使得生物炭材料的比表面積較大，有利于水分入滲和保存。生物炭與沙土混合后增加了土壤的孔隙度與滲透性，改變了沙土的吸濕水含量、pH和電導(dǎo)率，增強(qiáng)了土壤固定礦質(zhì)元素能力及土壤有機(jī)質(zhì)含量，隨著生物炭使用量的增加，沙土性質(zhì)改變?cè)鰪?qiáng)，施加生物炭對(duì)吉林西部沙化土壤理化指標(biāo)影響顯著。生物炭施加對(duì)綠豆種子萌發(fā)、幼苗葉綠素含量和株高的影響不明顯，明顯增加了綠豆幼苗的生物量，尤其是中等量（15%和30%）的生物炭施加對(duì)幼苗干物質(zhì)的積累影響明顯。從土壤的指標(biāo)來(lái)看，生物炭施加比例越高對(duì)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的影響越明顯。但是由于吉林西部地區(qū)土壤偏堿性，而生物炭本身也呈堿性，過(guò)多地施加生物炭會(huì)使土壤的pH過(guò)高，抑制植物生長(zhǎng)。從植物生長(zhǎng)指標(biāo)來(lái)看，并不是生物炭施加比例越高對(duì)作物生長(zhǎng)越有利，中等用量時(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)明顯，施用過(guò)多對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用減弱，甚至?xí)a(chǎn)生抑制作用，在改良土壤時(shí)要考慮不同用量生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。從試驗(yàn)的結(jié)果看，施加15%～20%生物炭的改良效果最優(yōu)。由于生物炭的性質(zhì)和作用與其原材料以及制備工藝有關(guān)，不同生物炭的作用還需要更深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉玉雪，劉 微，吳偉祥，等.土壤生物炭環(huán)境行為與環(huán)境效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20（4）：977-982.

[2] 張千豐，王光華.生物炭理化性質(zhì)及對(duì)土壤改良效果的研究進(jìn)展[J].土壤與作物，2012，1（4）：219-224.

[3] SCHMIDT M W，NOACK A G. Black carbon in soils and sediments：Analysis，distribution，implications，and current challenges[J].Global Biogeochemical Cycles，2000，14（3）：777-793.

[4] DELUCA T H，MACKENZIE M D，GUNDALE M J，et al. Wildfire-produced charcoal directly influences nitrogen cycling in ponderosa pine forests[J].Soil Science Society of America Journal，2006，70：448-453.

[5] GUNDALE M J，DELUCA T H. Temperature and source material influence ecological attributes of ponderosa pine and Douglas-fir charcoal[J].Ecological Management，2006，231：86-93.

[6] DUGAN E，VERHOEF A， ROBINSON S， et al. Bio-char from sawdust，maize stover and charcoal： Impact on water holding capacities（WHC） of three soils from Ghana[A].19th World Congress of Soil Science，Symposium 4.2.2，Soil and water-global change， Soil Solutions for a ChangingWorld[C].Brisbane：WCSS，2010.

[7] GLASER B， BIRK J J. State of the scientific knowledge on properties and genesis of Anthropogenic Dark Earths in Central Amazonia （terra preta de ？魱ndio）[J].Geochimica Et Cosmochimica，2012，82：39-51.

[8] 高海英，何緒生，耿增超，等.生物炭及炭基氮肥對(duì)土壤持水性能影響的研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27（24）：207-213.

[9] CHAN K Y，VAN ZWIETEN V L，MESZAROS I，et al. Agronomic value of greenwaste biochar as a soil amendment[J]. Soil Research，2007，45（8）：629-634.

[10] KISHIMOTO S，F(xiàn)LANAGAN T B. The thermodynamics of hydrogen in palladium carbon alloys[J].Zeitschrift für Physikalische Chemie，1985，143：51-59.

[11] BENGOUGH A G，Mullins C E.The resistance experienced by roots growing in a pressurized cell-A reappraisal[J].Plant and Soil，1990，123（1）：73-82.