袁金華，徐仁扣，俄勝哲，車宗賢

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生物質(zhì)炭中鹽基離子存在形態(tài)及其與改良酸性土壤的關(guān)系①

袁金華1,2，徐仁扣3，俄勝哲1,2，車宗賢1,2

(1甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070；2農(nóng)業(yè)部甘肅耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，蘭州 730070；3土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008)

為研究生物質(zhì)炭中鹽基離子存在形態(tài)及其與改良酸性土壤的關(guān)系，通過厭氧熱解的方法于300、500和700 ℃下制備了玉米秸稈炭?？疾炝藷峤鉁囟葘τ衩捉斩捥克苄?、交換性和鹽基總量的影響。采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法考察了添加玉米秸稈炭對酸性土壤的改良效果。結(jié)果表明：熱解溫度影響玉米秸稈炭各形態(tài)鹽基離子含量，玉米秸稈炭總K、總Na、總Ca、總Mg、水溶性K、水溶性Na、水溶性Ca、交換性Ca和交換性Mg含量隨熱解溫度升高顯著增加；水溶性Mg和交換性K含量隨熱解溫度升高先增加后下降。玉米秸稈炭中的K和Na主要以水溶態(tài)存在，約40% 的Ca和30% 的Mg以交換態(tài)存在，約50% 的Ca和70% 的Mg以其他形態(tài)(主要為難溶態(tài))存在。添加玉米秸稈炭能極顯著提高酸性土壤pH和降低土壤交換性Al3+含量，提高和降低幅度隨熱解溫度升高極顯著增加?？侹 + 總Na + 總Ca + 總Mg含量可以作為衡量玉米秸稈炭提高酸性土壤pH能力的間接指標。添加玉米秸稈炭能極顯著提高土壤交換性K、Na和Mg含量，能顯著提高交換性Ca和總鹽基離子含量。玉米秸稈炭總K和總Na含量是提高土壤交換性K和Na含量的決定因素，交換性Ca含量在提高土壤交換性Mg和交換性鹽基總量中起決定作用。

玉米秸稈炭; 熱解溫度; 鹽基離子形態(tài); 土壤改良

酸性土壤幾乎占據(jù)了全球可耕地土壤的50%，隨著土壤酸化過程的繼續(xù)進行，面積還在擴大[1-2]。我國南方熱帶和亞熱帶地區(qū)分布有大面積的酸性土壤，近30年來由于銨態(tài)氮肥的過量施用和酸沉降的持續(xù)影響，土壤酸化呈加速發(fā)展趨勢[3-8]。土壤酸化是土壤退化的一個重要方面，是熱帶亞熱帶酸性土壤地區(qū)制約土壤生產(chǎn)力的主要限制因素。土壤酸化增加了Al毒和Mn毒對作物的危害，降低了P、Mo、B等元素的有效性，造成Ca、Mg、K等鹽基性養(yǎng)分離子的虧缺[9]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，由生物質(zhì)熱解制備的生物質(zhì)炭是一種高效的酸化土壤改良劑[10-17]。

生物質(zhì)炭一般呈堿性，具有提高酸化土壤pH和降低土壤酸度的作用[18-19]。它不僅能通過增強酸性土壤自身的抗酸化能力而阻止酸性土壤的復(fù)酸化，而且可以降低復(fù)酸化過程中Al毒的潛在危害[20]。生物質(zhì)炭含有豐富的C及作物所需的N、P、K、Ca、Mg等營養(yǎng)元素，可以提高土壤Ca、Mg、K、Na等鹽基離子含量而減小土壤酸化帶來的危害[21-22]。生物質(zhì)炭改良酸化土壤過程中，生物質(zhì)炭的堿性物質(zhì)中和土壤H+的同時其中的鹽基離子會釋放出來與交換性H+和交換性Al3+發(fā)生陽離子交換反應(yīng)，使部分交換性Al3+釋放進入土壤溶液中，此時生物質(zhì)炭中的堿中和由于Al3+水解產(chǎn)生的H+，促進溶液中的活性形態(tài)鋁轉(zhuǎn)變?yōu)槎栊缘腁l(OH)3，這是生物質(zhì)炭增加酸化土壤交換性鹽基離子含量、降低土壤交換性酸的主要機制，也是生物質(zhì)炭改良土壤酸度的主要機制[23]。

經(jīng)生物質(zhì)炭改良后的酸性土壤中的鹽基離子主要來源于所施用的生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭中鹽基離子的含量和存在形態(tài)影響其改良酸性土壤的能力，但機制尚不明確。為此，本研究通過3個熱解溫度下制備的玉米秸稈炭對酸性土壤為期1年的改良試驗，旨在研究熱解溫度對玉米秸稈炭鹽基離子含量和存在形態(tài)的影響，揭示鹽基離子K、Na、Ca、Mg在玉米秸稈炭改良酸性土壤中的作用機制，為生物質(zhì)炭作為高效酸性土壤改良劑的應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 玉米秸稈炭的制備

玉米秸稈采自南京市郊區(qū)農(nóng)田。將秸稈于室溫下自然風干，粉碎過1 mm篩后裝入陶瓷坩堝中，裝滿壓實，蓋上蓋子置于馬弗爐中于300、500和700 ℃下進行厭氧熱解，升溫速率為20 ℃/min，熱解過程持續(xù)4 h[24]，待自然冷卻至室溫后取出研磨過1 mm篩備用，熱解過程進行3次重復(fù)。

1.2 玉米秸稈炭物理化學(xué)性質(zhì)測定

玉米秸稈炭的總K、總Na、總Ca、總Mg含量采用干灰化-酸溶法提取[25]，具體操作步驟為：稱取0.200 0 g的玉米秸稈炭置于坩堝中，每個處理3次重復(fù)。將坩堝蓋上蓋子置于馬弗爐中以20 ℃/min的升溫速率加熱至200 ℃，并維持1 h，接著以20 ℃/min的升溫速率加熱至500 ℃，并維持4 h，待馬弗爐溫度降至室溫時取出樣品。將灰化產(chǎn)物溶于25.0 ml 1.0 mol/L的標準HCl溶液中，搖勻后過濾備用。取過濾后的酸溶液，火焰光度計法測定K、Na含量，原子吸收分光光度計法測定Ca、Mg含量。玉米秸稈炭的水溶性鹽基離子和交換性鹽基離子采用文獻報道的方法測定[26]，具體操作步驟為：稱取0.200 0 g的玉米秸稈炭，先用100 ml的去離子水淋洗5次，每次所用去離子水為20 ml，收取濾液并測定其中的K、Na、Ca、Mg含量，即為水溶性鹽基離子含量；接著用100 ml 1.0 mol/L的乙酸鈉溶液(pH 7)淋洗5次，每次所用乙酸鈉溶液為20 ml，收取濾液并測定其中的K、Ca、Mg含量，即為交換性鹽基離子含量。

1.3 供試土壤基本性質(zhì)

供試土壤采自安徽郎溪(119°8￠E，31°6￠N)，為第四紀紅黏土，0 ~ 10 cm表層土壤，風干過2 mm篩。采用1:2.5的土水比測得土壤的pH為4.31，土壤有機質(zhì)為16.5 g/kg，CEC為9.36 cmol/kg，交換性H+、Al3+、K+、Na+、Ca2+和Mg2+分別為0.20、5.97、0.53、0.68、4.92和0.35 cmol/kg。

1.4 土壤培養(yǎng)試驗

玉米秸稈炭的加入量為風干土的1.65%，土壤與炭混合均勻后置于塑料杯中，按田間持水量的70% 加入去離子水。塑料杯用保鮮膜封口，并在膜中間留一小孔，以便氣體交換并減少水分損失。將塑料杯置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每隔3 d稱重1次并補充水分，以保持土壤含水量恒定。每個處理重復(fù)3次，并設(shè)不加玉米秸稈炭的處理作為對照。培養(yǎng)試驗持續(xù)1年，培養(yǎng)結(jié)束后將土壤樣品取出風干，研磨過2 mm篩備用。

1.5 土壤交換性酸和交換性鹽基測定

土壤交換性酸用1.0 mol/L氯化鉀(pH 7.0)溶液淋洗，堿滴定法測定[27]。土壤交換性鹽基用1.0 mol/L醋酸銨(pH 7.0)浸提，浸提液中的K、Na用火焰光度法測定，Ca、Mg用原子吸收分光光度法測定[27]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 15.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果

2.1 K、Na、Ca、Mg含量

玉米秸稈炭中總K、總Na、總Ca、總Mg含量均隨熱解溫度升高顯著增加(表1)。與300 ℃相比，500和700 ℃下總K含量顯著增加了50.8% 和117%，總Na含量顯著增加了16.4% 和116%，總Ca含量顯著增加了47.4% 和136%，總Mg含量顯著增加了57.0% 和157%。水溶性K、Na和Ca含量隨熱解溫度升高顯著增加，水溶性Mg含量隨熱解溫度升高先增加(500 ℃)后下降(700 ℃)。與300 ℃相比，500和700 ℃下水溶性K含量顯著增加了72.1% 和149%，水溶性Na含量顯著增加了67.7% 和444%，水溶性Ca含量顯著增加了76.1% 和134%，水溶性Mg含量顯著增加了64.4%和15.6%。交換性K含量隨熱解溫度升高先增加(500 ℃)后下降(700 ℃)，交換性Ca和Mg含量隨熱解溫度升高顯著增加。與300 ℃相比，500和700 ℃下交換性K含量顯著增加了29.3% 和18.8%，交換性Ca含量顯著增加了31.9% 和84.6%，交換性Mg含量顯著增加了75.4% 和82.1%。

表1 300、500和700℃下玉米秸稈炭不同形態(tài)鹽基離子含量

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異達到<0.05 顯著水平。

2.2 K、Na、Ca、Mg所占比例

水溶性、交換性和其他形態(tài)K、Na、Ca、Mg分別占總K、總Na、總Ca、總Mg的比例見圖1。隨熱解溫度升高，水溶性K和Na所占比例分別從71.7% 升高到82.2% 和從30.5% 升高到76.7%。水溶性Ca和Mg所占比例從300 ℃到500 ℃表現(xiàn)為增加，分別從9.45% 升高到11.3% 和從7.03%升高到7.36%，500 ℃時所占比例最大；從500 ℃到700 ℃時表現(xiàn)為降低，700 ℃時所占比例降至最低，分別為9.39% 和3.17%。隨熱解溫度升高，交換性K和Ca所占比例分別從17.9% 降低到9.78%和從48.3% 降低到37.8%。交換性Mg所占比例從300 ℃到500 ℃時表現(xiàn)為增加，從28.0% 增加到31.2%，500 ℃時所占比例最大；從500 ℃到700 ℃時表現(xiàn)為降低，700 ℃時所占比例降至最低，為19.8%。

圖1 不同形態(tài)鹽基離子占某一鹽基離子總量比例

3個熱解溫度下，水溶性K、Na、Ca、Mg分別占總K、總Na、總Ca、總Mg的比例范圍為71.7% ~ 82.2%、30.5% ~ 76.7%、9.39% ~ 11.3%、3.17% ~ 7.36%，平均78.6% 的K、50.4% 的Na、10.0%的Ca和5.85% 的Mg以水溶態(tài)存在；交換性K、Ca、Mg所占比例范圍為9.78% ~ 17.9%、37.8% ~ 48.3%、19.8% ~ 31.2%，平均14.3% 的K、43.1% 的Ca和26.4% 的Mg以交換態(tài)存在；以其他形態(tài)存在的K、Ca、Mg所占比例范圍為2.89% ~ 10.4%、42.2% ~ 52.8%、65.0% ~ 77.0%，平均7.10%的K、46.8% 的Ca和67.8% 的Mg以其他形態(tài)存在。以水溶態(tài)和交換態(tài)存在的鹽基離子是最容易被植物吸收利用的離子形態(tài)，二者之和能反映玉米秸稈炭中有效態(tài)鹽基離子的占比情況。4種鹽基離子中，K、Ca和Mg為植物生長所需營養(yǎng)元素，其中K為大量營養(yǎng)元素，Ca和Mg為中量營養(yǎng)元素。3個熱解溫度下，水溶性和交換性K、Ca、Mg之和所占比例范圍為89.6% ~ 97.1%、47.2% ~ 57.8%、23.0% ~ 38.6%，平均92.9% 的K、53.2% 的Ca和32.2% 的Mg為植物有效態(tài)。

2.3 K、Na、Ca、Mg與玉米秸稈炭改良土壤酸度的關(guān)系

與對照相比，300、500和700 ℃下玉米秸稈炭分別將酸性土壤的pH極顯著提高了0.363、0.816和1.48個pH單位，提高程度隨熱解溫度升高極顯著增加；分別將酸性土壤的交換性Al3+含量極顯著降低了55.6%、82.7% 和98.0%，降低幅度隨熱解溫度升高極顯著增加(圖2)。

為考察各形態(tài)鹽基離子在玉米秸稈炭提高酸性土壤pH和降低交換性Al3+中的作用，采用逐步回歸分析法將300、500和700 ℃下玉米秸稈炭的總K、總Na、總Ca、總Mg、水溶性K、水溶性Na、水溶性Ca、水溶性Mg、交換性K、交換性Ca、交換性Mg、水溶性K + 交換性K、水溶性Ca + 交換性Ca、水溶性Mg + 交換性Mg、總K + 總Na + 總Ca + 總Mg、水溶性K + 水溶性Na + 水溶性Ca + 水溶性Mg、交換性K + 交換性Ca + 交換性Mg、水溶性K +水溶性Na + 水溶性Ca + 水溶性Mg + 交換性K + 交換性Ca + 交換性Mg含量分別與改良后土壤pH、交換性Al3+含量進行逐步回歸分析。結(jié)果顯示，總K + 總Na + 總Ca + 總Mg含量與土壤pH之間呈極顯著線性正相關(guān)，多元線性回歸方程為：= 0.010+ 3.451(校正判定系數(shù)2= 0.988，= 0.000)，其中，為土壤pH，為總K + 總Na + 總Ca + 總Mg含量(標準化回歸系數(shù)Beta = 0.995,= 0.000)。4種鹽基離子總量能解釋98.8% 玉米秸稈炭提高土壤pH的原因，在玉米秸稈炭提高土壤pH中的作用為99.5%。

(圖柱上方大寫字母不同表示處理間差異達到P<0.01顯著水平)

2.4 K、Na、Ca、Mg提高酸性土壤交換性鹽基的作用

與對照相比，300、500和700 ℃下玉米秸稈炭分別將酸性土壤的交換性K含量極顯著提高了338%、1 069% 和1 589%，提高程度隨熱解溫度升高極顯著增加；分別將交換性Na含量極顯著提高了52.2%、67.2% 和172%，提高程度隨熱解溫度升高極顯著增加，其中300和500 ℃之間差異不顯著；分別將交換性Ca含量顯著提高了85.8%、75.9% 和76.2%，其中300、500和700 ℃之間差異不顯著；分別將交換性Mg含量極顯著提高了75.6%、134% 和227%，提高程度隨熱解溫度升高極顯著增加(圖3)。分別將土壤交換性鹽基總量顯著提高了162%、224% 和323%，提高程度隨熱解溫度升高顯著增加(<0.05)。

(圖柱上方小寫字母不同表示處理間差異達到P<0.05顯著水平，大寫字母不同表示處理間差異達到P<0.01顯著水平)

將300、500和700 ℃下玉米秸稈炭的總K、總Na、總Ca、總Mg、水溶性K、水溶性Na、水溶性Ca、水溶性Mg、交換性K、交換性Ca、交換性Mg、水溶性K + 交換性K、水溶性Ca + 交換性Ca、水溶性Mg + 交換性Mg、總K + 總Na + 總Ca + 總Mg、水溶性K + 水溶性Na + 水溶性Ca + 水溶性Mg、交換性K + 交換性Ca + 交換性Mg、水溶性K + 水溶性Na + 水溶性Ca + 水溶性Mg + 交換性K + 交換性Ca + 交換性Mg含量分別與改良后土壤交換性K、交換性Na、交換性Ca、交換性Mg、交換性鹽基總量進行逐步回歸分析。結(jié)果顯示，總K含量與土壤交換性K含量呈極顯著線性正相關(guān)，多元線性回歸方程為：= 0.052–0.076(2= 0.998，= 0.000)，其中，為土壤交換性K含量，為總K含量(Beta = 0.999,= 0.000)?？侹含量能解釋99.8% 土壤交換性K含量升高的原因，在提高土壤交換性K含量中的作用為99.9%?？侼a含量與土壤交換性Na含量呈極顯著線性正相關(guān)，多元線性回歸方程為：= 0.176+ 0.142(2= 0.976，= 0.000)，其中，為土壤交換性Na含量，為總Na含量(Beta = 0.989,= 0.000)。總Na含量能解釋97.6% 土壤交換性Na含量升高的原因，在提高土壤交換性Na含量中的作用為98.9%。交換性Ca含量與土壤交換性Mg含量呈極顯著線性正相關(guān)，多元線性回歸方程為：= 0.139–0.015(2= 0.985，= 0.000)，其中，為土壤交換性Mg含量，為交換性Ca含量(Beta = 0.993，= 0.000)。交換性Ca含量能解釋98.5% 土壤交換性Mg含量升高的原因，在提高土壤交換性Mg含量中的作用為99.3%。交換性Ca含量與土壤交換性鹽基總量呈極顯著線性正相關(guān)，多元線性回歸方程為：= 0.820+ 2.294(2= 0.861，= 0.000)，其中，為土壤交換性鹽基總量，為交換性Ca含量(Beta = 0.937，= 0.000)。交換性Ca含量能解釋86.1% 土壤交換性鹽基總量升高的原因，其在提高土壤交換性鹽基總量中的作用為93.7%。

3 討論

3.1 熱解溫度對K、Na、Ca、Mg含量和存在形態(tài)的影響

玉米秸稈炭中K、Na、Ca、Mg總量、水溶態(tài)和交換態(tài)含量均隨熱解溫度升高呈顯著增加趨勢，這主要是因為在熱解原料相同的情況下，生物質(zhì)炭中元素含量和存在形態(tài)主要受熱解溫度影響[28-29]。隨熱解溫度升高，原料中的元素會在生物質(zhì)炭中發(fā)生富集[22]，從而增加了各形態(tài)鹽基離子含量。玉米秸稈炭中78.6% 的K以水溶態(tài)存在，主要是因為生物質(zhì)炭中的K主要以易溶性的KCl形態(tài)存在，容易被水淋洗[30-31]。Na在生物質(zhì)炭中的存在形態(tài)與K相似，主要以易溶性的NaCl形態(tài)存在[30-31]。玉米秸稈炭中只有10.0% 的Ca和5.85% 的Mg以水溶態(tài)存在，主要是因為Ca和Mg在生物質(zhì)炭中主要以CaCO3、CaMg(CO3)2等難溶性化合物形態(tài)存在，不容易被水淋洗[13]。水溶性K和Na所占比例隨熱解溫度升高而增加，主要是因為生物質(zhì)炭中K和Na主要以離子態(tài)存在，隨熱解溫度增加生物質(zhì)炭灰分增加，K和Na發(fā)生富集而提高了含量[13, 22]。水溶性Ca和Mg所占比例隨熱解溫度升高先增加后下降，主要是由于當熱解溫度高于500 ℃時，生物質(zhì)炭中的Ca和Mg化合物向晶體態(tài)轉(zhuǎn)變并且溶解性下降[13, 22]。交換性K、Ca、Mg所占比例隨熱解溫度升高而下降，主要是由于它們主要以靜電作用吸附在生物質(zhì)炭表面的羧基官能團上，隨熱解溫度升高羧基官能團呈下降趨勢，導(dǎo)致交換性K、Ca、Mg所占比例下降[13]。此外，隨熱解溫度升高形成的Ca和Mg難溶性化合物的增加是導(dǎo)致水溶性和交換性Ca、Mg所占比例下降的另一個原因。

3.2 K、Na、Ca、Mg與玉米秸稈炭改良土壤酸度的關(guān)系

以往的研究表明，生物質(zhì)炭中堿性物質(zhì)的主要存在形態(tài)為碳酸鹽和有機陰離子[13]，當將生物質(zhì)炭施入酸性土壤時，這些堿性物質(zhì)可與土壤溶液中的活性酸H+、Al3+和CO2等發(fā)生反應(yīng)生成碳酸氫鹽，碳酸氫鹽會進一步與酸反應(yīng)釋放出CO2，反應(yīng)過程中釋放出的Ca、Mg、K、Na等鹽基陽離子與土壤交換性H+和交換性Al3+發(fā)生交換反應(yīng)，降低它們的含量，提高土壤pH[2, 34]。本研究結(jié)果表明，玉米秸稈炭所含4種鹽基離子總量與土壤pH之間呈極顯著線性正相關(guān)性，能解釋98.8% 玉米秸稈炭提高土壤pH的原因，在玉米秸稈炭提高土壤pH中的作用為99.5%。說明，鹽基離子總量可以作為衡量玉米秸稈炭提高酸性土壤pH能力的間接指標，鹽基離子總量越高，玉米秸稈炭提高酸性土壤pH的能力越強，這和生物質(zhì)炭的鹽基離子濃度與其所含的堿性呈強的正相關(guān)性[35]的研究結(jié)果相一致。需要指出的是，決定生物質(zhì)炭改良酸性土壤能力的是其所含的堿性物質(zhì)的量的大小[10-13]。K、Na、Ca、Mg不能起到直接中和土壤酸度和提高土壤pH的作用。

3.3 K、Na、Ca、Mg提高酸性土壤交換性鹽基的作用機制

經(jīng)生物質(zhì)炭改良后的酸性土壤中的鹽基離子主要來源于生物質(zhì)炭帶入的鹽基離子，生物質(zhì)炭自身鹽基離子含量的高低往往決定改良后酸性土壤中的鹽基離子含量[13, 36]。本研究同樣表明了3個溫度下的玉米秸稈炭均極顯著或顯著提高了酸性土壤交換性K、Na、Ca、Mg含量和交換性鹽基總量。本研究表明，玉米秸稈炭的總K含量與土壤交換性K含量呈極顯著線性正相關(guān)，能解釋99.8% 土壤交換性K含量升高的原因，在提高土壤交換性K含量中的作用為99.9%；玉米秸稈炭的總Na含量與土壤交換性Na含量呈極顯著線性正相關(guān)，能解釋97.6% 土壤交換性Na含量升高的原因，在提高土壤交換性Na含量中的作用為98.9%。在玉米秸稈炭中，K和Na主要以KCl和NaCl等易溶鹽化合物存在，極易被醋酸銨溶解，改良后土壤的交換性K和Na很大部分是溶解于醋酸銨溶液中的K和Na離子，玉米秸稈炭中K和Na的含量決定了改良后土壤中交換性K和Na的量。因此，土壤交換性K和Na含量主要取決于玉米秸稈炭中總K和總Na含量。玉米秸稈炭的交換性Ca含量與土壤交換性Mg含量呈極顯著線性正相關(guān)，能解釋98.5% 土壤交換性Mg含量升高的原因，在提高土壤交換性Mg含量中的作用為99.3%；玉米秸稈炭的交換性Ca含量與土壤交換性鹽基總量呈極顯著線性正相關(guān)，能解釋86.1% 土壤交換性鹽基總量升高的原因，在提高土壤交換性鹽基總量中的作用為93.7%。玉米秸稈炭的交換性Ca取代土壤表面吸附的Al3+后，隨著土壤交換性Al3+的降低和pH的升高，土壤表面的負電荷大量增加，為K+、Na+和Mg2+等陽離子創(chuàng)造了更多的吸附點位，從而增加了陽離子在土壤表面的吸附量，提高了土壤的交換性鹽基總量，這是玉米秸稈炭的交換性Ca含量能極顯著提高土壤交換性Mg和交換性鹽基總量的主要原因。

4 結(jié)論

由于熱解過程對元素的富集作用，玉米秸稈炭中總K、總Na、總Ca、總Mg含量均隨熱解溫度升高顯著增加。玉米秸稈炭中K和Na主要以離子態(tài)存在，隨熱解溫度增加K和Na發(fā)生富集，水溶態(tài)離子含量顯著增加。由于隨溫度增加玉米秸稈炭中Ca、Mg化合物向晶體態(tài)的轉(zhuǎn)變，造成約50%的Ca和70% 的Mg以其他形態(tài)(主要為難溶態(tài))存在。K、Na、Ca、Mg可以作為間接指標衡量玉米秸稈炭提高酸性土壤pH的能力。玉米秸稈炭總K和總Na含量是提高土壤交換性K和Na含量的決定因素。玉米秸稈炭交換性Ca含量在提高土壤交換性Mg和交換性鹽基總量中起決定作用。

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Forms of Base Cations in Biochars and Their Roles in Acid Soil Amelioration

YUAN Jinhua1,2, XU Renkou3, E Shengzhe1,2, CHE Zongxian1,2

(1 Institute of Soil, Fertilizer and Water-saving Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China; 2 Gansu Scientific Observing and Experimental Station of Agro-Environment and Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture, Lanzhou 730070, China; 3 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Corn straw biochars were prepared under 300, 500 and 700 ℃ respectively by using oxygen-limited pyrolysis method. The effects of pyrolysis temperature on the contents of water soluble, exchangeable and total base cations in corn straw biochars were studied. The amelioration effects of corn straw biochars on an acid soil and the relationships between different forms of base cations and soil acidity amelioration were studied using an indoor incubation experiment for one-year time. The results showed that pyrolysis temperature had significant effects on the contents of different forms of base cations in corn straw biochars. The contents of total K, Na, Ca and Mg, water soluble K, Na and Ca, exchangeable Ca and Mg increased with increasing pyrolysis temperature. Water soluble Mg and exchangeable K first increased and then decreased with increasing pyrolysis temperature. The main forms of K and Na in corn straw biochars were water soluble forms, about 40% Ca and 30% Mg existing in exchangeable forms, about 50% Ca and 70% Mg existing in other forms (mainly in insoluble forms). Corn straw biochar can increase acid soil pH and decrease soil exchangeable Al3+significantly. The extent of increasing or decreasing increased significantly with increasing pyrolysis temperature. The sum content of total K+ total Na+ total Ca+ total Mg can be an indirect indicator for corn straw biochar’s capacity of raising acidic soil pH. The contents of soil exchangeable K, Na, Ca, Mg and total base cations were increased significantly by the addition of corn straw biochar. The total content of K or Na in corn straw biochar dominates the increase of soil exchangeable K or Na content. The content of exchangeable Ca in corn straw biochar dominated the increase of soil Mg and total base cations.

Corn straw biochar; Pyrolysis temperature; Forms of base cations; Soil amelioration

甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新專項計劃項目(2017GAAS26)、甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中青年基金項目(2015GAAS32)和甘肅省新型肥料創(chuàng)制工程實驗室項目(甘發(fā)改高技【2016】1099號)資助。

袁金華(1982—)，女，河南睢縣人，博士，副研究員，主要從事中低產(chǎn)田改良與土壤培肥技術(shù)研究。E-mail: yuanjinhua@gsagr.ac.cn

S156.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.01.011