棉稈基活性炭對棉花生長及新疆南疆沙化土壤物理性質影響

孔德國 ，劉龍 ，周嶺 ，弋曉康 ，張紅美 *

（1塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

新疆是我國主要棉花生產基地之一，隨著栽種面積逐年擴大，棉花已逐漸成為當地的支柱產業與經濟命脈。然而，由于棉花產量的不斷提高，主要副產物棉花秸稈量也迅速增加，大量剩余秸稈給周邊環境帶來了巨大壓力。目前棉花秸稈的處理途徑有粉碎還田、用做飼料以及就地焚燒［1-2］等方式。用做飼料僅能消耗極少部分的秸稈，就地焚燒會導致環境污染，粉碎還田是目前棉花秸稈的一種主要處理方式，然而該方法會加重次年的病蟲害［3-4］。

生物質原料在厭氧或缺氧條件下，經過高溫熱解得到的固態物質為生物炭，已有研究表明生物炭可以改良土壤結構［5］、增加作物產量［6］。近年來眾多學者開展了利用棉花秸稈為原料制備棉稈炭，并研究其對水體中污染物的去除效應［7-8］、棉稈炭對新疆南疆沙化土壤性能影響［9］等，還有部分學者開展了棉稈炭對棉田土壤性能和棉花生長影響的研究。顧美英等［10］研究結果表明，棉稈炭與生物有機肥配合施用能改善連作棉花根際土壤微生態環境，促進棉花生長。ZHU Y Q等［11］研究結果表明添加生物炭和生物肥料可以促進棉花生長。馮雷等［12］研究了棉稈炭施用方式對新疆灰漠土棉花生長及土壤性質的影響，結果表明含水量對于花蕾花鈴數有一定積極影響，灰漠土增施適量棉稈炭可彌補氮的不足，改善土壤理化性質。QAYYUM M F等［13］研究結果表明稻殼生物炭、麥秸生物炭和稻草生物炭對籽棉產量和品質的影響各不相同。侯艷艷等［14］研究結果表明棉稈炭的添加提高了陽離子交換性能，增加了土壤肥力，有利于新疆灰漠土土壤生產力的提高。

由于新疆南疆地區土壤堿性強，保水保肥能力差，棉稈基生物炭呈堿性，不利于改良新疆南疆沙化土壤。而棉稈基活性炭由于經過多次水洗，堿性減弱，不會加重土壤堿性。棉稈基活性炭對土壤物理性質和棉花生長影響的研究目前尚未見報道。本試驗在前期研究結果的基礎上［15-17］，以持水能力為參考指標，在最優化試驗方案下以NaOH、H3PO4和ZnCl2為活化劑制備棉稈基活性炭，并將其施入南疆沙化土壤中，研究其對現蕾期、吐絮期棉花生長及棉花采摘后土壤性能的影響，以期能夠為棉稈資源化的利用提供實驗數據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料的制備

試驗所需棉花秸稈采自于新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市十二團棉田，化學試劑（85%H3PO4、NaOH、ZnCl2）均為分析純，天津市化學試劑批發有限公司生產，蒸餾水自制。

制備棉稈基活性炭最佳工藝參數如表1所示，活性炭基本性質如表2所示。

表1 制備棉稈基活性炭工藝參數

表2 活性炭基本性質

田間試驗于2018年4月至11月在新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市十團棉花試驗田進行，土壤質地為壤土。土壤基本理化性質：pH為8.09，電導率為3.25 ms/cm，速效磷含量為34.63 mg/kg，速效鉀含量為57.79 mg/kg，堿解氮含量為49.28 mg/kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

田間試驗采用隨機區組設計，小區面積為3 m2，以復合肥（N-P2O5-K2O：17-17-17）為底肥，50 kg/667 m2一次性施入。試驗共設計4個處理，即NaOH體系（C1）、H3PO4體系（C2）、ZnCl2體系（C3），不施活性炭處理組為對照組（CK）。每小區于翻地時一次性施入活性炭1.35 kg，每個處理3次重復。棉花種植采用雙行模式，雙行間距10 cm，株距10 cm，相鄰兩個雙行間距66 cm。棉花品種為‘新陸中49號’，采用田間管理模式。

1.2.2 樣品采集與測定

分別于現蕾期和吐絮期選取一定數量棉株測量株高。收獲期分3次全部采摘吐絮鈴，去除棉殼后曬干稱重，計算平均單鈴重，統計平均單株成鈴數，計算棉花產量，收獲密度按照12 000株/667 m2計算；棉花收獲后整株拔起，自然晾干稱量地上和地下生物量。

土壤養分：棉花收獲后，用環刀采集0～30 cm土層樣品，從上至下每10 cm為一層，記為上層、中層、下層。每個處理組于多個不同位置采樣。土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別采用擴散法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定。

土壤保水性能：采用烘干稱重法測定土壤含水率和保水率，并按（1）、（2）式計算。

其中，m2為環刀與濕土質量，g；m1為環刀與干土質量，g；m0為環刀質量，g。

其中mi為第i次稱量時環刀與土質量，g；m為采樣當天環刀與鮮土質量，g；m0為環刀與干土質量，g。

土壤容重和孔隙度：用紗布將取樣后的環刀底部包裹嚴實并置于盆中，加水至距環刀上邊緣3 cm，浸泡24 h，去除紗布并稱重，記為m1，g；環刀放在鋪有一層中性濾紙的沙土上，環刀上面用6 kg的砝碼壓實8 h后稱重，記為m2，g；將帶土環刀于105℃烘干至恒重，記為m3，g；環刀質量為m0，g，體積為V，mL。土壤容重和孔隙度采用式（3）～（6）計算。

2 結果與分析

2.1 活性炭對棉花生長影響

2.1.1 活性炭對棉花株高影響

為了研究活性炭對棉花生長的影響，分別于現蕾期和吐絮期測定棉花株高，結果如圖1所示。分析可知，NaOH體系（C1）、H3PO4體系（C2）、ZnCl2體系（C3），在現蕾期使棉花平均株高相對CK分別提高了-0.7%、5.7%和13.1%，在吐絮期分別提高了17.3%、24.9%和0.4%。可見C1在現蕾期對棉花生長具有抑制作用，在吐絮期具有促進作用；C2在棉花生育期均具有促進作用；C3由現蕾期的最強促進作用轉變為吐絮期的最弱促進作用。

圖1 活性炭對棉花株高影響

2.1.2 活性炭對棉花生物量和產量影響

為了進一步研究活性炭對棉花生長的影響，于棉花收獲后測定棉花生物量和產量，結果如表3所示。分析可知，地上生物量和地下生物量由大到小均為C1＞C2＞CK＞C3，可見C1和C2較CK地上生物量和地下生物量有所提高，雖然在現蕾期和吐絮期C3株高均高于CK，但其生物量低于CK，因為植株生物量除了與株高有關，還與莖粗有關。籽棉畝產量由大到小為C1＞C2＞CK＞C3，與植株生物量大小順序相同，C1、C2、C3較CK產量分別提高了18.5%、8.3%和-3.5%，可見C1籽棉畝產量提高最多，C3籽棉畝產量降低。

表3 活性炭對棉花生物量和產量影響

2.2 活性炭對土壤物理性質影響

為了探討不同活化劑處理的活性炭對棉花生長影響的原因，研究了活性炭對土壤容重、含水率、保水性能、孔隙度等物理性能影響。

2.2.1 活性炭對土壤容重影響

土壤上層緊實可減少水分蒸發，中層疏松有利于棉花根系發育，促進養分吸收，下層緊實能降低水肥流失。當土壤容重為1.25～1.4 g/mL時最有利于棉花生長。活性炭對土壤容重影響結果如圖2所示。分析可知，C1和C2土壤中層容重平均值小于上層和下層，有利于土壤保水保肥，C3和CK土壤容重上層最大，下層最小，水肥易流失，不利于棉花生長。C1、C2、C3和CK三層容重平均值分別為1.21 g/mL、1.17 g/mL、1.16 g/mL和1.14 g/mL，C1容重最接近1.25 g/mL。可見C1最有利于棉花生長。

圖2 活性炭對土壤容重的影響

2.2.2 活性炭對土壤含水率影響

活性炭對土壤上層、中層、下層及三層平均含水率影響結果如圖3所示。分析可知，活性炭增加了土壤含水率，C1、C2、C3平均含水率較CK分別增加了88.5%、77.0%和38.5%，即平均含水率由大到小為 C1＞C2＞C3＞CK，與土壤平均容重一致，這是因為活性炭的施入改變了土壤結構，同時也是由于活性炭本身具有發達的孔隙所造成的［18］。另外C2、C3和CK上、中、下層含水率依次減小，這是因為下層土壤容重小導致水分流失引起的；C1三層含水率相差不大，與其上下緊實、中間疏松的土壤結構有關。

圖3 活性炭對土壤含水率的影響

2.2.3 活性炭對土壤保水性能影響

為了研究活性炭對土壤保水性能影響，試驗測定了上層土壤水分蒸發曲線，結果如圖4所示。分析可知，水分蒸發12 d時添加活性炭的處理組保水率均高于CK，活性炭的施入提高了土壤保水性能。

圖4 活性炭對土壤保水性能影響

對曲線進行擬合得到水分蒸發方程，結果如表4所示。分析可知，C1、C2、C3水分蒸發速度相對CK分別為0.946 9、0.943 8和0.963 1，可見C2蒸發速度最慢，C1次之，C3較快，與上層土壤含水率結果一致。

表4 活性炭施入后沙化土壤保水性能

2.2.4 活性炭對土壤孔隙度影響

孔隙度的大小關系到土壤的透水性，當土壤總孔隙度為45%～50%時最有利于棉花生長。圖5為活性炭對上層土壤孔隙度的影響。分析可知，各個處理總孔隙度均在45%～50%之間，毛管孔隙度和非毛管孔隙度由大到小分別為C2＞C3＞C1＞CK、CK＞C1＞C3＞C2。CK組非毛管孔隙度最大，含水率和容重最小，是因為非毛管孔隙度中含有的大孔孔隙多［18］，土壤過于疏松，水分通過大孔孔隙滲入地下，使得水肥流失，導致棉花產量相對較低；C2毛管與非毛管孔隙度二者比值最大，同時容重和含水率最高，是因為C2所用活性炭孔徑小，水分被束縛于孔隙中無法釋放，導致棉花產量不是最高。C3組總孔隙度最大，而容重和含水率較CK組稍高，但低于C1和C2，是因為C3組中大孔孔隙較多，但少于CK，使得水分流失；C1組中毛管孔隙度不是最大，含水率也不是最高，但其棉花產量最高，是因為該組所用活性炭孔徑相對C2和C3大，被活性炭吸附的水分容易脫附被棉花吸收利用。

圖5 活性炭對土壤孔隙度的影響

2.3 活性炭對土壤養分含量的影響

棉花采摘后，保水能力越高的土壤養分含量反而越低，土壤中的養分被作物利用率越高。為了深入探究活性炭對棉花生長影響，測定了棉花采摘后土壤的堿解氮、速效磷和速效鉀含量，結果如圖6所示。分析可知，CK堿解氮含量最高，其他3個處理組相差不大；速效磷和速效鉀含量C1最低，這是因為C1所用活性炭孔徑相對C2和C3大，被活性炭吸附的養分易脫附，同時C3和CK保水性能差，肥料易隨水分流失。另外C2速效磷含量最高，這是因為活性炭在水洗過程中孔隙中的磷酸根沒有完全釋放導致的。C1提高了棉花對養分的利用率，因此C1棉花產量最高。C3保水性能較CK高，但由于被活性炭吸附的養分不易釋放，導致其棉花產量低于CK。

圖6 活性炭對土壤養分含量的影響

3 結論

1）NaOH體系活性炭有利于棉花的生長和產量提高，對棉花起促進作用；ZnCl2體系活性炭不利于棉花的生長和產量提高，且作用效果低于對照組。

2）NaOH體系活性炭對土壤的容重為1.21 g/mL，H3PO4體系活性炭對土壤容重為1.17 g/mL，ZnCl2體系活性炭對土壤容重為1.16 g/mL。NaOH體系活性炭處理的土壤的容重最適合棉花生長的土壤容重（1.25～1.24 g/mL）。

3）不同處理組對土壤毛管孔隙度由大到小依次為H3PO4體系、ZnCl2體系、NaOH體系、對照組，對土壤非毛管孔隙度由大到小依次為對照組、NaOH體系、ZnCl2體系、H3PO4體系。綜上所述，NaOH體系活性炭處理的土壤孔隙度，最有利于棉花對水分和養分的吸收，最適宜棉花生長。