生物炭的10年土壤培肥效應

史思偉,婁翼來,杜章留,王 芊,韓 碩，張慶忠

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081)

生物炭是生物質材料在低溫缺氧條件下熱裂解得到的富碳物質[1]，一般含碳量大于50%，除了富含大量的碳化組分以外，生物炭中也包含了大量的非碳化組分(N、P、K、Ca、Mg等)[2]。近年來，研究者逐漸將生物炭應用到農業領域，作為一種利用價值較高的農田土壤改良劑，能夠改善農田土壤的理化性質，增加土壤碳固定，提升土壤肥力[3-4]。然而，生物炭作為一種土壤改良劑，其與土壤、植被之間的交互作用位點變化較大，因此很難建立起明確的土壤理化性質和生物炭適用性之間的關系[5]。從長遠角度來看，農田土壤施用生物炭可以增加土壤有機物質儲存[6-8]，促進作物對N的吸收[9]，改善土壤孔性、pH值、水分蒸發等[10-11]。

本文以華北平原持續10年的生物炭田間定位試驗為依托，通過取樣分析，研究了長期施用生物炭對土壤有機質、養分等肥力因子的影響，旨在揭示長期施用生物炭的土壤培肥效應，為生物炭的合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點

試驗地點位于山東省桓臺縣華北集約農業生態系統試驗站(東經117°58′，北緯36°5′，海拔17.0 m)。桓臺縣屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均日照時數2 832.7 h，5月最多，2月最少，日照率62%，年平均氣溫12.5℃，年平均降水量587 mm，多集中在6～8月。土壤類型為砂姜黑土，試驗前基礎土壤性質(0～15 cm)為:有機質18.6 g·kg-1，全氮0.70 g·kg-1，有效磷11.5 mg·kg-1，速效鉀210.1 mg·kg-1，容重 1.52 g·cm-3，pH值(土水比=1∶2.5)8.1。作物為一年兩熟制，冬小麥(10月初至次年6月初)和夏玉米(6月中旬至9月下旬)輪作。

1.2 試驗設計

本試驗選用的生物炭(粒徑<1 mm)為秸稈炭，是將壓碎的玉米秸稈在低溫(360℃)限氧的條件下熱裂解得到的。秸稈炭的基本理化性質為：比重0.297 g·cm-3，pH值8.1，總碳65.7%，總氮0.91%，有效磷0.08%，速效鉀1.60%。

田間試驗開始于2007年6月，共設4個處理：對照(CK)、生物炭4.5 t·hm-2·年-1(B4.5)、生物炭9 t·hm-2·年-1(B9.0)、秸稈還田(SR)，每個處理重復3次，完全隨機區組排列，小區面積為36 m2(6 m×6 m)，共計12個小區。生物炭人工撒施后翻耕(深度15 cm)混入表層土壤中，收獲后的作物秸稈直接粉碎翻耕還田。其他栽培管理措施均為一致，其中每季作物氮磷鉀肥用量分別為：N 200 kg·hm-2、P2O563.64 kg·hm-2和K2O 45.46 kg·hm-2。其中氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。磷鉀肥均做底肥一次性施入，氮肥一半底施，另一半做追肥。

1.3 土樣采集與分析

1.4 數據處理

試驗所得數據應用Excel 2007和SPSS 19.0進行分析處理，采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較(P<0.05)，最終結果均以“平均值±標準差”的形式呈現。

2 結果與分析

2.1 土壤容重

土壤容重在1.23～1.37 g·cm-3之間，平均為1.30 g·cm-3，下層的容重相對較大(圖1)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的土壤容重分別降低了2.2%、8.2%和6.7%，其中后兩個處理的變化達到顯著差異水平，而B4.5處理的變化不顯著，且B9.0和B4.5處理之間的差異亦顯著。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的土壤容重分別降低了2.2%、7.3%和5.1%，各處理之間的差異顯著性和0～7.5 cm土層一致。

圖1 不同處理土壤容重注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 土壤pH值和電導率

土壤pH值在8.01～8.11之間，平均為8.04，上土層相對較高(圖2)。在0～7.5 cm土層中，相比于CK,B4.5、B9.0、SR處理的土壤pH值均有提高，但處理間差異不顯著。在7.5～15 cm土層，相比于CK，B4.5、B9.0和SR變化較小，處理間差異亦不顯著。

圖2 不同處理土壤pH值

土壤電導率在189.1～231.3 μS·cm-1之間，平均為208.2 μS·cm-1，土層間差異較小(圖3)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5和B9.0處理的土壤電導率分別降低了5.8%和7.8%，SR處理的電導率升高了4.7%，差異均未達顯著水平。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5和B9.0處理的土壤電導率分別降低了1.5%和7.3%，SR處理提高了13.4%，差異亦不顯著。

圖3 不同處理土壤電導率

2.3 土壤有機質

土壤有機質含量在20.4～46.4 g·kg-1之間，平均為31.2 g·kg-1，施炭處理上層相對較高，而秸稈還田處理下層相對較高(圖4)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的土壤有機質含量分別上升了57.7%、123.1%和19.7%,其中B4.5、B9.0處理差異顯著，SR處理差異不顯著，且B4.5和B9.0處理間差異顯著。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的土壤有機質含量分別上升了58.3%、111.8%和40.7%，且各處理間差異性顯著。

圖4 不同處理土壤有機質含量

2.4 土壤養分

土壤總氮含量在1.05～1.29 g·kg-1之間，平均為1.19 g·kg-1，土層間差異較小(表1)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的總氮含量分別上升了11.4%、21.9%和21%，差異顯著，且B4.5和B9.0處理間差異亦顯著。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的總氮含量分別上升了11.3%、15.1%和21.7%，差異顯著，而B4.5和B9.0處理間差異不顯著。

土壤總磷含量在0.94～1.10 g·kg-1之間，平均為1.01 g·kg-1，土層間差異較小(表1)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理總磷含量略有上升，但處理間差異不顯著。在7.5～15 cm土層，總磷含量變化較小，各處理間差異性與0～7.5 cm一致。

土壤有效磷含量在8.45～23.5 mg·kg-1之間，平均為13.04 mg·kg-1，下土層相對較高(表1)。在0～7.5和7.5～15 cm土層，對比CK,B4.5、B9.0和SR處理的有效磷含量降低了23.1%～42.0%，且差異顯著，而B4.5和B9.0處理間差異不顯著。

土壤速效鉀含量在78.9～131.9 mg·kg-1之間，平均為102.2 mg·kg-1，上土層相對較高(表1)。在0～7.5 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的速效鉀含量分別上升了2%、30%和34%，其中后兩個處理的變化達到顯著差異水平，且B4.5和B9.0處理間差異顯著。在7.5～15 cm土層，與CK相比，B4.5、B9.0和SR處理的速效鉀含量分別上升了20.3%、10.1%和24.2%，其中B4.5、SR與CK處理間差異顯著，而 B4.5和B9.0處理間差異不顯著。

表1 不同處理土壤養分狀況

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 長期施用生物炭對土壤容重、pH值、電導率的影響

生物炭使耕層土壤容重降低了，且施炭量越大容重降低幅度越大。施用生物炭降低了土壤容重可能是因為其本身含有大量的表面孔隙，與土壤混合之后提高了土壤的孔隙比從而降低了土壤容重；其次，生物炭促進了土壤團聚體結構的形成[20-21]，從而增大了土壤孔隙度，造成土壤容重降低。此前，關于短期施用生物炭的田間試驗降低了土壤容重的研究已有報道[22]。本研究的結果表明，秸稈還田同樣降低了土壤容重。秸稈的物理密度較低，歸還到土壤中，在未完全腐解的狀態下可以對土壤結構產生疏松效果。另外，植物殘體的輸入可以提高其周圍微生物的活性，微生物的分泌液可以促進大團聚體的形成[23]，增加土壤的大孔隙數，進而降低容重。

施用生物炭土壤pH值略有提高，但是變化未達到顯著性差異水平。Chan等[24]做了添加不同原材料生物炭對土壤理化性質影響的短期盆栽試驗研究，結果表明添加生物炭顯著提高了土壤的pH值,該結果與本研究的結果并不一致。產生不同結果的原因可能是：1.供試土壤的初始pH值不同。本研究的試驗田初始的土壤pH值(8.1)偏堿性，雖然生物炭的性質也偏堿性，但是對土壤的pH值影響不明顯；2.生物炭的施用年限不同。本研究為長期施用生物炭試驗，短期內施用生物炭可能會提高土壤pH值，而長期施用生物炭提高了土壤孔隙度，使得土壤的淋洗作用變強，因此施用生物炭10年之后對土壤pH值的影響并不大。本研究的秸稈還田處理的土壤pH值變化較小。秸稈在土壤中腐解轉化能夠影響微生物活性，可能會影響土壤pH值，但是pH值的變化主要還是受到土壤質地、施肥、灌水等綜合因素的影響[25]。

施用生物炭的處理土壤電導率降低了，且施炭量越大電導率降低幅度越大。施用生物炭導致容重降低，因而增加了土壤的通氣性、蓄水性，但是容重過低容易造成養分的淋失[14]，養分的淋失更加劇烈可能是導致電導率下降的一個因素。另外，生物炭表面帶有大量的負電荷的官能團，對土壤中游離的陽離子(Ca2+、Mg2+等)具有較強的化學吸附作用。該結果與孫軍娜等[26]的短期室內培養試驗結果不一致。短期試驗的生物炭可能增加氫離子與土壤膠體表面發生陽離子置換作用，釋放離子增加土壤電導率，而長期試驗可能受土壤淋洗的影響更大。本研究中秸稈還田處理的結果則提高了土壤電導率，原因可能是作物秸稈中含有農作物生長需要的氮、磷、鉀、鎂、鈣等礦質營養元素,腐解之后釋放到土壤中，為土壤提供了外來的鹽分離子，增加了土壤中水溶性鹽分離子的總量。

3.2 長期施用生物炭對土壤有機質和養分狀況的影響

生物炭使土壤有機質含量提高了，且達到了顯著性差異水平。生物炭的含碳量高，穩定性強，能夠穩定的保存在土壤當中，有利于土壤中的有機碳的累積[27]。此外，大量研究發現，生物炭對土壤本體有機質存在激發效應，尤其是負的激發效應較多[28-29]，抑制了土壤本體有機碳的分解，減少了土壤的碳輸出。本研究的秸稈還田同樣提高了土壤有機質含量。秸稈還田增加了土壤的有機碳的輸入，有利于土壤有機碳的累積。

生物炭處理的土壤總氮含量同樣有顯著的提升，上升了11.3%～21.9%。此前有研究表明，生物炭可以提高生物固氮能力[30]，也可以促進菌根真菌的繁殖[31]。同時，由于生物炭對土壤有機質的負激發效應，緩解有機氮的礦化分解，也有利于土壤總氮的累積。本研究的秸稈還田處理也提高了土壤總氮含量。一方面是由于秸稈還田為土壤提供了新鮮的有機物質源，增加了土壤的氮輸入。另一方面可能是因為秸稈還田促進了真菌菌絲體的生長，提高了固氮能力。

本試驗的生物炭和秸稈還田處理總P含量都有提高，但均未達到顯著性差異。生物炭組分中含有一定量的P，在土壤中經過10年的轉化之后，可能為土壤提供了少部分的P。Raave等[34]也發現了施用生物炭使P的淋失降低了，增加了土壤中P的累積。因此，施用生物炭降低了P的淋失，也有可能是使總P含量略有上升的原因之一。本研究的秸稈還田處理總P含量同樣上升了，但亦未達到顯著性差異水平。秸稈中本身包含一定量的P，腐解之后為土壤提供了新的P源，增加了土壤P的輸入，有助于P含量的提升。

生物炭處理速效鉀的含量提升了2%～30%。生物炭本身包含大量的可提取性鉀，施入土壤之后增加了鉀的輸入，可能有助于速效鉀總量的提高。本研究中秸稈還田處理的速效鉀含量也提升了，并且達到了顯著性差異水平。秸稈可以作為農業生產中重要的肥料資源，能提升土壤有機質含量和質量、速效養分含量[35-36]。秸稈中含有大量的鉀元素，腐解之后為土壤提供了大量的鉀離子源，增加了土壤中鉀離子的輸入，這可能是土壤速效鉀含量顯著提高的主要原因。

4 結論

基于10年田間定位試驗的研究結果表明，長期施用生物炭能夠降低土壤容重，改善土壤的通氣和保水性能，此外顯著增加了土壤有機質、全氮含量，以及不同程度的提高土壤硝態氮和速效鉀含量。總的來說，長期施用生物炭具有明顯的固碳和土壤培肥效應。