生物炭對荒漠土壤的改良作用研究

陳萌萌，唐東山，張曉文，鄧欽文，李景心，許婉冰

(1.南華大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001；2.衡陽市土壤污染控制與修復重點實驗室，湖南 衡陽 421001)

荒漠化不僅是全球重要的生態(tài)環(huán)境問題之一，更是全球重要的經(jīng)濟和社會問題，它是脆弱的生態(tài)環(huán)境發(fā)生嚴重退化的重要標志[1]。目前全世界受荒漠化影響的國家有100多個，全球荒漠化面積達3600萬 km2，有約10億人口受到荒漠化的直接威脅。我國也是受荒漠化影響較嚴重的國家，其廣闊的干旱、半干旱及部分濕潤地區(qū)存在嚴重的土地荒漠化現(xiàn)象[2-3]。

近年來生物炭在農(nóng)業(yè)生態(tài)學領(lǐng)域應用廣泛，為解決廢棄生物質(zhì)利用、土壤改良、肥料創(chuàng)新等問題提供了新的途徑，在土壤改良、重金屬污染修復、作物生長、土壤微生物、土壤碳庫等研究中起到了積極作用[4]。生物炭是生物質(zhì)在真空或缺氧條件下熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化的富炭物質(zhì)[5]。生物炭主要是由碳、氫、氧、氮、灰分及含有大量的高分子、高密度的碳水化合物(主要為纖維素、羰基、酸及酸的衍生物、呋喃、吡喃以及脫水糖、苯酚、烷屬烴及烯屬烴類的衍生物等成分復雜有機碳的混合物)和多種礦物營養(yǎng)物質(zhì)組成[6]。諸多研究認為，生物炭能夠利用自身特性來彌補土壤的諸多不足，在一定程度上清除或緩解土壤常見的障礙性因子，以達到改良土壤的目的[7]。生物炭改良土壤主要是通過改變土壤的物理、化學和生物學性狀來實現(xiàn)的[8]。生物炭表面具有易氧化的官能團，隨著生物炭在土壤中存在時間的延長，表面鈍化后的生物炭與土壤相互作用產(chǎn)生一種保護基質(zhì)，增加土壤有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性，提高土壤有機碳的積累[9]。生物炭能改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，影響土壤微生物活性，減少營養(yǎng)元素的流失，調(diào)控營養(yǎng)元素的循環(huán)[10-11]。張崢嶸對秸桿、雜木制品廢料和污泥三種生物炭對土壤物理性質(zhì)的改良做了初步研究，研究了生物炭對紅壤、交換性酸、有效養(yǎng)分、交換性鹽基、水分吸持和機械力學性質(zhì)的影響[12]。Karrhu K等人研究表明生物炭可以增大土壤的比表面積、能有效降低土壤的容重與密度，增加土壤的總孔隙度、毛管孔隙度與通氣孔隙度，有效地保持土壤中的水分，從而促進植物更充分地吸收水分，減少水分的損失等[13]。施用生物炭可提高土壤的田間持水量，因此對砂性土這種水分保蓄能力弱的土壤具有重要意義，可作為一種有效手段來提高干旱地區(qū)沙性土的保水能力[14-15]。Zhang Jun 等通過生物炭對沙質(zhì)土水分蒸發(fā)和導水率影響的研究證明，生物炭在沙質(zhì)土壤中具有較強的吸水能力 ，但吸水能力僅體現(xiàn)在大孔徑生物炭，粉末狀生物炭對于保存水分沒有作用[16]。侯建偉則利用荒漠優(yōu)勢植物沙蒿燒制生物炭，將其進行沙地模擬封存，研究沙土的物理、化學和生物學性狀對不同生物炭及有機物料與生物炭協(xié)同作用的響應[17]。本試驗研究了兩種生物炭在增加土壤養(yǎng)分和提高土壤保水性能兩個方面對荒漠土壤的改良作用，為解決荒漠化問題提供了參考。

1 材料與方法

1.1 土壤

本試驗土樣2016年6月取自青海省海南藏族自治州固定-半固定沙丘(35°48.30'N,100°40.12'E)表層(0～5 cm)，沙樣平均直徑為 0.18 mm(表1)，根據(jù)土壤粒徑分類，該土壤為砂質(zhì)沙土，呈弱堿性。

表1 供試沙樣粒徑范圍分布

1.2 生物炭

圖1 掃描電鏡下生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)

圖2 X射線能譜分析下生物炭表面礦質(zhì)元素重量百分比

供試材料為谷殼生物炭和鋸末生物炭。谷殼由湖南省衡陽市稻谷脫殼取得，鋸末通過網(wǎng)絡平臺購得。將谷殼與鋸末在干燥箱中恒溫60 ℃，24 h烘干，用微型植物粉碎機粉碎后制取生物炭。炭化設(shè)備選用馬弗爐(SX-5-12,天津市泰斯特儀器有限公司),該設(shè)備可進行炭化溫度的調(diào)控。將烘干的谷殼和鋸末填滿于200 mL坩堝，密封。在馬弗爐內(nèi)400 ℃加熱6 h，冷卻至室溫后取出，留樣備用。經(jīng)掃描電鏡掃描發(fā)現(xiàn)谷殼生物炭具有多孔特征，孔隙呈蜂窩狀，隨溫度升高孔隙結(jié)構(gòu)更加疏松。經(jīng)掃描電鏡掃描發(fā)現(xiàn)鋸末生物炭同樣具有多孔特征，孔隙呈篩管狀，隨溫度升高孔隙結(jié)構(gòu)更加疏松(圖1)。通過X射線能譜儀掃描發(fā)現(xiàn)谷殼生物炭的組成元素主要為C、Si、N、Al、K、Ca、Mg、P等，含碳量高(圖2)，通過傅里葉紅外光譜儀分析的生物炭光譜圖見(圖3)，通過梅勒普pH計和EDS分析的生物炭化學性質(zhì)見(表2)。

圖3 生物炭的紅外光譜(FTIR)分析

生物炭pH值A(chǔ)l/(g·kg-1)K/(g·kg-1)Ca/(g·kg-1)Mg/(g·kg-1)FixedCarbon/%Total N/(g·kg-1)Total C/(g·kg-1)谷殼8.652.070.220.130.168.058.32603.24鋸末8.471.940.131.120.0668.939.58600.59

1.3 沙盤實驗

本試驗共7個處理，每個處理重復2次。分別為：①0%生物炭，400 g沙土(空白)，②2%谷殼生物炭，400 g沙土，③4%谷殼生物炭，400g沙土，④8%谷殼生物炭，400 g沙土，⑤2%鋸末生物炭，400 g沙土，⑥4%鋸末生物炭，400 g沙土，⑦8%鋸末生物炭，400 g沙土。實驗中將生物炭與沙土充分混合于沙盤(210 mm×105 mm×10 mm)中，于光照培養(yǎng)箱中(25 ℃)恒溫培養(yǎng)，培養(yǎng)周期為60 d。

1.4 生物炭混合沙土分析

生物炭與沙土混合培養(yǎng)過程中，每天定時定量為沙盤澆水，澆水量為每個樣品30 mL，實驗結(jié)束后對受試土壤進行分析。通過梅勒普pH計采用土水比1∶2.5測定土壤pH值；通過重鉻酸鉀-分光光度法分析土壤有機碳；通過碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法分析土壤速效磷；通過保水性能測試分析各處理土壤的保水率。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有的試驗數(shù)據(jù)利用 SPSS15.0 單因素方差分析，用 Excel 2010 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值的變化

荒漠土壤、谷殼生物炭和鋸末生物炭的pH值分別為8.36、8.47和8.65，如圖4所示，經(jīng)過60 d實驗室培養(yǎng)后，添加了谷殼生物炭的土壤pH值降低，從降低幅度看，2%生物炭>4%生物炭>8%生物炭，添加8%谷殼生物炭的荒漠土壤pH值最低，為8.10。與之相反，添加鋸末生物炭的土壤pH值升高，從升高的幅度看，2%生物炭<4%生物炭<8%生物炭，添加8%鋸末生物炭的荒漠土壤pH值最高，為8.49。

根據(jù)(圖3)FTIR分析顯示，鋸末生物炭在1600 cm-1之間出現(xiàn)特征峰，按照圖譜鑒定，為羧基，是生物炭堿性官能團特征的體現(xiàn)，因此鋸末生物炭的pH值更高，也解釋了鋸末生物炭提高受試土壤pH值的原因。

圖4 添加生物炭對荒漠土壤pH值的影響

2.2 土壤有機碳含量的變化

圖5 添加生物炭對荒漠土土壤有機碳含量的影響

如圖5，相對于沒有施用生物炭的荒漠土壤，施用生物炭的荒漠土壤有機碳含量有明顯提高，有機碳含量增加1～2倍。不同種類生物炭混合荒漠土壤有機碳含量均為2%生物炭<4%生物炭<8%生物炭，土壤有機碳含量隨生物炭施入量增加而上升。施用谷殼生物炭與施用鋸末生物炭的荒漠土壤相比，統(tǒng)一施用量水平下，谷殼生物炭混合荒漠土壤有機碳含量均高于鋸末生物炭混合荒漠土壤有機碳含量。其中，添加8%谷殼生物炭的荒漠土壤有機碳含量相對較高，達4.979%。

生物炭原材料不同，其有機碳含量也各有差異，通常谷殼生物炭有機碳含量高于鋸末生物炭，生物炭與受試土壤混合培養(yǎng)后檢測時仍然受生物炭初始有機碳含量影響，因此谷殼生物炭有機碳含量較高。

2.3 土壤有效磷含量的變化

如圖6，不同種類生物炭混合荒漠土壤有效磷含量均為2%生物炭<4%生物炭<8%生物炭，土壤有效磷含量隨生物炭施入量增加而上升。施用谷殼生物炭與施用鋸末生物炭的荒漠土壤相比，統(tǒng)一施用量水平下，谷殼生物炭混合荒漠土壤有效磷含量均高于鋸末生物炭混合荒漠土壤有效磷含量。其中添加8%谷殼生物炭的荒漠土壤有效磷含量明顯高于其他處理的有效磷含量，達30.74 mg·kg-1。相對來說，不同施用量鋸末生物炭的增量幅度較不同施用量谷殼生物炭增量幅度小。

谷殼生物炭有效磷含量高于鋸末生物炭，因此在同等施用量作用下谷殼生物炭對提高荒漠土壤有效磷含量的作用更顯著。

圖6 添加生物炭對荒漠土土壤有效磷含量的影響

處理pH值有效磷/(mg·kg-1)有機碳/%空白8.36±0.0056.70±0.2281.458±0.0042%谷殼8.32±0.01013.33±0.6613.974±0.0014%谷殼8.26±0.02519.04±1.9824.508±0.0028%谷殼8.10±0.03030.74±2.3544.979±0.0032%鋸末8.36±0.00511.00±0.3253.092±0.0014%鋸末8.44±0.03012.22±0.2043.336±0.0018%鋸末8.49±0.03518.41±0.7524.316±0.001

2.4 生物炭對土壤水分特征曲線的影響

按照1.3沙盤實驗的處理，將每個沙盤加水至飽和含水量，放置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中，每隔24 h用1/100電子天平稱量1次，每個處理2次重復，共計14個，按下式計算土壤保水率(Ri)：Ri(%)=(mi-m0)/(m-m0)×100；式中：Ri-生物炭的保水率，i=1，2，…；mi-第i次稱量時沙盤中沙土和生物炭的總質(zhì)量(g)；m-土壤達飽和含水量后沙盤中沙土和生物炭的總質(zhì)(g)；m0-沙土和生物炭的初始質(zhì)量。試驗在室內(nèi)進行，避免光照，同時設(shè)空白對照。

各處理水分飽和后，保水率與時間的關(guān)系反映了不同炭化材料的保水效果(圖7)。在試驗過程中，隨時間的延長保水率先直線下降，第4天后呈緩慢下降趨勢，6～7 d所有處理重量均無明顯變化，偶爾呈微弱增加狀態(tài)。即在試驗過程中，不同炭化材料所吸收的水分蒸發(fā)速率是恒定的，直至水分蒸發(fā)完全。這說明炭化材料吸收水分后，具有一定的保水效果，在蒸發(fā)的驅(qū)使下使水分穩(wěn)定持續(xù)地釋放。所有處理中，8%鋸末生物炭的保水效果最佳，而2%鋸末生物炭保水效果最弱，綜合來看，各施入量鋸末生物炭保水效果更好，鋸末生物炭表現(xiàn)不穩(wěn)定。

圖7 生物炭混合荒漠土壤吸水后的保水性能

Fig.7 Water retention of biochar mixed with desert soil

3 討論與結(jié)論

本試驗中各處理的pH值差異較小，其中鋸末生物炭混合土壤的pH值與生物炭施入量呈負正相關(guān)關(guān)系，這與鋸末生物炭堿性官能團特征的體現(xiàn)，本研究選用的荒漠土壤為弱堿性土壤，谷殼生物炭的加入使荒漠土壤pH值趨近中性，相對更適合植物生長。Van Zwieten 研究發(fā)現(xiàn),以造紙廢物為原料生產(chǎn)的生物炭作為改良劑施在堿性鈣質(zhì)土上對土壤pH值沒有明顯影響[18]，而本試驗兩種生物炭施入情況下均對土壤pH值有影響，這可能與造紙廢物生物炭理化性質(zhì)不同有關(guān)。

木制品廢料更能增加土壤降低交換性酸含量；生物炭對和交換性酸的效應隨著生物炭用量的增大而明顯，并能顯著增加總炭、有效P、全氮和有機碳含量，其機理是生物炭本身富含這些養(yǎng)分，由于生物炭施用的直接加入作用而提高土中的養(yǎng)分含量[12]。本研究中的鋸末生物炭為木制品廢料的一種，在試驗中有效的增加了土壤的有效磷含量，試驗結(jié)果與其一致。

隨著生物炭用量的增加,土壤有機碳含量隨之增加，說明生物炭用量是影響土壤有機碳含量的重要因子[19]。土壤有機碳是土壤的重要組成部分,在土壤肥力、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面均起著極其重要的作用,被認為是土壤質(zhì)量和功能的核心,是影響土壤肥力和作物產(chǎn)量高低的決定性因子[20]。Lehmann et al研究發(fā)現(xiàn)生物炭具有固碳、貯存養(yǎng)分，提高土壤肥力的能力。Dempster等[21]還發(fā)現(xiàn)，添加木質(zhì)生物質(zhì)炭反而會減低土壤微生物碳含量。由于本實驗周期較短,生物炭是否有固碳的能力還需要長期的研究。

張富倉和謝博成研究認為[22-23]，相對壤土而言，砂質(zhì)土添加生物炭后保水性能表現(xiàn)更好，這與壤土自身結(jié)構(gòu)易于存水有關(guān)，本試驗中添加生物炭的土壤基本比未添加的土壤保水率高，基本符合其論斷。肖瑞瑞研究發(fā)現(xiàn)[24]，400～600℃的生物炭保水性能最好，這是因為在高溫下，生物炭表面的極性官能團減少，導致持水量降低。周志紅[25]認為生物炭的保水性能受施用量的制約，生物炭對沙地土壤的水分利用效果較好，并進一步證明其作用效果隨著生物炭施用量的增大而增強。當施用量為10、15、20 t·hm-2時，分別比對照增加了6%、139%、91%。

本試驗結(jié)果顯示，綜合提高土壤肥力和增強保水性能來看，谷殼生物炭優(yōu)于鋸末生物炭，但是本研究只對單一燒制溫度條件下兩種生物炭，以不同施入量對比做保水性能試驗，對比兩類生物炭材料保水性能的優(yōu)劣，未涉及不同燒制溫度生物炭的試驗，并且實驗設(shè)置溫度條件恒定，還需進行更廣泛的試驗。

4 展望

由于生物炭原材料的多樣性和制備條件的多樣性，當前生物炭改良土壤研究數(shù)量繁多，但是大部分研究只從廣度拓寬，沒有從深度挖掘，在本試驗基礎(chǔ)上，也應當再加入其他變量，或從其他方面多加考慮，為生物炭改良土壤的研究添磚加瓦。