稻殼生物炭改良砂姜黑土壤結構抑制土壤板結的實驗研究

張開銀 王秋玲

摘 要：我國淮河流域特別是安徽的淮北平原相當一部分農田的主要土壤類型是砂姜黑土，并且由于氣候不穩定，時常少雨干旱或多雨成澇，造成土壤旱澇僵瘦，易板結，對農業生產造成極大的危害。對砂姜黑土進行改良一直是土壤科學的一個研究重點課題。本研究采用稻殼生物炭對試驗田的砂姜黑土進行改良，利用土壤硬度儀測量土壤的松軟程度，從而研究生物炭對土壤板結的改善效果，進一步的研究了生物炭施用量對作物根系的影響。實驗結果表明，一定量的生物炭可以顯著降低土壤板結，有利于根系生長，進而提高作物產量。

關鍵詞：砂姜黑土; 稻殼生物炭; 土壤板結

中圖分類號：S625? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）10-104-002

砂姜黑土是發育于河湖的沉積物，在低洼潮濕和排水不良的環境，經前期的草甸潛育化過程和以脫潛育化為特點的后期旱耕熟化過程中所形成的一種古老耕作土壤。主要分布地區為安徽的淮北平原、其次為河南東部、山東中南部和江蘇北部等地[1]。砂姜黑土的粘粒礦物主要是由具有強烈的膨脹性和收縮性的蒙脫石組成，遇水時土壤膨脹系數會變大，孔隙就會封閉，水分就難以滲透，土壤水分很快就會達到飽和，從而導致澇漬災害;遇旱時土壤收縮而產生又多又深的裂隙，切斷了土壤毛管，使得水分難以被農作物吸收，從而加重旱情。砂姜黑土的澇漬和干旱特性容易引起土壤板結性。土壤板結主要的一個原因是土壤缺乏有機質，結構不良。土壤板結給農作物帶來的相當的危害：一方面在土壤板結的情況下，土壤表面變硬，透氣性差，容易缺氧而導致根系活力下降，從而使植物根系的發育不能正常進行。另一方面，土壤板結會引起水分供應不均衡，進而影響營養物質在土壤中分布不均勻，降低根部吸收能力，使得植物產生缺素癥。因此，針對砂姜黑土固有的自然特性，進行合理的土壤改良，提高地力，對提高農業生產效率和實現農業可持續發展具有重要意義。

目前改良砂姜黑土的措施主要有深耕、秸稈還田、摻沙或煤灰渣并合理施肥，也有施用人工合成高分子化合物和微生物制劑類等土壤改良劑的[2]。但這些方法分別存在較大局限。通過增施有機肥和秸稈還田雖然可以提高土壤腐殖質，增加土壤孔隙度，提高持水能力;但有機肥不穩定，容易流失。比如稻稈、綠肥、堆肥及廄肥施入土壤后一般5-10個月后所剩不過20%。因此需要連年施用，工作量大。而施用礦物類和高分子化合物調節劑改良土壤需要的成本較高，技術難度較大，還存在污染土壤和水體的可能。因此亟待探索成本低、綠色環保、可廣泛推廣的土壤改良新方法。農業和生態領域中新材料、新技術的研發與應用為砂姜黑土的改良提供了新的手段和途徑。起源于亞馬遜河流域的生物炭改良土壤技術，被認為是營造高效并持久土地利用系統的一個有效方法。

生物炭一般是秸稈等生物質在缺氧和低溫（約800℃左右）熱解形成的炭材料，存在大量細微的微納孔隙結構，可以顯著影響土壤的透氣性能、保水能力，并改良土壤粘重和結構，能夠促進土壤團粒形成，降低土壤板結性，促進植物根系健康發育。此外，生物炭主要由單環和多環的芳香族化合物組成，這種性質特點決定了它具有更強的化學、生物學穩定性及抗微生物分解的能力，因此施用后在土壤中可以長期保持效力[3]。

本研究選擇一塊種植小麥的農田為研究對象開展研究，從土壤板結和作物生長兩個視角探討生物炭對砂姜黑土的改良效果。

1.實驗方法

1.1生物炭改良方法

本實驗所選擇土壤位于安徽省阜陽市潁州區河水村（地理位置為32°93′N、115°75′E）的試驗田。該試驗田總體約有1畝，屬于典型的砂姜黑土，土壤的pH值呈堿性。將試驗田分成等面積的4塊，分別按照每畝0.0、0.5、1.0和2.0噸的用量施用生物炭。首先將生物炭均勻的撒在土壤表面;然后用犁土機對土壤進行厚度40厘米的翻耕;最后用翻土機進行多次翻土，使得生物炭與土壤充分混合。試驗中使用的稻殼生物炭由安徽省潁上縣風雷生物質發電廠提供。

施用生物炭后，4塊試驗田都種植冬小麥，而且后期管理分別按照小麥生長需要進行常規水肥管理。

1.2土壤改良結果的觀測

本研究采用TJSD-750型土壤緊實度儀來測量土壤硬度，定量研究土壤板結程度。在每份試驗田中，選擇均勻分散的10個測量點，分別測量每個點的土壤緊實度，然后取平均值表征該試驗田生物炭改良的效果。一般選擇作物成熟的季節測量，測量時土壤緊實度儀插入土壤中的深度統一取為20厘米。此外通過觀測作物根系和作物產量，進一步定性的反饋土壤改良效果。

2.結果和討論

土壤緊實度是土壤物理特性的重要指標之一，能綜合反映土壤板結程度。將稻殼生物炭加入到砂姜黑土里面，必然會對土壤的緊實度產生影響。針對河水種植小麥的地塊，在小麥成熟期而且連續晴天的條件下進行，其時土壤含水量約為75%，測量數據如表1所示。

由表1所記錄的數據中可以看到，樣品土壤在不添加生物炭的自然情況下，土壤緊實度最大值為370kPa，其平均緊實度達到240kPa，而且極差達到了217kPa，比較大。在添加0.5噸/畝的稻殼生物炭之后，測得的數據有了很明顯的下降，其平均緊實度從240kPa降到了200kPa。添加1.0噸/畝的稻殼生物炭之后，其平均值更是進一步下降到180kPa。當生物炭含量為2.0噸/畝時，土壤緊實度下降為160kPa。試驗數據表明，與沒有添加生物炭的對照組相比，施加了生物炭的土壤緊實度得到改善。隨著生物炭添加的比例增加，土壤緊實度明顯呈下降趨勢。而且實驗數據的離散度越小，土壤越松軟，板結現象得到了較大程度的抑制。從試驗田的實際情況看，雖然添加了生物炭的地塊，在特別干旱的季節也會發生一定程度的板結現象;但是平均要比沒有添加生物炭的土壤改善很多。伴隨著生物炭在土壤中的為有機質和生物菌落提供棲息地以及土壤團粒的其孕育發展，生物炭對板結的抑制效果隨著時間的推移會越來越有效。

松軟的土壤，有利于小麥根系的生成，也有利于營養物質在土壤中隨水分的運移，使得小麥能夠吸收更多的養分，進而有利于小麥生長。在小麥生長后期，分別在各份試驗田中隨機選拔50棵小麥苗，首先對比了小麥分叉數量的差異，然后去除根部土壤，對比了主根數量的不同。在小麥收割后，又分別稱量了干小麥的重量，并根據試驗地塊的實際面積換成是畝產量，對比了最后產量的差異。測量結果如表2所示。

試驗結果表明，在試驗所使用的生物炭含量范圍內，隨著生物炭的增加促進了小麥根系的發育，主根增加，須根豐富，而且小麥的分枝也逐漸增加。然而，從小麥的畝產量看，在本研究的試驗范圍內，每畝施用生物炭1.0噸的試驗田給出的畝產最高，而施用2.0噸生物炭的試驗田的畝產量反而大幅下降。這是因為生物炭施用雖然能夠抑制土壤板結，促進根系生長和新葉形成。然而生物炭作為一種多孔物質，具有較大的比表面積、發達的孔隙和豐富的表面官能團，對離子具有很強的吸附性，在一定程度上會吸附土壤中游離的含氮、磷和鉀的離子[4]。對于同樣水肥管理的試驗田，生物炭含量的增加，意味著對肥料的總吸附量會增加，導致土壤中游離的養分減少，降低土壤肥效，導致小麥產量下降。因此，生物炭的施用量需要一個科學的配比，在考慮生物炭調理土壤結構作用的同時，還需考慮生物炭對肥料的吸附作用，從而制定合適的生物炭施用量，才可既能抑制土壤板結，又可提高作物產量。

3.結論

稻殼生物炭對砂姜黑土的改良效果顯著，而且稻殼炭主要來自于生物質發電的固體產物，來源較廣，在改良土壤方面具有較大的潛力。需進一步加大對稻殼生物炭改良砂姜黑土的研究力度，特別需要定量研究稻殼生物炭對肥料的吸附作用，形成科學的砂姜黑土改良方案，提高作物產量，促進農業發展效率。包括稻殼炭在內的多孔炭與土壤相互作用促進土壤團粒發育，改善土壤菌落微環境等都需要一個長期過程，需要人們進行長期深入的研究分析，有助于形成一系列科學配方。

基金項目：武夷學院-安徽田間云生物科技有限公司橫向產學研項目：基于武夷山茶園土壤環境的生物炭基復合肥應用研究（項目編號：2020-WHFW-023）;阜陽師范大學-安徽有機良莊農業科技股份有限公司橫向產學研項目：魚菜共養系統關鍵技術研究（項目編號：HX2019029000）資助

參考文獻：

[1]王靜.砂姜黑土的形成特點與改良措施[J]現代農業科技，2013，5：252-253

[2]趙亞麗，劉衛玲，程思賢，等. 深松（耕）方式對砂姜黑土耕層特性，作物產量和水分利用效率的影響[J]中國農業科學，2018，13：2489-2503

[3]王凡，廖娜，曹銀貴，等.基于生物炭施用的土壤改良研究進展[J]新疆環境保護，2020，2：12-23

[4]計海洋，汪玉瑛，劉玉學，等.生物炭及改性生物炭的制備與應用研究進展[J]核農學報，2018，11：2281-2287