生物炭對重構土壤化學性質及苜蓿抗旱性的影響

王玲玲,曹銀貴,2,王 凡,黃雨晗,尚 志,佘長超,王黨朝,白中科

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院,北京 100083; 2.自然資源部土地整治重點實驗室,北京 100035;3.神華北電勝利能源有限公司,內蒙古 錫林浩特 026000)

中國是世界上最大的煤炭生產國及消費國，2019年中國煤炭產量達到38.46億t，占全球總產量的47.3%[1]，其中對露天煤礦的開采是中國主要的采煤方式[2-3]。露天煤礦的大規模開采一方面滿足了中國經濟建設的需要，另一方面帶來了許多生態環境及社會問題[4-6]。露天煤礦大多分布在草原地區，草原地區的水土流失和土地荒漠化問題本就嚴重，因此對草原露天煤礦的開采使原本脆弱的草原生態系統遭到了更嚴重的破壞[7]。土壤重構是土地復墾的核心[8]，重構土壤質量直接決定土地復墾狀況。表土是土壤重構過程中的首要選擇，但礦區土壤發育不良等自然因素及采礦活動等人為因素導致許多礦區表土稀缺問題嚴重[9-12]，在表土稀缺礦區，表土替代物的選擇是土壤重構過程的關鍵。表土替代物有效地解決了土壤重構過程中表土不足的問題，同時實現了礦區固體廢棄物的資源化利用[2]。

生物炭可以改善礦區重構土壤的化學性質，促進礦區植物的生長和礦區生態修復進程[13]。Zheng等[14]發現添加煙草秸稈生物炭可以提高土壤有機質含量、速效磷含量、速效鉀含量等土壤化學性質。嚴陶韜等[15]發現生物炭可以提高土壤氮磷含量。李明等[16]研究水稻和玉米秸稈生物炭添加對紅壤性水稻土pH值、有機碳和養分含量的影響，結果表明秸稈生物炭的添加提高了土壤pH值，土壤有機碳、速效磷和速效鉀含量相比對照有所提高，其中水稻秸稈炭對土壤速效鉀含量的提升作用較大，玉米秸稈炭則主要增加土壤速效磷含量。因此，在土壤中添加生物炭可以提高土壤養分狀況。生物炭可以顯著改善土壤中的水分關系，在提高農業系統對干旱條件的適應能力方面發揮著重要的作用[17]。蔣太英等[18]發現生物炭表面的水溶活性分子可以提高水稻的耐旱性。趙君等[19]發現在土壤中施入一定量的玉米秸稈生物炭能緩解干旱脅迫對藍盆花(又名輪鋒菊，松蟲草)生長的影響。Artiola等[20]研究發現以松林廢棄物為原料的生物炭可以提高植物的抗旱性。目前生物炭對土壤化學性質影響的研究比較豐富，但對于不同處理方式的生物炭而言，篩選最優的生物炭處理方式的研究上還有所不足。

本文選取表土稀缺、氣候干旱的內蒙古國家能源集團北電勝利露天煤礦的表土(砂壤土)、煤矸石、巖土剝離物(母質與生土混合物)、粉煤灰作為原材料構建重構土壤，以玉米秸稈生物炭為添加劑開展室內盆栽試驗，探索不同重構土壤及不同處理方式的生物炭施用下，土壤化學性質的差異性及苜蓿(Medicagosativa)的抗旱性，篩選最優的生物炭處理方式。本研究旨在提高干旱脅迫下礦區植被的存活率，推進草原露天礦區的生態修復工程，為后期礦區土壤重構問題的解決提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗所需的重構土壤材料有表土(砂壤土)、煤矸石、巖土剝離物(母質與生土混合物)、粉煤灰，均來自于內蒙古國家能源集團北電勝利露天煤礦(115°30′—116°26′E，43°57′—44°14′N)，其背景值見表1。2018年在中國地質大學(北京)校內溫室大棚(116°21′09.0″E,39°59′34.4″N)進行了第一期盆栽試驗[21]，將以上材料按不同配比重構土壤，方案設計及地上生物量數據見表2。依據第一批盆栽試驗草木樨地上生物量數據，篩選出植被生長狀況最佳、中等及最差方案構成重構組(最佳方案H11，中等方案H3，最差方案H10和H15)，同時設置純表土對照組D1，所選5種方案土壤理化性質見表3。

表1 重構土壤材料背景值

表2 盆栽試驗方案設計及草木樨生物量數據

表3 盆栽試驗土壤理化性質

盆栽試驗所用的生物炭原料為廢棄的玉米秸稈，制備前先將玉米秸稈風干，切成10 cm左右后放入炭化爐。生物炭制備的熱解溫度控制采用“程序升溫控制技術”，按此制炭技術將廢棄的玉米秸稈分別制成300℃，400℃和500℃的生物炭，高溫熱解結束后，冷卻至室溫，取出生物炭，待盆栽試驗施用。

1.2 試驗設計

盆栽試驗設置在中國地質大學(北京)校內溫室大棚，花盆高11 cm，直徑10 cm，試驗設定重構土壤厚度為10 cm。依據現有的研究成果，盆栽試驗花盆中生物炭施用量按梯度分別為0，6，12，24 g。將各方案的供試土壤和不同熱解溫度的生物炭分別置于已鋪設的帆布上，將其按比例充分混合后置于花盆中形成重構土壤，新方案以“原方案—生物炭熱解溫度—生物炭含量”命名，共計50種處理，每個處理重復3次。以表土對照組D1為例，當生物炭熱解溫度為300℃時，施用生物炭含量分別為0，6，12，24 g時的方案命名分別為：D1，D1-300-6，D1-300-12，D1-300-24。

選取當地復墾地先鋒植被黃花苜蓿作為本次盆栽試驗的對象，每個花盆播種25粒種子。在溫室大棚內模擬內蒙古礦區氣候條件，本次試驗周期為3—6月，前期進行苜蓿生長狀況試驗，后期于5月5日開始進行為期20 d的抗旱試驗，分別于5月5日、5月10日、5月15日、5月20日、5月23日、5月24日和5月25日記錄各盆中未萎蔫的株數。為了在同樣的干旱條件下，對比不同環境苜蓿的生長狀況，各個方案于5月10日每盆分別澆水50 ml。

抗旱試驗結束后，測定土壤化學性質。將重構土壤進行自然風干，風干樣品在實驗室內磨碎過篩，利用pH計測定重構土壤pH值，利用重鉻酸鉀混合光度法測定土壤有機質，利用酸水解-蒸餾法測定土壤有效氮，利用0.5 mol/L的NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷，利用乙酸銨提取法測定土壤速效鉀。

1.3 數據分析

利用存活植株數求取存活率，采用SPSS 22.0軟件對試驗數據進行單因素方差分析(p<0.05)，數據均用3次重復試驗均值計算。

2 結果與分析

2.1 生物炭施用對土壤化學性質的影響

2.1.1 對土壤pH值的影響 生物炭本身呈堿性，將其施入土壤中會對土壤pH值產生一定的影響(圖1)。在D1方案中，D1-500-6處理土壤pH值最高，與D1-300-12處理存在顯著性差異。在H3方案中，各處理之間均不存在顯著性差異。在H10方案中，H10-300-24處理土壤pH值最高，與表土對照組H10處理存在顯著性差異。在H11方案中，H11-500-24處理土壤pH值最高，與H11，H11-500-6處理存在顯著性差異。在H15中，H15-400-12處理土壤pH值最高，與H15-300-6/12/24，H15-400-24，H15-500-12/24處理均存在顯著性差異。

注：同一幅圖中直方柱上方英文小寫字母不同表示存在差異顯著(p<0.05)，誤差線表示標準誤差，下同。

2.1.2 對土壤有機質含量的影響 在重構土壤中施入不同處理方式的生物炭對土壤有機質產生不同程度的影響(圖2)。在D1方案中，各處理之間均不存在顯著性差異。在H3方案中，H3-500-6處理土壤有機質含量最高，與H3，H3-300-6，H3-300-12處理存在顯著性差異。在H10，H11和H15方案中，各方案組內處理之間均不存在顯著性差異。

圖2 生物炭不同處理方式對土壤有機質含量的影響

2.1.3 對土壤有效氮含量的影響 施用不同處理方式的生物炭對土壤有效氮含量的影響見圖3。在D1方案中，各處理之間均不存在顯著性差異。在H3方案中，H3-500-6處理土壤有效氮含量最高，與H3，H3-300-6/12處理存在顯著性差異。在H10，H11和H15方案中，各方案組內處理之間均不存在顯著性差異。

圖3 生物炭不同處理方式對土壤有效氮含量的影響

2.1.4 對土壤速效磷含量的影響 施入不同處理方式的生物炭對土壤速效磷含量的影響見圖4。在D1方案中，各處理之間均不存在顯著性差異。在H3方案中，H3-500-6處理土壤速效磷含量最高，與H3，H3-300-6/12處理存在顯著性差異。在H10，H11和H15方案中，各方案組內處理之間均不存在顯著性差異。

2.1.5 對土壤速效鉀含量的影響 施入不同處理方式的生物炭對土壤速效鉀含量的影響見圖5。在D1方案中，D1-400-24處理土壤速效鉀含量最高，與D1處理存在顯著性差異。在H3方案中，H3-400-24處理土壤速效鉀含量最高，與H3-500-6處理存在顯著性差異。在H10方案中，H10-400-24處理土壤速效鉀含量最高，與其余處理均存在顯著性差異。在H11方案中，H11-400-24處理土壤速效鉀含量最高，與H11-500-6處理存在顯著性差異。在H15方案中，各處理之間均不存在顯著性差異。

圖5 生物炭不同處理方式對土壤速效鉀含量的影響

2.2 生物炭施用對土壤化學性質影響的綜合評價

由于盆栽土壤中pH值、有機質、有效氮、速效磷和速效鉀的水平和排名不同，單一的化學指標只能反映土壤質量的某些方面，因此，采用主成分分析法對盆栽土壤養分狀況進行綜合評價。利用SPSS 22.0對上述土壤化學性質進行了分析。通過變量的預選擇，本研究選取了兩個主成分變量，對方差的貢獻率分別為60.71%，28.70%。累積貢獻率為89.41%，表明每個測試樣本的信息量為89.41%，信息丟失率為10.59%。其中有機質、速效磷和有效氮在第一個主成分上具有較高的負荷，表明該成分反映了有機質、速效磷和有效氮的信息。相反，速效鉀和pH值在第2個主成分上負荷較高，表明該成分反映了速效鉀和pH值的信息。

利用下式計算各盆栽土壤化學性質綜合得分：

(1)

F1=U11ZX1+U12ZX2+U13ZX3+U14ZX4+

U15ZX5

(2)

F2=U21ZX1+U22ZX2+U23ZX3+U24ZX4+

U25ZX5

(3)

(4)

式中:Uij為第i主成分j指標的荷載值;Aij為第i主成分j指標的初始因子荷載值;λi為i成分的特征值。ZX1,ZX2,ZX3,ZX4和ZX5為原始變量標準化的值,包括土壤有機質、速效磷、有效氮、速效鉀和pH值；F為綜合得分；F1和F2分別為主成分1,2的得分；λ1和λ2為主成分1,2分別對應的特征值。

根據以上計算公式，得出在表土對照組D1中，D1-500-12處理盆栽土壤化學性質綜合最優，其綜合得分為1.61；在重構土壤組H3中，H3-500-6處理盆栽土壤化學性質綜合最優，其綜合得分為2.37；在重構土壤組H10中，H10-300-24處理盆栽土壤化學性質綜合最優，其綜合得分為1.46；在重構土壤組H11中，H15-400-6處理盆栽土壤化學性質綜合最優，其綜合得分為0.83；在重構土壤組H15中，H15-400-6處理盆栽土壤化學性質綜合最優，其綜合得分為2.12。

2.3 生物炭施用對干旱脅迫下苜蓿存活率的影響

干旱脅迫下各方案中生物炭不同處理方式對苜蓿存活率的影響見圖6。在D1方案中，抗旱試驗開始5 d后，除D1-300-24處理外其余添加生物炭的處理苜蓿存活率均低于D1；抗旱試驗開始10 d后，添加生物炭的處理苜蓿存活率均低于D1。此后盡管添加生物炭后各盆中苜蓿存活率的下降速率不同，但在抗旱試驗開始20 d后均降為0%。

圖6 干旱脅迫下各方案中生物炭不同處理方式對苜蓿存活率的影響

在H3方案中，抗旱試驗開始5 d后，H3-400-24處理苜蓿存活率最高；抗旱試驗開始10 d后一直到第15 d，除H3-400-6，H3-500-12/24處理外，其余添加生物炭的處理苜蓿存活率均高于H3；抗旱試驗開始20 d后，只有H3-400-12處理苜蓿存活率低于H3。對于重構土壤組H3，在抗旱試驗開始10 d后，添加生物炭的處理苜蓿存活率隨時間的增加下降速率較慢，且H3-400-24處理在整個抗旱試驗中苜蓿存活率均能保持較高水平。

在H10方案中，一直到抗旱試驗開始10 d后，添加生物炭的處理苜蓿存活率均高于H10；抗旱試驗開始15 d后一直到第20 d，除H10-500-12處理外其余添加生物炭的處理苜蓿存活率均高于H10。對于重構土壤組H10，苜蓿存活率隨時間的增加下降速率較慢。在整個抗旱試驗過程中，H10-300-12/24，H10-400-24處理苜蓿存活率均能保持較高水平。

在H11方案中，抗旱試驗開始5 d后，除H11-500-6/12外其余添加生物炭的處理苜蓿存活率均高于H11；抗旱試驗開始10 d后一直到試驗結束，H11-300-24處理苜蓿存活率一直保持較高水平。對于重構土壤組H11，H11-300/400/500-24處理苜蓿存活率隨時間的增加下降速率較慢；在整個抗旱試驗過程中，H11-300-24處理苜蓿存活率均能保持較高水平。

在H15方案中，從抗旱試驗開始一直到試驗結束，H15處理苜蓿存活率均最高，其次為H15-500-24處理。對于重構土壤組H15，在整個抗旱試驗過程中，添加生物炭的處理對苜蓿存活率均存在抑制作用。

綜上所述，生物炭在一定條件下可以提高苜蓿的抗旱性。在重構土壤組H3，H10和H11處理中，當生物炭裂解溫度為300℃或400℃，且添加的生物炭含量為24 g時，干旱脅迫下苜蓿存活率均得到了有效的改善，整個盆栽試驗中H3-400-24處理在干旱脅迫下苜蓿存活率最高。

干旱脅迫下不同方案中苜蓿在5月25日的存活率差異性見表4。表土對照組D1中，干旱脅迫下苜蓿在5月25日的存活率在不同處理方式的生物炭施用下均為0%，無顯著性差異。重構土壤組H3中，H3-400-24處理苜蓿存活率最高，為86.67%，顯著高于其余處理。重構土壤組H10中，H10-300-24處理苜蓿在5月25日的存活率最高，為84.13%；H10-400-24次之，苜蓿存活率為80.16%；其次為H10-300-12，苜蓿存活率為75.66%。干旱脅迫下以上3種處理方式的生物炭施用下苜蓿在5月25日的存活率均高于其余處理，且顯著高于H10和H10-500-12處理，其中H10和H10-500-12處理苜蓿在5月25日的存活率均為0%。重構土壤組H11中，H11-300-24處理苜蓿在5月25日的存活率最高，為81.48%，顯著高于除H11-400/500-24外的其余處理，其中H11，H11-300/400/500-6，H11-400/500-12處理苜蓿在5月25日的存活率均為0%。重構土壤組H15中，H15處理苜蓿存活率最高，為40.74%；顯著高于除H15-500-24外的其余處理。

表4 干旱脅迫下不同方案中苜蓿存活率差異性

綜上所述，在H10方案中，H10-300-24處理對土壤改良效果最優，且在整個抗旱試驗過程中H10-300-24處理苜蓿均能保持較高的存活率，抗旱試驗最后一天(5月25日)H10-300-24處理的苜蓿存活率仍最高，為84.13%。因此結合不同處理方式的生物炭施用對土壤化學性質和苜蓿抗旱性的綜合影響，最優的生物炭處理方式為H10-300-24。

3 討 論

3.1 生物炭施用對土壤化學性質的影響

生物炭由于具有比表面積大、含碳量高、含有大量離子和堿性物質等特性，對土壤化學性質產生一定的影響[22]。本研究中施用不同處理方式的生物炭對土壤養分狀況的促進作用大都較為明顯。這與Gonzaga[23]、高海英[24]等的研究結果一致。Gonzaga等發現生物炭可以提高土壤養分含量。高海英等發現施用生物炭基氮肥可提高土壤pH值、有機碳、速效磷、速效鉀和礦質態氮含量。

生物炭的施用提高了土壤pH值[25]，這是因為生物炭在制備過程中，隨著有機物的不斷熱解使生物炭最終呈堿性，且生物炭中含有大量的K+，Ca+等鹽基離子[26-27]，最終提高了土壤pH值。生物炭施用后未刺激碳的礦化，使其具有固碳效應，且生物炭可以促進作物生長，提高土壤中碳的利用率[28-29]，因此生物炭施用可以提高土壤有機質含量。對于土壤有效氮含量，生物炭的施用降低了土壤中氮的礦化作用，增強了土壤對氮的吸附[30-32]，且生物炭含有較多的礦質養分，可增加土壤中氮素含量[29]，生物炭的施用也可以減少土壤中氮的淋溶及消耗[33]，因此提高了土壤中的有效氮含量。高海英[24]、陳心想[34]等發現土壤速效磷和速效鉀含量隨生物炭用量的增加而顯著提高。對土壤養分含量的促進作用而言，由于生物炭原料(秸稈)本身養分較高，因此施用生物炭明顯增加了土壤中的有機碳、速效磷、速效鉀等養分含量[35]，且其具有巨大的比表面積可以吸附一定的營養元素，提高土壤的保肥性能，因此生物炭的施用促進了土壤中養分含量的提升[36-37]。

3.2 苜蓿抗旱性對生物炭施用的響應

施用不同處理方式的生物炭對土壤理化性質產生影響[38]，進而對干旱脅迫下植物抗旱性產生影響。生物炭由于具有巨大的比表面積、良好的吸附能力，使其抗旱能力更強。Carvalho等[39]發現生物炭作為土壤改良劑可以提高土壤的保水能力，為土壤提供抵御干旱的屏障。在養分、水分缺乏的條件下，生物炭的施用可以降低水分的淋失，提高土壤含水量，促進作物生長[40-41]。蔣太英等[18]發現生物炭浸提液能有效緩解干旱脅迫對幼苗生長造成的影響，提高干旱脅迫下水稻的抗氧化能力，最終提高水稻對干旱脅迫的耐受性。

在重構土壤組H3，H10和H11處理中，當生物炭裂解溫度為300℃或400℃，且添加的生物炭含量為24 g時，干旱脅迫下苜蓿存活率均得到了最有效的改善，其中在整個盆栽試驗中H3-400-24處理在干旱脅迫下苜蓿存活率最高。這是因為生物炭對干旱脅迫下植物存活率的影響與生物炭的熱解溫度及施用量有關[42]。研究表明，300～400℃制備的生物炭對養分的保留效果更明顯，對土壤團聚體的改善效果更佳[43-44]，生物炭的施用同時提高了土壤孔隙度，進而對土壤保水能力的提升效果更優。

4 結 論

(1)施用不同處理方式的生物炭對表土對照組和重構土壤組土壤化學性質的改良效果不同。D1方案中，D1-500-12對土壤改良效果最優；H3方案中，H3-500-6對土壤改良效果最優；H10方案中，H10-300-24對土壤改良效果最優；H11方案中，H11-500-24對土壤改良效果最優；H15方案中，H15-400-6對土壤改良效果最優。

(2)在重構土壤組H3，H10和H11中，當生物炭熱解溫度為300℃或400℃，且添加的生物炭含量為24 g時，干旱脅迫下苜蓿存活率均得到了有效的改善，在整個盆栽試驗中，H3-400-24在干旱脅迫下苜蓿存活率最高。

(3)結合不同處理方式的生物炭施用對土壤化學性質和苜蓿抗旱性的綜合影響，最優的生物炭處理方式為H10-300-24。