石灰及生物炭對酸性磚紅壤的改良效果比較

廖輝煌 陳敏忠 朱銀玲 蘇會榮 李進 段婷婷

摘要為探究石灰和生物炭對土壤的不同改良效果及其合理施用量，為2個改良劑的實際應用提供理論依據。采用室內恒溫培養試驗，向酸性磚紅壤分別施入6個不同用量的改良劑，對土壤不同天數的指標進行數據分析。試驗結果證明，石灰和生物炭能有效改良酸性磚紅壤pH、降低交換性酸的含量;二者對土壤其它指標的改良效果存在差異，生物炭能提高土壤EC 5～10倍，改良效果明顯優于石灰;在本試驗的改良劑投入量內，石灰的某些處理對土壤堿解氮、有效陽離子交換量的改良起到一定的反作用，生物炭則不會出現這種情況，其投入使得堿解氮含量較CK最多提高34%，有效陽離子交換量較CK最多提高191%。說明石灰在調節酸堿度的同時，無法兼顧土壤養分;而生物炭則不會出現這種情況，且其改良過程更加穩定，更有利于作物生長。綜合而言，生物炭對酸性土壤的改良效果更好，生物炭的投入量越多，改良效果越好。針對目前酸性土壤的實地改良情況，本試驗可為石灰及生物炭的應用提供參考。

關鍵詞??? 土壤改良;施用量;生物炭;石灰;酸性磚紅壤

中圖分類號??? S156??? 文獻標識碼??? A??? DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2022.02.005

Amendment Effect of Biochar and Lime on Acidic Latosol

LIAO Huihuang1，2??? CHEN Minzhong2??? ZHU Yinling1??? SU Huirong1??? LI Jin1??? DUAN Tingting1

（1. Guangdong Ocean University，Zhanjiang，Guangdong 524088，China;2. Zhanjiang Agricultural Technology Extension Center，Zhanjiang，Guangdong 524000，China）

Abstract ???An attempt was made to explore different improvement effects of lime and biochar on soil and provide a theoretical basis for the practical application of the two soil conditioners. The lime and biochar were applied to the acidic lateritic soil or latosol at 6 different rates，respectively in an indoor culture experiment at a constant temperature. The amended acidic lateritic soil was determined，and the data on the soil indexes in different days of soil amendment were analyzed. The indoor culture experiment showed that the lime and biochar can effectively improve the pH of and lower the exchangeable acidity of the acidic latosol，but their amendment effects on the other soil indexes are different. Biochar can increase soil EC by 5-10 times，and its amendment effect is significantly higher than that of the lime. Some lime treatments within the application rates in the experiment have a certain reaction to the amendment of soil alkali hydrolyzable nitrogen and effective cation exchange capacity，but this does not happen in the biochar treatments. The treatments with biochar increase the alkali hydrolyzable nitrogen content by 34% and the effective cation exchange capacity by 191% as compared with CK. This shows that the lime treatment does not improve the soil nutrients at all rates while adjusting the soil pH，while the biochar treatment improves both nutrients and the soil pH，which are stabler and more conducive to crop growth during the soil amendment. Therefore，the biochar has a better amendment effect on the acidic latosol than the lime，and the high application rate of the biochar，the better the soil amendment effect. This experiment can provide a certain reference for the application of lime and biochar.

Keywords??? soil amendment;application rate;biochar;lime;acidic latosol

據統計，全球酸性磚紅壤面積占據了耕地面積的40%，并且酸性磚紅壤面積還在逐步增加，解決土壤酸化問題迫在眉睫。在我國，大約有22.7%土壤是酸化土壤，土壤的pH為4.5～5.5，一些地區甚至低于4.5[1-3]。我國南方熱帶亞熱帶地區分布著大面積的酸性磚紅壤，pH低、鋁毒和肥力低使得在此類土壤上生長的植物產量低[4]。土壤酸化將引起產地環境質量安全與健康問題，如養分流失、肥力下降、土壤生物活性降低、作物減產、重金屬活化增加潛在風險等[5]。土壤改良劑的施入可以在生產力和土壤肥力上起積極作用，如可改良酸性磚紅壤，調節土壤酸度，一定程度上改善酸性磚紅壤的理化性質，增加土壤養分。作為改良酸性磚紅壤的有效措施之一，石灰的應用可以改善土壤環境，提高土壤的養分含量，有利于作物的產量和質量的提高。然而，當石灰的用量不足時，石灰會很快被耗盡，土壤將再次酸化，并且酸化程度將比使用石灰之前更為嚴重[6]，或者由于鈣離子的流動性差，土壤底部的酸度沒有得到很好的改善;石灰的過度施用又容易導致鐵、銅、鎰、鋅等元素的缺乏。作為處于研究起步階段的生物炭，對其研究手段不盡相同，因此研究結果相對缺乏可比性，不同材料、溫度等條件制備的生物質炭性質差異很大[7-8]，與其它改良劑相比，生物炭改良酸性土壤的優勢需要通過具體試驗來證明。本研究以石灰和生物炭（牛糞）為研究對象，通過對比得出不同改良劑及不同施入量對酸性磚紅壤的改良效果，以期能夠得出石灰和生物炭的適宜施用量，為2個改良劑應用于酸性磚紅壤的實地改良及其可持續利用提供理論依據。

1??? 材料與方法

1.1??? 材料

1.1.1??? 供試土壤??? 供試土壤取自廣東省湛江市廣東海洋大學（21°9′15″N，110°17′30″E）甘蔗地0～20 cm厚的耕層土壤，該土壤為雷州半島典型的玄武巖母質酸性磚紅壤，pH為4.78，有機質含量為26.39 g/kg，EC為0.23 ds/cm，堿解氮含量為64.8 mg/kg，速效磷含量為23.39 mg/kg，有效鉀含量為53.16 mg/kg。

1.1.2??? 供試改良劑??? 生物炭，原材料是牛糞，制作溫度為550 ℃，pH為8.89，EC為10.97 ds/cm，堿解氮含量為11.4g/kg，灰分為74.55%，速效磷含量為49.72 g/kg，有效鉀含量為23.08 g/kg。石灰為購買的分析純氧化鈣，有效成分為98%，pH為12.6。

1.2??? 方法

1.2.1??? 試驗設計??? 采用單因素室內土壤培養試驗，分為石灰和生物炭2個處理，試驗共設置0（CK）、0.09%（S1）、0.18%（S2）、0.36%（S3）、0.72%（S4）、1.44%（S5）六個改良劑投入量，以改良劑質量占裝盒培養土壤質量的百分比來設置和計算每個處理中改良劑的具體投放量，每個處理重復3次。

1.2.2??? 操作方法?;?? 采用室內恒溫培養。將所采集的酸性磚紅壤自然風干，過2 mm篩后，往每個培養盒裝2 kg 土，按比例分別加入石灰或生物炭。以稱重的方法用蒸餾水將土壤含水量調節至田間含水量的60%左右，充分攪拌使其均勻，放在常溫室內進行為期180 d的培養。每隔2 d稱重補充一次水分，采用五點取樣法定期取樣（第1、3、6、9、15、30、60、80、100、180 d取樣），將取出的土樣風干后充分混勻，測定土壤的pH、EC、交換性酸等與改良相關的酸堿性指標。

1.2.3??? 測定指標??? 采用pH電位法（PHSJ-3F型試驗室pH計）測定土壤pH[9];采用電導率儀（DDSJ-308A型電導率儀）測土壤EC值[9];采用氯化鉀淋洗—堿滴定法測定交換性總酸[9];堿解擴散吸收法測堿解氮[9];碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法（UV-1100紫外分光光度計）測定速效磷[9];醋酸銨—火焰光度法（FP6431火焰光度計）測定有效鉀[9];浸提法測交換性鹽基總量[9];求和法計算土壤有效陽離子交換量[6]。

1.2.4??? 數據處理??? 采用SPSS 22.0和Excel 2016進行數據分析。

2??? 結果與分析

2.1??? 改良劑對土壤pH的影響

從整個土壤培養試驗可以看出，不同用量的生物炭和石灰均能夠顯著提高土壤pH。在180 d的培養過程中，土壤pH的升高幅度隨改良劑施用量的增加而變大（圖1），第3天，石灰處理的土壤中，S4和S5的pH分別比對照提高了2.81和3.21;生物炭處理的土壤中，S3、S4、S5處理pH較CK分別提高2.16、2.78、3.11個單位后，在培養第6天后趨于穩定，S3處理pH在第9天后有所下降?？傮w來說，相同投入量的生物炭和石灰對酸性土壤pH的改良效果相近，但生物炭改良的土壤pH變化更為平滑。

2.2??? 改良劑對土壤EC的影響

土壤的可溶性鹽分與電導率成正比，所以可根據土壤溶液EC值的變化了解土壤可溶性鹽分的變化[10]。2個改良劑的加入可以提高酸性磚紅壤的可溶性鹽分離子含量（圖2）。石灰處理的土壤中，Sl、S2、S3和S4土壤的EC值隨石灰處理劑量的增加而增加;S5處理EC值除了在第60天到第80天有波動外，其余大部分時間段總體穩定，并且部分時間段EC值低于S3和S4。生物炭處理的土壤中，在整個培養過程S1處理EC值變化不大，S2和S3處理波動情況較相似，在第15～180天期間有小幅度波動;S4、S5處理在第30天后有下降趨勢，第80天后趨于穩定;在培養的第180天，Sl、S2、S3、S4、S5處理值較CK處理分別提高1.14、1.19、1.28、1.53、1.73個單位。從圖2可以明顯看出，相同量改良劑的投入，2個改良劑的效果差異性顯著，生物炭對土壤EC的改良效果遠比石灰好。

2.3??? 改良劑對土壤交換性總酸的影響

從圖3可看出，各處理交換性酸含量較CK顯著下降，且隨著改良劑施入量的增加，交換性酸的含量也隨之下降;在180 d的培養過程中，CK處理的交換性總酸含量沒有明顯變化。石灰處理的土壤中，S1和S2處理的總交換酸含量在培養前期變化趨勢相似，S4、S5處理在第9天到第60天有土壤反酸趨勢，之后下降;S4在第80天后再次反酸，S5則自第60天后一直保持低含量的交換性總酸。生物炭處理的土壤中，Sl、S2處理的交換性總酸含量在第1～9天有大幅度下降，并在第15天時達到平衡后趨于穩定;第1天時，S3處理交換性總酸含量較CK降低了2.15 cmol/kg，且在后面的培養過程中出現小幅度的波動;S4、S5處理在第1天時交換性總酸含量為0，在之后的培養過程中，數值變化不大;通過180 d的培養，Sl、S2、S3、S4、S5的土壤交換性總酸含量分別較CK降低2.05、2.44、2.75、2.85、2.88 cmol/kg。2個改良劑對土壤交換性酸的改良效果差異性不顯著，但是石灰施入酸性土壤后，除S5處理外，其它處理的交換性酸含量會在某些天數出現較大波動;而生物炭處理的酸性土壤，在180 d的培養過程中，土壤交換性酸含量更為穩定，不會出現較大起伏，對作物的生長更加友好。

2.4??? 改良劑對土壤堿解氮的影響

從圖4可以看出，本次試驗所使用的生物炭和石灰對提高土壤堿解氮含量有重要作用。石灰處理的土壤，在第30天時，5個處理的土壤堿解氮含量顯著高于對照;第180天時，Sl、S2、S3、S4、S5處理的土壤堿解氮含量與CK存在顯著性差異;說明施用低濃度石灰有助于增加酸性磚紅壤的堿解氮含量，但是施入石灰過量，會減少酸性磚紅壤的堿解氮含量;其中S3處理的堿解氮含量是從第30天到180天唯一增加的，其他處理均呈現下降趨勢。生物炭處理的土壤，堿解氮含量均顯著高于CK處理（p<0.05）。

2.5??? 改良劑對土壤速效磷的影響

從圖5可以看出，本次試驗所使用的改良劑對提高土壤速效磷含量有重要作用，并且隨著石灰用量的增加，土壤速效磷含量也隨之上升。石灰處理的土壤，土壤速效磷含量從30 d到第180天均比CK顯著提高。生物炭處理的土壤，第180天時，Sl、S2、S3、S4、S5的土壤速效磷含量分別較CK提高了2.03、6.85、12.33、19.87、32.91 mg/kg。

2.6??? 改良劑對土壤有效鉀的影響

從圖6可以看出，本次試驗所使用的2個改良劑對提高土壤有效鉀含量有重要作用，并且隨著改良劑用量的增加，土壤有效鉀含量也隨之上升;2個改良劑處理的土壤有效鉀含量均與CK差異顯著。

2.7??? 改良劑對土壤交換性鹽基總量的影響

從圖7可知，經過石灰改良后的土壤，在第30天和180天時，土壤交換性鹽基總量均與CK 差異顯著，其中，S5處理的交換性鹽基總量分別較CK提高了60.00和46.67 cmol/kg。生物炭改良的土壤，第30天時，S4和S5處理與CK之間存在顯著性差異（p<0.05）;第180天時，S5處理與CK之間存在顯著性差異。

2.8??? 改良劑對土壤有效陽離子交換量的影響

由圖7、8及計算公式可知，土壤有效陽離子交換量的總體趨勢與土壤交換性鹽基總量相似。石灰處理的土壤，在第180天時，S1和CK的交換性鹽基總量相同，但是CK的有效陽離子交換量高于S1。生物炭處理的土壤各個處理均與CK差異顯著。

2.9??? 改良劑對土壤鹽基飽和度的影響

經改良劑處理后，土壤土壤鹽基飽和度（BS）均比CK高（圖9），并且土壤BS隨著石灰施入量的增多而增加。石灰處理的土壤，Sl、S2處理的土壤鹽基飽和度在第30天到第180天有所下降，S3、S4、S5的鹽基飽和度總體上保持穩定。生物炭處理的土壤，Sl、S2、S3處理的鹽基飽和度隨時間推移有小幅度下降，S4、S5處理隨時間延長有上升趨勢但波動范圍不大。

3??? 討論與結論

不同用量的改良劑投入土壤后，堿性基團可以快速釋放出來，中和土壤酸性離子，降低土壤交換性H和Al的含量，使pH升高和交換性鋁含量降低[4，11]。石灰和生物炭處理的土壤pH在后期會有下降的趨勢，是因為土壤的潛在酸逐漸釋放，消耗了投入的改良劑[3，7]。雖然石灰對改善土壤pH和交換性酸有重要作用，但其過量時，對土壤堿解氮含量和EC值會有不利影響。土壤堿解氮包括無機態氮（銨態氮、硝態氮）及易水解的有機態氮（氨基酸、酰銨和易水解蛋白質），施入石灰過量，土壤呈弱堿性，易水解的有機氮及銨態氮轉化為氨離開土壤，使得土壤對氮的固定速率下降，最終導致氮的流失[11]，這也是石灰的S5處理堿解氮含量到180 d時低于CK的原因。土壤的可溶性鹽分與電導率成正比，所以可根據土壤溶液EC值的變化了解土壤可溶性鹽分的變化[10]，當石灰改良劑投入過量時，土壤會產生大量氫氧化鋁沉淀，并且Fe、Mn、Cu、Zn等金屬離子易形成氫氧化物等沉淀，會導致土壤中的水溶性鹽分離子含量較低[12]。生物炭的改良則不會出現上述2種情況，因其本身含有一定量的鹽基陽離子和礦質養分[13]，所以改良酸性土壤時可以兼顧土壤的酸度和養分。

在酸性磚紅壤中，磷的主要吸附基質是活性鐵、鋁，施用石灰有利于鐵、鋁產生沉淀，減少土壤對磷的吸附量，從而提高土壤速效磷的含量。同時，施用石灰可以降低土壤對磷的最大吸附容量，提高磷的平衡常數和緩沖指數、土壤速效磷含量，且其他形態磷的組分含量也有所增加[14-15]。

此外，本次試驗所使用的石灰對提高土壤有效鉀含量也有重要作用，隨著石灰用量的增加，土壤有效鉀含量也隨之上升;這是因為石灰中的鈣離子對土壤吸附位的親和力比鉀離子大，置換出被土壤吸附的鉀離子，使得土壤中鉀離子的活度上升，所以土壤有效鉀含量增加[14]。

相比石灰，生物炭對土壤可溶性鹽分和土壤養分的改良機制有所不同。第一是生物炭本身含有一定量的鹽基陽離子和礦質養分[13];第二是生物炭疏松多孔的結構，有利于微生物生存，從而截取養分;第三是生物炭具有強大的吸附能力，可吸附NH、NO等多種水溶性鹽離子，具有良好的保肥能力，可有效減少土壤養分的淋洗。從本試驗可看出，生物炭對EC值的提高幅度遠大于石灰，并且其對堿解氮、有效鉀、交換性鹽基的改良效果更加穩定，更有利于植物生長。

本試驗所使用的改良劑對提高土壤鹽基飽和度有重要作用。土壤有效陽離子交換量是針對高度風化的熱帶酸性磚紅壤的反映土壤交換性能變化的重要指標[6]，適用于本研究中磚紅壤所處的環境;由于酸性磚紅壤表面的永久負電荷點主要由鋁離子占據，所以其鹽基飽和度通常很低。施用石灰，有利于生成氫氧化鋁沉淀，同時為土壤中提供了大量鈣離子，有利于土壤交換性鹽基總量的增加，所以5個處理土壤的鹽基飽和度與CK相比都有顯著提高。同時，添加不同用量生物炭的各處理，土壤鹽基飽和度都比CK高，生物炭表面有很多負電荷及陰離子，施入后增強了土壤膠體對鹽基離子的吸附性，不同用量各個處理鹽基飽和度變化不大，說明少量的生物炭即可有效提高酸性磚紅壤鹽基飽和度，并且其改良效果比石灰穩定，更有利于作物正常生長。

綜上所述，2個改良劑的施用都能有效增加土壤pH、降低土壤交換性總酸含量，表明其可以改善磚紅壤酸化問題，調節土壤酸堿度。但石灰在調節酸堿度的同時，無法兼顧土壤的可溶性鹽分含量和堿解氮含量，并且其過量投入還會造成土壤鹽分的流失;相比石灰，生物炭對堿解氮、有效鉀、交換性鹽基、鹽基飽和度的改良效果更加穩定，且其綜合效率更高，更有利于作物生長，并且生物炭的投入可以兼顧酸度和各種土壤養分。綜合而言，在本試驗中，生物炭對酸性土壤的改良效果更好，生物炭的施入量越多，其改良效果越好;雖然未進行大田試驗，但本試驗結果可為石灰和生物炭實地應用于改良酸性土壤提供理論基礎，對酸性土壤改良工作提供一定借鑒。

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