添加竹炭对土壤肥力的影响

沈信权，徐佳乐，沈建林，徐 伟，俞关林，应雨骐，徐秋芳

（浙江农林大学环境与资源学院，浙江 临安 311300）

近年来，大量施用各种氮素肥料及复合肥，清除林下植被等集约经营措施，导致林种植被单一、林地环境变差而失去自然生态的调控力；过量施氮肥也使土壤板结，地力下降，养分不平衡，特别是有机质含量下降现象尤为突出，土壤生物学性质明显变差。土壤质量下降直接影响作物产量及质量，从而造成经济损失[1]。

生物质碳具有高度稳定性和较强的吸附性能，在改良土壤理化性质、提高土壤肥力方面能发挥重要作用。有不少科学家认为，用生物质碳捕捉碳元素相当稳定，能将碳元素“锁”在地下数百年，并让土壤变得更肥沃，另外还可以减少二氧化氮和甲烷等温室气体的排放[2]。竹炭是常见的生物质碳，分子结构呈六角形，质地坚硬，细密多孔，吸咐力强，具有吸附功能。多位研究者开展了竹炭对土壤肥力的影响研究；竹炭含有生物成长所需的各种矿物质，可保持良好的营养平衡[3]；同时，竹炭对土壤中铵态氮具有良好的持留作用，可以起到减少化肥氮素淋溶损失、实现氮素缓释的效果[4]。我国竹炭产业迅猛发展，竹炭资源丰富，但我国的竹炭研究刚刚起步，竹炭在林业土壤肥力改良及环境改善方面的研究均处于起步阶段。由于过量施肥引起的经济林土壤退化是浙江省以及东南沿海几个省份的特点，探索竹炭在高养分积累的林地土壤中施用对改善土壤肥力作用，可为经济林可持续经营提供理论依据。本试验通过盆栽试验，开展添加不同竹炭比例对土壤肥力改善的研究，以寻找合适的竹炭施用量。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试竹炭直径小于2 mm，供试土壤采自板栗林，基本理化性质如下，pH5.40，有机质16.4 g/kg，全氮1.31 g/kg，碱解氮171 mg/kg，速效钾327 mg/kg，有效磷398 mg/kg。

1.2 试验设计及盆栽试验实施

设4个水平，分别加0、2%、5%和10%的竹炭（竹炭的用量百分比以土壤干土质量为基础计算），每个处理3个重复，进行白三叶草的盆栽试验。布置试验4个处理，每个处理3个重复，共12盆。按试验方案加入竹炭并充分混匀后，播种白三叶草。具体试验如表1。

观察植物生长状况：从播种开始观察，直至试验结束。

土壤肥力指标：试验进行至12个月时，采集土壤样品，分析土壤的各项理化指标，包括pH、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、电导率等。

土壤样品采集：从每个盆栽中采集50 g左右具有代表性土壤样品，带回实验室，风干研磨过筛，保存在塑料袋中，用于土壤理化性质分析。

表1 试验处理情况Table1 Treatments

1.3 土壤理化性质分析

土壤理化性质参照鲁如坤等《土壤农业化学分析方法》[5]。其中，土壤pH值测定采用1：2.5土水比，用复合电极测定；全氮采用半微量凯氏定氮法；碱解氮采用碱解扩散法；有效磷采用Bray法，盐酸—氟化铵溶液浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵提取，火焰光度计测定；电导率测定采用 5:1土水比，用电导仪测定。

数据处理：对各理化指标所测得的数据进行整理，并用SPSS统计软件分析。

2 结果与分析

2.1 竹炭的施加对土壤pH的影响

分析结果表明，竹炭的施加对土壤pH值有较大影响，竹炭施加量愈大，土壤pH值愈大（表2）。不同处理间存在较大差异，处理4显著高于处理3（P < 0.05），极显著高于处理2和处理1（P < 0.001），处理3又明显高于处理1（P < 0.01），处理2与处理3、处理2与处理1之间均没有明显差异。处理4的pH接近6.0呈微酸性，外加竹碳对南方土壤养分有效性提高有良好作用，降低其铝的毒性，有利于土壤肥力改善。原因是竹炭中含有许多灰分物质，竹炭呈碱性，其pH 值常在7.7 ～ 10.2[6]，且随着炭化温度的升高，竹炭中酸性物质减少，pH升高，竹炭施加越多对土壤 pH值的影响越大；另外，可能由于竹炭具有较强的吸附能力，对土壤中盐基离子的吸附作用，减少盐基的淋失，增加土壤的盐基饱和度，从而使土壤pH值升高。Hoshi在pH为4.3的茶园土壤中施0.5 kg/m2竹炭，在施用后土壤的pH值提高了0.5 ～ 1.0单位，竹炭对提高砂质和壤质土壤pH值的效果要大于粘质土壤[7]。

表2 外加不同比例竹炭土壤pH比较Table2 Comparison on pH of soil with different treatments

这些研究结果与本试验结果较一致，说明竹炭对土壤pH有较显著的影响。但竹炭在施用过程中，其用量并非越多越好，如当竹炭施用量超过一定量时，反而造成短期内土壤结构过于疏松，pH 值变化大等不利因素[7]。

2.2 竹炭的施加对土壤全氮的影响

结果表明，竹炭的施加对土壤全氮的影响不大，处理间没有显著差异（表3）。分析不同处理的重复发现，处理1的重复1偏高，致使平均值偏高，而处理3和4的重复1则低于其它两个重复，致使平均值偏低，说明重复之间存在差异。如果剔除每个处理中偏差较大的重复，求相近两个重复的平均值，外加竹炭处理的全氮含量高于未加的处理 1。原因分析，土壤氮主要以有机态氮为主，与土壤有机质呈正相关，外加竹炭越多有机质含量越高，但由于竹炭中含氮较少，一般竹炭的含碳量为85% ～ 88%，因此外加竹炭多少对土壤全氮没有显著影响。另外，种植的白三叶草虽然有固氮作用，但由于不同处理的植物生长差异不明显，加上试验时间短，以植物根系分泌物以及以新鲜有机物质形式输入的有机质数量少，没有引起处理间土壤全氮含量的差异。

表3 外加不同比例竹炭土壤全氮比较Table3 Comparison on total N of soil with different treatments g·kg－1

2.3 竹炭的施加对土壤碱解氮

表4结果表明，竹炭的施加对土壤碱解氮有影响，但没有达到显著水平，且处理 1（对照）的碱解氮含量反而高于外加竹炭处理。一般土壤有机质与碱解氮呈正相关，但本次实验加入的是生物质，它不同于一般有机质，碳氮比很高[3]。出现对照碱解氮高于外加竹炭处理的可能原因分析，实验测定的土壤碱解氮包括易降解的有机态氮和铵态氮，由于外加竹炭可能有利于硝化作用进行[8]，使土壤中的原有铵态氮、以及由有机态氮转变而来的铵态氮硝化形成硝态氮，从而出现外加竹炭处理的全氮略高于对照，但碱解氮反而低于对照的现象。可能外加竹炭可以增加土壤硝态含量，对喜硝植物有利，但氮素的移动性增加，是否会导致氮素的淋失不能确定，因为竹炭有一定的吸附作用，有待研究。

表4 外加不同比例竹炭土壤碱解氮比较Table4 Comparison on hydrolysable N of soil with different treatments mg·kg－1

2.4 竹炭的施加对土壤有效磷含量的影响

分析结果表明，竹炭的施加使土壤中有效磷含量有差异，随着加入竹炭量的增加有效磷平均值提高，但不同处理间有效磷差异检验不显著（表5）。原因分析，竹炭含有一定量的磷，因此，外加竹炭一方面输入了一定数量的磷，另一方面，因为加入竹炭后土壤 pH提高，可能对土壤中磷的活化有一定作用，使土壤中速效磷增加。差异检验不显著的原因是同一处理3个重复间变异较大，掩盖了处理间的差异。因此，外加竹炭对提高土壤的有效磷水平有积极作用。

表5 外加不同比例竹炭土壤有效磷比较Table5 Comparison on available P of soil with different treatments mg·kg－1

2.5 竹炭的施加对土壤速效钾含量的影响

竹炭的施加使土壤速效钾的含量有差异，随着加入竹炭量的增加而提高（表6），处理4的土壤速效钾极显著大于（P < 0.01）处理3，更高于其它处理；处理3也明显高于处理1和2（P < 0.05），而处理1和2没有显著差别。原因分析：由于竹子是喜钾植物，竹炭本身含有一定量的钾，施加的竹炭愈多，土壤含钾量愈多。处理2的平均值高于处理1，但两者没有显著差异，这是由于处理1的3个重复差异较大，掩盖了处理间的差异。结果说明，外加竹炭提高了土壤速效钾含量。

表6 外加不同比例竹炭土壤有效钾比较Table6 Comparison on available K of soil with different treatments mg·kg－1

2.6 竹炭的施加对土壤电导率的影响

外加竹炭最多的处理4土壤电导率平均值高于其它处理，但没有达到显著提高（表7），其它处理平均值间的差异较小。Glaser等研究发现，在加入焦炭后可引起土壤可交换性盐基离子明显增加，其值常远大于土壤的盐基交换量的增加，因为焦炭中许多离子以可溶性盐的状态存在[9]。竹炭含有一定量的钾、钙、镁等灰分元素，据测定，竹炭的阳离子吸附量可达36.1 ～ 88.2 cmol/kg，而深度风化土壤的阳离子吸附量常小于5 cmol/kg[10]。竹炭施加到土壤中能使土壤中阳离子含量增加，土壤电导率提高，但本试验外加竹炭量对土壤电导率影响不明显，原因之一是通过一年的试验，竹炭中部分可溶性盐被植物吸收或淋溶，原因之二是土壤本身有各种离子存在，加入竹炭中所含的盐基离子不足以导致显著差异。因此，外加一定数量的竹炭没有盐渍化风险。

表7 外加不同比例竹炭土壤电导率比较Table7 Comparison on electric conductivity (EC) of soil with different treatments us·cm－1

2.7 竹炭的施加对植物生长的影响

施加竹炭对白三叶草前期生长有利，不同处理间植物生长第3个月和第5个月时差异明显，外加竹碳的3个处理均比对照好，且外加5%和10%竹炭的处理3和处理4又明显好于处理2，但处理3和4之间则没有明显差别，说明外加5%以上的竹炭对植物生长影响区别不大。然而，随着试验的进行，不同处理间植物生长的差异逐渐消失，至一年时差异基本消失。

傅秋华等研究发现，施用竹炭颗粒的土壤，其理化性能得到了改良，水解氮、有效磷、速效钾、交换性钙和镁等元素含量均明显提高[10]。而本试验除速效钾和 pH外，其它理化性质改良不明显，但施加竹炭对白三叶草前期生长有利。

3 结论

通过盆栽试验发现，施加不同比例竹炭对土壤肥力有正效应。施加竹炭可缓解土壤酸度，显著提高土壤有机碳和速效钾含量，土壤全氮、有效磷也有不同程度增加，而碱解氮则有下降趋势，施加10%的的竹炭也没有盐渍化风险。施加竹炭对白三叶草生长的差异短期内（5个月）较明显，但试验结束时基本消失。因此，从提高土壤碳贮量和肥力角度出发，施加10%的竹碳能最大程度提高土壤碳贮量，且对土壤肥力有改善作用。

[1]吴再兴，钟哲科，王树东.竹质活性炭制备的研究进展[J].竹子研究汇刊，2008，27（2）：11－15.

[2]刘洪波，常俊玲，张红波，等.竹炭基高比表而积活性炭电极材料的研究[J].炭素技术，2003（5）：1－7.

[3]刘道平.中国竹业产业化现状及展望[J].林业科技开发，2001，15（5）：3－5.

[4]刘玉，刘微，吴伟祥，等.土壤生物质炭环境行为与环境效应[J].应用生态学报，2009，20（4）：977－982.

[5]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，1999.

[6]Marris E.Black is the new green[J].Nature，2006（442）：：624－626.

[7]Hoshi T.A practical study on bamboo charcoal use to tea trees [M].Report on Research by project（Tokoi University，Japan），2001.1－47.

[8]周建斌，邓丛静，傅金和，等.纳米TiO2改性竹炭对空气中苯的吸附与降解[J].南京林业大学报（自然科学版），2008，32（6）：5.

[9]Glaser B, Haumaier L, Gu ggenb erger G,et al.Black carbon in soils: the use of benzene carboxylic acids as specific markers[J].Organic Geochem, 1998，29（4）：811－819.

[10]傅秋华，张文标，钟泰林，等.竹炭对土壤性质和高羊茅生长的影响[J].浙江林学院学报，2004，21（2）：159－163.