生物炭对土壤水肥热效应的影响试验研究

李昌见，屈忠义*，勾芒芒,2，高文慧,2，孙贯芳

生物炭对土壤水肥热效应的影响试验研究

李昌见1，屈忠义1*，勾芒芒1,2，高文慧1,2，孙贯芳1

1. 内蒙古农业大学，呼和浩特 010018；2. 内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010020

本文通过野外大田小区试验以番茄（Lycopersicon esculentum Mill）为供试作物，通过在土壤中施加不同含量生物炭（Biochar）研究生物炭对土壤含水率、有机碳、速效养分含量和土壤温度的影响，从而寻求一个较为合适的施用量，为生物炭在内蒙古地区的大面积推广提供科学的理论依据。试验共设5个处理，3个重复：不施加生物炭（CK），生物炭使用量分别为10 t·hm-2(A)，20 t·hm-2(B)，40 t·hm-2(C)，60 t·hm-2(D), 在各生育期取土样测定土壤含水率、有机碳、速效养分含量，并在各生育期连续3天测定土壤地表温度。试验结果表明：不同处理下土壤含水率随生物炭施用量增加呈先增加后减小的趋势，且均高于对照组，其中施炭量为40 t·hm-2处理的土壤含水率增幅最明显，0～10 cm土层各生育期土壤含水率较对照组最大增幅分别为20.8%、13.7%、21.8%，10～20 cm土层各生育期土壤含水率较对照组最大增幅分别为33.9%、17.1%、21.3%；不同处理下土壤温度随着生物炭施用量的增加而升高，两者具有显著的正相关关系，各生育期各处理土壤地表温度较对照组最大增幅分别为58.1%、31.3%、55.8%；不同处理土壤有机碳含量随着生物炭施用量的增加而增大，番茄各生育期各处理土壤有机碳含量较对照组最大增幅分别为80.9%、62.7%、63.9%；不同处理土壤中碱解氮、速效钾、速效磷含量均随生物炭施用量的增加而呈现先增大后减小的趋势，且均大于对照组，各生育期各处理土壤碱解氮较对照组最大增幅分别为92.7%、45.7%、106.5%，速效磷最大增幅分别为120.1%、39.3%、250.4%，速效钾最大增幅分别为86.2%、118.5%、203.4%。综上所述，生物炭对于砂壤土具有保水、保肥、保温的特性，对于提高土壤水肥利用效率，增加土壤有机碳具有重要的作用，而且通过试验验证40 t·hm-2的施用量是最适合砂壤土的使用量。

生物炭；含水率；有机碳；速效养分；土壤温度

生物炭(biochar)是指在缺氧或低氧条件下生物质在高温裂解后烧掉其中的油和燃气，剩下的一种具有高度芳香化、富含碳素的固体颗粒物质（Glaser等，1998）。常见的生物炭有竹炭、木炭、秸秆炭等。目前，全球对生物炭科学研究的重视源于对亚马逊盆地中部黑土（Terra Preta de Indio）的认识，虽然近年来生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受世人关注（Tenenbaum，2010；Kimetu和Lehmann，2010；Steiner等，2008；Lehmann等，2006），但是在中国将生物炭运用于生产实践尚处于起步阶段。自从沈阳农业大学20世纪90年代从荷兰引进第一套生物质裂解装置以后，国内许多学者、研究院所才逐步开始开展生物炭的相关研究（何绪生等，2011）。生物炭具有高度羧酸酯化和芳香化结构（Washington等，2003），拥有较大的孔隙度和比表面积（Gerard等，2004），生物炭的这些理化性质赋予了生物炭具有强吸附力、强稳定性、亲水性等特点。生物炭的这些特性赋予了生物炭保水保肥性能，王丹丹等（2013）研究表明施入生物炭可以有效地改善土壤容重，提高土壤田间持水量和土壤的导水性能。何绪生等（2011）研究表明生物炭能够提高土壤有机碳含量，改善土壤保水、保肥性能，减少养分损失。但目前相关研究大多局限于室内实验和温室大棚（勾芒芒等，2014），田间小区试验的研究还很少。

水肥作为作物生长的最基本指标，被广泛开展研究，但是土壤温度作为作物生长环境的重要指标，生物炭对其影响的研究较少。且在干旱半干旱

地区进行生物炭对番茄水、肥、热的田间试验基本为空白，本文通过设置不同生物炭施用量，研究生物炭对土壤含水率、有机碳和速效养分含量以及土壤温度的影响，为培肥土壤，提高土壤水、肥的利用效率提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1实验区概况

试验于2013年5月中旬至2013年10月中旬在内蒙古和林县水利部科技推广中心内蒙古科技推广示范基地进行，该地区属于温带半干旱大陆性季风气候，年均气温6～7 ℃，年均降雨量为392.8 mm。该试验区土壤为砂壤土，大多以种植土豆为主，本次选定的试验田前茬种植的作物为土豆。土壤基本性质：砂粒质量分数64.15%、粉粒16.49%、粘粒19.36%，耕层土壤（0～20 cm），土壤容重1.39 g·cm-3，孔隙度43.52%，田间持水率(体积分数)31%，pH值7.85，电导率141.8 us·cm-1，有机质质量比为6.66 g·kg-1，碱解氮48.07 mg·kg-1，速效磷12.06 mg·kg-1，速效钾为146.98 mg·kg-1。

1.2实验设计

选用生物炭为辽宁金和福农业开发有限公司玉米秸秆生物炭。选用当年玉米秸秆在炭化炉中温度控制在400 ℃缺氧情况下燃烧8 h制成成品炭。生物炭的主要性质：C的质量分数为47.17%、N为0.71%、H为3.83%，C/N比67.03%，pH值9.04，有机质质量比为925.74 g·kg-1，碱解氮为159.15 mg·kg-1，速效磷为394.18 mg·kg-1，速效钾为783.98 mg·kg-1。将生物碳均匀施于土壤表面，用旋耕机翻混入耕层土壤。

实验设计5处理：对照不施生物炭（CK）,处理生物炭施用量为10 t·hm-2(A)，20 t·hm-2(B)，40 t·hm-2(C)，60 t·hm-2(D)。采取随机分区设计，每个处理3个重复，共计15个小区，小区面积5 m×3 m=15 m2。供试作物为番茄，品种为上海合作918，种植密度为4.5 万株/hm2，底肥施用量：尿素[ω(N)=46%]，408 kg·hm-2，二胺[ω（P2O5）=46%]，163 kg·hm-2，氯化钾[ω（KCL）=50%]，300 kg·hm-2。

1.3试验测试内容及方法

在番茄各生育期（苗期～开花着果期、开花着果期～结果盛期、结果盛期～果实成熟期）的各处理小区灌水前后用土钻分别在0～10、10～20 cm的土层取土，取部分土装入铝盒测定各土层土壤含水率，最后将相同土层3个重复含水率求平均值；在各小区插入地温计测定地表温度（地温计插入深度为10 cm）；在各生育期分别钻取0～15、15～30 cm土层土样经风干过筛后测定各处理土壤有机碳、碱解氮、速效钾、速效磷的含量。土壤含水率测定采用烘干称重法（张军红等，2012），土壤有机碳测定采用外加热法（李莉等，2010），碱解氮测定采用碱解扩散法（叶祥盛和赵竹青，2011），速效磷采用磷钼蓝比色法测定（鲁绪会，2002），速效钾采用火焰光度法测定（王凤智，2000）。

1.4数据分析

采用Microsoft Excel绘制图表，SPSS19.0软件进行方差分析，相关分析和主成分分析。

图1 番茄全生育期0～10 cm土壤含水率Fig.1 tomato growth period 0-10 cm soil moisture

2 结果与分析

2.1不同生物炭施量对土壤含水率的影响

由图1、2可知，在全生育期各处理相同土层均表现出一致的规律，随着生物炭含量的增加土壤含水率呈先递增后减小的趋势，且施用生物炭处理土壤含水率均大于对照组（CK）。土壤深度为0～10 cm时，苗期～开花着果期灌水后土壤含水率较对照组分别提高了5.9%、10%、20%、5.6%，开花着果期～结果盛期灌水后土壤含水率分别提高6%、9.3%、13.7%、4.8%，结果盛期～果实成熟期土壤含水率分别提高3%、13.2%、21.7%、13.7%；在土壤深度为

10～20 cm时，苗期～开花着果期灌水后土壤含水率较对照组分别提高了5.46%、14.14%、33.97%、10.96%。开花着果期～结果盛期灌水后土壤含水率分别提高6.60%、8.37%、17.04%、7.09%，结果盛期～果实成熟期土壤含水率分别提高8.51%、17.78%、21.31%、8.84%，差异性达到显著水平。

图2 番茄全生育期10～20 cm土壤含水率Fig.2 tomato growth period 10～20 cm soil moisture

土壤保水能力受土壤质地、结构和土壤有机质含量的影响，影响程度取决于土壤比表面积的相对变化（曾爱等，2013）。生物炭施入土壤后改变土壤孔隙度和团聚程度，增大了土壤的比表面积，最终影响到土壤的持水能力。在番茄全生育期不同处理土壤含水率与生物炭施用量相关性较为明显，随着生物炭施用量的增加土壤含水率呈现先增大后减小的趋势，这与高海英等研究结果基本一致（高海英等，2011）。出现这种现象的原因是生物炭拥有较大的孔隙度和比表面积（Gerard等，2004），施用生物炭增大了土壤孔隙度和生物炭具有较大的吸附力促使土壤团聚体的形成，从而增加土壤比表面积，加之生物炭本身具有较强的亲水性，使得土壤的持水能力提高，增大了土壤含水率；当生物炭施用量超过40 t·hm-2时，土壤含水率会随着生物炭施用量增加而减小，出现这种现象的原因可能是高生物炭用量使得土壤的孔隙进一步增大，毛管作用减弱，土壤持水能力下降。但是施用生物炭量太高为什么会减小土壤含水率还有待进一步研究。

2.2不同生物炭施用量对土壤温度的影响

由图3可知，在番茄全生育期随着生物碳含量的增加土壤地表温度均呈现递增的趋势，与CK相比，生物炭对提高土壤地表温度效果明显，地表温度从高到低依次为D、C、B、A、CK。表明较高生物碳施用量能够增加地表温度。

通过对地温在不同处理间的变化趋势分析，生物炭用量的增加促进了地表温度的升高，可能是因为黑色生物炭是较好的热吸收体，比较容易吸收各种波长的光，因此容易吸收紫外线，也容易吸收可见光的热量。因此随着生物炭含量的增加土壤表层的颜色也随之加深，吸收可见光、热量的能力也增强，所以生物炭施用量越大地表温度也越高。

2.3不同生物炭施用量对土壤肥力的影响

由图4可知，有机碳含量随生物炭施用量增加而提高，较大生物炭施用量条件下土壤有机碳含量增幅较为明显，且施用生物炭的处理均高于对照组。苗期～开花着果期，土壤有机碳含量与CK相比A、B、C、D依次增加11.5%、40.6%、57.4%、80.9%差异性达到显著水平。开花着果期～结果盛期，土壤有机碳含量与CK相比各处理依次增加1.5%、1.4%、52.6%、62.7%差异性达到显著水平，结果盛期～果实成熟期，土壤有机碳含量与CK相比各处理依次增加24.5%、25.3%、37.7%、63.9%差异性达到显著水平。说明生物炭的施用对土壤有机碳含量的提高有显著的作用，在高生物炭施用量情况下尤为明显。生物炭的施用不仅提高了土壤肥力，而且有效的较少了碳的排放。有效的实现了节水保肥与固碳减排的综合效应。

由图5可知，番茄在全生育期土壤碱解氮含量随着生物炭施用量的增加呈现先增加后减小的趋势。苗期～开花着果期，土壤碱解氮含量与CK相比A、B、C、D依次增加92.7%、59.7%、47.7%、39.5%差异性达到显著水平。开花着果期～结果盛期，土壤碱解氮含量与CK相比各处理依次增加45.7%、33.3%、6.5%、1.1%差异性达到显著水平。结果盛期～果实成熟期，土壤碱解氮含量与CK相比各处理依次增加106.5%、46.7%、31.5%、23.9%差异性达到显著水平。由数据分析可知生物炭对土壤碱解氮的提高作用显著，在低生物炭施用量情况下最为显著。造成这种现象的原因可能是低

生物炭施用量条件下更容易吸收有机氮，减少土壤中氮的淋失，从而表现出土壤碱解氮含量在低生物炭用量下显著增加。

图3 番茄全生育期地温变化情况Fig.3 tomato growth period ground temperature changes

由图6可知，番茄在全生育期土壤速效磷含量随着生物炭施用量的增加呈现先增加后减小的趋势。苗期～开花着果期，土壤速效磷含量与CK相比A、B、C、D依次增加22.1%、58.1%、120.1%、41.5%差异性达到显著水平。开花着果期～结果盛期，各处理土壤速效磷含量与CK相比依次增加4.8%、 17.7%、39.3%、16.8%差异性达到显著水平。结果盛期～果实成熟期，各处理土壤速效磷含量与CK相比依次增加50.6%、110.5%、250.4%、70.9%差异性达到显著水平。

由图7可知，番茄在全生育期土壤速效钾含量随着生物炭施用量的增加呈现先增加后减小的趋势。苗期～开花着果期，土壤速效钾含量与CK相比A、B、C、D依次增加11.6%、26.3%、86.2%、31.5%差异性达到显著水平。开花着果期～结果盛

期，土壤速效钾含量与CK相比各处理依次增加57.7%、73.3%、118.5%、81.1%差异不显著。结果盛期～果实成熟期，土壤速效钾含量与CK相比各处理依次增加9.6%、30.7%、203.4%、172.7%差异性达到显著水平。

图4 番茄全生育期不同处理土壤有机碳含量Fig.4 tomato growth period different soil organic carbon content

图5 番茄全生育期不同处理土壤碱解氮含量Fig.5 tomato growth period different soil nitrogen content

图6 番茄全生育期不同处理土壤速效磷含量Fig.6 tomato growth period different soil available phosphorus content

生物炭通常含碳40%～75%，含少量矿物质和挥发有机化合物，呈碱性，不易为微生物分解（何绪生等，2011），且生物炭富含有机碳，其中碳大多以稳定芳香环不规则叠层堆积存在（Zwieten等，2010），因此土壤有机碳含量与生物炭施用量有密切的关系，生物炭施用量越大土壤有机碳含量越高，这与本试验结果完全吻合。本试验生物炭含碳量为47.17%，施入土壤后提高了土壤有机碳含量，而且呈正相关。生物炭具有高的吸附能力、CEC及

化学反应性，因此，生物炭可作为肥料缓释载体，可延缓肥料养分在土壤中的释放，降低肥料养分的淋失及固定等损失，提高肥料养分利用率（钟雪梅等，2006；Magrini-Bair等，2009），从上文的数据分析可知土壤中全生育期各处理碱解氮、速效磷、速效钾的含量均高于对照，这一方面是生物炭具有高吸附能力，生物炭施入土壤促进了土壤团聚体形成，增大了比表面积，从而增强了土壤的吸附力，增加土壤对N、P、K等离子吸附，另一方面生物炭施入土壤增强了土壤的阳离子交换，减少了土壤中氮、磷、钾淋溶损失，从这两个方面提高了土壤氮、磷、钾的含量。

图7 番茄全生育期不同处理土壤速效钾含量Fig.7 tomato period different soil available k content

3 结论

（1）生物炭具有保水的性能。随着生物炭施用量的增加土壤含水率呈现先增加后递减的趋势。在各生育期不同土壤深度均呈现相同趋势，且土壤含水率均大于对照组。与对照CK相比较施用生物炭的处理在各生育期土壤含水率至少提高5.6%、4.8%、3%。差异性达到显著水平。

（2）生物炭具有保温的性能。随着生物炭施用量的增加土壤地表温度呈现递增的趋势，且呈正相关。与对照CK相比较施用生物炭的处理土壤温度显著提高，各生育期土壤温度增幅最大的均是处理D（60 t·hm-2），最大增幅分别为58.1%、31.3%、55.8%，差异性显著。

（3）生物炭具有保肥的性能。施用生物炭可以提高土壤的肥力，有机碳在各生育期最大增幅分别为80.9%、62.7%、63.9%，在结果盛期-果实成熟期尤为显著；碱解氮在各生育期最大增幅分别为39.5%、45.7%、106.5%，；速效磷在各生育期最大增幅分别为120.1%、39.3%、250.4%，在结果盛期-果实成熟期尤为显著；速效钾在各生育期最大增幅分别为86.2%、118.5%、203.4%。

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The Research of BioChar’s Effect on Soil Humidity, Fertility and Temperature

LI Changjian1, QU Zhongyi1*, GOU Mangmang1,2, GAO Wenhui1,2, SUN Guangfang1
1. Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China; 2. Hydraulic Research Institute of Inner Mongolia, Hohhot 010020, China

Taking tomato growing in field plot as subject, the research focus on biochar’s effect on soil moisture, organic carbon, available nutrients contents and temperature by applying vary amounts of biochar on it. The research aims to find a suitable applying amount which could supplies scientific theoretical base for biochar used in large-scale Mongolia area. The experiment designs five treatments and three repetitions, which are no biochar (CK), 10 t·hm-2amount of biochar, 20 t·hm-2amount of biochar , 40 t·hm-2amount of biochar and 60t·hm-2amount of biochar. By measuring the soil moisture, organic carbon, available nutrients contents and temperature (in three consecutive days) during different growth periods of tomato, the experiment gets the following results. Soil moisture in all four subject treatments is higher than that of the contrast one (CK), and decreases after the increasing trend. Among of them, treatment of 40 t·hm-2biochar increases most. Compared with the contrast treatment (CK), soil layer of 0-10 cm increase 20.8%、13.7%、21.8% respectively, and soil layer of 10-20 cm increase 33.9%、17.1%、21.3% respectively during the different growth periods. Both the soil temperature and organic carbon in all treatments rise with the rising applying amount of biochar: during different growth periods, the largest increasing amount for soil temperature is 58.1%、31.3%、55.8% respectively; for organic carbon is 80.9%、62.7%、63.9% respectively. Alkali hydrolyzable nitrogen, available potassium, available phosphorus in all four subject treatments are higher than that of the contrast one (CK), and also decrease after the increasing trend. During different growth periods, the largest increasing amount for alkali hydrolyzable nitrogen is 92.7%、45.7%、106.5% respectively, for available potassium is 120.1%、39.3%、250.4% respectively, and for available phosphorus is 86.2%、118.5%、203.4% respectively. In conclusion, biochar could maintain soil water, fertilizer and heat, enhance fertilizer efficiency and organic carbon. The 40 t·hm-2application amount of biochar is the best quantity in the improvement of sandy loam.

Biochar; Soil Moisture; Organic Carbon; Available Nutrients; Soil Temperature

S15

A

1674-5906（2014）07-1141-07

国家自然科学基金项目（41161038）；内蒙古自治区2013年科技厅应用项目(20130425)

李昌见（1987年生），男，硕士研究生，主要研究方向为农业水资源高效利用与水土环境调控。E-mail:461663804@qq.com*

2014-05-04

李昌见，屈忠义，勾芒芒，高文慧，孙贯. 生物炭对土壤水肥热效应的影响试验研究[J]. 生态环境学报, 2014, 23(7): 1141-1147.

LI Changjian, QU Zhongyi, GOU Mangmang, GAO Wenhui, SUN Guangfang. The Research of BioChar’s Effect on Soil Humidity, Fertility and Temperature [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1141-1147.