生物炭及炭基肥对土壤理化性质的影响

张锴

（合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥230009）

1 引言

生物炭是农作物秸秆或者外壳在不完全燃烧的状态下，产生的一种非纯净炭的混合物，它含有60%以上的碳，具有生物化学和热稳定性。生物炭具有复杂的孔隙结构和极强的吸附性能，能够改善土壤保水、保肥性能，减少养分损失，有益于土壤微生物活动，特别是菌根真菌，是良好的土壤改良剂。当前国内外关于生物炭研究仍处于起步阶段，研究使用的生物炭制作工艺不同，有采用严格控氧技术生产的、有采用不控氧技术生产的，由于制作工艺不同导致生物炭中化学物质的含量不同，因此研究结果不具有可比性，必须开展生物炭标准研究［1］。生物炭作为土壤改良剂及肥料缓释载体应用研究大多都是短期研究分析的结果，有些是温室或实验室的研究结果，研究结果存在一些相互冲突的现象［2］，这不仅与土壤类型有关，而且与生物炭中化学物质组分以及这些组分的性质或特征有关。另外，当前国际上暂时未有生物炭农用的标准［3］，这将影响生物炭的农业应用，也影响生物炭对土壤、环境及生物长期作用的科学评价。因此，制定出一个关于生物炭农用标准是研究生物炭的一个重点。

生物炭及生物炭基肥作为土壤改良剂或者处理污水的吸附剂目前仍处于研究初级阶段，对土壤、农作物及环境影响的研究结果很大程度上仅仅是短期实验的结果，有些仅是实验室土柱淋洗、土壤培养及土壤水分特征曲线测定评价的结果，而并没有在田间大面积地使用生物炭以测定其对土壤物化性质的长期影响如何，以及对土壤及肥料养分的淋洗影响如何，并且生物炭对土壤稳定性影响的测定需要系统长期的试验和分析。因此，本研究基于此情况在田间大面积地使用生物炭，以期获得准确有效的研究结果。

2 材料与方法

2.1 供试材料

2.1.1 供试土壤

土壤基本肥力状况如表1。

表1 各试验区供试土壤的肥力状况

2.1.2 供试作物和供试肥料

花生，品种为白沙1016，属早熟中粒珍珠豆型品种；炭基缓释肥（8－10－14），高级磷肥（10－44－0），高效钾肥（0－0－52）。

2.2 试验设计

采用田间小区试验，设6个处理，3次重复，小区面积27m2，长7.5m，宽3.6m，行距0.6m，小区之间间隔50～60cm。采用随机区组排列。各处理氮磷钾为等养分（对照和生物炭除外），试验处理如下：

处理1（CK）：对照，不施肥料。

处理2（生物炭）：生物炭225kghm－2（炭颗粒）。

处理3（NPK）：将尿素（46%）66kghm－2，磷酸二铵（18－46－0）165kghm－2，硫酸钾（50%）210kghm－2，混合后做底肥一次施入。

处理4（炭基肥）：施炭基缓释肥750kghm－2，与处理3等养分，与处理2等炭。

处理5（高效磷）：自制高效磷肥172.9kghm－2，尿素（46%）91.4kghm－2，KCl（60%）174.9kghm－2混合后做底肥一次施入，与处理3等养分。

处理6（高效钾）：自制高效钾肥202.7kghm－2，尿素（46%）66.0kghm－2，磷酸二铵（18－46－0）164.9 kghm－2混合后做底肥一次施入，与处理3等养分。

2.3 试验方法

2.3.1 样品采集

按花生生育期采集土壤样品供分析，土壤样品取0～10cm、10～20cm土层。

2.3.2 测定方法

（1）土壤物理性质测定方法。

土壤含水量—105℃烘干恒重法；土壤pH—用pH计测定（水∶土＝2.5∶1）。

（2）土壤化学性质测定。

土壤铵态氮—2molL－1KCL浸提—蒸馏法。

土壤硝态氮—酚二磺酸比色法。

土壤速效磷—碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法。

土壤速效钾—乙酸铵提取—火焰光度法。

3 结果与讨论

3.1 生物炭及炭基肥料对含水量、pH值的影响

3.1.1 生物炭及炭基肥对土壤含水量的影响

从图1可以看出，在土层0～20cm范围内生物炭和炭基肥可增大土壤通透性，促进土壤水分入渗，提高土壤持水量。在土层20～40cm范围内表现出的结果更为明显。这说明由于生物炭具有大量、复杂的孔隙结构的特点，使得生物炭材料的比表面积较大，容重较小，通气透水性能较大，有利于水分入渗，同时有利于土壤通透性的提高，促进土壤水分入渗，提高了土壤持水性能，这与高海英等［4］研究一致。

图1 不同处理土壤含水量

3.1.2 生物炭及炭基肥对土壤pH值的影响

pH值是土壤的一项重要物理性质同时也是土壤肥力的影响因子之一，其变化直接影响土壤中物质组分的存在状态和有效性，也影响土壤肥力形成和土壤质量的演变过程。

从表2可以看出，施入生物炭、NPK、炭基肥的土壤pH 值均有所升高，分别升高了0.29、0.03、0.38，在土壤中施用高效钾后pH＜CK，降低了0.03，只有施入高效磷后土壤pH值没有变化。表明施用这几种肥料在一定程度上改变了土壤的酸碱度。各种肥料在施用量相同条件下，各处理的土壤pH值顺序为炭基肥＞生物炭＞NPK＞高效磷＞高效钾。

表2 土壤pH值

3.2 生物炭及炭基肥料对土壤速效养分的影响

3.2.1 生物炭及炭基肥料对土壤速效氮含量的影响

铵态氮能够解离出铵离子被土壤胶体吸收，不易流失，但是遇到碱性物质，易分解放出氨气挥发，导致氮素损失。在良好通气的条件下，铵离子经过硝化作用由铵态氮装化为硝态氮，能够被植物吸收，但是不易被土壤胶体吸附保存。

从图2可以看出，在0～20cm土层花生成长的各个时期，施肥处理土壤铵态氮含量均高于CK，达显著水平，各生育时期的平均值为25.5mg·kg－1。施用生物炭处理的土壤铵态氮含量提高幅度最小，而施用炭基肥提高幅度最大，其中在花生幼苗期效果最为明显，涨幅度最大。这说明炭施入土壤后可以提高土壤中铵态氮含量。3种新型肥料中，炭基肥对提高土壤中铵态氮含量的作用效果明显，高效磷和高效钾的作用效果无明显差异。

图2 不同处理0～20cm土层铵态氮含量

从图3可以看出，在花生成长的各个时期，施肥处理土壤硝态氮含量均高于CK，施用生物炭处理的土壤硝态氮含量提高幅度最小，而施用炭基肥提高幅度最大，与其它处理相比差异达显著水平。生物炭处理与CK相比，各生育时期土壤硝态氮含量差异显著，说明生物炭能显著提高土壤中硝态氮含量，提高土壤的供氮能力。高效磷与NPK相比除饱果期，其它3个时期差异均显著。

图3 不同处理0～20cm土层硝态氮含量

3.2.2 生物炭及炭基肥料对土壤速效磷的影响

速效磷是土壤中养分的重要组成部分，土壤速效磷的含量大小是土壤磷素养分供应水平高低的指标，土壤磷素含量高低在某种程度反映了土壤中磷素的贮量和供应能力。在农业生产中一般采用土壤速效磷的指标来指导施用磷肥，土壤速效磷含量是决定磷肥有无效果以及效果大小的主要因素。

从图4可以看出在花生生长的各个时期，在幼苗期速效磷含量最高，到饱果期依次减少。其中速效磷含量最高的为高效磷处理，各时期的平均值为28.3mg·kg－1，高效磷处理土壤速效磷含量高，是因为肥料中添加腐殖酸后使土壤中的磷不容易被固定。高效磷与NPK相比，在各生育期中土壤速效磷含量差异显著，说明在同等氮钾肥条件下，高效磷肥施用对提高土壤速效磷含量的效果好于常规磷肥。

图4 不同处理0～20cm土层速效磷含量

3.2.3 生物炭及炭基肥料对土壤速效钾的影响

钾是土壤中有机质的重要组成部分之一，土壤速效钾易受外界条件（如季节、水分、温度等）的影响，由于钾在土壤中有容易移动的特点，所以容易被淋失，特别是高温多雨的季节，淋失更为严重。因此，速效钾含量也是衡量土壤钾素供应能力的主要指标。

从图5可以看出在花生生长的各个时期，土壤0～20cm速效钾含量从花生幼苗期至饱果期呈下降的趋势。一般作物需钾的高峰出现在生长旺盛期，花生由幼苗期到结荚期吸收钾的量最多，花生幼苗期平均值为120.5mg·kg－1，到结荚期降为83.2mg· kg－1，平均下降了37.3mg·kg－1。结荚期到饱果期吸收钾量明显减少，速度减慢。整个生育期中，高效钾肥处理土壤速效钾含量一直处于最高，各时期的平均值为103.3mg·kg－1，其次为炭基肥处理。炭基肥与NPK相比土壤速效钾含量只在幼苗期显著差异，其它时期都达不到显著水平。高效磷处理与NPK相比在整个生育期内无显著差异。生物炭与CK相比在整个生育期中差异均达显著水平，说明施用生物炭提高了土壤供钾能力。

图5 不同处理0～20cm土层速效钾含量

4 结论

本文以砂壤为供试土壤，通过采集花生生长的各个时期土壤为研究基础，结果如下。

（1）生物炭及炭基肥能够改善土壤的酸碱度，其中炭基肥对土壤改善酸碱度最好。但是，随着炭基肥料施用年限的增加，土壤pH值的变化还有待进一步研究。

（2）将生物炭或炭基肥作为土壤改良剂施入土壤，可吸附更多的水分和养分离子，提高土壤养分吸持量和持水容量，改善土壤持水能力。

（3）以生物炭或炭基缓释肥作为土壤改良剂，能够增加土壤中铵态氮、硝态氮含量，高效磷肥有利于土壤中速效磷含量提高，高效钾肥有利于土壤中速效钾含量的提高，说明在等量氮磷钾条件下炭基肥对提高土壤速效养分含量的作用好于普通的氮磷钾肥料。生物炭对提高速效养分含量也有一定的促进作用。

［1］谢祖彬，刘 琦，许燕萍，等.生物碳研究进展及其研究方向［J］.土壤（Soil），2011，43（6）：857～861.

［2］张文玲，李桂花，高卫东.生物质炭对土壤性状和作物产量的影响［J］.中国农学报，2009，25（17）：153～157.

［3］刘玉学，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.

［4］高海英，何旭生，耿增超，等.生物炭及炭基氮肥对土壤持水性能影响的研究［J］.中国农学通报，2011，27（24）：207～213.