两种生物质炭对果园酸化土壤改良效果的研究

张瑞清 杨剑超 孙晓 赵玲玲 孙燕霞 徐维华 姜中武

摘要：胶东地区果园土壤酸化比较严重，且pH值有逐年下降趋势，对于已经酸化的土壤必须采取一定措施加以改良。生物质炭作为一种功能材料在农业上的应用日益受到关注，但生物质炭对果园土壤的改良效果研究报道还不多见，尤其利用果树修剪枝条炭化物（果木炭）改良果园酸化土壤的研究尚未见报道。本试验采取室内培养的方法，研究了两种生物质原料——果树修剪枝条（果木）和稻壳及其炭化物——果木炭和稻壳炭不同剂量添加对果园酸化土壤pH值和交换性酸（氢、铝）含量的影响。结果表明，在60天的培养周期内，添加果木和稻壳两种生物质原料后，土壤pH值分别提高了0.17和0.11个单位，与对照差异显著；添加果木炭和稻壳炭的土壤pH值随生物质炭添加量的增大而上升明显，至培养结束，果木炭1%、3%、5%剂量处理土壤pH值分别提高0.10、0.36、0.76个单位，稻壳炭相应处理分别提高0.15、0.26、0.64个单位，各处理与对照差异显著；极低剂量（0.5%）生物质炭处理对土壤pH值影响不大，与对照差异不显著。果园酸化土壤加入两种生物质原料及其炭化物培养后，均不同程度地降低了土壤交换性酸（氢、铝）总量，且生物质炭添加量越大降低幅度越大，至培养结束，果木炭0.5%、l%、3%、5%剂量处理土壤交换性酸分别降低了0.26、0.58、0.86、1.24cmol（+）·kg^-1，稻壳炭相应处理分别降低了0.38、0.83、1.31、1.84 cmol（+）·kg^-1，除果木炭极低剂量（0.5%）处理外，其他处理与对照差异显著。添加果木和稻壳两种生物质原料处理土壤交换性酸总量分别降低了0.94、0.70cmol（+）·kg^-1，与对照差异显著。

关键词：生物质炭；果园土壤；酸化；改良；pH值；交换性酸

中图分类号：S156

文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）02-0074-06

近年来的调查研究表明，胶东地区苹果园土壤呈强酸性，平均pH值处于4.5～5.5水平，个别地区果园土壤呈极强酸性，pH值甚至低于4.5，并且有逐年下降的趋势。果园土壤酸化加剧，导致果园生产力逐年下降、病害频发、果实风味和品质下降。因此，从根本上改善土壤环境、培肥地力是保证苹果高产、优质、可持续发展的当务之急。

土壤酸化是指土壤中氢离子增加引起土壤pH值下降、盐基饱和度降低的过程。在这一过程中，土壤溶液中的H⁺不断取代土壤胶体表面吸附的盐基离子，致使H⁺饱和度不断增加，当铝硅酸盐黏粒矿物表面吸附的H⁺超过一定限度时，它们的晶体结构就会遭到破坏，Al³⁺脱离八面体品格的束缚变成活性Al³⁺，一部分被吸附在带负电荷的黏粒表面，另一部分转变为交换性Al³⁺，Al³⁺通过水解可产生相当数量的游离H⁺，使土壤进一步酸化。土壤酸化是一个持续不断的缓慢的自然过程，但人为的影响使得这一过程大大加速。对已经发生酸化的土壤，必须采取一些措施来改良，目前主要有两种改良方法，一是运用化学改良剂进行改良，另一种是采取一定的生物措施来达到改良的效果。

生物质炭作为一种功能材料在农业上的应用日益受到关注，其对酸化土壤的改良及研究进展悉见报道。生物质炭是生物质在无氧或限氧条件下热解得到的一种细粒度、多孔性碳质材料，其独特的理化性质使其在酸化土壤改良方面潜力巨大。在苹果产区，苹果树每年修剪和老龄果园重茬改造等会产生大量废弃果树枝条，若将这些废弃有机物制备成生物质炭以后还园再利用，一方面为果园大量堆积的废弃枝条提供一条固碳减排、就地利用的环保出路，另一方面为改善果园土壤酸化现状、提高地力开创新途径。

本研究通过室内培养试验，分析添加不同种类生物质（苹果枝条和稻壳）及其炭化物（苹果枝条炭和稻壳炭）对苹果园酸化土壤pH值和交换性酸的影响，旨在为农业新型有机废弃物（果树修剪枝条）资源化还园再利用、酸化土壤改良、固碳减排，以及倡导环保、可持续发展的新型果园管理模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和生物质炭性质

供试土壤取自山东省栖霞市寺口镇酸化果园，采样时间为2015年5月20日，采样深度为0～20cm土层，砂质壤土，土壤风干后过2mm筛备用。生物质原料苹果枝条取自2014年冬季修剪苹果树枝条（简称“果木”，以下同），稻壳通过网络购买，果木和稻壳经80℃烘干后粉碎，过2mm筛备用。供试土壤和生物质原料的化学性质如表1。

苹果枝条炭（简称“果木炭”，以下同）和稻壳炭利用作物秸秆专用炭化炉（山东龙口凯祥有限公司自主研发）在缺氧条件下350℃炭化2h制备。

1.2 试验方法

试验共设10个处理（表2），生物质原料添加量为1%，生物质炭添加量设0.5%、1%、3%和5%四个梯度。称取600g风干土（过2mm筛）放人塑料杯中，按处理比例加入生物质原料或生物炭，充分混合均匀后用去离子水将土壤含水量调节至土壤田间持水量的70%，盖好塑料盖，在盖顶中间留一个小孔，以便气体交换并减少水分损失。然后将塑料杯置于25℃恒温培养箱中培养，每隔3天称重1次补充水分，以保持土壤含水量恒定。在培养开始后的第2、4、7、11、17、25、40、60天取新鲜土样80g左右，风干过1mm筛供测定。每个处理重复3次，并设空白原土作为对照。

土壤pH值按照土：水=1∶2.5、复合电极法测定，交换性酸（氢、铝）用1.0mol·L^-1氯化钾溶液淋洗，碱滴定法测定。

试验数据分析和图表制作采用SPSS19.0和Microsoft Excel 2010软件。各处理之间的显著性差异采用单因素方差分析法，差异显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 两种生物质原料及其炭化物对酸化土壤pH值的影响

在60天的培养过程中，对照（CK）和添加两种生物质原料处理（G和D）土壤pH值均表现出一致的阶段性变化（图1），培养前25天土壤pH值缓慢增加，由开始的4.04～4.05增加到4.30～4.47；之后pH值趋于稳定直到60天培养结束。培养结束后，添加果木（G）和稻壳（D）的土壤pH值分别升高了0.17、0.11个单位，且与对照（CK）差异显著，但两种生物质原料处理之间差异不显著。

添加生物质炭的各处理，除极低添加量处理（0.5GC和0.5DC）以外，整个培养时期均不同程度地提高了土壤pH值（图2），但pH值的变化规律不尽相同：首先各生物质炭处理在培养前期（第17～25天之前）土壤pH值呈上升趋势，且随生物质炭添加量的增大而上升明显，培养中后期（第17～25天之后）稻壳炭高剂量处理（3DC、5DC）土壤pH值呈迅速下降趋势，其他处理土壤pH值则趋于稳定直到培养结束；整个培养过程中，稻壳炭各剂量处理（1DC、3DC、SDC）相比果木炭对应各剂量处理（1GC、3GC、5GC）土壤pH值升高更快，但稻壳炭3DC和SDC处理因培养中后期土壤pH值不断下降，60天培养结束时，土壤pH值已显著低于果木炭对应剂量处理（3GC、5GC）。

根据各生物质炭处理与对照（CK）于培养结束后的土壤pH值显著性分析（图3）可以看出，除了生物质炭极低剂量处理（0.5DC、0.5GC）与对照差异不显著外，其他生物质炭剂量处理与对照土壤pH差异均显著，且同一种生物质炭不同剂量之间，以及不同种类生物质炭各高剂量处理之间差异显著。培养结束后，相比对照，果木炭1GC、3GC、5GC处理土壤pH值分别提高了0.10、0.36、0.76个单位，稻壳炭IDC、3DC、5DC处理土壤pH值分别提高了0.15、0.26、0.64个单位。

2.2 两种生物质原料及其炭化物对酸化土壤交换性酸的影响

果园酸化土壤加入两种生物质及其炭化物培养后，除生物质炭极低剂量（0.5DC、0.5GC）处理外，其他处理均不同程度地降低了土壤交换性氢和交换性铝含量（图4、图5），且生物质炭添加量越大降低幅度越大。从变化动态看，整个培养过程中，对照（CK）土壤交换性氢培养前期（25天以前）波动不大，中后期（25天之后）呈迅速上升趋势，而交换性铝在培养最开始几天（第2～7天）迅速下降，之后趋于平稳直到培养结束。相比对照（CK），除生物质炭极低剂量（0.5DC、0.5GC）处理外，其他处理土壤交换性氢含量比较稳定、波动较小，交换性铝则在培养前期（25天以前）迅速下降，后期（25天之后）趋于平稳。

从两种生物质炭比较来看，稻壳炭对土壤交换性氢和交换性铝的降低幅度更大，尤其高剂量处理（5DC）在培养40天时，土壤交换性铝含量接近零值。至培养结束，与对照相比，稻壳炭1DC、3DC、5DC处理土壤交换性氢分别下降了0.61、0.69、0.76cmol（+）·kg^-1，土壤交换性铝分别下降了0.15、0.63、1.09cmo（+）·kg^-1；果木炭1GC、3GC、5GC处理土壤交换性氢分别下降了0.33、0.55、0.56cmol（+）·kg^-1，土壤交换性铝分别下降了0.26、0.33、0.69cmol（+）·kg^-1。

两种生物质原料相比，果木对土壤交换性铝的降低幅度较大，而稻壳对土壤交换性氢的降低幅度较大。至培养结束，与对照相比，果木处理土壤交换性氢和交换性铝分别下降了0.21、0.74cmol（+）·kg^-1，稻壳处理土壤交换性氢和交换性铝分别下降了0.40、0.31cmol（+）·kg^-1。

对所有处理培养结束后的土壤交换性酸（氢、铝）总量进行显著性分析（图6）可以看出，除了果木炭极低剂量处理（0.5GC）与对照差异不显著外，其他处理与对照差异均达到显著水平。培养结束后，相比对照土壤交换性酸总量，果木炭0.5GC、1GC、3GC、5GC处理分别降低了0.26、0.58、0.86、1.24cmo（+）·kg^-1，稻壳炭0.5DC、1DC、3DC、SDC处理分别降低了0.38、0.83、1.31、1.84cmol（+）·kg^-1，果木处理和稻壳处理分别降低了0.94、0.70cmol（+）·kg^-1。

3 讨论

土壤酸碱度是土壤重要的基本性质，是衡量植物营养元素相对有效性的指标之一。我国1980～2000年间高达90%的农田土壤发生了不同程度的酸化，pH值平均下降约0.5个单位，尤其是北方经济作物土壤的pH平均下降了0.58个单位。

果园土壤酸化的主要原因是长期过量施用氮肥导致积累在土壤中的NH4+在硝化过程中产生大量H⁺，引起土壤酸化。本试验用酸化土壤NH4+含量（0.11g·kg^-1）很低，进一步酸化的可能性不大，但该土壤pH值很低（4.03），且已经4年未施用化学肥料，这也说明已经酸化的土壤，其自然恢复的过程相当缓慢，必须采取一定的措施加以改良。施用石灰是改良土壤酸度的传统方法，但石灰的作用效果不长久且易产生诸多负面效应。农作物秸秆等农业废弃物也可改良土壤酸度，但是这种改良作用取决于作物秸秆的种类及土壤性质。

在本试验的整个培养过程中，原土（对照CK）pH值也呈现逐步上升的趋势，由第2天的4.05上升到第60天的4.30。这可能是因为在培养过程中土壤有机氮发生了矿化作用。研究认为，矿化会提高土壤pH值，而矿化产生的铵态氮的硝化作用会降低土壤的pH值，但低的pH值条件会抑制土壤微生物活性，当土壤pH值<4.5时硝化作用几乎不能进行。因此推断，本试验用酸化土壤在适宜的培养条件下可能发生一定的矿化反应而提高了土壤pH值。添加1%的生物质原料（苹果木和稻壳）可在很短的时间内（25天）将土壤pH值提高到4.40左右，之后土壤pH值趋于稳定，至培养结束时土壤pH值接近4.5。分析原因可能是，加入土壤中的外源有机氮在较短的培养时间内发生了矿化作用，而之后矿化作用和硝化作用同时进行，抵消了对土壤pH值的进一步影响。

直接用农业废弃物改良土壤酸度的一个不足之处是，添加到土壤中的植物物料易被微生物分解，如能将农作物秸秆经过改性和处理制成性质相对稳定的改良剂，则意义重大。生物质炭具有较高的稳定性，在土壤中不易被微生物分解，且生物质炭具有较高的pH值，添加到酸性土壤中可以提高土壤pH值，降低土壤酸度。本试验中，于酸化土壤中添加1%以上的生物质炭均不同程度地提高了土壤pH值，降低了土壤交换性酸（氢、铝）含量，且这种效应随着生物质炭添加量的增大而明显，这与国内以往的研究结果相一致。生物质炭能够提高土壤pH值还有一个原因是它含有碱性物质，当生物质炭加人土壤后这些碱性物质能够很快释放出来，中和部分土壤酸度，使土壤pH值升高。生物质炭中碱性物质的存在形态及其与土壤酸度的作用机制还有待进一步研究。

交换性酸是对植物最有害的一种土壤酸度形态，它的存在表明土壤中交换性盐基十分贫乏，而代替它们位置的是交换性氢和交换性铝离子。本研究表明，添加生物质原料及其生物质炭后，土壤交换性氢和交换性铝含量均较对照不同程度降低，且这种效应随着生物质炭添加量的增大而明显，这与他人研究结果一致。本研究发现，试验用果园酸化土壤交换性酸在培养结束时尽管均较对照降低，但其在土壤交换性酸总量中的比例高达15.5%～58.5%，而原土中交换性氢占的比例也高达51.2%，这与他人研究结果：南方茶园酸化土壤主要以交换性铝形态存在，交换性氢所占比例很小，不尽相同。笔者认为，其原因主要是本试验用土壤交换性铝含量（1.00cmol（+）·kg^-1）相比南方酸性土壤含量（2.5～5.5cmol（+）·kg^-1）低很多。尽管如此，本研究通过分析交换性铝含量较低的果园酸化土壤中交换性酸（氢、铝）的动态变化，仍然可以判断添加生物质原料和生物质炭对土壤酸化的改良效果。

4 结论

4.1 对土壤pH值的影响

在60天的培养周期内，果园酸化土壤添加果木和稻壳两种生物质原料后，土壤pH值分别提高了0.17、0.11个单位，与对照差异显著；添加果木炭和稻壳炭的土壤pH值随生物质炭添加量的增大而上升明显，至培养结束，果木炭1%、3%、5%剂量处理土壤pH值分别提高0.10、0.36、0.76个单位，稻壳炭相应处理分别提高了0.15、0.26、0.64个单位，各处理与对照差异显著；极低剂量（0.5）生物质炭处理对土壤pH影响不大，与对照差异不显著。

4.2 对土壤交换性酸（氢、铝）的影响

果园酸化土壤加入两种生物质原料及其炭化物培养后，均不同程度地降低了土壤交换性酸（氢、铝）总量，且生物质炭添加量越大降低幅度越大。至培养结束，果木炭0.5%、1%、3%、5%剂量处理土壤交换性酸分别降低了0.26、0.58、0.86、1.24cmol（+）·kg^-1，稻壳炭相应处理分别降低了0.38、0.83、1.31、1.84cmol（+）·kg^-1，除果木极低剂量（0.5%）处理外，其他处理与对照差异显著。添加果木和稻壳两种生物质原料处理土壤交换性酸总量分别降低了0.94、0.70cmol（+）·kg^-1，与对照差异显著。