甘蔗渣基生物质炭对热带砖红壤理化性质的影响

邢巧　陈嘉川　葛成军　吴晓晨　李昉泽　岳林　俞花美

摘 要 为明确生物质炭添加对热带地区砖红壤理化性质的影响，采用室内模拟实验，于5种不同温度（350 、450、550、650、750 ℃）下热解制备甘蔗渣基生物质炭（GZ350、GZ450、GZ550、GZ650、GZ750），研究4种不同添加比例（0.1%、0.5%、1.0%、5.0%）下各生物质炭对砖红壤理化性质的影响。结果显示：生物质炭可以提高土壤pH、CEC、有机质和有效养分（N、P、K）含量，其效果随生物质炭添加比例的增加而增强；不同温度制备的生物质炭对土壤不同理化性质的影响不一，与低温制备的生物质炭相比，高温制备生成的生物质炭提高土壤pH、CEC、有机质和有效养分的效果更好，其中GZ750提高土壤pH、CEC和有效P的效果最好，GZ650增加有机质和碱解N含量的效果最佳，GZ550对有效K的提高作用最为明显。综合考虑，650 ℃和750 ℃制备的甘蔗渣基生物质炭对砖红壤具有较好的改良效果。

关键词 甘蔗渣；生物质炭；砖红壤；理化性质

中图分类号 S156 文献标识码 A

在中国，绝大部分砖红壤分布在南方热带及亚热带地区，尤其是海南岛，63.85%的土壤皆为砖红壤[1]。由于这些地区高温多雨、湿热同季的特点，土壤的风化和淋溶作用强烈，铁铝氧化物明显富积，生物物质循环非常迅速，有机碳含量较低。砖红壤不仅土壤盐基饱和度较低，土壤酸度高，而且具有分散性大、结构比较简单、絮固作用很弱、氧化铁含量较高、难以形成比较稳定的团聚体等特点，土壤密度较高、持水能力差，有效氮和磷含量也普遍不高，肥力水平低[2-3]。

在酸性土壤中施用石灰是改良酸性土壤的传统和有效的方法，此外人们还发现利用某些矿物和工业废弃物也能改良土壤酸度，如白云石、磷石膏、粉煤灰、磷矿粉和碱渣等矿物和制浆废液污泥、糖厂碳法滤坭等工业废弃物[4]。但上述方法也存在一定的缺陷，如施用石灰时碱性消耗后土壤会再次发生酸化，而且酸化程度比施用石灰前有所加剧[5]；施用白云石需消耗宝贵的矿产资源，也会增加农业生产的成本；磷石膏、磷矿粉、粉煤灰等工业废弃物含有一定量的铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铬（Cr）等重金属元素，长期施用存在污染土壤的风险[6]。施用有机物料是另一大类改良酸性土壤的方法。关于利用有机物料改良酸性土壤的研究，之前多数集中在利用种植绿肥、使用猪粪和作物秸秆等手段来调节土壤酸度方面。但直接用农业废弃物改良酸性土壤的一个不足之处是，添加到土壤中的有机物料易被微生物分解[7]。

生物质炭是有机物原料在完全或者部分缺氧条件下，经过高温热裂解（通常<700 ℃）产生的一类富碳、高度芳香化和稳定性高的有机物质。生物质炭自身具有较高的pH值，可以有效提高酸性土壤中活性氢离子的含量，从而降低土壤的酸度，提高土壤pH值。生物质炭表面一般带负电荷，有很高的CEC，可以提高土壤中钾、钙、镁和有效氮、有效磷的含量，从而可以提高土壤肥力[8-10]。由于生物质炭自身的多孔条件和高比表面积，将其施入土壤后可以有效地改良土壤的通气性和持水能力，降低土壤容重和比重，促使土壤形成温度团聚体，提高土壤的孔隙度，加强土壤的持水能力，提高土壤的通气效果[11-13]。此外，生物质热解形成的生物质炭芳香性很高，在土壤中较其他有机物料更为稳定[14]，对土壤理化性质的改善可以持续较长时间。因此，尽管目前还存在着制备能耗高以及在制备过程中会产生PAHs等问题[15]，生物质炭对于酸性土壤来说仍然不失为一种较为理想的改良剂[16]。

近年来，为提高生物质炭对土壤改良的效果，不同生物质炭在土壤中的配施方式得到了广泛关注。但目前关于不同温度制备的甘蔗渣炭施入土壤后对热带砖红壤理化性质的影响鲜有报道。本研究以南方代表性農业废弃物甘蔗渣为前驱物制备生物质炭，以生物质炭为改良剂，通过室内模拟实验，分析生物质炭对热带砖红壤物理性质和化学性质的影响，为热带农业土壤改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试生物质炭 生物质炭由甘蔗渣在不同温度条件下热解炭化制成。本实验所用甘蔗渣为甘蔗（海南产）榨糖后剩余的残留物，经过风干并粉碎后密封保存备用。制备过程参考笔者前期的研究[16]，按以下程序进行：将采集的甘蔗渣自然风干，使其含水量保持在10%左右，用粉碎机粉碎，使得甘蔗渣样品粒径<3 mm，盛入瓷坩埚，盖紧密封，置于马弗炉内，采用程序升温法进行炭化，升温速率设为10 ℃/min，升温至200 ℃后，保持200 ℃预炭化2 h；继续程序升温，分别升温到350 ℃、450 ℃、550 ℃、650 ℃和750 ℃，保持以上温度炭化3 h；自然冷却至室温，制成的生物质炭按制备温度分别命名为GZ350、GZ450、GZ550、GZ650、GZ750，研磨过100目筛后备用。供试生物质炭的基本性质见表1。

1.1.2 供试土壤 供试土壤采自海南省海口市郊区，为发育自砂岩页岩的0～20 cm表层砖红壤。供试土壤经自然风干后，研磨过2 mm孔径筛供培养实验用，过0.25 mm孔径筛供土壤基本性质测定。供试土壤的基本性质：pH为4.92，有机质含量为27.1 g/kg，CEC为26.62 cmol/kg，容重为1.20 g/cm，全氮含量为1.47 g/kg，全磷含量为0.37 g/kg，全钾含量为2.08 g/kg。

1.2 方法

1.2.1 培养实验 添加5种分别以甘蔗渣为前驱材料制备的生物质炭，按比例（0、0.1%、0.5%、1.0%和5.0%，m/m）添加于供试土壤中，充分混合后取200 g于500 mL锥形瓶中；将装有模拟施用生物质炭的土壤样品的锥形瓶置于人工振荡培养箱中，在200 r/min条件下反复振荡7 d，以便生物质炭与土壤接触均匀；随后停止振荡，使土壤水分保持在70%田间持水量，在28 ℃条件下培养45 d；培养结束后，将土样全部风干，部分过2 mm、1 mm和0.25 mm筛，分析土样的理化性质。

1.2.2 分析方法 甘蔗渣基生物质炭样品中的C、H、N、S元素采用Vario Micro Cube元素分析仪（德国Elementar公司）进行测定，阳离子交换量采用氯化钡-硫酸强迫交换法进行测定[17]；按1 ∶ 20固液比振荡混匀后，放置0.5 h ，用pH计测定上清液的pH值。

土样比重采用比重瓶法测定，容重和田间持水量采用环刀法测定，通过试验所得的土样容重与比重值分别求得孔隙度。土壤CEC采用氯化钡-硫酸强迫交换法测定，pH采用玻璃电极法测定，有机质使用重铬酸钾容量法测定，碱解氮采用碱扩散法测定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，有效钾采用1 mol/L HNO3、火焰光度计测定[18]。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 绘制图表，用SPSS 19.0 软件对数据进行方差分析，应用最小显著差数法（LSD）进行多重比较，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同温度制备的生物质炭对土壤化学性质的影响

2.1.1 对土壤pH的影响 甘蔗渣基生物质炭对土壤pH的影响见图1。添加不同温度下制备的甘蔗渣基生物质炭均可以提高砖红壤的pH值。土壤pH值的变化与生物质炭的添加比例正相关，随着添加比例的提高，pH值也逐渐增大。分别添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%的5种生物质炭，土壤pH分别平均增加了0.082、0.15、0.27、1.05个单位；当添加量达到1%以上时，5种温度下制备的生物质炭均较对照显著提高了砖红壤的pH值。而在生物质炭添加量相同的情况下，随着生物质炭制备温度的提高，土壤pH值提高幅度明显增加，其中GZ350平均提升了0.12个单位，GZ450平均提升了0.17个单位，GZ550平均提升了0.54个单位，GZ650平均提升了0.52个单位，GZ750提升了0.59个单位。当添加量在0.5%以上时，添加GZ550、GZ650、GZ750的土壤pH均显著高于添加GZ350和GZ450的土壤pH。

2.1.2 对土壤CEC的影响 甘蔗渣基生物质炭对土壤CEC的影响见图2。添加生物质炭可以提高砖红壤CEC，CEC随生物质炭的增加而上升，分别添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%生物质炭的土壤CEC平均各增加3.82、5.49、8.95、13.79 cmol/kg，比对照土壤分别提高14.3%、20.6%、33.6%、51.8%。添加比例为5.0%时，5种生物质炭处理的土壤CEC均显著高于对照土壤。不同生物质炭对土壤CEC的提高效果随制备温度的上升而增大，添加0.5%～5.0%的生物质炭，土壤CEC分别较对照平均提升了17.3%（GZ350）、 20.5%（GZ450）、 34.9%（GZ550）、 36.5%（GZ650）、 41.3%（GZ750），其中添加4种不同比例GZ750的土壤CEC均显著高于对照。

2.1.3 对土壤有机质的影响 甘蔗渣基生物质炭对土壤有机质的影响见图3。随着生物质炭添加比例的增加，土壤有机质的含量也逐渐增加。添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%生物质炭，5种不同生物质炭处理的土壤有机质分别比对照平均提高了0.98、1.67、2.08、2.84 g/kg。添加不同比例、不同种类生物质炭，土壤有机质平均提升了1.89 g/kg。添加比例达到1.0%以上时，不同温度制备的生物质炭均能显著提高土壤有机质。不同温度制备的生物质炭对土壤有机质的提高效果不一，添加比例相同时，土壤有机质平均提高幅度为GZ650>GZ750>GZ550>GZ350>GZ450，其中GZ650和GZ750的4种不同添加比例处理较对照均能显著提高土壤有机质。

2.2 不同温度制备生物质炭对土壤速效养分的影响

2.2.1 对土壤碱解氮的影响 甘蔗渣基生物质炭对土壤碱解氮的影响见图4。添加甘蔗渣基生物质炭可以提高砖红壤对碱解氮的保持能力，添加不同比例和不同种类的生物质炭的土壤碱解氮较对照平均提高了37.4%。除添加0.1%的GZ350处理外，其他添加不同比例、不同种类生物质炭的处理均显著提高了土壤碱解氮含量。土壤碱解氮含量随着生物质炭添加比例的增加而提高，添加0.1%、0.5%、1.0%、5.0%生物质炭，土壤碱解氮含量平均分别比对照提高了20.2%、30.0%、41.5%、57.9%。添加比例相同时，不同温度制备的生物质炭对土壤碱解氮含量的提高效果为GZ650>GZ750> GZ550>GZ450>GZ350。

2.2.2 對土壤有效磷的影响 甘蔗渣基生物质炭对土壤有效磷的影响见图5。添加0.1%的生物质炭后土壤有效磷含量较对照土壤下降了3.21～6.64 mg/kg，平均下降4.93 mg/kg，下降幅度达到31.0%。进一步提高生物质炭添加比例，土壤有效磷含量明显增加，分别平均比对照提升31.7%（0.5%）、151.5%（1.0%）、1318.8%（5.0%），同一种生物质炭处理土壤的有效磷含量与生物质炭的添加比例呈线性相关（表2）。分别添加5.0%不同生物质炭处理的土壤有效磷含量均显著高于对照土壤，最高的是GZ750处理，较对照增加了386.73 mg/kg。生物质炭添加比例相同时，不同温度制备的生物质炭处理的土壤有效磷含量大小为GZ750>GZ650>GZ450>GZ550>GZ350，添加不同比例的GZ350和GZ550处理的土壤有效磷含量均无显著差异。

2.2.3 对土壤有效钾的影响 甘蔗渣基生物质炭对土壤有效钾的影响见图6。土壤有效钾含量随着生物质炭添加比例的增加而上升。添加比例较低时，生物质炭对土壤有效钾的影响不明显，添加0.1%的不同生物质炭，土壤有效钾含量与对照无明显差异；添加比例为0.5%时，也仅有GZ550处理的土壤有效钾含量显著高于对照土壤；当添加比例达到1.0%以上时，不同生物质炭处理的土壤有效钾含量均显著高于对照土壤。同种生物质炭处理的土壤有效钾含量与生物质炭的添加比例呈线性相关（表2）。添加比例相同时，不同温度制备的生物质炭处理的土壤有效钾含量不同，具体为GZ550> GZ750>GZ650>GZ450>GZ350，其中GZ350、GZ450、GZ650处理的土壤有效钾含量无显著差异。

3 讨论与结论

生物质炭具有较高的pH和CEC，众多研究都表明生物质炭可以提高酸性土壤的pH和CEC[7，19-20]。生物质炭对土壤酸度的改良效果主要决定于生物质炭本身所含碱量[7]，对CEC的改良机理一方面是养分元素由于物理作用而被截留在生物质炭的孔隙中[7]；另一方面生物质炭比表面积大，且施入土壤后其芳香结构边缘逐渐被氧化，形成羰基、酚基和醌基官能团，从而增加了对阳离子的吸附[21]。本研究表明同一前驱物制备的生物质炭，与低温制备的生物质炭相比，高温制备生成的生物质炭（GZ750）对提高酸性土壤pH和CEC的效果更好，这与Yuan等[22]、Nocak等[23]的研究结果基本一致。对土壤pH的提高，可能与生物质炭中碳酸盐的总量和结晶态碳酸盐的含量均随其制备温度的升高而增加有关[7]。对土壤CEC的提高，一方面可能与生物质炭本身的CEC含量相关，从表1可知，制备温度越高，生物质炭CEC含量越高；另一方面，制备温度越高，生物质炭提高土壤pH的幅度越高，而酸性砖红壤的pH升高，其可变负电荷数量增加，同样也会提高土壤的CEC[20]。

生物质炭本身碳含量非常高，在土壤中加入生物质炭可以提高土壤有机碳的含量。本研究显示，GZ650处理的土壤有机碳含量最高，这可能是由于GZ650的稳定性最高的原因[15]，也可能是GZ650具有发达的孔隙度和较大的比表面积，对土壤中易矿化的有机质起到一定的吸附保护作用，从而降低有机质的可利用性[24]。

生物质炭可以提高土壤对养分离子钙、钾、镁和NH4+等的吸持能力，同时其本身含有大量的活性磷、钾元素，因此，施入生物质炭可提高土壤的有效养分含量[25-27]。本研究发现，添加0.1%的生物质炭后土壤有效磷含量反而较对照土壤有所下降，这可能与生物质炭通过提高土壤pH值改变了土壤中磷的有效性及自身对磷的吸附有关。制备温度高的生物质炭对提高碱解氮的效果相对较好，这可能是因为制备温度高的生物质炭具有多孔特性和巨大的比表面积，本身对氮的吸附能力较强[15]；同时生物质炭制备温度越高，土壤pH也越高，可以促进土壤中的NH3和NH4+转化为NO3-，有研究表明，高温制备的生物质炭更有利于NO3-的吸附，降低了土壤中碱解氮的流失[28]。添加GZ650和GZ750的土壤有效钾含量较GZ550有所下降，原因可能为生物质炭中的有效钾会随着热解产生的灰分而流失。

砖红壤中添加甘蔗渣基生物质炭，可以提高土壤的pH、CEC、有机质和有效养分含量，效果随添加量的增加而增强；但添加量需达到5.0%以上，对土壤比重、孔隙度和田间持水量的改良效果才达到显著水平。不同制备温度的甘蔗渣基生物质炭之间对砖红壤物理性状改良效果没有显著差异。制备温度越高，生物质炭对土壤pH、CEC和有效磷含量的提高效果越好，而GZ650对有机质和碱解氮含量的提高效果最佳，GZ550对有效钾含量的提高效果最好。综合考虑，GZ650和GZ750对砖红壤具有较好的改良效果。但同时考虑制备生物质炭的能耗，建议使用5.0%的GZ650作为改良海南岛砖红壤的最优配方。

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