蔗渣生物质炭对蔗田土壤理化性质的影响

许桂苹，王晓飞*，魏萌萌，邓渠成，陈丽君

（1广西壮族自治区环境监测中心站，广西南宁530028；2广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004；3澳洲国立大学克劳福德公共政策学院，堪培拉541004）

蔗渣生物质炭对蔗田土壤理化性质的影响

许桂苹1，2，王晓飞1，2*，魏萌萌2，邓渠成3，陈丽君2

（1广西壮族自治区环境监测中心站，广西南宁530028；2广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004；3澳洲国立大学克劳福德公共政策学院，堪培拉541004）

本文主要采用蔗渣为生物质原料，经过热解处理制备蔗渣生物质炭，并施用到蔗田土壤中，在实验室条件下分别培养30天和60天，研究其对蔗田土壤理化性质的影响。研究结果表明：蔗渣生物质炭施用于蔗田土壤30天、60天后，蔗田土壤含水率、pH、阳离子交换量、有机质、全氮、全磷和速效磷含量与空白对照组CK相比均有不同程度增加，其中5％施用量的生物质炭处理对土壤有机质、全氮、全磷和速效磷含量有显著影响。

蔗渣；生物质炭；土壤理化性质；甘蔗

0　引言

生物质炭的制备原料大多为植物生物质和有机物质［1］，如作物秸秆、家禽粪便和污泥等。在一定条件下，经过高温热解（热解温度一般小于700℃），植物生物质和有机质会炭化产生固态物质。由于生物质炭具有固体密度大，抗摩擦能力强等物理性质，具有发达的孔隙结构和芳香结构等［2-4］，激起了国内外学者对生物质炭研究的浓厚兴趣。研究者的大量实验分析已表明生物质炭在农田土壤、固碳减排、治理温室气体排放等方面具有重要作用［5］。在土壤环境方面，生物质炭施用到农田土壤中后土壤理化性质和土壤微生物会有变化。首先，生物质炭的施用会提高土壤的孔隙度，使土壤的表面积变大，从而降低土壤容重［6］。此外，由于生物质炭的孔隙结构和较大的比表面，故其能改善土壤团粒结构，增强土壤的通气性，对土壤的持水能力会产生影响。从土壤学角度看，土壤持水力与土壤介质中的孔径分布和连接性有关，而土壤介质内孔径分布和连接性主要受土壤团粒结构影响，因此它们的影响是环环相扣的。生物质炭对土壤阳离子交换量也有一定的影响。阳离子主要靠静电力作用吸附在生物质炭与土壤黏粒和有机物质的负电荷位点上，当遇到吸附性较强的离子时就会发生离子交换［7］。一般情况下，土壤胶体的吸附点位与土壤阳离子交换量正相关；土壤酸性越强，越会减少负电荷离子数，从而降低其阳离子交换量；一般质地越小其阳离子交换量就会越大。生物质炭一般显碱性，施用到土壤中后会增加土壤pH。生物质炭可以提高土壤有机质含量，对土壤肥力和农林业的可持续发展具有不可忽视的作用。章明奎等［8］通过向土壤中施加不同量的小麦秸秆和小麦秸秆炭，研究发现小麦秸秆炭明显比小麦秸秆更能增加土壤有机碳含量，且1％的小麦秸秆炭含量比2％的小麦秸秆效果要好，这说明生物质炭增加了土壤有机碳的氧化稳定性，提高了土壤有机碳的积累。蔺海红等［9］采用花生壳生物质炭研究了其对葡萄园区土壤的影响，结果与空白对照CK相比，生物质炭对土壤pH、全N、全P、全钾含量无明显影响，但对土壤有机质含量和有效养分含量有显著影响

当今，随着现代化农业运作，蔗田土壤施肥过量、农药的大量使用以及周边工厂污染等问题，已产生土壤养分流失、土壤酸化及土壤重金属污染等土壤环境质量问题，全球规模的环境问题日益严峻，因此解决这一问题至关重要。而中国的废弃生物质资源比较丰富，种类也具有多样性。据报道，我国每年的作物秸秆就会达8亿多t，然而我国对作物秸秆的利用率却不高，大多被焚烧，这样不仅造成资源的严重浪费，还污染环境，因此应充分利用生物质资源。制糖企业作为广西经济发展的重要支柱，每年的蔗渣产量就会达到1700多t，如果能够充分利用这些废弃物，对其进行深加工，将会产生更好的经济效益和社会效益。鉴于此，本文主要采用蔗渣为生物质原料，经过热解处理制备蔗渣生物质炭，并将蔗渣生物质炭施用到蔗田土壤中，研究其对蔗田土壤理化性质的影响，以期为农业的可持续发展提供理论依据。

1　材料与方法

1.1实验材料

供试土壤，主要采自广西河池某尾矿库溃坝影响区的蔗田土壤，土壤基本理化性质：含水率3.66％，pH 3.60，有机质含量2.91％，阳离子交换量59.38 mmol/kg；全氮含量1635 mg/kg，全磷含量482 mg/kg，速效磷0.39 mg/kg。蔗渣，采自广西河池市环江毛南族自治县远丰糖厂。

1.2实验主要试剂

本试验主要实验试剂见表1。

表1　实验主要用试剂

1.3蔗渣生物质炭制备方法

实验前将所用的甘蔗渣进行风干处理。将蔗渣装入瓷坩埚中压实并称重，加盖密封好后置于马弗炉中加热灼烧。首先在200℃下对蔗渣进行预炭化2 h，然后再将温度分别调至450℃、550℃、650℃，达到所需温度后继续保温3 h，冷却至室温后取出瓷坩埚，称重，研磨，过100目尼龙筛以供分析测试用

1.4实验设计

将采集回来蔗田土壤置于通风、避光、干燥的地方，在室温条件下自然风干，剔除碎石块后进行研磨，过20目尼龙筛，然后分别装在塑料盆中，每盆装土100 g。①未添加蔗渣生物质炭的为空白对照（CK）；②添加施用量为 1％的马弗炉在 450℃、550℃、650℃下制备的生物质炭，每个处理重复3次，培养30天后用于测定分析；③添加施用量为1％的马弗炉在450℃、550℃、650℃下制备的生物质炭每个处理重复3次，培养60天后用于测定分析；④添加施用量为5％的马弗炉在450℃、550℃、650℃下制备的生物质炭，每个处理重复3次，培养30天后用于测定分析；⑤添加施用量为 5％的马弗炉在450℃、550℃、650℃下制备的生物质炭，每个处理重复3次，培养60天后用于测定分析；以上每个处理要保证蔗渣生物质炭与土壤充分混合均匀。

1.5土壤理化指标测定方法

实验分别培养30天、60天后，将实验设计各处理的土壤样品自然风干，然后研磨，过20目尼龙筛，供分析测试用。其中土壤含水率采用快速水分测定仪测定，其他指标测定方法见表2。

表2　土壤理化性质测定方法

1.6数据处理

实验所得数据均为6次重复处理的实验数据的平均值，釆用Excel 2007进行数据统计整理和分析，采用Origin 9.1软件进行绘图分析。

2　结果与分析

2.1各处理生物质炭对蔗田土壤含水率的影响

土壤含水率是表征土壤理化性质的一个重要参数，可以衡量土壤生产力。Wu Weixiang等［16］和Glaser等［17］研究表明，生物质炭能够改变土壤结构，使土壤的孔隙度和通透性增强，从而提高土壤的持水力，改变土壤理化性质，可作为土壤改良剂施用。

向蔗田土壤中添加450℃、550℃、650℃ 3个温度下制备的蔗渣生物质炭，分别培养30天、60天后蔗田土壤含水率变化见图1。从图中可以看出，蔗田土壤中添加蔗渣生物质炭后，相对于未添加蔗渣生物质炭的空白对照组CK，土壤含水率整体有升高趋势。当蔗渣生物质炭施用到土壤30天，施用量为1％时，3种温度下土壤含水率变化450℃＜550℃＜650℃，当蔗渣生物质炭施用量为 5％时，3种温度下土壤含水率变化 450℃＜650℃＜550℃，但添加450℃下处理的蔗渣生物质炭，施用量为1％、5％时土壤含水率均比空白组CK低；添加550℃的蔗渣生物质炭，在2种施用量下土壤含水率差异加大，施用量5％时土壤含水率比施用量1％时的土壤含水率增加了1.64％，比CK组土壤含水率增加了2.23％。

当蔗渣生物质炭施用到蔗田土壤60天后，添加3种温度下的蔗渣生物质炭土壤含水率均有显著增高。施用量为1％时，3种温度下土壤含水率变化为550℃＜650℃＜450℃，当蔗渣生物质炭施用量为5％时，3种温度下土壤含水率变化为650℃＜550℃＜450℃，且5％施用量比1％施用量下的土壤含水率高。此外，2种施用量下添加450℃的蔗渣生物质炭，其土壤含水率均达到最高。当施用量为1％时，土壤含水率提高了5.15％，施用量为5％时，土壤含水率提高了 5.63％。这可能是由于蔗渣生物质炭具有孔隙结构，可以吸附土壤中的水和无机离子，增强了土壤对水分的吸着力，从而形成封闭孔隙，当生物质炭含量增加时，炭的封闭孔隙也会增多，土壤的持水能力就会增强，因此施用蔗渣生物质炭后，蔗田土壤含水率增加。

图1　各处理蔗田土壤含水率

2.2各处理生物质炭对蔗田土壤pH的影响

土壤 pH值与植物的生长有着密切关系，对于甘蔗来说，其生长环境对土壤pH值有一定的要求，需要土壤pH值在4.2～8.0［18］。供试的蔗田土壤pH值为 3.60，呈酸性，未达到甘蔗生长的最适要求，这对甘蔗的产量将会造成一定的影响。经过不同温度下处理的蔗渣生物质炭影响后，土壤 pH值变化见图 2。从图中可以看出，向土壤中添加蔗渣生物质炭后，相对于空白对照组CK，土壤pH没有显著性变化，pH提升幅度不大。

当蔗渣生物质炭添加到蔗田土壤30天后，施用量1％时，土壤pH变化趋势为450℃＜550℃＜650℃，相对于空白对照组CK土壤pH提升范围0.04～0.07，施用量5％时，土壤pH变化趋势与1％类似，3种蔗渣生物质炭的影响为450℃＜550℃＜650℃，提升范围在0.11～0.28。

当添加蔗渣生物质炭于土壤中培养60天时，3种温度下的蔗渣生物质炭对蔗田土壤 pH的影响与30天时测定的无显著差异，变化规律也相同。经过各蔗渣生物质炭的处理后，蔗田土壤 pH有小幅度增加，且随着施用量的增加，蔗田土壤 pH升高。这与蔗渣生物质炭的性质有关，施用到土壤中后可中和酸性物质从而提高土壤pH。

图2　各处理蔗田土壤pH

2.3各处理生物质炭对蔗田土壤阳离子交换量的影响

阳离子交换量代表土壤养分量高低，是评价土壤肥力的一个重要指标。葛春辉等［19］研究了生物质炭对干旱贫瘠土壤理化性质和作物产量的影响，发现土壤阳离子交换量的增加量与生物质炭施用量有关。向蔗田土壤中添加450℃、550℃、650℃ 3个温度下制备的蔗渣生物质炭，分别培养 30天、60天后蔗田土壤阳离子交换量的变化见图3。

从图中可以看出，蔗田土壤的阳离子交换量相对于空白对照组（CK）均显著提高。当蔗渣生物质炭施用到土壤30天、60天时，3种温度下的生物质炭施用量为5％时，土壤阳离子交换量均高于同温度下生物质炭施用量 1％的值。当蔗渣生物质炭施用量1％时，蔗田土壤阳离子交换量在30天与60天的测定值无差异，说明蔗渣生物质炭与土壤的作用时间对阳离子交换量无影响。当蔗渣生物质炭施用量5％时，随着蔗渣生物质炭制备温度的升高，土壤阳离子交换量增加，变化趋势为450℃＜550℃＜650℃，且60天时测得的土壤阳离子交换量稍高于30天测得的值。这是由于制备的蔗渣生物质炭随着时间发生氧化作用产生的含氧官能团较多，进而生物质炭的阳离子交换量增高，结果随着施用量的增加，土壤中的阳离子交换量也会相应提高，此结果与Chih-Hsin Cheng［20］研究结果相近。

图3　各处理蔗田土壤阳离子交换量

2.4各处理生物质炭对蔗田土壤有机质含量的影响

土壤有机质是指土壤中的含碳有机物，主要包括土壤中的各种动植物残骸、微生物体及其分解和合成的各种有机物。土壤有机质对土壤结构会产生影响。有研究表明，在一定条件下，土壤有机质含量与土壤肥力水平存在正相关性［21］，对评价土壤肥力具有直观性。

从图4可以看出，未添加生物质炭时，土壤有机质含量在2.9％左右，添加不同处理的蔗渣生物质炭后，土壤有机质含量均有不同程度的提高。当施用量相同时，蔗渣生物质炭与土壤的作用时间对土壤有机质含量无显著影响。当蔗渣生物质炭施用量为1％，分别培养30天和60天时，蔗田土壤有机质含量有小幅度提高，当蔗渣生物质炭施用量为 5％时，蔗田土壤有机质含量显著提高，说明蔗渣生物质炭的施用量对土壤有机质含量有显著影响。

从图中还可以看出，当添加450℃、550℃、650 ℃ 3个温度下的蔗渣生物质炭的施用量 1％时，土壤有机质含量在 2.86％～4.03％之间，当施用量为5％时，土壤有机质含量在 8.62％～8.98％之间。结果说明蔗渣基生物质炭能够增加蔗田土壤中的有机质含量，改善土壤通透性，提高土壤肥力，与生物质炭的稳定性有关，可为植物提供所需要的营养元素，但土壤有机质含量增加的幅度不受制备温度及施用时间的影响，受生物质炭施用量的影响较大。

2.5各处理生物质炭对蔗田土壤全氮含量的影响

土壤中的氮主要包括有机氮和无机氮，土壤中氮素的总量即为全氮，在农作物生长过程中对氮素的需求量也较大，因此土壤中的氮含量会影响到农作物的品质和产量。对于甘蔗而言，生长前期急需氮素，这样土壤中的氮含量就会对甘蔗的细胞分化产生影响。不同处理下的蔗渣生物质炭添加到蔗田土壤中后，全氮含量见图5。

图4　各处理蔗田土壤有机质含量

图5　各处理蔗田土壤中的全氮含量

从图中可以看出，添加450℃、550℃、650℃ 3个温度下的蔗渣生物质炭30天后，相对于空白对照组（CK），生物质炭施用量1％时，蔗田土壤全N含量增加范围在21～40 mg/kg，施用量为5％时，土壤全氮含量增加132～199 mg/kg；添加450℃、550℃、650℃ 3个温度下的蔗渣生物质炭60天后，施用量为1％时，土壤全氮含量增加32～46 mg/kg，施用量为 5％时，土壤全氮含量增加 130～190 mg/kg。

从以上分析结果可以说明，生物质炭的施用量对土壤全氮元素含量有较大影响，施用量越大，土壤全氮含量会提高越多，这与生物质炭中本身的氮含量有关；此外生物质炭的制备温度也会对全氮含量产生一定影响，由于生物质炭在热解过程中会伴随氮的损失，温度越高，生物质炭的总氮含量损失就越多。总之，生物质炭的施入会促进土壤全氮含量的增加，为甘蔗生长提供所需要的养分。

2.6各处理生物质炭对蔗田土壤全磷和速效磷含量的影响

甘蔗生长所需的磷元素主要来源于土壤，土壤中磷的主要形态为有机磷和无机磷，有机磷可供农作物吸收用，土壤中磷含量的高低在一定程度上反映了土壤中磷素的贮存量及其供应能力大小；土壤速效磷，又可称为有效磷，它是土壤中磷素养分供应水平高低的一个指标。经各蔗渣生物质炭处理后土壤全磷和速效磷含量见图6和图7。

图6　各处理蔗田土壤全磷含量

从图6中可以看出，相对于未添加蔗渣生物质炭的空白对照组CK，经过蔗渣生物质炭不同施用量和不同时间处理后土壤中的全磷含量有增加趋势。当施用量相同时，随着施用时间的延长，土壤全磷含量有小幅度增加。添加同一温度下的蔗渣生物质炭，5％施用量的其土壤中的全磷含量要高于 1％施用量的。当蔗渣生物质炭与土壤作用 30天、60天时，3种温度下的生物质炭对土壤全磷含量的影响均表现为 450℃＜650℃＜550℃，即向土壤中添加550℃下制备的生物质炭时全磷含量增加最多。

未添加蔗渣生物质炭的空白对照组（CK）土壤中速效磷的含量约在0.38 mg/kg，说明此供试土壤中的速效磷含量偏低，这可能是由于土壤呈酸性，磷主要以磷酸铝和磷酸铁的形式存在，在酸性条件下会使磷酸铁氧化从而降低了磷的有效性。添加不同处理的蔗渣生物质炭后，土壤速效磷含量均有所改善。

图7　各处理蔗田土壤速效磷含量

从图7可以看出，添加蔗渣生物质炭30天后，土壤速效磷含量随着蔗渣生物质炭施用量的增加而增加，且添加450℃下的炭、施用量5％时土壤速效磷含量最高，相对于CK组增加了约0.2 mg/kg。添加蔗渣生物质炭60天后，3种温度下的生物质炭对土壤速效磷含量的变化规律与30天时不同，施用量1％时，土壤速效磷含量为 450℃＜550℃＜650℃，施用量 5％时，土壤速效磷含量为 550℃＜450℃＜650℃。由于温度对蔗渣生物质炭的性质产生了影响，施用到土壤后对速效磷含量的影响也不同。

3　结论

（1）蔗田土壤中添加蔗渣生物质炭后，相对于未添加蔗渣生物质炭的空白对照组CK，土壤含水率整体有升高趋势。土壤pH变化趋势450℃＜550℃＜650℃；相对于空白对照组CK，土壤pH增加幅度不明显，施用量1％时，土壤pH提升范围0.04～0.07，施用量5％时，土壤pH提升范围在0.11～0.28。

（2）相对于未添加蔗渣生物质炭的空白对照组CK，3种温度下的蔗渣生物质炭施用到蔗田土壤中后，蔗田土壤阳离子交换量均增加，增加趋势为450℃＜550℃＜650℃，且土壤阳离子交换量随着蔗渣生物质炭施用量的增加而增加。

（3）添加450℃、550℃、650℃ 3个温度下的蔗渣生物质炭的施用量为 1％时，土壤有机质含量在2.86％～4.03％之间，当施用量为 5％时，土壤有机质含量在8.62％～8.98％之间，添加同一温度处理的蔗渣生物质炭，5％施用量使土壤有机质含量明显高于1％。

（4）相对于未添加蔗渣生物质炭的空白对照组CK，添加蔗渣生物质炭后，蔗田土壤全氮、全磷和速效磷含量均增加，且受施用量的影响较大。

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（本篇责任编校：李金玉）

Influence of Bagasse Biochar on the Soil Properties in Sugarcane Fields Soil

XU Gui-ping1，2，WANG Xiao-fei1，2，WEI Meng-meng2，DENG Qu-cheng3，Chen Li-jun2
（1Guangxi Zhuang Autonomus Region Environmental Monitoring Center，Nanning 530028；2College of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004；3Crawford School of Public Policy，Australian National University，Canberra 541004，Australia）

In this study，we mainly evaluated biochars which was produced by muffle furnace with Guangxi common agricultural waste bagasse under different temperatures （450℃、550℃、650℃），and adding bagasse biochar to soil for 30 days and 60 days in the laboratory，in order to research the effect of soil physicochemical properties in Guangxi.And the results were as follows: After bagasse biochar applied to soil for 30 days and 60 days，sugarcane soil moisture content，pH，cation exchange capacity，organic matter，total N，total P and available P content were increasing compared to the treatments without biochar.And soil treated with 5％ of biochar had a significant effect on organic matter，total N，total P and available P content.

Bagasse； Biochar； Soil physicochemical properties； Sugarcane

S566.1

A

1005-9695（2016）04-0016-07

2016-06-12；

2016-08-23

广西自然科学基金项目（2013GXNSFEA053001）；广西自然科学基金重大项目（2015GXNSFEA139001）；广西科学研究与技术开发计划项目（桂科合14125008-2-23）

许桂苹（1975-），高级工程师，在读博士，研究方向：环境监测；Email: xuguiping@126.com

王晓飞（1984-），男，在读博士，E-mail: wangxiaofei26@163.com

许桂苹，王晓飞，魏萌萌，等.蔗渣生物质炭对蔗田土壤理化性质的影响［J］.甘蔗糖业，2016（4）：16-22.