生物炭对沙化土壤理化性质及绿豆幼苗生长的影响

武梦娟, 王桂君, 许振文, 张文翔

(1. 高原湖泊生态与全球变化重点实验室 云南师范大学 旅游与地理科学学院，昆明 650500；2. 长春师范大学 城市与环境科学学院， 长春 130032)

生物炭对沙化土壤理化性质及绿豆幼苗生长的影响

武梦娟1, 王桂君2, 许振文2, 张文翔1

(1. 高原湖泊生态与全球变化重点实验室 云南师范大学 旅游与地理科学学院，昆明 650500；2. 长春师范大学 城市与环境科学学院， 长春 130032)

通过对吉林省西部大安市沙化土壤理化性质和绿豆生长影响的研究，分析了生物炭施加对沙化土壤理化性质及植物的影响，从而探讨施加生物炭后沙土的改良作用。研究结果表明：施加生物炭对土壤速效N、速效P、速效K和有机质的含量以及pH值都有明显的影响。同时，生物炭不但能提高绿豆幼苗的含水量，而且能促进绿豆幼苗的生长。研究结果将为了解生物炭对植物生长的影响作用、沙化土壤的可持续利用，以及生物炭在土壤改良等方面提供一定的科学依据。

生物炭; 沙化土壤; 速效元素; 土壤理化性; 植物生长

土地是人类生存的根本，人们长期不合理的施肥以及过度消耗土壤生产力导致土壤酸化、盐渍化，土壤肥力下降，农作物产量下降，可利用土地资源逐年减少。土地问题已成为当前急需解决的重大问题，土地资源怎样科学、有效、合理的开发利用被人们逐渐重视起来[1]。Steiner 等[2]、Deluca 等[3]和Asai 等[4]研究发现，沙化土壤中可被植物直接吸收和利用的有效P含量低，由于生物炭的阳离子交换能力很强，它能使更多稳固且不能被合理利用的P转化成有效态的P，让植物吸收生长。土壤中的Al和Fe制约P的含量，而土壤中的Al和Fe可以被生物炭的特殊结构所氧化结合，从而使P元素不再受制约，使土壤中有效P的含量得以增加[3]。张园营等[5]研究烟草的结果表明,生物炭施入土壤后叶片的叶绿素含量随之增加,生物炭含量增加到750～1125 kg/hm2时,叶绿素的含量使烟株成熟期增长,烟叶中含有的石油醚和中性致香物质等进一步充分转化,减少了烟叶有害成分，提高烟叶品质。张晗芝[6]的研究结果显示：生物炭对前33天苗期的玉米株高生长有抑制作用,植物吸收矿质养分的能力并没有受到显著影响。Jeffery 等[7]应用Meta-analysis 方法分析结果表明：土壤里施入生物炭后可以使农作物的生产力水平平均增长10%左右。研究表明生物炭不但可以提高含水率、减小土壤容重、增大孔隙度,而且可以使作物总根系的鲜重、密度、表面积和体积增加、提高种子萌发率、促进根系生长,延缓后期根系的衰老[8]。此外,生物炭能够调解土壤结构,影响土壤物化性质,促进土壤中微生物种群的多样性，为微生物的繁衍和生存提供了必要条件。而微生物种群丰富度的增加和活性的增强,必定会促进土壤的生产力水平与农作物的生长[9]。对生物炭影响土壤理化性质和植物生长的探讨成果显示：生物炭不但可以固碳使温室气体的排放量减少,缓解温室效应，而且能改善土壤的理化性质,增加土壤养分的持留,调节土壤pH值,增加土壤有机质含量，降低土壤污染等。因此,探讨沙化土壤施加生物炭后理化性质以及植物生长的影响,将为有效合理地使用生物炭，在一定程度上缓解气候变化、环境污染和土壤功能退化等造成的问题提供重要的理论意义。

吉林省西部地区生态环境脆弱，土壤沙化、盐碱化、生态恶化、草原退化严重，长期以来开展了许多研究用以解决西部地区土地退化问题，但由于成本过高，且易产生二次污染而难以运用到实际生产实践中。本研究通过对吉林省西部大安市沙化土壤理化性质和绿豆生长影响的研究，分析了生物炭施加对沙化土壤理化性质及植物的影响，探讨生物炭对沙化土壤的改良作用。研究结果可以为沙化土壤的可持续利用提供一定的理论依据。

1 研究区概况

大安市(123°08′45″～124°21′56″E，44°57′00″～45°45′51″N，海拔138 m)位于吉林省西北部的松嫩平原腹地，被誉为“嫩江明珠”，东西长为95 km，南北宽为90 km，总面积为4879 km2。属于中温带季风气候，四季分明，年平均气温为4.3℃，年平均日照约3010 h，年均积温2921.3℃，年均降雨量413.7 mm，风力资源丰富[10]。典型的两种农业生产形态是农业区和农牧交错区，主要的土壤类型为：草甸土、盐碱土、黑钙土、风沙土，土壤结构疏松，保肥保水能力低，极易导致土壤质地下降[11]。

2 材料与方法

2.1 样品采集

试验所用的土壤样品取自吉林省西部大安地区龙沼镇(123°35′43.02″E，45°05′24.72″N，海拔138 m )自耕层0～20 cm的沙化土(图1)，共获得样品3个。样品被密封后，在实验室内挑除其中的植物根系等，并自然风干，研磨至小于200 mm备用。同时，选用在风沙贫瘠土地中占优势并有传统种植习惯的农作物——绿豆作为供试种子。实验所需的生物炭是来自沈阳农业大学生物炭工程技术研究中心的秸秆生物炭。生物炭的pH 9.52±0.10，总磷为(9.51±2.03)g/kg，总氮为(1.32±0.58)g/kg。

图1 吉林省大安地区沙化土样品采集

2.2 试验方法

试验设置9个梯度生物炭施加比例，按体积比，生物炭:沙化土分别设置生物炭占0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%，每个比例设置3个平行试验。将混合均匀的土等分为3份，并分3次倒入花盆中，每放一次土，用50 mL蒸馏水浸湿，土全部放入直径为15 cm的塑料花盆后再浇50 mL水，即每盆土浇200 mL的蒸馏水。在试验土样中播10粒饱满、用75%的酒精催芽的绿豆种子，每盆浇50 mL的蒸馏水使土壤饱和，并放置在温室中培养。播种后每隔24 h观察1次，待出苗后，记录其出芽率，7 d后留3株长势较好的苗。在苗期、拔节期测绿豆的株高，根和茎的干重、鲜重及叶绿素等指标。

绿豆幼苗的测定：1)绿豆幼苗的株高、根长、茎长的测定：游标卡尺，可将测量值精确到0.02 mm；2)采用称量法测定幼苗鲜重、干重。土壤样品测定方法：1)土壤电导率用电导仪测定：采用水∶土为5∶1浸提，测得水溶性盐总量；2)土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定；3)土壤pH值用PH-3C酸度计测定：将水∶土为2.5∶1的混合液体用玻璃棒充分搅拌1 min，使土粒分散，静置30 min后测定pH值；4)土壤氮、磷、钾含量的测定：高锰酸钾法。

所有实验样品的培养和测试分析都是在长春师范大学城市与环境科学学院的自然地理实验室内完成。

3 结果与分析

3.1 生物炭作用下绿豆幼苗株高和叶绿素含量的变化特征

从图2中可以看出：当沙化土中生物炭浓度为5%时，叶绿素的含量最高，此时光合作用最强， 绿豆幼苗长势最好；随着生物炭浓度的增加(10%～20%)，叶绿素含量开始缓慢降低，相对应的绿豆幼苗株高也出现了下降的趋势；当生物炭浓度从20%增加到25%时，叶绿素的含量有所增加，但未超过生物炭浓度为15%时叶绿素的含量，而此时其幼苗的株高仅低于生物炭浓度为5%时幼苗的株高；生物炭浓度大于25%之后，叶绿素含量出现显著波动，绿豆幼苗的株高则一直呈递减的趋势。

图2 不同生物炭含量下绿豆株高、叶绿素含量的变化特征

3.2 生物炭对沙化土壤理化性质的作用

3.2.1 pH值与电导率

根据图3中的数据分析可得出，沙化土壤的pH值随着生物炭浓度的增加总体呈逐渐上升的趋势。这是因为生物炭含有的元素(如钾、钠、钙、镁等)都为可溶性导致其呈碱性，施入土壤后可以提高酸性土壤的盐基饱和度，抑制酸根离子水解，从而增强土壤的碱性。

当生物炭浓度从0%增加到25%时，土壤电导率呈缓慢增加的趋势；土壤电导率在生物碳浓度从30%增加到40%这一区间内表现为大幅度增加。图3总体表明，随着生物炭浓度的增加，沙化土壤的碱性逐渐增强；生物炭所占比例越大，电导率增加的幅度就越大。

图3 不同生物炭含量下土壤pH值、电导率变化特征

3.2.2 土壤有机质与土壤吸湿水

根据图4中的数据分析可以看出：当生物炭的浓度为5%时，土壤有机质含量降到最低，土粒表面对空气中水分子的吸附受到抑制；随着生物炭浓度的增加(10%～30%)，土壤吸湿水含量逐渐增加，在生物炭浓度为30%时，对土壤吸湿水的促进作用达到最大，之后随着生物炭浓度的增加土壤吸湿水含量缓慢减少，但其含量比生物炭浓度在30%以下的都大。表明随着生物炭浓度的增加，土壤含水量在逐渐增加，达到一定浓度范围时，土壤的含水量几乎无明显变化。即可以理解为生物炭有保持和吸附沙化土壤水分的能力，但这种作用不是无限制的。土壤有机质的含量在生物炭浓度从10%增长到25%的过程中呈缓慢升高的趋势；生物炭浓度为30%时，有机质的含量虽有所减小，但比生物炭浓度在25%以下的都大。生物炭浓度从30%增加到40%时，有机质含量快速增加。

3.2.3 土壤养分

研究结果表明，生物炭含量从0%增加到35%时，土壤氮、钾含量呈逐渐上升趋势，并在生物炭含量为35%时达到最高值，生物炭含量为40%时趋于稳定(图5)。生物炭的存在会使土壤中N、K的含量增加，最后趋于稳定，不再随生物炭含量的增加而变化。随着生物炭浓度的不断增加，土壤中N、K的含量呈现升高的趋势，说明生物炭加入沙化土壤中不能抑制N、K的淋溶。生物炭浓度在0%～25%之间，土壤中P含量随其浓度的增长而变化缓慢，土壤中P含量在生物炭浓度为25%～40%之间，随着生物炭浓度的增长而快速增加，而与添加生物炭后土壤中氮、钾的变化折线相比，土壤中磷的含量相对较少。

图4 不同生物炭含量下有机质与吸湿水变化特征

4 讨论

土壤中盐基离子支配着土壤的酸碱度,盐基离子的流失,会造成土壤酸化与贫瘠,从而使作物的生长受到了巨大的影响[12]。生物炭含量不同的土样，其pH值也不同，随着生物炭含量的增加，土样的pH值也随之升高。考虑到大安市沙化土壤具有草甸土、盐碱土、黑钙土、风沙土，而生物炭呈碱性，且在制备过程中裂解温度越高，其碱性越强。关于降低盐碱地pH值的问题，本研究将盐碱土与黑土按一定比例混合，每个比例的土样分为9份，分别加入不同百分比的生物炭(从0%到40%按照5%的梯度设计实验)。结果表明：生物炭的施加比例越大，土样的pH值就越高；生物炭含量相同时，随着黑土所占比例的增大，其土样的pH值逐渐降低[13]。已有的研究表明：生物炭中灰分含量越高，其pH 值就越高，因此生物炭可以用作酸性土壤的改良剂来中和土壤酸度，提高土壤的pH值，解决因人们长期不合理的施用化肥导致土壤酸化，养分流失的问题[12,14]。土壤电导率是测定土壤水溶性盐的指标，而土壤水溶性盐是土壤的一个重要属性，是判定土壤中盐类离子是否限制作物生长的因素[15]。电导率的变化与土样pH值的变化趋势基本一致，也是随着生物炭含量增大而增加。

土壤中有机质的多少，基本上反映了其肥力水平的高低。沙土中有机质含量随着生物炭所占比例的增加而逐渐增高。一方面，生物炭的催化性可以促使吸附在其表面的有机分子转化成土壤有机质[16]；另一方面，生物炭提供了土壤微生物的生长和繁殖所必需的物质基础，使微生物的种类和活性增加，可以促进腐殖质或生物残体的进一步分解，经过长时间分解积累作用，可以提高土壤肥力,增加有机质的含量[12]，进一步提高沙土农作物的产量。Tryon[17]研究表明生物炭加入沙化土壤中可以使土壤有效水增加18%。在沙土中存在于生物炭微孔结构中的水和可溶的营养物质可能随着土壤变干和土壤基质增加而出现[18]，这说明在土壤干旱期施入生物炭会增加其有效水的含量[19]。

沙化土壤中随着生物炭施加量的增加，土壤中氮、钾的含量也逐渐增加，而磷的含量在生物炭所占比例超过25%时才呈现上升的趋势。生物炭施入土壤后一方面利用其多孔特性和巨大的比表面积吸附持留氮素物质，另一方面极大地改变了土壤的理化性质，间接或直接地影响氮素循环过程中微生物的活性、多样性和丰度，继而影响土壤N素物质循环[14]。K元素是植物光合作用的重要矿物质元素之一，可以提高植物的光合作用，促进作物体内淀粉和糖的形成，促进作物的生长，同时提高作物对N的吸收利用。土壤中施加生物炭可以增强植物的光合作用，提高作物产量。P元素不仅是植物生长必需的常量营养元素，还是引起水体富营养化的关键元素。生物炭本身就含有有效性高的大量P元素，施入土壤后可能会造成其有效P的含量明显增加[20]。

生物炭在沙化土壤中所占比例为0%～30%之间时，施入土壤的生物炭对绿豆幼苗的生长都起到促进作用，超过这个范围出现了抑制绿豆幼苗生长的现象。这说明生物炭不仅可以通过改良土壤来提高肥力,还可以通过改善土壤的性质和存储植物所需的养分元素来促进植物的生长[21]。由于生物炭极佳的物理性质和养分平衡能力，才使得添加生物炭的沙土种子萌发和植物根系的生长更好，进而提高作物的产量和沙地的生产力[22]。 目前，关于生物炭对提高土壤肥力和促进作物生长影响的研究主要集中在风化土壤及典型热带肥力贫瘠土壤上[23-24]，其对作物生长的影响表现结果有促进作用[18，25-26]、抑制作用或无影响[14]。

5 结论

根据生物炭对吉林沙化土壤理化性质变化特征的分析，结合分析其对植物的影响，获得以下几点认识：

1)含有可溶性元素(如：K、Ca、Na、Mg等)的生物炭自身呈碱性，施入沙化土壤中不仅可以使其碱性增强，而且还增强了土壤的电导率。

2)生物炭施进沙化土壤里能提高其有机质的含量，有机质含量的增加意味着其肥力的增强，肥力的增强可以使沙化土壤作物的产量提升。

3)生物炭可以提升沙化土壤涵养水分的能力，生物炭的施加使沙化土壤的吸附和持水能力显著增加。

4)生物炭施入沙化土壤中，不但可以提高沙化土壤养分元素(如：N 、P、K等)的含量，而且能促进绿豆的萌发率以及幼苗的成长，使其幼苗的含水量增加。为养分贫瘠的沙化土壤上生长的作物提供了必需的矿质养分元素，从而促进作物的生长。

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The impact of biochar on mung bean growth and soil physicochemical properties of sandy soil

WU Meng-juan1, WANG Gui-jun2, XU Zhen-wen2, ZHANG Wen-xiang1

(1. Key Laboratory of Plateau Lake Ecology and Global Change of Yunnan Province, School of Tourism and Geographical Sciences, Yunnan Normal University, Kunming 650500; 2. School of Urban and Environmental Sciences， Changchun Normal University, Changchun 130032, China)

Through desertification of soil research on physical and chemical properties and mung beans grow Da′an in the west of Jilin province, the influence of the biochar on desertification soil physical and chemical properties and plant was analyzed, and the amelioration of biochar on desertification soil was also discussed. The results showed that biochar had obvious influence on desertification of soil organic matter content, pH value and available nitrogen, phosphorus and potassium content. At the same time, it could improve the water content of mung bean seedlings and promote the growth of its seedlings.

biochar; desertification of soil; available elements; physical and chemical properties; plant growth

2016-05-09；

2016-05-30

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(2015-366)；云南省中青年学术技术带头人后备人才(2015HB029)

武梦娟,硕士,主要从事湖泊沉积与环境演化研究，E-mail: wmj88096084@163.com

S156.2；S522

A

2095-1736(2017)02-0063-05

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.02.063