生物炭施加对黄土土壤理化性质及硫素的影响

王晗 赵保卫 陈艳雪 马锋锋

摘要：采用培育实验，向黄土中分别添加0%、1%、3%和5%的300℃和600℃制得的油菜秸秆生物炭，研究了添加生物炭对土壤的理化性质和硫转化的影响。结果表明：随着生物炭添加量的增加，土壤pH值、有机质含量、过氧化氢酶活性、全硫以及无机硫含量也随之显著增多;在同一生物炭添加量下，添加600℃生物炭时土壤的pH值比添加300℃生物炭时土壤的pH值高，而添加300℃生物炭时，两种土壤酶活性均比添加600℃生物炭时的两种土壤酶活性高;土壤脲酶活性随着300℃生物炭的添加增多而增大并且差异显著，但添加600口C生物炭时，脲酶活性在添加量为1%时略微增大，在添加量为3%、5%时活性降低且差异显著。总体上，添加生物炭有利于改善土壤理化性质，可提高土壤酶活性，增加土壤无机硫含量。

关键词：生物炭;黄土;有机质;土壤酶;土壤硫

中图分类号：S156

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）10-0004-05

1引言

生物炭（ Biochar）是农作物秸秆、动物粪便以及其他生物质在完全或部分缺氧条件下进行高温热解炭化而成的一种含碳量丰富、性质稳定的固态物质。生物炭的元素组成为碳（一般高达60%以上）、氢、氧、氮、硫以及一些少量的微量元素。生物炭表面多孔特性显著，孔洞数量巨大且大小不一，其孑L隙结构有助于土壤微生物的生长。生物炭具有较大的比表面积，吸水、气能力强，具有大量的表面负电荷和高电荷密度的特性，使得生物炭具备了良好的吸附特性。基于以上特性，生物炭被国内外学者视为有效的土壤改良剂。

硫是作物生长发育不可缺少的营养元素之一，直接参与生物体内的许多重要的生化反应，调节植物的新陈代谢，并提高作物的品质，在缺硫条件下植物的生长会受到严重的阻碍，甚至枯萎、死亡。因此，硫是作为继氮、磷、钾之后第四位重要的营养元素。黄土作为我国西北地区的土壤主要类型，具有以下主要特点：养分贫瘠，结构疏松，孔隙度大，团聚能力差，难溶性硫含量较高，有机质含量较低。因此，向黄土中施加生物炭有望改善黄土的性质以及结构，提供一定的有机质，对土壤中的硫转化势必会产生影响。Zheng等研究发现，向土壤中添加生物炭可提高氮素的利用效率，降低氮素的积累效率。亦有很多研究表明，生物炭能较好吸附土壤氮素，固持以及缓解各种形态氮素的淋失，促进植物对氮的吸收。生物炭还可以减缓土壤侵蚀和营养元素磷的亏损，增加磷的植物有效性和土壤对磷的吸附能力。然而，目前关于生物炭对土壤营养元素的研究主要集中在氮和磷，对于同等重要的硫的研究报道却极为鲜见。因此，亟待研究生物炭添加到土壤中对硫素的影响及其机制。

我国作为一个传统的农业大国，油菜是其常见的经济作物，而油菜秸秆的利用率极低。常见的处理方法就是口间焚烧或者闲置堆放，这不仅造成了资源的极大浪费，还导致了严重的环境污染。因此，将废弃秸秆资源化利用既环保又能施入土壤中改善土壤的结构和性质。因此，本文使用油菜秸秆作为原料，在300℃和600℃下限氧热解制备生物炭，将油菜秸秆生物炭作为土壤改良剂施入黄土中，考察了生物炭施加量对黄土的理化性质和土壤中硫的转化的影响，以期为添加生物炭对黄土的改良提供理论依据。

2材料与方法

2.1材料与仪器

油菜秸秆（Brassica campestris L.）采自甘肅省陇南市某农村田间。将采集到的油菜秸秆用自来水洗净然后自然风干，粉碎至粒径小于40目，将其盛入已知质量的坩埚内，置于300℃或600℃马弗炉中炭化6h，经冷却至室温后取出，再过60目筛制得油菜秸秆生物炭，装于棕色瓶中待用。制得的生物炭分别标记为BS300和BS600，其中BS表示油菜秸秆生物炭，数字表示炭化温度。生物炭的基本理化性质见表l。

本实验采用的黄土采集自甘肃省兰州市龚家湾（北纬36°2'25''，东经103°44'14''）农田土（理化性质见表2），采样深度为0～20cm。多点随即采样经自然风干，去除其中的石块、树叶等杂质，再研磨过3mm筛。

主要仪器：电子天平（上海精密科学仪器有限公司，FA2004N型）;马弗炉（上海嘉占仪器设备有限公司，SX2系列）;pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司，PHS-3C型）;电导仪（杭州奥立龙仪器有限公司，DDS-11A型）;紫外可见分光光度计（上海美谱达仪器有限公司，UV-18 00型）;磁力搅拌器（武汉广颜仪器设备有限公司，XK78-1型）;气浴恒温振荡器（江苏丹阳门石英玻璃厂，THZ- 82A型）;电热恒温培养箱（天津市泰斯特仪器有限公司，WPL-230BE型）;火焰原子吸收分光光度计（上海光谱仪器有限公司，SP-3520AAC2T1型）。

2.2培育实验

取四份100 g上述黄土分别加入0%、1%、3%和5%的油菜秸秆生物炭后混合均匀，每个处理设置3个重复，然后置于300mL塑料碗（尺寸65mm×65mm）中并进行淹水处理，放人培养箱保持25℃下培养60d，将其取出风干后以四分法取少量土样测定其pH值、电导率、有机质、脲酶、过氧化氢酶、提取硫和全硫。

2.3测试方法

pH值采用电位法测定;电导率采用电极法测定;有机质采用重铬酸钾氧化一分光光度法测定;过氧化氢酶活性采用紫外分光光度法测定;脲酶活性采用苯酚钠一次氯酸钠比色法测定;无机硫和全硫分别用连续提取法和碱熔法提取，用间接火焰原子吸收光谱法测定。

数据图的绘制使用Origin9.3，统计分析使用SPSS21.0.数据平均值和标准偏差采用单因素方差分析法获取，差异显著性分析采用Duncan氏新复极差法（P<0.05）。

3结果与讨论

3.1生物炭添加对土壤pH的影响

图1反映了BS300和BS600添加量不同对土壤pH值的影响。从中可以看出，随着BS300和BS600添加量的增加，土壤pH值也随之增高并且达到显著性差异水平（P<0.05）。生物炭添加量为5%时，添加BS300和BS600时，土壤的pH值比未添加生物炭土壤的pH值分别增加了5.9%和10.2%。在同一生物炭添加量下，添加BS600时土壤的pH值比添加BS300时土壤的pH值高。

由于生物炭含有一定量的灰分，导致生物炭呈碱性，而且生物炭中的碱性物质很容易进入土壤中，因此使得土壤pH值升高。另外，生物炭中含有大量的盐基离子，添加到土壤中后会与土壤中的铝离子以及质子进行交换，使其浓度降低，提高盐基饱和度并提高土壤pH值。由于黄土属于偏碱性土壤（表2），所以相比生物炭对酸性土壤的pH提升幅度略低。通过Chun等的研究发现，300℃制得的秸秆炭所含酸性官能团为2. 83mmol/g，碱性官能团为0.04mmol/g;当温度上升为700℃时，酸性官能团下降到o.3mmol/g，碱性官能团上升到0.29mmol/g。所以生物炭的碱性官能团随热解温度的升高而增多。因此，在相同生物炭添加量下，添加BS600时土壤的pH值比添加BS300时土壤的pH值高。

3.2生物炭对土壤有机质的影响

添加BS300和BS600对土壤有机质的影响，结果如图2所示。从图中可以看出，土壤有机质均随BS300和BS600添加量的增加而升高且存在显著差异（P<0.05）。生物炭添加量为5%时，添加BS300和BS600时土壤的有机质含量比未添加生物炭土壤的有机质含量分别提高了81%和86%。

土壤有机质是土壤的重要组成部分，可以改善土壤团具体和稳定性，改良土壤透水性和通气性，提升土壤保水保肥能力以及为植物输送营养等，是土壤肥力重要指标之一。生物炭本身含有丰富的有机碳，向土壤中添加生物炭后，可以增加土壤有机碳含量，一定程度上提高土壤腐殖质和有机质的含量，还能间接提高土壤的C/N比以及对其他养分元素的吸持能力。研究表明，生物炭提高有机碳含量的幅度取决于生物炭的用量和稳定性。生物炭可以在土壤中存留数百年，甚至上千年的时间，其稳定性以及稳定化作用远远大于绿肥类易解有机物。生物炭在土壤中存在的时间越长，就会与土壤之间产生一种保护基质，使得土壤有机质的氧化稳定性增强，进而提高土壤有机碳的积累。

3.3生物炭对土壤酶的影响

添加BS300和BS600对土壤脲酶活性和过氧化氢酶活性影响分别见图3（a）和图3（b）。从图3（a）中可以看出，土壤脲酶活性随着BS300的添加增多而增大并且差异显著（P<0.05）。添加BS600时，脲酶活性在添加量为1%时略微增大，但在添加量为3%、5%时活性降低且差异显著（P

从图3 （b）中可以看出，土壤过氧化氢酶活性在BS300和BS600添加量增加时都略有增大，但其变化没有达到显著性差异水平。在同一生物炭添加量下，添加BS300的土壤过氧化氢酶活性比添加BS600时的土壤过氧化氢酶活性高。

土壤酶主要来自土壤微生物分泌、植物根系分泌以及残体分解等，并参与了土壤中的所有生化反应，其活性反映了土壤微生物的活性以及土壤养分转化的能力，对维持土壤健康以及为植物提供生长所需的养分起到重要作用。土壤脲酶直接参与土壤中含氮有机化合物的转化，其活性可以用来表征土壤氮素供应强度。过氧化氢酶能够促进过氧化氢分解为氧气和水，解除过氧化氢对生物体产生的毒害作用，常用来表征土壤的氧化强度。由于生物炭具有极强的吸附性能，导致其对土壤酶的影响比较复杂。一方面，由于生物炭能够吸附反应底物，促进了酶促反应而提高土壤酶活性;另一方面，生物炭又能吸附酶分子，对酶促反应结合位点进行保护，从而阻止酶促反应的进行，进而降低土壤酶活性。研究表明，添加生物炭能够提高土壤酶活性，并且随着生物炭的添加量增大土壤酶活性也增强。本研究表明，添加BS300的土壤脲酶和过氧化氢酶活性以及添加BS600的过氧化氢酶活性都得到了提高，这可能是生物炭具有很强的吸附性以及巨大的比表面积，促进了酶促反应，为土壤微生物提供生活场所，使土壤微生物活性增强，从而提高了土壤酶活性。而添加BS600，土壤脲酶活性却随添加量先增后降低，可能一方面是当添加量达到3%以上后BS600的pH值过高对土壤脲酶活性产生了抑制作用，另一方面可能是淹水条件下培育氧气不充足导致参与含氮有机化合物转化的相关微生物活动受到抑制。Deenik等研究发现生物炭含有的挥发性物质可以刺激微生物活动，从而导致土壤有效氮降低，同时降低植物氮素吸收，抑制植物生长。土壤脲酶直接参与土壤中含氮有机化合物的转化，因此脲酶活性也受到抑制。

3.4生物炭对土壤硫的影响

图4和表3分别反映了添加BS300和BS600对土壤全硫和无机硫的影响。从图4中可以看出，土壤全硫均随着BS300和BS600的添加量增加而升高并且达到显著性差异水平（P<0.05），生物炭添加量为5%时，添加BS300和BS600时土壤全硫含量比未添加生物炭的土壤全硫含量分别增加了24.9%和22.3%。

由表3可以得出，土壤水溶性硫、吸附性硫和盐酸可溶性硫含量均随BS300和BS600的添加量增加而上升。在同一生物炭添加量下，添加BS600时三种形态硫含量比添加BS300的三种形态硫含量都大。

土壤中的硫以有机硫和无机硫两种形式存在，无机硫一般可以分为水溶性硫、吸附性硫、盐酸可溶性硫三种形态，植物從土壤中所能吸取的硫几乎为以上三种无机形态的硫;有机硫一般分为酯键硫、碳键硫、未知态有机硫三种类别，主要存在于动植物残体和腐殖质，以及一些经微生物分解形成的简单的有机化合物中。研究表明，土壤中硫大部分是以有机硫形态存在，但我国北部和西部的石灰性土壤无机硫占全硫的39.4%～61.8%。本研究中，无机硫占全硫的40.6%～65.4%，土壤中硫的迁移转化主要依靠硫氧化细菌（sulfur oxidizing bacteria，SOB）和硫酸盐还原菌（sulfate reducing bacteria，SRB）这两类细菌进行转换。淹水条件下，土壤中SOB活性较低，而SRB活性较高，因此主要发生的是还原反应，硫酸盐在SRB的作用下转化为H2S，其中一部分H2S被释放到大气中，导致土壤硫含量降低;另一部分H2S在嫌气条件下，被化能自养硫细菌氧化成了无机硫。而本研究中，土壤全硫和无机硫含量随着生物炭添加量增多而上升，这可能是因为生物炭自身还有一定量的硫其量大于释放到大气中的H2S的量。

4结论

（1）随着BS300和BS600添加量的增加，土壤pH值也随之得到显著的提高。在同一生物炭添加量下，添加BS600时土壤的pH值比添加BS300时土壤的pH值高。

（2）土壤有机质均随BS300和BS600添加量的增加而显著升高，生物炭添加量为5%时，添加BS300和BS600时土壤的有机质含量比未添加生物炭土壤的有机质含量分别提高了81%和86%。

（3）土壤脲酶活性随着BS300的添加增多而显著增大。添加BS600时，脲酶活性在添加量为1%时略微增大，但在添加量为3%、5%时活性降低。在同一生物炭添加量下，添加BS300的土壤脲酶活性比添加BS600时的土壤脲酶活性高。土壤过氧化氢酶活性在BS300和BS600添加量增加时都略有增大。在同一生物炭添加量下，添加BS300的土壤过氧化氢酶活性比添加BS600时的土壤过氧化氢酶活性高。

（4）土壤全硫、水溶性硫、吸附性硫和盐酸可溶性硫含量均随着BS300和BS600的添加量增加而显著升高。