施用低温生物炭对麦田土壤肥力与镉有效性的影响

闫延梅，孟自力，马磊

（商丘市农林科学院，河南商丘 476000）

秸秆炭化还田是农作物秸秆资源化利用的重要途径之一。生物炭具有有机碳含量高、高碳氮比、疏松多孔结构等特性，施入土壤后具有增加土壤有机质、吸附土壤重金属和保持土壤养分、激活土壤微生物等良好的作用，并能提高肥料利用率，增加作物产量和品质[1-2]。传统的秸秆炭化工艺多为400℃以上，生产过程中能耗高、产率低、成本高，将秸秆等农业废弃物采用300℃以下的低温炭化工艺，则可以很好地解决这些问题。但是，低温生物炭与传统工艺的生物炭相比，其在影响麦田土壤肥力和重金属生物有效性方面的效果如何尚需要探索。因此，笔者针对低温生物炭和传统高温生物炭进行比较分析，从物理化学性质、模拟应用效果、田间应用效果等角度入手，探讨低温生物炭和传统高温生物炭的应用效果可能存在的差异，为低温生物炭的农业深入应用提供一定的技术依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤来源于商丘市重金属镉轻中度污染农田，土壤类型为两合土。供试土壤基本理化性质为：有机碳8.66 g/kg，碱解氮78.76 mg/kg，速效磷31.33 mg/kg，速效钾99.10 mg/kg，有效态镉1.248 mg/kg。

1.2 生物炭制备

生物炭原料为玉米秸秆，先用蒸馏水冲洗4次后风干2 d，在70℃～80℃烘箱中烘干后粉碎，备用。生物炭的制备采用限氧升温炭化法：称取一定量的玉米秸秆粉末于瓷坩埚中，加盖后置于管式马弗炉中，分别于0℃、240℃、400℃温度下加热2 h，自然冷却至室温后取出过100目筛备用。生物炭基本理化性质见表1。

表1 生物炭基本理化性质 g/kg

1.3 试验设计

试验在商丘市农林科学院试验田进行，供试小麦品种为‘商麦188’。试验共设置6个处理，分别为：T1（240℃玉米秸秆1%）、T2（240℃玉米秸秆2%）、T3（400℃玉米秸秆1%）、T4（400℃玉米秸秆2%）、CK1（不加生物炭、不施肥）、CK2（不加生物炭、基础施肥）。每个处理设置3个重复。将土壤与生物炭均匀混合装盆，基础施肥为复合肥750 kg/hm2（N∶P∶K=15∶15∶15），每盆播种10颗小麦种子，出苗后进行定苗，每盆保持6株小麦幼苗，培养30 d。

1.4 样品测定

从播种后30 d采集土壤样品。土壤样品风干后，分别过0.80 mm和0.15 mm筛用于测定土壤速效磷、速效钾、有机质、碱解氮，以及测定土壤有效态镉的含量。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤的理化性质

由表2可以看出，添加不同热解温度不同用量的生物炭，均使土壤有机质含量显著增加，效果为T2＞T4＞T1＞T3。在添加相同热解温度生物炭条件下，有机质含量随着生物炭用量的增加而增加，并在不同用量生物炭处理间差异显著，240℃生物炭处理对于土壤有机质含量增加的效果更好，且在2%用量的2组处理中（T2、T4），随着生物炭热解温度的降低，土壤有机质含量也呈显著增加趋势。这说明生物炭能够通过土壤有机质含量水平的提升提高土壤肥力，进而促进植物的生长发育。

表2 施用生物炭对土壤理化性质的影响

相较于基础施肥处理（CK2）的土壤，添加生物炭的4组处理均能使土壤中的速效钾含量显著增高，其中添加2%用量400℃生物炭处理（T4）土壤的速效钾含量最高。添加1%用量生物炭时，土壤中的速效磷含量有所上升，但随着生物炭用量的增加，土壤中速效磷含量开始呈现下降趋势。施用相同用量生物炭的前提下，240℃生物炭处理的土壤速效磷含量均高于400℃生物炭处理的土壤速效磷含量。相较于基础施肥处理（CK2）的土壤，生物炭对于土壤中碱解氮含量有降低趋势。其中添加1%用量240℃生物炭（T1）和2%用量400℃生物炭处理（T4）的土壤碱解氮含量显著降低。

2.2 不同处理土壤中有效态镉含量

由图1可以看出，施用生物炭对土壤中有效态镉含量影响显著，相较于空白组，添加不同用量不同热解温度生物炭处理的土壤有效态镉含量均显著降低，降低效果为T1＞T2＞T4＞T3，其中添加1%用量240℃生物炭处理（T1）的土壤有效态镉含量最低。相同生物炭用量条件下，240℃生物炭处理相比于400℃生物炭处理的土壤有效态镉含量显著降低，说明240℃生物炭对于降低土壤镉有效性的效果更好。

图1 不同处理对土壤有效态镉含量的影响

3 结论与讨论

研究表明，土壤中施用生物炭能提高土壤有机质含量和各种速效养分的有效性，进而提高土壤肥力，促进植物的生长发育。有研究表明[3]，生物炭对土壤肥料的意义重大，可以促进植物生长发育、改善土壤固有理化性质、平衡土壤有机质。数据表明，较低裂解温度（240℃）制备的生物炭对于提高土壤有机质、速效磷含量的效果较好，但2种温度生物炭都降低了土壤中碱解氮含量。有研究表明，这种问题出现的原因可能是生物炭的碳氮比较高，从而导致碱解氮的生物固定[4]。该试验研究发现，生物炭的施用显著降低了土壤中有效态镉含量，且随着生物炭用量的增加，效果更好。其中，相同生物炭用量的情况下，较低裂解温度生物炭（240℃）对降低土壤镉有效性的效果更好。早已有研究表明，生物炭的施用可以降低污染土中铅、镉的迁移率[5]，从而减少植物对土壤中铅、镉的吸收。黄敏等[6]研究发现，生物炭用量大于5%时，土壤中有效态镉含量降低了77.47%，达到了最大降幅，说明生物炭能有效地固定污染土壤中的重金属，其农业应用前景广阔。经过分析可见，低温生物炭与传统工艺的生物炭相比，其在影响土壤重金属生物有效性、作物养分吸收方面的表现显著，再加上其产率高、能耗小、综合效益高，在农业中的应用前景非常广阔。