稻壳生物炭改良砂姜黑土壤结构抑制土壤板结的实验研究

张开银 王秋玲

摘 要：我国淮河流域特别是安徽的淮北平原相当一部分农田的主要土壤类型是砂姜黑土，并且由于气候不稳定，时常少雨干旱或多雨成涝，造成土壤旱涝僵瘦，易板结，对农业生产造成极大的危害。对砂姜黑土进行改良一直是土壤科學的一个研究重点课题。本研究采用稻壳生物炭对试验田的砂姜黑土进行改良，利用土壤硬度仪测量土壤的松软程度，从而研究生物炭对土壤板结的改善效果，进一步的研究了生物炭施用量对作物根系的影响。实验结果表明，一定量的生物炭可以显著降低土壤板结，有利于根系生长，进而提高作物产量。

关键词：砂姜黑土; 稻壳生物炭; 土壤板结

中图分类号：S625          文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）10-104-002

砂姜黑土是发育于河湖的沉积物，在低洼潮湿和排水不良的环境，经前期的草甸潜育化过程和以脱潜育化为特点的后期旱耕熟化过程中所形成的一种古老耕作土壤。主要分布地区为安徽的淮北平原、其次为河南东部、山东中南部和江苏北部等地[1]。砂姜黑土的粘粒矿物主要是由具有强烈的膨胀性和收缩性的蒙脱石组成，遇水时土壤膨胀系数会变大，孔隙就会封闭，水分就难以渗透，土壤水分很快就会达到饱和，从而导致涝渍灾害;遇旱时土壤收缩而产生又多又深的裂隙，切断了土壤毛管，使得水分难以被农作物吸收，从而加重旱情。砂姜黑土的涝渍和干旱特性容易引起土壤板结性。土壤板结主要的一个原因是土壤缺乏有机质，结构不良。土壤板结给农作物带来的相当的危害：一方面在土壤板结的情况下，土壤表面变硬，透气性差，容易缺氧而导致根系活力下降，从而使植物根系的发育不能正常进行。另一方面，土壤板结会引起水分供应不均衡，进而影响营养物质在土壤中分布不均匀，降低根部吸收能力，使得植物产生缺素症。因此，针对砂姜黑土固有的自然特性，进行合理的土壤改良，提高地力，对提高农业生产效率和实现农业可持续发展具有重要意义。

目前改良砂姜黑土的措施主要有深耕、秸秆还田、掺沙或煤灰渣并合理施肥，也有施用人工合成高分子化合物和微生物制剂类等土壤改良剂的[2]。但这些方法分别存在较大局限。通过增施有机肥和秸秆还田虽然可以提高土壤腐殖质，增加土壤孔隙度，提高持水能力;但有机肥不稳定，容易流失。比如稻秆、绿肥、堆肥及厩肥施入土壤后一般5-10个月后所剩不过20%。因此需要连年施用，工作量大。而施用矿物类和高分子化合物调节剂改良土壤需要的成本较高，技术难度较大，还存在污染土壤和水体的可能。因此亟待探索成本低、绿色环保、可广泛推广的土壤改良新方法。农业和生态领域中新材料、新技术的研发与应用为砂姜黑土的改良提供了新的手段和途径。起源于亚马逊河流域的生物炭改良土壤技术，被认为是营造高效并持久土地利用系统的一个有效方法。

生物炭一般是秸秆等生物质在缺氧和低温（约800℃左右）热解形成的炭材料，存在大量细微的微纳孔隙结构，可以显著影响土壤的透气性能、保水能力，并改良土壤粘重和结构，能够促进土壤团粒形成，降低土壤板结性，促进植物根系健康发育。此外，生物炭主要由单环和多环的芳香族化合物组成，这种性质特点决定了它具有更强的化学、生物学稳定性及抗微生物分解的能力，因此施用后在土壤中可以长期保持效力[3]。

本研究选择一块种植小麦的农田为研究对象开展研究，从土壤板结和作物生长两个视角探讨生物炭对砂姜黑土的改良效果。

1.实验方法

1.1生物炭改良方法

本实验所选择土壤位于安徽省阜阳市颍州区河水村（地理位置为32°93′N、115°75′E）的试验田。该试验田总体约有1亩，属于典型的砂姜黑土，土壤的pH值呈碱性。将试验田分成等面积的4块，分别按照每亩0.0、0.5、1.0和2.0吨的用量施用生物炭。首先将生物炭均匀的撒在土壤表面;然后用犁土机对土壤进行厚度40厘米的翻耕;最后用翻土机进行多次翻土，使得生物炭与土壤充分混合。试验中使用的稻壳生物炭由安徽省颍上县风雷生物质发电厂提供。

施用生物炭后，4块试验田都种植冬小麦，而且后期管理分别按照小麦生长需要进行常规水肥管理。

1.2土壤改良结果的观测

本研究采用TJSD-750型土壤紧实度仪来测量土壤硬度，定量研究土壤板结程度。在每份试验田中，选择均匀分散的10个测量点，分别测量每个点的土壤紧实度，然后取平均值表征该试验田生物炭改良的效果。一般选择作物成熟的季节测量，测量时土壤紧实度仪插入土壤中的深度统一取为20厘米。此外通过观测作物根系和作物产量，进一步定性的反馈土壤改良效果。

2.结果和讨论

土壤紧实度是土壤物理特性的重要指标之一，能综合反映土壤板结程度。将稻壳生物炭加入到砂姜黑土里面，必然会对土壤的紧实度产生影响。针对河水种植小麦的地块，在小麦成熟期而且连续晴天的条件下进行，其时土壤含水量约为75%，测量数据如表1所示。

由表1所记录的数据中可以看到，样品土壤在不添加生物炭的自然情况下，土壤紧实度最大值为370kPa，其平均紧实度达到240kPa，而且极差达到了217kPa，比较大。在添加0.5吨/亩的稻壳生物炭之后，测得的数据有了很明显的下降，其平均紧实度从240kPa降到了200kPa。添加1.0吨/亩的稻壳生物炭之后，其平均值更是进一步下降到180kPa。当生物炭含量为2.0吨/亩时，土壤紧实度下降为160kPa。试验数据表明，与没有添加生物炭的对照组相比，施加了生物炭的土壤紧实度得到改善。随着生物炭添加的比例增加，土壤紧实度明显呈下降趋势。而且实验数据的离散度越小，土壤越松软，板结现象得到了较大程度的抑制。从试验田的实际情况看，虽然添加了生物炭的地块，在特别干旱的季节也会发生一定程度的板结现象;但是平均要比没有添加生物炭的土壤改善很多。伴随着生物炭在土壤中的为有机质和生物菌落提供栖息地以及土壤团粒的其孕育发展，生物炭对板结的抑制效果随着时间的推移会越来越有效。

松软的土壤，有利于小麦根系的生成，也有利于营养物质在土壤中随水分的运移，使得小麦能够吸收更多的养分，进而有利于小麦生长。在小麦生长后期，分别在各份试验田中随机选拔50棵小麦苗，首先对比了小麦分叉数量的差异，然后去除根部土壤，对比了主根数量的不同。在小麦收割后，又分别称量了干小麦的重量，并根据试验地块的实际面积换成是亩产量，对比了最后产量的差异。测量结果如表2所示。

试验结果表明，在试验所使用的生物炭含量范围内，随着生物炭的增加促进了小麦根系的发育，主根增加，须根丰富，而且小麦的分枝也逐渐增加。然而，从小麦的亩产量看，在本研究的试验范围内，每亩施用生物炭1.0吨的试验田给出的亩产最高，而施用2.0吨生物炭的试验田的亩产量反而大幅下降。这是因为生物炭施用虽然能够抑制土壤板结，促进根系生长和新叶形成。然而生物炭作为一种多孔物质，具有较大的比表面积、发达的孔隙和丰富的表面官能团，对离子具有很强的吸附性，在一定程度上会吸附土壤中游离的含氮、磷和钾的离子[4]。对于同样水肥管理的试验田，生物炭含量的增加，意味着对肥料的总吸附量会增加，导致土壤中游离的养分减少，降低土壤肥效，导致小麥产量下降。因此，生物炭的施用量需要一个科学的配比，在考虑生物炭调理土壤结构作用的同时，还需考虑生物炭对肥料的吸附作用，从而制定合适的生物炭施用量，才可既能抑制土壤板结，又可提高作物产量。

3.结论

稻壳生物炭对砂姜黑土的改良效果显著，而且稻壳炭主要来自于生物质发电的固体产物，来源较广，在改良土壤方面具有较大的潜力。需进一步加大对稻壳生物炭改良砂姜黑土的研究力度，特别需要定量研究稻壳生物炭对肥料的吸附作用，形成科学的砂姜黑土改良方案，提高作物产量，促进农业发展效率。包括稻壳炭在内的多孔炭与土壤相互作用促进土壤团粒发育，改善土壤菌落微环境等都需要一个长期过程，需要人们进行长期深入的研究分析，有助于形成一系列科学配方。

基金项目：武夷学院-安徽田间云生物科技有限公司横向产学研项目：基于武夷山茶园土壤环境的生物炭基复合肥应用研究（项目编号：2020-WHFW-023）;阜阳师范大学-安徽有机良庄农业科技股份有限公司横向产学研项目：鱼菜共养系统关键技术研究（项目编号：HX2019029000）资助

参考文献：

[1]王静.砂姜黑土的形成特点与改良措施[J]现代农业科技，2013，5：252-253

[2]赵亚丽，刘卫玲，程思贤，等. 深松（耕）方式对砂姜黑土耕层特性，作物产量和水分利用效率的影响[J]中国农业科学，2018，13：2489-2503

[3]王凡，廖娜，曹银贵，等.基于生物炭施用的土壤改良研究进展[J]新疆环境保护，2020，2：12-23

[4]计海洋，汪玉瑛，刘玉学，等.生物炭及改性生物炭的制备与应用研究进展[J]核农学报，2018，11：2281-2287