生物炭对鄂西茶园土壤改良的研究

李 鑫，张晓晴,2，齐伊丽，张 驰，任大军,2，叶 俊，张淑琴,2

（1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 4300003；3.华中农业大学园艺林学学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

近年来，生物炭凭借其独特的特性与优点得到广泛关注，已成为当前环境科学的研究热点。生物炭是一种生物质（如木材、农作物废弃物、畜禽粪便、植物组织或动物骨骼等），在缺氧或无氧和相对温度“较低”（200～700 ℃）条件下的热解产物，一般含有60%上的碳[1]。通常条件下生物炭呈碱性（pH 值＞8.5），且裂解温度越高，碱性越强[2]。生物炭主要由稳定碳、不稳定碳及灰分组成，性质稳定，分解速率低，其碳元素占比因生物质原料不同差异较大，但在土壤微生物的作用下，生物炭本身也会发生某种程度分解，可直接或间接提升土壤有机质，生物炭引起的有机质循环变化不仅影响土壤中营养元素的变化，而且也影响了植物的生长[3]。生物炭的芳香凝聚结构使其相对稳定，适用于土壤改良和环境修复[4-5]。因其比表面积大、带负电荷和电荷密度高[6]。故对营养物质、重金属、和有机化合物具有较高的吸附能力[7]。生物炭还能促进植物对土壤中养分的吸收，增加土壤中有机碳和不稳定碳的含量，提高作物产量[8]。生物炭可提高土壤pH 值和抑制土壤中天然有机碳的分解[9]，增加土壤中有效磷含量和阳离子交换容量（CEC），形成稳定的微团聚体，从而增加了土壤的通气性、土壤肥力，提高养分利用率和作物根际微生物活性，促进作物生长等特性[10]。生物炭具有极高的碳、氧比可限制氮元素的微生物转化和反硝化，有效吸附土壤中的NH4+，NO3-等和降低农田NH4+的挥发和NO3-的淋失，可使氮元素被植物直接利用[11-12]。生物炭中丰富的有机大分子和发达的孔隙结构对土壤营养物质的吸附和保持有着重要作用，可提高土壤阳离子交换量，进而改变土壤电导率[13]。生物炭本身容重远小于土壤，因此添加到土壤中上课可使土壤容重下降[14]，一般来说含有较高有机质的低容重土壤更利于营养物质的释放和养分储存，并降低了土壤的板结程度，说明生物炭对改良土壤有一定的积极作用。

酸性土壤适宜种植茶树，最适宜的pH 值范围为4.5～6.0，土壤过酸会影响茶树的正常生长。茶园土壤因受酸雨、不合理的施肥以及茶树自身代谢等多种因素影响，酸化问题日趋严重，尤其是西南茶园种植区域，pH 值小于4.0 的茶园土壤日渐增多[15]。茶园土壤酸化造成土壤结构破坏、不利于营养元素的吸收、重金属元素的生物有效性增加和土壤微生物的活性下降等问题，最终严重影响茶树生长和茶叶品质[16]。湖北省恩施州是全国产茶优势区域，盛产的“富硒茶” 更是驰名中外，茶园面积已达6.7×104hm2，为提高茶叶品质改良该区域酸化茶园土壤已迫在眉睫。因此，选取恩施地区10 个典型茶园的土壤，研究不同生物炭添加量（质量分数分别为0，1%，3%）和不同的培养时间（3 个月和6 个月）对茶园土壤理化性质（pH 值、电导率、有机质含量）的调控效果和变化规律，拟探究生物炭培养对恩施地区典型茶园土壤理化性质改良效果的影响，为该区茶叶品质提高及土壤改良提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

（1）供试土壤：湖北省恩施州属于亚热带季风性山地湿润气候，年均气温16.2 ℃，年平均降水量1 600 mm，根据恩施地区茶叶基地的分布现状，分别采集10 个具有代表性的茶园土壤，其采样点位分布见图1。土壤样品采集深度范围为0～20 cm，多点采样（S形），混合去杂后用四分法得到1 kg 土样，再将土样风干、粉碎后过孔径为2 mm 尼龙筛备用。供试土壤的基本理化性质见表1。

表1 采样地茶园定位、土壤类型和土壤的基本理化性质

（2）生物炭：研究所用生物炭为市场采购的水稻秸秆生物炭。

1.2 测试方法

使用Thermo Scientific Nicolet 6700 型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）对样品表面官能团进行分析，测试采用KBr 压片法，分辨率为4 cm-1，记录样品波数范围在500～4 000 cm-1区域的红外光谱图；使用Bruke D8 Advance 型X 射线衍射仪（XRD）分析样品的物相组成，扫描速度为2°/min，激发源为Cu-Kα靶，电流为40 mA，电压为40 kV。使用蔡司Gemini300 型扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观形貌特征，加速电压为20 kV；使用雷磁PHS-3C型酸度计测定溶液pH 值；使用雷磁DDSJ-318 型电导率仪测量生物炭电导率；采用高温外加热重铬酸钾氧化容量法测定土壤有机质含量。通过生物炭的各种表征，探究生物炭表面物理和化学性质对茶园土壤改良的影响。

1.3 土壤样品的制备

采用室内模拟试验，将10 个不同地区的实验土壤各100 g 分别装入250 mL 的塑料杯中，分3 次加入质量分数分别为0，1%，3%的生物炭，杯口用保鲜膜和橡皮筋扎紧密封，并在保鲜薄膜表面用针扎孔通气。为模拟实际田间情况，设定土壤培养时间分别为3 个月和6 个月。试验期间，定期称量土重并补充水分，使土壤保持60%～80%田间持水量，室温范围为10～25 ℃。土壤培养至3 个月和6 个月时，分别取一定量的土壤样品，在水、土的质量比为1∶5条件下振荡1 h，静止30 min 后测量土壤的pH 值和电导率；采用重铬酸钾-硫酸砂浴加热法测定土壤有机质含量。

2 结果与讨论

2.1 生物炭的表征

测得水稻秸秆生物炭的基本性质见表2。

表2 水稻秸秆生物炭的基本性质

生物炭表面形貌特征、表面官能团、表面晶体结构见图1、图2。

图1 生物炭的扫描电镜(SEM)图像

图2 生物炭的红外光谱与X 射线衍射图谱

由图1可以看出，生物炭表面呈多孔、高比表面积结构，层状结构明显，孔隙结构有利于物质进入生物炭内层，并与内层表面吸附位点和活性基团结合，增大了生物炭的吸附量（比如离子吸附能力），改变了土壤电导率和有机质含量。

由图2可以看出，图2(a)中生物炭在3 400 cm-1的强吸收峰为-OH 的伸缩振动峰是由于生物炭表面存在的酚和醇羟基形成的；波数约1 430 cm-1处的峰为活性炭中C=C 特征峰；波数范围为1 300～1 000 cm-1中出现的峰为碳氧化的特征峰是由羧酸、醇、酚、醚和酯中C-O 和C-H 的伸缩振动引起的，生物炭表面含有丰富的含氧有机官能团，可增强土壤对酸的缓冲性能，影响土壤pH 值。图2(b)中生物炭主要特征峰在2θ 为21.06°，25.23°，26.86°，28.84°，36.58°，39.36°，44.58°，47.57°和48.55°处,经JCPDS卡片分析主要为C，SiO2·C，CaCO3·Fe2O3·FeO(OH)，CaCO3晶体结构。生物炭表面大量的碳酸盐和含氧化合物可增加土壤表面的含氧官能团，不仅增强了对阳离子的吸附能力，也增加了阳离子交换量，同时改变了土壤的电导率及有机质含量。

2.2 生物炭对土壤pH 值影响

生物炭对土壤pH 值的影响见图3。

图3 生物炭对土壤pH 值的影响

由图3可以看出，图3(a)中大部分点位添加ω（生物炭）=1%后土壤pH 值有一定程度增加；添加ω（生物炭）=3%的土壤pH 值相比添加ω（生物炭）=1%的显著提高。图3(b)中施加3 个月的生物炭便可改善茶园土壤的pH 值；延长土壤培养时间到6 个月时，不同生物炭处理的土壤pH 值出现不同程度下降。以S7（新塘）为例，添加ω（生物炭）分别为1%和3%时，土壤pH 值由初始的5.58 分别增至6.02和6.80；施加ω（生物炭）=1%，土壤培养6 个月时，土壤pH 值由6.02 降至5.78。

试验施加少量pH 值为8.05 的生物炭，即达到提高pH 值的效果。由生物炭表征结果可知，生物炭表面含有较多的盐基离子，皆以碳酸盐或者氧化物的形式而存在，碳酸盐或氧化物与氨离子发生中和反应；生物炭中含氧有机官能团在土壤中发生质子化作用[17]，从而增强了土壤对酸的缓冲性能。因此，添加生物炭显著提高茶园土壤pH 值的同时，且在一定范围内土壤交换性酸浓度则随着生物炭添加量的增加反而降低[18]。当延长土壤的培养时间，不同生物炭处理的土壤pH 值均出现不同程度的下降，说明施入土壤中的生物炭会随时间的推移而逐渐发生老化作用。研究表明，生物炭老化后其结构和性质均发生改变，经老化处理后的生物炭pH 值有所下降[19]。土壤pH 值在4.34～7.91 范围内，土壤pH 值越低，生物炭中碳酸盐更易溶解形成CO2，且表面基团中的C-O 及OH 结构增多，更易被老化[20]。因此，添加生物炭对酸性茶园土壤pH 值的改良效果需考虑生物炭的老化问题。

2.3 生物炭对土壤电导率影响

生物炭对土壤电导率的影响见图4。

图4 生物炭对土壤电导率的影响

由图4可以看出，比较生物炭添加量对土壤改良效果的影响，发现大部分点位施加ω（生物炭）=1% 后土壤的电导率会有一定程度增加；施加ω（生物炭）=3%后土壤的电导率则显著提高。比较培养时间对生物炭改良效果的影响，发现施加3 个月的生物炭便可改善茶园土壤电导率；延长土壤培养时间至6 个月，不同生物炭处理的土壤电导率则出现不同程度的下降。单看S5（白杨坪）样点，发现分别添加ω（生物炭）=1%和ω（生物炭）=3% 后，土壤电导率由初始604.5 μS/cm 分别增至702 和729 μS/cm。添加ω（生物炭）=1%的土壤培养6 个月后，该点位电导率下降至442 μS/cm。

在高度风化的热带土壤中，大量施用生物炭可使土壤阳离子交换量提高50%，即使投入少量生物炭亦可增加土壤阳离子交换量。生物炭比表面积大，而氧化作用又显著增加了其表面的含氧官能团，从而增强对阳离子的吸附能力，增加阳离子交换量[21-22]。施用生物炭可显著增加土壤阳离子交换量，说明生物炭可潜在降低养分淋洗，增加养分循环利用效率[23]。与以往研究结果类似，短期内施加生物炭可提高土壤电导率；随着培养时间的延长，生物炭由于老化等原因，可降低土壤中可溶性盐分的含量[24]，从而降低了电导率，一定程度上可缓解土壤对作物的盐害。

2.4 生物炭对土壤有机质影响

生物炭对土壤有机质含量的影响见图5。

图5 生物炭对土壤有机质含量的影响

由图5可以看出：①添加生物炭浓度对生物炭改良土壤效果的影响。大部分点位添加ω（生物炭）=1%后土壤中有机质有一定程度增加；添加ω（生物炭）=3% 的土壤中有机质含量较添加ω（生物炭）=1%的显著提高，如点位S7(新塘)、S8(茅坝)的有机质均显著提高；②培养时间对生物炭改良效果的影响。发现施加3 个月的生物炭便可改善茶园土壤有机质含量；当延长土壤培养时间至6 个月，部分点位土壤有机质含量出现不同程度的下降。添加ω（生物炭）=3%土壤中有机质含量比添加ω（生物炭）=1%的下降幅度较低，这是由于有机碳矿化速率和土壤有机碳含量呈显著负相关[25]。

生物炭在土壤微生物的作用下发生某种程度分解，可直接或间接提升土壤有机质[26]。生物炭具有的表面含氧官能团和芳环结构，能提供大量的离子交换点位，从而提高了土壤的离子交换活性，影响了植物对营养元素的吸收效果[27]。生物炭通过吸附土壤中有机小分子的表面催化活性促进小的有机分子聚合形成有机质，来提高土壤有机质含量。随着生物炭土壤培养时间的延长，生物炭老化作用明显，其表面微孔结构使得吸附点位被破坏，降低了吸附能力。相对新鲜生物炭，老化生物炭对土壤的缓冲能力影响较弱[28]。施加生物炭可显著增强土壤有机质的矿化作用[25]，因此，生物炭改良的土壤有机质含量的变化规律仍需进一步研究。

3 结论

（1）生物炭的表面结构特征（如极大的比表面积，丰富的含氧官能团等多性基团）有利于提高土壤的pH 值、电导率和有机质含量。

（2）生物炭具有较高的pH 值和有机质含量，对于大部分茶园土壤，施加少量的生物炭就可达到茶园土壤的pH 值、电导率和有机质含量的改良效果，增加生物炭的施加量，可显著改善茶园土壤上述指标。

（3）当延长土壤培养时间，不同生物炭处理的茶园土壤pH 值、电导率和有机质含量等指标均同步出现下降现象。因此，添加生物炭对酸性茶园土壤理化性质的改良效果时，需考虑生物炭的老化问题。