棉秆基活性炭对棉花生长及新疆南疆沙化土壤物理性质影响

孔德国 ，刘龙 ，周岭 ，弋晓康 ，张红美 *

（1塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

新疆是我国主要棉花生产基地之一，随着栽种面积逐年扩大，棉花已逐渐成为当地的支柱产业与经济命脉。然而，由于棉花产量的不断提高，主要副产物棉花秸秆量也迅速增加，大量剩余秸秆给周边环境带来了巨大压力。目前棉花秸秆的处理途径有粉碎还田、用做饲料以及就地焚烧［1-2］等方式。用做饲料仅能消耗极少部分的秸秆，就地焚烧会导致环境污染，粉碎还田是目前棉花秸秆的一种主要处理方式，然而该方法会加重次年的病虫害［3-4］。

生物质原料在厌氧或缺氧条件下，经过高温热解得到的固态物质为生物炭，已有研究表明生物炭可以改良土壤结构［5］、增加作物产量［6］。近年来众多学者开展了利用棉花秸秆为原料制备棉秆炭，并研究其对水体中污染物的去除效应［7-8］、棉秆炭对新疆南疆沙化土壤性能影响［9］等，还有部分学者开展了棉秆炭对棉田土壤性能和棉花生长影响的研究。顾美英等［10］研究结果表明，棉秆炭与生物有机肥配合施用能改善连作棉花根际土壤微生态环境，促进棉花生长。ZHU Y Q等［11］研究结果表明添加生物炭和生物肥料可以促进棉花生长。冯雷等［12］研究了棉秆炭施用方式对新疆灰漠土棉花生长及土壤性质的影响，结果表明含水量对于花蕾花铃数有一定积极影响，灰漠土增施适量棉秆炭可弥补氮的不足，改善土壤理化性质。QAYYUM M F等［13］研究结果表明稻壳生物炭、麦秸生物炭和稻草生物炭对籽棉产量和品质的影响各不相同。侯艳艳等［14］研究结果表明棉秆炭的添加提高了阳离子交换性能，增加了土壤肥力，有利于新疆灰漠土土壤生产力的提高。

由于新疆南疆地区土壤碱性强，保水保肥能力差，棉秆基生物炭呈碱性，不利于改良新疆南疆沙化土壤。而棉秆基活性炭由于经过多次水洗，碱性减弱，不会加重土壤碱性。棉秆基活性炭对土壤物理性质和棉花生长影响的研究目前尚未见报道。本试验在前期研究结果的基础上［15-17］，以持水能力为参考指标，在最优化试验方案下以NaOH、H3PO4和ZnCl2为活化剂制备棉秆基活性炭，并将其施入南疆沙化土壤中，研究其对现蕾期、吐絮期棉花生长及棉花采摘后土壤性能的影响，以期能够为棉秆资源化的利用提供实验数据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料的制备

试验所需棉花秸秆采自于新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市十二团棉田，化学试剂（85%H3PO4、NaOH、ZnCl2）均为分析纯，天津市化学试剂批发有限公司生产，蒸馏水自制。

制备棉秆基活性炭最佳工艺参数如表1所示，活性炭基本性质如表2所示。

表1 制备棉秆基活性炭工艺参数

表2 活性炭基本性质

田间试验于2018年4月至11月在新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市十团棉花试验田进行，土壤质地为壤土。土壤基本理化性质：pH为8.09，电导率为3.25 ms/cm，速效磷含量为34.63 mg/kg，速效钾含量为57.79 mg/kg，碱解氮含量为49.28 mg/kg。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

田间试验采用随机区组设计，小区面积为3 m2，以复合肥（N-P2O5-K2O：17-17-17）为底肥，50 kg/667 m2一次性施入。试验共设计4个处理，即NaOH体系（C1）、H3PO4体系（C2）、ZnCl2体系（C3），不施活性炭处理组为对照组（CK）。每小区于翻地时一次性施入活性炭1.35 kg，每个处理3次重复。棉花种植采用双行模式，双行间距10 cm，株距10 cm，相邻两个双行间距66 cm。棉花品种为‘新陆中49号’，采用田间管理模式。

1.2.2 样品采集与测定

分别于现蕾期和吐絮期选取一定数量棉株测量株高。收获期分3次全部采摘吐絮铃，去除棉壳后晒干称重，计算平均单铃重，统计平均单株成铃数，计算棉花产量，收获密度按照12 000株/667 m2计算；棉花收获后整株拔起，自然晾干称量地上和地下生物量。

土壤养分：棉花收获后，用环刀采集0～30 cm土层样品，从上至下每10 cm为一层，记为上层、中层、下层。每个处理组于多个不同位置采样。土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量分别采用扩散法、钼锑抗比色法和火焰光度法测定。

土壤保水性能：采用烘干称重法测定土壤含水率和保水率，并按（1）、（2）式计算。

其中，m2为环刀与湿土质量，g；m1为环刀与干土质量，g；m0为环刀质量，g。

其中mi为第i次称量时环刀与土质量，g；m为采样当天环刀与鲜土质量，g；m0为环刀与干土质量，g。

土壤容重和孔隙度：用纱布将取样后的环刀底部包裹严实并置于盆中，加水至距环刀上边缘3 cm，浸泡24 h，去除纱布并称重，记为m1，g；环刀放在铺有一层中性滤纸的沙土上，环刀上面用6 kg的砝码压实8 h后称重，记为m2，g；将带土环刀于105℃烘干至恒重，记为m3，g；环刀质量为m0，g，体积为V，mL。土壤容重和孔隙度采用式（3）～（6）计算。

2 结果与分析

2.1 活性炭对棉花生长影响

2.1.1 活性炭对棉花株高影响

为了研究活性炭对棉花生长的影响，分别于现蕾期和吐絮期测定棉花株高，结果如图1所示。分析可知，NaOH体系（C1）、H3PO4体系（C2）、ZnCl2体系（C3），在现蕾期使棉花平均株高相对CK分别提高了-0.7%、5.7%和13.1%，在吐絮期分别提高了17.3%、24.9%和0.4%。可见C1在现蕾期对棉花生长具有抑制作用，在吐絮期具有促进作用；C2在棉花生育期均具有促进作用；C3由现蕾期的最强促进作用转变为吐絮期的最弱促进作用。

图1 活性炭对棉花株高影响

2.1.2 活性炭对棉花生物量和产量影响

为了进一步研究活性炭对棉花生长的影响，于棉花收获后测定棉花生物量和产量，结果如表3所示。分析可知，地上生物量和地下生物量由大到小均为C1＞C2＞CK＞C3，可见C1和C2较CK地上生物量和地下生物量有所提高，虽然在现蕾期和吐絮期C3株高均高于CK，但其生物量低于CK，因为植株生物量除了与株高有关，还与茎粗有关。籽棉亩产量由大到小为C1＞C2＞CK＞C3，与植株生物量大小顺序相同，C1、C2、C3较CK产量分别提高了18.5%、8.3%和-3.5%，可见C1籽棉亩产量提高最多，C3籽棉亩产量降低。

表3 活性炭对棉花生物量和产量影响

2.2 活性炭对土壤物理性质影响

为了探讨不同活化剂处理的活性炭对棉花生长影响的原因，研究了活性炭对土壤容重、含水率、保水性能、孔隙度等物理性能影响。

2.2.1 活性炭对土壤容重影响

土壤上层紧实可减少水分蒸发，中层疏松有利于棉花根系发育，促进养分吸收，下层紧实能降低水肥流失。当土壤容重为1.25～1.4 g/mL时最有利于棉花生长。活性炭对土壤容重影响结果如图2所示。分析可知，C1和C2土壤中层容重平均值小于上层和下层，有利于土壤保水保肥，C3和CK土壤容重上层最大，下层最小，水肥易流失，不利于棉花生长。C1、C2、C3和CK三层容重平均值分别为1.21 g/mL、1.17 g/mL、1.16 g/mL和1.14 g/mL，C1容重最接近1.25 g/mL。可见C1最有利于棉花生长。

图2 活性炭对土壤容重的影响

2.2.2 活性炭对土壤含水率影响

活性炭对土壤上层、中层、下层及三层平均含水率影响结果如图3所示。分析可知，活性炭增加了土壤含水率，C1、C2、C3平均含水率较CK分别增加了88.5%、77.0%和38.5%，即平均含水率由大到小为 C1＞C2＞C3＞CK，与土壤平均容重一致，这是因为活性炭的施入改变了土壤结构，同时也是由于活性炭本身具有发达的孔隙所造成的［18］。另外C2、C3和CK上、中、下层含水率依次减小，这是因为下层土壤容重小导致水分流失引起的；C1三层含水率相差不大，与其上下紧实、中间疏松的土壤结构有关。

图3 活性炭对土壤含水率的影响

2.2.3 活性炭对土壤保水性能影响

为了研究活性炭对土壤保水性能影响，试验测定了上层土壤水分蒸发曲线，结果如图4所示。分析可知，水分蒸发12 d时添加活性炭的处理组保水率均高于CK，活性炭的施入提高了土壤保水性能。

图4 活性炭对土壤保水性能影响

对曲线进行拟合得到水分蒸发方程，结果如表4所示。分析可知，C1、C2、C3水分蒸发速度相对CK分别为0.946 9、0.943 8和0.963 1，可见C2蒸发速度最慢，C1次之，C3较快，与上层土壤含水率结果一致。

表4 活性炭施入后沙化土壤保水性能

2.2.4 活性炭对土壤孔隙度影响

孔隙度的大小关系到土壤的透水性，当土壤总孔隙度为45%～50%时最有利于棉花生长。图5为活性炭对上层土壤孔隙度的影响。分析可知，各个处理总孔隙度均在45%～50%之间，毛管孔隙度和非毛管孔隙度由大到小分别为C2＞C3＞C1＞CK、CK＞C1＞C3＞C2。CK组非毛管孔隙度最大，含水率和容重最小，是因为非毛管孔隙度中含有的大孔孔隙多［18］，土壤过于疏松，水分通过大孔孔隙渗入地下，使得水肥流失，导致棉花产量相对较低；C2毛管与非毛管孔隙度二者比值最大，同时容重和含水率最高，是因为C2所用活性炭孔径小，水分被束缚于孔隙中无法释放，导致棉花产量不是最高。C3组总孔隙度最大，而容重和含水率较CK组稍高，但低于C1和C2，是因为C3组中大孔孔隙较多，但少于CK，使得水分流失；C1组中毛管孔隙度不是最大，含水率也不是最高，但其棉花产量最高，是因为该组所用活性炭孔径相对C2和C3大，被活性炭吸附的水分容易脱附被棉花吸收利用。

图5 活性炭对土壤孔隙度的影响

2.3 活性炭对土壤养分含量的影响

棉花采摘后，保水能力越高的土壤养分含量反而越低，土壤中的养分被作物利用率越高。为了深入探究活性炭对棉花生长影响，测定了棉花采摘后土壤的碱解氮、速效磷和速效钾含量，结果如图6所示。分析可知，CK碱解氮含量最高，其他3个处理组相差不大；速效磷和速效钾含量C1最低，这是因为C1所用活性炭孔径相对C2和C3大，被活性炭吸附的养分易脱附，同时C3和CK保水性能差，肥料易随水分流失。另外C2速效磷含量最高，这是因为活性炭在水洗过程中孔隙中的磷酸根没有完全释放导致的。C1提高了棉花对养分的利用率，因此C1棉花产量最高。C3保水性能较CK高，但由于被活性炭吸附的养分不易释放，导致其棉花产量低于CK。

图6 活性炭对土壤养分含量的影响

3 结论

1）NaOH体系活性炭有利于棉花的生长和产量提高，对棉花起促进作用；ZnCl2体系活性炭不利于棉花的生长和产量提高，且作用效果低于对照组。

2）NaOH体系活性炭对土壤的容重为1.21 g/mL，H3PO4体系活性炭对土壤容重为1.17 g/mL，ZnCl2体系活性炭对土壤容重为1.16 g/mL。NaOH体系活性炭处理的土壤的容重最适合棉花生长的土壤容重（1.25～1.24 g/mL）。

3）不同处理组对土壤毛管孔隙度由大到小依次为H3PO4体系、ZnCl2体系、NaOH体系、对照组，对土壤非毛管孔隙度由大到小依次为对照组、NaOH体系、ZnCl2体系、H3PO4体系。综上所述，NaOH体系活性炭处理的土壤孔隙度，最有利于棉花对水分和养分的吸收，最适宜棉花生长。