不同粒径烟秆炭对酸性红壤理化性质的影响

王豪吉，官会林，施梦馨，邓思迪，董明星，鲁子存，王海波，郝芸莹，徐武美

（1云南师范大学高原特色中药材种植土壤质量演变退化与修复云南省野外科学观测研究站，昆明 650500；2通海县土壤肥料工作站，云南玉溪 652700；3通海县农业技术推广站，云南玉溪 652700）

0 引言

酸性红壤是中国南方主要的土壤类型，约占全国耕地资源的22%，也是中国重要的果蔬种植区[1]，具有酸、粘、瘦的特性，且保肥供肥能力较差[2]。生物炭(Biochar)是由农林废弃物在限氧或无氧条件下经高温(＜700℃)炭化形成的富碳材料[3]，是一种新型土壤改良材料。生物炭通常呈碱性，能有效提高酸性土壤pH[4]，其疏松多孔结构可增加土壤孔隙度，降低土壤容重[5]，提升土壤保水能力[6-7]。生物炭富含P、K、Ca、Mg等无机养分，施用后可有效增加土壤中速效养分含量[8-9]。此外，生物炭表面含有丰富的官能团，能有效地吸附土壤中的无机养分，减少土壤养分流失而提高土壤保肥能力[10-11]。施用生物炭可提高土壤酶活性，促进土壤中养分转化而提升土壤肥力[12-13]。大量研究表明，施用生物炭可有效改良土壤理化性质，促进作物生长，提高作物产量[2]。

具有不同粒径特征的生物炭对土壤改良与作物增产的效果可能存在差异。PEAKE 等[14]探究了生物炭对不同类型土壤的改良效果，发现其对粘土的改良效果更佳，且与施用生物炭的粒径直接相关。VERHEIJEN等[15]研究发现，向沙质土中添加小粒径的生物炭，可显著提高土壤持水能力。此外，不同粒径生物炭具有不同的理化特性，其对土壤养分的吸附能力亦不相同[16-17]。当前，围绕生物炭改良耕地土壤的研究较多，而针对不同粒径生物炭改良酸性红壤的研究还鲜见报道。因此，本研究以烟秸秆为原材料制备烟秆炭，通过连续筛分获得不同粒径烟秆炭，并利用盆栽试验探索其对土壤理化性质与作物生长的影响，旨在为基于生物炭的酸性红壤改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究材料

本研究以云南酸性红壤为供试土壤，土质类型为粘土。土壤pH 5.88，铵态氮含量为8.08 mg/kg，硝态氮含量为14.40 mg/kg，有效磷含量为7.98 mg/kg，速效钾含量为0.17 g/kg，有机质含量为11.38 g/kg。供试生物炭为烟秆炭，以自然晒干的烟秆为原料，在500℃限氧环境下炭化2 h 而成，其pH 10.30、铵态氮含量为4.34 mg/kg、硝态氮含量为7.98 mg/kg、有效磷含量为243.60 mg/kg、速效钾含量为8.49 g/kg；烟秆炭经粉碎后，呈颗粒状。用孔径为4.0、2.0、0.85、0.42 mm的标准筛将烟秆炭逐级筛分，获得粒径范围为2.00～4.00 mm、0.85～2.00 mm、0.42～0.85 mm 与＜0.42 mm 的生物炭，其灰分含量分别为15.98%、17.59%、21.81%与27.64%。供试作物为广泛食用的青菜(Brassicarapavar.chinensis)。

1.2 试验设计

盆栽试验于2021年4月至8月在云南师范大学研究生实践基地内完成(102°50′ E，24°53′ N)。称取6 kg过2 mm 筛的供试土样于25 cm×25 cm×20 cm 的圆形带孔花盆中备用。PEAKE等[14]研究表明，2.5%的生物炭施用量能显著降低土壤容重、提高土壤田间持水量；因此，本研究中生物炭施加量为2.5%。采用单因素完全随机设计，生物炭粒径由大到小依次标记为S1、S2、S3与S4，以不施加生物炭为对照(CK)，每个处理重复5次，共计25个试验盆。施加生物炭后，每盆再施加5 g复合肥(N-P-K=25%-10%-10%)作为底肥；生物炭、底肥与土壤充分混匀后，向每个试验盆浇洒等量自来水，并保持湿润，在温室中自然放置30 d；用环刀采集新鲜土样，测定不同处理下土壤容重与持水量；土样经自然风干后，研磨、过20目筛，用于测定土壤理化性质。移栽长势均一的青菜幼苗，每盆3株；作物移栽后统一浇水，不再追肥；作物移栽30 d后，每隔15 d用标尺测定最大株高和叶宽；种植60 d时采收青菜，将叶片与根清洗净，用吸水纸吸干表面水分后，用电子天平测定鲜重。

1.3 土样分析

土壤pH 的测定参照标准NY/T 1377—2007，水土比为2.5:1，振荡30 min后，用pH计（雷磁PHS-25）进行测定；土壤电导率(EC)的测定参照标准HJ 802—2016，水土比为5:1，震荡30 min后，用电导仪(COMBI 5000)进行测定；土壤容重的测定参照标准NY/T 1121.4—2006，用100 cm3环刀进行采样测定。采用威尔科克斯法测定土壤田间持水量，根据吸水饱和后与烘干后土壤重量计算得出。土壤有效磷用0.03 mol/L氟化铵溶液浸提，土样与浸提液比为1:10，用分光光度计（UV-8000，上海元析）进行测定；土壤水解氮含量参照标准LY/T 1229—1999，用碱解扩散法进行测定[18]。土壤有机质含量的测定参照标准NY/T 1121.6—2006，用硫酸-重铬酸钾消解液消解，用硫酸亚铁溶液进滴定。土壤速效钾用1 mol/L NH4OAc 溶液浸提，用火焰光度计(AA3, Model 410 Flame Photometer.Germany)进行测定。

1.4 数据分析

用Shapiro-Wilk 检验探讨各变量的正态性，本研究中各变量均服从正态分布(P＞0.05)。用单因素方差分析(One-way ANOVA)与Duncan 多重比较检验各土壤因子与作物生长指标在不同处理下的差异显著性。用Pearson 相关分析探究不同理化因子与作物产量的关联性，并参照杨越等[19]对各土壤因子进行归一化处理，用主成分分析法(Principal Component Analysis PCA)提取不同土壤因子的主成分，根据各主成分在PCA 分析中的方差百分比(% of Variance)计算土壤质量综合指数。用回归分析探索土壤质量综合指数与作物产量的关联性。上述分析均利用SPSS 19.0(SPSS Inc.,Chicago,IL)进行。

2 结果与分析

2.1 不同粒径生物炭对酸性红壤理化特征的影响

单因素方差分析表明，施用不同粒径生物炭对土壤pH、电导率、容重、田间持水量、有机质、速效钾和水解氮含量均具有显著影响(P＜0.05)，而对土壤有效磷含量的影响不显著(P＞0.05)。与对照(CK)相比较，施用不同粒径生物炭均不同程度降低了土壤容重，增加了土壤田间持水量，其中S1处理下土壤容重最低、田间持水量最高，表明大颗粒生物炭对提高红壤孔隙结构与持水能力效果更佳（图1）。随着生物炭粒径减小，土壤pH、电导率与有机质含量均显著升高，在S4处理下土壤pH与电导率最高，在S3处理下土壤有机质含量最高(P＞0.05)。施用烟秆炭显著增加了土壤中速效钾与水解氮含量，均在S3与S4处理下较高(P＜0.05)（图1）。

图1 不同粒径烟秆炭处理下土壤理化特征的变化情况

2.2 不同粒径生物炭对作物生长及产量的影响

单因素方差分析表明，作物种植60 d时，施用不同粒径烟秆炭对青菜株高、叶宽、叶片鲜重与根冠比均具有显著影响(P＜0.05)，而青菜种植30、45 d 时，不同处理间青菜株高和叶宽均无显著差异(P＞0.05)（图2）。与CK相比较，青菜种植60 d时，S3处理下其株高和叶宽均显著增加(P＜0.05)，而其他处理较CK无显著差异(P＞0.05)（图2）；S3处理下青菜产量显著高于CK (P＜0.05)，而其他处理对作物产量无显著影响(P＞0.05)（图3A）。S2与S3处理下作物根冠比显著低于CK(P＜0.05)（图3B）。相关分析表明，土壤中有机质和水解氮含量与作物产量呈显著正相关(P＜0.05)，而其他土壤因子与作物产量的相关性均不显著(P＞0.05)（表1）。

表1 土壤理化因子与作物产量的相关性

图2 不同粒径烟秆炭处理下作物株高和叶宽的变化情况

图3 不同粒径烟秆炭处理下作物产量和根冠比的变化情况

2.3 土壤质量综合指数与作物产量的关系

将各土壤因子经归一化处理后进行KMO检验和Bartlett 球形检验，KMO 0.647，球形检验的伴随概率＜0.001，满足主成分分析(PCA)的条件。在PCA 分析中共获得3个特征值大于1的主成分；各土壤因子在前3个主成分中的载荷见表2。第一主成分的贡献率为52.14%，土壤有机质、电导率、速效钾、水解氮与pH的载荷较高；第二主成分的贡献率为22.42%，容重与田间持水量的载荷较高；第三主成分的贡献率为13.22%，有效磷的载荷较高。基于主成分分析计算土壤质量综合指数(Soil quality index，SQI)，与CK 相比，S1～S4处理均显著提高了土壤SQI(P＜0.05)，且S3处理下SQI 最高（图4A）。回归分析表明，青菜鲜重随SQI的升高而显著增加(R2=0.259，P＜0.01)，且与单一土壤因子相比较，SQI能更好地预测作物产量（图4B）。

表2 基于主成分分析的各土壤因子载荷矩阵

图4 不同处理对土壤质量综合指数的影响及其与作物产量的相关性

3 讨论与结论

红壤“酸粘廋”的特性，成为限制其生产力的关键因素[2]。施加疏松多孔且富含无机养分的生物质炭化材料，是改良红壤质量、提升红壤肥力的有效措施[20]。施加不同粒径生物炭对土壤的改良效果可能存在较大差异[21]，而其对酸性红壤理化性质的影响尚不清楚。本研究表明，施用粒径为2.00～4.00 mm的烟秆炭显著提高了土壤田间持水量，降低了土壤容重。粒径较大的生物炭孔隙度通常更高，对降低红壤容重和提高土壤持水能力的效果更佳[22-23]。本研究发现，生物炭的灰分含量随其粒径的减小而增加，且土壤pH、电导率与有机质含量随生物炭粒径的减小而升高。一方面，生物炭具有较高的pH和电导率，施用后可提高土壤中盐基离子含量，调节土壤pH[24-26]；另一方面，随着生物炭灰分含量增加，其盐基离子含量升高[27]，对土壤电导率与pH的影响更显著。由于生物炭中有机碳含量较高，施用后可直接提高土壤有机质含量[28]。此外，施用不同粒径烟秆炭均提高了土壤水解氮与速效钾含量，烟秆炭中速效钾含量较高，可直接提高土壤钾含量；而土壤中水解氮含量的提高可能与生物炭具有较强的氮吸附能力有关[11]。

因土质不同，施用生物炭对作物生长和产量的影响常存在一定的差异[29]。本研究表明，施用粒径范围为0.85～0.42 mm的生物炭显著促进了作物生长，与其改良土壤理化性质直接相关（表1，图1）[30-32]。李佳轶等[24]研究发现，施用小粒径生物炭(＜20 μm)对改善烟草植株农艺性状、促进烟草生长和提高产量的效果更显著。因此，不同粒径生物炭对土壤改良与作物增产的效果不同，在农业生产中应根据土壤理化特征与作物生长需求，施用适宜粒径范围的生物炭。此外，本研究表明，与单一土壤因子相比较，基于PCA 分析的土壤质量综合指数能更好地预测作物产量（表1，图4B）。胡蓉花等[32]亦研究表明，基于PCA 分析获得的综合指数能较好地提取土壤各项理化因子，反映土壤综合肥力特征，可在土壤肥力评估中推广应用。