PDF《农业废弃物制备的生物质炭对红壤酸度和油菜产量的影响①》

土壤(Soils), 2015, 47(2): 334C339 ①基金项目:国家重点基础发展规划项目(2014CB441003,2014CB441001)和国家自然科学基金面上项目(41271010)资助.

* 通讯作者(rkxu@issas.ac.cn) 作者简介:李九玉(1979―),女,湖南郴州人,博士,副研究员,主要从事土壤酸化及其调控、胶体界面化学研究.E-mail: jyli@issas.ac.cn DOI: 10.13758/j.cnki.tr.2015.02.022 农业废弃物制备的生物质炭对红壤酸度和油菜产量的影响 ① 李九玉1 ,赵安珍1 ,袁金华2 ,徐仁扣1* (1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所),南京 210008;

2 甘肃省农业科学院,兰州 730070) 摘要:利用自行研制的生物质炭化炉在田间条件下制备花生秸秆炭和油菜秸秆炭,采集秸秆气化站产生的稻 壳炭,研究了这

3 种生物质炭对酸性土壤的改良效果和对油菜产量的影响.结果表明:施用稻壳炭、花生秸秆炭和油 菜秸秆炭均可提高土壤 pH,降低土壤交换性酸含量,效果随施用量的增加而增强.生物质炭对酸性土壤的改良效果 主要决定于其本身的含碱量,施用花生秸秆炭和油菜秸秆炭显著增加土壤交换性盐基阳离子、有效磷、有效阳离子交 换量和盐基饱和度,并提高油菜籽产量.田间条件下施用花生秸秆炭和油菜秸秆炭

3 年后土壤 pH 仍明显高于对照处 理,说明生物质炭对土壤酸度的改良具有持续性.因此,花生秸秆炭和油菜秸秆炭是优良的酸性土壤改良剂. 关键词:生物质炭;

改良;

酸性土壤;

油菜产量 中图分类号:S156

6 我国南方分布着大面积的酸性红壤, 土壤酸化和 铝毒是限制该地区农业高产和生态环境安全的主要 障碍因子,因此,研发廉价、易得、高效的酸性土壤 改良剂是目前的研究热点. 近年来的研究发现有机物 质经热解产生的生物质炭均含有一定量的碱性物质, 可作为酸性土壤的改良剂[1C4] .生物质炭中的碱性物 质主要以碳酸盐和有机阴离子的形态存在, 而且由豆 科作物秸秆制备的生物质炭的含碱量要高于非豆科 作物的生物质炭[5] .生物质炭的含碱量随着热解温度 的升高而增加. 生物质碳表面的有机阴离子, 如羧基、 酚羟基、内酯基等,也是生物质炭表面负电荷的主 要来源,是生物质炭具有很高阳离子交换量的主要 原因[5] .因此,用生物质炭改良我国南方酸性红壤, 不仅可以中和土壤酸度, 而且还可以提高土壤的阳离 子交换量,从而提高该类土壤的保肥能力[3C4,6] . 目前绝大部分研究采用马弗炉在室内控制氧气 条件下制备生物质炭,该方法虽然可以很好地控制实 验条件,但每次得到的生物质炭量有限[3C5, 7] ,无法满足 田间条件的实际需求.为此本课题组研制了能满足田间 小区实验的生物质炭制备装置(ZL 201002068383459.3), 并以油菜秸秆和花生秸秆为原料制备得到了

2 种生物 质炭;

另外,还采集了南京市江宁区某秸秆气化站产生 的稻壳炭,研究了上述方法制得的生物质炭对红壤酸度 的改良作用及其田间条件下的应用效果.

1 材料与方法 1.1 土壤与生物质炭 选择安徽省郎溪县的旱地(119?8?E, 31?6?N)红 壤用于本研究的室内培养实验和田间小区试验.采集0~20 cm 的耕层土壤样品用于室内培养实验,样 品风干并过

2 mm 筛.该土壤发育于第四纪红黏土母 质,其主要矿物组成为高岭石、水云母、绿泥石、蛭石,以及少量的三水铝石、赤铁矿和针铁矿.土壤的 主要理化性质见表 1. 表1红壤的基本性质 Table

1 Basic properties of red soil 有机质 (g/kg) 游离氧化 铁(g/kg) 游离氧化铝 (g/kg) 交换性阳离子 (mmolc/kg) 土壤 pH K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Al3+ CEC (cmolc/kg) 红壤 4.02 18.24 34.40 6.04 4.4 1.9 23.3 4.9 53.8 12.05 第2期李九玉等:农业废弃物制备的生物质炭对红壤酸度和油菜产量的影响

335 制备生物质炭所需的油菜秸秆和花生秸秆均为 当地农民收获油菜和花生后收集的秸秆,将秸秆晒干、 粉碎、 装入自制的生物质炭化炉(ZL 201002068383459.3) 制备而得. 稻壳炭采自南京市江宁区某秸秆气化站.

3 种炭的主要性质如表

2 所示,测定方法参照 Yuan 等[5] 以及袁金华和徐仁扣[8] . 表23种生物质炭的主要性质 Table

2 Major properties of biochars 主要性质 稻壳炭 油菜秸秆炭 花生秸秆炭 pH 9.35 10.15 10.43 含碱量(cmol/kg) 36.79 167.59 186.90 CEC(cmolc/kg) 81.43 115.67 103.12 Ca2+ 16.09 58.14 24.33 Mg2+ 2.59 11.21 5.61 交换态阳离子(cmolc/kg) K+ 8.42 16.45 15.28 Ca2+ 22.51 183.87 107.79 Mg2+ 2.80 47.53 66.97 K+ 15.39 158.58 111.92 Na+ 2.37 35.11 4.63 盐基阳离子(cmolc/kg) 总盐基 43.07 425.10 291.41 总P(cmol/kg) 6.02 9.50 8.70 总C(g/kg) 335.1 537.5 397.1 总N(g/kg) 8.0 17.9 20.9 碳酸盐(cmol/kg) 33.0 69.6 91.5 1.2 研究方法 1.2.1 室内培养实验 培养实验共设置

7 个处理, 土壤中生物质炭的加入量分别为

10 g/kg 和20 g/kg, 设一不加生物质炭的处理作为对照,具体为:对照、 稻壳炭

10 g/kg、 稻壳炭

20 g/kg、 花生秸秆炭

10 g/kg、 花生秸秆

20 g/kg、油菜秸秆炭

10 g/kg、油菜秸秆炭

20 g/kg. 称取

200 g 风干红壤(过2mm 筛)放入塑料杯 中,按不同处理分别加入生物质炭并充分混匀.用去 离子水将土壤含水量调节至土壤田间持水量的70%,塑料杯用塑料保鲜膜封口,并在保鲜膜中间留 一小孔,以便气体交换并减少水分损失.然后将烧杯 置于25℃的恒温培养箱中培养, 每隔

3 天称重

1 次 并补充水分,以保持土壤含水量恒定.每个处理重复

3 次.培养时间为 60天,期间在第

2、

7、

14、

24、

36、48 和60 天分别采集新鲜样品测定 pH.培养结 束后将样品风干、磨细过

60 目(0.25 mm)筛.按1U 2.5 的土水比测定土壤 pH. 土壤交换性酸用 1.0 mol/L 氯化钾溶液淋溶提取,碱滴定法测定;

土壤交换性盐 基离子用 1.0 mol/L 醋酸铵溶液提取, 原子吸收分光 度法测定 Ca2+ 和Mg2+ ,用火焰光度法测定 K+ 和Na+ ;

土壤有效磷用盐酸-氟化铵法提取,钼锑抗比色 法测定[9] . 土壤有效盐离子交换量(ECEC)由交换性酸 和交换性盐基的总和求得. 1.2.2 田间试验

2010 年9月在安徽郎溪选择 一旱地土壤进行田间小区试验, 根据当时各种生物质 炭的总量, 设置了以下

5 个处理: 对照、

3 375 kg/hm2 的稻壳炭、

3 375 kg/hm2 的花生秸秆炭、

7 500 kg/hm2 的花生秸秆炭、7

500 kg/hm2 的油菜秸秆炭.小区面 积为

2 m *10 m,每处理重复

3 次,并于

10 月份 种植油菜.2011 年5月收获并测定油菜产量,另外 在

2011、2012 和2013 年的每年

9 月采集土壤样 品.具体做法为:用直径为

5 cm 的土钻在每个小区 采集

10 个土壤混合得到一个小区的混合样, 土样风 干、磨细后测定土壤 pH. 1.3 统计分析 生物质炭的改良效果用 SPSS15.0 进行显著性 统计分析.

2 结果与讨论 2.1 生物质炭对土壤 pH 和交换性酸的影响 图1的结果表明: 添加生物质炭的第

2 天即可 不同程度地增加红壤的 pH,而且在整个培养期间, 土壤 pH 的变化幅度不大,表明添加生物质炭可以 快速中和土壤酸度.表3的结果表明:培养实验结 束时花生秸秆炭、 油菜秸秆炭和加入量为

20 g/kg 的 稻壳炭均显著增加了土壤的 pH(P油菜秸秆炭>

稻壳炭,这与生物 质炭本身的含碱量的大小顺序一致(表2).生物质炭加 入土壤的碱量与土壤 pH 有很好的线性相关性(图2), 相关系数(R2 )达0.960 6.这些结果均表明生物质炭 主要通过本身的碱性物质中和土壤酸度, 从而提高土 壤pH,这与 Yuan 等[4C5,8] 的报道一致.生物质炭中 的碱性物质主要是碳酸盐和表面的有机阴离子. 碳酸 盐在酸性土壤中会发生溶解或水解反应,释放出 OHC 而中和土壤酸度;

生物质炭表面的有机阴离子 通常为弱酸根,在酸性土壤的 pH 条件下,可以通 过与 H+ 缔合而降低土壤溶液中的 H+ 数量. 因此添 加生物质炭能快速中和土壤的酸度.另外,生物质炭 中的阳离子如 Ca2+ 、Mg2+ 、K+ 、Na+ 等可以与土壤 表面的 H+ 、Al3+ 发生交换,这种盐效应作用可降低 土壤的 pH[10C11] ,因此添加生物质炭处理随着培养时 间的延长,pH 有一定的下降趋势,特别在油菜秸 (图例中的

10 和20 分别代表生物质炭加入量为

10 g/kg 和20 g/kg, 下同) 图1室内培养过程中不同生物质炭对红壤 pH 的影响 Fig.

1 Effects of different biochars on pH dynamics of red soil during incubation 图2生物质炭的碱加入量与改良后土壤 pH 的关系 Fig.

2 Correlation between alkalinities added in biochars and soil pH after amelioration 秆炭和花生秸杆炭处理中, 如加入量为

20 g/kg 油菜 秸秆炭和花生秸杆炭处理中,第60 天测定的土壤 pH 比第

2 天测定的土壤 pH 均下降了 0.16 单位. 土壤溶液 pH 在培养过程中的变化决定于上述两种 对立机制的相对贡献大小.因此,在培养过程中,土壤pH 出现了小幅的波动(图1).生物质炭提高土壤 pH 的效果随加入量的增加而增强(图1和表 2). 与生物质炭对土壤 pH 的影响基本一致,添加生 物质炭均显著降低了红壤的交换性酸(包括交换性氢 和交换性铝,其中绝大部分为交换性铝)的含量 (P稻壳炭.生物质炭对交换性酸的降低幅 度随着加入量的增加而增强. 表3培养实验结束时生物质炭对土壤 pH、交换性盐基离子、交换性酸、有效阳离子交换量(ECEC)和盐基饱和度的影响 Table

3 Effects of different biochars on pH, exchangeable base cations, exchangeable acidity, effective cation exchange capacity, and base saturation in red soil at the end of incubation 交换性盐基离子(mmolc/kg) 交换性酸 (mmolc/kg) ECEC (mmolc/kg) 处理 pH Ca2+ Mg2+ K+ Na+ 总盐基 盐基饱和度 (%) 对照 4.02 f 23.26 d 4.09 f 4.41 g 1.93 c 33.69 f 54.27 a 87.96 d

38 f 稻壳炭

10 g/kg 4.07 f 24.96 d 4.16 f 5.31 f 1.71 c 36.14 f 51.49 b 87.64 d

41 e 稻壳炭

20 g/kg 4.16 e 25.38 d 4.86 e 6.95 e 2.90 c 40.09 e 46.10 c 86.18 d

46 d 花生秸秆炭

10 g/kg 4.55 c 33.10 c 10.53 c 15.99 d 2.04 c 61.66 d 28.52 d 90.18 c

68 c 花生秸秆炭

20 g/kg 5.14 a 52.19 a 16.76 a 25.85 b 2.04 c 96.83 b 5.40 g 102.24 b

95 a 油菜秸秆炭

10 g/kg 4.41 d 44.37 b 9.63 d 19.33 c 4.52 b 77.84 c 26.67 e 104.52 b

74 b 油菜秸秆炭

20 g/kg 4.78 b 54.36 a 12.78 b 32.13 a 6.14 a 105.42 a 8.02 f 113.44 a

93 a 注:同列不同小写字母表示处理间的差异在 P <

0.05 水平显著. 第2期李九玉等:农业废弃物制备的生物质炭对红壤酸度和油菜产量的影响

337 2.2 生物质炭对土壤交换性盐基的影响 由于农作物秸秆和稻壳中均含有大量的盐基离 子,由这些材料制备成生物质炭后,盐基离子的浓度 均会进一步富集.因此,与有机物质相比,生物质炭 中的盐基离子的浓度会更高,而且这些离子呈可溶 态、交换态、以及矿物结合态存在.添加生物质炭到 红壤中后,这些盐基离子可与土壤表面交换位上的 H+ 、Al3+ 发生交换反应,........