張瑞清 楊劍超 孫曉 趙玲玲 孫燕霞 徐維華 姜中武

摘要：膠東地區(qū)果園土壤酸化比較嚴(yán)重，且pH值有逐年下降趨勢，對于已經(jīng)酸化的土壤必須采取一定措施加以改良。生物質(zhì)炭作為一種功能材料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用日益受到關(guān)注，但生物質(zhì)炭對果園土壤的改良效果研究報道還不多見，尤其利用果樹修剪枝條炭化物（果木炭）改良果園酸化土壤的研究尚未見報道。本試驗采取室內(nèi)培養(yǎng)的方法，研究了兩種生物質(zhì)原料——果樹修剪枝條（果木）和稻殼及其炭化物——果木炭和稻殼炭不同劑量添加對果園酸化土壤pH值和交換性酸（氫、鋁）含量的影響。結(jié)果表明，在60天的培養(yǎng)周期內(nèi)，添加果木和稻殼兩種生物質(zhì)原料后，土壤pH值分別提高了0.17和0.11個單位，與對照差異顯著；添加果木炭和稻殼炭的土壤pH值隨生物質(zhì)炭添加量的增大而上升明顯，至培養(yǎng)結(jié)束，果木炭1%、3%、5%劑量處理土壤pH值分別提高0.10、0.36、0.76個單位，稻殼炭相應(yīng)處理分別提高0.15、0.26、0.64個單位，各處理與對照差異顯著；極低劑量（0.5%）生物質(zhì)炭處理對土壤pH值影響不大，與對照差異不顯著。果園酸化土壤加入兩種生物質(zhì)原料及其炭化物培養(yǎng)后，均不同程度地降低了土壤交換性酸（氫、鋁）總量，且生物質(zhì)炭添加量越大降低幅度越大，至培養(yǎng)結(jié)束，果木炭0.5%、l%、3%、5%劑量處理土壤交換性酸分別降低了0.26、0.58、0.86、1.24cmol（+）·kg^-1，稻殼炭相應(yīng)處理分別降低了0.38、0.83、1.31、1.84 cmol（+）·kg^-1，除果木炭極低劑量（0.5%）處理外，其他處理與對照差異顯著。添加果木和稻殼兩種生物質(zhì)原料處理土壤交換性酸總量分別降低了0.94、0.70cmol（+）·kg^-1，與對照差異顯著。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭；果園土壤；酸化；改良；pH值；交換性酸

中圖分類號：S156

文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2016）02-0074-06

近年來的調(diào)查研究表明，膠東地區(qū)蘋果園土壤呈強(qiáng)酸性，平均pH值處于4.5～5.5水平，個別地區(qū)果園土壤呈極強(qiáng)酸性，pH值甚至低于4.5，并且有逐年下降的趨勢。果園土壤酸化加劇，導(dǎo)致果園生產(chǎn)力逐年下降、病害頻發(fā)、果實風(fēng)味和品質(zhì)下降。因此，從根本上改善土壤環(huán)境、培肥地力是保證蘋果高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

土壤酸化是指土壤中氫離子增加引起土壤pH值下降、鹽基飽和度降低的過程。在這一過程中，土壤溶液中的H⁺不斷取代土壤膠體表面吸附的鹽基離子，致使H⁺飽和度不斷增加，當(dāng)鋁硅酸鹽黏粒礦物表面吸附的H⁺超過一定限度時，它們的晶體結(jié)構(gòu)就會遭到破壞，Al³⁺脫離八面體品格的束縛變成活性Al³⁺，一部分被吸附在帶負(fù)電荷的黏粒表面，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻粨Q性Al³⁺，Al³⁺通過水解可產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的游離H⁺，使土壤進(jìn)一步酸化。土壤酸化是一個持續(xù)不斷的緩慢的自然過程，但人為的影響使得這一過程大大加速。對已經(jīng)發(fā)生酸化的土壤，必須采取一些措施來改良，目前主要有兩種改良方法，一是運用化學(xué)改良劑進(jìn)行改良，另一種是采取一定的生物措施來達(dá)到改良的效果。

生物質(zhì)炭作為一種功能材料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用日益受到關(guān)注，其對酸化土壤的改良及研究進(jìn)展悉見報道。生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在無氧或限氧條件下熱解得到的一種細(xì)粒度、多孔性碳質(zhì)材料，其獨特的理化性質(zhì)使其在酸化土壤改良方面潛力巨大。在蘋果產(chǎn)區(qū)，蘋果樹每年修剪和老齡果園重茬改造等會產(chǎn)生大量廢棄果樹枝條，若將這些廢棄有機(jī)物制備成生物質(zhì)炭以后還園再利用，一方面為果園大量堆積的廢棄枝條提供一條固碳減排、就地利用的環(huán)保出路，另一方面為改善果園土壤酸化現(xiàn)狀、提高地力開創(chuàng)新途徑。

本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗，分析添加不同種類生物質(zhì)（蘋果枝條和稻殼）及其炭化物（蘋果枝條炭和稻殼炭）對蘋果園酸化土壤pH值和交換性酸的影響，旨在為農(nóng)業(yè)新型有機(jī)廢棄物（果樹修剪枝條）資源化還園再利用、酸化土壤改良、固碳減排，以及倡導(dǎo)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新型果園管理模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和生物質(zhì)炭性質(zhì)

供試土壤取自山東省棲霞市寺口鎮(zhèn)酸化果園，采樣時間為2015年5月20日，采樣深度為0～20cm土層，砂質(zhì)壤土，土壤風(fēng)干后過2mm篩備用。生物質(zhì)原料蘋果枝條取自2014年冬季修剪蘋果樹枝條（簡稱“果木”，以下同），稻殼通過網(wǎng)絡(luò)購買，果木和稻殼經(jīng)80℃烘干后粉碎，過2mm篩備用。供試土壤和生物質(zhì)原料的化學(xué)性質(zhì)如表1。

蘋果枝條炭（簡稱“果木炭”，以下同）和稻殼炭利用作物秸稈專用炭化爐（山東龍口凱祥有限公司自主研發(fā)）在缺氧條件下350℃炭化2h制備。

1.2 試驗方法

試驗共設(shè)10個處理（表2），生物質(zhì)原料添加量為1%，生物質(zhì)炭添加量設(shè)0.5%、1%、3%和5%四個梯度。稱取600g風(fēng)干土（過2mm篩）放人塑料杯中，按處理比例加入生物質(zhì)原料或生物炭，充分混合均勻后用去離子水將土壤含水量調(diào)節(jié)至土壤田間持水量的70%，蓋好塑料蓋，在蓋頂中間留一個小孔，以便氣體交換并減少水分損失。然后將塑料杯置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每隔3天稱重1次補(bǔ)充水分，以保持土壤含水量恒定。在培養(yǎng)開始后的第2、4、7、11、17、25、40、60天取新鮮土樣80g左右，風(fēng)干過1mm篩供測定。每個處理重復(fù)3次，并設(shè)空白原土作為對照。

土壤pH值按照土：水=1∶2.5、復(fù)合電極法測定，交換性酸（氫、鋁）用1.0mol·L^-1氯化鉀溶液淋洗，堿滴定法測定。

試驗數(shù)據(jù)分析和圖表制作采用SPSS19.0和Microsoft Excel 2010軟件。各處理之間的顯著性差異采用單因素方差分析法，差異顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種生物質(zhì)原料及其炭化物對酸化土壤pH值的影響

在60天的培養(yǎng)過程中，對照（CK）和添加兩種生物質(zhì)原料處理（G和D）土壤pH值均表現(xiàn)出一致的階段性變化（圖1），培養(yǎng)前25天土壤pH值緩慢增加，由開始的4.04～4.05增加到4.30～4.47；之后pH值趨于穩(wěn)定直到60天培養(yǎng)結(jié)束。培養(yǎng)結(jié)束后，添加果木（G）和稻殼（D）的土壤pH值分別升高了0.17、0.11個單位，且與對照（CK）差異顯著，但兩種生物質(zhì)原料處理之間差異不顯著。

添加生物質(zhì)炭的各處理，除極低添加量處理（0.5GC和0.5DC）以外，整個培養(yǎng)時期均不同程度地提高了土壤pH值（圖2），但pH值的變化規(guī)律不盡相同：首先各生物質(zhì)炭處理在培養(yǎng)前期（第17～25天之前）土壤pH值呈上升趨勢，且隨生物質(zhì)炭添加量的增大而上升明顯，培養(yǎng)中后期（第17～25天之后）稻殼炭高劑量處理（3DC、5DC）土壤pH值呈迅速下降趨勢，其他處理土壤pH值則趨于穩(wěn)定直到培養(yǎng)結(jié)束；整個培養(yǎng)過程中，稻殼炭各劑量處理（1DC、3DC、SDC）相比果木炭對應(yīng)各劑量處理（1GC、3GC、5GC）土壤pH值升高更快，但稻殼炭3DC和SDC處理因培養(yǎng)中后期土壤pH值不斷下降，60天培養(yǎng)結(jié)束時，土壤pH值已顯著低于果木炭對應(yīng)劑量處理（3GC、5GC）。

根據(jù)各生物質(zhì)炭處理與對照（CK）于培養(yǎng)結(jié)束后的土壤pH值顯著性分析（圖3）可以看出，除了生物質(zhì)炭極低劑量處理（0.5DC、0.5GC）與對照差異不顯著外，其他生物質(zhì)炭劑量處理與對照土壤pH差異均顯著，且同一種生物質(zhì)炭不同劑量之間，以及不同種類生物質(zhì)炭各高劑量處理之間差異顯著。培養(yǎng)結(jié)束后，相比對照，果木炭1GC、3GC、5GC處理土壤pH值分別提高了0.10、0.36、0.76個單位，稻殼炭IDC、3DC、5DC處理土壤pH值分別提高了0.15、0.26、0.64個單位。

2.2 兩種生物質(zhì)原料及其炭化物對酸化土壤交換性酸的影響

果園酸化土壤加入兩種生物質(zhì)及其炭化物培養(yǎng)后，除生物質(zhì)炭極低劑量（0.5DC、0.5GC）處理外，其他處理均不同程度地降低了土壤交換性氫和交換性鋁含量（圖4、圖5），且生物質(zhì)炭添加量越大降低幅度越大。從變化動態(tài)看，整個培養(yǎng)過程中，對照（CK）土壤交換性氫培養(yǎng)前期（25天以前）波動不大，中后期（25天之后）呈迅速上升趨勢，而交換性鋁在培養(yǎng)最開始幾天（第2～7天）迅速下降，之后趨于平穩(wěn)直到培養(yǎng)結(jié)束。相比對照（CK），除生物質(zhì)炭極低劑量（0.5DC、0.5GC）處理外，其他處理土壤交換性氫含量比較穩(wěn)定、波動較小，交換性鋁則在培養(yǎng)前期（25天以前）迅速下降，后期（25天之后）趨于平穩(wěn)。

從兩種生物質(zhì)炭比較來看，稻殼炭對土壤交換性氫和交換性鋁的降低幅度更大，尤其高劑量處理（5DC）在培養(yǎng)40天時，土壤交換性鋁含量接近零值。至培養(yǎng)結(jié)束，與對照相比，稻殼炭1DC、3DC、5DC處理土壤交換性氫分別下降了0.61、0.69、0.76cmol（+）·kg^-1，土壤交換性鋁分別下降了0.15、0.63、1.09cmo（+）·kg^-1；果木炭1GC、3GC、5GC處理土壤交換性氫分別下降了0.33、0.55、0.56cmol（+）·kg^-1，土壤交換性鋁分別下降了0.26、0.33、0.69cmol（+）·kg^-1。

兩種生物質(zhì)原料相比，果木對土壤交換性鋁的降低幅度較大，而稻殼對土壤交換性氫的降低幅度較大。至培養(yǎng)結(jié)束，與對照相比，果木處理土壤交換性氫和交換性鋁分別下降了0.21、0.74cmol（+）·kg^-1，稻殼處理土壤交換性氫和交換性鋁分別下降了0.40、0.31cmol（+）·kg^-1。

對所有處理培養(yǎng)結(jié)束后的土壤交換性酸（氫、鋁）總量進(jìn)行顯著性分析（圖6）可以看出，除了果木炭極低劑量處理（0.5GC）與對照差異不顯著外，其他處理與對照差異均達(dá)到顯著水平。培養(yǎng)結(jié)束后，相比對照土壤交換性酸總量，果木炭0.5GC、1GC、3GC、5GC處理分別降低了0.26、0.58、0.86、1.24cmo（+）·kg^-1，稻殼炭0.5DC、1DC、3DC、SDC處理分別降低了0.38、0.83、1.31、1.84cmol（+）·kg^-1，果木處理和稻殼處理分別降低了0.94、0.70cmol（+）·kg^-1。

3 討論

土壤酸堿度是土壤重要的基本性質(zhì)，是衡量植物營養(yǎng)元素相對有效性的指標(biāo)之一。我國1980～2000年間高達(dá)90%的農(nóng)田土壤發(fā)生了不同程度的酸化，pH值平均下降約0.5個單位，尤其是北方經(jīng)濟(jì)作物土壤的pH平均下降了0.58個單位。

果園土壤酸化的主要原因是長期過量施用氮肥導(dǎo)致積累在土壤中的NH4+在硝化過程中產(chǎn)生大量H⁺，引起土壤酸化。本試驗用酸化土壤NH4+含量（0.11g·kg^-1）很低，進(jìn)一步酸化的可能性不大，但該土壤pH值很低（4.03），且已經(jīng)4年未施用化學(xué)肥料，這也說明已經(jīng)酸化的土壤，其自然恢復(fù)的過程相當(dāng)緩慢，必須采取一定的措施加以改良。施用石灰是改良土壤酸度的傳統(tǒng)方法，但石灰的作用效果不長久且易產(chǎn)生諸多負(fù)面效應(yīng)。農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物也可改良土壤酸度，但是這種改良作用取決于作物秸稈的種類及土壤性質(zhì)。

在本試驗的整個培養(yǎng)過程中，原土（對照CK）pH值也呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，由第2天的4.05上升到第60天的4.30。這可能是因為在培養(yǎng)過程中土壤有機(jī)氮發(fā)生了礦化作用。研究認(rèn)為，礦化會提高土壤pH值，而礦化產(chǎn)生的銨態(tài)氮的硝化作用會降低土壤的pH值，但低的pH值條件會抑制土壤微生物活性，當(dāng)土壤pH值<4.5時硝化作用幾乎不能進(jìn)行。因此推斷，本試驗用酸化土壤在適宜的培養(yǎng)條件下可能發(fā)生一定的礦化反應(yīng)而提高了土壤pH值。添加1%的生物質(zhì)原料（蘋果木和稻殼）可在很短的時間內(nèi)（25天）將土壤pH值提高到4.40左右，之后土壤pH值趨于穩(wěn)定，至培養(yǎng)結(jié)束時土壤pH值接近4.5。分析原因可能是，加入土壤中的外源有機(jī)氮在較短的培養(yǎng)時間內(nèi)發(fā)生了礦化作用，而之后礦化作用和硝化作用同時進(jìn)行，抵消了對土壤pH值的進(jìn)一步影響。

直接用農(nóng)業(yè)廢棄物改良土壤酸度的一個不足之處是，添加到土壤中的植物物料易被微生物分解，如能將農(nóng)作物秸稈經(jīng)過改性和處理制成性質(zhì)相對穩(wěn)定的改良劑，則意義重大。生物質(zhì)炭具有較高的穩(wěn)定性，在土壤中不易被微生物分解，且生物質(zhì)炭具有較高的pH值，添加到酸性土壤中可以提高土壤pH值，降低土壤酸度。本試驗中，于酸化土壤中添加1%以上的生物質(zhì)炭均不同程度地提高了土壤pH值，降低了土壤交換性酸（氫、鋁）含量，且這種效應(yīng)隨著生物質(zhì)炭添加量的增大而明顯，這與國內(nèi)以往的研究結(jié)果相一致。生物質(zhì)炭能夠提高土壤pH值還有一個原因是它含有堿性物質(zhì)，當(dāng)生物質(zhì)炭加人土壤后這些堿性物質(zhì)能夠很快釋放出來，中和部分土壤酸度，使土壤pH值升高。生物質(zhì)炭中堿性物質(zhì)的存在形態(tài)及其與土壤酸度的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

交換性酸是對植物最有害的一種土壤酸度形態(tài)，它的存在表明土壤中交換性鹽基十分貧乏，而代替它們位置的是交換性氫和交換性鋁離子。本研究表明，添加生物質(zhì)原料及其生物質(zhì)炭后，土壤交換性氫和交換性鋁含量均較對照不同程度降低，且這種效應(yīng)隨著生物質(zhì)炭添加量的增大而明顯，這與他人研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，試驗用果園酸化土壤交換性酸在培養(yǎng)結(jié)束時盡管均較對照降低，但其在土壤交換性酸總量中的比例高達(dá)15.5%～58.5%，而原土中交換性氫占的比例也高達(dá)51.2%，這與他人研究結(jié)果：南方茶園酸化土壤主要以交換性鋁形態(tài)存在，交換性氫所占比例很小，不盡相同。筆者認(rèn)為，其原因主要是本試驗用土壤交換性鋁含量（1.00cmol（+）·kg^-1）相比南方酸性土壤含量（2.5～5.5cmol（+）·kg^-1）低很多。盡管如此，本研究通過分析交換性鋁含量較低的果園酸化土壤中交換性酸（氫、鋁）的動態(tài)變化，仍然可以判斷添加生物質(zhì)原料和生物質(zhì)炭對土壤酸化的改良效果。

4 結(jié)論

4.1 對土壤pH值的影響

在60天的培養(yǎng)周期內(nèi)，果園酸化土壤添加果木和稻殼兩種生物質(zhì)原料后，土壤pH值分別提高了0.17、0.11個單位，與對照差異顯著；添加果木炭和稻殼炭的土壤pH值隨生物質(zhì)炭添加量的增大而上升明顯，至培養(yǎng)結(jié)束，果木炭1%、3%、5%劑量處理土壤pH值分別提高0.10、0.36、0.76個單位，稻殼炭相應(yīng)處理分別提高了0.15、0.26、0.64個單位，各處理與對照差異顯著；極低劑量（0.5）生物質(zhì)炭處理對土壤pH影響不大，與對照差異不顯著。

4.2 對土壤交換性酸（氫、鋁）的影響

果園酸化土壤加入兩種生物質(zhì)原料及其炭化物培養(yǎng)后，均不同程度地降低了土壤交換性酸（氫、鋁）總量，且生物質(zhì)炭添加量越大降低幅度越大。至培養(yǎng)結(jié)束，果木炭0.5%、1%、3%、5%劑量處理土壤交換性酸分別降低了0.26、0.58、0.86、1.24cmol（+）·kg^-1，稻殼炭相應(yīng)處理分別降低了0.38、0.83、1.31、1.84cmol（+）·kg^-1，除果木極低劑量（0.5%）處理外，其他處理與對照差異顯著。添加果木和稻殼兩種生物質(zhì)原料處理土壤交換性酸總量分別降低了0.94、0.70cmol（+）·kg^-1，與對照差異顯著。