冉繼偉,齊昕,武棟,黃敏,蔡澤江,4,黃亞萍**,張文菊

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北方干旱半干旱耕地高效利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081;2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 武漢 430070;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100083;4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽(yáng)紅壤實(shí)驗(yàn)站 祁陽(yáng) 426182)

生物炭是農(nóng)業(yè)廢棄物(如作物秸稈、殼渣、木材和糞肥等)在缺氧條件下燃燒后的固體殘留物,通常呈堿性[1]。生物炭一般主要由芳香烴、單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳組成,碳含量可達(dá)到50%以上,通常具備較大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)[2]。研究結(jié)果顯示,施用適量的生物炭能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況、促進(jìn)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量提升[3]。

近年來(lái),大量研究集中在施用生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)方面的影響,但是由于施入農(nóng)田系統(tǒng)的生物炭受原料類型、施用時(shí)間、土壤類型等因素影響,導(dǎo)致研究結(jié)果存在差異[4-6]。例如,施用棉稈生物炭能夠促進(jìn)沙壤土大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性[7];施用玉米秸稈生物炭提高潮土有效磷(Olsen-P)和速效鉀(AK)含量,增幅分別為7.5%～20.6%和5.53%～14.9%[8];稻殼生物炭配施化肥顯著提升土壤Olsen-P 含量達(dá)18.0%[9]。施用生物炭1 年后,土壤硝態(tài)氮(NO3--N)的含量降低36.7%,而施用2 年后則顯著提高10.0%[10];連續(xù)5 年施用生物炭,棕壤全磷以及Olsen-P 含量顯著提高[11]。除了生物炭原料、施用時(shí)間會(huì)影響土壤養(yǎng)分有效性以外,不同土壤pH 環(huán)境可能通過(guò)影響土壤碳氮礦化相關(guān)過(guò)程改變生物炭添加對(duì)土壤養(yǎng)分含量及有效性的影響[12-13]。酸性土壤條件下,施用生物炭顯著降低土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)和NO3--N 的含量分別達(dá)71.2%和81.5%[14];但也有研究表明施用生物炭能顯著提升土壤總氮、Olsen-P 及速效鉀含量[15]。因此,基于早期的田間試驗(yàn)或者室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,生物炭應(yīng)用的適宜性可能是非單一因素影響而是受多種因素共同作用,需進(jìn)一步將其影響因素進(jìn)行分類和整理分析。

土壤交換性鹽基離子(K+、Na+、Ca2+和Mg2+)對(duì)維持土壤養(yǎng)分和緩沖性能起關(guān)鍵作用,陽(yáng)離子交換量(CEC)是評(píng)價(jià)土壤保肥能力的重要指標(biāo)。由于生物炭含有大量的堿金屬離子和豐富的陰陽(yáng)離子交換位點(diǎn),農(nóng)田施用后會(huì)顯著改變鹽基離子含量;另一方面,由農(nóng)作物秸稈和渣殼制備而成生物質(zhì)炭含有大量鹽基離子,施用后通過(guò)與土壤表面交換位點(diǎn)上的H+、Al3+發(fā)生置換反應(yīng),會(huì)進(jìn)一步富集土壤交換性鹽基離子[16-17]。李九玉等[18]研究表明,紅壤施用秸稈炭顯著增加土壤交換性鹽基陽(yáng)離子、有效陽(yáng)離子交換量和鹽基飽和度,其中油菜秸稈炭對(duì)Ca2+的增幅最大、花生秸稈炭對(duì)Mg2+增幅最高。Uzoma 等[19]的研究表明,不同用量生物炭對(duì)Ca2+的影響存在差異,其中施用20.0 t·hm-2生物炭增幅效果可顯著達(dá)到65.8%。王世斌等[16]針對(duì)鹽堿土的研究表明,連續(xù)3 年施用生物炭均能有效降低土壤水溶性Na+含量,減輕土壤鹽堿化程度,其中每年施用10.0 t·hm-2處理效果最優(yōu)。除了單施生物炭,郭春雷等[17]研究表明生物炭配施化肥能顯著提高棕壤土壤交換性Ca2+、Mg2+和K+含量、而對(duì)Na+含量無(wú)顯著影響。另外,制備生物炭的熱解溫度會(huì)影響生物炭的孔隙結(jié)構(gòu),改變生物炭比表面積,進(jìn)而決定土壤鹽基離子含量。季雅嵐等[20]研究表明,生物質(zhì)炭的酸堿度和鹽基離子含量受熱解溫度和制備原料不同呈現(xiàn)差異性,其中500 ℃下制備的生物質(zhì)炭對(duì)改良鹽基不飽和酸性土壤效果更好。盡管這些研究都聚焦了施用生物炭對(duì)離子交換性能的影響,但隨著生物質(zhì)炭設(shè)備工藝的發(fā)展和農(nóng)田管理措施的改變,還需綜合分析實(shí)際地域環(huán)境條件下施用生物炭的效果及影響因素。

綜上所述,隨著生物炭應(yīng)用研究的不斷深入,為了更加準(zhǔn)確評(píng)估施用生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分有效性及交換性能的影響,本研究通過(guò)數(shù)據(jù)整合分析(Meta-analysis)方法,針對(duì)生物炭原料類型、施用時(shí)間和土壤屬性等方面,重點(diǎn)區(qū)分單施生物炭和生物炭與化肥配施效果,明確影響其使用效果的主要因素,以期為生物炭的選擇性應(yīng)用,以及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物生長(zhǎng)和糧食增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方和Web of Science 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。檢索關(guān)鍵詞分別為“生物炭”或“生物質(zhì)炭”或“生物焦”或“半焦” “土壤”和“全氮”或“有效氮”或“有效磷”或“陽(yáng)離子交換量”或“鹽基離子”,檢索時(shí)間為2000 年至2020 年。篩選文獻(xiàn)的基本要求包括: 1)同一試驗(yàn)須包含配對(duì)的對(duì)照組和處理組,對(duì)照組為不施用生物炭處理,處理組分為單獨(dú)施用生物炭,或生物炭與化肥配施處理;2)試驗(yàn)處理重復(fù)數(shù)大于或等于3 次[21]。

數(shù)據(jù)收集內(nèi)容主要包括: 單施生物炭處理、生物炭配施化肥處理、生物炭性質(zhì)、生物炭施用時(shí)間、生物炭施用量和土壤理化性質(zhì)[ 全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、NH4+-N、NO3--N、Olsen-P、AK、CEC 和鹽基離子 ],還包括每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的質(zhì)地和土壤pH 等,其中土壤質(zhì)地分為黏土、壤土和砂土,土壤pH 分為酸性(pH＜6.5)、中性(6.5≤pH≤7.5)和堿性(pH＞7.5)。土壤pH 的測(cè)定統(tǒng)一為水浸提測(cè)定結(jié)果,如果采用CaCl2溶液法則通過(guò)公式進(jìn)行換算,即pH(H2O)=1.65+0.86×pH(CaCl2)[22]。數(shù)據(jù)收集過(guò)程中,以圖形式展示的數(shù)據(jù)利用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件獲得。最終共計(jì)143 篇有效文獻(xiàn),獲得不施生物炭和單施生物炭648 組匹配數(shù)據(jù)、不施生物炭和生物炭配施化肥430 組匹配數(shù)據(jù)。

結(jié)合搜集數(shù)據(jù)和已發(fā)表文獻(xiàn)將影響生物炭施用效果的因素進(jìn)行分類[23-25]。其中,將生物炭原材料分為3 種類型: 秸稈類(花生秸稈、玉米秸稈和小麥秸稈等),殼渣(核桃殼、花生殼和甘蔗渣等)以及木材類(樹皮、木片和樹干等);生物炭pH 分為4 個(gè)水平:＜8、8～9、9～10 和≥10;生物炭熱解溫度分為3 個(gè)水平: ≤400 ℃、400～500 ℃和＞500 ℃;生物炭碳氮比值(C/N)劃分為3 個(gè)水平: ＜50、50～100 和＞100;生物炭陽(yáng)離子交換量分為3 個(gè)水平: ＜20 cmol·kg-1、20～50 cmol·kg-1和＞50 cmol·kg-1;生物炭總施用量分為3個(gè)水平: ＜10 t·hm-2、10～40 t·hm-2和≥40 t·hm-2;施用生物炭以后試驗(yàn)時(shí)間按年份分為3 個(gè)水平: ＜1 年、1～2 年和≥2 年。

1.2 數(shù)據(jù)分析

本文所收集的數(shù)據(jù)均來(lái)自相對(duì)獨(dú)立的研究,可以通過(guò)整合分析來(lái)判斷施用生物炭和生物炭配施化肥對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生的正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)以及效應(yīng)大小[26]。主要利用Meta Win 2.1 軟件進(jìn)行整合分析,量化生物炭特性對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響程度。在檢驗(yàn)影響因子差異性時(shí),每組數(shù)據(jù)均包含平均值(mean,M)、標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviations,SD)和樣本數(shù)(samples size,n)。如果文獻(xiàn)中是標(biāo)準(zhǔn)誤(standard errors,SE)則根據(jù)下式進(jìn)行換算:

統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)采用合并計(jì)數(shù)資料響應(yīng)比(response ratio,RR)表示,并計(jì)算其95%置信區(qū)間(95% CI),其中RR 計(jì)算公式為:

式中:Ma表示處理組平均值,Mb表示對(duì)照組平均值。

分析過(guò)程中需將RR 進(jìn)行對(duì)數(shù)化,采用自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比(lnRR)反映不同生物炭特性對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響程度并通過(guò)式(3)實(shí)現(xiàn):

另外,平均值的變異系數(shù)(V)、權(quán)重(Wij)、權(quán)重響應(yīng)比(RR++)、RR++的標(biāo)準(zhǔn)誤[S(RR++)]和95% CI通過(guò)下式計(jì)算:

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方式施用生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分有效性和離子交換性能的影響

施用生物炭增加土壤養(yǎng)分有效性和鹽基離子含量(圖1)。與不施生物炭相比,單施生物炭土壤TN、TP、TK、Olsen-P 和AK 含量顯著增加14.0%～43.0%,生物炭與化肥配施增加24.4%～128.1%。施用生物炭對(duì)鹽基離子含量的增加幅度為22.5%～270.2%,其中單施生物炭顯著增加30.1%～270.2%,包括K+含量270.2%、Na+含量43.8%、Ca2+含量30.1%和Mg2+含量84.7%,但是生物炭和生物炭與化肥配施處理間并無(wú)顯著差異。同時(shí),單施生物炭顯著增加CEC 達(dá)8.2%,而生物炭與化肥配施CEC 僅增加4.6%。因此,生物炭與化肥配施土壤氮磷有效性的增加效果較好,而單施生物炭對(duì)土壤鹽基離子和CEC 的增加效果較好。施用生物炭(單施或與化肥配施)顯著增加了土壤氮磷鉀含量為14.0%～128.1%、土壤鹽基離子含量為22.5%～270.2%。

圖1 生物炭單施和與化肥配施對(duì)土壤養(yǎng)分有效性和鹽基離子含量的影響Fig.1 Effects of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability and salt-based ions contents

2.2 施用不同特性生物炭對(duì)土壤氮磷有效性和離子交換性能的影響

施用不同特性的生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分有效性的影響存在差異(圖2)。單施殼渣類生物炭,土壤TN 和NO3--N 增加31.6%和15.4%,Olsen-P 含量增加33.0%;秸稈類(木材類)生物炭配施化肥對(duì)NH4+-N 和Olsen-P 含量的增加幅度是單施生物炭的5.6 (10.6)倍和2.2 (2.8)倍。同時(shí),與不施用生物炭相比,當(dāng)生物炭pH 為8～9、9～10 和≥10 時(shí),單施生物炭對(duì)土壤Olsen-P含量的增加幅度分別為27.4%、58.5%和10.3%。

當(dāng)制備溫度≤400℃時(shí),與不施生物炭相比,單施生物炭顯著增加23.6%的土壤TN 含量和39.8%的Olsen-P 含量;制備溫度在400～500 ℃時(shí),生物炭與化肥配施對(duì)土壤NH4+-N 和Olsen-P 含量的增加顯著高于單施生物炭,分別為81.8%和106.6%;當(dāng)制備溫度＞500 ℃時(shí),單施生物炭對(duì)土壤Olsen-P 的影響無(wú)顯著差異。

當(dāng)生物炭C/N＜50 時(shí),單施生物炭有利于土壤TN 增加,同時(shí)配施化肥后對(duì)NH4+-N 的增加幅度是單施生物炭的28.8 倍;當(dāng)生物炭C/N＞100 時(shí),單施生物炭對(duì)土壤Olsen-P 含量的影響無(wú)顯著差異。另外,單施生物炭CEC 值的增加有助于促進(jìn)土壤NH4+-N和Olsen-P 含量的提升。

土壤鹽基離子和CEC 的變化受生物炭特性和施用方式影響(圖3)。相較于單施秸稈類生物炭,生物炭與化肥配施降低了土壤交換性K+和Na+含量,而木材類生物炭對(duì)土壤交換性Mg2+含量的增加效果低于殼渣類和秸稈類生物炭;另外,施用木材類生物炭和秸稈類生物炭可分別增加土壤CEC 達(dá)21.7%和14.8%。生物炭pH 的增加有助于土壤CEC 增加,與不施生物炭相比,當(dāng)生物炭pH 在＜8、8～9、9～10 和≥10 范圍時(shí)單施時(shí)可有助于土壤CEC 分別增加7.4%、10.8%、16.8%和24.0%。隨著制備溫度的升高,生物炭對(duì)土壤鹽基離子的增加效果有所降低,當(dāng)制備溫度＞500 ℃時(shí),土壤鹽基離子含量提高幅度為33.9%～384.7%。單施生物炭對(duì)土壤CEC 的增加效果隨著生物炭C/N 值的增加逐漸降低,其中生物炭原料C/N 值＞100 時(shí),土壤 CEC 增加幅度是C/N 值＜50 的46.3%。隨著生物炭CEC 值的增加,單施生物炭土壤CEC 的增加幅度有所降低,生物炭CEC 值為20～50 cmol·kg-1時(shí),增加幅度為29.6%。

圖3 生物炭單施和與化肥配施條件下生物炭特征對(duì)土壤鹽基離子 [K+(a)、Na+ (b)、Ca2+ (c)和Mg2+ (d)] 含量和陽(yáng)離子交換量(CEC) (e)的影響Fig.3 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil salt-based ions (a: K+;b: Na+;c: Ca2+;d: Mg2+) contents and soil cation exchange capacity (CEC,e) under different biochar properties

2.3 生物炭施用量及施用時(shí)間對(duì)土壤氮磷有效性和離子交換性能的影響

生物炭施用量和施用時(shí)間是影響土壤養(yǎng)分有效性的重要因素。分析結(jié)果表明,土壤TN 和Olsen-P含量隨著生物炭施用量的增加而增加(圖4)。其中當(dāng)施用量為≥40 t·hm-2時(shí),TN 增加幅 度達(dá)到最高29.8%;當(dāng)施用量為10～40 t·hm-2和≥40 t·hm-2時(shí),單施生物炭可顯著增加35.7%和37.5%的土壤Olsen-P 含量。另一方面,隨著生物炭施用時(shí)間的延長(zhǎng),土壤NO3--N 含量增加幅度逐年降低;而NH4+-N 含量表現(xiàn)為: 施用時(shí)間≤1 a 時(shí)顯著增加10.6%、施用時(shí)間≥2.0 a 時(shí)較不施用生物炭處理降低12.2%。

圖4 生物炭單施和與化肥配施條件下生物炭施用量和施用時(shí)間對(duì)土壤有效性 [ 全氮(a)、NH4+-N (b)、NO3—-N (c)和Olsen-P(d)含量 ] 的影響Fig.4 Effects of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability (a: content of total nitrogen;b: content of NH4+-N;c: content of NO3--N;d: content of Olsen-P) under different application rates and application times

從圖5 可知,當(dāng)生物炭施用量為10～40 t·hm-2時(shí),與不施生物炭相比,單施生物炭對(duì)鹽基離子含量的增加幅度高于生物炭與化肥配施,同時(shí)單施生物炭對(duì)土壤CEC 的增幅最大(19.4%)。隨著生物炭施用時(shí)間的延長(zhǎng),土壤鹽基離子含量增加幅度逐漸降低。施用1 a 內(nèi),單施生物炭增加土壤交換性Ca2+和Mg2+含量分別達(dá)35.7%和109.0%,同時(shí)增加17.3%的土壤CEC。當(dāng)生物炭施用時(shí)間≥2.0 a 時(shí),單施生物炭對(duì)土壤CEC 的增加幅度為23.0%;而當(dāng)施用年限＜1 a和≥2 a 時(shí),單施生物炭對(duì)土壤CEC 的增加幅度是生物炭配施化肥的6.6 倍和3.8 倍。

圖5 生物炭單施和與化肥配施條件下生物炭施用量和施用時(shí)間對(duì)土壤鹽基離子 [K+(a)、Na+ (b)、Ca2+(c)和Mg2+(d)] 含量和陽(yáng)離子交換量(CEC) (e)的影響Fig.5 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil salt-based ions (a: K+;b: Na+;c: Ca2+;d: Mg2+) contents and soil cation exchange capacity (CEC,e) under different amendment rates and application times

2.4 土壤屬性對(duì)土壤氮磷有效性和離子交換性能的影響

土壤質(zhì)地是土壤穩(wěn)定的自然屬性,能夠反映母質(zhì)來(lái)源及成土過(guò)程。與不施生物炭相比,砂質(zhì)土壤單施生物炭能顯著增加28.1%的土壤TN 含量,遠(yuǎn)高于壤質(zhì)土壤(11.4%)(圖6)。土壤pH＞7.5 的環(huán)境中,單施生物炭顯著增加了NO3--N 含量,增加幅度為15.1%;當(dāng)土壤pH＜6.5 時(shí),單施生物炭顯著增加了土壤Olsen-P 含量,增加幅度為45.0%。生物炭與化肥配施對(duì)土壤Olsen-P 含量的增加隨著土壤pH 值的增加而降低,當(dāng)土壤pH＜6.5 時(shí)增加幅度達(dá)75.0%。

圖6 生物炭單施和與化肥配施條件下土壤質(zhì)地和pH 對(duì)土壤有效性 [ 全氮(a)、NH4+-N (b)、NO3—-N (c)和Olsen-P (d)含量 ]的影響Fig.6 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil nutrient availability (a: content of total nitrogen;b: content of NH4+-N;c: content of NO3--N;d: content of Olsen-P) under different soil textures and soil pH

單施生物炭對(duì)砂質(zhì)土壤能提升56.5%的土壤CEC,而單施生物炭對(duì)壤質(zhì)土壤CEC 提升幅度僅為11.8% (圖7)。在黏質(zhì)和壤質(zhì)土壤上,單施生物炭對(duì)土壤CEC 的增加幅度是生物炭與化肥配施的2.8 倍和16.6 倍。在pH＜6.5 的土壤上,單施生物炭和生物炭配施化肥顯著增加了土壤鹽基離子含量,其中,土壤中交換性K+含量增加幅度最大,分別為311.4%和180.7%。

圖7 生物炭單施和與化肥配施條件下土壤質(zhì)地和pH 對(duì)土壤鹽基離子 [K+(a)、Na+ (b)、Ca2+(c)和Mg2+(d)] 含量和陽(yáng)離子交換量(CEC) (e)的影響Fig.7 Effect of biochar applied alone and biochar combined with chemical fertilizers on soil salt-based ions (a: K+;b: Na+;c: Ca2+;d: Mg2+) contetns and soil cation exchange capacity (CEC,e) under different soil textures and soil pH

3 討論

由于生物炭?jī)r(jià)格低廉、材料易獲取,并且含有較高的礦質(zhì)養(yǎng)分,探索其應(yīng)用于土壤養(yǎng)分調(diào)理劑是目前一個(gè)研究熱點(diǎn)。本研究表明,單施生物炭和生物炭配施化肥均能顯著增加土壤氮磷養(yǎng)分(除礦質(zhì)態(tài)氮)有效性,這與前人的研究結(jié)果一致[25,28]。施用生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分有效性提升的主要原因可能與其本身含有的礦質(zhì)養(yǎng)分有關(guān),而化肥配施后由于額外礦質(zhì)養(yǎng)分的投入對(duì)土壤中氮磷鉀養(yǎng)分含量的提升效果更加顯著[10]。分析顯示,單施生物炭顯著增加了土壤離子交換性能,這與先前多數(shù)研究一致[29-30]。一方面,生物炭具有較大比表面積和較強(qiáng)吸附性能,大量的養(yǎng)分離子通過(guò)物理作用被截留在生物炭空隙中,從而增加了對(duì)陽(yáng)離子的吸附;另一方面,生物炭中含有大量的鹽基離子,當(dāng)施入土壤后生物炭表面被氧化形成羰基和酚基等含氧的官能團(tuán),從而增加了土壤陽(yáng)離子交換量和鹽基離子含量吸附位點(diǎn)[2-3,29]。然而,生物炭配施化肥降低了土壤鹽基離子含量和陽(yáng)離子交換量,主要原因是化肥施入導(dǎo)致土壤酸化,土壤溶液中H+進(jìn)入膠體,導(dǎo)致交換性鹽基離子發(fā)生置換性淋溶而逐步減少,從而降低了土壤膠體表面吸附的可交換陽(yáng)離子總量[31]。

生物炭特性對(duì)土壤養(yǎng)分有效性和鹽基離子含量具有重要影響[32-33]。生物炭含氮量為0.24%～6.80%,生物炭單施或與化肥配施由于外源氮素的補(bǔ)充及其強(qiáng)吸附性能有助于提高土壤氮素含量,特別是配施化學(xué)氮肥時(shí)生物炭吸附土壤中的NH4+-N 同時(shí)削弱硝化作用[34]。同時(shí),單施原材料pH≥8 的生物炭對(duì)土壤Olsen-P 含量的增幅效果較好,主要原因是: 相較于中性和酸性生物炭,堿性生物炭對(duì)土壤中吸附磷的陽(yáng)離子活性降低效果較好,但生物炭pH 過(guò)高對(duì)土壤中磷的活性有所降低[35]。制備溫度對(duì)不同方式施用生物炭影響礦質(zhì)態(tài)氮含量的差異可能與生物炭電子接受能力有關(guān),低溫?zé)峤獾纳锾孔鳛殡娮庸w能降低反硝化作用[35]。

隨著生物炭制備溫度的提高,單施生物炭對(duì)土壤Olsen-P 無(wú)顯著影響,可能原因是生物炭對(duì)土壤可溶性磷的吸附作用增強(qiáng),進(jìn)而使得土壤中Olsen-P 含量降低[36-37]。另外,施用木材生物炭增加了土壤CEC,主要的原因可能是木材熱解炭化后芳構(gòu)化程度較高,比表面積較大,利于生物炭對(duì)土壤陽(yáng)離子的吸附[38];對(duì)于秸稈類生物炭而言,土壤陽(yáng)離子交換量與有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切,其中秸稈類生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的增加效果最好,進(jìn)而增加了土壤陽(yáng)離子交換量[39]。制備溫度過(guò)高條件下,生物炭對(duì)土壤鹽基離子含量的增加效果高于中溫條件(400～500 ℃)制備的生物炭,主要原因可能是過(guò)高溫度致使生物炭中揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā),導(dǎo)致鈉、鈣和鎂等元素富集,從而增加了土壤中鹽基離子含量[40]。

生物炭C/N 和土壤pH 是影響生物質(zhì)炭改良土壤的最主要因子[41]。結(jié)果表明,當(dāng)生物炭的C/N＞100時(shí)土壤Olsen-P 含量并無(wú)顯著變化,主要原因可能是生物炭中含有大量有機(jī)碳,施入土壤后會(huì)產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)使得微生物磷需求增加[42-43]。在本研究中,生物炭CEC 的增加對(duì)土壤CEC 的影響呈先增加后緩慢降低的趨勢(shì),主要原因可能是高CEC 的生物炭具有較低的石灰值,提高土壤pH 的效果較低,從而使土壤ECE 有所降低[44-45]。當(dāng)生物炭CEC 較低時(shí),單施生物炭降低了土壤NH4+-N 的含量;隨著生物炭ECE的增加,土壤NH4+-N 含量顯著增加。原因可能是生物炭吸收土壤中H+的能力逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致土壤pH 的增加,進(jìn)而使得土壤中NH4+-N 含量的增加[46]。生物炭施用量≥40 t·hm-2時(shí),土壤中Olsen-P 含量的增加幅度顯著高于施低量的生物炭(＜10 t·hm-2),主要原因可能是生物炭是土壤磷的直接來(lái)源,隨著施用量的增加,生物炭中部分有機(jī)結(jié)合態(tài)磷化物會(huì)被礦化釋放,導(dǎo)致輸入土壤中的有效磷量增加[47-48]。隨著生物炭施用時(shí)間的延長(zhǎng),土壤總氮含量逐漸增加,主要原因是生物炭氮含量較高,并且能夠促進(jìn)微生物將礦質(zhì)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮,增強(qiáng)土壤對(duì)氮素的吸附,減少氮素的流失,導(dǎo)致土壤中總氮含量增加[48-49]。當(dāng)施用時(shí)間超過(guò)2 a 時(shí),生物炭對(duì)土壤NH4+-N 和鹽基離子含量的增加效果逐漸降低,這主要是由于生物炭具有較高的生物化學(xué)穩(wěn)定性,施用一段時(shí)間內(nèi)難以被降解,對(duì)持續(xù)改善土壤理化性質(zhì)的作用有限[50-51]。本研究表明,施用生物炭對(duì)土壤CEC 的增加效果在施用量為10～40 t·hm-2時(shí)最明顯,該結(jié)果與Liang 等[52]的研究結(jié)果一致。原因可能是超量生物炭施入土壤后,生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的固持能力有所降低,吸附土壤陽(yáng)離子能力下降[53]。黃超等[54]研究發(fā)現(xiàn),生物炭施用時(shí)間超過(guò)2 a 時(shí),生物炭芳香結(jié)構(gòu)邊緣逐漸氧化,形成碳基、酚基等官能團(tuán),從而增加了陽(yáng)離子的吸附,導(dǎo)致旱地紅壤中CEC 顯著增加。

土壤質(zhì)地和酸堿度也是影響施用生物炭條件下土壤化學(xué)性質(zhì)變化的重要因素。分析結(jié)果顯示,砂質(zhì)和黏質(zhì)土壤中單施生物炭對(duì)土壤總氮含量和CEC的增加幅度顯著高于壤質(zhì)土壤,主要原因可能是砂質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)較為松散,生物炭易于進(jìn)入土壤,充分利用生物炭表面的官能團(tuán)和比表面積,其中生物炭吸附更多養(yǎng)分離子,避免養(yǎng)分的流失[46,55]。針對(duì)不同pH 土壤的分析結(jié)果表明,土壤pH＞7.5 時(shí)單施生物炭顯著增加了土壤NO3--N 含量,其原因可能是土壤硝化作用受到土壤pH 的影響,pH 越高硝化速率越快,促進(jìn)了土壤NO3--N 含量的增加[56]。而在pH＜6.5 土壤條件下,單施生物炭和生物炭配施化肥顯著增加了土壤鹽基離子含量,主要原因是生物炭中鹽基離子(硅酸鹽和碳酸氫鹽等)可與土壤溶液中H+結(jié)合,釋放出生物炭中鹽基陽(yáng)離子,同樣提高了土壤pH 從而增加了磷的有效性,導(dǎo)致土壤Olsen-P 含量增加[57]。

由于收集樣本數(shù)量的限制,未考慮試驗(yàn)條件如盆栽和大田的影響,部分試驗(yàn)結(jié)果有一定的條件適應(yīng)性。本研究定量化分析了單施生物炭和生物炭與化肥配施對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響,為土壤培肥和糧食增產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。未來(lái)研究仍需加強(qiáng)生物炭制備和生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分影響機(jī)理方面的探究,為進(jìn)一步促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭由于制備原料和工藝的差異而具備不同的酸堿性和吸附特性,施用生物炭能顯著提高土壤氮磷養(yǎng)分有效性和交換性鹽基離子性能。在不同生物質(zhì)炭特性和土壤條件下,生物炭單施或與化肥配施對(duì)土壤NH4+-N、NO3--N 和Olsen-P,以及鈣鎂離子及交換性能的影響存在明顯差異。其中,生物炭與化肥配施對(duì)土壤養(yǎng)分有效性的增加幅度高于單施生物炭,而單施生物炭對(duì)土壤鹽基離子的提升效果比生物炭與化肥配施效果更加顯著。影響生物炭的施用效果與生物炭屬性、施用量以及土壤屬性密切相關(guān)。在酸性和砂質(zhì)土壤條件下,單施生物炭對(duì)土壤總氮、Olsen-P、鹽基離子和陽(yáng)離子交換量的增加較為顯著;低于500 ℃制備的偏堿性(pH＞8)木材類生物炭對(duì)土壤磷有效性提升效果較好,特別是在酸性的砂土中效果更加明顯;生物炭制備溫度在400～500 ℃、原料C/N 比值低于50、原料pH＞9 的秸稈類生物炭能顯著增加酸性土壤中Ca2+和Mg2+含量。優(yōu)選生物炭施用方式和條件以達(dá)最佳效果,對(duì)土壤保肥能力提升具有重要意義。