生物炭对崇明滨海盐碱土各形态碳、氮含量的影响

张 瑞 姜 武

（上海源怡种苗股份有限公司，上海普陀 200120）

研究发现，生物炭可有效改善土壤质地、提高土壤养分有效性、调节土壤微生物群落结构，可作为盐碱土壤的改良剂。上海市崇明区的滨海土壤质地为典型的盐碱土，为探明生物炭对崇明滨海盐碱土各形态碳、氮含量的影响，我们开展了相关试验研究，以期为滨海地区盐碱土改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料有生物竹炭、竹醋液（时科生物科技（上海）有限公司提供），复合生物炭（澳大利亚新南威尔士大学材料科学与工程学院提供），鸡粪（崇明城郊一养鸡场提供）。供试土壤取自上海市崇明区中兴镇北七滧低碳农业园区（31°29′N，121°46′E），属围垦滩涂的滨海中度氯化盐碱土壤。供试小白菜品种为华王。生物竹炭是竹子在350～550 ℃条件下裂解炭化制得，竹醋液是裂解过程中通过蒸馏所得的副产物。

1.2 试验方法

1.2.1 堆肥方案

将鸡粪摊放在室外晾5 d，干燥程度以不结块为宜。将竹醋原液稀释100倍后分别与生物竹炭和复合生物炭按体积比1：10 混合，以活化生物炭。分别将活化后的生物竹炭和复合生物炭与鸡粪按体积比1∶10 混合，翻搅均匀。将混合物和鸡粪放在塑料框中置于玻璃温室内堆制发酵30 d，以不添加生物炭和竹醋液的鸡粪堆肥作有机肥。试验所用生物炭和堆制的生物炭基肥均粉碎后过筛（2 mm）备用。各供试肥料的理化性状见表1。

表1 供试肥料的理化性状

1.2.2 试验设计

试验设在上海交通大学农业与生物学院人工气候室，人工气候室的参数设置为日温22 ℃、夜温18 ℃、14 h光照。小白菜采用盆栽，试验盆上口径10 cm、底部直径9 cm、高10 cm。试验设10个处理。（1）鸡粪有机肥：用量为9.5 g∕盆，折单位面积用量28.5 t∕hm2；（2）生物竹炭：用量为0.5 g∕盆，折单位面积用量1.5 t∕hm2；（3）“生物竹炭+鸡粪有机肥”：生物竹炭用量0.5 g∕盆，鸡粪有机肥用量9.5 g∕盆，折单位面积生物竹炭用量1.5 t∕hm2、鸡粪有机肥用量28.5 t∕hm2；（4）1∕2生物竹炭堆肥：用量为5 g∕盆，折单位面积用量15 t∕hm2；（5）生物竹炭堆肥：用量为10 g∕盆，折单位面积用量30 t∕hm2；（6）复合生物炭：用量为0.5 g∕盆，折单位面积用量1.5 t∕hm2；（7）“复合生物炭+鸡粪有机肥”：复合生物炭用量0.5 g∕盆，鸡粪有机肥用量9.5 g∕盆，折单位面积复合生物炭用量1.5 t∕hm2、鸡粪有机肥用量28.5 t∕hm2；（8）1∕2 复合生物炭堆肥：用量为5 g∕盆，折单位面积用量15 t∕hm2；（9）复合生物炭堆肥：用量为10 g∕盆，折单位面积用量30 t∕hm2；（10）空白对照（ck）。每个处理3盆、重复5 次，共150 盆。将鸡粪有机肥和生物炭按试验设计用量一次性施入土壤，搅拌均匀后装盆，每盆盐碱土用量0.5 kg、生物炭和鸡粪有机肥按试验设计用量。将小白菜种子放入托盘使其吸水至最大持水量的60%，每盆播种20粒。小白菜生长期间不追施其他任何肥料，只浇水和除虫。

1.3 调查统计方法

小白菜播后40 d，将每个处理的3盆土壤混合均匀后取样进行土壤理化性质分析。风干土过100目标准筛后，采用碳氮硫元素分析仪（德国，Elementar Vario EL Ⅲ）测定土壤全碳和全氮含量，采用重铬酸钾和浓硫酸氧化法测定有机碳含量，土壤中的总碳含量减去有机碳含量即为无机碳含量。除去可见杂物，测定鲜土中的氮素形态，总可溶性氮采用碱性过硫酸钾氧化法测定，硝态氮、铵态氮采用全自动间断化学分析仪（法国，Smartchem 200）测定，土壤中的总可溶性氮减去无机态氮即得可溶性有机氮含量。采用SPSS 18.0 进行差异显著性分析（LSD法）和t检验。

2 结果与分析

2.1 生物竹炭和复合生物炭对土壤总碳、有机碳和无机碳含量的影响

土壤全碳主要包括有机碳和无机碳两大部分。

生物竹炭对盐碱土总碳、有机碳和无机碳含量的影响见表2。

表2 各处理土壤总碳、有机碳和无机碳的含量

由表2 可知，各处理的土壤碳含量均高于空白对照（ck）。其中“生物竹炭+鸡粪有机肥”、生物竹炭堆肥处理的土壤碳含量较高，其总碳含量、有机碳含量、无机碳含量均显著高于空白对照（ck）。

复合生物炭对盐碱土总碳、有机碳和无机碳含量的影响见表3。

表3 各处理土壤总碳、有机碳和无机碳的含量

由表3可知，除复合生物炭处理的土壤无机碳含量低于空白对照（ck）外，其余各处理的土壤碳含量均高于空白对照（ck）。其中复合生物炭堆肥和“复合生物炭+鸡粪有机肥”处理的土壤总碳含量、有机碳含量、无机碳含量均较高。

2.2 生物竹炭和复合生物炭对土壤总氮、总可溶性氮、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮含量的影响

氮是植物生长最需要的元素之一，在土壤中以有机氮和无机氮形态存在。土壤中的硝态氮极易淋失，铵态氮是植物可以直接吸收利用的主要氮素形态。

生物竹炭对土壤总氮、总可溶性氮、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮含量的影响见表4。

表4 各处理土壤总氮、总可溶性氮、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮的含量

由表4 可知，除生物竹炭处理的土壤总氮含量、硝态氮含量、铵态氮含量，1∕2 生物竹炭堆肥处理的土壤硝态氮含量低于空白对照（ck）外，其余各处理的土壤氮含量均高于空白对照（ck）。“生物竹炭+鸡粪有机肥”、生物竹炭堆肥、鸡粪有机肥3 个处理中，除生物竹炭堆肥处理的土壤可溶性有机氮含量高于空白对照（ck）外，其余处理的土壤总氮含量、总可溶性氮含量、可溶性有机氮含量、硝态氮含量、铵态氮含量均显著高于空白对照（ck）。

复合生物炭对土壤总氮、总可溶性氮、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮含量的影响见表5。

表5 各处理土壤总氮、总可溶性氮、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮的含量

由表5 可知，除1∕2 复合生物炭堆肥处理的土壤可溶性有机氮含量低于空白对照（ck）外，其余各处理的土壤氮含量均高于空白对照（ck）。其中“复合生物炭+鸡粪有机肥”处理的土壤氮含量均显著高于空白对照（ck），鸡粪有机肥处理的土壤总氮含量、可溶性有机氮含量、铵态氮含量显著高于空白对照（ck），复合生物炭堆肥处理的土壤总可溶性氮含量、可溶性有机氮含量显著高于空白对照（ck），1∕2 复合生物炭堆肥处理的土壤硝态氮含量显著高于空白对照（ck），复合生物炭堆肥处理的土壤总氮含量、总可溶性氮含量、硝态氮含量、铵态氮含量显著高于空白对照（ck）。

3 讨论与小结

3.1 生物炭对土壤总碳、有机碳和无机碳含量的影响

生物炭因其自身碳含量较高且极稳定的芳香化结构而不易被微生物降解，可以作为储存碳一种有效的形态[1]。农业生产中增加生物炭的使用量，土壤总碳含量也会随之提高[2]。本试验表明，将生物竹炭和复合生物炭与鸡粪有机肥一起施用，显著提高了土壤总碳含量，且提高幅度与施肥量呈正相关；土壤有机碳含量与土壤总碳含量密切相关，不同处理的土壤有机碳含量与土壤总碳含量存在正相关性。研究表明，生物炭有利于碳水化合物和芳烃类等难以被微生物分解利用的有机大分子形成，从而降低有机碳的微生物利用量，降低土壤呼吸强度[3]。本试验表明，单独施用复合生物炭、生物竹炭对土壤无机碳含量的影响差异不显著，将复合生物炭、生物竹炭与鸡粪有机肥一起施用，可显著提高土壤无机碳含量。

3.2 生物炭对土壤总氮、总可溶性氮、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮含量的影响

畜禽粪便有机肥的氮素含量较高，将其施入土壤后可大幅提高土壤总氮含量。生物炭含有少量氮素养分，不能显著提高土壤总氮含量[4]。本试验表明，将生物竹炭和复合生物炭与鸡粪有机肥一起施用能显著提高土壤总氮含量。这可能是生物炭对氮素产生的吸附效应减少了土壤中氮素的淋失。生物炭堆肥处理的土壤总氮含量低于其与鸡粪有机肥混合物处理，可能是堆肥过程中生物炭加强了微生物活性，导致氮素损失[5]。与单独施用鸡粪有机肥相比，施用生物炭与鸡粪有机肥混合物能提高土壤总可溶性氮含量，且土壤总可溶性氮含量的增加幅度与生物炭堆肥用量呈正相关。

氮素淋洗是氮肥投入、作物吸收利用和土壤保持共同作用的结果，减少水分淋失是控制氮素淋洗的有效方法。生物炭对土壤水分和养分离子的吸附与固持作用[6～7]，特别是对NH4+很强的吸附效应，能使铵态氮肥长时间保留在土壤中，从而起到减少氮素淋失的作用[8]。生物竹炭和1∕2生物竹炭堆肥处理的土壤硝态氮含量较低[9]，可能是因为有机质形成的土壤胶体表面吸附硝态氮的能力有限，加上土壤容重降低，导致土壤中硝态氮随水分淋失。鸡粪有机肥的投入量越大，土壤硝态氮含量越高，越容易造成土壤中氮素淋失。与单独使用鸡粪有机肥相比，生物炭与鸡粪有机肥混合物、生物炭堆肥处理对土壤铵态氮含量影响不大，可能与鸡粪有机肥经分解转化后被植物吸收利用有关。“复合生物炭+鸡粪有机肥”处理的土壤总可溶性氮含量最高，是复合生物炭抑制了有机氮的转化，同时吸附了土壤中小分子氨基态氮累积综合表现的结果。