廖辉煌 陈敏忠 朱银玲 苏会荣 李进 段婷婷

摘要為探究石灰和生物炭对土壤的不同改良效果及其合理施用量，为2个改良剂的实际应用提供理论依据。采用室内恒温培养试验，向酸性砖红壤分别施入6个不同用量的改良剂，对土壤不同天数的指标进行数据分析。试验结果证明，石灰和生物炭能有效改良酸性砖红壤pH、降低交换性酸的含量;二者对土壤其它指标的改良效果存在差异，生物炭能提高土壤EC 5～10倍，改良效果明显优于石灰;在本试验的改良剂投入量内，石灰的某些处理对土壤碱解氮、有效阳离子交换量的改良起到一定的反作用，生物炭则不会出现这种情况，其投入使得碱解氮含量较CK最多提高34%，有效阳离子交换量较CK最多提高191%。说明石灰在调节酸碱度的同时，无法兼顾土壤养分;而生物炭则不会出现这种情况，且其改良过程更加稳定，更有利于作物生长。综合而言，生物炭对酸性土壤的改良效果更好，生物炭的投入量越多，改良效果越好。针对目前酸性土壤的实地改良情况，本试验可为石灰及生物炭的应用提供参考。

关键词    土壤改良;施用量;生物炭;石灰;酸性砖红壤

中图分类号    S156    文献标识码    A    DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2022.02.005

Amendment Effect of Biochar and Lime on Acidic Latosol

LIAO Huihuang1，2    CHEN Minzhong2    ZHU Yinling1    SU Huirong1    LI Jin1    DUAN Tingting1

（1. Guangdong Ocean University，Zhanjiang，Guangdong 524088，China;2. Zhanjiang Agricultural Technology Extension Center，Zhanjiang，Guangdong 524000，China）

Abstract    An attempt was made to explore different improvement effects of lime and biochar on soil and provide a theoretical basis for the practical application of the two soil conditioners. The lime and biochar were applied to the acidic lateritic soil or latosol at 6 different rates，respectively in an indoor culture experiment at a constant temperature. The amended acidic lateritic soil was determined，and the data on the soil indexes in different days of soil amendment were analyzed. The indoor culture experiment showed that the lime and biochar can effectively improve the pH of and lower the exchangeable acidity of the acidic latosol，but their amendment effects on the other soil indexes are different. Biochar can increase soil EC by 5-10 times，and its amendment effect is significantly higher than that of the lime. Some lime treatments within the application rates in the experiment have a certain reaction to the amendment of soil alkali hydrolyzable nitrogen and effective cation exchange capacity，but this does not happen in the biochar treatments. The treatments with biochar increase the alkali hydrolyzable nitrogen content by 34% and the effective cation exchange capacity by 191% as compared with CK. This shows that the lime treatment does not improve the soil nutrients at all rates while adjusting the soil pH，while the biochar treatment improves both nutrients and the soil pH，which are stabler and more conducive to crop growth during the soil amendment. Therefore，the biochar has a better amendment effect on the acidic latosol than the lime，and the high application rate of the biochar，the better the soil amendment effect. This experiment can provide a certain reference for the application of lime and biochar.

Keywords    soil amendment;application rate;biochar;lime;acidic latosol

据统计，全球酸性砖红壤面积占据了耕地面积的40%，并且酸性砖红壤面积还在逐步增加，解决土壤酸化问题迫在眉睫。在我国，大约有22.7%土壤是酸化土壤，土壤的pH为4.5～5.5，一些地区甚至低于4.5[1-3]。我国南方热带亚热带地区分布着大面积的酸性砖红壤，pH低、铝毒和肥力低使得在此类土壤上生长的植物产量低[4]。土壤酸化将引起产地环境质量安全与健康问题，如养分流失、肥力下降、土壤生物活性降低、作物减产、重金属活化增加潜在风险等[5]。土壤改良剂的施入可以在生产力和土壤肥力上起积极作用，如可改良酸性砖红壤，调节土壤酸度，一定程度上改善酸性砖红壤的理化性质，增加土壤养分。作为改良酸性砖红壤的有效措施之一，石灰的应用可以改善土壤环境，提高土壤的养分含量，有利于作物的产量和质量的提高。然而，当石灰的用量不足时，石灰会很快被耗尽，土壤将再次酸化，并且酸化程度将比使用石灰之前更为严重[6]，或者由于钙离子的流动性差，土壤底部的酸度没有得到很好的改善;石灰的过度施用又容易导致铁、铜、镒、锌等元素的缺乏。作为处于研究起步阶段的生物炭，对其研究手段不尽相同，因此研究结果相对缺乏可比性，不同材料、温度等条件制备的生物质炭性质差异很大[7-8]，与其它改良剂相比，生物炭改良酸性土壤的优势需要通过具体试验来证明。本研究以石灰和生物炭（牛粪）为研究对象，通过对比得出不同改良剂及不同施入量对酸性砖红壤的改良效果，以期能够得出石灰和生物炭的适宜施用量，为2个改良剂应用于酸性砖红壤的实地改良及其可持续利用提供理论依据。

1    材料与方法

1.1    材料

1.1.1    供试土壤    供试土壤取自广东省湛江市广东海洋大学（21°9′15″N，110°17′30″E）甘蔗地0～20 cm厚的耕层土壤，该土壤为雷州半岛典型的玄武岩母质酸性砖红壤，pH为4.78，有机质含量为26.39 g/kg，EC为0.23 ds/cm，碱解氮含量为64.8 mg/kg，速效磷含量為23.39 mg/kg，有效钾含量为53.16 mg/kg。

1.1.2    供试改良剂    生物炭，原材料是牛粪，制作温度为550 ℃，pH为8.89，EC为10.97 ds/cm，碱解氮含量为11.4g/kg，灰分为74.55%，速效磷含量为49.72 g/kg，有效钾含量为23.08 g/kg。石灰为购买的分析纯氧化钙，有效成分为98%，pH为12.6。

1.2    方法

1.2.1    试验设计    采用单因素室内土壤培养试验，分为石灰和生物炭2个处理，试验共设置0（CK）、0.09%（S1）、0.18%（S2）、0.36%（S3）、0.72%（S4）、1.44%（S5）六个改良剂投入量，以改良剂质量占装盒培养土壤质量的百分比来设置和计算每个处理中改良剂的具体投放量，每个处理重复3次。

1.2.2    操作方法 ;   采用室内恒温培养。将所采集的酸性砖红壤自然风干，过2 mm筛后，往每个培养盒装2 kg 土，按比例分别加入石灰或生物炭。以称重的方法用蒸馏水将土壤含水量调节至田间含水量的60%左右，充分搅拌使其均匀，放在常温室内进行为期180 d的培养。每隔2 d称重补充一次水分，采用五点取样法定期取样（第1、3、6、9、15、30、60、80、100、180 d取样），将取出的土样风干后充分混匀，测定土壤的pH、EC、交换性酸等与改良相关的酸碱性指标。

1.2.3    测定指标    采用pH电位法（PHSJ-3F型试验室pH计）测定土壤pH[9];采用电导率仪（DDSJ-308A型电导率仪）测土壤EC值[9];采用氯化钾淋洗—碱滴定法测定交换性总酸[9];碱解扩散吸收法测碱解氮[9];碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法（UV-1100紫外分光光度计）测定速效磷[9];醋酸铵—火焰光度法（FP6431火焰光度计）测定有效钾[9];浸提法测交换性盐基总量[9];求和法计算土壤有效阳离子交换量[6]。

1.2.4    数据处理    采用SPSS 22.0和Excel 2016进行数据分析。

2    结果与分析

2.1    改良剂对土壤pH的影响

从整个土壤培养试验可以看出，不同用量的生物炭和石灰均能够显著提高土壤pH。在180 d的培养过程中，土壤pH的升高幅度随改良剂施用量的增加而变大（图1），第3天，石灰处理的土壤中，S4和S5的pH分别比对照提高了2.81和3.21;生物炭处理的土壤中，S3、S4、S5处理pH较CK分别提高2.16、2.78、3.11个单位后，在培养第6天后趋于稳定，S3处理pH在第9天后有所下降。总体来说，相同投入量的生物炭和石灰对酸性土壤pH的改良效果相近，但生物炭改良的土壤pH变化更为平滑。

2.2    改良剂对土壤EC的影响

土壤的可溶性盐分与电导率成正比，所以可根据土壤溶液EC值的变化了解土壤可溶性盐分的变化[10]。2个改良剂的加入可以提高酸性砖红壤的可溶性盐分离子含量（图2）。石灰处理的土壤中，Sl、S2、S3和S4土壤的EC值随石灰处理剂量的增加而增加;S5处理EC值除了在第60天到第80天有波动外，其余大部分时间段总体稳定，并且部分时间段EC值低于S3和S4。生物炭处理的土壤中，在整个培养过程S1处理EC值变化不大，S2和S3处理波动情况较相似，在第15～180天期间有小幅度波动;S4、S5处理在第30天后有下降趋势，第80天后趋于稳定;在培养的第180天，Sl、S2、S3、S4、S5处理值较CK处理分别提高1.14、1.19、1.28、1.53、1.73个单位。从图2可以明显看出，相同量改良剂的投入，2个改良剂的效果差异性显著，生物炭对土壤EC的改良效果远比石灰好。

2.3    改良劑对土壤交换性总酸的影响

从图3可看出，各处理交换性酸含量较CK显著下降，且随着改良剂施入量的增加，交换性酸的含量也随之下降;在180 d的培养过程中，CK处理的交换性总酸含量没有明显变化。石灰处理的土壤中，S1和S2处理的总交换酸含量在培养前期变化趋势相似，S4、S5处理在第9天到第60天有土壤反酸趋势，之后下降;S4在第80天后再次反酸，S5则自第60天后一直保持低含量的交换性总酸。生物炭处理的土壤中，Sl、S2处理的交换性总酸含量在第1～9天有大幅度下降，并在第15天时达到平衡后趋于稳定;第1天时，S3处理交换性总酸含量较CK降低了2.15 cmol/kg，且在后面的培养过程中出现小幅度的波动;S4、S5处理在第1天时交换性总酸含量为0，在之后的培养过程中，数值变化不大;通过180 d的培养，Sl、S2、S3、S4、S5的土壤交换性总酸含量分别较CK降低2.05、2.44、2.75、2.85、2.88 cmol/kg。2个改良剂对土壤交换性酸的改良效果差异性不显著，但是石灰施入酸性土壤后，除S5处理外，其它处理的交换性酸含量会在某些天数出现较大波动;而生物炭处理的酸性土壤，在180 d的培养过程中，土壤交换性酸含量更为稳定，不会出现较大起伏，对作物的生长更加友好。

2.4    改良剂对土壤碱解氮的影响

从图4可以看出，本次试验所使用的生物炭和石灰对提高土壤碱解氮含量有重要作用。石灰处理的土壤，在第30天时，5个处理的土壤碱解氮含量显著高于对照;第180天时，Sl、S2、S3、S4、S5处理的土壤碱解氮含量与CK存在显著性差异;说明施用低浓度石灰有助于增加酸性砖红壤的碱解氮含量，但是施入石灰过量，会减少酸性砖红壤的碱解氮含量;其中S3处理的碱解氮含量是从第30天到180天唯一增加的，其他处理均呈现下降趋势。生物炭处理的土壤，碱解氮含量均显著高于CK处理（p<0.05）。

2.5    改良剂对土壤速效磷的影响

从图5可以看出，本次试验所使用的改良剂对提高土壤速效磷含量有重要作用，并且随着石灰用量的增加，土壤速效磷含量也随之上升。石灰处理的土壤，土壤速效磷含量从30 d到第180天均比CK显著提高。生物炭处理的土壤，第180天时，Sl、S2、S3、S4、S5的土壤速效磷含量分别较CK提高了2.03、6.85、12.33、19.87、32.91 mg/kg。

2.6    改良剂对土壤有效钾的影响

从图6可以看出，本次试验所使用的2个改良剂对提高土壤有效钾含量有重要作用，并且随着改良剂用量的增加，土壤有效钾含量也随之上升;2个改良剂处理的土壤有效钾含量均与CK差异显著。

2.7    改良剂对土壤交换性盐基总量的影响

从图7可知，经过石灰改良后的土壤，在第30天和180天时，土壤交换性盐基总量均与CK 差异显著，其中，S5处理的交换性盐基总量分别较CK提高了60.00和46.67 cmol/kg。生物炭改良的土壤，第30天时，S4和S5处理与CK之间存在显著性差异（p<0.05）;第180天时，S5处理与CK之间存在显著性差异。

2.8    改良剂对土壤有效阳离子交换量的影响

由图7、8及计算公式可知，土壤有效阳离子交换量的总体趋势与土壤交换性盐基总量相似。石灰处理的土壤，在第180天时，S1和CK的交换性盐基总量相同，但是CK的有效阳离子交换量高于S1。生物炭处理的土壤各个处理均与CK差异显著。

2.9    改良剂对土壤盐基饱和度的影响

经改良剂处理后，土壤土壤盐基饱和度（BS）均比CK高（图9），并且土壤BS随着石灰施入量的增多而增加。石灰处理的土壤，Sl、S2处理的土壤盐基饱和度在第30天到第180天有所下降，S3、S4、S5的盐基饱和度总体上保持稳定。生物炭处理的土壤，Sl、S2、S3处理的盐基饱和度随时间推移有小幅度下降，S4、S5处理随时间延长有上升趋势但波动范围不大。

3    讨论与结论

不同用量的改良剂投入土壤后，碱性基团可以快速释放出来，中和土壤酸性离子，降低土壤交换性H和Al的含量，使pH升高和交换性铝含量降低[4，11]。石灰和生物炭处理的土壤pH在后期会有下降的趋势，是因为土壤的潜在酸逐渐释放，消耗了投入的改良剂[3，7]。虽然石灰对改善土壤pH和交换性酸有重要作用，但其过量时，对土壤碱解氮含量和EC值会有不利影响。土壤碱解氮包括无机态氮（铵态氮、硝态氮）及易水解的有机态氮（氨基酸、酰铵和易水解蛋白质），施入石灰过量，土壤呈弱碱性，易水解的有机氮及铵态氮转化为氨离开土壤，使得土壤对氮的固定速率下降，最终导致氮的流失[11]，这也是石灰的S5处理碱解氮含量到180 d时低于CK的原因。土壤的可溶性盐分与电导率成正比，所以可根据土壤溶液EC值的变化了解土壤可溶性盐分的变化[10]，当石灰改良剂投入过量时，土壤会产生大量氢氧化铝沉淀，并且Fe、Mn、Cu、Zn等金属离子易形成氢氧化物等沉淀，会导致土壤中的水溶性盐分离子含量较低[12]。生物炭的改良则不会出现上述2种情况，因其本身含有一定量的盐基阳离子和矿质养分[13]，所以改良酸性土壤时可以兼顾土壤的酸度和养分。

在酸性砖红壤中，磷的主要吸附基质是活性铁、铝，施用石灰有利于铁、铝产生沉淀，减少土壤对磷的吸附量，从而提高土壤速效磷的含量。同时，施用石灰可以降低土壤对磷的最大吸附容量，提高磷的平衡常数和缓冲指数、土壤速效磷含量，且其他形态磷的组分含量也有所增加[14-15]。

此外，本次試验所使用的石灰对提高土壤有效钾含量也有重要作用，随着石灰用量的增加，土壤有效钾含量也随之上升;这是因为石灰中的钙离子对土壤吸附位的亲和力比钾离子大，置换出被土壤吸附的钾离子，使得土壤中钾离子的活度上升，所以土壤有效钾含量增加[14]。

相比石灰，生物炭对土壤可溶性盐分和土壤养分的改良机制有所不同。第一是生物炭本身含有一定量的盐基阳离子和矿质养分[13];第二是生物炭疏松多孔的结构，有利于微生物生存，从而截取养分;第三是生物炭具有强大的吸附能力，可吸附NH、NO等多种水溶性盐离子，具有良好的保肥能力，可有效减少土壤养分的淋洗。从本试验可看出，生物炭对EC值的提高幅度远大于石灰，并且其对碱解氮、有效钾、交换性盐基的改良效果更加稳定，更有利于植物生长。

本试验所使用的改良剂对提高土壤盐基饱和度有重要作用。土壤有效阳离子交换量是针对高度风化的热带酸性砖红壤的反映土壤交换性能变化的重要指标[6]，适用于本研究中砖红壤所处的环境;由于酸性砖红壤表面的永久负电荷点主要由铝离子占据，所以其盐基饱和度通常很低。施用石灰，有利于生成氢氧化铝沉淀，同时为土壤中提供了大量钙离子，有利于土壤交换性盐基总量的增加，所以5个处理土壤的盐基饱和度与CK相比都有显著提高。同时，添加不同用量生物炭的各处理，土壤盐基饱和度都比CK高，生物炭表面有很多负电荷及阴离子，施入后增强了土壤胶体对盐基离子的吸附性，不同用量各个处理盐基饱和度变化不大，说明少量的生物炭即可有效提高酸性砖红壤盐基饱和度，并且其改良效果比石灰稳定，更有利于作物正常生长。

综上所述，2个改良剂的施用都能有效增加土壤pH、降低土壤交换性总酸含量，表明其可以改善砖红壤酸化问题，调节土壤酸碱度。但石灰在调节酸碱度的同时，无法兼顾土壤的可溶性盐分含量和碱解氮含量，并且其过量投入还会造成土壤盐分的流失;相比石灰，生物炭对碱解氮、有效钾、交换性盐基、盐基饱和度的改良效果更加稳定，且其综合效率更高，更有利于作物生长，并且生物炭的投入可以兼顾酸度和各种土壤养分。综合而言，在本试验中，生物炭对酸性土壤的改良效果更好，生物炭的施入量越多，其改良效果越好;虽然未进行大田试验，但本试验结果可为石灰和生物炭实地应用于改良酸性土壤提供理论基础，对酸性土壤改良工作提供一定借鉴。

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