生物炭改良酸性土壤pH的影響因素,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文

生物炭改良酸性土壤pH的影響因素,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文土壤中存在著各種化學(xué)和生物化學(xué)反響,導(dǎo)致土體表現(xiàn)出不同的酸堿特征。我們國(guó)家的酸性土壤主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū),由于這些地區(qū)高溫多雨、濕熱同季,土壤的風(fēng)化和淋溶作用強(qiáng)烈,鐵鋁氧化物明顯富積,土壤鹽基飽和度較低,pH一般在4.5~6.0的范圍。鋁毒和土壤肥力低下,是酸性土壤限制作物生長(zhǎng)的兩個(gè)重要因素。施用石灰是改進(jìn)酸性土壤傳統(tǒng)而有效的方式方法,但大量添加石灰會(huì)增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本并消耗難得珍貴的礦產(chǎn)資源,因而需要開發(fā)新型改進(jìn)劑來(lái)改進(jìn)土壤酸度。生物炭是由生物質(zhì)在缺氧條件下經(jīng)熱解炭化生成的高度芳香化的固態(tài)物質(zhì)。生物炭材料來(lái)源廣泛,農(nóng)林廢棄物、城市廢棄物、庭院垃圾等都可作為制備生物炭的原材料。土壤養(yǎng)分的有效性通常受土壤pH值的影響,而作物生長(zhǎng)與土壤養(yǎng)分息息相關(guān)。生物炭通常因外表含有一定數(shù)量的堿性基團(tuán)而呈堿性,因而能夠改進(jìn)酸性土壤,提高土壤肥效。在酸性土壤中施用生物炭還能提高土壤碳庫(kù),增加土壤鹽基飽和度,提升土壤速效磷、鉀和有效氮含量,加強(qiáng)土壤保肥能力,改善植物生長(zhǎng)環(huán)境。客觀正確地認(rèn)識(shí)生物炭的固有特性是所有研究的基礎(chǔ),也是生物炭發(fā)揮其土壤改進(jìn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能的重要前提。生物炭不是單一的化合物,它是一種富含碳元素的有機(jī)連續(xù)體,其構(gòu)成元素、空間構(gòu)造以及性狀特征受生物質(zhì)材料本身和制備條件的雙重影響。因而本研究以討論原材料和制炭條件對(duì)生物炭堿性基團(tuán)含量影響為基礎(chǔ),研究生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響因素,為合理選擇和利用生物炭改進(jìn)酸性土壤提供理論根據(jù)。1材料與方式方法1.1供試材料供試酸性土壤為磚紅壤,采自海南儋州,土壤質(zhì)地為沙壤土。新鮮土樣(0-20cm)采回實(shí)驗(yàn)室后剔除雜物及殘留根系,經(jīng)自然風(fēng)干,過(guò)2mm篩備用。其基本理化性質(zhì)為:pH4.55,有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別為9.96,0.62g/kg,堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為69.22,12.54,11.62mg/kg,CEC為4.21cmol/kg。生物炭制備方式方法參照文獻(xiàn),將制備生物炭的原材料洗凈、烘干、粉碎至指定粒度,密封于不銹鋼鐵盒中,在馬弗爐中按指定溫度缺氧加熱一定時(shí)間,冷卻至室溫取出備用。1.2試驗(yàn)方式方法1.2.1制炭條件對(duì)生物炭堿性基團(tuán)含量的影響本研究與生物炭制備同時(shí)進(jìn)行。按上述方式方法以椰糠、木薯秸稈、桉樹枝和豬糞為原材料(0.25mm),分別在熱解溫度為300,400,500,600℃條件下炭化2h制備生物炭,并測(cè)定其堿性基團(tuán)含量,討論熱解溫度對(duì)不同材料生物炭堿性基團(tuán)含量的影響。以同樣4種原材料在熱解溫度為500℃條件下分別炭化1,2,3,5h制備生物炭,并測(cè)定其堿性基團(tuán)含量,討論熱解時(shí)間對(duì)不同材料生物炭堿性基團(tuán)含量的影響。分別將不同粒度(0.5,0.25~0.5,0.25mm)的4種原材料在熱解溫度為500℃條件下炭化2h制備生物炭,并測(cè)定其堿性基團(tuán)含量,討論粉碎粒度對(duì)不同材料生物炭堿性基團(tuán)含量的影響。1.2.2生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響因素研究取風(fēng)干、過(guò)篩后的磚紅壤200g,按20g/kg的比例分別添加4種不同原材料的生物炭(粒度0.25mm,熱解溫度500℃,炭化時(shí)間2h),調(diào)節(jié)含水量為15%,混勻,25℃恒溫培養(yǎng),同時(shí)設(shè)置不添加生物炭的對(duì)照處理,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。各處理分別在培養(yǎng)后的0,3,7,14,28d取樣測(cè)定土壤pH,討論不同原材料生物炭對(duì)磚紅壤pH的影響。生物炭用量對(duì)磚紅壤pH影響實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)同上,不同之處為僅使用椰糠生物炭進(jìn)行,添加量設(shè)置5,20,50g/kg3個(gè)水平;熱解溫度對(duì)生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響實(shí)驗(yàn)同樣僅使用椰糠生物炭進(jìn)行,不同之處為制備椰糠生物炭的溫度分別為300,400,500,600℃;熱解時(shí)間對(duì)生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響實(shí)驗(yàn)使用豬糞生物炭進(jìn)行,制備豬糞生物炭的炭化時(shí)間分別為1,2,3,5h;原材料粉碎粒度對(duì)生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響實(shí)驗(yàn)同樣使用豬糞生物炭進(jìn)行,制備豬糞生物炭的原材料粉碎粒度分別為0.5,0.25~0.5,0.25mm。1.3分析方式方法生物炭堿性基團(tuán)含量采用Boehm滴定法:準(zhǔn)確稱取1.0g生物炭樣品于250ml碘量瓶中,參加0.05mol/L的HCl25ml,于25℃條件下在恒溫?fù)u床中振蕩24h至平衡,取10ml離心后的上清液,采用0.05mol/L的NaOH溶液進(jìn)行返滴定,通過(guò)平衡液HCl的濃度推算生物炭堿性基團(tuán)含量(mmol/g)。生物炭pH測(cè)定采用復(fù)合電極法,m(炭)∶V(水)=1∶5。土壤pH測(cè)定采用復(fù)合電極法,m(土壤)∶V(水)=1∶2.5。2結(jié)果與分析2.1制炭條件對(duì)生物炭堿性基團(tuán)含量的影響2.1.1熱解溫度對(duì)生物炭堿性基團(tuán)含量的影響生物質(zhì)在不同熱解溫度范圍發(fā)生不同的熱化學(xué)經(jīng)過(guò),構(gòu)成的生物炭理化性質(zhì)存在差異,堿性基團(tuán)含量也必然不同。粉碎顆粒0.25mm的椰糠、木薯秸稈、桉樹枝和豬糞4種材料,分別在300,400,500,600℃的條件下熱解2h制備生物炭的堿性基團(tuán)含量如此圖1所示。結(jié)果顯示,4種材料制備的生物炭堿性基團(tuán)含量差異較大,不同熱解溫度制備的椰糠生物炭的堿性基團(tuán)含量范圍為0.53~0.64mmol/g,木薯秸稈生物炭為0.68~0.78mmol/g,桉樹枝生物炭為0.39~0.52mmol/g,豬糞生物炭為0.75~0.90mmol/g,且在不同熱解溫度下均呈現(xiàn)出豬糞木薯秸稈椰糠桉樹枝的規(guī)律。隨著熱解溫度的升高,椰糠、木薯秸稈和桉樹枝3種材料制備的生物炭堿性基團(tuán)含量呈增加趨勢(shì),而豬糞生物炭在熱解溫度為500℃條件下堿性基團(tuán)含量最大。2.1.2熱解時(shí)間對(duì)生物炭堿性基團(tuán)含量的影響隨著熱解時(shí)間的延長(zhǎng),生物質(zhì)裂解的程度將會(huì)遭到影響,其堿性基團(tuán)含量勢(shì)必也會(huì)隨之發(fā)生變化。粉碎顆粒0.25mm的椰糠、木薯秸稈、桉樹枝和豬糞4種材料在500℃的條件下分別熱解1,2,3,5h所制備的生物炭的堿性基團(tuán)含量如此圖2所示。由圖2可知,不同熱解時(shí)間椰糠生物炭的堿性基團(tuán)含量范圍為0.45~0.73mmol/g,木薯秸稈生物炭為0.65~0.95mmol/g,桉樹枝生物炭為0.40~0.64mmol/g,豬糞生物炭為0.70~1.05mmol/g,且隨著熱解時(shí)間的延長(zhǎng),生物炭堿性基團(tuán)的含量均呈增加趨勢(shì)。2.1.3原材料粒度對(duì)生物炭堿性基團(tuán)含量的影響原材料的粉碎粒度不同,一方面會(huì)導(dǎo)致生物質(zhì)的外表和內(nèi)部構(gòu)造存在差異,同時(shí)可以能影響生物質(zhì)受熱的均勻性,因而不同粉碎粒度的原材料制備的生物炭的堿性基團(tuán)含量也會(huì)存在差異。應(yīng)用不同粉碎粒度(0.5,0.25~0.5,0.25mm)的4種原材料在熱解溫度為500℃條件下炭化2h制備生物炭,其堿性基團(tuán)含量如此圖3所示。由圖3可知,不同粒度椰糠生物炭的堿性基團(tuán)含量范圍為0.56~0.62mmol/g,木薯秸稈生物炭為0.71~0.78mmol/g,桉樹枝生物炭為0.44~0.48mmol/g,豬糞生物炭為0.77~0.90mmol/g。木薯秸稈和豬糞兩種材料制備的生物炭堿性基團(tuán)含量隨顆粒的增大而降低;椰糠生物炭在粒度為0.25~0.5mm時(shí)堿性基團(tuán)含量最低;而桉樹枝生物炭的堿性基團(tuán)含量基本不隨粉碎粒度的大小發(fā)生變化。2.2生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響因素2.2.1原材料對(duì)生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響由圖4可知,不添加生物炭的CK處理在培養(yǎng)經(jīng)過(guò)中pH處于4.13~4.55范圍,且隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)有下降趨勢(shì)。椰糠生物炭(pH為9.47)處理磚紅壤在培養(yǎng)期間pH范圍為4.98~5.67,木薯秸稈生物炭(pH為10.24)為5.00~5.94,桉樹枝生物炭(pH為9.56)為4.68~5.45,豬糞生物炭(pH為10.35)為5.50~6.44?？梢?不同原材料生物炭處理的磚紅壤pH始終比CK處理高,講明生物炭能顯著提高土壤pH,對(duì)改善酸性土壤具有良好的效果。不同處理土壤隨時(shí)間的推移,pH呈現(xiàn)一定的波動(dòng)變化,但總體呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì),講明在培養(yǎng)經(jīng)過(guò)中土壤中仍然存在生成質(zhì)子的化學(xué)或生化經(jīng)過(guò)。通過(guò)比擬能夠看出,生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的效果與其堿性基團(tuán)含量呈現(xiàn)出較好的一致性:堿性基團(tuán)含量越高的生物炭,改進(jìn)酸性土壤pH的效果越好。2.2.2生物炭用量對(duì)改進(jìn)酸性土壤pH的影響隨著生物炭用量的增加,能夠中和土壤中質(zhì)子的堿性物質(zhì)隨之增加,土壤環(huán)境也得到更大改善,酸性土壤pH的改進(jìn)效果也會(huì)隨之加強(qiáng)。本研究的結(jié)果表示清楚(圖5),添加5g/kg的椰糠生物炭在培養(yǎng)經(jīng)過(guò)中pH變化范圍為4.49~4.90,當(dāng)添加量20g/kg時(shí)pH變化范圍為4.98~5.67,而添加量增加到50g/kg時(shí)pH的變化范圍為5.03~5.94。培養(yǎng)之初,生物炭添加量為5,20,50g/kg對(duì)應(yīng)的磚紅壤pH比CK處理分別高出0.23,0.84,0.94,在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)(28d)分別高出0.36,0.93,0.99,可見,堿性生物炭對(duì)酸性土壤pH的改進(jìn)效果隨添加量的增加而加強(qiáng)。2.2.3制炭溫度對(duì)生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響丁文川等研究發(fā)現(xiàn),不同溫度制備的生物炭添加到土壤后,可使土壤pH較對(duì)照上升0.35~0.86,且添加熱解溫度越高的生物炭土壤pH值也越高。本研究向pH為4.55的磚紅壤添加20g/kg,分別在300,400,500,600℃炭化2h制備椰糠生物炭(pH分別為9.12,9.38,9.47,9.72),土壤pH的變化如此圖6所示。在培養(yǎng)經(jīng)過(guò)中,添加熱解溫度為300,400,500,600℃制備生物炭的土壤pH變化范圍分別為4.35~5.05,4.78~5.35,4.98~5.67,5.21~5.81,且隨熱解溫度的升高,生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的能力隨之加強(qiáng),且與生物炭堿性基團(tuán)含量表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性。2.2.4熱解時(shí)間對(duì)生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響圖7結(jié)果表示清楚,不同熱解時(shí)間制備的生物炭對(duì)磚紅壤pH的改進(jìn)效果與熱解溫度的影響基本一致,也表現(xiàn)出了與生物炭堿性基團(tuán)含量一致的規(guī)律。在pH為4.55的酸性土壤中添加500℃炭化時(shí)間分別為1,2,3,5h制備的生物炭(pH分別為9.04,9.65,9.81,10.12),其pH變化范圍分別為4.45~6.30,5.50~6.44,5.42~6.48,5.85~6.72。添加堿性最強(qiáng)的生物炭(熱解時(shí)間5h)培養(yǎng)初始與結(jié)束(28d)時(shí)pH較CK處理分別增加了2.03和1.72,可見堿性基團(tuán)含量較高的豬糞生物炭改進(jìn)酸性土壤能力顯著強(qiáng)于堿性基團(tuán)含量較低的椰糠生物炭。2.2.5原材料粒度對(duì)生物炭改進(jìn)酸性土壤pH的影響原材料粒度的大小不僅會(huì)影響生物炭產(chǎn)品的最終顆粒大小,還會(huì)顯著影響生物炭的比外表積及離子擴(kuò)散的難易程度。劉瑩瑩等研究發(fā)現(xiàn),生物炭對(duì)重金屬污染物的吸附量隨其粒徑的增大而下降,由于吸附劑粒徑越小,比外表積就越大,吸附就更容易進(jìn)行。本研究結(jié)果(圖8)也表示清楚,粒度大小對(duì)生物炭改進(jìn)酸性土壤pH也存在影響。材料粒徑分別為0.5,0.25~0.5,0.25mm的3種豬糞生物炭(pH分別為9.45,9.88,10.35)在磚紅壤中添加初期,土壤的pH分別為5.82,6.08和6.30,比CK處理分別高出1.27,1.53和1.75;而在培養(yǎng)后期(28d)土壤的pH分別為5.34,5.43和5.50,比CK分別高出1.21,1.30和1.37。這講明顆粒較大的生物炭,在培養(yǎng)初期對(duì)酸性土壤的改進(jìn)效果顯著低于小顆粒生物炭,而隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),差異逐步縮小,即粒徑較大生物炭在改進(jìn)酸性土壤pH時(shí)具有緩效性。3討論生物炭是在缺氧條件下通過(guò)高溫?zé)峤馍镔|(zhì)而構(gòu)成,一般呈堿性,pH范圍為8.2~13.0,堿性基團(tuán)含量的多少與生物炭的原材料,熱解溫度和時(shí)間等制炭條件關(guān)系密切。以往的研究普遍以為,原材料和熱解溫度對(duì)炭質(zhì)理化性質(zhì)和環(huán)境功能影響最為顯著,而本研究的結(jié)果卻表示清楚,熱解時(shí)間和原材料的粒度對(duì)生物炭的堿性基團(tuán)含量也有較大影響。制炭條件之所以能夠影響生物炭堿性基團(tuán)含量,主要有兩方面的原因,其一是改變了生物質(zhì)中酸、堿性基團(tuán)的數(shù)量和配比。經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤?生物炭外表的COO和O等有機(jī)官能團(tuán)和碳酸鹽是堿的主要存在形態(tài)。提高熱解溫度、延長(zhǎng)熱解時(shí)間或減小制炭材料的粉碎粒度等措施,均能顯著減弱生物炭的脂肪性,加強(qiáng)其芳構(gòu)化和致密性。通常生物質(zhì)中的有機(jī)酸會(huì)使其顯酸性,但在熱解經(jīng)過(guò)中,隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng),有機(jī)酸會(huì)發(fā)生脫水分解,與此同時(shí),堿性基團(tuán)的含量卻不斷增加,最終使生物炭呈現(xiàn)堿性特征,并且堿性基團(tuán)含量隨熱解溫度的升高和熱解時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。Chun等對(duì)秸稈炭的研究發(fā)現(xiàn),熱解溫度從300℃升至700℃時(shí),酸性基團(tuán)數(shù)量下降了0.3mmol/g,堿性基團(tuán)數(shù)量則上升了0.29mmol/g。生物炭呈堿性的另一個(gè)重要原因是它含有一定量的灰分。灰分中的礦質(zhì)元素如鈉、鉀、鈣、鎂等以氧化物或碳酸鹽的形式存在,溶于水后呈堿性并能中和質(zhì)子。因而,生物炭的固定碳含量、礦物質(zhì)(灰分)含量和pH值,均隨熱解溫度升高而提高,生物炭堿性基團(tuán)含量大小與灰分含量呈現(xiàn)相關(guān)性,熱解溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng),灰分含量越大,堿性基團(tuán)測(cè)定值也相應(yīng)提高。采用X-射線衍射分析測(cè)定結(jié)果表示清楚,生物質(zhì)炭中碳酸鹽的總量和對(duì)總堿含量的奉獻(xiàn)度,均隨其制備溫度的升高而增加。一般來(lái)講,以木本植物為材料生產(chǎn)的生物炭含碳量較高,而灰分含量較少;而以廄肥及草本植物生產(chǎn)的生物炭含碳量較少,卻含有較多的灰分,因而以豬糞為原料制成的生物炭比以桉樹枝為原料制備的生物炭含有更多的堿性基團(tuán)。生物炭的添加能夠顯著提升酸性土壤的pH,其原因可能有下面幾個(gè)方面。第一,生物炭含有堿性基團(tuán),能夠中和土壤中的質(zhì)子,使土壤pH升高。王震宇等研究發(fā)現(xiàn),高溫制備的生物炭對(duì)酸化土壤的改善能力顯著強(qiáng)于低溫生物炭,且改善能力隨著生物炭參加量的增加而加強(qiáng);盧再亮等研究發(fā)現(xiàn),生物炭改善土壤pH的能力與其堿性基團(tuán)含量大小基本一致;Yuan和Xu的研究也表示清楚,生物炭的總堿含量是決定其對(duì)土壤酸度中和效果的主要因素;本研究的結(jié)果也表示清楚,生物炭的堿性基團(tuán)含量是決定其對(duì)土壤酸度中和效果的主要因素。第二,土壤的酸堿度是由鹽基離子所支配的,生物炭中含有較多的鹽基離子,進(jìn)入土壤后可交換土壤中的質(zhì)子和鋁離子,進(jìn)而降低其濃度,提高鹽基飽和度并調(diào)節(jié)土壤pH值。除此之外,生物炭的參加能夠改變土壤中氮素轉(zhuǎn)化的速率,進(jìn)而也會(huì)間接影響土壤pH。已有研究表示清楚,生物炭的添加能夠顯著提高土壤有機(jī)氮的礦化速率,而氮的礦化作用是消耗質(zhì)子的經(jīng)過(guò),這可以導(dǎo)致土壤pH有所提高。也有學(xué)者以為,生物炭由于具有宏大的比外表積而吸附土壤中的NH+4,導(dǎo)致土壤中可利用的NH+4減少,硝化作用遭到抑制,而土壤中的硝