生物炭对岩溶区玉米生长_土壤CO2及岩溶作用的影响_方培结1_2_张超兰2_曹建

2+
岩溶区石灰土是岩溶区岩石、水、生物、大气 [1] 等四大圈层相互作用形成的产物 ，其所处的特殊 岩溶生态环境导致石灰土成土速率慢， 侵蚀速率快； 土壤呈现出富钙偏碱的环境，质地黏重，团粒结构 性差，肥力较差；给岩溶山区农业生产带来极大阻 [2-4] 碍 。岩溶作用是在碳循环及与其相耦联的水循 [5] 环、钙循环系统中碳酸盐岩的被溶蚀或沉积 ，因 岩溶作用产生的“岩溶碳汇”近年来受到国内外岩 [6] 溶学者广泛关注 ， 且注意到土壤 CO2 对岩溶作用有 [7] 驱动力的作用 。生物炭是生物质在缺氧条件下热 [8] 解得到固体产物 ，生物炭具有较大比表面积和孔 隙结构，作为土壤改良剂，能够降低土壤容重，增 加土壤的保水保肥能力，提高土壤肥力，促进农作 [9-10] 物生长 ； 同时生物炭作为土壤添加剂在一定程度
生物炭对岩溶区玉米生长、土壤 CO2 及 岩溶作用的影响
方培结 1,2，张超兰 2，曹建华 1，卜巧珍 1,3，张春来 1，杨
广西壮族自治区 南宁 530004；3．广西师范ຫໍສະໝຸດ 学 生命科学学院，桂林 541004）
慧1
（1．中国地质科学院岩溶地质研究所 国土资源部//广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室，桂林 541004；2．广西大学 环境学院，
网络出版时间：2014-08-12 11:41 网络出版地址：/kcms/detail/44.1209.N.20140812.1141.001.html
第 34 卷 第 4 期 2014 年 7 月
热
带
地
理
Vol.34， No.4 July，2014
TROPICAL GEOGRAPHY
热 带 地
理 34 卷
用蔗渣采自广西壮族自治区桂林市永福县永福顺风 糖厂，出厂的蔗渣晾晒 3 d 备用。以自制的炭化炉 烧制生物炭，烧制温度控制在 500℃左右，停留时 间约 2 h。 其主要性状为： pH 值 8.31、 总有机碳 （TOC） 为 633.20 g/kg、全氮（TN）为 6.32 g/kg、全磷（TP） 为 15.21 g/kg、 全钾 （TK） 为 4.04 g/kg、 灰分 14.09%、 产率约 20%。 1.1.2 土壤 供试土壤采自广西壮族自治区桂林市 灵川县潮田乡灯明村洼地（25°15′ N，110°14′ E） ， 属典型的岩溶洼地。于 2013-03-29 采集 0~30 cm 的表层耕作土，土壤风干后过 4 mm 尼龙筛混匀备 用。土壤为棕色石灰土，质地黏重，其基本性质见 表 1。
4 期方培结等：生物炭对岩溶区玉米生长、土壤 CO2 及岩溶作用的影响
明理化学工业株式会社产）生产的真空泵和专制的 CO2 检测试管现场测定，土壤 CO2 体积分数由专制 的 CO2 检测试管现场直接读出。 4）土壤 CO2 排放速率。参考文献[23]，采用密 闭式碱液吸收法现场测定。将 1 L 大烧杯（直径为 12 cm） 倒置于土壤表层， 烧杯外面用黑色塑料袋罩 住隔光，烧杯里面放有装入 5 mL 质量分数为 1 moL/L 的 NaOH 溶液培养皿，培养皿放于铁丝制作 的架子之上， 2 h 后取出培养皿， 加入 2 mL 饱和 BaCl2 溶液，再加入 2~3 滴酚酞指示剂，用质量分数为 1 moL/L 的 HCl 滴定剩余的 NaOH， 根据消耗的 NaOH 量计算土壤 CO2 释放速率，其计算公式为： 1 1 RCO2＝ 5C NaOH VHCl C HCl 44 （1） 2 ST 2 式中： RCO2 为土壤 CO2 释放速率[mg/ （m ·h） ]； CNaOH 为氢氧化钠的质量分数（mol/L） ；CHCl 为盐酸的质 量分数（mol/L） ；VHCl 为消耗盐酸的体积（mL） ；S 2 为烧杯的面积（m ） ；T 为测试时间（h） 、44 为 CO2 的摩尔质量 g/mol； 5 为氢氧化钠加入的体积 （mL） 。 2+ 5）土壤淋溶水 Ca 和 HCO3 质量分数，则采用 2+ 德国 Aquamerk 公司生的产 Ca 试剂盒和碱度计 （ HCO3 ）现场测定（精度分别为 2 mg/L 和 0.1 mmoL/L） 。 6）玉米生物量。将玉米棒、玉米秸秆和玉米根 分别采收并带回实验室，在 105℃下杀青，然后在 80℃下烘干称重。 1.2.4 数据处理方法 实验所得数据用 Excel 2007 处理，单因素方差分析使用 SPSS 16.0 软件，多重 比较采用 Ducan 法（P≤0.05） ，用 Origin 8.5 作图。
表 1 供试土壤的基本性质
Tab.1 Characteristics of soil used in this study 基本性质 数值 pH 6.91 -1 CEC/（cmol·kg ） 29.34 -1 TN/（g·kg ） 2.23 -1 TP/（g ·kg ） 1.07 -1 TK/（g·kg ） 7.56 -1 Ca/（g·kg ） 11.44 -1 Mg/（g·kg ） 5.6 -3 容重/（g ·cm ） 1.54 Fig.1
a 40
土壤有机碳/（gkg-1）
35 30 25 20 15 10 5 0 CK T1 T2 T3 T4 d d c b
收稿日期： 2014-03-17；修回日期：2014-05-06
上影响土壤 CO2 。 随着研究的深入， 生物炭作为 土壤改良剂对农作物生长、土壤 CO2 影响结果与生 [13-14] 物炭种类及土壤的类型密切相关 ，目前国内关 于生物炭的研究多集中于对酸性土壤和热带亚热带 高度风化土壤，而对西南岩溶山区石灰土的研究鲜 见报道。基于此，本文将生物炭引入西南岩溶山区 石灰土改良研究，尝试探究蔗渣生物炭对岩溶山区 农作物生长、土壤 CO2 及岩溶作用的影响。以期为 生物炭在岩溶山区石灰土应用提供基础数据，为寻 求岩溶山区农业增产、 岩溶研究提供新思路新方法。
方培结，张超兰，曹建华，卜巧珍，张春来，杨慧．生物炭对岩溶区玉米生长、土壤 CO2 及岩溶作用的影响[J]．热带地理， 2014，34（4） ： ． FANG Peijie， ZHANG Chaolan， CAO Jianhua， BU Qiaozhen， ZHANG Chunlai， YANG Hui． Effect of Biochar on Maize Growth, Soil CO2 and Karstification in Karst Area[J]．Tropical Geography，2014，34（4） ： ．
玉米
土壤
土壤CO2 检测导管
石灰岩
淋溶水
图 1 盆栽试验结构示意
Schematic diagram of pot experiment
2%、T4：5%添加到土壤中，每个处理重复 3 次。 2013-04-26 播种玉米，每盆播种 4~5 粒种子，到了 三叶期选苗，每盆留 2 株长势一致的玉米苗。播种 前施加底肥氮 150 mg/kg、 磷 50 mg/kg、 钾 125 mg/kg （尿素、磷酸氢二铵、氯化钾） ，在玉米拔节期追施 一次肥（氮 150 mg/kg、磷 50 mg/kg、钾 125 mg/kg） 。 视天气和玉米的生长情况每隔 2~3 d 灌溉 1 次，每 2+ 1.1.3 玉米 选取试验点农民常见栽种农作物玉米 盆等水量的浇灌岩溶水 （富含 Ca 和 HCO3 ） 2~3 L。 （迪卡 008）作为试验栽培作物，玉米种子购买于桂 于 2013-08-12 采收玉米，分别采摘玉米秸秆、玉 林市农贸市场。 米棒和玉米根。 1.2 试验方法 在玉米的苗期、拔节期、抽穗期和成熟期分别 1.2.1 试验地点 野外盆栽试验地点位于桂林市灵 选择天晴的一天上午 T 09:00―12:00 测土壤 CO2 排 川县潮田乡毛村（25°10′ N，110°33′ E） ，土壤采集 放速率和土壤 15 cm 深处 CO2 体积分数。于 2013点和试验点都是典型的峰丛洼地和峰丛谷地，属中 06-02、06-11、06-29 收集降雨之后的土壤淋溶水， 2+ 亚热带湿润气候，降雨充沛，气候温和，年平均降 现场测定土壤淋溶水的 Ca 和 HCO3 质量分数。 雨量约 1 915.2 mm，年平均蒸发量 1 378.3 mm，年 1.2.3 分析测试方法 [17] 平均气温 18.8℃；受季风影响，全年的降水分配不 1） 生物炭。 阳离子交换量采用乙酸铵交换法 ， 均，降雨主要集中于 4―7 月，9 月到来年 2 月为旱 pH 采用炭水比 1﹕20（W/V） ，振荡 24 h 后静置测 [15] [18] 季，降雨量很少 。 量 ，TOC 和 TN 用德国 Elementar 公司生产的 CNS [19] 1.2.2 试验设计 试验采用直径为 31 cm、高 50 元素分析仪测定 ，灰分及磷、钾、钙、镁元素分 [20] cmPVC 圆筒装置（图 1） ，圆筒底部开有一直径为 2 析参照 Yuan 所描述的方法测定。 cm 的小孔，小孔配有阀门，用以收集土壤淋溶水。 2）土壤基本性质分析方法参照文献[21]。 底部放置直径约 3 cm 的石灰岩（5±0.1）kg，模拟 3）土壤 CO2 体积分数。参考文献[22]，自制土 石灰土底部碳酸盐岩基岩，石灰岩上装（25±0.1） 壤 CO2 体积分数收集装置。 将直径 25 mm、 长 15 cm kg 的石灰土,土与岩石之间用孔径约 1 mm 的尼龙网 PVC 管埋于离地面约 15 cm 处（见图 1） ，管壁钻有 [16] 隔开，离盆栽土面约 15 cm 深处埋设 CO2 收集管 ， 直径 5 mm 圆孔，作为气体交换孔；PVC 管一头用 上层栽种玉米。 橡胶塞塞住， 另一端用直径为 6 mm 软管导出地面， 试验设 5 个处理，每个处理生物炭以土壤质量 软管露出地面的一头用止水夹夹住， 防止 PVC 管中 分数 CK（参照组） ：0%、T1：0.5%、T2：1%、T3： 气体与大气交换。检测时采用日本 Gestec 公司（光
摘 要：为研究生物炭对岩溶区玉米生长、土壤 CO2 体积分数和排放速率及岩溶作用的影响，通过野外盆栽试验， 将蔗渣生物炭分别以土壤质量分数为 0%（CK） 、0.5%（T1） 、1%（T2） 、2%（T3）和 5%（T4）添加到石灰土中， 并栽培玉米。测定玉米生育期中土壤 CO2 体积分数和排放速率、土壤淋溶水中 Ca 和 HCO 3 质量分数；并测试玉 米收割后土壤有机碳质量分数和容重及玉米生物量。结果表明，添加生物炭增加土壤有机碳质量分数，显著降低 了土壤容重；2%和 5%生物炭添加显著增加了玉米秸秆干重、玉米棒干重和玉米根干重；在玉米苗期，5%生物炭 添加显著增加了土壤 CO2 体积分数和排放速率；在玉米拔节期、抽穗期和成熟期，2%和 5%生物炭添加显著增加 2+ 了土壤 CO2 体积分数、排放速率以及在此期间收集的土壤淋溶水 Ca 和 HCO 3 质量分数。由此可见，蔗渣生物炭 作为岩溶区石灰土改良剂，在一定程度上改良石灰土性质，促进了玉米生长，提高了岩溶区土壤 CO2 的体积分数 和排放速率，加快了岩溶作用。 关键词：生物炭；石灰土；玉米生物量；土壤 CO2；岩溶作用 中图分类号：S156；P595 文献标志码：A 文章编号：