生物质炭(Biochar)是生物质材料在缺氧条件下高温(小于700 ℃)裂解制备的高碳含量物质^[1]，其在农业中的应用最早可追溯到两千多年前，然而直到近十多年才引起广泛关注^[2]。大量研究表明，生物质炭可有效改善土壤理化性质^[3]、修复土壤污染^{[1, 4]}、调节微生物群落结构并缓解作物土传病害等^[5-6]；此外，由于生物质炭性质稳定，不易分解，将其施入土壤并用于农业生产被认为是应对由于大气CO₂浓度增加所导致的全球变暖问题的良好途径，因而也备受关注^[7]。

土壤干旱、酸化、盐渍化与肥力下降等已成为制约现代农业发展的主要因素^[8-11]。大量研究表明，向土壤中施加生物质炭可有效改善上述问题，主要因为：①生物质炭密度较小，且有巨大的比表面积，能降低土壤容重并对土壤水分起到吸附作用，从而提高土壤持水能力，缓解干旱气候对作物的影响^{[2, 12]}；②大多数类型的生物质炭呈天然碱性，可有效中和酸性土壤，缓解土壤酸害^[13]；③生物质炭可对土壤盐分起到吸附作用，减少土壤中溶解性盐分含量以及植物对盐分的吸收^[14]；④生物质炭本身含有大量养分元素，且在制作过程中会产生一定含量的速效养分，从而提高土壤养分可利用性与肥力^[1]。然而，也有研究表明，由于生物质炭本身可能含有一定量的盐分，短期内可能导致土壤含盐量增加；此外，生物质炭的施加也可能导致土壤孔隙度增加，水分蒸发加强，从而导致土壤含水量降低^[14]。

我国南方广泛分布着酸性红壤，酸度高、肥力低^[15]；一些地区由于常年使用化学肥料，导致土壤表层盐分聚集，严重影响作物生长^[16]。此外，随着全球变化加剧，降水不均与耕地供水不足等也常导致土壤短期或长期干旱，对农业产生具有严重威胁^[17]。本研究利用室内盆栽试验，通过探讨不同生物质炭施加量对旱地酸性红壤理化性质(土壤含水量、pH、电导率与氮磷含量)的影响，以期为其科学应用提供试验依据。

1 材料与方法 1.1 研究材料

本研究供试土壤于2018年3月17日采挖自云南师范大学研究生实践实习基地，为旱地酸性红壤区，冬春季节干旱少雨。土壤pH为5.07，含水量为9.00%，NH₄⁺-N含量为3.02 mg/kg，NO₃^--N含量为43.40 mg/kg，有效磷含量为2.98 mg/kg。供试生物质炭为稻壳生物质炭，由云南威鑫农业科技股份有限公司提供，生物质炭pH为9.95、NH₄⁺-N含量为0.69 mg/kg、NO₃^--N含量为17.08 mg/kg、有效磷含量为347.87 mg/kg。

1.2 研究方法

本研究设置了生物质炭/土壤比例分别为1%、2%、3%、4%及对照CK共5个处理，每个处理5次重复的室内盆栽试验。按不同比例生物质炭与5 kg土壤(干重)混匀后装入花盆编号，每盆一次性均匀浇洒1 L蒸馏水后模拟干旱(温室内自然放置) 30 d，随后测定土壤含水量、pH、电导率与氮磷含量。土壤含水量根据标准HJ 613-2011进行测定，土壤pH根据标准NY/T 1377-2007进行测定，土壤电导率用土壤EC计(YN-EC100)测定，土壤有效磷(Olsen P)含量参照《土壤农业化学分析方法》^[18]进行测定，NO₃^--N与NH₄⁺-N含量根据标准LY/T 1228-2015，用流动分析仪(AA3, Seal Analytical, ltd. Germany)进行测定。本研究用电导率反映土壤含盐量的相对水平^[18-19]。

1.3 数据分析

用Shapiro-Wilk检验探讨各变量的正态性，土壤NH₄⁺-N含量不服从正态分布(P < 0.05)，故用对数转换后再进行后续分析。用单因素方差分析与Duncan多重比较检验不同生物质炭施加量对土壤含水量、pH、电导率及氮磷含量的影响，用线性回归与曲线模拟研究其随生物质炭施加量的变化规律。用结构方程模型探讨土壤生物质炭含量、pH、NH₄⁺-N、有效磷的因果关系，模型接受标准为：P > 0.05，RMSEA (渐进残差均方和平方根) < 0.08^[20-21]。结构方程模型分析用AMOS 22.0进行(IBM Ltd, Chicago, IL)，其他统计分析均用SPSS16.0进行(SPSS Inc., Chicago, IL)。

2 结果 2.1 生物质炭对土壤含水量、pH与电导率的影响

方差分析表明，不同生物质炭施加量对土壤含水量、pH与电导率均具有显著影响(土壤含水量：F = 8.059，P < 0.001；pH：F = 51.487，P < 0.001；电导率：F = 221.489，P < 0.001)(表 1)。Duncan多重比较分析表明(图 1)，与对照相比较，施加1%的生物质炭显著减少了土壤含水量(16.49%)，而4%的生物质炭施加量则显著提高了土壤含水量(19.54%)；不同生物质炭施加量均显著提高了土壤pH，当施加量为4%时，土壤pH达6.826，较对照提高了1.758；不同生物质炭施加量均显著影响了土壤电导率，当施加量为4%时达1.630 mS/cm。线性回归与曲线模拟分析表明，生物质炭施加量与含水量的关系更趋向于二次函数曲线关系(R² =0.488，P < 0.001)；生物质炭与土壤pH及电导率呈线性关系，土壤生物质炭含量解释了85.1%的土壤pH变化及94.7%的电导率变化，表明施加生物质炭对上述两个土壤因子的重要影响(图 2)。

2.2 生物质炭对土壤氮磷养分可利用性的影响

方差分析表明，不同生物质炭施加量对土壤NH₄⁺-N与有效磷具有显著影响(NH₄⁺-N：F = 6.840，P = 0.001；有效磷：F = 27.574，P < 0.001，表 1)。Duncan多重比较分析表明(图 1)，与对照相比较，施加生物质炭显著降低了土壤NH₄⁺-N含量，而土壤有效磷含量则显著提高；施加生物质炭对土壤NO₃^--N含量无显著影响。线性回归与曲线模拟分析表明(图 2)，土壤NH₄⁺-N含量随生物质炭施加量显著降低(R² =0.242，P = 0.012)，而有效磷与生物质炭施加量的关系趋向于三次函数曲线关系(R² =0.846，P < 0.001)，即一定量的生物质炭施加(1% ~ 3%)虽然提高了土壤有效磷含量，但幅度不大，当提高到4%时，土壤有效磷含量迅速提高，达12.82 mg/kg；土壤生物质炭施加量与NO₃^--N含量无显著因果关系。

2.3 基于结构方程模型的土壤生物质炭施加量、pH、NH₄⁺-N与有效磷因果关系

施加生物质炭显著影响土壤pH、NH₄⁺-N与有效磷含量(图 2)，而土壤pH又与NH₄⁺-N、有效磷含量显著相关(图 3)。结构方程模型分析表明(图 4)，pH是生物质炭影响土壤有效磷含量的关键中间因素(P = 0.349；RMSEA < 0.001)，然而，其并非影响NH₄⁺-N含量的中间因素(P = 0.081，RMSEA = 0.292)。

3 讨论 3.1 生物质炭对土壤含水量、pH与电导率的影响 3.1.1 施加生物质炭与土壤含水量

由于生物质炭密度较小，且具有吸附水分的能力，施入土壤后可有效降低土壤容重，提高持水能力，缓解干旱气候对作物的影响^{[12, 14]}。如代快等^[22]研究了生物质炭对云南典型植烟土壤持水性的影响，发现施加生物质炭显著提高了土壤持水能力与烤烟产量；潘金华等^[23]研究了生物质炭添加对皖南旱地土壤水分特征的影响，发现生物质炭在一定程度上减少了水分蒸发，提高了土壤的保水保湿能力。然而，也有研究报道生物质炭施加量与土壤保水保湿能力的非线性关系；如曾爱等^[24]研究了生物质炭对塿土土壤含水量的影响，发现土壤含水量随生物质炭施用量提高呈先降低后升高趋势。本研究发现，经过一个月模拟干旱后，土壤含水量随生物质炭施加量的变化呈二次函数曲线关系，即高量生物质炭(4%)的添加提高了土壤含水量，而低量生物质炭(2%)的施加反倒使土壤含水量降低(图 2A)，与曾爱等^[24]的研究结果类似。可能是由于生物质炭的添加在一定程度上提高了土壤持水能力，但这也可能导致土壤孔隙度增大，水分蒸发加强，从而使其含水量降低。

3.1.2 施加生物质炭与土壤pH

生物质炭由于其组成特征，往往呈碱性。Yuan等^[13]研究发现，生物质炭表面的-COO^-和-O^-等有机官能团和生物质炭中的碳酸盐是碱的主要存在形态，碳酸盐对生物质炭碱的贡献随制备温度的升高而增加，而有机官能团的贡献呈相反的趋势。大量研究证实了生物质炭对酸性土壤的改良作用，如张祥等^[25]研究了生物质炭对我国南方红壤和黄棕壤理化性质的影响，发现施加生物质炭能明显提高土壤pH，当施加量为2.0%时，红壤pH平均增加了0.61，黄棕壤pH增加0.55。应介官等^[26]研究发现，生物质炭能显著提高土壤pH，并有效缓解铝富集酸性土壤的毒性。本研究表明，不同生物质炭施加量(1% ~ 4%)均显著提高了酸性红壤pH (图 2B)，当施加量为4%时，土壤pH较对照提高了1.76，达到6.83 (图 1)。根据鲁如坤^[18]总结，土壤pH在6.5 ~ 7.0时，对磷素及其他养分元素的固定最少，有利于植物吸收养分，促进植物生长。因此，向酸性土壤中施加生物质炭可有效调节土壤酸性，并有望改善土壤养分可利用性及缓解铝毒等危害^{[18, 26]}。

3.1.3 施加生物质炭与土壤含盐量

研究表明，由于生物质炭具有巨大的比表面积，能吸附土壤中的水溶性盐分^[14]，改善植物对盐分特别是钠离子的吸收^[12]，从而缓解由于土壤盐渍化给作物带来的危害。农明英等^[27]研究发现，施加生物质炭对改良大棚次生盐渍化土壤有显著影响，其不仅降低了土壤全盐量和电导率，还提高了作物产量；孙运朋等^[28]研究发现，向土壤中施加生物质炭促进了土壤盐分淋洗；然而，生物质炭本身也含有一定量的可溶性盐分^[14]，施入土壤后，短期内可能导致土壤含盐量增加。如吴萍萍等^[29]研究发现，施加普通与载铁生物质炭均显著提高了土壤电导率，周丽丽等^[30]研究发现，施加秸秆生物质炭提高了冻融期棕壤的电导率。本研究表明，向土壤中施加生物质炭显著提高了土壤电导率(图 2C)，且随施加量的增加而不断提高，可能是由于生物质炭本身含有一定量的水溶性盐分，施入土壤后短期内使土壤含盐量增加，电导率提高，这也说明施加生物质炭短期内可能并不能改善土壤盐渍化，降低植物盐害。

3.2 生物质炭对土壤氮、磷养分可利用性的影响 3.2.1 施加生物质炭与土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N含量

NH₄⁺-N与NO₃^--N是作物能直接利用的两种氮素形式，不同研究揭示生物质炭对土壤氮可利用性的影响存在差异。如陈心想等^[31]研究发现施加生物质炭明显提高了土壤中的矿质态氮(NH₄⁺-N与NO₃^--N之和)含量，张祥等^[25]研究发现生物质炭施加量为2.0%时，红壤碱解氮含量提高了约30%；而张瑞等^[32]研究发现，施加生物竹炭显著降低了土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N含量。PH是土壤最重要的属性之一，对土壤氮素循环和植物生长发育产生重要影响^[33]。本研究表明，施加生物质炭显著提高了土壤pH并使NH₄⁺-N含量降低，可能是由于随着生物质炭施加量的提高，土壤pH升高，促进了NH₄⁺-N的挥发；然而，结构方程模型分析并不支持这一假设，说明还有其他因素与更为复杂的机制导致土壤NH₄⁺-N降低，有待进一步研究。土壤NO₃^--N含量与生物质炭施加量无显著关联性，可能是由于本研究所用生物质炭本身NO₃^--N含量较低，且其在土壤中短期内相对稳定，从而导致其对土壤NO₃^--N含量影响较小。

3.2.2 施加生物质炭与土壤有效磷含量

研究表明，施加生物质炭可有效提高土壤磷可利用性，如高利华与屈忠义^[34]研究发现，土壤有效磷含量随施炭量增加而显著增加；郑慧芬等^[35]研究发现，向土壤中添加生物质炭显著提高了茶园溶磷细菌的数量，土壤pH与碱性磷酸酶活性，有利于土壤磷素的活化与利用。本研究发现，施加生物质炭显著提高了土壤有效磷含量，由于研究中使用的生物质炭具有较高的有效磷含量，施入后可能会直接导致土壤磷可利用性提高；此外，施加生物质炭提高了土壤pH，而土壤pH是影响磷可利用性的关键因素^[18]。本研究发现，土壤pH与磷可利用性具有极高的关联性(R² =0.819，P < 0.001，图 3B)，结构方程模型分析表明，土壤pH是生物质炭影响土壤磷可利用性的关键中间因素(图 4B)。这说明，除生物质炭施加对有效磷的直接影响外，随着土壤生物质炭含量的增加，pH随之提高，土壤对磷素的固定减少，从而使磷可利用性水平提高。

4 结论

本研究发现，施加生物质炭显著影响了酸性红壤土壤含水量、pH、电导率、NH₄⁺-N与有效磷含量。需要注意的是，生物质炭对这些土壤因子的影响有时并非线性的，如生物质炭与土壤含水量的关系更趋向于二次函数关系，与有效磷的关系更趋向于三次函数关系。土壤pH、电导率与生物质炭施加量呈线性关系，随生物质炭含量的增加而提高，NH₄⁺-N随生物质炭施加量的提高而显著减少，而NO₃^--N含量与生物质炭的施加无显著关系。在改良酸性红壤时，还可以进一步提高生物质炭的施加量，以改善土壤酸碱度并提高养分可利用性。本研究表明，当生物质炭施加量为4%时，土壤pH近中性(6.83)，且土壤含水量、有效磷含量最高；然而，施加生物质炭也可能会带来一些不良影响，且不同原材料与生产工艺得到的生物质炭理化特征也会有所不同^[5]。因此，在大规模应用过程中，建议先进行试验研究，针对不同土壤特点与生物质炭的理化特征，制定合理的施用方案。