作物秸秆生物质炭抑制土壤酸化的效果及机制研究

【作者】 时仁勇； 徐仁扣；

【机构】 土壤与农业可持续发展国家重点实验室中国科学院南京土壤研究所；

【摘要】 近年来,由于酸沉降和铵态氮肥的过量施用导致我国农田土壤酸化速度大大加快,铝锰毒害加重,危害农作物生长。土壤酸缓冲容量（pHBC）是决定土壤酸化速率的关键因素。酸缓冲容量越高,土壤抗酸化能力越强,能够有效减缓土壤酸化过程。已有研究表明,施用秸秆生物质炭能够有效提高土壤抗酸化能力,然而相关机制并不清楚。本研究选取400℃厌氧热解3h制备的油菜秸秆炭、稻草炭、玉米秸秆炭和花生秸秆炭以及不同母质发育的酸性土壤,通过室内培养实验和模拟酸化实验探究了秸秆生物质炭提高土壤抗酸化能力,减缓土壤酸化过程的效果及机制。研究结果表明,施用秸秆生物质炭不仅能够提高土壤pH,而且显著提高了土壤pHBC,增强了土壤的抗酸化能力,进而有效减缓了土壤的酸化过程。在四种秸秆生物质炭中,花生秸秆炭对土壤pHBC和抗酸化能力的提升效果最为显著。这一提升效果在土壤CEC较低的红砂土中更为明显。结合生物质炭和土壤的酸化过程以及衰减全反射红外光谱技术（ATR-FTIR）发现,生物质炭ATR-FTIR光谱上与COO～-相关的吸收峰（1375 cm～（-1））随体系pH降低而减小,而与COOH相关的吸收峰（1700cm～（-1））呈相反的变化趋势。在土壤的酸化过程中,土壤表面负电荷量降低,生物质炭的添加则显著促进了土壤酸化过程中土壤有效阳离子交换量（ECEC）的降低。这些结果表明,生物质炭表面羧基等弱酸性官能团阴离子与H～+发生缔合反应,形成中性分子,并释放交换性盐基阳离子（生物质炭-COO～-+H～+生物质炭-COOH）,这一过程是生物质炭提高土壤pH缓冲容量的主要机制。此外,通过施用尿素模拟土壤硝化产酸过程模拟农田土壤酸化过程发现,与Ca（OH）₂处理相比,施用花生秸秆炭和稻草秸秆炭使土壤硝化过程少产生了1.4 mmol kg～（-1）和7.5 mmol kg～（-1）的质子。这些结果表明,生物质炭的施用不仅能够提高土壤抗酸化能力,而且能够有效抑制土壤硝化作用进而减少质子产生,起到抑制土壤酸化的双重作用。该项研究可为我国热带和亚热带地区土壤酸化阻控提供理论依据和技术支撑。更多还原