宁夏淡灰钙土广泛分布于宁夏中北部，土壤有机质、氮、磷等养分含量极低，是宁夏地区乃至西北地区农业生产中主要的低质和障碍型土壤(金国柱等，2000).但随着人口的增加及粮食需求的加剧，淡灰钙土目前已成为宁夏重点开发利用的耕地资源.同时，现代灌溉技术的发展，使得更多的淡灰钙土成为宁夏综合发展农、林、牧、果及经济作物的重要基地.然而，有效的土壤改良技术的缺乏又严重限制了该类土壤的可持续开发.近年来兴起的生物炭技术为宁夏低质淡灰钙土壤的改良提供了一种新思路和途径.

生物炭(Biochar)是生物质在限氧条件下热解(≤700 ℃)形成的一种性质稳定的富含炭的材料(Lehmann et al., 2009)，其在改善土壤质地和肥力(陈红霞等，2011；张千丰等，2012)、增加作物产量(张明月，2012; 张伟明，2012)、固定大气中CO₂(姜志翔等，2013)、实现废弃生物质资源化利用(王震宇等，2013)等方面具有多重效益，已成为农业、环境、能源等众多领域的研究热点.Spokas等(2011)的报道指出，只有50%的研究中生物炭使作物增产，而其余50%的研究显示其对作物增产没有影响，甚至减少了作物产量.生物炭对于作物产量的减少作用主要是由于生物炭矿质养分含量较低，能直接供给土壤的养分很少，仅在氮含量很低或极贫瘠的土壤上才能明显提高产量(Lehmann et al., 2003；Verheijen et al., 2010).为了弥补生物炭对土壤养分的耗竭，在生物炭加入土壤的同时施加一定量的肥料，这对于作物的增产效果显著(Major et al., 2010；崔月峰等，2008).因此，将生物炭与肥料复合制备成生物炭改良剂已成为生物炭在农业领域一个新的研究方向.生物炭改良剂作为肥料缓释或控释的绿色环保材料，不仅可以起到土壤改良和固碳的作用，还能负载和吸附养分，减少土壤养分淋失，弥补生物炭养分不足的缺陷，同时赋予了肥料缓释和固碳的功能(高海英等，2013；何绪生等，2011).生物炭与肥料复合的方法主要有掺混、包膜、吸附及反应等工艺，其中，掺混是目前制备生物炭改良剂最简单的方法(高海英，2013).

基于此，本研究以花生壳为原料制备生物炭，同时采用掺混法制备一种基于花生壳生物炭的土壤改良剂，采用盆栽试验系统研究生物炭及其改良剂对宁夏低质淡灰钙土壤养分可利用性，以及小白菜生长及产量的影响，以期为生物炭技术在宁夏及西北地区低质土壤改良中的应用提供科学依据和技术支撑.

供试土壤取自贺兰山东麓银川市西夏区(38°38′N，106°08′E)精品果园基地表层(0~20 cm)，土壤为淡灰钙土，供试土壤基本性质见表 1.采集土壤风干后过2 mm筛备用.

表1(Table 1)

表1 供试土壤化学性质 Table 1 Chemical characteristics of soil

表1 供试土壤化学性质 Table 1 Chemical characteristics of soil pH 有机质/(g·kg-1) TN/(g·kg-1) NH+4-N/(mg·kg-1) NO-3-N/(mg·kg-1) TP/(g·kg-1) 盐度/(mg·kg-1) 注：NA表示未在风干土中检测到. 8.46 15 0.77 6.23 NA 0.58 20

试验所用生物炭(BC)以花生壳为原料，在350 ℃下厌氧热解2 h(Zheng et al., 2013a; 2013b)，获得的BC经粉碎过2 mm筛备用.生物炭改良剂(AD)以BC、花生壳粉末、硝酸铵、水等为原料，按照一定比例混合堆制30 d后，自然风干备用.供试BC和AD的基本理化性质如表 2所示.

表2(Table.2)

表2 生物炭(BC)和生物炭改良剂(AD)的理化性质 Table.2 The properties of biochar sample(BC) and BC-based amendment(AD)

表2 生物炭(BC)和生物炭改良剂(AD)的理化性质 Table.2 The properties of biochar sample(BC) and BC-based amendment(AD) 样品 pH NH+4-N/(mg·kg-1) NO-3-N/(mg·kg-1) PO3-4-P/(mg·kg-1) 灰分 BC 8.52 24.6 5.01 441 28.6% AD 8.43 170 1443 793 47.6%

试验采用20 cm×20 cm(直径×高)的塑料花盆，随机区组排列.试验设7个处理：BC和AD的添加比例分别为0、1.5%、3%和5%(相当于每公顷加入0、3.15、6.3和10.5 t)，各处理分别记做CK(空白对照)、1.5%BC、3%BC、5%BC、1.5%AD、3%AD和5%AD.每个处理设4个重复.将供试土壤和BC或AD按比例混合均匀后，每个花盆装入2.0 kg，土壤含水量为土壤最大持水量的60%.

供试植物选用“中白78”小白菜，采用育苗移栽法，育苗10 d后移栽，每盆移苗3棵.缓苗2周后，每5 d测定株高.移苗40 d后，采集植物和土壤样品，植物样品分为地上部和地下部，采用抖根法采集根际土壤样品(Wang et al., 2011)，土壤样品风干后，过2 mm筛备用.

BC和AD的pH按照1 : 20(m/V，g/mL)的比例在蒸馏水中振荡24 h后用便携式pH计测定；将BC置于750 ℃马弗炉中4 h后，待燃烧完全后测定灰分含量.NH⁺₄-N含量采用靛酚蓝比色法测定，PO^3-₄-P含量采用钼锑抗比色法测定.

植物样品用自来水冲洗晾干后，测定其鲜重，然后立即放入105 ℃烘箱中杀青30 min，再置于60 ℃烘箱中干燥至恒重，称量其干物重.植物样品全氮(TN)含量测定采用半微量开氏蒸馏法，全磷(TP)含量测定采用钼锑抗比色法.

土壤TN含量采用半微量开氏蒸馏法测定，TP含量采用H₂SO₄-HClO₄消解-钼锑抗比色法测定；pH按土水比1 : 2.5(m/V，g/mL)测定，上述植物和土壤样品的测定方法均参考文献(鲍士旦，2000)方法.

所有试验数据的统计分析利用Excel 2010软件，显著性分析采用DPS7.05软件.

BC和AD对小白菜生长期不同阶段株高的影响不同(图 1).BC处理中，在生长期的前25 d，只有5%BC处理显著增加了小白菜株高；25 d后，所有BC处理均显著增加了小白菜植株株高(p＜0.05).小白菜收获时(第39 d)，添加BC的处理比对照植株株高增加了37.3%~64.3%.对于AD处理，生长期的前25 d，只有1.5%AD处理显著增加了小白菜的株高；25 d之后，所有添加AD的处理均显著增加了植株株高.收获时，与对照相比，添加AD处理使小白菜株高增加了22.8%~57.7%.

图 1(Fig. 1)

图 1 生物炭(a)和生物炭改良剂(b)对小白菜株高的影响 Fig. 1 The effect of BC(a) and AD(b)adding on the height of Chinese cabbage

BC和AD对小白菜植株生物量的影响如图 2所示.在所有添加量处理中，BC和AD均显著增加了小白菜根系和地上部生物量(以干重计)(p＜0.05).与CK相比，BC处理的小白菜地上部生物量增幅达134%~277%，根系生物量增幅为100%~187%；AD处理的小白菜地上部生物量增幅达337%~360%，根系生物量增幅为239%~281%.随着BC和AD添加量的增加，小白菜生物量表现出不同的变化趋势.对于BC处理，小白菜地上部、根系生物量的顺序为1.5%BC＞3%BC≈5%BC；而对于AD处理，3种添加量处理的小白菜生物量无显著性差异.添加量相同时，AD处理对地上部和根系生物量的增加效果较BC处理更为明显.如当BC和AD添加量高于≥3%时，AD处理中的总生物量约是BC处理的2倍，表明AD较BC对小白菜的增产效果更强.

图 2(Fig. 2)

图 2 生物炭(a)和生物炭改良剂(b)对小白菜生物量的影响(不同小写字母表示不同添加量处理之间植株地上部或地下部干重存在显著性差异；不同大写字母表示不同处理之间植株总干重存在显著性差异) Fig. 2 The effect of BC(a) and AD(b)adding on the dry biomass of Chinese cabbage

生物炭处理对小白菜养分吸收影响的研究结果表明(图 3)，与对照相比，BC处理的植株地上部和根系TN含量无显著性差异；对于AD处理，1.5%添加量处理的小白菜地上部TN含量与CK相比无显著变化，根系TN含量显著增加，而5%添加量处理会显著增加地上部和根系TN含量，增幅达42.9%~111%.表明相对于BC，AD处理更能促进小白菜植株对土壤N素的吸收和累积，其对N素的累积量是BC处理的3.89倍.

图 3(Fig. 3)

图 3 生物炭和生物炭改良剂对小白菜植株中N和P的影响 Fig. 3 The effect of BC and AD adding on N and P content in Chinese cabbage

BC和AD处理的小白菜对P的吸收表现出与N不同的吸收特性.所有BC和AD处理对植株根系TP含量无显著影响，而BC处理可增加植株地上部TP含量，增幅达206%~264%，AD处理中，除1.5%AD处理地上部TP含量较对照显著降低外(降幅达39%)，其余无显著变化，表明AD对小白菜根系P素吸收影响不大.在相同的添加量下，BC处理与AD处理相比，根系TP含量无显著性差异，而AD处理地上部TP含量显著低于BC处理，这可能是因为AD处理后地上部生物量的增大导致的稀释效应.

生物炭对小白菜根际土壤pH的影响如图 4所示.BC处理中，当添加量≥3%时，非根际土壤的pH显著增加0.30，而所有BC处理中根际土壤的pH无明显变化，这与AD处理中根际土壤的pH变化一样，而非根际土壤的pH则在AD添加量≥3%时显著降低了0.24.此外，除3%的添加量外，其余相同添加量下，BC和AD对根际土壤pH的影响无显著性差异，而AD处理中的非根际土壤pH 显著低于BC处理，表明AD较BC明显降低了小白菜非根际土壤的pH.这说明BC和AD的添加导致了小白菜不同的根际效应.

图 4(Fig. 4)

图 4 生物炭和生物炭改良剂对土壤pH的影响 Fig. 4 The effect of BC and AD adding on soil pH

BC和AD对土壤TN和TP含量的影响见图 5.从图中可以看出，BC和AD对该土壤TN含量的影响不同.除5%BC添加量外，不同BC添加量对非根际土壤TN含量无显著影响，而均显著增加了根际土壤中TN的含量，增加量为24.6%~37.7%，且不同添加量之间无显著性差异(图 5a). AD处理中，当添加量为1.5%时，其对根际土壤的TN含量无影响；而显著增加了非根际土壤TN含量; 当添加量≥3%时，非根际土壤和根际土壤的TN含量均显著增加，增加量分别为59.3%~65.1%和21.1%~24.6%(图 5b).

图 5(Fig. 5)

图 5 生物炭和生物炭改良剂土壤N和P的影响 Fig. 5 The effect of BC and AD adding on the content of N and P in the soil

BC和AD对根际土壤和非根际土壤TP的影响也明显不同(图 5c，d)，BC和AD的添加均显著增加了根际土壤和非根际土壤中TP的含量.BC处理后的根际土壤TP含量增幅为23.9%~39.4%，非根际土壤为15.8%~19.7%；与BC处理相比，AD处理的根际土壤和非根际土壤TP含量增幅更为明显，分别达51.8%~100%和33.6%~58.0%.另外，AD处理中，根际土壤和非根际土壤的TP含量随着AD添加量的增加而增加.

早在19世纪，科学家们就开始关注土壤中添加生物炭对土壤改良及作物产量的影响(Lefroy，1873)，并建议在土被下慢速焖烧生物质然后施加到土壤中(施加量约0.54 kg · m^-2)来改善土壤农业性能.巴西亚马逊河流域“印第安黑土”(Terra Preta)的发现，引起了学者们对生物炭在农业领域中应用的关注(Glaser et al., 2001).随着人们对生物炭认识和研究的不断深入，生物炭在农业生产上的应用也逐渐受到重视(Spokas et al., 2011; 陈温福等，2013; 袁金华等，2012; 袁艳文等，2012).迄今为止，在水稻、玉米、高梁、小麦、大豆、花生、豇豆、萝卜、菠菜、西红柿、辣椒等作物上都已有了生物炭促进其生长的报道(Graber et al., 2010; Spokas et al., 2011; 陈温福等，2013; 张晗芝等，2010; 张伟明等，2013).Lehmann等(2003)模仿亚马逊流域高产的“Terra Preta”土壤，将生物炭分别以68和135 t · hm^-2的添加量混入土壤中，发现水稻和豇豆的生物量提高了38%~45%.Graber等(2010)在栽培基质中(椰子纤维和凝灰岩混合物)中加入1%~5%的柑橘木生物炭后，辣椒植株生物量增加了28.4%~228.9%，果实产量提高了16.1%~25.8%.本研究也表明，不同添加量的BC和AD均在一定程度上增加了小白菜株高，表明二者对小白菜的生长均起到了促进作用.BC和AD促进株高的效果均在小白菜生长后期更为明显，其中BC效果更佳；进一步的研究发现，两种添加剂均提高了小白菜的生物量，对小白菜具有显著的增产效果，且AD的增产效果明显强于BC.

然而，生物炭对作物生长的效应并不一致.Spokas等(2011)综述了近年来生物炭对作物产量的影响，发现其中约50%的研究中生物炭促进了作物的生长，30%则无影响，而其余20%甚至减少了作物的产量.这些研究中使用的生物炭和土壤类型众多，表明一种生物炭并不能解决所有的土壤问题(Novak et al., 2013).因此，针对具体土壤的特定问题，开发“功能生物炭”成了当前生物炭在农业领域的重要研究方向，生物炭改良剂的研发正是基于“功能生物炭”的理念.

生物炭改良剂研发的重要内容之一是探究生物炭与肥料的相互作用，目前已获得了积极反馈(陈温福等，2013；何绪生等，2011；张喜娟等，2013).Chan等(2007)研究发现，以50和100 t · hm^-2的添加量加入生物炭的同时在土壤中加入N肥(100 t · hm^-2)，萝卜的产量分别提高了95%和120%，显著高于单独添加生物炭.在国内，研究者将生物炭与化肥混合，发明了专用炭基肥料(高海英，2013;何绪生等，2011).崔月峰等(2008)对颗粒炭及以炭为基质的两种新型缓释肥在玉米生产上的效应进行了研究，发现添加颗粒炭的普通肥料和新型缓释肥都能有效地改善玉米的农艺性状，使叶面积、根数等有所增加，玉米产量提高了7.6%~11.6%.本研究设置了BC中添加了N肥等添加剂的AD处理，发现AD处理对小白菜的增产效果比BC处理更强，增产效果约为BC的2倍(图 2).然而，生物炭改良剂的研究及应用在生物炭领域刚刚起步，基础还十分薄弱.

生物炭对作物生长及产量的影响还与作物种植时间密切相关，其生长随时间的延长表现出一定的累加效应(陈温福等，2013).Major等(2010)进行的多年连作试验表明，施用20 t · hm^-2生物炭的土壤，第1年玉米产量并未提高，但在随后的3年中产量逐年递增，分别比对照提高了28%、30%和140%.而本研究中，小白菜的生长时间较短，仅1个多月，且单季种植，未进行连续栽培.因此，在此类低质土壤上，生物炭对小白菜增产是否存在时间的累加效应还待进一步研究.另外，土壤类型也与生物炭对作物产量的影响密切相关.目前，关于生物炭对作物增产的研究国际上主要集中在热带高度风化的土壤区域，国内主要集中在南方酸性土壤上，而我国西北地区大量存在的障碍性土壤(如宁夏低质淡灰钙土)和中低产田的相关研究极少.

生物炭对作物生长发育和产量影响的效应表现不一，但总体来说是正向效应大于负向效应(Manyà，2012；Spokas et al., 2011；陈温福等，2013).产生正向效应的原因主要来自以下几个方面：①生物炭自身含有一定数量的对作物生长发育有益的元素(如N、P、K、Ca等)，可为作物生长发育提供良好的养分供应(Zheng et al., 2013b).本研究中，BC和AD中的NH⁺₄-N含量分别为24.6、170 mg · kg^-1，PO^3-₄-P含量分别为441和170 mg · kg^-1，灰分含量分别为28.6%和47.6%(表 1)，表明BC和AD中含有大量的可利用性养分，而且AD中的养分含量显著高于BC，这可能是BC和AD提高小白菜产量，同时AD增产效果更为明显的主要原因之一.②施用生物炭有助于改善土壤理化性状，如pH、容重、孔隙度、持水性等，这些条件的改变对于促进作物生长发育有重要作用(Zheng et al., 2013a；袁金华等，2012；张明月，2012；张伟明，2012).本研究也发现，BC处理中非根际土壤pH增加，AD处理的非根际土壤pH降低(图 4)，这主要是由BC和AD性质的差异引起的.BC中的灰分物质易引起土壤pH升高(表 2)(袁金华等，2012)，虽然AD的灰分含量较高，但其含有的硝酸铵及花生壳在土壤中的降解均会引起土壤pH的下降.然而，BC和AD处理中，根际土壤与对照相比未发生显著变化，这表明BC和AD对小白菜产生了不同的根际效应.BC处理中，由于BC的添加引起了非根际土壤pH的增加，从而使土壤N、P等养分的可利用性暂时降低，导致土壤中养分的短暂亏缺；在此胁迫条件下，小白菜根系分泌质子和有机酸的强度增加，抵消掉了BC的添加导致的根际土壤pH的增加，最终确保了小白菜养分的正常供应(张福锁，1993).然而，AD较BC养分含量高(表 2)，在土壤中不会导致N、P等养分的亏缺，小白菜根系吸收的氮素以硝态氮为主，根系分泌出OH^-或HCO^2-₃使根际pH 值升高(范晓晖等，1992).宁夏低质土壤较高的pH是其除养分含量较低外影响作物生长的主要原因.AD的添加使土壤的pH得到了一定程度的降低(8.15~8.29)，更接近于小白菜种植的最适pH=7.0，这也可能是小白菜产量增加的又一原因.③生物炭属于多孔碳质材料，比表面积较大，在施入土壤后，可为微生物生长提供C源和栖息微环境，从而有利于微生物的生存繁衍，增加土壤中有益菌群数量，增强土壤生态系统功能，为作物根系提供良好的生长环境(Lehmann et al., 2011；陈温福等，2013；王震宇等，2013).本研究中，BC和AD均促进了小白菜根系的生长(图 2)，有待进一步证实生物炭是否加强了土壤微生物的作用.④生物炭可通过为植物根系提供养分、改变土壤物理化学性质、调节土壤微生物群落结构等直接和间接作用，促进植物根系生长，扩大植物根际微域，增强植物根际效应，这样则可提高土壤养分利用效率，促进作物增产(Prendergast-Miller et al., 2014).本研究中，BC和AD均增加了小白菜根系干物重，表明了两者都扩大了小白菜的土壤根际微域.因此，也提高了N的利用有效性(表 3)，并分别在BC为1.5%、AD为3%时达到最大，N的利用有效性增幅达250%和396%，表明BC和AD处理后，减少了小白菜生长对N肥的需求量.另外，BC对P的养分利用有效性无影响，而AD增强了其养分利用有效性(表 3).生物炭增强土壤中养分的利用有效性，这将会带来潜在的、巨大的农业和环境效益.通过减少肥料的施用，降低粮食生产成本，减轻土壤N₂O等的释放，降低面源污染的风险等.与BC相比，AD更适宜于在此类低质土壤中施用.

表3(Table.3)

表3 生物炭和生物炭改良剂对小白菜养分利用有效性的影响 Table.3 The effect of BC and AD adding on N and P availability

表3 生物炭和生物炭改良剂对小白菜养分利用有效性的影响 Table.3 The effect of BC and AD adding on N and P availability 处理 N利用有效性/(g·mg-1) P利用有效性/(g·mg-1) CK 0.24d 0.21c 1.5%BC 0.84b 0.21c 3%BC 0.63bc 0.15c 5%BC 0.65bc 0.12c 1.5%AD 0.76b 1.19a 3%AD 1.19a 0.96ab 5%AD 0.45cd 0.75b

在宁夏低质土壤中添加BC和AD能够增加小白菜株高，与对照相比，株高分别增加了37.3%~64.3%和22.8%~57.7%(39 d).在所有添加量处理中，BC和AD均显著增加了小白菜根系和地上部生物量.BC处理中，小白菜地上部、根系生物量的顺序为1.5%BC＞3%BC≈5%BC，而AD处理中，3种添加量的小白菜生物量无显著性差异.BC和AD养分的直接贡献及其引起的根际效应的增强是小白菜增产的主要原因.BC和AD引起的根际效应的增强，均增加了小白菜对N的养分利用有效性，但只有AD增加了小白菜对P的养分利用有效性，BC对P的养分利用有效性无影响.综上所述，BC和AD均可以作为改良宁夏低质淡灰钙土的改良剂，且AD的效果更佳.