新疆棉稈熱解產(chǎn)物的科學(xué)利用
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作者：鄭曉蒙
新疆是我國主要棉花產(chǎn)區(qū)，每年生產(chǎn)棉花的同時會產(chǎn)生大量的棉稈，曰前棉稈利用多樣化，粉碎還田、火力發(fā)電和發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，但仍舊存在環(huán)境隱患和成本制約。其熱解產(chǎn)物木醋液是一種酸性有機混合物，可有效降低鹽堿土的pH值。但鮮有木醋液對鹽堿土壤特性影響的研究。
本試驗借鑒和應(yīng)用鹽堿土改良理論、技術(shù)和方法，研究生物質(zhì)熱解產(chǎn)物對鹽堿土特性的影響，考察其對鹽堿土壤特征值——酸堿度(pH)、鹽分(c)、堿化度(ESP)和鈉吸附比(SAR)的影響規(guī)律，為鹽堿土壤改性及棉稈資源再利用提供依據(jù)。
1材料與方法
1.1供試材料
棉稈木醋液：棉稈采自阿拉爾墾區(qū)十團團場，取0.5 kg棉稈放置密閉熱裂解反應(yīng)器中，最高溫度設(shè)置為550 0C．持續(xù)1h，裂解產(chǎn)生的氣體經(jīng)過冷卻后，收集液體并靜置24 h后取水相部分，放人棕色密閉瓶中待用。其理化性質(zhì)如表1所示。
棉稈炭肥：本試驗所選取的棉稈炭是在制備木醋液過程中同步制取的。用研缽將所得的棉稈炭研細，使其通過2 mm的篩子備用。在塔里木大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院奶牛飼養(yǎng)場收集牛糞，自然風(fēng)干，然后將其粉碎，通過2 mm篩子，將牛糞和生物炭按照體積比1：3的比例混合，噴灑適量的水，將混合物攪拌均勻放人塑料桶中無氧發(fā)酵2周，測量其有機質(zhì)為15.8 g/kg，pH值在25℃時為9.38。
土壤：測試土壤采自阿拉爾塔里木大學(xué)周邊十團的棉田地。以直徑2m的圓為取樣點，取o~10 cm土層土壤，以W的形式取5點，挑出草根殘渣，去掉石頭，自然風(fēng)干，使其分別通過1 mm，0.15 mm的篩子，混合均勻備用。依據(jù)鹽分組成特點可測定土壤樣品為氯化物鹽土，依據(jù)總鹽量又可測定為強鹽堿土，其土壤樣品的基本理化性質(zhì)如表2所示。
1.2試驗設(shè)計
取上述土壤樣品500 g置于500 mL燒杯中。單因素試驗中，分別將木醋液稀釋50倍，400倍，750倍，800倍，1 000倍，1 200倍，l 400倍7個水平，稀釋后的木醋液按1:10的比例添加到土壤樣品中，每7d添加一次。棉稈炭肥設(shè)計5個水平，分別為5，10，15，20，25 g，一次加入，后添加等容積木醋液的水。多因素試驗采用正交試驗表L9( 34)。試驗每7d取樣一次，試驗周期為4周。
1.3分析方法
pH值：稱取10 g過1 mm篩的風(fēng)干土壤樣品，按照1:1的比例添加蒸餾水，搖勻，靜止30min，放在型號為HH-6的恒溫數(shù)顯水浴鍋里恒溫25℃保持0.5 h，采用上海雷磁儀器廠制造的PHS-3C型pH計測定其pH值。
c，SAR，ESP值：稱取140 g預(yù)處理好的土壤樣品，按照1:5的比例添加蒸餾水，震蕩3 min．于4 0c冰箱靜止，以獲取較清亮的浸提液，然后將浸提液分成若干份。采用雙氧水去有機質(zhì)烘干法測量土壤的全鹽；采用EDTA滴定法測定土壤的Ca2+和Mg2+含量；采用火焰光度計測定Na+含量；采用標(biāo)準(zhǔn)硝酸銀溶液滴定法測定Cl-含量。
1.4數(shù)據(jù)處理
對單因素處理土壤理化性質(zhì)作圖分析，并對多因素多指標(biāo)試驗進行曲線擬合、綜合評價與方差分析。
2結(jié)果與分析
2.1木醋液對土壤指標(biāo)影響的變化趨勢
不同濃度木醋液處理鹽堿土壤，對其pH值，c，SAR和ESP影響的變化趨勢如圖1所示。
2．1.1不同濃度木醋液處理對土壤pH值的影響
如圖1所示，原試驗土壤pH值為8.55，加入不同濃度梯度的木醋液。第1周，pH值均呈顯著下降趨勢，最高濃度和最低濃度曲線居中，稀釋750倍作用效果最顯著，pH值降低。第2周，稀釋800倍的處理效果最顯著，1 400倍的有同彈趨勢，但仍比原試驗土壤pH值小，其它倍數(shù)的處理效果趨勢與第1周基本相同。第3周，pH值普遍上升，上升值相對集中在0.1—0.2。第4周，pH值均小于初始值，且彼此間變化有差異。從圖l中局部放大
圖可知，稀釋倍數(shù)為1 000倍和1200倍時影響顯著，pH由8.55降到8.26。造成pH值降低可能是由于木醋液本身呈酸性，改變了土壤吸收性鹽基成分，增加鹽基代換容量，調(diào)節(jié)土壤的酸堿度。
2.1.2木醋液不同處理對土壤c值的影響
如圖1所示，全鹽含量均比初始值大，說明經(jīng)過木醋液處理后，可溶性全鹽增多（可能試驗檢測操作不當(dāng)，排除第3周400倍的異常值），原因是在第1周內(nèi)，木醋液與土壤膠體反應(yīng)，生成大分子絡(luò)合物．由于鹽分沒有及時淋洗到體外，土壤中的鹽分重新分配成小分子可溶性鹽，留在土體中。土壤中的離子與其它指標(biāo)都是相關(guān)聯(lián)的，改變pH的同時，也改變了土壤中H+．OH-分布，影響Na+，K+，S042-，Ca2+，Mg2+，HC03-，C032-等離子置換與變
化。經(jīng)過4個周期的培養(yǎng)，稀釋750倍影響最顯著，使可溶性鹽分達到最大值，此時全鹽的含量增加了2.84 g/kg，鹽分重新分配，鈣鹽、鎂鹽和鈉鹽含量增多。
2.1.3木醋液不同處理對土壤SAR，ESP值的影響
堿化度SAR和鈉吸附比ESP關(guān)系到土壤的結(jié)構(gòu)性狀，一般堿化度越高，說明土壤的顆粒越分散，不易溶解，容易導(dǎo)致“濕成泥漿，干成粉灰”，土壤板結(jié)，透水、透氣性差，嚴重影響作物的生長。由圖1的ESP曲線圖可看出，隨著時間的變化．ESP呈先降后升再下降的變化趨勢．SAR與ESP變化趨勢相同，但是特征值大小有區(qū)別。第1周，SAR,ESP均下降，下降值集中，只是800倍和1200倍下降的值略小。第2周，SAR與ESP變化最終值較集中。在第3周時，1 200倍的稀釋液能最大幅度降低土壤的堿化度和鈉吸附比，土壤中的
鈣鎂鹽離子含量相對增加，Na+含量相對減少。第4周，50倍的稀釋液對SAR值降低幅度最大，差值為1.28，ESP最低值為7.80，降低了2.50。連續(xù)4周的處理，每周的測量值均小于初始值，證明木醋液對鹽堿土的影響顯著。由離子計算可得，SAR．ESP與土壤離子有直接的關(guān)系，離子的析出與結(jié)合導(dǎo)致土壤堿化度和鈉吸附比的變化。降堿過程是一個復(fù)雜的過程，土壤巾離子不斷交叉變化，導(dǎo)致每周測量的特征與效果不同。
2.2棉稈炭肥對土壤指標(biāo)的影響
棉稈炭肥各處理對土壤四周pH值，c，SAR，ESP的影響變化趨勢如圖2所示。
2.2.1棉稈炭肥不同處理對土壤pH值的影響
試驗土壤初始pH值為8.55，棉稈炭肥的pH值為9.38。由圖2可知，pH測定值只有第1周降低，有顯著的處理效果。第1周，添加5g棉稈炭肥使土壤pH值降低了0.86，之后每次取樣測定pH值都升高，并且隨著棉稈炭肥添加量的增加而升高，主要原因可能是棉稈炭肥顯堿性以及土壤中的微生物分解產(chǎn)生的有機質(zhì)和C02與水結(jié)合形成OH-所致。棉稈炭肥經(jīng)過化學(xué)方法檢測，有機質(zhì)含量較高，且pH值較高，添加到土壤里面理應(yīng)增加土壤的pH值，但是在第1周使用5g炭肥處理的樣品中，pH值比初始值明顯降低，且隨著炭肥含量的增加pH值越低；在后幾個取樣周期里，由于炭肥本身顯堿性，土壤與炭肥經(jīng)充分攪拌
后，使炭吸附面積吸附離子達到飽和，造成pH值上升。
2.2.2棉稈炭肥不同處理對土壤c值的影響
由圖2可知，棉稈炭肥能夠較顯著降低土壤的全鹽量，處理時間為一周時效果最顯著，施加5g棉稈炭肥的影響最顯著，c值由26.13降為23.42，減少了10%。第2周，除了施加15 g棉稈炭肥處理的土壤全鹽含量保持下降趨勢外，其它均呈上升趨勢，其中施加Sg棉稈炭肥的處理組增加幅度最大，主要是由于其含有棉稈炭量少，吸附大顆粒全鹽量達到飽和，導(dǎo)致第2周上升斜率最大。第3周所有處理組均呈上升趨勢，且上升趨勢比較緩慢，可能是岡為炭肥與土壤中的離子發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)形成某些炭無法吸附的絡(luò)合物，導(dǎo)致全鹽量連續(xù)幾周上升。而在第4周，處理組的含鹽量下降，施加5g和15 g棉稈炭肥的影響明顯，能有效降低土壤的可溶性鹽分。棉稈炭比表面積大，孔隙較大，能夠吸附土壤中的離子或者其它物質(zhì)。因此，施加5g和15 g棉稈炭肥與木醋液有相反的影響效果，木醋液改變的是土壤鹽分構(gòu)成，將鹽分更多地轉(zhuǎn)換成可溶性，而炭肥則是通過炭的吸附和肥的共同作用，最終降低了土壤鹽分。
2.2.3棉稈炭肥不同處理對土壤SAR，ESP值的影響
由圖2可知，棉稈炭肥處理土壤后SAR，ESP值的變化比較單一，施加25 g和20 g棉稈炭肥對SAR，ESP值影響不顯著。相對未處理樣品，施加25 g的棉稈炭肥增加了SAR，ESP值，說明這個水平?jīng)]有降堿作用；而施加20 g棉稈炭肥后，SAR．ESP值只是稍微小于初始值，降堿影響不顯著。綜合4周的作用結(jié)果可知，施加15 g棉稈炭肥的影響居中，施加5g棉稈炭肥的降堿平穩(wěn)，施加10 g棉稈炭肥在第3周和第4周作用最好，SAR．ESP值降低到最小，影響顯著。SAR，ESP與土壤中的離子密切相關(guān)，其值與炭吸附能力有關(guān)，并且與添加因素中含有的物質(zhì)相關(guān)，而不是添加的炭肥越多其作用效果越顯著。綜合4周樣品處理的變化趨勢圖可知，施加10 g棉稈炭肥的堿化度和鈉吸附比最低，其降低值為1.3和2.52．能夠有效改善土壤的結(jié)構(gòu)。
2.3多因素多水平試驗對土壤特性的影響
根據(jù)單因素試驗，選取木醋液稀釋倍數(shù)為800倍，1 200倍．1 600倍3個水平，按1:10的比例，每7d添加一次并攪拌均勻：棉稈炭肥選擇8，15，22 g3個水平，一次性加入。試驗設(shè)計表與采用熵值法得出的綜合評價結(jié)果見表3，方差分析見表4。
綜上分析，因素A作用于鹽堿土壤影響顯著，根據(jù)F值與F臨界值比較，試驗結(jié)果顯示其主次因素為A，B和AxB。由于總鹽量是衡量鹽堿土壤強弱的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此本試驗采用總鹽量變化值作為最終影響效果衡量指標(biāo)。南上述試驗分析表明，當(dāng)采用木醋液稀釋倍數(shù)為800倍及施加棉稈炭肥為15 g的組合作用鹽堿土壤時，綜合評價為0.184 3，且總鹽量22.93 g/kg為各種處理中的最低值，說明該組合作用對鹽堿土壤特性影響顯著。
4結(jié)論
木醋液可有效改善鹽堿土壤的理化性質(zhì)，在不同時間段不同濃度梯度對土壤的pH作用規(guī)律不同，最終處理組pH均小于對照組，且稀釋倍數(shù)在1 200倍和1 000倍時對其特征值影響最顯著：同時，土壤全鹽量發(fā)生了變化，稀釋750倍的木醋液溶液使可溶性鹽分特征值達到最大值：不同處理時間對土壤SAR，ESP值影響不同，第3周時稀釋1 200倍、第4周時稀釋50倍的木醋液溶液對SAR，ESP值影響顯著。
采用棉稈炭肥處理鹽堿土壤，施加5g炭肥對第1周的土壤pH值、土壤c值影響顯著，施加10 g炭肥對土壤的SAR．ESP值影響顯著。
試驗結(jié)果表明，對鹽堿土壤特征值影響顯著的主次因素為木醋液、棉稈炭肥和木醋液與棉稈炭肥交互作用，并得到對鹽堿土壤影響顯著的最優(yōu)值為木醋液稀釋倍數(shù)為800倍，棉稈炭肥為15 g。
5摘要：
以新疆氯化物強鹽堿土為研究對象，觀察通過施加棉稈熱解產(chǎn)物對其特性的影響．棉稈熱解產(chǎn)物為木醋液和棉稈炭，棉稈炭結(jié)合牛糞制取炭肥混合物。采用不同添加劑的單因素和正交試驗，將木醋液和棉稈炭肥施用到氯化物強鹽堿土，進行室內(nèi)微域培養(yǎng)．通過對鹽堿土特征值酸堿度(pH)、鹽分(c)、堿化度(ESP)、鈉吸附比(SAR)的測定，采用單因素趨勢線和熵值法進行綜合評分與方差分析，得出pH，c，SAR和ESP改變量分別為0,29，2.84 g/kg，2.5 mmol/L和7.80；顯著作用參數(shù)：術(shù)醋液為稀釋1 200倍，炭肥為10 g。研究結(jié)果為棉田鹽堿化土壤的改性和農(nóng)業(yè)剩余物熱解產(chǎn)物的推廣應(yīng)用提供依據(jù)．
