生物炭施用對(duì)濱海鹽堿土速效養(yǎng)分和酶活性的影響

李少朋 陳昢圳 周藝藝 王婧

摘要：【目的】探討添加不同量生物炭對(duì)濱海鹽堿土的改良效果，為濱海鹽堿地土壤改良和培肥提供新思路?！痉椒ā窟x取濱海輕度鹽堿化土壤為供試基質(zhì)，油菜為供試植物，通過(guò)溫室大棚盆栽試驗(yàn)，研究不同生物炭施入量[0（對(duì)照）、5、10、20、30和40 g/kg]對(duì)土壤pH、有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量及土壤酶活性的影響?！窘Y(jié)果】土壤pH、有機(jī)碳、堿解氮和速效鉀含量均隨生物炭施入量的增加而增加，生物炭施入量小于20 g/kg時(shí)，土壤有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量增速較快，當(dāng)生物炭施入量大于20 g/kg時(shí)增速減緩;土壤速效磷含量在生物炭施入量為20 g/kg時(shí)達(dá)最大值，比對(duì)照高78.1%。土壤脲酶活性隨生物炭施入量的增加而升高，在生物炭施入量為40 g/kg時(shí)達(dá)最大值;堿性磷酸酶和蔗糖酶活性隨生物炭施入量的增加呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，在生物炭施入量為20 g/kg時(shí)達(dá)最大值，分別比對(duì)照高42.9%和142.8%;土壤蛋白酶活性在生物炭施入量為30 g/kg時(shí)達(dá)最大值，比對(duì)照高80.1%。【結(jié)論】生物炭施用可增加鹽堿地土壤中有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量及酶活性，以施入量為20 g/kg的效果最佳，可作為一種改良劑用于鹽堿地復(fù)墾和生態(tài)重建，但在施用過(guò)程中需注意其對(duì)土壤pH的影響。

關(guān)鍵詞： 濱海鹽堿土;生物炭;有機(jī)碳;速效養(yǎng)分;土壤酶活性

0 引言

【研究意義】土壤鹽堿化是一個(gè)世界性問(wèn)題，鹽堿化過(guò)程會(huì)顯著影響土壤的理化性質(zhì)、微生物種類及植物生長(zhǎng)。根據(jù)第二次全國(guó)普查資料統(tǒng)計(jì)（全國(guó)土壤普查辦公室，1998），我國(guó)鹽堿化土壤總面積約3600萬(wàn)ha，而濱海鹽堿土面積約31萬(wàn)ha，占海岸帶土地總面積的27.45%，在天津、江蘇東部、黃河三角洲等地區(qū)，鹽堿面積甚至與當(dāng)?shù)馗孛娣e相當(dāng)。濱海鹽堿土不僅表層積鹽重，心土層的鹽含量也很髙，土壤鹽分組成與海水基本一致，氯化物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（王合云等，2015）。天津地處渤海灣西岸，鹽堿化土地總面積為49300 ha，占天津市土地總面積的41.4%，己超過(guò)耕地面積（王秀麗等，2013）。生物炭作為一種有效的土壤改良材料，具有改善土壤理化性狀、增加通氣性、提高土壤持水力、固存礦質(zhì)養(yǎng)分和促進(jìn)植物對(duì)土壤養(yǎng)分吸收利用等功能。施用生物炭能通過(guò)吸附作用有效降低土壤養(yǎng)分淋溶（Feng et al.，2012），提高土壤肥力（陳溫福等，2014）。因此，探討生物炭施用對(duì)濱海鹽堿土速效養(yǎng)分和酶活性的影響，對(duì)有效利用濱海鹽堿土緩解日益緊張的土地資源缺乏問(wèn)題、極大緩解農(nóng)業(yè)用地壓力及保障糧食安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】至今，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已針對(duì)濱海鹽堿地改良開(kāi)展了一系列相關(guān)研究，主要采用物理、化學(xué)和生物修復(fù)3種改良措施。物理方法包括臺(tái)地降水、開(kāi)溝洗鹽、地下隔離、地上覆蓋等技術(shù)（張樂(lè)等，2017;田冬等，2018）;化學(xué)修復(fù)主要通過(guò)含鈣物質(zhì)、酸性物質(zhì)、黃鐵礦和脫硫石膏等物質(zhì)來(lái)改良鹽堿土（劉云和孫書(shū)洪，2014）。但物理和化學(xué)技術(shù)成本較高，且元素仍保留在土壤中，易形成二次污染再度危害植物，加之我國(guó)濱海地區(qū)積鹽和脫鹽具有反復(fù)性，使得物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù)缺乏可持續(xù)性。Ferguson和Nowak（2011）研究發(fā)現(xiàn)，利用鹽地堿蓬、濱黎、田菁和防護(hù)林等對(duì)濱海鹽堿土進(jìn)行生物修復(fù)，可改善鹽堿土性狀，降低土壤鹽度，提高土壤肥力，達(dá)到壓鹽目的。生物炭對(duì)氮磷等礦質(zhì)養(yǎng)分具有很強(qiáng)的吸附能力（Steiner et al.，2007），同時(shí)能通過(guò)解析作用緩慢釋放養(yǎng)分提高養(yǎng)分利用效率（Zhang et al.，2015）。生物炭對(duì)貧瘠土壤的改良效果明顯，主要得益于其本身富含有機(jī)碳和礦質(zhì)元素，以及其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征（Crane-Droesch et al.，2013）。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)及水肥吸附作用可為土壤微生物提供良好的棲息環(huán)境，其中對(duì)菌根真菌作用較顯著（何緒生等，2011）;生物炭還可通過(guò)激發(fā)效應(yīng)加速土壤有機(jī)質(zhì)分解釋放，提高微生物活性，促進(jìn)腐殖質(zhì)分解，從而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性（Rousk et al.，2013）和豐度（Gul et al.，2015）。此外，生物炭對(duì)重金屬污染土壤（李洪達(dá)等，2018）、酸性土壤（逄玉萬(wàn)等，2018）、礦尾砂地（熊薈菁等，2018）和灘涂（張繼寧等，2018）等均具有一定的修復(fù)功能。【本研究切入點(diǎn)】盡管生物炭在退化土壤改良和培肥中具有一定的應(yīng)用潛力，但其在濱海鹽堿地治理中的應(yīng)用報(bào)道較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在前期研究的基礎(chǔ)上，以油菜為供試植物，以玉米秸稈高溫?zé)峤夂螽a(chǎn)生的生物炭為碳源，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究施加不同量生物炭對(duì)土壤速效養(yǎng)分和土壤酶活性的影響，探討生物炭對(duì)濱海鹽堿地的改良效果，為濱海鹽堿地土壤改良和培肥提供新思路。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

供試土壤采自天津市西青區(qū)某溫室大棚，過(guò)篩去除雜質(zhì)待用。供試土壤的基本理化性狀：pH 8.51，鹽含量0.17%，有機(jī)碳16.8 g/kg，凱氏氮43.2 g/kg，速效磷15.6 g/kg。油菜種子由天津市科潤(rùn)蔬菜研究所提供，生物炭由陜西億鑫生物能源科技開(kāi)發(fā)有限公司提供，生物炭在450 ℃下熱裂解，其pH為9.01，比重0.85 g/cm3，灰分含量12.76%，碳含量79.66%。

1. 2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2017年9月在天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，大棚內(nèi)日平均溫度22 ℃，濕度維持在80%左右。采用盆栽土培試驗(yàn)，設(shè)6個(gè)處理，即分別施入0（對(duì)照）、5、10、20、30和40 g/kg生物炭，每處理重復(fù)3次。栽種油菜的塑料盆規(guī)格：盆口直徑×盆底直徑×盆高=18 cm×14 cm×22 cm，將3 kg供試土壤和35 g有機(jī)肥充分混勻，裝盆，種植油菜前，澆水至最大持水量，水分平衡1 d后，將油菜種子均勻播種于土壤中，每盆播種15粒，出苗6 d后間苗，使每處理保留大小一致的油菜5株，按照常規(guī)澆水灌溉，使水含率維持在75%左右，60 d后分別采集油菜根際土壤，風(fēng)干，研磨過(guò)1 mm篩，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分含量和酶活性。

1. 3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤pH采用土壤酸度pH計(jì)測(cè)定，土壤速效鉀含量采用NH4OAc浸提—火焰光度法測(cè)定，速效磷含量采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有機(jī)碳含量采用TOC分析儀測(cè)定，脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性采用酶聯(lián)免疫試劑盒測(cè)定。

1. 4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SAS 17.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用Excel 2007制圖。

2 結(jié)果與分析

2. 1 生物炭施用對(duì)土壤pH和有機(jī)碳含量的影響

土壤pH隨著生物炭施入量的增加而升高，生物炭施入量小于20 g/kg時(shí)，各處理土壤中pH無(wú)顯著差異（P>0.05，下同），生物炭施入量大于20 g/kg時(shí)，土壤pH略有增長(zhǎng)（圖1）。由圖2可知，土壤中有機(jī)碳含量隨著生物炭施入量的增加而逐漸升高，且顯著高于對(duì)照（P<0.05，下同）。施入生物炭5、10、20、30和40 g/kg處理的土壤有機(jī)碳含量分別比對(duì)照高22.7%、28.8%、67.8%、78.1%和86.0%。其中，施入生物炭5 g/kg與10 g/kg、30 g/kg與40 g/kg處理間無(wú)顯著差異，當(dāng)生物炭施入量大于20 g/kg時(shí)，土壤有機(jī)碳含量增加緩慢。

2. 2 生物炭施用對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響

由圖3-A可知，施入生物炭可顯著增加土壤堿解氮含量，油菜根際土壤的堿解氮含量隨生物炭施入量的增加而升高，生物炭施入量大于20 g/kg后，土壤中堿解氮含量趨于穩(wěn)定，施入量20、30和40 g/kg處理的土壤堿解氮含量平均比對(duì)照高40.2%，但施入量20、30和40 g/kg處理間差異不顯著。土壤速效磷含量呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，生物炭施入量為5 g/kg時(shí)，土壤速效磷含量略有增加，但與對(duì)照間差異不顯著;生物炭施入量為20 g/kg時(shí)，油菜根際土壤中速效磷含量達(dá)最大值，比對(duì)照高78.1%，但與生物炭施入量30和40 g/kg處理間無(wú)顯著差異（圖3-B）。土壤速效鉀含量隨著生物炭施入量的增加而升高，施入較少的生物炭（5～10 g/kg）對(duì)土壤中速效鉀含量無(wú)顯著影響;生物炭施入量為20～40 g/kg時(shí)，3個(gè)處理的土壤速效鉀含量均顯著高于對(duì)照，且生物炭施入量為40 g/kg的土壤速效鉀含量達(dá)最大值，比對(duì)照高23.0%（圖3-C）。

2. 3 生物炭施用對(duì)土壤酶活性的影響

由圖4-A可知，土壤脲酶活性隨生物炭施入量的增加而升高，生物炭施入量達(dá)30 g/kg后，土壤脲酶活性趨于穩(wěn)定;與對(duì)照相比，施入量5、10、20、30和40 g/kg處理的土壤脲酶活性分別增加8.2%、21.2%、33.5%、48.0%和50.9%。由圖4-B～圖4-D可知，土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性均隨生物炭施入量增加呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，施入量為20 g/kg時(shí)，堿性磷酸酶和蔗糖酶活性達(dá)最大值，此時(shí)堿性磷酸酶活性與施入量30和40 g/kg處理間無(wú)顯著差異，施入量20～40 g/kg 3個(gè)處理的土壤平均堿性磷酸酶活性比對(duì)照高39.6%，而此時(shí)蔗糖酶活性顯著高于其他處理和對(duì)照。生物炭施入量為30 g/kg時(shí)，土壤蛋白酶活性達(dá)最大值，顯著高于其他處理和對(duì)照，添加5、10、20、30和40 g/kg處理的土壤蛋白酶活性分別比對(duì)照高19.3%、34.4%、41.7%、80.1%和64.6%。

3 討論

早期對(duì)生物炭的認(rèn)識(shí)源自南美亞馬遜盆地黑色土壤，其深色富碳土壤厚達(dá)35 cm，土質(zhì)肥沃，具有非常強(qiáng)的恢復(fù)貧瘠土壤作物生產(chǎn)能力的特性（Ba-ker et al.，2009）。生物炭在土壤改良和培肥過(guò)程中具有重要的生態(tài)功能。本研究發(fā)現(xiàn)，隨生物炭施入量的增加，土壤有機(jī)碳含量呈逐漸增加趨勢(shì)，施入生物炭為40 g/kg的土壤有機(jī)碳含量比對(duì)照高86.0%。土壤有機(jī)碳的增加，一方面是由于在較低裂解溫度下形成的生物炭具有較高含量的易氧化態(tài)碳等活性有機(jī)碳組分，另一方面，施入生物炭后土壤中微生物活性增加，加速有機(jī)碳累積（柯躍進(jìn)等，2014）。對(duì)于濱海鹽堿地土壤而言，生物炭在一定程度上能增加土壤碳庫(kù)容量，穩(wěn)定土壤有機(jī)碳庫(kù)，維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡。Laird等（2009）的研究也表明，通過(guò)生物炭還田技術(shù)可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的循環(huán)利用，不僅可以補(bǔ)償土壤有機(jī)質(zhì)的損失，還能改良土壤和提高肥力。陳紅霞等（2011）研究施用生物炭對(duì)華北平原農(nóng)田土壤容重、陽(yáng)離子交換量和顆粒有機(jī)質(zhì)含量的影響發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可增加0～15.0 cm土層的陽(yáng)離子交換量，最大可增加24.5%，同時(shí)可增加0～7.5 cm土層有機(jī)質(zhì)組分中的碳、氮濃度，且分別比對(duì)照高260%和120%，通過(guò)3年連續(xù)跟蹤發(fā)現(xiàn)，土壤理化特性得到明顯改善，且在碳增匯和溫室減排方面具有潛在積極效應(yīng)。生物炭的存在能形成土壤團(tuán)聚體有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合體，加強(qiáng)團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用，從而達(dá)到對(duì)有機(jī)碳的長(zhǎng)期固持，有效防止有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步腐解退化（Lehmann et al.，2011）。

施用生物炭可增加土壤中的氮、磷、鉀和鎂等礦質(zhì)元素含量，牛政洋等（2017）研究生物炭對(duì)兩種典型植煙土壤養(yǎng)分的影響發(fā)現(xiàn)，增施生物炭后，水稻土和紫色土的速效養(yǎng)分和有機(jī)碳含量均有所增加，兩種土壤的烤煙分別最高增產(chǎn)52.94%和122.75%。生物炭與其他肥料配施也是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)，生物炭與氮肥、菜籽餅和有機(jī)肥等配施可提高土壤中有效養(yǎng)分和有機(jī)碳含量，提高棉花（顧美英等，2014）、玉米（劉文秀，2016）和紅棗（袁晶晶等，2017）等作物的產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，在濱海鹽堿土中施入生物炭可提高土壤速效養(yǎng)分含量。生物炭改善鹽堿土的微環(huán)境，土壤微生物活動(dòng)趨于頻繁，增強(qiáng)土壤中脲酶和磷酸酶等活性，從而加速土壤礦質(zhì)養(yǎng)分由結(jié)合態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)變。同時(shí)生物炭含有植物生長(zhǎng)所需的氮、磷、鉀等元素，可在一定程度上補(bǔ)充土壤養(yǎng)分;此外，生物炭的吸附解析作用增加土壤養(yǎng)分持留，降低養(yǎng)分淋溶，還能緩慢釋放養(yǎng)分供根系生長(zhǎng)和吸收，為作物吸收提供更多機(jī)會(huì)。

土壤酶參與土壤的生化過(guò)程，已廣泛用于評(píng)價(jià)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化狀況和肥料施用效果，也是土壤微生物群落活性表征指標(biāo)之一。土壤酶主要來(lái)自微生物、植物和動(dòng)物的活體或殘?bào)w（劉紅梅等，2018）。土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶等水解酶活性能表征土壤氮、磷、碳等養(yǎng)分的循環(huán)狀。本研究發(fā)現(xiàn)，向鹽堿土中添加生物炭可提高土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性，在生物炭施入量小于20 g/kg時(shí)，土壤酶活性升高較迅速，生物炭施入量大于20 g/kg后，土壤酶活性提升較緩慢。張清梅等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可不同程度提高黃瓜根際20～40 cm土壤酶活性;李司童等（2017）、鄭鈺銦等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，在作物生產(chǎn)過(guò)程中，生物炭與其他肥料配施對(duì)土壤酶活性影響較顯著。

濱海鹽堿土鹽含量高，質(zhì)地黏重，透水性能差，不利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育。施入生物炭對(duì)土壤具有重要的改良作用，生物炭密集多孔結(jié)構(gòu)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤總孔隙度，降低土壤容重、擴(kuò)張強(qiáng)度和緊實(shí)度，提高土壤持水能力（周勁松，2016）。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)及對(duì)水肥的吸附作用可為微生物提供良好的棲息環(huán)境，其可利用組分還可直接被微生物生長(zhǎng)所利用，對(duì)土壤微環(huán)境具有重要的改良作用（Steinbeiss et al.，2009）。因此，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，今后應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展施入生物炭對(duì)濱海鹽堿地土壤微環(huán)境調(diào)控，尤其是生物炭對(duì)土壤功能性微生物多樣性的影響研究，從而為鹽堿土的改良和培肥提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

4 結(jié)論

生物炭施用可增加鹽堿地土壤中有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量及酶活性，以施入量20 g/kg的效果最佳，可作為一種改良劑用于鹽堿地復(fù)墾和生態(tài)重建，但在施用過(guò)程中需注意其對(duì)土壤酸堿性的影響。

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（責(zé)任編輯 羅 麗）