不同鹽漬土中生物炭對玉米生理生長的影響

迮裕雯，朱成立，黃明逸，趙紅玉，翟亞明

(河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210098)

沿海灘涂是重要的耕地后備資源，為了保障糧食安全，緩解人地矛盾，近50 a來，中國東部沿海地區(qū)通過灘涂圍墾新增約2 600 km2土地[1].然而，濱海墾區(qū)土壤普遍存在鹽漬化危害，土壤含鹽量高且堿化程度大，過多的Na+嚴重危害了土壤結(jié)構(gòu)和作物生長，而Ca，Mg，K等必要的礦物元素和有機質(zhì)含量較低，抑制了土壤肥力.濱海鹽漬土這類不利的特性成為了濱海墾區(qū)土壤農(nóng)業(yè)利用的主要障礙因素.為改良此類土壤，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，可采用工程措施、生物措施、農(nóng)業(yè)措施和化學(xué)措施[2]，但這些措施大多成本高、周期長、見效慢，如使用不當(dāng)易對環(huán)境造成二次污染.

生物炭作為一種新型的土壤改良劑，是農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)在缺氧或少氧條件下熱解而成的穩(wěn)定高碳產(chǎn)物，具有多孔結(jié)構(gòu)、較大比表面積、豐富的表面氧化官能團和較高的陽離子交換能力[3-4].將生物炭用于濱海鹽漬土改良，效果顯著，能夠降低土壤含鹽量，減少Na+對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，改善土壤養(yǎng)分狀況等.夏陽[5]研究發(fā)現(xiàn)，1.5%的生物炭施用量能夠降低土壤鹽度，提高土壤有機質(zhì)質(zhì)量比和碳氮比.ALI等[6]研究發(fā)現(xiàn)生物炭改善了鹽漬土水力特性和微生物群落結(jié)構(gòu).生物炭還可以促進作物光合作用、降低作物氧化應(yīng)激、調(diào)節(jié)植物激素、增加養(yǎng)分吸收等，從而促進作物生長[7-8].朱成立等[9]研究發(fā)現(xiàn)生物炭促進了玉米的光合作用，降低了玉米組織的Na+質(zhì)量濃度，提高了K+質(zhì)量濃度.黃磊等[10]研究發(fā)現(xiàn)生物炭能夠緩解菖蒲過氧化物的積累，降低丙二醛(MDA)物質(zhì)的量濃度.

不同質(zhì)地濱海鹽漬土理化性質(zhì)存在較大差異，生物炭改良效果不盡相同，加之作物的生理特性和產(chǎn)量也與生物炭的配施方案息息相關(guān).因此文中基于生物炭改良鹽漬土的相關(guān)研究，以中國東部沿海墾區(qū)2種典型鹽漬土(粉砂壤土和砂壤土)以及玉米為研究對象開展盆栽試驗，進一步探究生物炭對2種濱海鹽漬土理化特性和玉米生理生長的影響，初步篩選出適宜于不同濱海鹽漬土的生物炭配施方案，為生物炭改良鹽漬土提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年6月23日—10月20日在河海大學(xué)江寧節(jié)水園區(qū)的避雨棚內(nèi)進行，試驗區(qū)(118°60′ E ,31°86′ N)屬亞熱帶濕潤氣候.試驗期間平均氣溫為25.7 ℃，最高氣溫為38.3 ℃，最低氣溫為10.3 ℃，平均相對濕度為77.6%，平均日照5.5 h，平均風(fēng)速2.46 m/s.

1.2 供試材料性質(zhì)

供試土壤質(zhì)地為粉砂壤土和砂壤土，取自江蘇省鹽城市東臺典型濱海墾區(qū)(120°87′ E ，32°96′ N)，取土深度為20 cm.粉砂壤土砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為22.8%，62.5%，14.7%，土壤容重1.43 g/cm3，田間持水率為32.1 m3/m3，電導(dǎo)率為3.98 dS/m，pH值為8.36，有機質(zhì)質(zhì)量比為4.03 g/kg，砂壤土砂粒、粉粒、黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為60.3%，27.2%，12.5%，土壤容重1.29 g/cm3，田間持水率為27.3 m3/m3，電導(dǎo)率為3.35 dS/m，pH值為7.82，有機質(zhì)質(zhì)量比為3.25 g/kg.生物炭為小麥秸稈于550～600 ℃熱解碳化4～6 h制成，容重為0.29 g/cm3，比表面積為9 m2/g，總孔隙度為67.03%，pH值為10.24，電導(dǎo)率為4.68 dS/m，陽離子交換量為60.8 cmol/kg.

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用2×5全因素設(shè)計，對應(yīng)2種土壤質(zhì)地(粉砂壤土和砂壤土，以F和S表示)和5種生物炭施用量(0，25，50，75，100 g/kg，與0～20 cm土壤質(zhì)量比)，共10個處理，設(shè)3個重復(fù).2種供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干后過2 mm篩，各處理按照初始田間容重(粉砂壤土1.43 g/cm3、砂壤土1.29 g/cm3)分3層，每層20 cm均勻填入直徑35 cm，高65 cm的圓桶中，層面間土壤表面打毛，以保證不出現(xiàn)分層，圓桶底部配備有聚酯網(wǎng)、礫石層(5 cm)和4個排水孔.根據(jù)田間實際生產(chǎn)情況，通常將生物炭施于土壤表層，隨后通過翻耕混入耕作層，因此本試驗將生物炭及必要肥料(15 g尿素、100 g有機肥、5 g硫酸鉀、15 g磷酸二氫鉀)均勻混合到0～20 cm土壤中.

玉米品種為蘇玉29，播種前所有盆栽保持良好的水分條件，土壤含水率達到田間持水率的70%～80%，以確保萌發(fā)和幼苗生長.玉米整個生育期均灌溉淡水，壯苗期土壤含水率控制在田間持水率的65%～80%，拔節(jié)抽雄期和灌漿期土壤含水率控制在田間持水率的75%～90%，成熟期不灌水，灌溉水量通過盆栽稱重得到，相同土壤質(zhì)地處理灌溉水量保持一致，粉砂壤土共灌水3 480 m3/hm2，砂壤土共灌水4 250 m3/hm2.

1.4 指標測定方法

土壤理化性質(zhì)的測定：收獲后采用環(huán)刀對0～20 cm土層取樣，土鉆對0～20，20～60 cm土層取樣.

環(huán)刀土樣置于105 ℃烘箱內(nèi)24 h后，測定土壤容重，土壤孔隙度計算公式為

ρ=1-d/D,

(1)

式中：ρ為孔隙度，%；d為土壤干容重，g/cm3；D為土壤比重，取2.65 g/cm3.

土鉆取得土樣經(jīng)自然風(fēng)干、充分研磨后過1 mm篩，按照土水質(zhì)量比1∶1配置，提取土壤飽和浸提液，使用DS-307A型電導(dǎo)率儀測定飽和浸提液的電導(dǎo)率.用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定土壤可溶性Na+，K+，Ca2+，Mg2+離子質(zhì)量比，采用重鉻酸鉀氧化還原滴定法測定0～20 cm土壤有機質(zhì)質(zhì)量比.

玉米光合作用指標及葉綠素質(zhì)量比的測定：播種后的83 d，在晴天觀測日的9:00—11:00，采用LI-6800光合測定儀在1 000 μmol/(m2·s)下測量各處理第三片完全展開葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度.通過手持式SPAD-502葉綠素儀(Minolta，日本)分別在葉片中間隨機測定5個SPAD值，取平均值作為葉綠素質(zhì)量比.

氧化應(yīng)激參數(shù)的測定：播種后的83 d，在第三片完全展開葉片取樣，測定氧化應(yīng)激參數(shù)和鹽分脅迫參數(shù).采用TBA法測定玉米葉片中的丙二醛質(zhì)量比；分光光度法測定過氧化氫質(zhì)量比.

鹽分脅迫參數(shù)的測定：將烘干的0.5 g葉片磨碎并用10 mL過氧化硫消化，用蒸餾水配置100 mL溶液后，采用火焰光度法測定Na+，K+質(zhì)量比，并計算ωNa+/ωK+[6].采用酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)測定脫落酸質(zhì)量比.

產(chǎn)量測定：收獲后，將地上部分在105 ℃烘箱內(nèi)殺青后，在75 ℃烘箱干燥至恒定質(zhì)量得到地上干物質(zhì)質(zhì)量，測定籽粒產(chǎn)量和百粒質(zhì)量.由于試驗在避雨大棚中進行，無降水和徑流，排水量忽略不計.

作物蒸散量計算公式為

ET=I-ΔW，

(2)

式中：ET為作物蒸散量，m3/hm2；I為灌水量，m3/hm2；ΔW為土壤儲水量變化值，m3/hm2.

玉米水分利用效率公式為

WUE=W/ET，

(3)

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；W為地上干物質(zhì)質(zhì)量，kg/hm2.

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel進行記錄和整理，采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行方差分析，采用Origin 9.0軟件制圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對鹽漬土理化特性的影響

圖1為土壤質(zhì)地和生物炭對鹽漬土容重、孔隙度和有機質(zhì)的影響，其中d為土壤容重，ρ為土壤孔隙度，wSOM為土壤有機質(zhì)質(zhì)量比,mC為生物炭添加量.采用F和S分別表示粉砂壤土和砂壤土，在0～20 cm土層，容重隨生物炭的施用而降低，當(dāng)添加量超過一定范圍，砂壤土容重趨于穩(wěn)定，粉砂壤土容重反而升高.F25,F50較F0降低了2.7%,6.2%，F(xiàn)75,F100較F0增長了1.4%,2.7%;S25,S50,S75,S100較S0降低了1.5%,3.7%,6.0%,5.2%.生物炭施用后，2種鹽漬土孔隙度隨生物炭量增加呈先上升后下降趨勢，粉砂壤土中F50具有最大值，較F0增加了7.6%，砂壤土中S75具有最大值，較S0增加了6.5%.粉砂壤土和砂壤土中有機質(zhì)質(zhì)量比分別增加了17.0%～83.3%和7.3%～100.0%.

注：圖中小寫字母表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，下同

表1為不同土壤質(zhì)地和添加生物炭對鹽漬土電導(dǎo)率EC，Na+，K+，Ca2+和Mg2+的影響,其中h為土層厚度，[0,20]cm為生物炭添加層，(20，60]cm為無生物炭添加層.在0～20 cm土層，F(xiàn)25，F(xiàn)50的電導(dǎo)率較F0降低了5.0%，9.3%，而F75，F(xiàn)100增加了0.7%，3.9%；S25，S50，S75，S100的電導(dǎo)率較S0下降了2.0%，4.0%，6.4%，7.2%，且S75，S100間差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.隨著生物炭量的增加，2種鹽漬土的Na+質(zhì)量濃度逐漸減小，K+，Ca2+和Mg2+質(zhì)量濃度持續(xù)增大，而在砂壤土中，施加25 g/kg生物炭對各離子的質(zhì)量濃度無明顯影響.粉砂壤土中Na+質(zhì)量濃度降幅為10.3%～30.0%，K+，Ca2+和Mg2+質(zhì)量濃度增幅分別為45.1%～132.5%，7.5%～41.3%和11.0%～39.9%；砂壤土中Na+質(zhì)量濃度降幅為4.4%～23.2%，K+，Ca2+和Mg2+質(zhì)量濃度增幅分別為6.8%～122.6%，1.4%～24.6%和3.5%～37.6%.在20～60 cm土層，電導(dǎo)率，K+，Ca2+和Mg2+質(zhì)量濃度變化規(guī)律與0～20 cm土層上述指標相似，但變化幅度較小.粉砂壤土中，F(xiàn)25，F(xiàn)50電導(dǎo)率較F0降低了1.6%，3.8%，F(xiàn)75，F(xiàn)100增加了0.5%，1.9%，Na+質(zhì)量濃度降幅為6.2%～19.3%，K+，Ca2+和Mg2+質(zhì)量濃度增幅分別為23.8%～87.1%，3.4%～15.2%和5.2%～15.7%；砂壤土中，電導(dǎo)率，Na+質(zhì)量濃度降幅為0.6%～3.2%，2.4%～13.5%，K+，Ca2+和Mg2+質(zhì)量濃度增幅分別為6.5%～71.7%，2.9%～13.5%和 2.0%～18.9%.

表1 不同濱海鹽漬土中添加生物炭對土壤電導(dǎo)率、離子成分的影響Tab.1 Effect of biochar on electrical conductivity and ion content of different coastal saline soils

2.2 生物炭對玉米生理指標的影響

圖2為土壤質(zhì)地和生物炭對濱海鹽漬土中玉米葉片光合作用的影響，其中A為凈光合速率，Gs為氣孔導(dǎo)度，SPAD為葉綠素質(zhì)量分數(shù).粉砂壤土中，玉米的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素質(zhì)量分數(shù)在施加25，50 g/kg生物炭時增長，在75，100 g/kg時下降，F(xiàn)50光合作用指標達到峰值，較F0分別增加了23.8%，29.9%，22.3%；砂壤土中，S25和S0的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素質(zhì)量分數(shù)差異并不具有統(tǒng)計學(xué)意義，但各光合參數(shù)在施加50，75，100 g/kg生物炭時顯著增長，在S100達到峰值，較S0分別增長了32.5%，29.7%，29.8%，但S75和S100差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

圖2 不同濱海鹽漬土中添加生物炭對玉米葉片光合作用參數(shù)的影響Fig.2 Effects of biochar in different coastal saline soils on photosynthesis parameters

表2為土壤質(zhì)地和生物炭對濱海鹽漬土中玉米葉片鹽分脅迫和氧化應(yīng)激參數(shù)的影響，其中ωABA為脫落酸質(zhì)量比，cH2O2為過氧化氫物質(zhì)的量濃度、cMDA為丙二醛物質(zhì)的量濃度.隨著生物炭添加量的增加，ωNa+/ωK+隨之減小，粉砂壤土降幅為12.1%～47.5%，砂壤土降幅為2.9%～34.3%.粉砂壤土中，施加25,50 g/kg生物炭減少了葉片ABA的積累，較F0分別降低了18.6%和30.4%，而施加75,100 g/kg生物炭反而導(dǎo)致ABA質(zhì)量比的增加；砂壤土中，ABA質(zhì)量比隨生物炭施用而減少，S25，S50，S75，S100較S0減少了5.7%，22.3%，37.9%，38.5%，但S0，S25間和S75，S100間差異均不具有統(tǒng)計學(xué)意義.葉片H2O2，MDA物質(zhì)的量濃度對于土壤質(zhì)地和生物炭的響應(yīng)規(guī)律與ABA相似，H2O2，MDA物質(zhì)的量濃度分別在F50和S100具有最小值，而F50較F0分別降低了29.0%，30.0%，S100較S0分別降低了29.6%，36.6%.

表2 不同濱海鹽漬土中添加生物炭對玉米葉片鹽分脅迫參數(shù)、氧化參數(shù)的影響Tab.2 Effects of biochar in different coastal saline soils on salt stress and oxidation parameters

2.3 生物炭對玉米產(chǎn)量指標的影響

表3為土壤質(zhì)地和生物炭對玉米產(chǎn)量指標的影響，其中W為地上干物質(zhì)質(zhì)量，mH為百粒質(zhì)量，mE為籽粒產(chǎn)量，WUE為水分利用效率.在粉砂壤土中，玉米產(chǎn)量指標值隨著生物炭添加呈先增加后降低趨勢，F(xiàn)50處理收獲最佳，地上干物質(zhì)質(zhì)量、百粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率較F0提高了21.1%，14.3%，27.3%和10.7%，而F100處理產(chǎn)量指標最差，較F0降低了14.6%，8.9%，16.6%和13.0%.在砂壤土中，玉米產(chǎn)量隨生物炭添加量的增加而增加，25 g/kg生物炭施用下相對于S0的產(chǎn)量增幅不明顯，S75和S100處理的地上干物質(zhì)質(zhì)量、百粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量、水分利用效率較S0分別增加了21.8%，10.0%，23.5%，15.3%和24.2%，11.9%，24.2%，16.3%，但S75，S100間差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

表3 不同濱海鹽漬土中添加生物炭對玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素及水分利用效率的影響Tab.3 Effects of biochar in different coastal saline soils on corn yield components and water use efficiency

3 討 論

濱海鹽漬土存在含鹽量高、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、肥力貧瘠等問題，不利于作物正常的生長發(fā)育，通過施加適量生物炭能夠有效克服這些障礙因素.本試驗中施加適量生物炭后，土壤容重、孔隙度顯著降低，生物炭具備良好的多孔性和比表面積，可通過與土壤顆粒相互作用，促進土壤顆粒聚集，改善土壤壓實程度，提高土壤孔隙度.土壤電導(dǎo)率和Na+質(zhì)量濃度顯著降低.這可能是生物炭施加改善了土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了鹽漬化土壤的入滲能力和陽離子交換能力，增加了土壤溶液Ca2+，Mg2+質(zhì)量濃度，從而促進了Na+的置換和鹽分離子的淋洗[11].玉米收獲后，土壤中Ca2+，Mg2+，K+和有機質(zhì)質(zhì)量比隨生物炭添加顯著提高.這可能是施用的秸稈生物炭富含穩(wěn)定的礦物質(zhì)元素和有機碳，同時生物炭特殊的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和吸附-脫附過程提高了對土壤養(yǎng)分的緩釋作用，可減少其淋失和揮發(fā)[12].

適量的生物炭提高了濱海鹽漬土中玉米葉片的光合作用，A，Gs值有所增長，同時伴隨著SPAD值的提高，這可能是生物炭改善了土壤環(huán)境進而降低了鹽漬土對玉米的鹽分脅迫危害.鹽分脅迫主要以滲透和離子脅迫抑制作物生長，適宜生物炭施用下玉米葉片ABA質(zhì)量比和ωNa+/ωK+值顯著降低，意味著作物體內(nèi)水分和離子狀況的改善，進一步表明生物炭有利于緩解鹽漬化土壤對玉米生長的不良影響.這可能是因為生物炭能夠豐富土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提高了土壤有效水分含量，促進了作物根系吸水，使葉片ABA質(zhì)量比下降[13].同時，生物炭促進了土壤Na+的淋洗，減少了根系對Na+的吸收，并釋放礦物質(zhì)養(yǎng)分，提高對Ca，Mg，K必要營養(yǎng)元素的吸收，從而緩解離子脅迫損傷.此外，鹽分脅迫可誘發(fā)作物的氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致活性氧含量累積.H2O2是作物體內(nèi)主要活性氧產(chǎn)物，可破壞作物正常的細胞代謝，并通過限制卡爾文循環(huán)抑制光合作用，過量活性氧的累積可造成細胞膜脂過氧化，形成MDA等產(chǎn)物，抑制了蛋白質(zhì)的合成及部分酶的活性.本研究發(fā)現(xiàn)適量生物炭顯著降低了玉米葉片H2O2，MDA物質(zhì)的量濃度這類氧化損傷參數(shù)，說明生物炭添加可以緩解鹽分脅迫下作物氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低活性氧含量和細胞膜損傷.

綜上，生物炭有利于克服濱海鹽漬土不良障礙因素，增加了土壤孔隙度，降低了土壤容重、電導(dǎo)率和Na+質(zhì)量濃度，豐富了Ca2+，Mg2+，K+等礦物質(zhì)元素，還增加了有機質(zhì)質(zhì)量比，改善了土壤肥力水平，提升了葉片光合性能，并緩解了鹽分脅迫和氧化應(yīng)激，最終促進了玉米的產(chǎn)量和產(chǎn)量特性.然而，不同質(zhì)地下鹽漬化土壤的生物炭施用效果各不相同，粉砂壤土中，生物炭增至75，100 g/kg時，對土壤改良及作物生長有負面影響，這可能是粉砂壤土主要由較高質(zhì)量分數(shù)的粉粒和黏粒組成，孔隙度低，滲透性差，大量生物炭的施入易使粉砂壤土孔隙堵塞，水分入滲時間延長，使土壤鹽分積聚、下層土壤有效水減少，導(dǎo)致玉米根系吸水困難、光合作用受阻、氧化損傷加劇，可見粉砂壤土適宜的生物炭添加量為50 g/kg.生物炭對砂壤土及玉米生理生長的促進效果隨生物炭施用量增加而提高，然而25 g/kg生物炭的促進效果并不明顯，可能是砂壤土含有較高占比的砂粒，持水保肥能力弱、孔隙度大，少量生物炭易通過砂礫孔隙流失而無法發(fā)揮改良作用，而75和100 g/kg間差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義的原因可能是施加過量生物炭一定程度上也會造成砂壤土孔隙堵塞，導(dǎo)致土壤改良效果和玉米生理生產(chǎn)促進作用有限，因此砂壤土適宜的生物炭添加量為75 g/kg.

4 結(jié) 論

主要結(jié)論如下：

1) 生物炭施入后，濱海鹽漬土主要障礙因素得到了改善，孔隙度增大，容重、電導(dǎo)率、Na+質(zhì)量濃度下降，Ca2+，Mg2+，K+質(zhì)量濃度和有機質(zhì)質(zhì)量比升高.較低添加量的生物炭對砂壤土的改良效果并不顯著，但有利于粉砂壤土的改良，生物炭量過高反而導(dǎo)致粉砂壤土孔隙堵塞、鹽分累積加劇.

2) 生物炭有利于提高鹽漬土的玉米光合作用并緩解鹽分脅迫和氧化應(yīng)激.粉砂壤土中，生物炭增至75和100 g/kg時對玉米促進作用并不顯著，甚至產(chǎn)生了不良影響；砂壤土中，生物炭對玉米的促進作用隨添加量增加而增加，25 g/kg時效果較小，增至75和100 g/kg時效果明顯，但兩者間差異并不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

3) 適量生物炭可以促進濱海鹽漬土的玉米生產(chǎn).粉砂壤土中，玉米產(chǎn)量指標在50 g/kg生物炭時達到峰值；砂壤土中，玉米產(chǎn)量指標在75和100 g/kg生物炭時得到顯著提升.綜合考慮生物炭改良效果和生產(chǎn)成本，粉砂壤和砂壤質(zhì)地的鹽漬土改良所適宜的生物炭施用量分別是50和75 g/kg，但仍需進行田間試驗驗證.