生物炭對草地鹽堿土鹽堿化特征和土壤養(yǎng)分的影響

摘 要：受氣候和人為不合理擾動等因素的影響，草原土壤出現(xiàn)了大面積的鹽堿化，嚴重威脅畜牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)安全。以重度退化的草地鹽堿土為試驗對象，研究不同類型生物炭對草地鹽堿土鹽堿化特征和土壤養(yǎng)分的影響。研究結(jié)果表明：與對照相比，改性生物炭的添加在不同程度上降低了鹽堿土的鹽堿化特征指標（pH值、土壤總堿度、可溶性鈉離子質(zhì)量摩爾濃度、交換性鈉離子質(zhì)量摩爾濃度、土壤堿化度），且降低幅度與添加比例成正比；不同類型生物炭的添加對鹽堿土的養(yǎng)分影響較小。總的來說，施用氯化鈣改性生物炭可通過緩解土壤鹽堿化改善土壤養(yǎng)分狀況，從而起到刺激土壤微生物與環(huán)境因子的相互作用。

關(guān)鍵詞：改性生物炭；鹽堿土；鹽堿化特征；土壤養(yǎng)分

中圖分類號：S156.4 文獻標志碼：B 文章編號：1674-7909-（2023）13-126-5

0 引言

鹽堿化是土壤健康最嚴重的威脅之一［1］，尤其是在年降水量少、蒸發(fā)量大、地下水位高及水質(zhì)高礦化的地區(qū)［2］。地下水會攜帶大量的可溶性鹽隨地下水蒸發(fā)至土壤表層，使表層土壤中CO32-和HCO3-累積，土壤pH值升高，導(dǎo)致土壤鹽堿化［3］。目前，土壤鹽堿化已成為阻礙全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一，使全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失慘重［4］。

截至2019年，我國鹽堿地總面積達9 913萬hm2，約占國土總面積的10%［5］，而且仍以每年25萬hm2的速度增加，導(dǎo)致糧食每年減產(chǎn)207億kg。草地生態(tài)系統(tǒng)大部分都處于年降水量較少的區(qū)域。近年來，由于開發(fā)利用和管理不當，我國草地鹽堿化問題愈發(fā)嚴重［6］，草地植被多樣性和生產(chǎn)力下降［7］，嚴重影響畜牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)安全，急需對草地鹽堿土進行改良，以提升土地質(zhì)量，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和生態(tài)安全。

近年來，利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備的生物炭修復(fù)退化土壤越來越受到人們的關(guān)注［8］。生物炭本身富含碳元素，其灰分中含有植物生長所需礦質(zhì)元素，應(yīng)用于土壤中可增強土壤通透性，增加土壤碳庫存，改善土壤養(yǎng)分狀況［9］，因而其在土壤改良方面有著廣闊的應(yīng)用前景［10］。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，生物炭表面攜帶的含氧官能團如-COOH、-OH［11］等可以與土壤膠體中吸附的鹽基離子發(fā)生置換反應(yīng)，吸附鹽堿土中最具代表性的Na+，從而起到改善土壤鹽堿化的作用［12］。與傳統(tǒng)添加石膏及采用生物技術(shù)改良鹽堿土相比，生物炭中部分酸性基團與土壤陽離子之間存在靜電吸引力，可構(gòu)建Ca2+、Mg2+等離子交聯(lián)橋從而置換出與土壤膠體結(jié)合的Na+［13］，吸收包括可溶性鹽在內(nèi)的許多物質(zhì)，減輕土壤返鹽，有效降低土壤堿化度［14］，緩解土壤中可溶性鹽對植物根系的脅迫［15］。

制備生物炭的材料類型、熱解溫度及制備方式在一定程度上決定了生物炭的理化性質(zhì)和土壤改良效果［16-18］。有研究表明，Ca2+改性的生物炭改變了生物炭原有的表面特征官能團數(shù)量及內(nèi)部晶體晶型，增強了離子代換作用［19］和向土壤中釋放H+的可能［20］，在降低濱海鹽堿土表層Na+含量上取得了不錯的效果。草地鹽堿土的形成與濱海鹽堿土的形成存在一定的差異，利用不同裂解溫度的生物炭或不同裂解溫度后Ca2+改性的生物炭對草地鹽堿土進行改良可能會取得不同的效果，但目前相關(guān)研究較少。在許多草地系統(tǒng)鹽堿性退化不斷加劇的背景下，有必要對其進行相關(guān)研究。因此，筆者分析不同類型生物炭對草地鹽堿土鹽堿化特征和土壤養(yǎng)分的影響，研究不同類型的生物炭對重度鹽堿化的草地土壤的改良效果，以期為生物炭在草地鹽堿土改良方面的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤取自河北省張家口市沽源縣國家草地生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站鹽堿化草地表層土壤（0～30 cm）。取樣土壤為栗鈣土，經(jīng)過測定，土壤總堿度為311.49 cmol/kg，交換性Na+質(zhì)量分數(shù)為3.69 g/kg，交換性Ca2+質(zhì)量摩爾濃度為12.14 cmol/kg，pH值為10.25，全量碳、氮、磷質(zhì)量分數(shù)分別為21.0、1.2、1.4 g/kg，可溶性有機碳質(zhì)量分數(shù)為330.89 mg/kg，無機氮質(zhì)量分數(shù)為13.42 mg/kg，速效磷+質(zhì)量分數(shù)為3.15 mg/kg。

1.1.2 生物炭

以小麥秸稈為原材料，利用450 ℃和600 ℃兩個裂解溫度分別制備得到低溫熱裂解的生物炭（WB450）和高溫熱裂解的生物炭（WB600），然后用粉碎機將WB450和WB600粉碎過篩，作為原始的生物炭備用。

制備鈣改性生物炭時，分別取一定量的WB450和WB600，按1 g生物炭加入0.5 mol/L的氯化鈣溶液15 mL制備溶液混合物，接著在25 ℃下用振蕩器以125 r/min震蕩24 h濾出生物炭，在105 ℃下烘48 h，接著在200 ℃下復(fù)熱解1 h，即制備得到不同裂解溫度負載鈣基的改性生物炭，分別命名為MWB450、MWB600。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在溫室開展，將制備好的WB450、MWB450、WB600、MWB600分別按照3種添加比例（質(zhì)量分數(shù)為0%、2%、4%）施入試驗土壤中并混勻，然后轉(zhuǎn)移至直徑20 cm、高15 cm的土培試驗盆進行土壤培養(yǎng)試驗。整個試驗共設(shè)計9個處理，分別為CK（0%）、L2（WB450，2%）、L4（WB450，4%）、H2（WB600，2%）、H4（WB600，4%）、LM2（MWB450，2%）、LM4（MWB450，4%）、HM2（MWB600，2%）、HM4（MWB600，4%），每個處理重復(fù)3次。在培養(yǎng)周期內(nèi)維持土壤田間持水量為60%，培養(yǎng)至80 d，采樣測定相關(guān)理化指標。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 生物炭理化性質(zhì)

不同類型的生物炭制備完成后，測定生物炭電導(dǎo)率、pH值、灰分質(zhì)量分數(shù)、碳（C）質(zhì)量分數(shù)、氫（H）質(zhì)量分數(shù)、氮（N）質(zhì)量分數(shù)、氧（O）質(zhì)量分數(shù)、比表面積、孔隙面積、孔隙大小。

將生物炭與超純水按照1∶20的質(zhì)量比混合，用pH計測定pH值；利用電導(dǎo)率儀測定生物炭電導(dǎo)率；將生物炭樣品放入750 ℃馬弗爐中煅燒6 h，測定灰分質(zhì)量分數(shù)；利用CHNOS元素分析儀（Vario EL Ⅲ，Elementar Analysensysteme GmbH，德國）分析測定生物炭中的C質(zhì)量分數(shù)、H質(zhì)量分數(shù)、N質(zhì)量分數(shù)、O質(zhì)量分數(shù)；利用高性能比表面及微孔分析儀測定（BSD-PM）分析生物炭的比表面積、孔隙面積、孔隙大小。

1.3.2 土壤鹽堿化特征

將添加了生物炭的鹽堿土培養(yǎng)至80 d，采樣測定土壤pH值、電導(dǎo)率，以及其碳酸根離子（CO32-）、碳酸氫根離子（HCO3-）、可溶性鈉離子（WS-Na+）、交換性鈉離子（EX-Na+）、交換性鉀離子（EX-K+）、交換性鈣離子（EX-Ca2+）、交換性鎂離子（EX-Mg2+）的質(zhì)量摩爾濃度。

采用1.0∶2.5土水比測定土壤pH值；采用1∶5土水比測定土壤電導(dǎo)率；取土壤浸提液用酚酞和溴酚藍雙指示劑滴定法測定土壤中CO32-、HCO3-質(zhì)量摩爾濃度；使用ICP-OES測定土壤中WS-Na+、EX-Na+、EX-K+、EX-Ca2+、EX-Mg2+質(zhì)量摩爾濃度。

根據(jù)測定的數(shù)值，利用公式（1）和公式（2）計算土壤總堿度（TA）和土壤堿化度（ESP）。

TA=CO32-質(zhì)量摩爾濃度+HCO3-質(zhì)量摩爾濃度 （1）

ESP=EX-Na+質(zhì)量摩爾濃度/（EX-Na+質(zhì)量摩爾濃度+EX-K+質(zhì)量摩爾濃度+EX-Ca2+質(zhì)量摩爾濃度+EX-Mg2+質(zhì)量摩爾濃度）×100% （2）

1.3.3 土壤養(yǎng)分

將添加了生物炭的鹽堿土培養(yǎng)至80 d，采樣測定土壤總碳（Total Carbon，TC）、總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）、可溶性有機碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、有效磷（Available Phosphorous，AP）等質(zhì)量分數(shù)。

利用碳氮分析儀（Thermo Fisher Scientific，Italy）測定土壤TC、TN質(zhì)量分數(shù)；利用NaOH熱熔法測定土壤TP質(zhì)量分數(shù)；利用總有機碳分析儀（multi N/C-3100）測定土壤DOC質(zhì)量分數(shù)；使用流動化學(xué)分析儀（AA3/FIA Compact，Germany）測定土壤NH4+-N質(zhì)量分數(shù)、NO3--N質(zhì)量分數(shù)；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤AP質(zhì)量分數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel對數(shù)據(jù)進行整理，利用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和多重比較。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同類型生物炭理化性質(zhì)

由表1可知，不同類型生物炭的理化性質(zhì)存在差異。在不改性的情況下，低溫裂解生物炭（WB450）的C質(zhì)量分數(shù)明顯高于高溫裂解生物炭（WB600）；在改性后，改性的低溫裂解生物炭（MWB450）的C質(zhì)量分數(shù)也明顯高于改性的高溫裂解生物炭（MWB600）。總的來看：改性生物炭（MWB450、MWB600）的C質(zhì)量分數(shù)低于對應(yīng)的非改性生物炭（WB450、WB600）；改性生物炭中的H、O和灰分質(zhì)量分數(shù)都比對應(yīng)的非改性生物炭高，但是非改性生物炭中的N質(zhì)量分數(shù)高于對應(yīng)的改性生物炭；低溫裂解非改性生物炭（WB450）的N質(zhì)量分數(shù)明顯高于高溫裂解非改性生物炭（WB600）；相對于低溫裂解生物炭（WB450、MWB450），高溫裂解生物炭（WB600、MWB600）具有更高的pH值、電導(dǎo)率和比表面積，更小的孔徑面積和孔隙大小；在改性后，生物炭的電導(dǎo)率、pH值、孔隙大小和孔隙面積均降低，比表面積一定程度增加。

2.2 不同類型生物炭添加對土壤鹽堿化特征的影響

由表2可知，與對照（CK）相比，非改性生物炭的添加（L2、L4、H2、H4處理）對草地鹽堿土的pH值沒有顯著影響，但改性生物炭的添加（LM2、LM4、HM2、HM4處理）顯著降低了鹽堿土的pH值。在添加比例相同情況下，不同裂解溫度改性生物炭的添加對土壤pH值具有相似的影響效應(yīng)，且高溫裂解改性生物炭添加比例為4%時（HM4處理），土壤pH值降幅最大。

與對照（CK）相比，非改性生物炭的添加并未使土壤電導(dǎo)率發(fā)生顯著改變，但改性生物炭的添加一定程度降低了土壤電導(dǎo)率，尤其是高溫裂解改性生物炭的添加（HM2、HM4處理）使土壤電導(dǎo)率降幅較大。

與對照（CK）相比，非改性生物炭的添加對土壤總堿度沒有顯著影響，但改性生物炭的添加顯著降低了土壤總堿度，而且降幅與添加比例呈正相關(guān)，與裂解溫度無明顯關(guān)聯(lián)。

與對照（CK）相比，非改性生物炭的添加對土壤中CO32-、HCO3-質(zhì)量摩爾濃度沒有顯著影響，但改性生物炭的添加降低了土壤中CO32-、HCO3-的質(zhì)量摩爾濃度，尤其改性生物炭的添加比例為4%時（LM4、HM4處理），土壤中CO32-、HCO3-的質(zhì)量摩爾濃度下降幅度較大。

除L4處理外，與對照（CK）相比，不同類型生物炭的添加均使土壤中WS-Na+、EX-Na+質(zhì)量摩爾濃度有不同程度的下降。與對照（CK）相比，非改性生物炭的添加未使土壤中EX-Ca2+質(zhì)量摩爾濃度發(fā)生顯著變化，改性生物炭的添加使土壤中EX-Ca2+質(zhì)量摩爾濃度有不同程度的增加。

與對照（CK）相比，非改性生物炭的添加未使土壤堿化度發(fā)生顯著變化，但改性生物炭的添加降低了土壤堿化度，而且降幅與添加比例呈正相關(guān)，與裂解溫度無明顯關(guān)聯(lián)。這說明改性生物炭更有利于降低土壤鹽堿化程度，而生物炭裂解溫度對土壤鹽堿化特征影響較小。

2.3 不同類型生物炭添加對土壤養(yǎng)分的影響

由表3可知，不同類型生物炭的添加對土壤養(yǎng)分有不同程度的影響。與對照（CK）相比，不同類型生物炭的添加顯著增加了土壤中TC的質(zhì)量分數(shù)，且土壤TC質(zhì)量分數(shù)隨生物炭添加比例的增加而增加。與對照（CK）相比，低溫裂解非改性生物炭的添加（L2、L4處理）未顯著增加土壤中TN的質(zhì)量分數(shù)，但高溫裂解非改性生物炭及改性生物炭的添加（H2、H4、LM2、LM4、HM2、HM4處理）對土壤中的TN質(zhì)量分數(shù)有一定增加效應(yīng)。與對照（CK）相比，不同類型生物炭的添加在不同程度上增加了土壤中TP的質(zhì)量分數(shù)。與對照（CK）相比，不同類型生物炭的添加對土壤DOC、NH4+-N的質(zhì)量分數(shù)無明顯影響，但在不同程度上增加了土壤中NO3--N的質(zhì)量分數(shù)。除LM2處理外，與對照（CK）相比，不同類型生物炭的添加使土壤中AP的質(zhì)量分數(shù)有不同程度的增加。

3 結(jié)論與討論

生物炭的理化性質(zhì)與其原料、制備工藝、改性工藝息息相關(guān)。許多研究已經(jīng)報告生物炭中碳質(zhì)量分數(shù)隨裂解溫度升高相對下降，灰分質(zhì)量分數(shù)隨裂解溫度升高而升高 ［21］，與此次試驗結(jié)果一致。這是由于生物炭顆粒內(nèi)部碳骨架的塌陷程度在不同的裂解溫度下表現(xiàn)不一樣。低溫裂解生物炭可以更好地保留氮素類養(yǎng)分［22］，進而增加土壤中無機氮含量。而改性生物炭因淋洗程序洗掉部分灰分，使得養(yǎng)分流失，進而導(dǎo)致氮素養(yǎng)分含量降低。改性后生物炭的電導(dǎo)率和pH值降低一定程度上也由此引起。改性使得生物炭比表面積增大，形成的大孔隙結(jié)構(gòu)更有利于鹽分在土層中的淋洗和深層遷移。另外，鈣改性更有利于促進改性生物炭表面形成CaCO3引入更多鈣離子，可提供更多陽離子吸附位點，從而在一定程度上緩解土壤鹽漬化過程［23］。

3.1 生物炭添加對土壤鹽堿化特征的影響

與對照相比，非改性生物炭的添加未使土壤鹽堿化特征相關(guān)指標如土壤pH值、總堿度、WS-Na+質(zhì)量摩爾濃度、EX-Na+質(zhì)量摩爾濃度、堿化度顯著降低且部分處理有一定程度的升高，表明未改性生物炭的添加會導(dǎo)致鹽堿土有輕微的積鹽現(xiàn)象。這可能是由于生物炭含有的可溶態(tài)礦質(zhì)元素隨生物炭的添加進入土壤，具備潛在增強土壤堿度的可能［24］。與對照相比，改性生物炭的添加使土壤鹽堿化特征相關(guān)指標有不同程度的下降，這可能是因為Ca2+負載在生物炭表面作為外源添加，與施入脫硫石膏改良鹽堿土的作用類似。鈣改性生物炭對鹽基離子吸附置換能力比原始生物炭更強［25］，以Ca2+置換土壤中的交換性Na+，從而導(dǎo)致土壤鹽堿度下降。在鹽堿土中，Na+主要是與HCO3-和CO32-結(jié)合。鈣改性生物炭添加后，土壤中主要堿性陰離子與改性生物炭表面負載的鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣，破壞了土壤中的離子平衡，進一步降低CO32-和HCO3-的質(zhì)量摩爾濃度，使總堿度持續(xù)降低。

3.2 生物炭添加對土壤養(yǎng)分的影響

生物炭的添加能不同程度增加退化草地鹽堿地土壤中有效養(yǎng)分含量［26］。這可能因為生物炭顆粒在給微生物提供有利棲息條件的同時，促進了微生物對土壤中碳源的利用。在此次試驗中，雖然4種生物炭的添加對土壤DOC質(zhì)量分數(shù)的影響未表現(xiàn)出明顯差異，但是改性生物炭通過降低土壤鹽堿化，進而刺激土壤生物對可利用養(yǎng)分的消耗，導(dǎo)致添加改性生物炭后土壤中DOC質(zhì)量分數(shù)相對較低。相比前人研究，此次試驗添加生物炭時間短，生物炭含有的礦物成分和多種低分子量的有機酸含量有限，受養(yǎng)分緩速釋放的影響，土壤中AP質(zhì)量分數(shù)未出現(xiàn)顯著變化。此外，生物炭獨特的孔隙結(jié)構(gòu)使試驗土壤變得疏松多孔，微生物活性增強，對養(yǎng)分需求旺盛，速效養(yǎng)分作為底物被微生物消耗，故而土壤中相應(yīng)速效養(yǎng)分含量增幅不明顯。

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作者簡介：何宜璇（1996—），女，碩士，研究方向：草地生態(tài)。

通信作者：劉克思（1975—），男，博士，副教授，研究方向：草地生態(tài)。