不同生物炭用量對濱海鹽堿土理化性質(zhì)和肥力的影響

摘要 為揭示不同生物炭用量對濱海鹽堿土改良效果的影響，以土壤肥力和理化性質(zhì)為主要指標(biāo)，設(shè)計(jì)0、5、10、15和20 t/hm² 5個(gè)不同生物炭用量處理（分別記為T、T、T、T、T），觀測不同處理下土壤pH、速效養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、剖面鹽分、容重、田間持水量等指標(biāo)的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，土壤pH、速效氮含量、速效鉀含量、全氮含量均隨著生物炭用量的增加先升高后降低，土壤速效磷、有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量與生物炭用量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，耕層土壤有機(jī)碳最大增幅達(dá)到1倍，速效磷和有機(jī)質(zhì)含量增幅分別為16.3%和14.5%；生物炭用量的增加有利于降低0～40 cm土層鹽分，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)0～20和>20～40 cm土層全鹽含量最高降幅分別達(dá)到14.5%和26.3%；隨著生物炭用量的增加，土壤容重總體呈降低趨勢，孔隙度總體呈升高趨勢；與T相比，生物炭施用處理田間持水量增加1.8%～9.1%，其中T用量下田間持水量增幅最大；綜合土壤肥力指標(biāo)、理化指標(biāo)和資源用量，推薦以15 t/hm²作為鹽堿土適宜生物炭用量。

關(guān)鍵詞 生物炭；鹽堿土；肥力；理化性質(zhì)；改良

中圖分類號(hào) F301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）19-0065-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.19.014

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effects of Different Biochar Dosages on the Physicochemical Properties and Fertility of Coastal Saline Alkali Soil

ZHENG Si-hai

（Fujian Provincial Geological Remote Sensing and Geographic Information Service Center， Fuzhou， Fujian 350000）

Abstract In order to reveal the effect of different biochar dosages on the improvement of coastal saline alkali soil， five different biochar treatments （T，T，T，T，T， respectively） were designed with soil fertility and physicochemical properties as the main indicators. The response law of soil pH， available nutrients， organic matter， organic carbon， profile salinity， bulk density and field water capacity under different treatments were observed. The results showed that soil pH， available nitrogen content， available potassium content and total nitrogen content all increased first and then decreased with the increase of biochar dosages. There was a significant positive correlation between soil available phosphorus， organic matter， and organic carbon content and the biochar dosage. The maximum increase in organic carbon in the topsoil was 1 times， and the increase in available phosphorus and organic matter content was 16.3% and 14.5%， respectively. The increase in the amount of biochar was beneficial for reducing the salt content in the 0-40 cm soil layer. At the end of the experiment， the maximum decrease in total salt content in the 0-20 cm and >20-40 cm soil layers was 14.5% and 26.3%， respectively. As the amount of biochar increases， the soil bulk density showed a decreasing trend， while the porosity showed an increasing trend. Compared with T， the application of biochar increased field water capacity by 1.8%-9.1%， with the largest increase in field water capacity was found under T application. Based on soil fertility indicators， physicochemical indicators and resource usage， it is recommended to use the 15 t/hm² amount as the appropriate amount of biochar for saline alkali soil.

Key words Biochar;Saline alkali soil;Fertility;Physical and chemical property;Improvement

基金項(xiàng)目 江蘇沿海集團(tuán)揭榜掛帥項(xiàng)目（2022YHTDJB02-1）。

作者簡介 鄭泗海（1989—），男，福建泉州人，工程師，從事土地利用方面的研究和實(shí)踐工作。

收稿日期 2024-05-17

由于城市用地和農(nóng)業(yè)用地之間的矛盾，開發(fā)濱海土地資源已成為諸多地區(qū)的共同選擇^［1-2］。濱海土地作為重要的后備耕地資源，對于保障國家糧食安全、端牢中國飯碗有重要戰(zhàn)略意義。然而，不同于普通耕地土壤，濱海鹽堿地土壤通常具有鹽分含量高、結(jié)構(gòu)密實(shí)、通透性和保肥性差等特點(diǎn)^［3］，需要經(jīng)過改良后才能利用。

生物炭是由木材、秸稈、草等富含碳元素的生物質(zhì)，在完全缺氧或部分缺氧的環(huán)境下高溫裂解形成，目前普遍被認(rèn)為具有表面積大、吸附性強(qiáng)、質(zhì)地輕、可溶性低等特點(diǎn)，是一種新型綠色土壤改良劑^［4］。已有研究表明，生物炭對于提高土壤氮磷儲(chǔ)存能力、鈍化土壤有害物質(zhì)、提升土壤肥力等方面有著很好的應(yīng)用價(jià)值^［5-6］。目前，生物炭在糧食作物栽培土壤如稻田、麥田應(yīng)用廣泛^［7-8］，但在后備耕地如鹽堿地上的應(yīng)用鮮見報(bào)道。明確不同生物炭用量對濱海鹽堿土理化性質(zhì)和肥力的影響，對于構(gòu)建濱海鹽堿土生物炭施用技術(shù)體系、提升鹽堿土生產(chǎn)力有重要指導(dǎo)作用。該研究設(shè)置不同生物炭用量處理，研究不同處理對鹽堿土速效養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)、容重、鹽分等理化指標(biāo)和肥力指標(biāo)的影響，旨在為生物炭在鹽堿地改良上的科學(xué)應(yīng)用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2023年2—12月在云霄縣原老區(qū)果場科技示范基地（23°57′38″N，117°20′05″E）進(jìn)行。云霄縣處于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)域，當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?1.5 ℃，1月份平均氣溫為13.2 ℃，7月份平均氣溫為28.5 ℃。年降水量常年在1 500 mm以上，無霜期347 d。供試土壤取自濱海鹽堿地，其理化性質(zhì)和機(jī)械組成如表1和表2所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該研究中生物炭為花生殼生物炭，碳化溫度350～500 ℃，生物炭pH 10.1，有機(jī)碳含量 451.1 g/kg，全氮含量 5.7 g/kg，比表面積 9.13 m²/g。試驗(yàn)設(shè)計(jì)0、5、10、15和20 t/hm²共計(jì)5個(gè)不同生物炭施用量處理（分別記作T、T、T、T、T），每個(gè)處理重復(fù)3次。為了防止不同處理之間相互干擾，采用隨機(jī)分區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)小區(qū)面積為2 m×3 m=6 m²，試驗(yàn)共設(shè)15個(gè)小區(qū)，總面積為100 m²。小區(qū)內(nèi)土壤分層次回填，不同小區(qū)之間用PVC隔板隔開。由于試驗(yàn)區(qū)常見暴雨，為防止雨水沖刷對表層土壤造成影響，試驗(yàn)在跨度8 m、長30 m的大棚中進(jìn)行。

試驗(yàn)區(qū)采用土壤改良適宜的耐鹽作物苜蓿（“中苜3號(hào)”）作為植物材料。播種前（2月26日）先施入菌渣有機(jī)肥料，肥料含N 3.9%、PO 2.7%、KO 1.8%，與0～20 cm耕層土壤混合均勻，各處理施肥量相同，均為4 500 kg/hm²。有機(jī)肥料施入完成后，再施入試驗(yàn)設(shè)計(jì)中不同用量生物炭。苜蓿播種時(shí)間為2月27日，根據(jù)田間實(shí)際情況在3月29日、5月30日、6月20日、8月6日進(jìn)行灌溉，灌溉方式為微噴灌，灌溉量分別為31、46、37、45 mm，總灌溉量為159 mm，各處理保持一致。

1.3 樣品采集與分析

在10月26日最后一茬苜蓿收獲后，采集耕層土壤用于測定肥力相關(guān)指標(biāo)，具體包括pH、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量。其中，土壤速效氮采用堿解擴(kuò)散法測定，土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀采用乙酸銨-火焰光度法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸氧化外加熱法測定，有機(jī)碳使用Vario Macro Cube元素分析儀（Elementar Company，Germany）測定^［9］。

考慮到首茬苜蓿收獲時(shí)，生物炭作用效應(yīng)可能不明顯，該研究在第2茬（7月21日）和第3茬（10月26日）苜蓿收獲后，用麻花土鉆采集0～20、>20～40、>40～60 cm剖面土壤，利用DDS-11A電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率，后轉(zhuǎn)換成全鹽含量（g/kg）用于分析。同時(shí)，采用環(huán)刀法采集0～20 cm原狀土，測定耕層土壤容重、土壤孔隙度和田間持水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

不同指標(biāo)數(shù)值之間的統(tǒng)計(jì)顯著性采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行計(jì)算，顯著性差異計(jì)算依據(jù)為Duncan’s multiple range test^［10］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭用量對土壤肥力指標(biāo)的影響

從表3可看出，生物炭施用后，肥力相關(guān)指標(biāo)均有不同程度變化，但變化規(guī)律有所差異。pH、速效氮含量、速效鉀含量、全氮含量均隨著生物炭用量的增加先升高后降低，除速效鉀含量外其余3個(gè)指標(biāo)降低幅度均不顯著（P＞0.05）。土壤速效磷、有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量與生物炭用量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，其中有機(jī)碳含量增幅最為明顯，最高生物炭用量處理（T）耕層土壤有機(jī)碳含量達(dá)到T處理的約2倍，速效磷和有機(jī)質(zhì)含量分別增加16.3%和14.5%。

2.2 不同生物炭用量對土壤鹽分的影響

從不同生物炭用量對剖面土壤鹽分的影響（圖1）可看出，第3茬收獲后淺層土壤（0～40 cm）全鹽含量低于第2茬。第2茬和第3茬苜蓿收獲后，0～20和>20～40 cm土層土壤全鹽含量隨著生物炭用量的增加總體呈下降趨勢。第2茬苜蓿收獲后，0～20和>20～40 cm土層全鹽含量最高降幅分別達(dá)到15.4%和13.8%；第3茬苜蓿收獲后，0～20和>20～40 cm土層全鹽含量最高降幅分別為14.5%和26.3%。>40～60 cm土層全鹽含量受生物炭施用的影響不大，各處理全鹽含量的差異并不顯著（P>0.05），這可能由于苜蓿是淺根系作物，生物炭、水肥施用并未對深層次土壤造成明顯擾動(dòng)。

2.3 不同生物炭用量對土壤物理性質(zhì)的影響

從表4可看出，隨著生物炭用量的增加，土壤容重總體呈降低趨勢，孔隙度總體呈升高趨勢，但T、T和T之間差異不顯著（P>0.05）。土壤田間持水量總體上隨生物炭用量增加而增加，與T相比，生物炭施用處理田間持水量增加1.8%～9.1%，其中T用量下田間持水量增幅最大，第2茬和第3茬苜蓿收獲后土壤田間持水量分別增加9.1%和7.7%。土壤含水率對不同用量生物炭的響應(yīng)規(guī)律與田間持水量相似，第2茬和第3茬苜蓿收獲后生物炭處理含水率分別為19.8%～20.9%和22.4%～23.9%，分別高于不施生物炭處理（T）。

3 討論

生物炭具有比表面積大、吸附容量大的特點(diǎn)，因此對于土壤肥力指標(biāo)存在不同程度的影響^［7］。該研究中，生物炭增加土壤速效養(yǎng)分含量可能通過提高氮磷鉀吸附量、降低流失來實(shí)現(xiàn)。研究表明，生物炭調(diào)控土壤氮循環(huán)主要包括以下幾個(gè)方面：①施用生物炭有利于減少土壤NO排放^［11］；②提高生物炭用量可提高土壤C/N值，顯著降低土壤氮素礦化速率，進(jìn)而有助于土壤儲(chǔ)存更多氮素，土壤全氮含量更高^［12］；③生物炭本身特殊結(jié)構(gòu)可以吸收和固持肥料養(yǎng)分，使得速效養(yǎng)分的釋放更為遲緩^［13］。生物炭提升有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量則與其自身含有豐富的有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳相關(guān)。

杜思垚等^［14］采用棉花秸稈生物炭開展研究，發(fā)現(xiàn)施用生物炭后，土壤有機(jī)碳增加6.4%、總氮增加2.5%；袁訪等^［15］在玉米秸稈生物炭試驗(yàn)中的結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳增加45.9%，速效氮增加19.0%；郭麗欣等^［16］研究表明，生物炭施用后，土壤有機(jī)碳含量增加145.0%，速效氮增加12.2%；耿娜等^［17］采用牛糞生物炭開展改良試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳增加了148%，總氮增加72%?？梢姡煌┯脳l件（種植作物、土壤種類、生物炭種類）下，生物炭對土壤碳氮的效應(yīng)有一定差異，該研究總體與郭麗欣等^［16］的研究結(jié)果相似。

52卷19期 鄭泗海 不同生物炭用量對濱海鹽堿土理化性質(zhì)和肥力的影響

第3茬收割后土壤不同土層全鹽含量總體低于第2茬，這可能由于苜蓿對鹽堿土壤鹽分存在吸附作用，隨著生育期推進(jìn)，土壤鹽分總體上有所降低。該研究中，生物炭降低0～40 cm土層鹽分與馬凱等^［18］的研究結(jié)果一致，這可能與生物炭產(chǎn)生的物理化學(xué)和生物作用有關(guān)。首先，生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，其微孔和介孔可以吸附并保持水分，通過提供更多的水分儲(chǔ)備，生物炭可以減少土壤中鹽分的濃度；其次，生物炭表面具有豐富的官能團(tuán)如羥基、羧基等，這些官能團(tuán)能夠與土壤中的鹽離子發(fā)生化學(xué)吸附作用，鹽堿土中含有大量的鈉離子，生物炭有助于吸附鈉離子等陽離子，從而減少土壤中活性鹽離子數(shù)量；此外，生物炭可以作為微生物的生長載體和棲息地，促進(jìn)土壤微生物群落的多樣性和活性，一些微生物具有降解鹽分的能力，提高土壤對鹽分的生物調(diào)節(jié)能力^［19-20］。

該研究中生物炭提升土壤孔隙度和持水性能、降低土壤容重一方面可能由于生物炭施用有利于形成穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體，這些土壤團(tuán)聚體具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，有利于土壤通氣和水分滲透^［21］。此外，生物炭的碳質(zhì)結(jié)構(gòu)還可以與土壤膠體發(fā)生作用，改善土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有利于水分保持。

4 結(jié)論

（1）土壤pH、速效氮含量、速效鉀含量、全氮含量均隨著

生物炭用量的增加先升高后降低，土壤速效磷、有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量與生物炭用量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)碳含量最大增幅達(dá)到1倍，速效磷和有機(jī)質(zhì)含量增幅分別為16.3%和14.5%。

（2）生物炭用量的增加有利于降低0～40 cm土層鹽分，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)0～20和>20～40 cm土層全鹽含量最高降幅分別達(dá)到14.5%和26.3%。

（3）隨著生物炭用量的增加，土壤容重總體呈降低趨勢，孔隙度總體呈升高趨勢；與T相比，生物炭施用處理田間持水量增加1.8%～9.1%，其中T用量下田間持水量增幅最大。

（4）綜合土壤肥力指標(biāo)、理化指標(biāo)和資源用量，推薦以15 t/hm²作為鹽堿土適宜生物炭用量。

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