周文志， 孫向陽， 李素艷， 張 樂

(北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083)

我國沿海地區(qū)分布著大量的鹽堿土，面積約6.7×105hm2[1]。由于排水不暢、土壤貧瘠，這些鹽堿地資源難以得到充分開發(fā)利用，造成大量土地資源的浪費。中捷農(nóng)場位于河北省黃驊市，該區(qū)域的土壤多為鹽漬化土壤，土壤結(jié)構(gòu)差，養(yǎng)分貧瘠。同時，由于受到海水型地下水的影響，土壤中可溶性鹽分含量較高，不利于農(nóng)林業(yè)的發(fā)展。由于當?shù)乜蒲袟l件較差、技術(shù)落后，所開展的生態(tài)修復(fù)具有一定的盲目性，該區(qū)域的生態(tài)建設(shè)進展緩慢、效益低下，所以深入研究該區(qū)域的濱海鹽堿土改良技術(shù)顯得重要且迫切。

研究表明，化學(xué)改良措施可以在一定程度上增加濱海鹽堿土的土壤孔隙度，減輕Na+毒害，增加土壤養(yǎng)分。但由于化學(xué)改良材料種類眾多，許多化學(xué)改良劑對土壤有潛在的污染風(fēng)險；因此，尋找合適的改良材料是目前重要的研究方向[2]。生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，用作土壤調(diào)理劑，可降低土壤容重[3]、改善土壤結(jié)構(gòu)與孔性[4]、提高土壤通透性[5]，實現(xiàn)改善鹽漬化土壤的目的[6]。園林廢棄物堆肥作為有機物料應(yīng)用于土壤改良時，可以改善土壤的通透性，降低土壤pH值，提高土壤的肥力及微生物活性[7]。本研究針對河北省中捷農(nóng)場地區(qū)鹽堿土壤的特點，選用生物炭和園林廢棄物堆肥作為濱海鹽堿土的改良劑，通過室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗研究這2種材料及其組合對濱海鹽堿土的改良效果，以期為該區(qū)域濱海鹽堿土的改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所需園林廢棄物堆肥制品，主要由白蠟、楊柳及雜草等植物的修剪殘余物或凋落物采用二次堆肥法制成[8]。園林廢棄物堆肥的EC值為6.76 mS·cm-1，pH值為7.91，堆肥中含有豐富的有機質(zhì)和氮磷鉀成分。供試生物炭為果木炭(在500 ℃高溫厭氧條件下熱解5 h制得)，由陜西億鑫生物能源有限責任公司提供，主要成分為有機碳和礦質(zhì)養(yǎng)分，pH值為9.12，EC值為12.73 mS·cm-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2017年2—11月在北京林業(yè)大學(xué)教學(xué)苗圃溫室中進行，溫度控制在20～25 ℃。采用土壤培養(yǎng)試驗方法，設(shè)置園林廢棄物堆肥和生物炭2個因素。參考張樂等[9]、岳燕等[10]的研究，設(shè)置園林廢棄物堆肥施用水平為0、20、40、80 g·kg-1，分別用G0、G1、G2、G3代表，生物炭施用水平為0、10、20、40 g·kg-1，分別用B0、B1、B2、B3代表。兩因素相互組合，試驗共設(shè)置16個處理，各處理均重復(fù)3次。

選擇土壤培養(yǎng)容器(口徑25 cm、高度15 cm，底部保持透氣)進行試驗，將材料混合均勻后分層填裝，每個土壤培養(yǎng)容器裝土2 kg，經(jīng)自然壓實放置7 d后開始培養(yǎng)。培養(yǎng)期間，根據(jù)土壤質(zhì)量變化調(diào)整土壤含水量，控制樣品含水量為田間持水量的50%～70%(5 d補充1次水)，培養(yǎng)時間為9個月。

1.3 測定項目及方法

土壤有機質(zhì)含量采用高溫外加熱氧化—容量法測定。采用容重環(huán)刀(直徑5 cm、高5 cm)、飽和導(dǎo)水率環(huán)刀(直徑6 cm、高4 cm)采集土壤樣品，用于飽和導(dǎo)水率的測定。根據(jù)文獻[12]計算鈉吸附比(SAR)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)整理和分析，采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)探討園林廢棄物堆肥和生物炭對濱海鹽堿土理化性質(zhì)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭和園林廢棄物堆肥對濱海鹽堿土pH的影響

如表1所示，培養(yǎng)結(jié)束后，各處理的土壤pH在8.04～8.58，以B0G3處理最低、B3G0處理最高。方差分析結(jié)果顯示，生物炭、園林廢棄物堆肥用量對土壤pH值均有顯著(P<0.05)影響，但二者的交互作用對土壤pH值無顯著影響。當園林廢棄物堆肥施用量為0時，土壤pH隨生物炭施用量的增加先顯著(P<0.05)降低后顯著(P<0.05)增加；當園林廢棄物堆肥施用量為20、40 g·kg-1時，隨生物炭施用量從0增加到20 g·kg-1，土壤pH無顯著變化，但當生物炭施用量進一步增加到40 g·kg-1，土壤pH較先前的處理均顯著(P<0.05)增加；當園林廢棄物堆肥施用量為80 g·kg-1時，隨生物炭施用量從0增加到10 g·kg-1，土壤pH無顯著變化，但當生物炭施用量進一步增加到20、40 g·kg-1，土壤pH較先前的處理均顯著(P<0.05)增加。在生物炭施用量固定的條件下，除B1水平下各處理土壤pH值無顯著差異外，其他生物炭施用量下，G0處理的土壤pH值均顯著(P<0.05)高于G2和G3處理，但G0與G1處理，以及G2和G3處理間無顯著差異，說明當生物炭施用量為0、20、40 g·kg-1時，適當增加園林廢棄物堆肥施用量可顯著降低土壤pH值。

2.2 生物炭和園林廢棄物堆肥對濱海鹽堿土鹽分指標的影響

2.2.1 對濱海鹽堿土EC的影響

從表2可以看出，各處理的土壤EC值以B0G0處理最高、B1G2處理最低，兩者差異顯著。方差分析結(jié)果顯示，生物炭、園林廢棄物堆肥用量，以及二者的交互作用對土壤EC值均有顯著(P<0.05)影響。當園林廢棄物堆肥施用量為0、20 g·kg-1時，B0和B3處理的土壤EC值無顯著差異，兩者均顯著(P<0.05)高于B1和B2處理；當園林廢棄物堆肥施用量為40、80 g·kg-1時，B0、B1、B2處理的土壤EC值無顯著差異，均顯著(P<0.05)低于B3處理。當生物炭施用量為10、20 g·kg-1時，不同園林廢棄物堆肥用量下土壤EC值無顯著差異；當生物炭施用量為0時，G0處理的土壤EC值顯著高于其他處理；當生物炭施用量為40 g·kg-1時，G0、G1、G2處理，以及G0、G1、G3處理的土壤EC值間均無顯著差異，但G2處理的土壤EC值顯著(P<0.05)低于G3處理。

表1生物炭和園林廢棄物堆肥施用對濱海鹽堿土pH的影響

Table1Effects of biochar and green waste compost application on pH of coastal saline soils

生物炭施用水平Application rate of biochar不同園林廢棄物堆肥用量下的土壤pH值Soil pH value under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B08.35±0.10 cd8.28±0.06 cde8.10±0.10 gh8.04±0.05 hB18.22±0.05 efg8.24±0.05 def8.13±0.03 fgh8.11±0.05 fghB28.36±0.07 cd8.29±0.04 cde8.23±0.04 efg 8.20±0.06 efgB38.58±0.06 a8.49±0.05 ab8.39±0.07 bc8.33±0.07 cd

數(shù)據(jù)后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters indicated significant difference atP<0.05.

2.2.2 對濱海鹽堿土SAR的影響

SAR是評價土壤鹽堿化程度的一項重要指標[12]，其值越大，表明對土壤的有害性越大。方差分析結(jié)果顯示，生物炭、園林廢棄物堆肥用量對土壤SAR均有顯著(P<0.05)影響，但二者的交互作用對土壤SAR無顯著影響。如表3所示，不施入任何改良材料的處理(B0G0)中SAR高達13.78，G2B3處理的SAR最低，兩者差異顯著(P<0.05)。當園林廢棄物堆肥用量為0、20、40 g·kg-1時，添加生物炭的各處理(B1、B2、B3)土壤SAR相較不加生物炭的B0處理均顯著(P<0.05)降低，但施用生物炭的各處理間土壤SAR無顯著差異；當園林廢棄物堆肥用量增加到80 g·kg-1時，不同生物炭用量下土壤SAR均無顯著差異。說明在一定的園林廢棄物堆肥用量下，適當

施用生物炭有助于改良土壤。當生物炭用量為0、10 g·kg-1時，G0處理的土壤SAR顯著(P<0.05)高于G2和G3處理；當生物炭用量為40 g·kg-1時，G0處理的土壤SAR顯著(P<0.05)高于G2處理，但與其他處理無顯著差異；當生物炭用量為20 g·kg-1時，不同園林廢棄物堆肥用量下的土壤SAR無顯著差異。

表2生物炭和園林廢棄物堆肥施用對濱海鹽堿土EC的影響

Table2Effects of biochar and green waste compost application on EC of coastal saline soils mS·cm-1

生物炭施用水平Application rate of biochar不同園林廢棄物堆肥用量下的土壤EC值Soil EC value under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B02.85±0.14 a2.39±0.07 cde2.09±0.14 fg2.34±0.18 defB12.22±0.11 efg2.03±0.16 fg1.93±0.12 g2.13±0.18 fgB22.35±0.10 def2.17±0.12 efg2.12±0.15 fg2.36±0.19 defB32.66±0.08 abc2.51±0.12 bcd2.39±0.16 cde2.74±0.19 ab

表3生物炭和園林廢棄物堆肥施用對濱海鹽堿土SAR的影響

Table3Effects of biochar and green waste compost application on SAR of coastal saline soils

生物炭施用水平Application rate of biochar不同園林廢棄物堆肥用量下的土壤SAR Soil SAR value under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B013.78±0.94 a12.95±0.35 ab11.70±0.53 bc11.12±0.84 cdB111.88±0.71 bc11.13±0.54 cd10.55±0.96 de10.23±0.53 deB210.79±0.65 cde10.21±0.67 de10.85±0.66 cde11.12±0.65 cdB311.20±0.65 cd10.06±0.53 de9.73±0.95 e10.37±0.46 de

表4生物炭和園林廢棄物堆肥施用對濱海鹽堿土Cl-含量的影響

Table4Effects of biochar and green waste compost application on Cl-content of coastal saline soils g·kg-1

生物炭施用水平Application rate of biochar不同園林廢棄物堆肥用量下的土壤Cl-含量Soil Cl- content under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B04.47±0.16 a4.04±0.41 ab3.50±0.43 cde3.42±0.30 cdeB13.74±0.39 bc3.30±0.39 cde2.94±0.37 e3.29±0.20 cdeB23.37±0.27 cde3.11±0.23 de3.26±0.27 cde2.94±0.26 eB33.56±0.30 bcd3.43±0.27 cde3.18±0.26 cde3.01±0.16 de

2.3 生物炭和園林廢棄物堆肥對濱海鹽堿土有機質(zhì)含量的影響

如表6所示，除了B1G0處理的有機質(zhì)含量與B0G0差異不顯著之外，其他各處理的土壤有機質(zhì)含量均顯著(P<0.05)高于B0G0處理。各處理的土壤有機質(zhì)含量以B3G3最高、B0G0最低。方差分析結(jié)果顯示，生物炭、園林廢棄物堆肥用量對土壤有機質(zhì)含量均有顯著(P<0.05)影響，但二者的交互作用對土壤有機質(zhì)含量無顯著影響。在生物炭施用水平保持一定的條件下，施用40或80 g·kg-1園林廢棄物堆肥處理(G2、G3)的土壤有機質(zhì)含量均顯著(P<0.05)高于不施用園林廢棄物堆肥的處理(G0)，且G2、G3處理的土壤有機質(zhì)含量隨園林廢棄物堆肥施用量的增加而顯著(P<0.05)增加。在園林廢棄物堆肥施用水平保持一定的條件下，施20或40 g·kg-1生物炭處理(B2、B3)的土壤有機質(zhì)含量均顯著(P<0.05)高于不施用生物炭的處理(B0)，且當園林廢棄物堆肥用量為40或80 g·kg-1時，B2、B3處理的土壤有機質(zhì)含量隨園林廢棄物堆肥施用量的增加而顯著(P<0.05)增加，但當園林廢棄物堆肥用量為0或20 g·kg-1時，B2、B3處理的土壤有機質(zhì)含量并無顯著差異?？傮w而言，增加園林廢棄物堆肥或生物炭用量均可提高土壤有機質(zhì)含量。

生物炭施用水平Application rate of biochar不同園林廢棄物堆肥用量下的土壤SO2-4含量Soil SO2-4 content under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B00.71±0.16 fg0.92±0.14 de1.23±0.08 bc1.46±0.17 aB10.67±0.08 fg0.99±0.14 cd1.05±0.14 cd1.18±0.03 bcB20.68±0.16 fg0.96±0.14 cde0.88±0.07 def1.15±0.14 bcB30.60±0.11 g0.77±0.10 efg1.01±0.12 cd1.06±0.07 cd

表6生物炭和園林廢棄物堆肥施用對濱海鹽堿土有機質(zhì)含量的影響

Table6Effects of biochar and green waste compost application on soil organic matter content of coastal saline soils g·kg-1

生物炭施用水平Application rate of biochar不同園林廢棄物堆肥用量下的土壤有機質(zhì)含量Soil organic matter content under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B07.39±0.84 g10.08±1.55 f12.57±2.11 e15.56±0.45 cdB19.33±0.90 fg12.79±1.52 e14.17±0.28 de17.73±0.88 bcB212.20±1.07 e14.35±0.99 de15.28±1.33 d19.04±1.05 bB314.22±1.83 de15.20±1.15 d17.53±1.55 bc21.92±0.99 a

2.4 生物炭和園林廢棄物堆肥對濱海鹽堿土飽和導(dǎo)水率的影響

土壤飽和導(dǎo)水率是土壤被水飽和時，單位水勢梯度下單位時間內(nèi)通過單位面積的水量，是計算土壤剖面中水的通量和設(shè)計灌溉、排水系統(tǒng)工程的一個重要土壤參數(shù)，反映土壤質(zhì)地、容重、孔隙分布，以及有機質(zhì)含量等空間變量的影響。如表7所示，試驗結(jié)束時，B0G0處理的土壤飽和導(dǎo)水率為1.16×10-4cm·s-1，其他各處理的土壤飽和導(dǎo)水率均顯著(P<0.05)高于B0G0，其中以B1G2處理的土壤飽和導(dǎo)水率最大，達到4.08×10-4cm·s-1。方差分析結(jié)果顯示，生物炭、園林廢棄物堆肥用量，以及二者的交互作用對土壤飽和導(dǎo)水率均有顯著(P<0.05)影響。當園林廢棄物堆肥的施用量為0時，施用生物炭的處理(B1、B2、B3)土壤飽和導(dǎo)水率均顯著(P<0.05)高于不施用生物炭的處理(B0)，且施用生物炭的處理(B1、B2、B3)間土壤飽和導(dǎo)水率無顯著差異；當園林廢棄物堆肥的施用量為20 g·kg-1時，施用生物炭的處理(B1、B2、B3)土壤飽和導(dǎo)水率均顯著(P<0.05)高于不施用生物炭的處理(B0)，且B3處理的土壤飽和導(dǎo)水率顯著(P<0.05)高于B1處理，但與B2處理無顯著差異；當園林廢棄物堆肥的施用量為40 g·kg-1時，B1處理的土壤飽和導(dǎo)水率顯著高于B0和B3處理，但與B2處理無顯著差異；當園林廢棄物堆肥的施用量為80 g·kg-1時，各生物炭用量下土壤的飽和導(dǎo)水率無顯著差異。當生物炭用量為0時，各處理的土壤飽和導(dǎo)水率隨園林廢棄物堆肥用量的增加而顯著(P<0.05)增加；當生物炭用量為10 g·kg-1時，各處理的土壤飽和導(dǎo)水率隨園林廢棄物堆肥用量在0～40 g·kg-1增加而顯著(P<0.05)增加，但當園林廢棄物堆肥用量從40 g·kg-1增加到80 g·kg-1時，土壤飽和導(dǎo)水率無顯著差異；當生物炭用量為2.0 g·kg-1時，G2和G3處理的土壤飽和導(dǎo)水率顯著(P<0.05)高于G0和G1處理，但G0和G1處理間，以及G2和G3處理間，土壤飽和導(dǎo)水率無顯著差異；當生物炭用量為40 g·kg-1時，各處理的土壤飽和導(dǎo)水率隨園林廢棄物堆肥用量在0～40 g·kg-1增加而顯著(P<0.05)增加，但當園林廢棄物堆肥用量從40 g·kg-1增加到80 g·kg-1時，土壤飽和導(dǎo)水率無顯著差異，且G3處理的土壤飽和導(dǎo)水率同G1處理下亦無顯著差別。

表7生物炭和園林廢棄物堆肥施用對濱海鹽堿土飽和導(dǎo)水率的影響

Table7Effects of biochar and green waste compost application on soil saturated hydraulic conductivity of coastal saline soils 10-4cm·s-1

生物炭施用水平Application rate of biochar不同園林廢棄物堆肥用量下的土壤飽和導(dǎo)水率Soil saturated hydraulic conductivity under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B01.16±0.13 g2.05±0.28 f3.24±0.37 cd3.72±0.19 abB11.91±0.26 f2.32±0.27 e4.08±0.35 a3.89±0.54 abB22.31±0.34 ef2.85±0.30 de3.79±0.44 ab3.59±0.21 bcB32.04±0.32 f3.02±0.38 d3.53±0.49 bc3.40±0.17 bcd

3 討論

本研究表明，在生物炭施用量保持一定的條件下，除施用10 g·kg-1生物炭的水平下土壤pH無顯著變化外，隨著園林廢棄物堆肥施用量增加到40或80 g·kg-1，土壤pH顯著低于未施入園林廢棄物堆肥的處理。施用園林廢棄物堆肥之所以能夠降低鹽堿土的pH，這可能是因為施入土壤后，堆肥分解產(chǎn)生的腐殖酸類物質(zhì)能夠提升土壤的緩沖性能，從而使pH趨于中性，這與張濤[13]的研究結(jié)論一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，在園林廢棄物堆肥施用量一定的條件下，施入較高水平(40 g·kg-1)的生物炭能夠顯著升高土壤的pH，但在不施用園林廢棄物堆肥的情況下，添加少量(10 g·kg-1)的生物炭，土壤pH顯著下降。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是，少量生物炭的施入改善了未施用園林廢棄物堆肥土壤的通透性，促進了土壤中鹽分的淋溶，從而降低土壤的pH；然而隨著生物炭施用量的增加，由于其本身pH過高而帶來的影響超過了其通過改善土壤通透性而對土壤pH的降低作用，綜合作用的結(jié)果使得土壤pH升高。

土壤的可溶性鹽分含量與EC呈正比，所以EC可代替土壤含鹽量用來評價土壤鹽化程度。張洋[14]研究表明，施入園林廢棄物堆肥可以降低土壤的鹽化程度。在本研究中，單獨施入適量水平的園林廢棄物堆肥(如B0G1、B0G2處理)也可顯著降低土壤EC。這是因為有機質(zhì)的加入改善了土壤的通透性，促進了鹽分的淋溶。然而，隨著園林廢棄物堆肥施用量的進一步增加，土壤EC并未進一步顯著下降。這可能是因為園林廢棄物堆肥本身含有大量的可溶性鹽分，若施用量過高，可能會造成土壤中新積累的可溶性鹽分超過淋溶損失，從而導(dǎo)致土壤EC升高。適宜的生物炭施入量可顯著降低土壤的EC，這可能是因為生物炭對鹽基離子具有吸附作用，同時還能通過改善土壤結(jié)構(gòu)、增加鹽基離子淋失而使土壤電導(dǎo)率降低。但當園林廢棄物堆肥用量一致時，高生物炭施用量(40 g·kg-1)條件下的土壤電導(dǎo)率較低生物炭施用量(10 g·kg-1)條件下顯著上升。這是由于生物炭本身亦含有大量的鹽分，過量的生物炭投入亦會帶來大量鹽分的累積，其影響一旦超過土壤鹽分的淋溶損失，就會使得土壤電導(dǎo)率呈現(xiàn)一定程度的上升。

對鹽土和鈉質(zhì)土而言，SAR與堿化度(ESP)呈顯著(P<0.05)的線性關(guān)系[15]，所以SAR也能夠反映土壤的堿化程度。研究表明，生物炭的施用可顯著降低土壤的SAR[16]，這與本試驗結(jié)果相同。這可能是由于生物炭含有較多的交換性Ca2+，能將土壤膠體吸附的Na+代換下來，受到灌施淋洗會帶走更多的鈉離子，從而降低SAR。隨著生物炭施用量的增加，生物炭的滯水性會降低水分的滲濾速度，從而減少鈉離子的淋溶，有增加土壤SAR的風(fēng)險。當生物炭用量為0或10 g·kg-1時，隨著園林廢棄物堆肥施入量的增加(40～80 g·kg-1)，土壤SAR顯著降低。原因在于園林廢棄物堆肥的施入改善了土壤結(jié)構(gòu)，從而促進了土壤中鈉離子的淋洗，降低了土壤SAR[17-18]。

本研究表明，在相同的園林廢棄物堆肥用量條件下，增加生物炭用量可有效提高土壤有機質(zhì)含量。這是因為：一方面，生物炭利用表面催化活性促進有機小分子聚合形成有機質(zhì)[19]；另一方面，生物炭在緩慢分解的過程中，與土壤相互作用形成一種保護機制，可增強土壤有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性，有助于腐殖質(zhì)的形成，進而促進土壤中有機質(zhì)的積累[20]。園林廢棄物堆肥產(chǎn)品作為一種有機改良材料，施入土壤之后可以有效提升土壤有機質(zhì)含量。在本研究中，在相同的生物炭用量下，施用適量的園林廢棄物堆肥能夠顯著增加濱海鹽堿土中有機質(zhì)的含量，這與王琳琳等[21]的研究結(jié)果一致。

飽和導(dǎo)水率作為表征土壤飽和滲透能力的重要指標，也是用來模擬土壤中水鹽運移規(guī)律的重要參數(shù)。在本研究中，在相同的園林廢棄物堆肥用量下，適當添加生物炭可顯著提高土壤的飽和導(dǎo)水率，但生物炭用量過高時，土壤飽和導(dǎo)水量并不會進一步顯著增加，甚至可能顯著下降。原因可能在于試驗所用的生物炭含有大量的孔隙，有助于在土壤內(nèi)部形成連通孔隙，改善土壤的通透性，因而適量的生物炭會增加土壤的飽和導(dǎo)水率。施用40 g·kg-1的生物炭會引起土壤飽和導(dǎo)水率的下降，可能是由于生物炭過多引起了土壤水分黏滯系數(shù)的增加，入滲的水分先滿足土壤孔隙中的吸附滯留，影響了土壤中水分的運移。南江寬[22]研究發(fā)現(xiàn)，有機物料的施用可有效增加土壤有機質(zhì)的含量，改善土壤孔隙狀況，但隨著土壤有機質(zhì)含量的增加，飽和導(dǎo)水率不再上升反而減小。在本研究中，飽和導(dǎo)水率隨著園林廢棄物堆肥施入量的增加呈上升趨勢，但是，在施用了生物炭的條件下，80 g·kg-1園林廢棄物堆肥處理與40 g·kg-1園林廢棄物堆肥處理的飽和導(dǎo)水率差異不顯著。這與前人的研究結(jié)果相似。