張繼寧，周勝*，孫會(huì)峰，蒲加軍

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海 201403； 2.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201415；3.時(shí)科生物科技(上海)有限公司，上海 200241)

我國現(xiàn)有濱海灘涂面積210萬hm2，北起遼寧，南抵廣西，且每年以2萬～3萬hm2的速度在淤長[1]。環(huán)渤海、南黃海、東海和南海沿岸的灘涂面積分別占全國灘涂面積的31.3%、26.8%、25.6%和16.3%[2]。濱海灘涂資源是一種重要的動(dòng)態(tài)增長的后備土地資源，對其進(jìn)行合理開發(fā)是緩解沿海地區(qū)人口增長和耕地減少雙重壓力的有效途徑，對促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，江蘇省濱海灘涂面積約為65.3萬hm2，約占全國灘涂面積的30%。而且，江蘇省每年凈增灘涂面積約1 100 hm2以補(bǔ)充耕地資源[3]。上海市采用圍墾—促淤—圍墾等有效的攔沙造地方式開發(fā)濱海灘涂資源，圈圍灘涂土地面積6.0萬 hm2，占上海市土地資源的15.4%[4]。

圍墾后的灘涂一般用于農(nóng)業(yè)種植，但由于圍墾前后水文條件的改變和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中人為因素的影響，土壤理化性質(zhì)常會(huì)發(fā)生顯著變化[5-6]。目前，灘涂土壤多存在含鹽量高、養(yǎng)分貧瘠、土壤滲透性差、重金屬污染等問題，若要用于農(nóng)業(yè)種植，對其進(jìn)行改良至關(guān)重要。生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在限氧環(huán)境中經(jīng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的固體物質(zhì)，具有穩(wěn)定、高度芳香化、富含碳素的特性[7-8]?，F(xiàn)有的生物質(zhì)炭研究已經(jīng)涉及農(nóng)田固碳減排、土壤肥力調(diào)控、土壤重金屬鈍化等方面[9-10]。隨著NY/T 3041—2016《生物炭基肥料》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，相關(guān)的應(yīng)用推廣將更加全面。然而，關(guān)于生物質(zhì)炭在灘涂土壤改良方面的應(yīng)用研究在檢索范圍內(nèi)尚鮮見報(bào)道[4,11-13]。為此，本研究綜述我國濱海灘涂土壤現(xiàn)狀，明確濱海灘涂土壤存在的主要問題，并分析生物質(zhì)炭改良灘涂土壤的效果與潛力，以期為科學(xué)治理、利用灘涂土壤提供理論支持。

1 我國灘涂土壤存在的主要問題

1.1 灘涂土壤含鹽量較高

1.2 灘涂土壤養(yǎng)分貧瘠

原始濱海灘涂土壤在物理性質(zhì)方面表現(xiàn)為砂質(zhì)，基本無結(jié)構(gòu)，孔隙率低，保肥供肥能力較差。長江口灘涂土壤以砂粒和粉粒為主(7.5%～36.6%)，黏粒較少(6.2%～13.3%)[15]。在化學(xué)性質(zhì)方面，表現(xiàn)為養(yǎng)分貧瘠，有機(jī)質(zhì)含量低。研究表明，長江口灘涂土壤中有機(jī)碳、總氮、陽離子交換量、速效磷和速效鉀含量分別為2.9 g·kg-1、0.3 g·kg-1、11.7 cmol·kg-1、160 mg·kg-1和200 mg·kg-1[11]。人類圍墾活動(dòng)促進(jìn)了灘涂土壤總有機(jī)碳和總氮含量的積累，以蘇北的灘涂土壤為例，經(jīng)過60 a的圍墾開發(fā)，0～100 cm土層的土壤總有機(jī)碳含量由0.76 g·kg-1升至3.66 g·kg-1，總氮含量從0.15 g·kg-1增至0.53 g·kg-1；然而，圍墾后的土壤碳、氮含量仍低于全國和全球平均水平，土壤供肥狀況較差[16]。圍墾后，灘涂土壤的理化性質(zhì)對微生物的生長發(fā)育也會(huì)產(chǎn)生積極的影響，經(jīng)過農(nóng)業(yè)種植后，灘涂土壤中的總氮含量與總磷脂脂肪酸生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[17]。

1.3 灘涂土壤固碳能力較弱

濱海灘涂土壤中有機(jī)碳的含量在圍墾前后會(huì)發(fā)生顯著變化[5]。圍墾前，自然灘涂中的有機(jī)碳主要受到潮汐、地貌和鹽生植被的影響；圍墾后，耕地管理與農(nóng)業(yè)實(shí)踐較大地影響了土壤有機(jī)碳庫的變化[5]。不同的輪作與施肥方式可以直接改變圍墾后土壤的固碳能力。相對于旱旱輪作而言，水旱輪作條件下灘涂土壤0～10 cm土層的有機(jī)碳含量增加了75.0%～83.0%。相比化肥而言，有機(jī)肥的施用更利于提升土壤中有機(jī)碳的含量[18-19]。

灘涂土壤由于水分過飽和而具有厭氧的生態(tài)特性，微生物活動(dòng)相對較弱，植物殘?bào)w分解釋放CO2的過程十分緩慢；因此，灘涂土壤中的無機(jī)碳含量(10.0 g·kg-1)占總碳含量(12.5 g·kg-1)的80%[11]。這些無機(jī)碳如果得不到合理的應(yīng)用和改良，灘涂土壤的固碳功能將進(jìn)一步減弱，灘涂土壤中的碳會(huì)氧化分解，土壤將由“碳匯”變成“碳源”，加劇溫室氣體排放。

1.4 灘涂土壤重金屬污染累積

灘涂土壤的污染主要來自近海水域的海水污染和周邊化工的開發(fā)[20-22]，導(dǎo)致灘涂土壤重金屬潛在污染的風(fēng)險(xiǎn)日益加劇。重金屬進(jìn)入灘涂環(huán)境后，在水中懸浮顆粒物的吸附作用下，主要表現(xiàn)為從水相向固相的遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而在沉積物中不斷累積。國內(nèi)學(xué)者圍繞灘涂土壤中重金屬的污染特征、來源分析和空間分布開展了大量工作。珠江口海域受到重金屬污染，圍墾農(nóng)田土壤中重金屬Cu、Pb、Cd、Ni、Cr和Zn均存在累積，表現(xiàn)為以Cd為主的多種重金屬混合污染[20]。遼東半島東南沿海的灘涂土壤基本表現(xiàn)為Ni元素中度污染區(qū)和Cr、Cu元素輕度污染區(qū)[22]。隨著江蘇省蘇北精細(xì)化工城的開發(fā)，鹽城濱海灘涂土壤中Pb含量發(fā)生了較為明顯的垂直變化，Cd含量也隨著土壤深度的增加而增大[23]。黃河三角洲濱海濕地表層沉積物中，Cr為主要污染因子[24]。

2 灘涂土壤治理技術(shù)

增施石膏[25-26]、生活污泥[27-28]、有機(jī)肥[28]、秸稈[28-29]等調(diào)控措施可以改良灘涂土壤。這些治理措施一方面可以改善灘涂土壤的物理性狀，促進(jìn)土壤脫鹽，抑制土壤返鹽，中和土壤酸堿度，從而減輕鹽分對作物的危害；另一方面可以培肥灘涂土壤，為灘涂微生物活動(dòng)提供豐富的碳源，促進(jìn)微生物的活動(dòng)，進(jìn)而提高灘涂土壤的保蓄性和緩沖性。

向?yàn)┩客寥乐刑硎┦嗷驘煔饷摿蚴嗪?，由于石膏可提供大量的Ca2+，因此，可以置換土壤膠體上的可交換性Na+，從而抑制Na+的表聚。隨著Na+的淋洗和大量Ca2+的滯留，灘涂土壤的通透性得以提高[25-26]。在江蘇省北部灘涂土壤上開展的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，石膏推薦施用量為1 500 kg·hm-2[25]。生活污泥富含有機(jī)質(zhì)，可提高灘涂土壤的有機(jī)質(zhì)含量、氮磷養(yǎng)分含量和陽離子交換量[27-28]。以灘涂土壤種植黑麥草的研究為例，30～300 t·hm-2的生活污泥施用量可使灘涂土壤的有機(jī)質(zhì)含量提高200.0%～402.7%，鹽分含量降低11.0%～62.9%，全氮和全磷含量分別提高35.1%～147.0%和49.5%～101.3%，在試驗(yàn)條件下，生活污泥的最優(yōu)推薦用量為75 t·hm-2。然而，無論施用煙氣脫硫石膏還是生活污泥，一旦施用范圍不合理，就會(huì)對作物造成重金屬污染[30]，因此，采取相關(guān)措施前必須要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)。

秸稈還田和施用有機(jī)肥也是改良濱海灘涂土壤的主要技術(shù)方式[31-32]。秸稈和有機(jī)肥分解后能與土壤顆粒螯合成有機(jī)、無機(jī)“復(fù)合體”，成為土壤“微團(tuán)聚體”，既可以改善灘涂土壤的粉砂土物理性質(zhì)，也可以為灘涂土壤提供養(yǎng)分，提高土壤有機(jī)碳含量。例如，上海市浦東東灘灘涂地就在水稻收獲后實(shí)施水稻秸稈的全量粉碎還田(還田量6.8 t·hm-2)。此外，當(dāng)?shù)卦鍪┑耐庠从袡C(jī)物料還包括有機(jī)肥和腐殖酸肥料，有機(jī)肥基施13.2 t·hm-2，腐殖酸類肥料用量2.3 t·hm-2[15]。上海市奉賢區(qū)的農(nóng)民，通常在作物種植之前，在灘涂土壤中施用有機(jī)肥10～20 t·hm-2[31]。江蘇省東臺(tái)市的灘涂土壤，采用有機(jī)肥和秸稈覆蓋的調(diào)控措施，秸稈覆蓋用量為10.0 t·hm-2，有機(jī)肥用量為20.0 t·hm-2[28]。

3 生物質(zhì)炭改良灘涂土壤的效應(yīng)和潛力分析

向?yàn)┩客寥乐屑尤肷镔|(zhì)炭，不僅可以改善土壤中的離子平衡，調(diào)節(jié)鹽基離子濃度和土壤pH值，而且能夠改善土壤中的微生物活性和多樣性，促進(jìn)土壤微生物增殖。

3.1 調(diào)控養(yǎng)分循環(huán)

生物質(zhì)炭對灘涂土壤具有明顯的改良效果。張瑞等[4]將由竹子制成的生物質(zhì)炭用于灘涂土壤改良，栽種小白菜的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，1.5 t·hm-2的竹炭用量顯著增加了小白菜產(chǎn)量，并提高了土壤的陽離子交換量。Zhang等[11]在灘涂土壤中一次性混施秸稈生物質(zhì)炭，連續(xù)3 a的水稻盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤電導(dǎo)率，及速效磷、速效鉀含量較對照均有所增加，增幅分別為8.8%～44.8%、10.0%～61.1%和65.6%～310.0%。Sigua等[6]在美國卡羅萊納州的灘涂土壤中栽種小麥，分別添加雞糞生物質(zhì)炭20 t·hm-2和木炭20 t·hm-2，相較于對照，生物質(zhì)炭處理的土壤中磷、鉀、鈣、鎂含量分別提高669%、830%、307%、687%。添加生物質(zhì)炭提高灘涂土壤中養(yǎng)分的原因主要在于，生物質(zhì)炭本身富含較多的可溶性礦物養(yǎng)分(如鉀、鈣、鎂、硅等)，可為作物生長提供磷、鉀、鈣等營養(yǎng)元素[6,31]。以土壤磷素為例，其在土壤中的運(yùn)移主要受到土壤pH值和有機(jī)質(zhì)等的影響。在灘涂土壤中添施生物質(zhì)碳后，土壤pH值處于7～8，為磷素的運(yùn)移提供了最優(yōu)條件，因此，土壤中的速效磷含量顯著增加[10,32]。

生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)可以為微生物提供住所，改善土壤微生物環(huán)境，提高微生物的活性和多樣性。Song等[33]以萊州灣南岸的濱海灘涂土為供試土壤，添加棉花秸稈生物質(zhì)炭后，固氮菌Ideonella和Skermanella的相對豐度增加，從而刺激了土壤固氮菌的生長，增加了土壤氮素含量。

生物質(zhì)炭自身具有較大的比表面積，可以物理吸附土壤中的無機(jī)離子。同時(shí)，生物質(zhì)炭表面含有的羧基、羥基等含氧官能團(tuán)[34]，以及胡敏酸和富里酸組分，可以參與到土壤腐殖質(zhì)的生成中，最終提高土壤陽離子交換量。

3.2 固定土壤碳素

自然濱海灘涂土壤沒有形成有機(jī)質(zhì)發(fā)生層。由于灘涂土壤鹽分含量、鈉吸附比較高，因此，土壤團(tuán)聚體形成較為困難，團(tuán)聚體的比例較低。隨著圍墾時(shí)間的延長，土壤中的有機(jī)碳不斷積累，土壤固碳能力明顯增加。伴隨著有機(jī)肥基施、秸稈還田等農(nóng)業(yè)操作，圍墾土壤的固碳速率遠(yuǎn)大于自然灘涂。以江蘇省灘涂土壤為例，自然演替下土壤的固碳速率為93 kg·hm-2·a-1，而農(nóng)業(yè)活動(dòng)條件下土壤的固碳速率為101～288 kg·hm-2·a-1[36]。

生物質(zhì)炭由活性有機(jī)碳、惰性碳和灰分組成?；钚杂袡C(jī)碳在土壤中較易礦化和淋洗，而且容易被微生物利用；惰性碳比較穩(wěn)定。因此，生物質(zhì)炭可作為惰性碳添加到土壤中，并在土壤中維持?jǐn)?shù)百年甚至上千年。生物質(zhì)炭在灘涂土壤中的添加，可以減少土壤中CO2和CH4的排放。Zhang等[37]在江蘇省濱海灘涂土壤中混施木炭(炭化溫度400 ℃，添加量10 t·hm-2)種植洋姜，生物質(zhì)炭處理的土壤CH4排放減少了72%～80%。Zhang等[11]研究表明，生物質(zhì)炭處理可提高土壤中的有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳，增幅分別為60%～250%和9.1%～20.0%，可促進(jìn)土壤中氮素的固定。生物質(zhì)炭還能通過促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成從而固定土壤中的碳。孫運(yùn)朋等[38]以江蘇省灘涂土壤為研究對象，發(fā)現(xiàn)當(dāng)小麥秸稈生物質(zhì)炭添加比例為3 t·hm-2時(shí)，土壤中>2 mm的團(tuán)聚體增加最多，對土壤中大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性有積極的促進(jìn)作用。但是，基于生物質(zhì)炭形成的土壤團(tuán)聚體是否能夠長期保持穩(wěn)定，仍有待于深入研究。

3.3 鈍化重金屬

利用生物質(zhì)炭修復(fù)灘涂土壤重金屬污染的文獻(xiàn)鮮見報(bào)道，但大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，生物質(zhì)炭可降低重金屬的遷移性及其毒害作用。向土壤中添加1%～3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的污泥生物質(zhì)炭、木屑生物質(zhì)炭、竹炭、糞便生物質(zhì)炭，經(jīng)過30 d的培養(yǎng)，土壤中的有效態(tài)汞含量顯著降低，降幅77.5%～87.1%[39]。向土壤中添加2%的雞糞生物質(zhì)炭，可降低土壤中酸溶態(tài)與可還原態(tài)Cu的比例，增加殘?jiān)鼞B(tài)Cu的比例[40]。Moore等[41]向Cu污染的土壤中投加雞糞生物質(zhì)炭和燕麥殼生物質(zhì)炭，經(jīng)過4茬作物栽培后，發(fā)現(xiàn)2種生物質(zhì)炭均能將可交換態(tài)的Cu轉(zhuǎn)化為有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，而且土壤中的Cu含量大幅下降。Ahmad等[42]采用磷改性的生物質(zhì)炭鈍化土壤中的Cu、Fe、Mn、Pb、Zn，當(dāng)改性生物質(zhì)炭的投加量為3%時(shí)，既可以增加土壤中可利用的磷含量，也可以鈍化重金屬。

生物質(zhì)炭修復(fù)土壤重金屬的作用機(jī)制主要包括以下幾個(gè)方面:1)生物質(zhì)炭表面含有的羥基、羧基、氨基等豐富的官能團(tuán)可以和重金屬離子發(fā)生離子交換，或與重金屬離子形成金屬絡(luò)合物，從而降低重金屬的遷移性及其毒害作用[43]。2)生物質(zhì)炭表面帶有的大量負(fù)電荷可吸附土壤中的重金屬離子[44]。3)生物質(zhì)炭表面多孔和比表面積較大的特性，可使重金屬離子吸附于其表面，重金屬離子也可通過擴(kuò)散進(jìn)入生物質(zhì)炭的微孔內(nèi)部[45]。4)生物質(zhì)炭基團(tuán)的芳香化程度越高，π共軛芳香結(jié)構(gòu)越多，π軌道負(fù)電荷變化程度越大，基團(tuán)失電子能力越強(qiáng)，則吸附越明顯[46]。5)生物質(zhì)炭表面的碳酸鹽、磷酸鹽或礦物相等無機(jī)物質(zhì)可與重金屬發(fā)生沉淀作用，從而固定土壤中的重金屬[47-48]。生物質(zhì)炭對土壤重金屬污染的修復(fù)作用并不是單一的絡(luò)合、沉淀或吸附過程，而是以上各種機(jī)制的共同作用。生物質(zhì)炭不僅對重金屬具有直接作用，而且可以通過增加土壤陽離子交換量、提高土壤pH值、改善土壤氧化還原條件等，間接增強(qiáng)對重金屬的鈍化作用。

4 生物質(zhì)炭改良灘涂土壤的研究展望

近年來，國內(nèi)外開展了一些生物質(zhì)炭修復(fù)濱海灘涂土壤的研究?？傮w上來看，生物質(zhì)炭具有修復(fù)濱海灘涂土壤的潛力。目前，我國應(yīng)用生物質(zhì)炭進(jìn)行灘涂土壤改良的工作還處于初級(jí)階段，需要在以下幾個(gè)方面深入研究。

4.1 優(yōu)選生物質(zhì)炭原料

在著力開展生物質(zhì)炭修復(fù)改良研究和推廣示范之前，有必要選擇特定地區(qū)常見的制備生物質(zhì)炭的生物質(zhì)原料。依據(jù)生物質(zhì)炭的性質(zhì)、施用量、當(dāng)?shù)貫┩客寥李愋秃头柿顩r確定合理的添施方法。建立生物質(zhì)炭改良灘涂土壤的技術(shù)和生態(tài)修復(fù)效果標(biāo)準(zhǔn)，以滿足社會(huì)、企業(yè)和政府對灘涂土壤改良和修復(fù)的要求。

4.2 優(yōu)化灘涂土壤改良技術(shù)

國內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了一些灘涂生態(tài)修復(fù)研究，但修復(fù)方法尚不成熟。生物質(zhì)炭可以作為良好的緩釋肥材料和改良劑的載體，將生物質(zhì)炭、生物炭基肥、傳統(tǒng)的秸稈還田和施用有機(jī)肥等改良技術(shù)合理搭配，以實(shí)現(xiàn)更好的灘涂土壤改良效果。

4.3 聯(lián)合修復(fù)灘涂土壤中的多種重金屬

現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道主要集中在生物質(zhì)炭對單一或者2種重金屬的吸附效果上，鮮有涉及多種重金屬污染土壤聯(lián)合修復(fù)的研究。但現(xiàn)實(shí)中，重金屬污染土壤往往同時(shí)存在多種重金屬。生物質(zhì)炭吸附不同的重金屬時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生協(xié)同、拮抗、屏蔽等作用，導(dǎo)致吸附效果異于對單一重金屬的吸附效果。因此，有必要深入開展生物質(zhì)炭對多種重金屬的聯(lián)合修復(fù)研究。