朱協(xié)軍

上海園林（集團(tuán)）有限公司 上海 200335

利用濱海鹽堿地施行人工造林工程是當(dāng)下大部分沿海城市提高沿海撂荒土地利用效率、進(jìn)行水土保持、構(gòu)建城市景觀帶較為常見(jiàn)的做法[1]。濱海土壤由于特殊的地形位置，土壤性狀受氣候及地下水調(diào)控明顯，極易形成泛鹽堿特征[2]。在大部分濱海土地撂荒區(qū)域，高蒸發(fā)量下快速的耕層鹽分返析速率所形成的鹽離子脅迫及強(qiáng)降雨量下水分養(yǎng)分快速淋濕所形成的肥力匱乏是高效利用濱海土壤進(jìn)行綠化工程的最大阻礙[3-5]。濱海鹽堿地造林工程常見(jiàn)選育樹(shù)種多為高耐鹽植物，如落羽松、水杉等，雖然高耐鹽植物能夠在耐受閾值范圍內(nèi)伴隨鹽脅迫進(jìn)入生命史，但如果水鹽運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)過(guò)分惡劣或者伴之而來(lái)的肥力滯后效應(yīng)，也會(huì)極大影響成林速度，甚至導(dǎo)致幼株死亡[6-8]。

于造林工程前先期進(jìn)行一段時(shí)間的濱海鹽堿土壤人工改良，能夠在一定程度上有效調(diào)控土壤水鹽運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，加大土壤養(yǎng)分庫(kù)肥力供應(yīng)能力，常見(jiàn)諸如秸稈地膜-夾層覆蓋阻隔法等，而廢棄作物秸稈根據(jù)類型、養(yǎng)分含量、腐解速率等不同往往呈現(xiàn)出不同的水鹽調(diào)控效力，其過(guò)程往往緩慢并且受土壤類型及土壤微生物區(qū)系構(gòu)成制約[9-10]。將作物秸稈炭質(zhì)化形成秸稈生物炭能夠有效提高秸稈在土壤中的養(yǎng)分釋放速率，由于生物炭多孔疏松的結(jié)構(gòu)特性及強(qiáng)吸附性能，在降低土壤容重、阻斷地下水的毛細(xì)上升、加大降雨下滲速率等方面應(yīng)該更具優(yōu)勢(shì)[11-15]?？傮w來(lái)看，目前將不同作物廢棄秸稈的生物炭用于調(diào)控鹽堿地水鹽運(yùn)動(dòng)的研究較少，將其與母質(zhì)秸稈進(jìn)行對(duì)比的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以中度濱海鹽堿土壤為對(duì)象，研究利用周邊水稻秸稈及其生物炭在等碳量輸入水平下對(duì)中度鹽堿土在0～40 cm土層水鹽運(yùn)動(dòng)及土壤肥力恢復(fù)的效果，以期為上海濱海鹽堿土壤區(qū)進(jìn)行人造林工程前的土壤改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試樣地

試驗(yàn)于2018年11月在老港人造林工程內(nèi)的中度撂荒鹽堿土內(nèi)進(jìn)行。該造林工程主要分布在兩港大道以東的臨港地區(qū)，區(qū)域內(nèi)土壤鹽分含量區(qū)間為0.4～0.6 g/kg，部分區(qū)域超過(guò)8 g/kg，半數(shù)土地pH值范圍是8.0～8.5，少數(shù)土地pH值超過(guò)9，屬于典型的中度濱海鹽堿土壤。臨港地區(qū)土壤鹽漬化成因眾多，存在由于地勢(shì)低洼、地下水位偏高、蒸騰強(qiáng)烈等原生鹽漬化作用，也存在沿海魚(yú)塘過(guò)度建設(shè)等次生鹽漬化作用，隨降雨周期出現(xiàn)季度性脫鹽與反鹽過(guò)程。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)安排在微區(qū)進(jìn)行，微區(qū)面積為1 m×1 m=1 m2。微區(qū)于2018年11月修建，先將各微區(qū)開(kāi)槽深挖至1 m處，利用耐腐蝕工程塑料隔板阻隔，消除各微區(qū)底層土壤之間的交互影響，工程塑料隔板露出地表40 cm。由于人造林選育樹(shù)種幼苗期間根系深度一般不超過(guò)40 cm，因此，為了保證各微區(qū)0～40 cm背景鹽分及土壤理化性質(zhì)一致，將所有微區(qū)對(duì)應(yīng)深度土壤挖出并充分混合后重新分配，保證將每個(gè)微區(qū)上下夾層之間的土壤質(zhì)量控制在1 000 kg左右。

試驗(yàn)設(shè)水稻秸稈上覆下埋（S＋S）、水稻秸稈生物炭上覆下埋（C＋C）、撂荒（CK）3個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)一重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。秸稈選自周邊農(nóng)戶自種水稻儲(chǔ)備秸稈，根據(jù)水稻秸稈生物炭制備最佳條件，以5 K/min的升溫速度委托公司在峰值400 ℃裂解溫度下進(jìn)行2 h升溫裂解。根據(jù)所選水稻秸稈及其生物炭含碳量水平（表1），折算后按照相同碳土比（0.1%，即1 000 kg土壤添加1 kg碳源）當(dāng)量在不同微區(qū)40 cm深度進(jìn)行預(yù)埋并在表面進(jìn)行覆蓋，S＋S處理秸稈粉碎至5～10 cm長(zhǎng)度后進(jìn)行均勻鋪設(shè)，C＋C處理生物炭經(jīng)過(guò)2 mm過(guò)篩后均勻鋪設(shè)。2018年12月試驗(yàn)周期開(kāi)始，根據(jù)老港人造林工程管理辦法進(jìn)行為期一年的常規(guī)農(nóng)藝管理。

表1 供試土壤、材料理化性質(zhì)

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.3.1 土壤pH值、水分、鹽分

2018年12月—2019年12月，逐月采用土鉆在各微區(qū)取0～40 cm土樣5處（有秸稈和生物炭覆蓋的處理在秸稈及生物炭下取樣），充分混勻后利用四分法取保留土壤帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤水分和鹽分含量測(cè)定。土壤水分含量用烘干法測(cè)定，為質(zhì)量含水量。土樣烘干后磨碎，過(guò)2 mm篩，以1∶5的土水比提取土壤溶液上清液，用電導(dǎo)率儀DDS-307測(cè)定土壤電導(dǎo)率，根據(jù)公式計(jì)算出土壤鹽分含量（g/kg）＝電導(dǎo)率×0.064×5×10/1 000，再根據(jù)公式計(jì)算出各時(shí)期土壤鹽溶質(zhì)濃度（g/L）＝鹽分含量/水分含量×10。

1.3.2 土壤養(yǎng)分、容重

土壤全量與速效養(yǎng)分參考土壤農(nóng)化分析手冊(cè)，采樣方式同上。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；全氮采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測(cè)定；速效磷采用碳酸氫鈉比色法測(cè)定；速效鉀采用原子吸收分光光度法測(cè)定；以上所用土壤樣品均為移除礫石和植物殘茬后過(guò)100目篩（篩孔約0.15 mm）風(fēng)干土樣。土壤容重與毛管孔度能夠良好反映土壤鹽堿化水平，因此常用作表征鹽堿地恢復(fù)的重要指標(biāo)。本文中表層土壤容重采用環(huán)刀法原位采樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，土壤毛管孔度采用環(huán)刀吸濕法進(jìn)行測(cè)試。

1.3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SPSS18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單因素方差分析采用LSD法，所有圖形均由SigmaPlot制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值變化特征

土壤pH值變化特征因不同處理趨勢(shì)各異，撂荒土壤pH值在3月份達(dá)到最高值8.52（圖1），這可能是由于春季蒸騰作用強(qiáng)烈，撂荒土壤地表由于強(qiáng)烈積鹽作用導(dǎo)致堿度協(xié)同提高而引發(fā)的。

圖1 土壤pH值變化

秸稈生物炭偏堿性，呈明顯的生物學(xué)惰性，因此相較于CK處理，C＋C處理在一年內(nèi)對(duì)耕層土壤pH值并無(wú)顯著性調(diào)控并維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。和同月份CK處理相比，S＋S處理從1月份開(kāi)始便能夠顯著降低土壤pH值，在3月份達(dá)到最大降幅，達(dá)到0.51個(gè)單位，降幅比為5.98%，通過(guò)一年的處理，S＋S處理穩(wěn)定調(diào)控土壤pH值至7.97，同比降幅達(dá)到2.92%。S＋S處理由于采用水稻秸稈深埋與覆蓋，所形成的40 cm夾層在年內(nèi)通過(guò)不斷腐解形成的腐植酸可能是導(dǎo)致pH值穩(wěn)定下降的主要原因。

2.2 土壤含水量、容重變化特征

土壤含水量及容重是影響土壤鹽分含量的重要指標(biāo)。3種處理一年內(nèi)的土壤含水量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，并在雨季達(dá)到最高值（圖2），分別為22.5%（CK處理、7月份）、27.8%（C＋C處理、6月份）、27.2%（S＋S處理、7月份）。

圖2 土壤含水量

區(qū)別于土壤pH值變化趨勢(shì)，和同月份CK處理比較，2種處理均能夠在試驗(yàn)開(kāi)始后第1個(gè)月內(nèi)顯著提高土壤含水量，由于表面覆蓋與深埋措施大大降低了蒸騰作用并有效切斷部分毛細(xì)通道，抑制地下水快速上升，所以在調(diào)控土壤含水量方面具有比較快速、直接的效果；C＋C處理在初始月份內(nèi)（2019年1月—2019年3月）較S＋S處理?yè)碛懈玫谋ＫЧ?，但隨著試驗(yàn)周期的深入，該差距被縮小，這可能是由于冬季降雨量較小，而生物炭得益于更加優(yōu)秀的表面吸附力與張力，因此能夠迅速固持水分而導(dǎo)致[16]。CK處理土壤容重年末同比增幅3.7%，符合鹽堿土壤在自然撂荒狀態(tài)土壤板結(jié)化程度提高的趨勢(shì)（圖3）；C＋C處理與S＋S處理自2019年4月份開(kāi)始顯著降低土壤容重，最低值分別為1.22 g/cm3（C＋C處理、7月份）、1.24 g/cm3（S＋S、10月份），最終年末同比降幅為4.4%（C＋C處理）、3.7%（S＋S處理）。

圖3 土壤容重

2.3 土壤鹽分含量變化特征

關(guān)于土壤鹽分變化，3種處理趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)升高—降低—平穩(wěn)過(guò)渡的態(tài)勢(shì)。和pH值變化類似，CK處理在3月份達(dá)到最高鹽度含量4.88 g/kg，符合鹽堿地在春季強(qiáng)烈蒸騰作用下鹽含量急速上升的原則。和同月份CK處理比較，C＋C處理與S＋S處理均能夠顯著抑制耕層土壤鹽分含量的快速升高，其中，S＋S處理整體控鹽效果較為緩和，最終降幅為4.1%。C＋C處理能夠進(jìn)一步降低耕層土壤鹽分含量，最終降幅為9.1%（圖4）。

圖4 全鹽量

水稻秸稈與其生物炭能夠發(fā)揮一定的控鹽效果，一方面是由于深埋阻斷了部分毛細(xì)管通道，抑制地下水過(guò)快上升；另一方面，所形成地膜能夠有效保持蒸騰季的土壤含水量，并通過(guò)提高土壤孔度提高在雨季的下滲徑流速度，加速鹽分向下淋洗[17]。

由結(jié)果可知，生物炭比其母質(zhì)擁有更高的控鹽效果，由于高溫裂解所形成的生物炭擁有比其母質(zhì)更高的比表面積，因此在提高土壤孔度方面更具效力，同時(shí)，由于生物炭中交換性Ca2+、Mg2+濃度較高，能將土壤膠體吸附的Na+進(jìn)行置換，從而降低鹽堿化程度。

2.4 土壤有機(jī)碳含量變化特征

等碳量輸入前提下，和同月份CK處理比較，經(jīng)過(guò)2個(gè)月的穩(wěn)定期，從2019年2月開(kāi)始，C＋C處理與S＋S處理均能夠顯著提高土壤的有機(jī)碳含量，一年的最終增幅分別為75.7%（C＋C處理）、53.4%（S＋S處理）。在2019年5月、7月、9月、12月，同S＋S處理比較，C＋C處理進(jìn)一步顯著提高了有機(jī)碳含量。秸稈經(jīng)過(guò)高溫裂解后，所形成的生物炭能夠進(jìn)一步吸附土壤中的有機(jī)分子，通過(guò)表面催化活性促進(jìn)小的有機(jī)分子聚合形成有機(jī)質(zhì)。隨著在土壤中滯留時(shí)間的變長(zhǎng)，表面鈍化后的生物炭與土壤作用形成保護(hù)基質(zhì)，能夠維持有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定性，提高土壤有機(jī)碳的積累，因此相較于其母質(zhì)秸稈，生物炭可能擁有更好的固碳潛力[18]。

2.5 土壤全氮含量變化特征

CK處理土壤全氮含量先降低后升高，在7月份達(dá)到最低值（0.32 g/kg），最終降幅20%。和有機(jī)碳變化特征類似，C＋C處理與S＋S處理下的土壤全氮含量經(jīng)過(guò)2個(gè)月穩(wěn)定期后呈爆發(fā)式提高，最高值分別為1.90 g/kg（C＋C處理、9月份），2.21 g/kg（S＋S處理、8月份），同比最終增幅分別為171%（C＋C處理）、217%（S＋S處理）。區(qū)別于有機(jī)碳含量的變化特征，從2019年3月份開(kāi)始，S＋S處理下全氮含量均高于同月份的C＋C處理，這可能是因?yàn)樯锾吭诟邷亓呀膺^(guò)程中損失了部分氮素而導(dǎo)致其在土壤中作為氮源提供者稍顯劣勢(shì)[19]。

2.6 土壤速效養(yǎng)分變化特征

土壤速效養(yǎng)分特征趨勢(shì)明顯，和同月份CK處理比較，不同處理均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。速效磷最大值為23.32 g/kg（C＋C處理、8月份）、22.06 g/kg（S＋S處理、10月份）；速效鉀最大值為196.35 g/kg（C＋C處理、8月份）、185.59 g/kg（S＋S處理、7月份）。C＋C處理與S＋S處理在相同月份的速效養(yǎng)分并無(wú)顯著性差異。

3 結(jié)語(yǔ)

1）CK處理在撂荒狀態(tài)下，除速效鉀年末同比顯著提高外，其他養(yǎng)分含量均逐漸降低，總氮（TN）、有效磷（AP）達(dá)到顯著水平。CK處理的土壤pH值、土壤容重、含水量、全鹽量均先升高后降低，年末同比均明顯提高。

2）C＋C處理與S＋S處理在抑制土壤全鹽量過(guò)快提高、降低土壤容重、增持土壤含水量方面均比同月份CK處理效果顯著；但在土壤養(yǎng)分方面，需要經(jīng)歷2～3個(gè)月穩(wěn)定期后才能逐漸作為源頭慢慢恢復(fù)土壤肥力。

3）等碳輸入水平條件下，C＋C處理在2016年5月份后較S＋S處理?yè)碛懈语@著的控鹽能力與供炭能力；在試驗(yàn)初期擁有更好的保水效果；但S＋S處理在調(diào)控鹽堿地pH值與氮素供應(yīng)能力上更具優(yōu)勢(shì)。

4）C＋C處理與S＋S處理在等碳輸入水平條件下對(duì)中度鹽堿土壤擁有各具優(yōu)勢(shì)的調(diào)控能力，根據(jù)鹽堿地類型、鹽堿化程度、肥力背景水平，合理采用不同廢棄物材料及其生物炭的針對(duì)性覆蓋與深埋，可以為后期造林工程營(yíng)造相對(duì)健康的作業(yè)土壤。

4 致謝

本文在試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理階段，得到來(lái)自上海園林綠化建設(shè)有限公司工程師王潔女士的協(xié)助，同時(shí)感謝南京農(nóng)業(yè)大學(xué)金辰博士在寫(xiě)作方面給予的大力支持。