王娟，黃成真，馮紹元，劉春成，李浩，韓啟彪*

生物炭對濱海灘涂區(qū)土壤理化特性的影響

王娟1, 2，黃成真2，馮紹元2，劉春成1，李浩1，韓啟彪1*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

【目的】改善灘涂區(qū)土壤理化性質，降低耕層鹽分，提高土壤肥力，提高濱海灘涂區(qū)鹽漬土生產(chǎn)力，實現(xiàn)該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。【方法】通過盆栽試驗，設置普通生物炭（A）和酸改性生物炭（B）及其不同施量（2%、4%、8%）共6個處理，不添加生物炭作為對照（CK），研究了生物炭及其施量對土壤理化特性的影響。【結果】不同施量的生物炭均顯著降低了土壤體積質量，增大了土壤孔隙度，有效提高了土壤的持水性能，且施量越高正效應越強，普通生物炭改善效果略優(yōu)于酸改性生物炭。適量添加生物炭可增強土壤鹽分淋洗，提高脫鹽率，調節(jié)土壤pH值，添加2%酸改性生物炭處理（B2）土壤脫鹽率最高，為72.05%，但高施量普通生物炭（A8）不利于土壤脫鹽。添加生物炭顯著提高了土壤有機質（SOM）和硝態(tài)氮量，試驗組內(nèi)以A8、B4處理有機質和硝態(tài)氮量較高?！窘Y論】普通生物炭及酸改性生物炭均能有效降低灘涂區(qū)土壤含鹽量并提高土壤肥力，綜合考慮土壤水、鹽、肥狀況，適量的酸改性生物炭（4%）方案比較適宜研究區(qū)鹽漬土改良利用。

酸改性生物炭；土壤體積質量；持水特性；脫鹽率；土壤養(yǎng)分

0 引言

【研究意義】蘇北平原地處我國東部沿海，擁有豐富的灘涂土地資源，其面積約占我國灘涂總面積的25%[1]。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國的耕地資源日益緊張，不斷淤積的灘涂區(qū)土壤將成為重要的后備土地資源，因此，提高灘涂區(qū)土地資源利用率，對于緩解我國土地資源壓力具有重要意義。灘涂區(qū)土壤肥力低、含鹽量高，不利于作物吸收水分和養(yǎng)分[2]。因此，如何提升土壤肥力、降低耕層土壤含鹽量，改善灘涂區(qū)土壤環(huán)境是發(fā)展該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關鍵問題。

【研究進展】目前，改善灘涂區(qū)土壤結構、促進土壤脫鹽并提高肥力主要是通過完善灌排系統(tǒng)等工程措施和添加石膏、外源有機物（如生活污泥、蚯蚓糞）等農(nóng)藝措施來實現(xiàn)[3-5]。其中，生物炭是生物質在高溫缺氧條件下裂解碳化得到的產(chǎn)物，目前已被廣泛應用于中低產(chǎn)農(nóng)田的改良中[6]。生物炭能增強土壤透水性能、降低土壤體積質量[7]、有效改善土壤結構、提高土壤持水能力[8]。此外，生物炭可有效減少農(nóng)田氮、磷等養(yǎng)分流失，延長供肥期，促進作物生長，提高化肥利用率[9-10]?？傮w來講，生物炭在農(nóng)田土壤改良以及土壤肥力提升方面已有不少研究成果，但生物炭對濱海灘涂區(qū)土壤的改良效應的研究不多。其中，張瑞等[11]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)生物炭能夠降低灘涂區(qū)土壤電導率，提升土壤總碳、有機質量和土壤肥力。張繼寧等[12]通過大田試驗發(fā)現(xiàn)生物炭能有效提高灘涂區(qū)土壤碳、氮含量。酸改性生物炭是用酸溶液對普通生物炭進行處理后的產(chǎn)物，一般情況下適當?shù)乃嵝阅軌蛟龃笊锾康谋缺砻娣e與孔隙度，增強其吸附能力，從而優(yōu)化生物炭性質，拓寬其應用面[13-14]?！厩腥朦c】但普通生物炭和酸改性生物炭對灘涂區(qū)土壤結構、鹽分淋洗及養(yǎng)分提升的影響效應及其機制目前尚不清楚?！緮M解決的關鍵問題】基于此，設置盆栽試驗，探究在灘涂區(qū)土壤中施加不同量生物炭及酸改性生物炭對土壤理化特性、鹽分淋失及肥力提升的影響，以期為灘涂區(qū)土壤環(huán)境改良及其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展提供理論依據(jù)和技術指導。

1 試驗方案與研究方法

1.1 試驗設計

試驗用土取自江蘇省東臺市弶港鎮(zhèn)條子泥墾區(qū)，土壤初始體積質量1.4 g/cm3，土壤飽和含水率38.7%，田間持水率24.6%，土壤溶液電導率為（2.020±0.016）mS/cm，初始含鹽量（4.72±0.2）g/kg，pH值（8.51±0.05）。有機質（8.136±0.082）g/kg，堿解氮（13.06±1.29）mg/kg，水溶性有機碳小于0.5 mg/kg。使用馬爾文激光粒度分析儀（MS-2000）檢測土壤機械組成，其中黏粒（0～0.002 mm）占比7.44%，粉粒（0.002～0.02 mm）占比49.10%，砂粒（0.02～2 mm）占比43.46%，根據(jù)國際制土壤質地標準分類，土壤質地為粉砂質壤土。

試驗使用的生物炭購自河南譽中奧農(nóng)業(yè)科技有限公司，以小麥秸稈為源材料，制備條件為：溫度550～600 ℃，時間4～6 h。生物炭初始體積質量0.19 g/cm3，比表面積9 m2/g，總孔隙度67.03%，通氣孔隙度12.87%，持水孔隙度61.10%，pH值10.24，陽離子交換量60.8 cmol/kg。將購買的初始粒徑2～4 mm的顆粒狀生物炭研磨后過2 mm篩備用。酸改性生物炭制備參照李蕊寧等[15]，使用質量分數(shù)25%的磷酸溶液作為酸洗試劑，改性過程以生物炭與磷酸溶液1∶2為混合比例，溶液酸化時間0.5 h，酸化改性后使用紗布進行固液分離，并使用清水進行清洗，直至沖洗淋出液呈中性為止，將酸洗后的生物炭自然風干并研磨過2 mm篩備用。

試驗用盆栽為口徑21 cm，高25 cm的塑料小桶，底部鉆有小孔排水，填土前鋪設1層紗布防止排水孔堵塞。試驗設計見表1，共設置7個處理，每個處理設3個重復。按照田間實測土壤體積質量1.40 g/cm3填土，填土前計算生物炭以及土壤用量，以3 cm為1層進行填土，填土高度20 cm。

表1 試驗設計

供試作物為菠菜（L），選擇耐熱型的菠斯特TY7000F1品種，于2020年5月10日播種，每盆按“田”字狀分布9個播種點，點距5 cm，每個點播種3粒菠菜種子，出苗后每點保留1株菠菜。試驗開始前，根據(jù)土壤飽和含水率換算，按3 L/盆的定額對土壤進行灌溉洗鹽。種植期間避雨，控制灌水量和灌水間隔，保證盆栽土壤含水率基本保持在60%田間持水率。播前每盆施底肥按657 kg/hm2施復合肥（(N)∶(P2O5)∶(K2O)=15%∶15%∶15%，總養(yǎng)分≥45%），生育期內(nèi)保持菠菜其他栽培管理措施一致。

1.2 觀測指標及計算

土壤體積質量利用環(huán)刀法測定，試驗期末每盆取樣3個，每個處理3次重復。土壤孔隙度由土壤體積質量計算，計算式為：

式中：為土壤孔隙度（%）；為實測土壤體積質量（g/cm3）；為土壤體積質量（g/cm3），取2.65 g/cm3。

土壤水分特征曲線采用壓力膜儀進行測定，根據(jù)土壤體積質量實測值進行填土，利用特制的1 cm環(huán)刀進行試驗，設定1、3、5、7、10（bar）5個吸力段，并結合Gardner經(jīng)驗公式[16]以及RETC軟件（U.S. Salinity Laboratory, USDA, ARS, Riverside, California）對土壤水分特征曲線進行擬合，通過擬合方程計算土壤不同吸力下的含水率。Gardner計算式為：

式中：為土壤的含水率；為對應土壤吸力（kPa）；為參數(shù)。

土壤含水率通過烘干法測定。土壤電導率和pH值的測定方法為：將土樣自然風干后磨碎過2 mm篩，以土水比1∶5提取土壤浸提液，采用滬制DDSJ-308A電導率儀測定電導率，采用滬制pHS-3C型pH計測定pH值。

土壤含鹽量可根據(jù)下式通過電導率進行計算[17]：

=0.045+2.935，（3）

式中：為土壤含鹽量（g/kg）；為土壤電導率（mS/cm）。

土壤脫鹽率（%）通過播前及收獲時土壤含鹽量差值與播前土壤含鹽量的比值計算得出。根據(jù)土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法[18]，分別采用紫外分光光度法檢測土壤硝態(tài)氮量，重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定有機質量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0進行數(shù)理統(tǒng)計分析，Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤體積質量和孔隙度的影響

圖1為各處理試驗期末土壤體積質量和土壤孔隙度結果。由圖1（a）可知，添加生物炭處理降低了土壤體積質量，其中A2、A8、B8處理土壤體積質量顯著低于CK（<0.05），除CK外其他處理間差異不顯著。整體來看，隨生物炭施量的增加，土壤體積質量均略微增大后減小，普通生物炭處理的體積質量略小于同等施量的酸改性生物炭處理，其中以A8處理土壤體積質量最小。由圖1（b）可知，土壤孔隙度結果與土壤體積質量正好相反，添加生物炭后土壤孔隙度均有所提高，低施量和高施量普通生物炭以及高施量酸改性生物炭處理土壤孔隙度顯著高于CK（<0.05）。

圖1 試驗期末各處理土壤體積質量和土壤孔隙度

2.2 生物炭對土壤機械組成的影響

圖2為試驗期末不同生物炭施加量條件下的土壤機械組成。由圖2可知，在土壤中添加生物炭與酸改性生物炭后，各處理土壤砂粒占比較CK均有所增加，粉粒和黏粒占比則有所下降。除添加高質量分數(shù)（8%）普通生物炭處理（A8）外，施加酸改性生物炭的處理土壤砂粒占比均高于添加普通生物炭的處理，而土壤粉粒占比則均低于添加酸改性生物炭處理。添加外源性生物炭對土壤黏粒占比的影響未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。普通生物炭試驗處理，粉粒占比隨生物炭施量的增加先增大后減小，砂粒占比則先減小后增大。相反的，酸改性生物炭試驗處理，隨酸改性生物炭施量的增加，粉粒占比先減小后增大，而砂粒占比趨勢則正好相反。

圖2 不同處理土壤機械組成

2.3 土壤水分特征曲線擬合及其水分特征值

為了進一步比較不同處理對土壤持水性能的影響，采取Gradner經(jīng)驗公式模型對土壤水分特征曲線進行擬合，擬合參數(shù)見表2。表2中參數(shù)反映了土壤持水能力的大小，各處理條件下擬合結果2均高于0.97，說明擬合效果很好。添加生物炭的各處理參數(shù)均高于CK，表明鹽漬土中添加生物炭能不同程度的提高其持水能力。此外，隨生物炭施量的提高，入滲參數(shù)逐漸增大，表明生物炭添加越多，土壤持水性能越好，其中A8處理下土壤持水能力最強。需要指出的是，隨普通生物炭施量的增加，土壤持水能力增加幅度越來越大，而在相同施量增加情況下，酸改性生物炭處理的土壤持水能力略有升高后保持穩(wěn)定，說明對于土壤持水能力的提高，普通生物炭的施量閾值可能高于酸改性生物炭。

表2 Gradner經(jīng)驗公式模型擬合參數(shù)結果

表3 不同處理條件下土壤水分特征值

Table 3 Soil moisture properties value under different treatments %

基于RETC軟件擬合獲得的參數(shù)，通過土壤水分特征曲線以及對其擬合的結果計算各處理下土壤不同的含水率，其中土壤吸力10、30、100、1 500 kPa分別對應毛管含水率、田間持水率、毛管斷裂含水率和凋萎系數(shù)[19-20]，土壤最大有效含水率則為田間持水率與凋萎系數(shù)的差值。由表3可知，在灘涂區(qū)土壤中添加不同施量的普通生物炭和酸改性生物炭均不同程度地提高了土壤田間持水率等指標，土壤最大有效含水率也明顯提高。整體來看，8%施量的普通生物炭對土壤水分各特征值的改善結果更好。酸改性生物炭試驗組，除毛管斷裂含水率隨施量的增加表現(xiàn)為逐漸增大外，其他特征值隨施量的變化趨勢跟普通生物炭正好相反，且在2%施量下土壤最大有效含水率最高。此外，添加普通生物炭對土壤水分特征值的影響更大一些。

2.4 添加生物炭對鹽漬土pH值及土壤脫鹽的影響

表4為菠菜收獲后土壤含鹽量和pH值狀況。由于在播種前進行了灌溉洗鹽，與土壤初始含鹽量（4.72 g/kg）相比，各處理土壤含鹽量均大幅降低，除A8處理外，添加了生物炭處理的土壤含鹽量均低于CK。酸改性生物炭不同施量條件下的土壤含鹽量均低于普通生物炭不同施量處理，普通生物炭和酸改性生物炭組內(nèi)土壤含鹽量隨生物炭施量的增加均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，以添加2%酸改性生物炭處理（B2）土壤脫鹽率最高（72.05%）。

添加生物炭后土壤pH值均低于CK，但除B8處理外，各處理間差異未達到顯著水平?？傮w來看，酸改性生物炭對pH值的影響大于普通生物炭。隨著酸改性生物炭施量的增加，土壤pH值逐漸減小，B8處理土壤的pH值顯著低于其他處理（<0.05），說明高施量的酸改性生物炭對土壤pH值的影響更大。與土壤初始pH值（8.51）相比，各處理土壤pH值均有所下降，這可能是由于在土壤中添加生物炭后提高了土壤的入滲能力，在灌水過程中，增強了鹽分的淋出。A4、A8處理土壤pH值略高于A2處理，說明普通生物炭施量越高，對堿化土壤pH值的調節(jié)效果越弱。

表4 不同處理土壤含鹽量和pH值

2.5 生物炭對土壤有機質和硝態(tài)氮的影響

圖3為各處理土壤有機質和硝態(tài)氮。由圖3（a）可知，添加生物炭后土壤有機質量均顯著高于CK（＜0.05），添加普通生物炭處理的土壤有機質量均高于添加酸改性生物炭的處理，其中以A8處理土壤有機質量最高（8.55 g/kg），顯著高于除A4處理外的其他處理（＜0.05）。各處理土壤硝態(tài)氮量如圖3（b）所示，A8處理土壤硝態(tài)氮量顯著高于A4處理外的其他處理（＜0.05），其余處理間差異不顯著，隨普通生物炭施量的增加，土壤硝態(tài)氮逐漸提高；與CK相比，A2、A3處理下土壤硝態(tài)氮量分別提高了5.74%、31.26%。添加酸改性生物炭對土壤硝態(tài)氮的影響不大，且在高施量條件下（B8）土壤硝態(tài)氮量反而低于CK。

圖3 各處理土壤養(yǎng)分

3 討論

由于生物炭的多孔結構及其較大的比表面積，在土壤中添加生物炭可以顯著降低土壤體積質量，增大孔隙度并有效改善土壤結構，提高土壤的持水能力[8, 21]。本研究中，添加生物炭的處理土壤體積質量顯著降低，土壤孔隙度增大，但變化趨勢與生物炭添加量并非線性關系。本研究表明，添加外源性生物炭后土壤砂粒量增加，施加酸改性生物炭土壤砂粒占比均高于普通生物炭處理，這可能是由于生物炭進行酸改性后，中灰分量減少，大粒徑生物炭量更高所導致的。添加生物炭后各處理持水能力均有所提高，且高施量生物炭對土壤水分特征值的影響更大，這一方面是由于生物炭改善了土壤孔隙結構，增加了土壤的持水能力，也可能是因為生物炭較強的吸附能力對水分子的吸附直接增加了土壤的持水量[22-23]。

生物炭能促進土壤鹽分淋洗，顯著提高土壤脫鹽率，有效抑制鹽分在土壤表層的積累，這與賈詠霖等[24]和孫運朋等[25]的研究結果是一致。本研究發(fā)現(xiàn)，較高施量的生物炭反而會增加土壤含鹽量，這可能是因為生物炭有利于改善土壤結構，從而促進了鹽分的淋洗，但生物炭本身也有一定的含鹽量，較高的施量會導致大量鹽分輸入。此外，也有部分研究[26]指出，高施量的生物炭對土壤水分入滲具有阻滯現(xiàn)象，從而影響鹽分的淋洗。

酸改性生物炭對土壤pH值的調節(jié)效果優(yōu)于普通生物炭，這可能是因為酸改的過程增加了生物炭的含氧酸性官能團。普通生物炭施量越高，對堿化土壤pH值的調節(jié)效果越弱，因為普通生物炭本身的pH值（10.24）較高，添加量越高，對土壤pH值的貢獻也會越大。在相關的入滲試驗中發(fā)現(xiàn)，土壤pH值較本底值略有升高[27]，這與本文菠菜生長過程中pH值的變化結果不一致，這可能是因為入滲過程中，鹽分淋洗比較充分，土壤中Ca2+大量流失，因受溶度積的支配作用，土壤中的CaCO3產(chǎn)生部分溶解，導致HCO3-升高，造成了土壤pH值升高[28-29]，而菠菜生長過程中的灌水量與入滲水量相比是比較小的，因此在菠菜生長過程中可能只發(fā)生了初始的鹽分淋洗，并未發(fā)生CaCO3的溶解。

生物炭作為一種富碳有機質，其自身分解可形成腐殖質，有利于土壤肥力的提高，且生物炭吸附土壤中有機分子后通過表面催化活性促進小的有機分子聚合形成有機質[30]。另外，生物炭可提升土壤有機碳的穩(wěn)定性，降低土壤有機碳礦化量[31]，從而提高土壤中有機碳量。本文所研究的作物為菠菜，菠菜對土壤的適應能力較強，作為葉菜，在生長過程中需要較多的氮肥和適當?shù)牧追屎外浄?。本研究表明，生物炭的施用明顯提高了土壤硝態(tài)氮和有機質量，這與孫運朋等[32]在田間玉米種植試驗和高鳳等[30]在白菜試驗中的研究結果是一致的，在后續(xù)的研究中還應該進一步考慮作物因素對土壤肥力的影響。

4 結論

1）添加生物炭顯著降低了土壤體積質量，增大了土壤孔隙度。普通生物炭對土壤結構的改善結果略優(yōu)于酸改性生物炭，均在高施量情況下對土壤結構影響最大。添加生物炭后各處理持水能力均有所提高，且隨著普通生物炭施量的增加，土壤持水能力持續(xù)增強。

2）除高施量普通生物炭處理（A8）外，添加生物炭均能降低土壤鹽分，酸改性生物炭對鹽分的調節(jié)作用優(yōu)于普通生物炭，其中添加2%酸改性生物炭處理（B2）土壤脫鹽率最高，為72.05%。添加生物炭后，土壤pH值均有所降低并趨于中性，但除高施量酸改性生物炭處理（B8）外，各處理間差異未達到顯著水平?？傮w來看，酸改性生物炭對土壤pH值的影響大于普通生物炭。

3）添加生物炭能顯著提高土壤有機質量，土壤有機質量隨普通生物炭的施量增加持續(xù)升高，而隨酸改性生物炭施量增加表現(xiàn)為先增大后減小，存在施量閾值。

綜合考慮土壤水、鹽、肥狀況，適量的酸改性生物炭（4%）方案比較適宜研究區(qū)鹽漬土改良和高效利用。

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Using Biochar Amendment to Improve the Physicochemical Properties of Soil in Coastal Tidal Area

WANG Juan1,2, HUANG Chengzhen2, FENG Shaoyuan2, LIU Chuncheng1, LI Hao1, HAN Qibiao1*

(1. Institute of Farmland and Irrigation, Chinese Academy of Agricultural Science/Key Laboratory of Water Saving Irrigation Project of Ministry of Agriculture, Xinxiang 453002, China; 2. College of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

【Objective】Coastal soils are rice in China but most of them are salinized. Improving their quality to facilitate crop growth is essential to safeguard the food security in China. The aim of this paper is to investigate the feasibility of using biochar amendment to improve physical and physicochemical properties of such soils. 【Method】The experiments were conducted using repacked pots; soil in the pots were amended with traditional biochar (A) or acidified biochar (B) applied at mass ratio ranging from 2% to 8%. Traditional remediation without biochar amendment was the control (CK). In each treatment, we measured the change in physical and physicochemical properties of the soils after a period of incubation. 【Result】Biochar amendment significantly reduced soil bulk density, increased soil porosity and the capacity of the soil to hold water, regardless of the biochar types. The improvement increased with biochar application ratio. On average, the traditional biochar was more effective than the acidified biochar. A moderate biochar amendment ratio enhanced salt leaching, improving desalination rate and reducing pH. Amending the soil with the acidified biochar at 2% ratio achieved the highest leaching rate - 72.05%, whereas amending the soil with the traditional biochar at 8% ratio was least effective. We also found that adding biochar significantly increased soil organic matter and nitrate nitrogen, especially the traditional biochar applied at 8% and the acidized biochar applied at 4%. 【Conclusion】Both traditional and acidified biochar can effectively reduce soil salinity and improve soil fertility in the coastal tidal area. Considering improvement in soil water and fertility as well as desalinization, the acidified biochar applied at the ratio of 4% was optimal.

acidified biochar; soil bulk density; soil water holding capacity; desalination; soil nutrient

王娟, 黃成真, 馮紹元, 等. 生物炭對濱海灘涂區(qū)土壤理化特性的影響[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(10): 125-130, 138.

WANG Juan, HUANG Chengzhen, FENG Shaoyuan, et al. Using Biochar Amendment to Improve the Physicochemical Properties of Soil in Coastal Tidal Area[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(10): 125-130, 138.

1672 - 3317（2022）10 - 0125 - 07

S156.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021563

2021-11-16

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點實驗室開放課題項目（FIRI202002-0301）；國家自然科學基金項目（51609209）；江蘇省自然科學基金項目（BK20160471）

王娟，主要研究方向為水土資源高效利用與保護。E-mail: wangjuan@yzu.edu.cn

韓啟彪，主要研究方向為節(jié)水灌溉技術與設備研究。E-mail: hanbiaoedu@126.com

責任編輯：白芳芳