王春婷 ，王 琨 ，何順圓 ，李彥儀

（河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

中國淡水資源匱乏，人均淡水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，同時(shí)鹽堿地面積已達(dá)9 913 萬hm2，約占全國土地面積的10.3%，且呈不斷擴(kuò)大趨勢，淡水資源短缺及大面積的鹽堿地，嚴(yán)重制約著中國灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展。我國濱海農(nóng)區(qū)的淡水資源年內(nèi)分布不均，而該區(qū)微咸水資源豐富，如何安全高效地利用微咸水成為該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展急需解決的重要問題之一。因此，合理利用微咸水資源并結(jié)合秸稈廢棄物制成的生物炭改良劑，在節(jié)水基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鹽堿地的綜合改良具有重要的理論現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，生物炭被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤改良。生物炭是在低氧下生物質(zhì)熱解生成的有機(jī)材料，具有多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大和離子交換量高等特點(diǎn)[1]。生物炭作為土壤改良劑可以改善土壤物理性質(zhì)，如容重、孔隙結(jié)構(gòu)、團(tuán)聚特性、持水導(dǎo)水能力等[2]。施用生物炭還有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、養(yǎng)分供應(yīng)和陽離子交換量，從而提升養(yǎng)分有效性和肥力水平[3]。此外，添加生物炭有利于改善根際微生物環(huán)境，增強(qiáng)土壤酶活性和促進(jìn)微生物生長[4]。勾芒芒等[5]發(fā)現(xiàn)，生物炭可以減緩鹽分脅迫對(duì)作物的危害，并提高作物耐鹽性能，如改善作物水分狀況、降低鹽分離子吸收、促進(jìn)養(yǎng)分?jǐn)z取和調(diào)節(jié)植物激素等[6]。

微咸水灌溉可能導(dǎo)致次生鹽漬化，并引起土壤結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、表面結(jié)皮、透水性降低等問題，破壞土地資源的可持續(xù)性[7]。同時(shí)，過高的鹽分會(huì)降低土壤溶液滲透勢，抑制根系吸水和作物生長，隨著鹽分離子在作物體內(nèi)積累，將造成離子毒性和營養(yǎng)失衡，破壞正常新陳代謝活動(dòng)。因此，適宜的微咸水利用方法對(duì)于濱海地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展極其重要，交替使用微咸水和淡水進(jìn)行灌溉不僅可緩解淡水短缺問題，還可降低微咸水對(duì)土壤和作物的不良影響[8]。牛君仿等[9]和Singh[10]發(fā)現(xiàn)，相比于微咸水直接灌溉或咸淡水混合灌溉，微咸水-淡水交替灌溉更有利于控制土壤鹽分，降低土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)，且可保證更高的作物產(chǎn)量。

本研究以鹽堿土為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在室內(nèi)進(jìn)行土柱試驗(yàn)，采用微咸水-淡水交替灌溉，并結(jié)合生物炭改良劑對(duì)鹽堿土壤的改良效應(yīng)，研究土壤含鹽量與含水量的變化走向。通過多次、多種的對(duì)照試驗(yàn)確定最適宜實(shí)驗(yàn)土地的生物炭種類，為濱海地區(qū)微咸水利用及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1）供試土壤質(zhì)地為粉砂壤土和砂壤土，取自江蘇省鹽城市東臺(tái)典型濱海墾區(qū)（32°96′N，120°87′E），土壤質(zhì)地屬于粉砂壤土。

2）本次試驗(yàn)共用到兩種生物炭改良劑：第一種生物炭改良劑為譽(yù)中奧小麥秸稈生物炭，為小麥秸稈在550 ℃~600 ℃的高溫下熱解，經(jīng)4 h~6 h 碳化而得到的，其容重約為0.19 g/cm3，比表面積為9 m2/g，總孔隙率為67.03%，pH 為10.24。第二種生物炭改良劑為稻殼生物炭，為稻殼在400 ℃高溫下熱解，經(jīng)過2 h~3 h碳化而得到的，其外觀為黑色絲狀顆粒，有機(jī)質(zhì)含量為450.6 g/kg，pH為8.12，灰分為10.52%。

3）試驗(yàn)用水為純凈水和礦化度為5 g/L的微咸水。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由供水設(shè)備、試驗(yàn)土柱和水鹽測定裝置三部分組成。供水設(shè)備為馬氏瓶，其設(shè)計(jì)尺寸為內(nèi)徑5 cm，高度120 cm，滲積水保持為定水頭5 cm，外壁貼有標(biāo)尺，以控制和記錄入滲水量；土柱由PVC 管盛放，土柱高40 cm，直徑為11 cm，共分為兩大層，四小層；上面20 cm 為一層摻入對(duì)應(yīng)質(zhì)量比例的生物炭，下面20 cm 為一層裝填純鹽堿土；每間隔8 cm 設(shè)計(jì)一直徑為1 cm 的圓形孔，用于安裝TDR 土壤水分測定探針，便于測量土壤的含水量。土柱內(nèi)壁涂抹凡士林用于消除邊壁效應(yīng)，底部設(shè)置濾紙層、2 cm 礫石層以及排水口，以促進(jìn)土壤排水透氣。

入滲試驗(yàn)在試驗(yàn)過程中按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻加生物炭，第一種生物炭與土壤的質(zhì)量比分別為：1%，2%，3%和5%；第二種生物炭與土壤的質(zhì)量比分別為1%和3%；另外設(shè)一組空白對(duì)照組，土柱內(nèi)無任何生物炭改良劑。

生物炭研磨、過篩（2 mm）后，與土柱表層0~20 cm 的鹽漬土樣充分混合均勻。裝填時(shí)共分5 層，每層8 cm 均勻裝入土柱，層面間土壤表面打毛，以保證入滲過程不出現(xiàn)分層。試驗(yàn)開始前，頂部土壤表層鋪一層濾紙并控制灌溉速度，以減少灌水對(duì)表層土壤的沖擊。

本次試驗(yàn)只有一種灌溉方式——先淡水后微咸水，先連續(xù)灌溉3 次淡水，再連續(xù)灌溉3 次相同體積的礦化度為5 g/L 的微咸水，對(duì)所有儀器進(jìn)行相同的操作。在此次試驗(yàn)中，不同生物炭改良劑以及生物炭與土壤的質(zhì)量比由小到大分別為：CK（空白對(duì)照組）、C1（第一種生物炭改良劑，質(zhì)量比1%）、C2（第一種生物炭改良劑，質(zhì)量比2%）、C3（第一種生物炭改良劑，質(zhì)量比3%）、C4（第一種生物炭改良劑，質(zhì)量比5%）、W1（第二種生物炭改良劑，質(zhì)量比1%）、W2（第二種生物炭改良劑，質(zhì)量比3%）。

1.3 指標(biāo)測定方法

對(duì)土柱進(jìn)行灌溉，完成入滲定額后，利用TDR 水分測量儀實(shí)時(shí)讀取土壤含水率，并即刻從最上方，即距離土壤表層2 cm 處的開口處采樣，以檢測土壤表層2 cm 處的含鹽量。土壤剖面各層含水率由TDR 土壤水分測定儀讀取。土壤含鹽量采用飽和萃取液法測定，將土樣自然風(fēng)干后，研磨過篩，稱取1 g 土樣與5 mL 去離子水充分振蕩5 min 后，靜止澄清，得到土壤飽和上清液。對(duì)上清液使用DDBJ-350 便攜式電導(dǎo)率儀來測量土壤剖面處的含鹽量，計(jì)算土壤初始含鹽量和入滲結(jié)束時(shí)含鹽量的差值與初始含鹽量的比值為土壤脫鹽率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 對(duì)土壤含水率的分析

由TDR 土壤水分測定儀實(shí)時(shí)檢測土柱對(duì)應(yīng)孔洞處的含水量，測出的土壤含水率如表1 所示。

其中，“土層”指的是土壤深度；“初始”指的是裝填土柱完成后測得的土壤含水率；“1 次”是指灌完去離子水后測得的土壤含水率；“2 次”指的是灌完礦化度為5 g/L的微咸水溶液后測得的土壤含水率。

由表1 可知，隨著灌溉水量的增多，土壤含水量變大也逐漸趨于飽和狀態(tài)。與此同時(shí)，大體記錄灌溉完成時(shí)間，純凈水入滲的時(shí)間：C4

表1 土壤含水率θ

表1 中數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)由生物炭處理后，無論是純凈水灌溉還是微咸水灌溉，除少數(shù)情況外生物炭均能略微提升各層土壤的土壤含水率，在各組中，C1（第一種生物炭改良劑，質(zhì)量比1%）較為明顯。

2.2 對(duì)土壤含鹽量的影響

土壤鹽分含量對(duì)作物的生長有著重要的作用，其也是鹽堿地綜合改良的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)?？梢岳肈DBJ-350 便攜式電導(dǎo)率儀對(duì)土壤飽和上清液進(jìn)行測量，進(jìn)而反映土壤的含鹽量，土壤的電導(dǎo)率測量結(jié)果如表2所示。

表2 土壤的電導(dǎo)率 單位：μS/cm

如表2 中數(shù)據(jù)顯示，在去離子水入滲完成后，表層土壤的含鹽量均遠(yuǎn)小于初始的土壤含鹽量；而在5 g/L 的微咸水入滲后，因?yàn)槠淙芤罕旧砭哂泻}量，滲入土壤中的水分會(huì)帶有部分的鹽分，微咸水中的鹽分隨水進(jìn)入土壤，即土壤的電導(dǎo)率會(huì)上升。

根據(jù)脫鹽率的計(jì)算公式：

可得到各組的脫鹽率如表3所示。

表3 土壤脫鹽率

由表中數(shù)據(jù)可知，土壤脫鹽率從大到小依次表現(xiàn)為W1、C2、W2、C1、C3、CK、C4。這說明在摻入相同質(zhì)量比的生物炭后，第二種生物炭有著比第一種生物炭更良好的脫鹽性能；同時(shí)，在C1、C2、C3、C4 這四個(gè)應(yīng)用第一種生物炭的組中，C2（第一種生物炭改良劑，質(zhì)量比2%）的脫鹽率最大，即脫鹽效果最佳，C4（第一種生物炭改良劑，質(zhì)量比5%）的脫鹽效果甚至不如沒有摻入生物炭的純土脫鹽效果好。

綜上，從本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，對(duì)于相同質(zhì)地的表層土壤，采用質(zhì)量比為1%左右的稻殼生物炭效果比小麥秸稈生物炭效果要好；對(duì)于小麥秸稈生物炭，采用質(zhì)量比為2%左右的生物炭效果較好。

2.3 誤差分析

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，會(huì)產(chǎn)生誤差的因素有很多，這些都會(huì)對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生或多或少的影響，可能的影響因素如下：

1）土壤性質(zhì)不均衡、不全相同。土壤雖然經(jīng)過了打碎、過篩等步驟，但無法保證土壤性質(zhì)的相似性，所以從土壤本身的性質(zhì)來說就可能會(huì)對(duì)土壤含水量和土壤含鹽量造成影響。

2）裝填過程可能出現(xiàn)的問題。①在裝填過程中需要壓實(shí)，但因?yàn)榱Φ赖目刂茊栴}和人的視力問題，可能會(huì)出現(xiàn)壓實(shí)后的土壤容重不同、土壤壓實(shí)面不平整的現(xiàn)象，會(huì)影響土壤的孔隙率，進(jìn)而影響水的入滲速度和土壤飽和含水量；②因?yàn)楸敬卧囼?yàn)所用的儀器為PVC 管而非有機(jī)玻璃管，因此無法看到入滲的過程，只能通過TDR 儀器的測量大致推斷入滲過程；③在讓土壤與生物炭混合的工程中，無法完全保證生物炭與土壤混合的均勻性，這對(duì)后續(xù)的取土測量含鹽量也有著一定的影響。

3）試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的問題。①馬氏瓶使用時(shí)間比較久，內(nèi)部有一定的不明沉積物，即使清洗多次也不算非常干凈，可能影響入滲液體的成分；②TDR 土壤水分測定儀本身使用多年，儀器的探頭可能不再精確，土壤水分測量數(shù)值不算精準(zhǔn)；③實(shí)驗(yàn)室所處環(huán)境較為炎熱，處于土柱表面的水層可能會(huì)由于高溫蒸發(fā)一部分，實(shí)際的入滲量達(dá)不到設(shè)計(jì)的入滲量；④取土的時(shí)候因?yàn)闊o法保證生物炭與土壤混合的均勻程度，因此可能會(huì)造成土壤中生物炭含量過多或者過少的現(xiàn)象，不利于含鹽量的測量；⑤在使用電導(dǎo)率儀測量土壤含鹽量時(shí)，可能會(huì)因?yàn)檫x取土壤過少的問題致使含鹽量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差；⑥在使用DDBJ-350 便攜式電導(dǎo)率儀測量上清液的電導(dǎo)率時(shí)，可能會(huì)因?yàn)闇y量時(shí)溫度的變化與不同而對(duì)讀數(shù)結(jié)果造成微小的影響。

3 結(jié)論

1）生物炭的加入有利于提高土壤的入滲能力和含水能力。其中，表現(xiàn)效果最明顯的是C4 組，在微咸水入滲速度排序中，C4 的入滲速度約為CK 的兩倍；在測得的含水率中，含有生物炭的組含水率大多大于純土的含水率。

2）摻入合適質(zhì)量比的生物炭有利于土壤的脫鹽效果。在摻入相同質(zhì)量比的生物炭后，第二種生物炭（稻殼生物炭）有著比第一種生物炭（小麥秸稈生物炭）更良好的脫鹽性能；第一種生物炭改良劑的摻入質(zhì)量比為2%左右時(shí)，最有利于土壤的脫鹽效果。

綜上所述，生物炭的適量添加有利于土壤含水率的提升，有利于降低土壤的含鹽量，所以添加質(zhì)量比為1%~3%的稻殼生物炭有利于改善植物的生長環(huán)境。