生物炭施用對濱海鹽堿土速效養分和酶活性的影響

李少朋 陳昢圳 周藝藝 王婧

摘要：【目的】探討添加不同量生物炭對濱海鹽堿土的改良效果，為濱海鹽堿地土壤改良和培肥提供新思路。【方法】選取濱海輕度鹽堿化土壤為供試基質，油菜為供試植物，通過溫室大棚盆栽試驗，研究不同生物炭施入量[0（對照）、5、10、20、30和40 g/kg]對土壤pH、有機碳和速效養分含量及土壤酶活性的影響。【結果】土壤pH、有機碳、堿解氮和速效鉀含量均隨生物炭施入量的增加而增加，生物炭施入量小于20 g/kg時，土壤有機碳和速效養分含量增速較快，當生物炭施入量大于20 g/kg時增速減緩;土壤速效磷含量在生物炭施入量為20 g/kg時達最大值，比對照高78.1%。土壤脲酶活性隨生物炭施入量的增加而升高，在生物炭施入量為40 g/kg時達最大值;堿性磷酸酶和蔗糖酶活性隨生物炭施入量的增加呈先升高后降低的變化趨勢，在生物炭施入量為20 g/kg時達最大值，分別比對照高42.9%和142.8%;土壤蛋白酶活性在生物炭施入量為30 g/kg時達最大值，比對照高80.1%。【結論】生物炭施用可增加鹽堿地土壤中有機碳和速效養分含量及酶活性，以施入量為20 g/kg的效果最佳，可作為一種改良劑用于鹽堿地復墾和生態重建，但在施用過程中需注意其對土壤pH的影響。

關鍵詞： 濱海鹽堿土;生物炭;有機碳;速效養分;土壤酶活性

0 引言

【研究意義】土壤鹽堿化是一個世界性問題，鹽堿化過程會顯著影響土壤的理化性質、微生物種類及植物生長。根據第二次全國普查資料統計（全國土壤普查辦公室，1998），我國鹽堿化土壤總面積約3600萬ha，而濱海鹽堿土面積約31萬ha，占海岸帶土地總面積的27.45%，在天津、江蘇東部、黃河三角洲等地區，鹽堿面積甚至與當地耕地面積相當。濱海鹽堿土不僅表層積鹽重，心土層的鹽含量也很髙，土壤鹽分組成與海水基本一致，氯化物占絕對優勢（王合云等，2015）。天津地處渤海灣西岸，鹽堿化土地總面積為49300 ha，占天津市土地總面積的41.4%，己超過耕地面積（王秀麗等，2013）。生物炭作為一種有效的土壤改良材料，具有改善土壤理化性狀、增加通氣性、提高土壤持水力、固存礦質養分和促進植物對土壤養分吸收利用等功能。施用生物炭能通過吸附作用有效降低土壤養分淋溶（Feng et al.，2012），提高土壤肥力（陳溫福等，2014）。因此，探討生物炭施用對濱海鹽堿土速效養分和酶活性的影響，對有效利用濱海鹽堿土緩解日益緊張的土地資源缺乏問題、極大緩解農業用地壓力及保障糧食安全具有重要現實意義。【前人研究進展】至今，國內外眾多學者已針對濱海鹽堿地改良開展了一系列相關研究，主要采用物理、化學和生物修復3種改良措施。物理方法包括臺地降水、開溝洗鹽、地下隔離、地上覆蓋等技術（張樂等，2017;田冬等，2018）;化學修復主要通過含鈣物質、酸性物質、黃鐵礦和脫硫石膏等物質來改良鹽堿土（劉云和孫書洪，2014）。但物理和化學技術成本較高，且元素仍保留在土壤中，易形成二次污染再度危害植物，加之我國濱海地區積鹽和脫鹽具有反復性，使得物理和化學修復技術缺乏可持續性。Ferguson和Nowak（2011）研究發現，利用鹽地堿蓬、濱黎、田菁和防護林等對濱海鹽堿土進行生物修復，可改善鹽堿土性狀，降低土壤鹽度，提高土壤肥力，達到壓鹽目的。生物炭對氮磷等礦質養分具有很強的吸附能力（Steiner et al.，2007），同時能通過解析作用緩慢釋放養分提高養分利用效率（Zhang et al.，2015）。生物炭對貧瘠土壤的改良效果明顯，主要得益于其本身富含有機碳和礦質元素，以及其獨特的結構特征（Crane-Droesch et al.，2013）。生物炭的孔隙結構及水肥吸附作用可為土壤微生物提供良好的棲息環境，其中對菌根真菌作用較顯著（何緒生等，2011）;生物炭還可通過激發效應加速土壤有機質分解釋放，提高微生物活性，促進腐殖質分解，從而影響土壤微生物群落結構多樣性（Rousk et al.，2013）和豐度（Gul et al.，2015）。此外，生物炭對重金屬污染土壤（李洪達等，2018）、酸性土壤（逄玉萬等，2018）、礦尾砂地（熊薈菁等，2018）和灘涂（張繼寧等，2018）等均具有一定的修復功能。【本研究切入點】盡管生物炭在退化土壤改良和培肥中具有一定的應用潛力，但其在濱海鹽堿地治理中的應用報道較少。【擬解決的關鍵問題】在前期研究的基礎上，以油菜為供試植物，以玉米秸稈高溫熱解后產生的生物炭為碳源，通過盆栽試驗，研究施加不同量生物炭對土壤速效養分和土壤酶活性的影響，探討生物炭對濱海鹽堿地的改良效果，為濱海鹽堿地土壤改良和培肥提供新思路。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試土壤采自天津市西青區某溫室大棚，過篩去除雜質待用。供試土壤的基本理化性狀：pH 8.51，鹽含量0.17%，有機碳16.8 g/kg，凱氏氮43.2 g/kg，速效磷15.6 g/kg。油菜種子由天津市科潤蔬菜研究所提供，生物炭由陜西億鑫生物能源科技開發有限公司提供，生物炭在450 ℃下熱裂解，其pH為9.01，比重0.85 g/cm3，灰分含量12.76%，碳含量79.66%。

1. 2 試驗方法

試驗于2017年9月在天津市農業科學院溫室大棚內進行，大棚內日平均溫度22 ℃，濕度維持在80%左右。采用盆栽土培試驗，設6個處理，即分別施入0（對照）、5、10、20、30和40 g/kg生物炭，每處理重復3次。栽種油菜的塑料盆規格：盆口直徑×盆底直徑×盆高=18 cm×14 cm×22 cm，將3 kg供試土壤和35 g有機肥充分混勻，裝盆，種植油菜前，澆水至最大持水量，水分平衡1 d后，將油菜種子均勻播種于土壤中，每盆播種15粒，出苗6 d后間苗，使每處理保留大小一致的油菜5株，按照常規澆水灌溉，使水含率維持在75%左右，60 d后分別采集油菜根際土壤，風干，研磨過1 mm篩，用于測定土壤養分含量和酶活性。

1. 3 測定項目及方法

土壤pH采用土壤酸度pH計測定，土壤速效鉀含量采用NH4OAc浸提—火焰光度法測定，速效磷含量采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，有機碳含量采用TOC分析儀測定，脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性采用酶聯免疫試劑盒測定。

1. 4 統計分析

采用SAS 17.0對試驗數據進行統計分析，并采用Excel 2007制圖。

2 結果與分析

2. 1 生物炭施用對土壤pH和有機碳含量的影響

土壤pH隨著生物炭施入量的增加而升高，生物炭施入量小于20 g/kg時，各處理土壤中pH無顯著差異（P>0.05，下同），生物炭施入量大于20 g/kg時，土壤pH略有增長（圖1）。由圖2可知，土壤中有機碳含量隨著生物炭施入量的增加而逐漸升高，且顯著高于對照（P<0.05，下同）。施入生物炭5、10、20、30和40 g/kg處理的土壤有機碳含量分別比對照高22.7%、28.8%、67.8%、78.1%和86.0%。其中，施入生物炭5 g/kg與10 g/kg、30 g/kg與40 g/kg處理間無顯著差異，當生物炭施入量大于20 g/kg時，土壤有機碳含量增加緩慢。

2. 2 生物炭施用對土壤速效養分含量的影響

由圖3-A可知，施入生物炭可顯著增加土壤堿解氮含量，油菜根際土壤的堿解氮含量隨生物炭施入量的增加而升高，生物炭施入量大于20 g/kg后，土壤中堿解氮含量趨于穩定，施入量20、30和40 g/kg處理的土壤堿解氮含量平均比對照高40.2%，但施入量20、30和40 g/kg處理間差異不顯著。土壤速效磷含量呈先升高后降低的變化趨勢，生物炭施入量為5 g/kg時，土壤速效磷含量略有增加，但與對照間差異不顯著;生物炭施入量為20 g/kg時，油菜根際土壤中速效磷含量達最大值，比對照高78.1%，但與生物炭施入量30和40 g/kg處理間無顯著差異（圖3-B）。土壤速效鉀含量隨著生物炭施入量的增加而升高，施入較少的生物炭（5～10 g/kg）對土壤中速效鉀含量無顯著影響;生物炭施入量為20～40 g/kg時，3個處理的土壤速效鉀含量均顯著高于對照，且生物炭施入量為40 g/kg的土壤速效鉀含量達最大值，比對照高23.0%（圖3-C）。

2. 3 生物炭施用對土壤酶活性的影響

由圖4-A可知，土壤脲酶活性隨生物炭施入量的增加而升高，生物炭施入量達30 g/kg后，土壤脲酶活性趨于穩定;與對照相比，施入量5、10、20、30和40 g/kg處理的土壤脲酶活性分別增加8.2%、21.2%、33.5%、48.0%和50.9%。由圖4-B～圖4-D可知，土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性均隨生物炭施入量增加呈先升高后降低的變化趨勢，施入量為20 g/kg時，堿性磷酸酶和蔗糖酶活性達最大值，此時堿性磷酸酶活性與施入量30和40 g/kg處理間無顯著差異，施入量20～40 g/kg 3個處理的土壤平均堿性磷酸酶活性比對照高39.6%，而此時蔗糖酶活性顯著高于其他處理和對照。生物炭施入量為30 g/kg時，土壤蛋白酶活性達最大值，顯著高于其他處理和對照，添加5、10、20、30和40 g/kg處理的土壤蛋白酶活性分別比對照高19.3%、34.4%、41.7%、80.1%和64.6%。

3 討論

早期對生物炭的認識源自南美亞馬遜盆地黑色土壤，其深色富碳土壤厚達35 cm，土質肥沃，具有非常強的恢復貧瘠土壤作物生產能力的特性（Ba-ker et al.，2009）。生物炭在土壤改良和培肥過程中具有重要的生態功能。本研究發現，隨生物炭施入量的增加，土壤有機碳含量呈逐漸增加趨勢，施入生物炭為40 g/kg的土壤有機碳含量比對照高86.0%。土壤有機碳的增加，一方面是由于在較低裂解溫度下形成的生物炭具有較高含量的易氧化態碳等活性有機碳組分，另一方面，施入生物炭后土壤中微生物活性增加，加速有機碳累積（柯躍進等，2014）。對于濱海鹽堿地土壤而言，生物炭在一定程度上能增加土壤碳庫容量，穩定土壤有機碳庫，維持土壤生態系統平衡。Laird等（2009）的研究也表明，通過生物炭還田技術可實現物質和能量的循環利用，不僅可以補償土壤有機質的損失，還能改良土壤和提高肥力。陳紅霞等（2011）研究施用生物炭對華北平原農田土壤容重、陽離子交換量和顆粒有機質含量的影響發現，施用生物炭可增加0～15.0 cm土層的陽離子交換量，最大可增加24.5%，同時可增加0～7.5 cm土層有機質組分中的碳、氮濃度，且分別比對照高260%和120%，通過3年連續跟蹤發現，土壤理化特性得到明顯改善，且在碳增匯和溫室減排方面具有潛在積極效應。生物炭的存在能形成土壤團聚體有機—無機復合體，加強團聚體的物理保護作用，從而達到對有機碳的長期固持，有效防止有機物質進一步腐解退化（Lehmann et al.，2011）。

施用生物炭可增加土壤中的氮、磷、鉀和鎂等礦質元素含量，牛政洋等（2017）研究生物炭對兩種典型植煙土壤養分的影響發現，增施生物炭后，水稻土和紫色土的速效養分和有機碳含量均有所增加，兩種土壤的烤煙分別最高增產52.94%和122.75%。生物炭與其他肥料配施也是目前研究的一個熱點，生物炭與氮肥、菜籽餅和有機肥等配施可提高土壤中有效養分和有機碳含量，提高棉花（顧美英等，2014）、玉米（劉文秀，2016）和紅棗（袁晶晶等，2017）等作物的產量。本研究發現，在濱海鹽堿土中施入生物炭可提高土壤速效養分含量。生物炭改善鹽堿土的微環境，土壤微生物活動趨于頻繁，增強土壤中脲酶和磷酸酶等活性，從而加速土壤礦質養分由結合態向游離態轉變。同時生物炭含有植物生長所需的氮、磷、鉀等元素，可在一定程度上補充土壤養分;此外，生物炭的吸附解析作用增加土壤養分持留，降低養分淋溶，還能緩慢釋放養分供根系生長和吸收，為作物吸收提供更多機會。

土壤酶參與土壤的生化過程，已廣泛用于評價土壤營養物質循環轉化狀況和肥料施用效果，也是土壤微生物群落活性表征指標之一。土壤酶主要來自微生物、植物和動物的活體或殘體（劉紅梅等，2018）。土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶等水解酶活性能表征土壤氮、磷、碳等養分的循環狀。本研究發現，向鹽堿土中添加生物炭可提高土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性，在生物炭施入量小于20 g/kg時，土壤酶活性升高較迅速，生物炭施入量大于20 g/kg后，土壤酶活性提升較緩慢。張清梅等（2017）研究發現，施用生物炭可不同程度提高黃瓜根際20～40 cm土壤酶活性;李司童等（2017）、鄭鈺銦等（2018）研究發現，在作物生產過程中，生物炭與其他肥料配施對土壤酶活性影響較顯著。

濱海鹽堿土鹽含量高，質地黏重，透水性能差，不利于植物的生長發育。施入生物炭對土壤具有重要的改良作用，生物炭密集多孔結構能夠改善土壤結構，增加土壤總孔隙度，降低土壤容重、擴張強度和緊實度，提高土壤持水能力（周勁松，2016）。生物炭的孔隙結構及對水肥的吸附作用可為微生物提供良好的棲息環境，其可利用組分還可直接被微生物生長所利用，對土壤微環境具有重要的改良作用（Steinbeiss et al.，2009）。因此，結合室內試驗結果，今后應繼續開展施入生物炭對濱海鹽堿地土壤微環境調控，尤其是生物炭對土壤功能性微生物多樣性的影響研究，從而為鹽堿土的改良和培肥提供理論指導和技術支持。

4 結論

生物炭施用可增加鹽堿地土壤中有機碳和速效養分含量及酶活性，以施入量20 g/kg的效果最佳，可作為一種改良劑用于鹽堿地復墾和生態重建，但在施用過程中需注意其對土壤酸堿性的影響。

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（責任編輯 羅 麗）