中國濱海灘涂土壤現狀及基于生物質炭的改良潛力分析

張繼寧，周勝*，孫會峰，蒲加軍

(1.上海市農業科學院 生態環境保護研究所，上海 201403； 2.上海低碳農業工程技術研究中心，上海 201415；3.時科生物科技(上海)有限公司，上海 200241)

我國現有濱海灘涂面積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態增長的后備土地資源，對其進行合理開發是緩解沿海地區人口增長和耕地減少雙重壓力的有效途徑，對促進沿海地區經濟發展具有十分重要的現實意義。據統計，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業種植，但由于圍墾前后水文條件的改變和農業生產過程中人為因素的影響，土壤理化性質常會發生顯著變化[5-6]。目前，灘涂土壤多存在含鹽量高、養分貧瘠、土壤滲透性差、重金屬污染等問題，若要用于農業種植，對其進行改良至關重要。生物質炭是生物質在限氧環境中經熱化學轉化產生的固體物質，具有穩定、高度芳香化、富含碳素的特性[7-8]。現有的生物質炭研究已經涉及農田固碳減排、土壤肥力調控、土壤重金屬鈍化等方面[9-10]。隨著NY/T 3041—2016《生物炭基肥料》行業標準的實施，相關的應用推廣將更加全面。然而，關于生物質炭在灘涂土壤改良方面的應用研究在檢索范圍內尚鮮見報道[4,11-13]。為此，本研究綜述我國濱海灘涂土壤現狀，明確濱海灘涂土壤存在的主要問題，并分析生物質炭改良灘涂土壤的效果與潛力，以期為科學治理、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 灘涂土壤養分貧瘠

原始濱海灘涂土壤在物理性質方面表現為砂質，基本無結構，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]。在化學性質方面，表現為養分貧瘠，有機質含量低。研究表明，長江口灘涂土壤中有機碳、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]。人類圍墾活動促進了灘涂土壤總有機碳和總氮含量的積累，以蘇北的灘涂土壤為例，經過60 a的圍墾開發，0～100 cm土層的土壤總有機碳含量由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對微生物的生長發育也會產生積極的影響，經過農業種植后，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關系[17]。

1.3 灘涂土壤固碳能力較弱

濱海灘涂土壤中有機碳的含量在圍墾前后會發生顯著變化[5]。圍墾前，自然灘涂中的有機碳主要受到潮汐、地貌和鹽生植被的影響；圍墾后，耕地管理與農業實踐較大地影響了土壤有機碳庫的變化[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土層的有機碳含量增加了75.0%～83.0%。相比化肥而言，有機肥的施用更利于提升土壤中有機碳的含量[18-19]。

灘涂土壤由于水分過飽和而具有厭氧的生態特性，微生物活動相對較弱，植物殘體分解釋放CO2的過程十分緩慢；因此，灘涂土壤中的無機碳含量(10.0 g·kg-1)占總碳含量(12.5 g·kg-1)的80%[11]。這些無機碳如果得不到合理的應用和改良，灘涂土壤的固碳功能將進一步減弱，灘涂土壤中的碳會氧化分解，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[20-22]，導致灘涂土壤重金屬潛在污染的風險日益加劇。重金屬進入灘涂環境后，在水中懸浮顆粒物的吸附作用下，主要表現為從水相向固相的遷移轉化，進而在沉積物中不斷累積。國內學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，圍墾農田土壤中重金屬Cu、Pb、Cd、Ni、Cr和Zn均存在累積，表現為以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為Ni元素中度污染區和Cr、Cu元素輕度污染區[22]。隨著江蘇省蘇北精細化工城的開發，鹽城濱海灘涂土壤中Pb含量發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

增施石膏[25-26]、生活污泥[27-28]、有機肥[28]、秸稈[28-29]等調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，為灘涂微生物活動提供豐富的碳源，促進微生物的活動，進而提高灘涂土壤的保蓄性和緩沖性。

向灘涂土壤中添施石膏或煙氣脫硫石膏后，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結果表明，石膏推薦施用量為1 500 kg·hm-2[25]。生活污泥富含有機質，可提高灘涂土壤的有機質含量、氮磷養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質含量提高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%，在試驗條件下，生活污泥的最優推薦用量為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，就會對作物造成重金屬污染[30]，因此，采取相關措施前必須要進行風險性評價。

秸稈還田和施用有機肥也是改良濱海灘涂土壤的主要技術方式[31-32]。秸稈和有機肥分解后能與土壤顆粒螯合成有機、無機“復合體”，成為土壤“微團聚體”，既可以改善灘涂土壤的粉砂土物理性質，也可以為灘涂土壤提供養分，提高土壤有機碳含量。例如，上海市浦東東灘灘涂地就在水稻收獲后實施水稻秸稈的全量粉碎還田(還田量6.8 t·hm-2)。此外，當地增施的外源有機物料還包括有機肥和腐殖酸肥料，有機肥基施13.2 t·hm-2，腐殖酸類肥料用量2.3 t·hm-2[15]。上海市奉賢區的農民，通常在作物種植之前，在灘涂土壤中施用有機肥10～20 t·hm-2[31]。江蘇省東臺市的灘涂土壤，采用有機肥和秸稈覆蓋的調控措施，秸稈覆蓋用量為10.0 t·hm-2，有機肥用量為20.0 t·hm-2[28]。

3 生物質炭改良灘涂土壤的效應和潛力分析

向灘涂土壤中加入生物質炭，不僅可以改善土壤中的離子平衡，調節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，促進土壤微生物增殖。

3.1 調控養分循環

生物質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炭用于灘涂土壤改良，栽種小白菜的盆栽試驗結果表明，1.5 t·hm-2的竹炭用量顯著增加了小白菜產量，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炭，連續3 a的水稻盆栽試驗結果表明，土壤電導率，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炭20 t·hm-2和木炭20 t·hm-2，相較于對照，生物質炭處理的土壤中磷、鉀、鈣、鎂含量分別提高669%、830%、307%、687%。添加生物質炭提高灘涂土壤中養分的原因主要在于，生物質炭本身富含較多的可溶性礦物養分(如鉀、鈣、鎂、硅等)，可為作物生長提供磷、鉀、鈣等營養元素[6,31]。以土壤磷素為例，其在土壤中的運移主要受到土壤pH值和有機質等的影響。在灘涂土壤中添施生物質碳后，土壤pH值處于7～8，為磷素的運移提供了最優條件，因此，土壤中的速效磷含量顯著增加[10,32]。

生物質炭的孔隙結構可以為微生物提供住所，改善土壤微生物環境，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。

生物質炭自身具有較大的比表面積，可以物理吸附土壤中的無機離子。同時，生物質炭表面含有的羧基、羥基等含氧官能團[34]，以及胡敏酸和富里酸組分，可以參與到土壤腐殖質的生成中，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質發生層。由于灘涂土壤鹽分含量、鈉吸附比較高，因此，土壤團聚體形成較為困難，團聚體的比例較低。隨著圍墾時間的延長，土壤中的有機碳不斷積累，土壤固碳能力明顯增加。伴隨著有機肥基施、秸稈還田等農業操作，圍墾土壤的固碳速率遠大于自然灘涂。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，而農業活動條件下土壤的固碳速率為101～288 kg·hm-2·a-1[36]。

生物質炭由活性有機碳、惰性碳和灰分組成。活性有機碳在土壤中較易礦化和淋洗，而且容易被微生物利用；惰性碳比較穩定。因此，生物質炭可作為惰性碳添加到土壤中，并在土壤中維持數百年甚至上千年。生物質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，生物質炭處理的土壤CH4排放減少了72%～80%。Zhang等[11]研究表明，生物質炭處理可提高土壤中的有機碳和水溶性有機碳，增幅分別為60%～250%和9.1%～20.0%，可促進土壤中氮素的固定。生物質炭還能通過促進土壤團聚體的形成從而固定土壤中的碳。孫運朋等[38]以江蘇省灘涂土壤為研究對象，發現當小麥秸稈生物質炭添加比例為3 t·hm-2時，土壤中>2 mm的團聚體增加最多，對土壤中大團聚體的形成和穩定性有積極的促進作用。但是，基于生物質炭形成的土壤團聚體是否能夠長期保持穩定，仍有待于深入研究。

3.3 鈍化重金屬

利用生物質炭修復灘涂土壤重金屬污染的文獻鮮見報道，但大量的室內試驗研究表明，生物質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%(質量分數)的污泥生物質炭、木屑生物質炭、竹炭、糞便生物質炭，經過30 d的培養，土壤中的有效態汞含量顯著降低，降幅77.5%～87.1%[39]。向土壤中添加2%的雞糞生物質炭，可降低土壤中酸溶態與可還原態Cu的比例，增加殘渣態Cu的比例[40]。Moore等[41]向Cu污染的土壤中投加雞糞生物質炭和燕麥殼生物質炭，經過4茬作物栽培后，發現2種生物質炭均能將可交換態的Cu轉化為有機結合態和殘渣態，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炭鈍化土壤中的Cu、Fe、Mn、Pb、Zn，當改性生物質炭的投加量為3%時，既可以增加土壤中可利用的磷含量，也可以鈍化重金屬。

生物質炭修復土壤重金屬的作用機制主要包括以下幾個方面:1)生物質炭表面含有的羥基、羧基、氨基等豐富的官能團可以和重金屬離子發生離子交換，或與重金屬離子形成金屬絡合物，從而降低重金屬的遷移性及其毒害作用[43]。2)生物質炭表面帶有的大量負電荷可吸附土壤中的重金屬離子[44]。3)生物質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散進入生物質炭的微孔內部[45]。4)生物質炭基團的芳香化程度越高，π共軛芳香結構越多，π軌道負電荷變化程度越大，基團失電子能力越強，則吸附越明顯[46]。5)生物質炭表面的碳酸鹽、磷酸鹽或礦物相等無機物質可與重金屬發生沉淀作用，從而固定土壤中的重金屬[47-48]。生物質炭對土壤重金屬污染的修復作用并不是單一的絡合、沉淀或吸附過程，而是以上各種機制的共同作用。生物質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，間接增強對重金屬的鈍化作用。

4 生物質炭改良灘涂土壤的研究展望

近年來，國內外開展了一些生物質炭修復濱海灘涂土壤的研究。總體上來看，生物質炭具有修復濱海灘涂土壤的潛力。目前，我國應用生物質炭進行灘涂土壤改良的工作還處于初級階段，需要在以下幾個方面深入研究。

4.1 優選生物質炭原料

在著力開展生物質炭修復改良研究和推廣示范之前，有必要選擇特定地區常見的制備生物質炭的生物質原料。依據生物質炭的性質、施用量、當地灘涂土壤類型和肥力狀況確定合理的添施方法。建立生物質炭改良灘涂土壤的技術和生態修復效果標準，以滿足社會、企業和政府對灘涂土壤改良和修復的要求。

4.2 優化灘涂土壤改良技術

國內部分研究機構已經開展了一些灘涂生態修復研究，但修復方法尚不成熟。生物質炭可以作為良好的緩釋肥材料和改良劑的載體，將生物質炭、生物炭基肥、傳統的秸稈還田和施用有機肥等改良技術合理搭配，以實現更好的灘涂土壤改良效果。

4.3 聯合修復灘涂土壤中的多種重金屬

現有的文獻報道主要集中在生物質炭對單一或者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合修復的研究。但現實中，重金屬污染土壤往往同時存在多種重金屬。生物質炭吸附不同的重金屬時，可能會產生協同、拮抗、屏蔽等作用，導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炭對多種重金屬的聯合修復研究。