不同粒徑及用量生物炭對鹽漬土和番茄的影響

周溶慧，朱成立，黃明逸，張 帆，翟亞明

（河海大學農業科學與工程學院，南京 210098）

0 引 言

土壤鹽堿化是阻礙農業發展的重要問題之一，我國鹽堿地集中分布于東北、中北、西北、華北和濱海五大區，約有0.067 億hm2鹽堿地有農業改良利用潛力［1］。其中濱海地區由于海水浸漬和不合理的土地利用模式，墾區土壤易產生鹽漬化、結構不良及養分缺乏等問題。因此探索合理的方法來改良濱海鹽漬土對濱海地區作物優質高效生產具有重要意義。

生物炭是以生物質為原料，熱裂解反應產生的固體殘留物，具有多孔隙結構、巨大的比表面積及較強的吸附能力［2］，可提高土壤孔隙率、降低土壤容重并促進土壤團聚體形成［3］。生物炭添加在鹽漬土中，土壤孔隙度的增加可促進土壤Na+浸出，降低電導率和鈉吸附比，土壤Mg2+和Ca2+含量增加，取代Na+，降低土壤鈉吸附比［4］，從而降低對作物的鹽漬脅迫。生物炭可大幅提升土壤有機碳含量，促進營養物質轉化。生物炭的強離子交換能力可吸附鹽漬土壤養分，降低養分的淋溶損失［5］，提升土壤養分含量和有效性從而提高農作物產量［6］。已有研究表明［7］，生物炭對鹽堿土改良效果與土壤鹽堿特征、生物炭原材料、熱解溫度和工藝、生物炭施用量和施用時間有關。迮裕雯等［8］發現，質量分數5%的生物炭添加量可有效改良粉砂壤鹽漬土，而砂壤鹽漬土中改良效果最佳生物炭添加量為7.5%。此外，作物產量與品質可反映土壤改良情況，果才佳等［9］發現，鹽堿土中施加生物炭到2%時番茄產量顯著提升。張瑞［10］發現，生物炭的施加可顯著提升鹽堿土中小白菜品質。近年來，生物炭改良鹽漬土研究變量多為施加量或與有機肥配施［11-13］，生物炭粒徑對鹽漬土的改良效果的影響研究較少，因此明確生物炭的施加量及粒徑與濱海鹽漬土間互作關系將有利于促進土地鹽堿化改良與濱海地區農業優質高效發展。

本文以江蘇省濱海墾區為研究區域，以兩種典型濱海鹽漬土（砂壤土和粉砂壤土）為研究對象，開展“不同粒徑小麥秸稈生物炭+淡水灌溉”盆栽試驗，探究兩種代表性質地濱海鹽漬土在不同生物炭施加量及粒徑條件下土壤物化性質改變情況，為改良濱海鹽漬土及提升番茄作物產量與品質的合理生物炭施配比提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于河海大學江寧節水園區的避雨棚內進行。年平均氣溫15.7 ℃，平均年日照時數約為2 200 h，最高氣溫為41.2 ℃，最低氣溫為-12.6 ℃，平均相對濕度為76%，平均風速2.32 m/s。

1.2 供試材料性質

試驗番茄品種選用產量大、抗病性強且適應鹽堿地的粉冠1號。

據課題組前期研究，供試土壤選用粉砂壤和砂壤質地的2種典型濱海鹽漬土，分別取自江蘇省鹽城東臺濱海墾區（32°96′N，120°87′E）新舊兩塊農田［15］。土壤及生物炭基本性質如表1，所示參照全國第二次土壤普查養分分級標準（按全國統一劃分的六級制分級），兩種鹽堿土有機質均屬第六級（0～6 g/kg），全氮均屬第六級（全氮＜0.5 g/kg），可見濱海鹽堿土壤屬鹽堿含量高，養分缺乏土壤。生物炭為小麥秸稈于550～600 ℃熱解炭化4～6 h 制成，篩分為直徑1～2 mm 和＜1 mm 兩種，本文分析與討論中分別稱為粗粒徑、細粒徑。

表1 濱海鹽漬土及生物炭主要特性Tab.1 Main properties of coastal saline soils and biochars

1.3 試驗設計

試驗于2019年2-7月進行，2019年2月13日在溫室大棚中覆膜育苗，3月15日選取長勢良好且一致的幼苗移栽于盆栽中，試驗過程中定期進行植株調整，5月14日保留3 個果穗打頂。

前人試驗的表明［8，9］，改良鹽堿土的生物炭施加量在5%以內較為經濟。試驗設置兩種質地土壤（粉砂壤土：F，砂壤土：S），3 種生物炭添加量（0%：0、2.5%：2.5 和5%：5），兩種生物炭粒徑（1～2 mm：C，稱為粗粒徑，＜1 mm：X，稱為細粒徑）。試驗方案見表2，共10 個處理，各處理重復3 次，共30 個盆栽小區。其中生物炭添加量為生物炭質量占0～20 cm 土層土壤烘干質量的百分比。兩種供試土壤粉砂壤土和砂壤土經自然風干后過2 mm 篩，分層壓實填裝入直徑30 cm，高50 cm 的圓桶中，土體填筑高度為40 cm，每層的土壤容重根據其在田地中的原始值進行控制。每個圓桶底部配備有聚酯網、礫石層（5 cm）和4 個排水孔（直徑2 cm）。將粒徑1～2 mm 的生物炭（粗粒徑，C）和＜1 mm的生物炭（細粒徑，X）分別拌合入圓桶土壤中（0～20 cm），土壤采取人工拌合的方式模擬旋耕機拌合過程。移栽前在每桶0～20 cm 土層內施用10g 尿素（CO（NH2）2），3 g 硫酸鉀（K2SO4），10 g 磷酸二氫鉀（KH2PO4），80 g 有機肥料（4%N、4%P 和4%K），第1、2穗果實膨大期每桶分別隨水追施尿素5 g。

表2 試驗方案設計表Tab.2 Test Scheme Design

移栽前所有盆栽保持良好的水分條件，土壤含水率達到田間持水率的70%～80%，以確保幼苗生長。番茄整個生育期均灌溉淡水，每隔3 d 測定一次對照組土壤含水率，當其土壤含水率低于60%田間持水量時，灌水至90%田間持水量，并保證相同土壤質地處理灌溉水量保持一致，粉砂壤土共灌水3 020 m3/hm2，砂壤土共灌水3 850 m3/hm2。

1.4 指標測定方法

土壤理化性質的測定：成熟采摘期后使用土鉆取0～20 cm的土層，土樣經風干、研磨后過1 mm 篩，按照土水質量比1∶1配置，提取土壤飽和浸提液，使用DS-307A 型電導率儀（上海儀電科學儀器股份有限公司，中國）測定土壤飽和浸提液的電導率EC。用電感耦合等離子體質譜法（perkin-Elmer，美國）測定可溶性Na+、Ca2+和Mg2+的含量。測定0～20 cm土壤有機碳含量（重鉻酸鉀氧化還原滴定法），測定有效氮含量（堿解擴散法），測定速效鉀（乙酸銨萃取法）；速效磷含量（0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法）。鈉吸附比（SAR）計算公式［16］如下：

三相比為土壤固相、液相和氣相間的容積百分比。用稱量法測定土壤含水率，于收獲后（距最后一次灌水5 d）使用環刀法測定土壤容重（g/cm3）和毛管孔隙度，根據《土壤物理性質測定法》［17］以式（2）計算出土壤總孔隙度，再用公式（3）計算三相比。

式中：ρ為土壤總孔隙度，%；d為土壤容重，g/cm3；m單位容積中的固相部分所占%=1-ρ，g/cm3；w為土壤含水率，以容積%表示。

測番茄產量：果實采摘結束后，稱量各盆栽內單果重并累計得到產量Y。測番茄品質指標［18］：可溶性固形物（用美國奧利龍0～20%手持糖度計測定）、可溶性糖（用蒽酮比色法測定）、可滴定酸（用酸堿滴定法測定）和維生素C（用鉬藍比色法測定），糖酸比采用公式（4）計算。每個重復均從第2 果穗上選取3 個完全成熟的果實測定，結果取平均值。

1.5 數據分析

采用spss20.0 統計軟件進行方差分析，采用Duncan 法進行多重比較（α=0.05），并采用Origin9.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭添加量及粒徑對鹽漬土部分物理特性的影響

圖1（a）為生物炭添加量及粒徑對不同鹽漬土的容重d的影響。粉砂壤土中容重變化趨勢：F0＞FX2.5＞FX5≈FC2.5＞FC5，砂壤土中容重變化趨勢：S0≈SX2.5＞SC2.5＞SX5＞SC5。表明土壤容重隨生物炭的施用而降低。除砂壤土中2.5%細粒徑生物炭處理外，土壤容重均與對照有顯著性差異。粉砂壤土中，施加粗粒徑（1～2 mm）生物炭、細粒徑（＜1 mm）生物炭，土壤容重較對照（F0）分別降低8.3%～12.2%、3.3%～7.2%。砂壤土中，施加粗粒徑生物炭、細粒徑生物炭，土壤容重較對照（S0）分別降低5.5%～11.2%、1.7%～7.8%。同添加量時，粗粒徑生物炭對兩種鹽漬土容重降低效果更顯著。兩種鹽漬土施加5%粗粒徑生物炭對土壤容重降低效果最佳。

圖1 生物炭添加量及粒徑對不同鹽漬土容重、三相比的影響Fig.1 Effects of biochar addition and particle size on bulk density and three phase ratio of different saline soils

觀察最后一次灌水5天后的盆栽土壤三相比可較準確觀察土壤改良狀況。由圖1（b）可知，兩種鹽漬土固相比例隨生物炭的施加而顯著降低。粉砂壤土各處理土壤液相比例在34.0%～39.8%之間，氣相比例在9.3%～15.9%之間。粉砂壤土中，施加生物炭處理液氣相比例與無生物炭處理差異顯著，其中FC5 處理氣相比例增幅最大，增加5 個百分點左右。砂壤土中各處理土壤液相比例在33.0%～39.0%之間，氣相比例在15.8%～19.7%之間。砂壤土中，施加生物炭處理液相比例與無生物炭處理差異顯著，其中SX5處理液相比例增幅最大，增加6%左右。

2.2 生物炭添加量及粒徑對鹽漬土部分化學特性的影響

表3為生物炭添加量及粒徑對不同鹽漬土電導率EC、鈉吸附比SAR的影響。0～20 cm 土層中，土壤電導率與鈉吸附比隨生物炭的施加而降低，除SX25 處理外均與對照有顯著性差異。粉砂壤土中，FC5 處理的電導率和鈉吸附比降幅最大，分別較F0處理降低9.8%、27.5%。砂壤土中，SC5處理的電導率和鈉吸附比降幅最大，分別較S0 處理降低8.6%、26.8%。粉砂壤土中，施加2.5%與5%細粒徑生物炭兩處理的電導率無顯著性差異。同添加量時，粗粒徑生物炭對電導率和鈉吸附比的降低效果更好。土壤中有機碳、有效氮、速效磷及速效鉀含量隨生物炭的施加而增加。粉砂壤土中，FX5 處理的有機碳、有效氮、速效磷及速效鉀含量的增幅最大，分別較F0 處理增加25.7%、37.5%、50.1%和78.1%。砂壤土中，SX5處理的有機碳、有效氮、速效磷及速效鉀含量的增幅最大，分別較S0 處理增加40.9%、56.7%、90.9%和83.9%。同添加量時，粒徑粗細對土壤養分含量有一定影響，總體細粒徑生物炭對土壤養分含量提升較大。

表3 生物炭添加量及粒徑對不同鹽漬土土壤電導率、鈉吸附比和速效養分的影響Tab.3 Effects of biochar addition and particle size on soil conductivity，sodium adsorption ratio and available nutrients in different saline soils

2.3 生物炭添加量及粒徑對番茄產質量的影響

不同生物炭添加量及粒徑對不同鹽漬土番茄產量的影響如圖2所示。粉砂壤土中添加生物炭處理的番茄產量較對照顯著增加，FC2.5、FX2.5、FC5 和FX5 產量增加9.0%、7.5%、20.6%和7.0%。砂壤土中添加生物炭處理的番茄產量除SX25處理外均較對照顯著增加，SC2.5、SC5 和SX5 產量增加8.1%、7.8%和19.8%。

圖2 生物炭添加量及粒徑對不同鹽漬土番茄產量的影響Fig.2 Effects of biochar addition and particle size on tomato yield in different saline soil

生物炭對番茄果實品質的影響如表4所示。粉砂壤土中，施加生物炭處理番茄品質指標較無生物炭處理顯著提升。FC5處理番茄品質指標顯著高于其余粉砂壤土中施加生物炭處理，番茄可溶性固形物、可溶性糖和VC 濃度較F0 處理分別提升33.7%、18.0%和11.0%。砂壤土中施加生物炭到5%時番茄品質顯著提升，番茄可溶性固形物、可溶性糖、VC 和可滴定酸濃度較S0 處理分別提升26.0%～27.3%、10.8%～13.8%、8.68%～10.0%和25.5%～27.5%。各處理番茄糖酸比無顯著性差異。

表4 生物炭添加量及粒徑對不同鹽漬土番茄果實品質的影響Tab.4 Effects of biochar addition and particle size on tomato fruit quality in different saline soils

3 討 論

生物炭自身容重較小，土壤中施加生物炭可有效降低土壤容重［19］。土壤三相組成的優化可提高土壤的入滲性和持水性，提高保水保肥能力并以此增強土壤肥力、提升通透性［20］，從而促進作物生長。本文中不同土壤質地、不同生物炭添加量及粒徑對土壤部分物理特性影響顯著，土壤容重隨生物炭的施加而降低。與對照相比，5%粗粒徑生物炭對兩種鹽漬土的容重降低效果最佳，粉砂壤土降低了12.2%，砂壤土降低了11.2%。是由于5%粗粒徑生物炭憑借其施加量較多、粒徑較大且孔隙較多的特性進一步降低容重、提升孔隙度，從而提升土壤入滲和持水能力［21］。此外，2.5%細粒徑生物炭處理的土壤容重和三項組成與無生物炭處理相比無明顯優化，這與迮裕雯等［8］的研究一致，可能是低添加量細粒徑生物炭易通過砂壤土的空隙流失而無法對其進行改良。魏永霞［22］等發現，連續兩年施加50 t/hm2生物炭時草甸黑土土壤結構得以最大程度地改善，過量則使土壤結構松散。本試驗中，土壤初始固相比例較大，施加生物炭使固相比例降低，液相與氣相比例增加，土壤結構更為合理。粉砂壤土的水分擴散率主要受孔隙度（液相與氣相之和）影響［23］。粉砂壤土中，5%粗粒徑生物炭處理較無生物炭處理土壤氣相比例增幅最大，可較好改善粉砂壤土擴散率低、透氣性差的問題。砂壤土中，5%細粒徑生物炭處理較無生物炭處理土壤液相比例增幅最大。表明施加適量的細粒徑生物炭可顯著提升砂壤土的持水性能。

試驗表明鹽漬土電導率及鈉吸附比隨生物炭的施加逐漸降低，這與已有研究一致［24，25］。添加5%粗粒徑生物炭對濱海鹽漬土鹽分降低效果最佳。粗粒徑生物炭的施加對土壤電導率和鈉吸附比的降幅更大，是由于粗粒徑生物炭自身可溶性離子較少［26］，且孔隙較大可更好地降低土壤容重，增加孔隙度，從而增強了鹽分的淋洗效果［27］。此外，粉砂壤土中施加5%細粒徑生物炭時土壤電導率與2.5%時無顯著性差異，可能是過量細粒徑生物炭施加在粉砂壤土中會堵塞通氣孔隙，降低鹽分淋洗效果。另外，生物炭不僅能將碳素穩定封存在土壤碳庫中［28］，還具有吸持土壤氮素作用，其中的磷、鉀元素能迅速補充土壤磷鉀含量［29］。有效提升土壤肥力。本實驗中，提升土壤有機碳、有效氮、速效磷和速效鉀含量最佳的是施加5%細粒徑生物炭的砂壤土處理。是由于5%細粒徑生物炭含可溶性灰分更多，有利于直接補充養分并吸附更多養分離子，提升肥力。對比發現砂壤土中施加生物炭處理養分提升效果優于粉砂壤土中處理。這與砂壤土大孔隙多，持水持肥能力差，養分更易流失有關。

生物炭可顯著提升番茄產量［30］，也有研究認為高生物炭施入量會降低番茄的產量和品質［6］。本實驗中，除砂壤土中施加2.5%細粒徑生物炭處理產量較對照無顯著提升外，其余施加生物炭處理產量均顯著增加。是由于生物炭一方面改善土壤鹽漬化進而降低番茄生長時的鹽分脅迫，另一方面吸附養分減少淋失，使養分緩釋［31］，更契合番茄長期需肥的特性。砂壤土中，2.5%細粒徑生物炭處理的土壤物化性質較無生物炭處理改良效果不顯著，故產量無顯著性差異。與對照相比，粉砂壤土中5%粗粒徑生物炭處理與砂壤土中5%細粒徑生物炭處理的產量增幅分別最大，并且這兩者都是顯著地（p＜0.05）大于其他處理，具有統計學意義。表明這兩種土壤中施加5%生物炭對番茄產量促進效果最佳，這與高陽等［32］研究的生物炭施加量一致；表明粉砂壤土中施加適量粗粒徑生物炭對番茄產量促進效果更佳，可能是由于粉砂壤土粉粒多，土壤透氣性差，施加適量粗粒徑生物炭可更好地增強透氣性，促進番茄根系生長從而提升產量；表明砂壤土中施加適量細粒徑生物炭對番茄產量促進效果更佳，可能是由于砂壤土大空隙多，保水保肥能力較差，施加適量細粒徑生物炭可更好填充大空隙，土壤保水保肥能力提升從而提升產量。

試驗中施加生物炭處理的番茄可溶性固形物、可溶性糖、VC 和可滴定酸濃度在粉砂壤土中較對照均顯著增加，在砂壤土中僅在5%施加量時顯著增加。粉砂壤土中，施加5%粗粒徑生物炭的處理番茄品質最佳。因為該處理番茄生長末期的土壤有機碳、有效氮、速效磷和速效鉀含量最高，可更有效提高番茄可溶性固形物、可溶性糖和VC 含量［33，34］。砂壤土中，施加生物炭達5%時可有效增加土壤養分、提升養分有效性，達到增產提質效果。本試驗發現鹽漬土中施加生物炭對番茄糖酸比無顯著性影響，邵光成［35］等研究也表明，漬水條件下施加生物炭對番茄糖酸比無顯著性影響。總的來說，粉砂壤土施用5%粗粒徑生物炭對番茄產質量提升效果最佳，砂壤土施用5%細粒徑生物炭對番茄產質量提升效果最佳。

本實驗生物炭添加量施用水平僅有3 個，粒徑梯度僅有2個，仍需進一步細分施加量和粒徑梯度，并進行田間試驗驗證土壤改良效果。但也為不同質地的濱海鹽漬土改良提供了思路，粉砂壤土中施加5%的1～2 mm 粒徑生物炭和砂壤土中施加5%的＜1 mm 粒徑生物炭對土壤改良及番茄產質量提升效果最佳。

4 結 論

主要結論如下：

（1）生物炭的施加能明顯改良濱海墾區土壤，使得鹽漬土土壤容重降低、三相比結構優化。5%施加量時，粉砂壤土中施加1～2 mm 粒徑生物炭和砂壤土中施加＜1 mm 粒徑生物炭土壤三相比結構最優。生物炭使土壤電導率和鈉吸附比下降。收獲后，土壤有機碳、有效氮、速效磷和速效鉀含量隨生物炭量增加而升高。同添加量條件下，土壤容重和電導率受1～2 mm 粒徑生物炭影響更大，下降效果更明顯；土壤養分含量受＜1 mm粒徑生物炭影響較大，有一定提升作用。

（2）適量生物炭的添加通過改良鹽堿土物化性質促進番茄產量和品質指標的提升。產量方面，粉砂壤土中5%施加量1～2 mm 粒徑生物炭處理產量提升最多，較對照提升20.6%。砂壤土中5%施加量＜1 mm 粒徑生物炭處理產量提升最多，較對照提升19.8%。品質方面，添加生物炭可增加番茄果實的可溶性固形物、可溶性糖、維生素C 和可滴定酸濃度，而糖酸比無顯著性差異。總之，粉砂壤土中5%施加量1～2 mm 粒徑生物炭處理以及砂壤土中5%施加量＜1mm 粒徑生物炭處理的番茄產質量提升效果最佳，但仍需田間試驗進一步探究。