椰殼生物炭對海南濱海土壤的改良效果

鄧曉 ，武春媛 ，楊桂生 ，李怡 ，李勤奮 *

1.中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所，海南 海口 571101；2.國家農業環境儋州觀測實驗站，海南 儋州 571737；3.海南省熱帶生態循環農業重點實驗室，海南 海口 571101

中國鹽漬土面積大，分布廣，特別是濱海地區，土地鹽漬化問題十分嚴峻，已成為土壤環境的重點難題（王宇超等，2012）。濱海地區過高的土壤含鹽量是制約土地復墾的關鍵因素，其不利于作物生長發育，導致作物生長衰退，甚至脫水枯死，使土壤資源難以利用，嚴重影響農業生產（Wu et al.，2009）。

土壤改良是高效利用鹽漬土資源的重要途徑，現階段的鹽漬土改良措施主要包括物理、工程、化學和生物措施等。物理措施的本質是通過改變土壤物理結構或者實施地表覆蓋等方式來實現土壤水鹽運動的調控，主要目的是降低土壤水分蒸發，抑制土壤返鹽，增強淋鹽效果（馬晨等，2010）；工程措施的實質是利用大型機械輔助修建排鹽設施，建立完善的灌排系統（王熒等，2019）。上述兩類方法見效快，但是工程量大、成本高、受限于水資源、推廣起來有一定難度。化學措施的本質是通過向土壤施加化學改良劑等來改善鹽漬土土壤結構，增加養分含量，調節土壤酸堿，提高鹽基代換容量，加強土壤緩沖能力。常用的化學改良劑主要有磷石膏、脫硫石膏等含鈣類和風化煤、硫酸亞鐵、糠醛渣等酸性類兩類（張濟世，2017）。該措施成本昂貴、使用不當易對環境造成二次污染。生物措施的本質是通過種植耐鹽植物或施加有機物料等來改良鹽漬土（耿澤銘，2013；王涵，2018）。通過種植耐鹽作物進行改良，是一種生態環境效益好、可持續性強的改良措施，但選育適合當地生境的耐鹽品種時間長，改良見效慢。而施加有機物料能改良鹽漬土結構，補充營養物質，提高土地養分積累與供應能力，鞏固脫鹽效果，防止再度鹽漬化（王涵，2018）。目前趨向于利用生物措施特別是施加有機物料來進行鹽漬土改良。

生物炭是生物質在絕氧或厭氧條件下熱解產生的富碳有機物料，具有多級的孔隙結構、比表面積巨大、穩定性高、陽離子交換量（CEC）高、成本低廉且高度環保等優勢。在改良土壤品質、凈化水源、吸附重金屬和修復環境污染等方面表現出巨大潛力（劉玉學等，2009；彭碧媛等，2017；徐家伊等，2019；王向輝等，2020；周琦等，2020）。有研究表明，在結構性差、持水能力差的鹽堿土中施用生物炭能顯著降低土壤的殘余含水率和水分擴散率，增加土壤飽和含水率和田間持水量，在沿海地區的鹽堿土中添加生物炭能提高土壤的總有效孔隙度和半徑>100 μm的有效孔隙度（魏永霞等，2016；曹雨桐等，2017）。生物炭的灰分物質及堿性基團能顯著提高酸性土壤的pH值，但少量的生物炭能夠降低鹽堿土壤的pH值和含鹽量，提高土壤有機質、C/N和 CEC（夏陽，2015）。所以生物炭是提升鹽漬土壤肥力的潛在改良劑。

椰子是中國典型的熱帶地區經濟作物，隨著椰子產業的發展，在生產過程中產生的椰殼是一種豐富的熱帶農業廢棄物資源。椰殼生物炭性能優于多數生物炭，可廣泛應用于土壤改良和污染物吸附等（王亞琢等，2021；宋玥言等，2021；張太平等，2021）。然而，目前缺乏關于以熱帶農業廢棄資源椰殼為前驅材料燒制的生物炭對熱帶濱海鹽漬土改良效果的相關報道。本研究針對海南濱海鹽漬土壤理化性質差、肥料利用率低和作物長勢弱等問題，通過盆栽試驗，探究不同配比的椰殼生物炭處理對海南濱海鹽漬土鹽度、pH值、有機質、有效養分、酶活性和微生物多樣性的影響，旨在為椰殼生物炭應用于濱海鹽漬土改良提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年4—5月在中國熱帶農業科學院海口試驗基地溫室大棚內進行，供試空心菜品種為臺灣竹葉空心菜；供試土壤采自海南省文昌市蘭溪村（19°59′24.5″N，110°37′16.6″E）0—20 cm 耕作層土壤，風干后過2 mm篩備用。其pH值為6.34，鹽分 3.36 g·kg?1（中度鹽漬化土壤），有機質 17.1 g·kg?1，全 N 0.683 g·kg?1，有效 P 60.01 mg·kg?1，速效 K 192.4 mg·kg?1。供試椰殼生物炭（600 ℃裂解產物）購自海南文昌某公司，其pH值為9.68，CEC為 4.36 cmol·kg?1，全 N 2.81 g·kg?1，全 P 1.50 g·kg?1，全 K 15.3 g·kg?1。

1.2 試驗設計

設置5種不同椰殼生物炭與濱海土壤體積比處理進行盆栽試驗，分別為 0?20、1?20、2?20、3?20和4?20，每種處理3次重復。每盆植株栽培條件與管理方式相同，椰殼生物炭與過2 mm篩的風干土混合均勻后直接用于種植空心菜，每天澆水1次，30 d后記錄空心菜葉片數并采收空心菜同時采集土壤樣品。整株空心菜連根拔起將根部沖洗干凈后晾干稱量空心菜重量，土壤樣品分成3份，一份過2 mm 篩后保存于?80 ℃用于土壤微生物多樣性測定；一份風干后過1 mm篩用于測定土壤鹽分、pH值、有機質、全N、有效P和速效K含量；一份過40目篩用于測定土壤脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶和酸性轉化酶活性。

1.3 測定方法

土壤理化性狀采用常規分析方法，參考《土壤農業化學分析方法》測定（魯如坤，2000）。其中pH采用酸度計法；有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全N采用高氯酸-硫酸消化法；有效P采用0.5 mol·L?1NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效 K 采用NH4Ac浸提-火焰光度法；土壤鹽分參照農業行業標準（NY/T 1121.16—2006）進行測定；各種土壤酶活指標均采用試劑盒（蘇州科銘生物技術有限公司，www.cominbio.com）分析測定；土壤微生物多樣性采用高通量測序方法，將每種處理的 3次重復試驗的土壤樣品分別采用土壤基因組 DNA提取試劑盒 DP336（天根生化科技有限公司，北京）提取土壤總DNA，使用紫外分光光度計測定DNA的質量和濃度。然后采用通用引物 338F（ 5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′） 和 806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）擴增細菌16S rRNA基因V3—V4區。根據PCR產物濃度將3次重復的 PCR產物進行等量混樣，充分混勻后使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR擴增產物，對目的條帶使用瓊脂糖凝膠回收試劑盒純化回收產物。文庫構建和測序委托北京百邁客生物科技有限公司完成。

1.4 數據處理方法

應用 Excel 2010進行數據統計和圖表制作和SPSS 19.0進行數據方差分析，采用Duncan多重比較法進行差異顯著性檢測。使用UCLUST算法確定具有 97%序列相似性的系統類型的操作分類單元（OTUs）（Tan，et al.，2019），應用百邁客生物云平臺（https://international.biocloud.net）開展多樣性指數、物種分類及RDA冗余分析。

2 結果與分析

2.1 椰殼生物炭對空心菜生長的影響

由表1可知，在不施用任何肥料的條件下添加體積比為 1?20—4?20的椰殼生物炭后均能促進空心菜根系的生長，提高空心菜的葉片數和單株空心菜重量。平均每株葉片數增加19.7%—29.6%，均達極顯著水平（P<0.01）；平均每株植株鮮重提高43.2%—59.7%，除了添加體積比為3?20的處理達極顯著水平（P<0.01），其他3種處理均達顯著水平（P<0.05）；平均每株地下部根重提高 81.3%—118.8%，均達極顯著水平（P<0.01）。

表1 椰殼生物炭對空心菜生長的影響Table 1 Effects of coconut shell biochar on growth of water spinach

2.2 椰殼生物炭對濱海土壤pH和鹽度的影響

圖1表明，在椰殼生物炭添加體積比為1?20—4?20的范圍內，土壤pH值隨椰殼生物炭添加量的增加而增加。未添加椰殼生物炭的土壤種植空心菜后仍為酸性土壤（pH值為 6.35），添加比例為 1?20—4?20的椰殼生物炭種植空心菜以后土壤變為中性土壤（pH值為7.43—7.51），pH值提升1.08—1.16個單位，且均達極顯著水平（P<0.01）。但椰殼生物炭添加比例2?20與3?20兩種處理之間和添加比例3?20與4?20兩種處理之間的差異均不顯著（P>0.05）。濱海土壤的鹽分含量隨椰殼生物炭添加體積比的增加而逐漸降低。添加體積比為1?20的處理土壤鹽分降低 5.9%，但效果不顯著（P>0.05）；添加體積比為2?20—4?20 3種處理的土壤鹽分降低6.83%—14.9%，均達顯著水平（P<0.05），其中 3?20和 4?20兩種處理的鹽分含量降低達極顯著水平（P<0.01），但兩種處理之間的差異不顯著。

圖1 椰殼生物炭對濱海土壤pH和鹽分的影響Figure 1 Effects of the coconut-shell biochar on pH and salinity in coastal soil

2.3 椰殼生物炭對濱海土壤有機質和養分含量的影響

由圖 2a可知，在不施用任何肥料的條件下添加體積比為1?20—4?20的椰殼生物炭后濱海土壤的有機質含量得到明顯提高（P<0.01），提高率達42.4%—153%。且土壤有機質含量隨椰殼生物炭添加體積比的增加而逐漸增加，添加體積比為1?20—4?20 4種處理之間對有機質的提升差異也達極顯著水平（P<0.01）。圖2b—d表明，添加體積比為1?20—4?20的椰殼生物炭后，濱海土壤的養分含量也得到極顯著提高（P<0.01），土壤的全 N、有效 P和速效 K含量分別提高了 32.1%—36.7%、35.0%—44.6%和 70.0%—220%。不同處理對濱海土壤的全N、有效P和速效K的促進作用均隨椰殼生物炭添加體積比的增加而提高。該結果與王衛民（2018）等和何秀峰（2020）報道的結果基本一致。然而，椰殼生物炭添加體積比為 2?20、3?20 和 4?20 3 種處理之間對土壤全 N的提高差異不顯著（P>0.05）；添加體積比為1?20—4?20 4種處理之間對土壤有效P的提高差異不顯著（P>0.05）；但添加體積比為1?20—4?20 4種處理之間對土壤速效K的提高差異達極顯著水平（P<0.01）。

圖2 椰殼生物炭對濱海土壤有機質及養分的影響Figure 2 Effects of the coconut-shell biochar on contents of organic matter and nutrients in coastal soil

2.4 椰殼生物炭對濱海土壤酶活性的影響

由圖3可知，添加體積比為1?20—4?20的椰殼生物炭對土壤酶活性的影響各不相同。土壤脲酶和酸性磷酸酶活性隨椰殼生物炭施用量的增加而降低（圖3a和圖3b），土壤脲酶活性降低了13.7%—38.9%，酸性磷酸酶活性降低了24.8%—39.2%，均達極顯著水平（P<0.01）；土壤過氧化氫酶活性在椰殼生物炭添加體積比為2?20—4?20的處理中均得到極顯著增強（P<0.01），增強率達21.3%—71.1%，以添加體積比為 3?20的處理增強效果最好，但與2?20的處理沒有明顯的差異（見圖 3c）；土壤酸性轉化酶活性在椰殼生物炭添加體積比為1?20的處理中得到極顯著增強，提高率達23.1%（P<0.01），但添加體積比為2?20—4?20范圍內的土壤酸性轉化酶活性隨椰殼生物炭施用量的增加而降低，降低率達18.2%—29.4%，且均達顯著水平（P<0.05）（圖3d）。

圖3 椰殼生物炭對濱海土壤酶活性的影響Figure 3 Effects of the coconut-shell biochar on enzyme activities in coastal soil

2.5 椰殼生物炭對濱海土壤微生物多樣性的影響

2.5.1 椰殼生物炭對濱海土壤細菌Alpha多樣性指數的影響

由表2可見，濱海土壤施用椰殼生物炭種植空心菜后細菌豐富度和多樣性均得到明顯提高。細菌豐富度指數ACE和Chao1指數分別提高了6.50%—14.4%和3.50%—11.9%。在添加體積比為1?20—3?20范圍內，土壤細菌的ACE指數和Chao1指數隨椰殼生物炭施用量增加而提高，椰殼生物炭添加體積比為4?20時土壤細菌的ACE指數和Chao1指數又略有降低，但明顯高于不添加椰殼生物炭的對照處理。土壤細菌多樣性指數 Shannon指數在椰殼生物炭添加體積比為 1?20—3?20范圍內提高了 3.34%—3.56%，在椰殼生物炭添加體積比為1?20—4?20范圍內細菌多樣性指數隨椰殼生物炭施用量增加而降低，但均高于不添加椰殼生物炭的對照處理。

表2 椰殼生物炭對濱海土壤細菌Alpha多樣性指數的影響Table 2 Effects of the coconut-shell biochar on bacterial Alpha diversity indices in coastal soil

2.5.2 椰殼生物炭對濱海土壤細菌群落組成的影響

UPGMA聚類分析表明，添加1?20—4?20的椰殼生物炭的4種處理C12、C22、C32和C42在收獲空心菜后土壤細菌群落聚為一個分支，未施用椰殼生物炭的處理 CK2收獲空心菜后的土壤細菌群落聚為另一個分支（見圖4）。說明添加椰殼生物炭處理的濱海土壤細菌群落結構發生明顯的改變。同時，施用椰殼生物炭的處理在種植空心菜后土壤中與碳氮循環能力相關細菌的芽單胞菌科（Gemmatimonadaceae）和亞硝化單胞菌科（Nitrosomonadaceae）等的豐度明顯提高（圖5），比未施用椰殼生物炭的處理分別提高了 44.3%—67.2%和 229%—243%。表明施用椰殼生物炭后可以增強濱海土壤的碳氮循環能力，更有益于作物的生長。

圖4 門水平上的細菌相對豐度聚類樹（非加權距離法）Figure 4 Cluster tree of relative abundance of bacteria at phylum level (unweighted distance method)

圖5 科水平上的細菌物種豐度熱圖（TOP15）Figure 5 Heatmap of bacterial species abundance at the family level

2.5.3 RDA冗余分析

RDA冗余分析結果表明，土壤鹽度（Salt）、pH值、有機質（SOM）、全 N（TN）、有效 P（AP）、速效 K（AK）、土壤脲酶（S-UE）、酸性磷酸酶（S-ACP）和過氧化氫酶（S-CAT）是影響土壤細菌群落結構的關鍵參數（見圖 6a—c）。添加體積比1?20—4?20椰殼生物炭的4種處理中土壤芽單胞菌科（Gemmatimonadaceae）和亞硝化單胞菌科（Nitrosomonadaceae）的豐度與土壤pH、SOM、TN、AP、AK、S-CAT均呈正相關關系，但與土壤 Salt卻呈負相關關系；土壤pH、SOM、TN、AP、AK、S-CAT與土壤Salt也呈負相關關系。芽單胞菌和亞硝化單胞菌與土壤的碳氮循環能力密切相關（王宇佳，2017），說明濱海鹽漬土中添加椰殼生物炭降低土壤鹽度是通過增強土壤的碳氮循環能力來實現的，而土壤碳氮循環能力的增強是通過有機質與有效養分含量的提高以及土壤過氧化氫酶活性的增強來實現的。結果同時表明土壤鹽度與土壤細菌豐富度指數（ACE和 Chao1）和多樣性指數（Shannon）也呈明顯的負相關關系（圖 6d），說明椰殼生物炭也通過提高濱海土壤細菌豐富度和多樣性來實現土壤鹽分的降低。

圖6 土壤細菌群落結構與環境因子的RDA分析Figure 6 RDA analysis between soil bacterial community and environmental factors

3 討論

土壤有機質是土壤肥沃度的一個重要指標，它不僅能為作物提供所需的各種營養元素，同時對土壤團粒結構的形成、土壤水分、養分的供應和保持土壤肥力的演變產生重要影響，也對土壤鹽分的組成和性質、鹽漬土的改良產生重要影響（張凌云等，2006）。生物炭比表面積大、孔隙發達、官能團豐富，同時吸附性和蓄集能力強（Lashari et al.，2015），唐光木等（2011）研究發現施用生物炭也能顯著提高新疆灰漠土的有機質含量，何秀峰等（2020）研究表明生物炭混施和穴施都能增加土壤有機質含量。本研究結果也顯示，施用椰殼生物炭后土壤有機質含量顯著增加，這與椰殼生物炭本身是一種富含有機碳的物質并能提高土壤對養分的吸持能力有關，也證實了炭化的植物殘體有助于土壤有機質的積累（Middelburg et al.，1999）。

氮、磷、鉀是植物生長必須的營養元素，濱海鹽漬土肥力低下，尤其是缺氮（張凌云等，2006）。本研究發現施入椰殼生物炭后顯著提高了濱海土壤的全N、有效P和速效K含量，且添加量越多效果越佳。由于生物炭的多孔結構，可以改善土壤呼吸狀況，土壤中碳氮比升高，能夠抑制氮素的微生物轉化、反硝化作用，從而促進土壤中氮含量的增加（郭偉等，2011）。生物炭的多孔特性和巨大的比表面積也有利于土壤對 NH3和 NO3?的吸附，有效降低農田土壤氨的揮發，顯著減少硝態氮的淋失，從而降低氮素損失，還能氧化NH4+，促進硝化微生物的活性，從而提高硝化速率（Mizuta et al.，2004；劉玉學等，2009）。椰殼生物炭能提升土壤有效P和速效K含量也與它本身性質有關，生物炭施入土壤能增強土壤陽離子交換量，有效減少土壤中磷和鉀的淋溶損失和促進土壤有機態 P的礦化（Lehmann et al.，2003）。盡管磷以陰離子形式存在于土壤中，生物炭對其也具有很強的吸附能力（高敬堯等，2016）。這些特性使生物炭成為獨一無二能夠有效降低農田土壤N、P等養分流失，提高作物產量的物質，并由此減少化肥施用量，降低農田養分流失對水環境造成的污染（Liu et al.，2018）。

土壤酶主要來源于微生物，與土壤微生物數量及土壤呼吸強度有重要關系，能夠反映土壤肥力水平。生物炭具有較強的吸附特性，既能夠吸附反應底物促進酶促反應，提高酶活性；也能夠吸附保護酶促反應結合位點，抑制酶促反應，降低酶活性（Czimczik et al.，2007）。本研究發現施加椰殼生物炭顯著提高了土壤過氧化氫酶活性，卻降低了土壤脲酶和酸性磷酸酶活性。過氧化氫酶促進土壤中過氧化氫的分解，防止它對生物體產生毒害作用。施加椰殼生物炭能顯著提高土壤過氧化氫酶活性，是因為椰殼生物炭通過提高土壤有機質含量為微生物活動提供了能源物質，也為酶促反應提供了豐富的底物，從而提高了土壤過氧化氫酶活性。施加椰殼生物炭降低了土壤脲酶和酸性磷酸酶活性，這可能是由于椰殼生物炭吸附酶分子對酶促反應結合位點形成保護，而阻止酶促反應的進行（Lehmann et al.，2011），具體原因還有待證實。

細菌作為土壤中數量最多的微生物類群，能夠及時感知土壤養分、pH等外界條件的變化，從而反映土壤質量的變化（Shen et al.，2010）。本研究發現施加椰殼生物炭可以優化土壤細菌群落結構，提高細菌的多樣性和豐富度，且細菌的多樣性和豐富度與土壤 pH、SOM、TN、AP、AK、S-CAT均呈正相關關系。這就說明椰殼生物炭的多孔性和對水肥的吸附性為微生物的生長與繁殖創造了良好的環境（Warnock et al.，2010；Ameloot et al.，2013；Zheng et al.，2016；鄭慧芬等，2019）。

4 結論

芽單胞菌和亞硝化單胞菌（與土壤碳氮循環能力有關）的豐度在添加椰殼生物炭后明顯提高，且與土壤pH、SOM、TN、AP、AK、S-CAT均呈正相關關系，但與土壤鹽度呈負相關關系。說明椰殼生物炭能通過提高土壤養分含量、優化微生物群落結構和增強過氧化氫酶活性來降低土壤鹽度。

添加2?20—3?20的椰殼生物炭能明顯改善濱海土壤的pH值，顯著提高濱海土壤有機質、全N、有效P、速效K含量和過氧化氫酶活性，同時對土壤細菌群落的豐富度和多樣性提高也優于其他處理，并能顯著降低濱海土壤的鹽分含量，促進作物的生長。考慮經濟成本和實際效果，建議應用椰殼生物炭與鹽漬土體積比為2?20—3?20的用量來改良海南濱海鹽漬土。