生物炭添加對降低鹽灘地有害離子及促進玉米生長效果研究

郭世龍，韓艷，王傲潔，常學禮，王鐵軍

（1.蘭州大學資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730000；2.魯東大學資源與環(huán)境工程學院，山東 煙臺 264025；3.濰坊中學，山東 濰坊 261031；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

生物炭添加是改良鹽堿土理化性質(zhì)的有效方法，其效果從土壤理化性質(zhì)改變與肥力提升以及農(nóng)藝性狀表現(xiàn)改善等諸方面都有顯著作用，相關(guān)機制研究成為近些年來鹽堿地改良研究的機遇與挑戰(zhàn)［1-5］。其中生物炭（固態(tài)炭質(zhì)殘留物，在無氧或有限氧條件下于300至1000℃的溫度下產(chǎn)生）添加導致的細菌內(nèi)生菌對作物生長的促進、小麥和玉米產(chǎn)量增加等已經(jīng)成為人們的共識［4-5］。已有研究明確指出，添加生物炭可有效改善受鹽影響的土壤總孔隙率和持水量，改善鹽分土壤的結(jié)構(gòu)［3-6］，同時也能改善鹽漬土的電導率、鈉吸附比（SAR），提升土壤肥力［7-8］。這得益于生物炭具有結(jié)構(gòu)疏松多孔且比表面積大、含氧活性基團多和營養(yǎng)元素豐富等特點。從添加生物炭種類選擇來看，包括了低熱解造紙廠廢料、稻秸、向日葵桿和麥秸等材料［3，9］。

黃河三角洲地下水淺（平均為1.14 m）且礦化度高（含鹽量平均值為14.3 g·L-1），鹽漬土分布范圍廣。由于地形地貌屬于閉合洼地和地下徑流匯集區(qū)，土壤鹽漬化越來越嚴重［10］。如何經(jīng)濟且高效解決土壤鹽漬化問題已成為當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注焦點。考慮到生物炭制取的經(jīng)濟性和可行性［11］，本文以黃河三角洲濱海鹽漬土玉米種植地為研究對象，通過秸稈還田、化肥施用、低劑量棉稈生物炭、玉米芯生物炭、蘆葦生物炭添加進行比較分析。擬解決的科學問題是：通過與非生物炭施用比較，探討生物炭施用對改善土壤理化性質(zhì)的作用和促進玉米生長的機理。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)位于東營市河口區(qū)仙河鎮(zhèn)神仙溝流域，地理坐標118°41′03′～118°41′41′′E，37°56′42′′～37°56′59′′N。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫12.3℃，年平均降水量692 mm，無霜期200天以上。該地區(qū)土壤剖面水鹽垂直運動強烈有季節(jié)性的返鹽和脫鹽，由于長期間歇性海水浸泡，土壤主要為鹽漬潮土和濱海鹽漬土。土壤含鹽量深層高于淺層，堿性鹽成分為NaCl。地下水礦化度10～40 g·L-1，最高達200 g·L-1［12］。

1.2 試驗材料

試驗地位于黃河三角洲綜合訓練基地神仙溝流域，開荒、平整土地后布設(shè)實驗小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為1 m×1 m。2017年8月按S形線路采集耕層（0～20 cm）土壤，帶回實驗室經(jīng)處理后測定土壤全鹽量為10.791‰。試驗所需的生物炭為校亮等［11］在田間曝氧環(huán)境下采用水-火聯(lián)動技術(shù)田制備的棉稈生物炭、玉米芯生物炭、蘆葦生物炭；億邦生物發(fā)酵肥（氮磷鉀≥15%、有機質(zhì)≥15%、氨基酸≥8%、菌蛋白≥8%、有益菌2億個·kg-1、有機物質(zhì)≥50%）。

田間試驗設(shè)置5個處理，分別為秸稈還田（T1）、秸稈還田+化肥施用（T2）、秸稈還田+減肥25%+限氧棉稈生物炭施加（T3）、秸稈還田+減肥25%+限氧玉米芯生物炭施加（T4）、秸稈還田+減肥25%+限氧蘆葦生物炭施加（T5），每個處理3個重復，并設(shè)置無添加對照（CK）；生物炭與土壤添加比例為3 g·kg-1；試驗小區(qū)每平方米常規(guī)化肥添加量為100 g。

1.3 試驗方法

試驗小區(qū)玉米播種時間為2017年8月13日，試驗玉米品種為西途52，種子百粒重42.49 g，每個試驗小區(qū)種植3行，每行7株；播種采用旋耕松土（2次，20 cm·次-1，旋耕過程中可將土壤與生物炭充分混勻）、犁溝下播的方式進行。玉米采樣于2017年10月13日。玉米生物量采用刈割-質(zhì)量法獲取，具體操作為：采用1 m×1 m樣方結(jié)合五點采樣法在試驗小區(qū)分別采集地上和地下的玉米生物樣品，每個小區(qū)共計5個樣點，樣品采集完成后，置于紙質(zhì)信封袋保存。105℃烘干15 min后85℃烘干4 h，稱重。采集結(jié)束后，同時在各樣方采集0～20 cm土層的土壤，取5個樣方混合土樣，作為各處理土壤樣品。

電導率用電導率儀（雷磁DDSJ-308T電導率儀，上海雷磁有限公司）測定；土壤可溶性全鹽測定采用殘渣烘干法；浸提液中陽離子（Na+、Ca2+、Mg2+、K+）和陰離子（Cl-、SO42-）使用離子色譜法進行測定（ICS3000，Dionex）；鈉吸附比（Sodium adsorption ratio，SAR）計算公式為：

式中C表示溶液中相應離子濃度，單位mmol·L-1。

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2013和Origin 2018軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭添加對土壤主要鹽離子的影響

土壤的全鹽含量是表征土壤含鹽量大小及鹽漬化程度高低的重要指標。土壤溶液中離子量的降低有助于緩解溶液滲透壓，促進作物吸收水分和汲取養(yǎng)分。不同處理對土壤主要鹽離子的影響不同（表1），從Na+來 看，T5處 理 減 少 最 多，由5.50 mmol·L-1減 少 到1.29 mmol·L-1，減 少 了76%；T2處 理 次 之，由5.50 mmol·L-1減少到2.09 mmol·L-1，減少了62%；其后依次為T4、T1和T3處理分別減少了47%、36%、27%。

表1 添加生物炭對離子濃度的影響Tab.1 Effect of biochar addition on ion concentration mmol·L-1

從K+來看，T4處理增加最多，由3.14 mmol·L-1增加到6.15 mmol·L-1，增加了95%；T3處理次之，由3.14 mmol·L-1增加到4.89 mmol·L-1，增加了55%；其后依次為T1和T5；但T2處理K+濃度由3.14 mmol·L-1減少到1.77 mmol·L-1，減少了42%。

從Mg2+來看，T1處理減少最多，由0.59 mmol·L-1減少到0.13 mmol·L-1，減少了77%；T5處理次之，由0.59 mmol·L-1減少到0.17 mmol·L-1，減少了71%；其后依次為T2、T3處理分別減少了43%和37%；而T4處理Mg2+濃度由0.59 mmol·L-1增加到1.56 mmol·L-1，增加了161%。

從Ca2+來看，T1處理減少最多，由1.02 mmol·L-1減少到0.13 mmol·L-1，減少了87%；T2處理次之，由1.02 mmol·L-1減少到0.16 mmol·L-1，減少了84%；其后依次為T3、T5和T4處理分別減少了81%、18%、2%。

從Cl-來看，T5處理減少最多，由4.81 mmol·L-1減少到1.07 mmol·L-1，減少了78%；T4處理次之，由4.81 mmol·L-1減少到2.21 mmol·L-1，減少了54%；其后依次為T2、T1和T3處理分別減少了48%、31%、25%。

從SO42-來看，T4處理減少最多，由2.02 mmol·L-1減少到0.53 mmol·L-1，減少了74%；T2處理次之，由2.02 mmol·L-1減少到0.57 mmol·L-1，減少了72%；其后依次為T5、T3和T1處理分別減少了71%、67%、42%。

以上結(jié)果表明生物炭添加有降低土壤中陽離子和陰離子量的作用。不同材質(zhì)的生物炭的添加對土壤中陽離子和陰離子量的降低效果不同，且各處理間差異顯著。尤其在限氧蘆葦生物炭施加下，對鹽堿地中Na+和Cl-濃度的降低作用最為顯著。但K+含量隨著不同生物炭的添加而增加。

2.2 生物炭添加改善土壤化學性質(zhì)影響

2.2.1 生物炭添加對土壤電導率的影響土壤化學性質(zhì)中，含鹽量是一個重要的綜合指標，土壤電導率可以直接反映出土壤鹽分含量。生物添加對土壤電導率的影響如圖1A所示，秸稈還田和化肥施用未對土壤電導率產(chǎn)生顯著影響，但隨著炭添加后土壤電導率降低較為明顯，在T3和T4添加下土壤電導率降低效果最明顯，由0.6 mS·cm-1降低到0.33 mS·cm-1，降低了45%；T5添加次之，由0.6 mS·cm-1降低到0.4 mS·cm-1，降低了33%；其后依次為T2、T1，分別降低了10%、3%。

2.2.2 生物炭添加對SAR的影響鈉吸附比（SAR）是指鈉與鈣鎂離子的相對數(shù)量，可以反映土壤交換性離子組成，也可以反映土壤交換性鈉百分（exchangeable sodium percentage，ESP）［11］。SAR越大，鈉離子相對于鈣鎂離子的量越大，而鈣鎂離子的量越小，對土壤及農(nóng)作物的危害越大。黃河三角洲鹽漬土中主要的危害為Na+和Cl-含量偏高，農(nóng)作物生長發(fā)育受其影響最大。秸稈還田化肥施用和不同材質(zhì)生物炭的添加改變了土壤溶液離子組成，危害最大的Na+含量相對下降而危害較小的Ca2+和Mg2+含量相對增加（圖1）。由圖1B可知，T1和T3處理下，Ca2+和Mg2+的含量下降較為顯著而Na+含量下降較為一般，導致SAR相對于CK有較為明顯的增加。T2、T4、T5處理的SAR分別較CK下降了31%、58%、52%。

圖1 添加生物炭對土壤電導率（A）和SAR（B）的影響Fig.1 Effects of biochar addition on soil conductivity（A）and SAR（B）

2.3 生物炭添加對玉米生長影響

隨著秸稈還田化肥施用和不同材質(zhì)生物炭添加鹽灘荒地的玉米生物量逐步提升（表2），尤其是在T4（玉米芯生物炭）添加下，玉米地上生物量由T1處理下186 g·m-2增加到2454 g·m-2，增加了12.19倍，其次為T5處理下，由186 g·m-2增加到1710 g·m-2，增加了8.19倍。表明玉米芯和蘆葦生物炭添加下對玉米生物量提升作用效果尤為明顯。苗壯則高產(chǎn)，幼苗生物量的提升對后期玉米生物量的提升具有促進作用。

表2 添加生物炭對玉米生物量的影響Tab.2 Effects of biochar addition on maize biomass g·m-2

3 討論與結(jié)論

在鹽堿或鈉鹽土壤中使用有機改良劑，可以通過改善土壤理化性質(zhì)對植物生長產(chǎn)生影響，提高作物產(chǎn)量［16］。本文采用的生物炭由黃河三角洲生物質(zhì)制成，其富含各種營養(yǎng)元素、炭素和K+，并且生物炭可以增加土壤炭庫、提升土壤肥力、調(diào)節(jié)土壤溶液中的鹽分，故生物炭為黃河三角洲鹽漬土改良提供了新的思路和技術(shù)選擇。生物炭可作為許多土壤微生物的棲息地，有助于改善受鹽影響的土壤。生物炭還可以加速鹽分浸出，從而減少將鹽濃度降低到適合植物生長所需的時間。此外，與其他有機修飾劑易于降解的分子相比，添加生物炭的土壤可提高有機分子的穩(wěn)定性，從而有助于長時間地結(jié)合土壤團聚體，故施用生物炭可以加速鹽分浸出、增加土壤孔隙度和陽離子性養(yǎng)分（例如，K，Ca，Mg，Zn，Mn），進而提高作物產(chǎn)量［17-18］。生物炭可能是多種養(yǎng)分的直接來源。研究表明，經(jīng)過鹽處理的生物炭改良過的土壤中，養(yǎng)分含量（尤其是Ca、Mg、K、N和P）顯著增加［19］。

本研究表明，生物炭添加可以提高土壤溶液中鉀的含量，有助于促進作物的生長。在T1到T5下處理Na+的濃度整體呈下降趨勢，生物炭添加對降低鹽灘地中有害離子的效果要優(yōu)于秸稈還田和化肥施用。生物炭添加后土壤溶液中陽離子量的降低尤其是在蘆葦炭處理下，Na+濃度的顯著降低可能是得益于生物炭具有較大的比表面積（30 g·m-2）和較多羧基（1009 mmol·kg-1）、酚羥基（450 mmol·kg-1）含氧官能團，使其具備吸附劑的基本屬性和較大的陽離子交換能力，能夠有效吸附Na+并釋放H+［9］。

生物炭的施用可使土壤孔隙度改善，促進土壤剖面中的Na+浸出從而降低SAR［12］。生物炭作為有機改良劑可能會增加根際CO2的分壓，從而土壤中運出Ca2+來替代土壤膠體中的Na+降低SAR［13］。從SAR的變化結(jié)果可以得知，生物炭降低鹽堿危害的效果與生物炭的類型有關(guān)，本研究結(jié)果表明玉米芯生物炭添加（T4）對減低鹽漬危害作用效果最為顯著。

土壤電導率的降低是由于生物炭添加后引起土壤孔隙度和水利傳導的改善，加速了鹽分的浸出。孫軍娜等［8］發(fā)現(xiàn)生物炭的加入增加了鹽漬土的孔隙度，使土壤容重降低。生物炭添加增加了土壤總有機炭和有效磷含量，且隨著生物炭加入量增多而增大，與本研究的結(jié)果相一致。生物炭在土壤保水保肥、增加土壤孔隙度、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加營養(yǎng)元素方面具有優(yōu)勢，可為作物提高產(chǎn)量創(chuàng)造優(yōu)勢。

玉米生物量的增加與土壤中有害鹽分離子的降低、土壤理化性質(zhì)的改善密切相關(guān)。在蘆葦生物炭施加下，玉米地上生物量較CK顯著增加了8.19倍。土壤鹽分離子、SAR的降低和土壤理化性質(zhì)（pH和電導率）的改善是基礎(chǔ)，生物炭提供的K+是關(guān)鍵，K+濃度的提升可以抵消Na+的不利影響，并在很大程度上緩解了鹽脅迫，提高了玉米的耐鹽性，促進玉米生物量的增加［13-15］。孔祥清等［7］通過在草甸鹽漬土中添加玉米秸稈制成的生物炭，使大豆產(chǎn)量單株為CK（1.43 g·株-1）的2.22倍，是由于生物炭處理后增加了鹽堿土的孔隙度，加速水分的滲透，改善鹽堿土的物理化學性質(zhì)，這與本研究的結(jié)果相一致。

本研究以富含羧基、羥基和C、N養(yǎng)分的棉稈生物炭、玉米芯生物炭和蘆葦生物炭為原料，探討低劑量添加不同類型生物炭對調(diào)節(jié)土壤溶液離子濃度和降低其含量的影響。在此基礎(chǔ)上，引入鈉吸附比（SAR）和電導率，從降低植株鹽分危害和土壤質(zhì)量的改善探討了富含含氧官能團和營養(yǎng)元素的生物炭在減害和養(yǎng)分增效方面的作用，并以玉米生物量為指標驗證其效果。生物炭添加下土壤溶液中有害鹽離子濃度降低，鈉吸附比（SAR）和電導率降低，有利于玉米生物量的增加。以3 g·kg-1玉米芯生物炭施用對玉米生物量增加作用效果最為顯著，玉米地上生物量較T1提升了12.19倍，這可能與不同生物質(zhì)生物炭施用有關(guān)。鹽漬土中含鹽量高，導致土壤質(zhì)量惡化是影響作物產(chǎn)量的主要因素，可通過合理的施用不同生物質(zhì)的生物炭來提升作物的產(chǎn)量。

綜上所述，添加生物炭具有降低Na+濃度的作用，有助于降低土壤溶液中鈉吸附比（SAR）和電導率，并明顯提升K+濃度，緩解鹽脅迫，提高了玉米的耐鹽性，有助于玉米地上和地下生物量的增加。