生物炭在微咸水-淡水輪灌下對土壤含水量與含鹽量的影響

王春婷 ，王 琨 ，何順圓 ，李彥儀

（河海大學農業科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

中國淡水資源匱乏，人均淡水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，同時鹽堿地面積已達9 913 萬hm2，約占全國土地面積的10.3%，且呈不斷擴大趨勢，淡水資源短缺及大面積的鹽堿地，嚴重制約著中國灌溉農業的發展。我國濱海農區的淡水資源年內分布不均，而該區微咸水資源豐富，如何安全高效地利用微咸水成為該區農業可持續發展急需解決的重要問題之一。因此，合理利用微咸水資源并結合秸稈廢棄物制成的生物炭改良劑，在節水基礎上實現鹽堿地的綜合改良具有重要的理論現實意義。

近年來，生物炭被廣泛應用于農業土壤改良。生物炭是在低氧下生物質熱解生成的有機材料，具有多孔結構、比表面積大和離子交換量高等特點[1]。生物炭作為土壤改良劑可以改善土壤物理性質，如容重、孔隙結構、團聚特性、持水導水能力等[2]。施用生物炭還有利于提高土壤有機質含量、養分供應和陽離子交換量，從而提升養分有效性和肥力水平[3]。此外，添加生物炭有利于改善根際微生物環境，增強土壤酶活性和促進微生物生長[4]。勾芒芒等[5]發現，生物炭可以減緩鹽分脅迫對作物的危害，并提高作物耐鹽性能，如改善作物水分狀況、降低鹽分離子吸收、促進養分攝取和調節植物激素等[6]。

微咸水灌溉可能導致次生鹽漬化，并引起土壤結構失穩、表面結皮、透水性降低等問題，破壞土地資源的可持續性[7]。同時，過高的鹽分會降低土壤溶液滲透勢，抑制根系吸水和作物生長，隨著鹽分離子在作物體內積累，將造成離子毒性和營養失衡，破壞正常新陳代謝活動。因此，適宜的微咸水利用方法對于濱海地區農業發展極其重要，交替使用微咸水和淡水進行灌溉不僅可緩解淡水短缺問題，還可降低微咸水對土壤和作物的不良影響[8]。牛君仿等[9]和Singh[10]發現，相比于微咸水直接灌溉或咸淡水混合灌溉，微咸水-淡水交替灌溉更有利于控制土壤鹽分，降低土壤鹽漬化風險，且可保證更高的作物產量。

本研究以鹽堿土為實驗對象，在室內進行土柱試驗，采用微咸水-淡水交替灌溉，并結合生物炭改良劑對鹽堿土壤的改良效應，研究土壤含鹽量與含水量的變化走向。通過多次、多種的對照試驗確定最適宜實驗土地的生物炭種類，為濱海地區微咸水利用及農業可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1）供試土壤質地為粉砂壤土和砂壤土，取自江蘇省鹽城市東臺典型濱海墾區（32°96′N，120°87′E），土壤質地屬于粉砂壤土。

2）本次試驗共用到兩種生物炭改良劑：第一種生物炭改良劑為譽中奧小麥秸稈生物炭，為小麥秸稈在550 ℃~600 ℃的高溫下熱解，經4 h~6 h 碳化而得到的，其容重約為0.19 g/cm3，比表面積為9 m2/g，總孔隙率為67.03%，pH 為10.24。第二種生物炭改良劑為稻殼生物炭，為稻殼在400 ℃高溫下熱解，經過2 h~3 h碳化而得到的，其外觀為黑色絲狀顆粒，有機質含量為450.6 g/kg，pH為8.12，灰分為10.52%。

3）試驗用水為純凈水和礦化度為5 g/L的微咸水。

1.2 試驗裝置

試驗裝置由供水設備、試驗土柱和水鹽測定裝置三部分組成。供水設備為馬氏瓶，其設計尺寸為內徑5 cm，高度120 cm，滲積水保持為定水頭5 cm，外壁貼有標尺，以控制和記錄入滲水量；土柱由PVC 管盛放，土柱高40 cm，直徑為11 cm，共分為兩大層，四小層；上面20 cm 為一層摻入對應質量比例的生物炭，下面20 cm 為一層裝填純鹽堿土；每間隔8 cm 設計一直徑為1 cm 的圓形孔，用于安裝TDR 土壤水分測定探針，便于測量土壤的含水量。土柱內壁涂抹凡士林用于消除邊壁效應，底部設置濾紙層、2 cm 礫石層以及排水口，以促進土壤排水透氣。

入滲試驗在試驗過程中按照質量分數摻加生物炭，第一種生物炭與土壤的質量比分別為：1%，2%，3%和5%；第二種生物炭與土壤的質量比分別為1%和3%；另外設一組空白對照組，土柱內無任何生物炭改良劑。

生物炭研磨、過篩（2 mm）后，與土柱表層0~20 cm 的鹽漬土樣充分混合均勻。裝填時共分5 層，每層8 cm 均勻裝入土柱，層面間土壤表面打毛，以保證入滲過程不出現分層。試驗開始前，頂部土壤表層鋪一層濾紙并控制灌溉速度，以減少灌水對表層土壤的沖擊。

本次試驗只有一種灌溉方式——先淡水后微咸水，先連續灌溉3 次淡水，再連續灌溉3 次相同體積的礦化度為5 g/L 的微咸水，對所有儀器進行相同的操作。在此次試驗中，不同生物炭改良劑以及生物炭與土壤的質量比由小到大分別為：CK（空白對照組）、C1（第一種生物炭改良劑，質量比1%）、C2（第一種生物炭改良劑，質量比2%）、C3（第一種生物炭改良劑，質量比3%）、C4（第一種生物炭改良劑，質量比5%）、W1（第二種生物炭改良劑，質量比1%）、W2（第二種生物炭改良劑，質量比3%）。

1.3 指標測定方法

對土柱進行灌溉，完成入滲定額后，利用TDR 水分測量儀實時讀取土壤含水率，并即刻從最上方，即距離土壤表層2 cm 處的開口處采樣，以檢測土壤表層2 cm 處的含鹽量。土壤剖面各層含水率由TDR 土壤水分測定儀讀取。土壤含鹽量采用飽和萃取液法測定，將土樣自然風干后，研磨過篩，稱取1 g 土樣與5 mL 去離子水充分振蕩5 min 后，靜止澄清，得到土壤飽和上清液。對上清液使用DDBJ-350 便攜式電導率儀來測量土壤剖面處的含鹽量，計算土壤初始含鹽量和入滲結束時含鹽量的差值與初始含鹽量的比值為土壤脫鹽率。

2 試驗結果與數據分析

2.1 對土壤含水率的分析

由TDR 土壤水分測定儀實時檢測土柱對應孔洞處的含水量，測出的土壤含水率如表1 所示。

其中，“土層”指的是土壤深度；“初始”指的是裝填土柱完成后測得的土壤含水率；“1 次”是指灌完去離子水后測得的土壤含水率；“2 次”指的是灌完礦化度為5 g/L的微咸水溶液后測得的土壤含水率。

由表1 可知，隨著灌溉水量的增多，土壤含水量變大也逐漸趨于飽和狀態。與此同時，大體記錄灌溉完成時間，純凈水入滲的時間：C4

表1 土壤含水率θ

表1 中數據顯示，經由生物炭處理后，無論是純凈水灌溉還是微咸水灌溉，除少數情況外生物炭均能略微提升各層土壤的土壤含水率，在各組中，C1（第一種生物炭改良劑，質量比1%）較為明顯。

2.2 對土壤含鹽量的影響

土壤鹽分含量對作物的生長有著重要的作用，其也是鹽堿地綜合改良的一個重要評價指標。可以利用DDBJ-350 便攜式電導率儀對土壤飽和上清液進行測量，進而反映土壤的含鹽量，土壤的電導率測量結果如表2所示。

表2 土壤的電導率 單位：μS/cm

如表2 中數據顯示，在去離子水入滲完成后，表層土壤的含鹽量均遠小于初始的土壤含鹽量；而在5 g/L 的微咸水入滲后，因為其溶液本身具有含鹽量，滲入土壤中的水分會帶有部分的鹽分，微咸水中的鹽分隨水進入土壤，即土壤的電導率會上升。

根據脫鹽率的計算公式：

可得到各組的脫鹽率如表3所示。

表3 土壤脫鹽率

由表中數據可知，土壤脫鹽率從大到小依次表現為W1、C2、W2、C1、C3、CK、C4。這說明在摻入相同質量比的生物炭后，第二種生物炭有著比第一種生物炭更良好的脫鹽性能；同時，在C1、C2、C3、C4 這四個應用第一種生物炭的組中，C2（第一種生物炭改良劑，質量比2%）的脫鹽率最大，即脫鹽效果最佳，C4（第一種生物炭改良劑，質量比5%）的脫鹽效果甚至不如沒有摻入生物炭的純土脫鹽效果好。

綜上，從本試驗的數據結果來看，對于相同質地的表層土壤，采用質量比為1%左右的稻殼生物炭效果比小麥秸稈生物炭效果要好；對于小麥秸稈生物炭，采用質量比為2%左右的生物炭效果較好。

2.3 誤差分析

在整個試驗過程中，會產生誤差的因素有很多，這些都會對試驗的數據結果產生或多或少的影響，可能的影響因素如下：

1）土壤性質不均衡、不全相同。土壤雖然經過了打碎、過篩等步驟，但無法保證土壤性質的相似性，所以從土壤本身的性質來說就可能會對土壤含水量和土壤含鹽量造成影響。

2）裝填過程可能出現的問題。①在裝填過程中需要壓實，但因為力道的控制問題和人的視力問題，可能會出現壓實后的土壤容重不同、土壤壓實面不平整的現象，會影響土壤的孔隙率，進而影響水的入滲速度和土壤飽和含水量；②因為本次試驗所用的儀器為PVC 管而非有機玻璃管，因此無法看到入滲的過程，只能通過TDR 儀器的測量大致推斷入滲過程；③在讓土壤與生物炭混合的工程中，無法完全保證生物炭與土壤混合的均勻性，這對后續的取土測量含鹽量也有著一定的影響。

3）試驗過程中可能出現的問題。①馬氏瓶使用時間比較久，內部有一定的不明沉積物，即使清洗多次也不算非常干凈，可能影響入滲液體的成分；②TDR 土壤水分測定儀本身使用多年，儀器的探頭可能不再精確，土壤水分測量數值不算精準；③實驗室所處環境較為炎熱，處于土柱表面的水層可能會由于高溫蒸發一部分，實際的入滲量達不到設計的入滲量；④取土的時候因為無法保證生物炭與土壤混合的均勻程度，因此可能會造成土壤中生物炭含量過多或者過少的現象，不利于含鹽量的測量；⑤在使用電導率儀測量土壤含鹽量時，可能會因為選取土壤過少的問題致使含鹽量結果產生較大誤差；⑥在使用DDBJ-350 便攜式電導率儀測量上清液的電導率時，可能會因為測量時溫度的變化與不同而對讀數結果造成微小的影響。

3 結論

1）生物炭的加入有利于提高土壤的入滲能力和含水能力。其中，表現效果最明顯的是C4 組，在微咸水入滲速度排序中，C4 的入滲速度約為CK 的兩倍；在測得的含水率中，含有生物炭的組含水率大多大于純土的含水率。

2）摻入合適質量比的生物炭有利于土壤的脫鹽效果。在摻入相同質量比的生物炭后，第二種生物炭（稻殼生物炭）有著比第一種生物炭（小麥秸稈生物炭）更良好的脫鹽性能；第一種生物炭改良劑的摻入質量比為2%左右時，最有利于土壤的脫鹽效果。

綜上所述，生物炭的適量添加有利于土壤含水率的提升，有利于降低土壤的含鹽量，所以添加質量比為1%~3%的稻殼生物炭有利于改善植物的生長環境。