不同改良劑對珊瑚砂理化性質和氮素固持的影響

陳涵, 鄒碧, 李應文, 李泳興, 李志安, 陳慧娟, 王法明*

不同改良劑對珊瑚砂理化性質和氮素固持的影響

陳涵1, 鄒碧1, 李應文1, 李泳興1, 李志安1, 陳慧娟2*, 王法明1*

(1. 中國科學院華南植物園，廣州 510650；2. 廣東省科學院生態環境與土壤研究所，廣州 510650)

高堿環境和土壤養分的匱乏嚴重限制了我國熱帶珊瑚島土壤環境下植物的生長適應能力，因此，珊瑚砂改良對促進珊瑚島植被恢復，維持珊瑚島生態環境可持續健康發展具有重要意義。該研究通過室內土柱模擬試驗，對比了同一梯度下4種常用土壤改良材料(蛭石、珍珠巖、生物炭和鈣基膨潤土)對珊瑚砂理化性質、氮素淋溶以及總氮含量的影響。結果表明, 與對照(CK)相比，施用生物炭使珊瑚砂pH顯著降低1.4%，鈣基膨潤土、生物炭和蛭石能夠顯著提高珊瑚砂的陽離子交換量至CK的24.21、10.43和9.43倍。同時，施用生物炭、鈣基膨潤土和蛭石并不能降低以硝態氮形式為主的氮素淋失, 但是能顯著減少其他途徑的氮素損失，從而達到促進珊瑚砂氮素固持的效果，3種改良劑施用下的珊瑚砂總氮損失相較于CK分別降低了40.92%、27.32%和25.09%。因此，施用生物炭、鈣基膨潤土和蛭石均能有效提高珊瑚砂土壤質量，對改良珊瑚砂和熱帶珊瑚島植被恢復具有重要意義，其中生物炭的改良效果最為顯著，是改良珊瑚砂的理想材料。

珊瑚砂；土壤改良；氮肥淋失；氮素固持

珊瑚砂廣泛分布于熱帶珊瑚島，是一種由有孔蟲、珊瑚蟲等海洋生物殘骸碎裂堆積而成的砂狀土壤[1–3]，其中含有大量的鈣(Ca)和鎂(Mg)元素，使其呈現高堿性特征[4–5]。同時，珊瑚砂中缺乏黏性顆粒以及有機和無機膠體，吸附和維持養分的能力匱乏，導致珊瑚砂保水保肥能力差，極度缺乏氮素[6],加上熱帶珊瑚島高鹽高溫，存在明顯干濕季分界, 直接影響了植株存活率，嚴重阻礙了熱帶珊瑚島的植被建立[7]。因此，對珊瑚砂進行土壤改良，降低堿度對植物脅迫，同時提升珊瑚砂對植物生長所需養分的固持和供給，對促進珊瑚島植被建立，改善珊瑚島環境條件，推動當地經濟以及島嶼生態系統可持續健康發展具有至關重要的意義[8–9]。

目前，針對珊瑚砂與石灰土等鈣質堿性土以及鹽堿地土壤，施用土壤改良劑進行改土是提高土壤肥力、改善土壤結構、增強持水能力和保持養分的有效途徑，具有經濟、環保、起效快且作用持久等特點[10–12]。蛭石、珍珠巖和鈣基膨潤土是近年來應用較為廣泛的土壤改良劑，能夠改善土壤結構，提高土壤吸水保水能力以及礦質營養[13–14]。李素艷等[15]研究表明，蛭石具有較好的降鹽效果，能夠有效抑制濱海鹽堿土堿化，并提高土壤孔隙度，降低土壤容重。李志安等[16]研究表明，在珊瑚砂中施加蛭石、珍珠巖以及鈣基膨潤土等能夠改善珊瑚砂土壤結構，顯著提高珊瑚砂保水保肥能力。生物炭是由動植物殘體在缺氧或低氧環境下，經由長時間高溫熱解所產生的一類具有穩定結構、高度芳香化且富含碳素的固態物質。因其極具穩定性以及特殊的分子結構，在近年來成為農林生態系統、土壤環境改良等研究領域關注的焦點[17–18]。冉成等[19]研究表明，向鹽堿地稻田土中施加生物炭在顯著提高土壤總氮的同時，降低堿解氮、銨態氮含量。孫嘉曼等[20]通過向喀斯特山地石灰土中施加生物炭，認為生物炭處理有利于改善石灰土水分，提高土壤有機質和氮磷養分含量。然而，通過施加土壤改良劑對土壤進行改良的研究多集中在鹽堿地和石漠化治理等領域[21–22]，針對珊瑚砂進行土壤改良的研究極其缺乏。

因此，本研究在基于前期試驗結果的基礎上,以珊瑚砂作為研究對象，采用3%的比例添加生物炭、蛭石、珍珠巖和鈣基膨潤土作為土壤改良劑, 在添加氮肥并模擬間歇性降雨的條件下，開展土柱淋溶試驗。通過分析不同土壤改良材料添加對珊瑚砂理化性質、養分淋溶和固持能力的影響，篩選適合珊瑚砂改良的理想材料。本研究的結果可為熱帶珊瑚島土壤管理和可持續發展提供科學依據和指導，同時也為其它類似環境下的生態系統土壤改良提供了理論與實踐支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗選取4種常見的土壤改良劑，包括蛭石(購自北京賽歐華創科技有限公司)、珍珠巖(購自柏吉生物科技有限公司)、鈣基膨潤土(購自上海穎心實驗室設備有限公司)和生物炭。生物炭的制備過程是將玉米秸稈在500 ℃、真空條件下緩慢熱解3 h后，再將所得產物與去離子水按質量比1:50放入密封容器中反復洗滌，直至上清液電導率穩定后，置于105 ℃烘箱中烘干后得到[23]。試驗中使用的氮肥為尿素(氮含量46.7%)，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。供試土壤于2022年8月從海南省采集,該土壤區域年均降雨量為2 000 mm，屬于熱帶海洋性季風氣候。試驗土壤樣品經自然風干，去除肉眼可見的石塊、根系和雜物后保存備用。供試土壤的pH值為9.65，陽離子交換量為0.04 cmol/kg，電導率為126s/cm，容重為1.45 g/cm3，有機碳、全氮和全磷含量分別為2.342、0.529、0.129 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗開展于2023年2月—3月，地點位于華南國家植物園科研區溫室，室內溫度約為25 ℃。試驗裝置為內徑4 cm、高25 cm的透明玻璃圓管，底部設置出水口，在裝置底部管口處放有1層120目的尼龍紗網，并于管底鋪上2 cm厚，粒徑為1～2 mm經過酸洗處理的石英砂，防止土壤基質流失。淋溶過程中采用蠕動泵控制淋溶過程中水的流速。在正式裝填之前，用凡士林均勻涂抹圓柱管內壁，避免土壤基質與管壁之間產生間隙，防止捷徑式下滲導致貼壁優先流的發生[24]。裝填土柱時，將240 g土壤和土重3%的改良材料與0.06 g氮肥充分混勻, 再將混合后的土壤分2層依次裝入壓實，以減少邊緣效應[25], 其中0～5 cm為一層，5～15 cm為一層，最終形成柱高15 cm，重247.2 g的土柱。試驗共設置5個處理，每處理重復4次。試驗采用的改良材料的基本理化性質如表1所示。

試驗根據采樣點的降雨情況確定淋溶進水量。具體而言，淋溶進水量等于模擬土柱內橫截面積與年均降雨量的乘積(2 513.27 mL)，考慮到采樣點存在地表徑流和蒸發損失過程(損失量按照60%計算)。最終的進水量為1 005.31 mL[26–28]。淋溶過程中采用間歇淋溶[29]的方式并收集淋溶液。試驗開始前加入1 000 mL去離子水，使土壤水分接近田間飽和持水量，并在室溫下放置1 d。隨后每隔3 d加入83.78 mL去離子水，共進行7次淋溶。在淋溶完成后，將塑料瓶蓋上并迅速轉移至–20 ℃冰箱保存待測。

表1 供試土壤改良劑基本性質

1.3 方法

土壤基本理化性質參照《土壤農業化學分析方法》[30]進行分析。土壤和改良材料的總氮(TN)使用濃硫酸消煮法處理。淋溶液中的銨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO3–-N)在經過過濾后置于-20 ℃冷凍保存待測，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進行測定。土壤和淋溶液中的TN、NO3–-N和NH4+-N均通過間斷化學分析儀(SKALAR BluVisonTMNether-lands)進行測定。pH值使用METTLER TOLEDO公司生產的臺式pH計測定。陽離子交換量(CEC)使用三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法進行測定。

土壤TN損失量=試驗開始時土壤TN含量-試驗結束時土壤TN含量；土壤TN淋失量=各次淋溶液中TN含量之和；土壤其他途徑損失=土壤TN損失量-土壤TN淋失量。

1.4 數據的統計分析

采用Microsoft Excel 2021進行數據處理，采用SPSS 25.0軟件對試驗測定指標進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和鄧肯(Duncan)多重比較檢驗(=0.05)。采用Python (Spyder v.5.3.3)和Origin 2021進行數據可視化分析。

2 結果和分析

2.1 改良材料對土壤pH和陽離子交換量(CEC)的影響

由表2可知，不同處理下珊瑚砂pH和CEC存在顯著差異。與CK相比，生物炭添加顯著降低了珊瑚砂的pH值(<0.05)，降低了1.4%，其余處理對珊瑚砂pH無顯著影響。鈣基膨潤土、生物炭和蛭石均顯著提高了珊瑚砂CEC，分別為CK的24.21、10.43和9.43倍，珍珠巖對珊瑚砂CEC無顯著影響。

表2 不同處理對土壤pH和陽離子交換量(CEC)的影響

數據后不同字母表示差異顯著(<0.05)。

Data followed different letters indicate significant differences at 0.05 level.

2.2 改良材料對淋溶液NH4+-N濃度的影響

由圖1可見，各處理淋溶液NH4+-N濃度均隨時間呈下降趨勢。首次淋溶過程中，各處理淋溶液中NH4+-N濃度存在顯著差異(<0.05)，與CK相比，生物炭處理下淋溶液NH4+-N濃度顯著增長了17.71%，珍珠巖、鈣基膨潤土和蛭石處理則分別降低了13.03%、62.65%和79.63%。

圖1 不同處理下淋溶液中NH4+-N濃度的變化。灰色: 快速淋失階段; 白色: 濃度穩定階段。下同

2.3 改良材料對淋溶液NO3–-N濃度的影響

由圖2可見，各處理淋溶液NO3–-N濃度均隨時間迅速下降。在首次淋溶過程中，各改良劑添加均顯著提高淋溶液中NO3–-N濃度(<0.05)，由大到小依次為：生物炭、蛭石、鈣基膨潤土和珍珠巖，與CK相比分別增加93.54%、66.28%、16.06%和10.24%。

圖2 不同處理下淋溶液中NO3–-N濃度的變化

2.4 改良材料對淋溶液TN濃度變化

由圖3可見，各處理淋溶液TN濃度均隨時間迅速下降。在首次淋溶過程中，各改良劑添加均顯著提高了淋溶液中TN濃度(<0.05)，由大到小依次為生物炭、蛭石、鈣基膨潤土和珍珠巖，與CK相比，分別增加了86.30%、56.85%、10.91%和7.28%。

圖3 不同處理下淋溶液TN濃度的變化趨勢

2.5 改良劑對珊瑚砂氮素損失的影響

由圖4可見，改良劑添加在不同的氮素損失途徑上存在促進和抑制2種相反的結果。一方面，生物炭、蛭石和珍珠巖加劇了珊瑚砂TN的淋溶損失，另一方面，生物炭、蛭石和鈣基膨潤土抑制了珊瑚砂其他途徑的TN損失，但其他途徑抑制的氮素損失量高于淋溶損失量，最終在總體上顯著降低珊瑚砂的TN損失(<0.05)。與CK相比，生物炭、蛭石和鈣基膨潤土分別減少了40.92%、27.32%和25.09%的TN損失，而珍珠巖添加影響不顯著。

圖4 改良劑對珊瑚砂氮素損失的影響

3 討論和結論

3.1 改良劑對珊瑚砂pH和CEC的影響

生物炭添加顯著降低了珊瑚砂的pH值，而蛭石、珍珠巖以及鈣基膨潤土添加對珊瑚砂pH無顯著影響。這可能是因為相比于顆粒較大的蛭石、珍珠巖以及鈣離子含量較高的鈣基膨潤土，生物炭的多孔結構及較大的比表面積使其能更好地與珊瑚砂相結合，減小土壤容重的同時增加土壤孔隙度，增強珊瑚砂鹽分淋洗，進而在一定程度上降低珊瑚砂pH[31]。與此同時，蛭石、生物炭和鈣基膨潤土對珊瑚砂CEC均表現出顯著的促進作用，這與改良材料自身的特性有關。蛭石、生物炭以及鈣基膨潤土在比表面積、孔隙體積以及表面活性位點等方面優于其他改良材料，使他們具有良好的吸附性和離子交換能力，能夠增加土壤膠體的交換點位，提高土壤CEC[32–33]。

3.2 改良劑對氮素淋溶的影響

淋溶初期，各改良材料添加下淋溶液中NO3–-N濃度與淋失速度均高于NH4+-N，且淋失趨勢與淋溶液TN淋失趨勢一致，說明氮素在珊瑚砂中主要以NO3–-N的形式快速淋失，這與前人的研究結果一致[25]。這是因為土壤對NO3–-N和NH4+-N的吸附特性不同，NO3–-N難以被土壤膠體所吸附，在土體中隨水運移能力強, 而NH4+-N則易被土壤中的膠體和礦物吸附固定，在土壤中的持留能力更強[34–35]。隨著淋溶過程的進行, 各處理下的淋溶液NO3–-N和NH4+-N濃度迅速下降, 說明氮素在珊瑚砂中的淋失速度極快，這可能與珊瑚砂極度缺乏有機及無機膠體，導致珊瑚砂對養分的吸附固持能力較弱有關。

同時，各改良材料添加在試驗初期均對NO3–-N的淋失表現出不同程度的促進作用，這可能與土壤環境的改變有關，改良劑添加提高了土壤孔隙度[10]，改善了土柱中的土壤通氣環境，從而提高了土壤中硝化、亞硝化細菌的活性，硝化作用增強，最終導致淋溶液中的NO3–-N濃度升高。試驗后期，隨著淋溶過程中氮素的大量淋失，加上土壤濕度的持續上升，通氣條件下降，土壤中硝化作用受到抑制[36]，使得淋溶液中NO3–-N濃度逐漸降低。此外，生物炭處理下土壤淋溶液中的NH4+-N濃度反而增加，這可能與生物炭添加對土壤微生物群落的影響有關，生物炭在短期內增加可溶性活性碳源，能夠促進土壤微生物生長代謝[37], 從而增加土壤微生物的生物量和活性，促進氨化過程產生更多的NH4+-N。

3.3 改良劑對珊瑚砂TN損失的影響

為探明氮素在珊瑚砂中的淋溶損失情況，本研究測定了TN的淋溶損失量、其他途徑損失量以及珊瑚砂的TN變化量, 結果表明，在珊瑚砂中，經由其他途徑損失的氮素要高于淋溶損失，這可能與珊瑚砂高堿性的土壤環境有關，相較于淋失，氮素更容易被轉化為NH3和N2O等氣體, 經由氣態揮發的方式損失[38]。改良劑添加在氮素淋失和其他途徑損失方面表現出截然相反的結果，蛭石、鈣基膨潤土和生物炭會在不同程度上增加珊瑚砂中氮素的淋失，但同時能夠顯著抑制其他途徑的氮損失, 進而表現為對珊瑚砂TN損失的顯著抑制。這可能是因為生物炭等土壤改良劑的多孔性和較大的比表面積使之能夠直接影響珊瑚砂的物理結構，其豐富的孔隙結構能夠有效提升珊瑚砂對養分的吸附能力[39]，緩解珊瑚砂土壤環境對土壤微生物的脅迫，促進土壤微生物的生長和活動，從而在促進珊瑚砂氮素固持的同時抑制硝化作用，使得更多的氮能夠保留在珊瑚砂中。

本研究表明，生物炭能夠緩解珊瑚砂高堿性環境，而生物炭、蛭石和鈣基膨潤土能夠顯著提高珊瑚砂CEC。改良材料添加雖然會促進以NO3–-N形式為主的氮素淋失，但是能夠通過降低其他途徑的氮素損失, 達到在總體上促進珊瑚砂氮素固持的效果。故生物炭、蛭石和鈣基膨潤土均具備珊瑚砂改良的應用潛力，對降低氮肥流失，減少熱帶珊瑚島植被建設過程中的氮肥濫用具有積極意義。其中，施用生物炭的效果最為顯著，是改善珊瑚砂土壤理化性質，提升珊瑚砂氮素固持能力的理想材料。

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Effects of Different Amendments on Physicochemical Properties and Nitrogen Fixation in Coral Sands

CHEN Han1, ZOU Bi1, LI Yingwen1, LI Yongxing1, LI Zhian1, CHEN Huijuan2*, WANG Faming1*

(1. South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China; 2. Institute of Eco-environmental and Soil Sciences, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China)

The adaptability of plant growth in soil conditions on Chinese tropical coral islands is severely limited by the alkaline environment and soil nutrient deficiencies. Improving coral sand is essential to facilitate the rejuvenation of coral island vegetation and maintain the healthy development of the coral island ecosystem. In this study, we investigated the effects of four common soil amendment materials (vermiculite, perlite, biochar and calcium-based bentonite) on the physicochemical properties, nitrogen leaching and total nitrogen content of coral sand under the same gradient using an indoor soil column simulation test. The results showed that the application of biochar significantly reduced the pH of coral sand by 1.4% compared to the control (CK), and calcium-based bentonite, biochar, and vermiculite were able to significantly increase the cation exchange capacity of coral sand to 24.21, 10.43, and 9.43 times that of CK. Meanwhile, during the leaching process, nitrogen was rapidly leached out mainly in the form of nitrate nitrogen, and the application of biochar, calcium-based bentonite and vermiculite could not reduce the nitrogen leaching loss, but it could achieve the effect of promoting nitrogen fixation in coral sands by promoting nitrogen fixation through other pathways, which resulted in the reduction of total soil nitrogen loss under the addition of the three amendments versus CK by 40.92%, 27.32% and 25.09%, respectively. The utilization of biochar, vermiculite and calcium-based bentonite can therefore effectively improve the quality of coral sand soil, which is of great significance for the improvement of coral sand and the restoration of tropical coral island vegetation, among which biochar has the most significant improvement effect and is the ideal material for the improvement of coral sand.

Coral sand; Soil amendment; Nitrogen fertilizer leaching; Nitrogen sequestration

10.11926/jtsb.4847

2023-09-13

2023-10-30

國家重點研發計劃項目(2021YFC3100402)；廣東省科技計劃野外科學考察項目(2021B1212110004)資助

This work was supported by the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2021YFC3100402), and the Project for Field Scientific Expedition of Guangdong Science and Technology Plan (Grant No. 2021B1212110004).

陳涵(1999年生)，男，碩士研究生，主要從事土壤改良研究。E-mail: ch870872335@163.com

* 通訊作者 Corresponding author. E-mail: wangfm@scbg.ac.cn；hjchen@soil.gd.cn