中国滨海滩涂土壤现状及基于生物质炭的改良潜力分析

张继宁，周胜*，孙会峰，蒲加军

(1.上海市农业科学院 生态环境保护研究所，上海 201403； 2.上海低碳农业工程技术研究中心，上海 201415；3.时科生物科技(上海)有限公司，上海 200241)

我国现有滨海滩涂面积210万hm2，北起辽宁，南抵广西，且每年以2万～3万hm2的速度在淤长[1]。环渤海、南黄海、东海和南海沿岸的滩涂面积分别占全国滩涂面积的31.3%、26.8%、25.6%和16.3%[2]。滨海滩涂资源是一种重要的动态增长的后备土地资源，对其进行合理开发是缓解沿海地区人口增长和耕地减少双重压力的有效途径，对促进沿海地区经济发展具有十分重要的现实意义。据统计，江苏省滨海滩涂面积约为65.3万hm2，约占全国滩涂面积的30%。而且，江苏省每年净增滩涂面积约1 100 hm2以补充耕地资源[3]。上海市采用围垦—促淤—围垦等有效的拦沙造地方式开发滨海滩涂资源，圈围滩涂土地面积6.0万 hm2，占上海市土地资源的15.4%[4]。

围垦后的滩涂一般用于农业种植，但由于围垦前后水文条件的改变和农业生产过程中人为因素的影响，土壤理化性质常会发生显著变化[5-6]。目前，滩涂土壤多存在含盐量高、养分贫瘠、土壤渗透性差、重金属污染等问题，若要用于农业种植，对其进行改良至关重要。生物质炭是生物质在限氧环境中经热化学转化产生的固体物质，具有稳定、高度芳香化、富含碳素的特性[7-8]。现有的生物质炭研究已经涉及农田固碳减排、土壤肥力调控、土壤重金属钝化等方面[9-10]。随着NY/T 3041—2016《生物炭基肥料》行业标准的实施，相关的应用推广将更加全面。然而，关于生物质炭在滩涂土壤改良方面的应用研究在检索范围内尚鲜见报道[4,11-13]。为此，本研究综述我国滨海滩涂土壤现状，明确滨海滩涂土壤存在的主要问题，并分析生物质炭改良滩涂土壤的效果与潜力，以期为科学治理、利用滩涂土壤提供理论支持。

1 我国滩涂土壤存在的主要问题

1.1 滩涂土壤含盐量较高

1.2 滩涂土壤养分贫瘠

原始滨海滩涂土壤在物理性质方面表现为砂质，基本无结构，孔隙率低，保肥供肥能力较差。长江口滩涂土壤以砂粒和粉粒为主(7.5%～36.6%)，黏粒较少(6.2%～13.3%)[15]。在化学性质方面，表现为养分贫瘠，有机质含量低。研究表明，长江口滩涂土壤中有机碳、总氮、阳离子交换量、速效磷和速效钾含量分别为2.9 g·kg-1、0.3 g·kg-1、11.7 cmol·kg-1、160 mg·kg-1和200 mg·kg-1[11]。人类围垦活动促进了滩涂土壤总有机碳和总氮含量的积累，以苏北的滩涂土壤为例，经过60 a的围垦开发，0～100 cm土层的土壤总有机碳含量由0.76 g·kg-1升至3.66 g·kg-1，总氮含量从0.15 g·kg-1增至0.53 g·kg-1；然而，围垦后的土壤碳、氮含量仍低于全国和全球平均水平，土壤供肥状况较差[16]。围垦后，滩涂土壤的理化性质对微生物的生长发育也会产生积极的影响，经过农业种植后，滩涂土壤中的总氮含量与总磷脂脂肪酸生物量呈极显著正相关关系[17]。

1.3 滩涂土壤固碳能力较弱

滨海滩涂土壤中有机碳的含量在围垦前后会发生显著变化[5]。围垦前，自然滩涂中的有机碳主要受到潮汐、地貌和盐生植被的影响；围垦后，耕地管理与农业实践较大地影响了土壤有机碳库的变化[5]。不同的轮作与施肥方式可以直接改变围垦后土壤的固碳能力。相对于旱旱轮作而言，水旱轮作条件下滩涂土壤0～10 cm土层的有机碳含量增加了75.0%～83.0%。相比化肥而言，有机肥的施用更利于提升土壤中有机碳的含量[18-19]。

滩涂土壤由于水分过饱和而具有厌氧的生态特性，微生物活动相对较弱，植物残体分解释放CO2的过程十分缓慢；因此，滩涂土壤中的无机碳含量(10.0 g·kg-1)占总碳含量(12.5 g·kg-1)的80%[11]。这些无机碳如果得不到合理的应用和改良，滩涂土壤的固碳功能将进一步减弱，滩涂土壤中的碳会氧化分解，土壤将由“碳汇”变成“碳源”，加剧温室气体排放。

1.4 滩涂土壤重金属污染累积

滩涂土壤的污染主要来自近海水域的海水污染和周边化工的开发[20-22]，导致滩涂土壤重金属潜在污染的风险日益加剧。重金属进入滩涂环境后，在水中悬浮颗粒物的吸附作用下，主要表现为从水相向固相的迁移转化，进而在沉积物中不断累积。国内学者围绕滩涂土壤中重金属的污染特征、来源分析和空间分布开展了大量工作。珠江口海域受到重金属污染，围垦农田土壤中重金属Cu、Pb、Cd、Ni、Cr和Zn均存在累积，表现为以Cd为主的多种重金属混合污染[20]。辽东半岛东南沿海的滩涂土壤基本表现为Ni元素中度污染区和Cr、Cu元素轻度污染区[22]。随着江苏省苏北精细化工城的开发，盐城滨海滩涂土壤中Pb含量发生了较为明显的垂直变化，Cd含量也随着土壤深度的增加而增大[23]。黄河三角洲滨海湿地表层沉积物中，Cr为主要污染因子[24]。

2 滩涂土壤治理技术

增施石膏[25-26]、生活污泥[27-28]、有机肥[28]、秸秆[28-29]等调控措施可以改良滩涂土壤。这些治理措施一方面可以改善滩涂土壤的物理性状，促进土壤脱盐，抑制土壤返盐，中和土壤酸碱度，从而减轻盐分对作物的危害；另一方面可以培肥滩涂土壤，为滩涂微生物活动提供丰富的碳源，促进微生物的活动，进而提高滩涂土壤的保蓄性和缓冲性。

向滩涂土壤中添施石膏或烟气脱硫石膏后，由于石膏可提供大量的Ca2+，因此，可以置换土壤胶体上的可交换性Na+，从而抑制Na+的表聚。随着Na+的淋洗和大量Ca2+的滞留，滩涂土壤的通透性得以提高[25-26]。在江苏省北部滩涂土壤上开展的田间试验结果表明，石膏推荐施用量为1 500 kg·hm-2[25]。生活污泥富含有机质，可提高滩涂土壤的有机质含量、氮磷养分含量和阳离子交换量[27-28]。以滩涂土壤种植黑麦草的研究为例，30～300 t·hm-2的生活污泥施用量可使滩涂土壤的有机质含量提高200.0%～402.7%，盐分含量降低11.0%～62.9%，全氮和全磷含量分别提高35.1%～147.0%和49.5%～101.3%，在试验条件下，生活污泥的最优推荐用量为75 t·hm-2。然而，无论施用烟气脱硫石膏还是生活污泥，一旦施用范围不合理，就会对作物造成重金属污染[30]，因此，采取相关措施前必须要进行风险性评价。

秸秆还田和施用有机肥也是改良滨海滩涂土壤的主要技术方式[31-32]。秸秆和有机肥分解后能与土壤颗粒螯合成有机、无机“复合体”，成为土壤“微团聚体”，既可以改善滩涂土壤的粉砂土物理性质，也可以为滩涂土壤提供养分，提高土壤有机碳含量。例如，上海市浦东东滩滩涂地就在水稻收获后实施水稻秸秆的全量粉碎还田(还田量6.8 t·hm-2)。此外，当地增施的外源有机物料还包括有机肥和腐殖酸肥料，有机肥基施13.2 t·hm-2，腐殖酸类肥料用量2.3 t·hm-2[15]。上海市奉贤区的农民，通常在作物种植之前，在滩涂土壤中施用有机肥10～20 t·hm-2[31]。江苏省东台市的滩涂土壤，采用有机肥和秸秆覆盖的调控措施，秸秆覆盖用量为10.0 t·hm-2，有机肥用量为20.0 t·hm-2[28]。

3 生物质炭改良滩涂土壤的效应和潜力分析

向滩涂土壤中加入生物质炭，不仅可以改善土壤中的离子平衡，调节盐基离子浓度和土壤pH值，而且能够改善土壤中的微生物活性和多样性，促进土壤微生物增殖。

3.1 调控养分循环

生物质炭对滩涂土壤具有明显的改良效果。张瑞等[4]将由竹子制成的生物质炭用于滩涂土壤改良，栽种小白菜的盆栽试验结果表明，1.5 t·hm-2的竹炭用量显著增加了小白菜产量，并提高了土壤的阳离子交换量。Zhang等[11]在滩涂土壤中一次性混施秸秆生物质炭，连续3 a的水稻盆栽试验结果表明，土壤电导率，及速效磷、速效钾含量较对照均有所增加，增幅分别为8.8%～44.8%、10.0%～61.1%和65.6%～310.0%。Sigua等[6]在美国卡罗莱纳州的滩涂土壤中栽种小麦，分别添加鸡粪生物质炭20 t·hm-2和木炭20 t·hm-2，相较于对照，生物质炭处理的土壤中磷、钾、钙、镁含量分别提高669%、830%、307%、687%。添加生物质炭提高滩涂土壤中养分的原因主要在于，生物质炭本身富含较多的可溶性矿物养分(如钾、钙、镁、硅等)，可为作物生长提供磷、钾、钙等营养元素[6,31]。以土壤磷素为例，其在土壤中的运移主要受到土壤pH值和有机质等的影响。在滩涂土壤中添施生物质碳后，土壤pH值处于7～8，为磷素的运移提供了最优条件，因此，土壤中的速效磷含量显著增加[10,32]。

生物质炭的孔隙结构可以为微生物提供住所，改善土壤微生物环境，提高微生物的活性和多样性。Song等[33]以莱州湾南岸的滨海滩涂土为供试土壤，添加棉花秸秆生物质炭后，固氮菌Ideonella和Skermanella的相对丰度增加，从而刺激了土壤固氮菌的生长，增加了土壤氮素含量。

生物质炭自身具有较大的比表面积，可以物理吸附土壤中的无机离子。同时，生物质炭表面含有的羧基、羟基等含氧官能团[34]，以及胡敏酸和富里酸组分，可以参与到土壤腐殖质的生成中，最终提高土壤阳离子交换量。

3.2 固定土壤碳素

自然滨海滩涂土壤没有形成有机质发生层。由于滩涂土壤盐分含量、钠吸附比较高，因此，土壤团聚体形成较为困难，团聚体的比例较低。随着围垦时间的延长，土壤中的有机碳不断积累，土壤固碳能力明显增加。伴随着有机肥基施、秸秆还田等农业操作，围垦土壤的固碳速率远大于自然滩涂。以江苏省滩涂土壤为例，自然演替下土壤的固碳速率为93 kg·hm-2·a-1，而农业活动条件下土壤的固碳速率为101～288 kg·hm-2·a-1[36]。

生物质炭由活性有机碳、惰性碳和灰分组成。活性有机碳在土壤中较易矿化和淋洗，而且容易被微生物利用；惰性碳比较稳定。因此，生物质炭可作为惰性碳添加到土壤中，并在土壤中维持数百年甚至上千年。生物质炭在滩涂土壤中的添加，可以减少土壤中CO2和CH4的排放。Zhang等[37]在江苏省滨海滩涂土壤中混施木炭(炭化温度400 ℃，添加量10 t·hm-2)种植洋姜，生物质炭处理的土壤CH4排放减少了72%～80%。Zhang等[11]研究表明，生物质炭处理可提高土壤中的有机碳和水溶性有机碳，增幅分别为60%～250%和9.1%～20.0%，可促进土壤中氮素的固定。生物质炭还能通过促进土壤团聚体的形成从而固定土壤中的碳。孙运朋等[38]以江苏省滩涂土壤为研究对象，发现当小麦秸秆生物质炭添加比例为3 t·hm-2时，土壤中>2 mm的团聚体增加最多，对土壤中大团聚体的形成和稳定性有积极的促进作用。但是，基于生物质炭形成的土壤团聚体是否能够长期保持稳定，仍有待于深入研究。

3.3 钝化重金属

利用生物质炭修复滩涂土壤重金属污染的文献鲜见报道，但大量的室内试验研究表明，生物质炭可降低重金属的迁移性及其毒害作用。向土壤中添加1%～3%(质量分数)的污泥生物质炭、木屑生物质炭、竹炭、粪便生物质炭，经过30 d的培养，土壤中的有效态汞含量显著降低，降幅77.5%～87.1%[39]。向土壤中添加2%的鸡粪生物质炭，可降低土壤中酸溶态与可还原态Cu的比例，增加残渣态Cu的比例[40]。Moore等[41]向Cu污染的土壤中投加鸡粪生物质炭和燕麦壳生物质炭，经过4茬作物栽培后，发现2种生物质炭均能将可交换态的Cu转化为有机结合态和残渣态，而且土壤中的Cu含量大幅下降。Ahmad等[42]采用磷改性的生物质炭钝化土壤中的Cu、Fe、Mn、Pb、Zn，当改性生物质炭的投加量为3%时，既可以增加土壤中可利用的磷含量，也可以钝化重金属。

生物质炭修复土壤重金属的作用机制主要包括以下几个方面:1)生物质炭表面含有的羟基、羧基、氨基等丰富的官能团可以和重金属离子发生离子交换，或与重金属离子形成金属络合物，从而降低重金属的迁移性及其毒害作用[43]。2)生物质炭表面带有的大量负电荷可吸附土壤中的重金属离子[44]。3)生物质炭表面多孔和比表面积较大的特性，可使重金属离子吸附于其表面，重金属离子也可通过扩散进入生物质炭的微孔内部[45]。4)生物质炭基团的芳香化程度越高，π共轭芳香结构越多，π轨道负电荷变化程度越大，基团失电子能力越强，则吸附越明显[46]。5)生物质炭表面的碳酸盐、磷酸盐或矿物相等无机物质可与重金属发生沉淀作用，从而固定土壤中的重金属[47-48]。生物质炭对土壤重金属污染的修复作用并不是单一的络合、沉淀或吸附过程，而是以上各种机制的共同作用。生物质炭不仅对重金属具有直接作用，而且可以通过增加土壤阳离子交换量、提高土壤pH值、改善土壤氧化还原条件等，间接增强对重金属的钝化作用。

4 生物质炭改良滩涂土壤的研究展望

近年来，国内外开展了一些生物质炭修复滨海滩涂土壤的研究。总体上来看，生物质炭具有修复滨海滩涂土壤的潜力。目前，我国应用生物质炭进行滩涂土壤改良的工作还处于初级阶段，需要在以下几个方面深入研究。

4.1 优选生物质炭原料

在着力开展生物质炭修复改良研究和推广示范之前，有必要选择特定地区常见的制备生物质炭的生物质原料。依据生物质炭的性质、施用量、当地滩涂土壤类型和肥力状况确定合理的添施方法。建立生物质炭改良滩涂土壤的技术和生态修复效果标准，以满足社会、企业和政府对滩涂土壤改良和修复的要求。

4.2 优化滩涂土壤改良技术

国内部分研究机构已经开展了一些滩涂生态修复研究，但修复方法尚不成熟。生物质炭可以作为良好的缓释肥材料和改良剂的载体，将生物质炭、生物炭基肥、传统的秸秆还田和施用有机肥等改良技术合理搭配，以实现更好的滩涂土壤改良效果。

4.3 联合修复滩涂土壤中的多种重金属

现有的文献报道主要集中在生物质炭对单一或者2种重金属的吸附效果上，鲜有涉及多种重金属污染土壤联合修复的研究。但现实中，重金属污染土壤往往同时存在多种重金属。生物质炭吸附不同的重金属时，可能会产生协同、拮抗、屏蔽等作用，导致吸附效果异于对单一重金属的吸附效果。因此，有必要深入开展生物质炭对多种重金属的联合修复研究。