改性泥炭对滨海盐渍土的改良作用研究①

刘叶楠，周晓辉，陈 妮，赵耕毛

改性泥炭对滨海盐渍土的改良作用研究①

刘叶楠，周晓辉，陈 妮，赵耕毛*

(南京农业大学资源与环境科学学院/江苏省海洋生物学重点实验室，南京 210095)

采用土培的方法，通过泥炭改性处理，研究不同泥炭对滨海盐渍土物理、化学、生物性质的影响，为滨海盐渍土快速改良提供理论依据。研究结果表明：碱改性泥炭的红外图谱特征与原始泥炭相似，但酸改性泥炭在1 710 cm–1处具有明显的特征峰；扫描电镜下，碱改性泥炭颗粒突起最少，表明碱改性泥炭质地相对均一。碱改性泥炭能够显著降低土壤pH，增加土壤团聚体；而原始泥炭提升土壤有机质和增加碱解氮含量方面效果更加明显。碱改性泥炭和原始泥炭均能够提升土壤酶活性，但酸改性泥炭对土壤酶活性存在抑制作用。相关分析结果表明，土壤pH、有效磷、速效钾与过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶的活性具有显著相关性(<0.05)。综上所述，在本次试验中，碱改性泥炭对滨海盐渍土改良作用最佳，添加改性泥炭能更有效地消减滨海盐渍土盐、碱、瘦、板、活力差等障碍因子。

泥炭；滨海盐土；土壤酶活性；土壤团聚体

江苏沿海地区拥有丰富的滩涂资源，约占我国滩涂总面积的四分之一[1]。随着社会经济的发展，土地资源愈发紧张，江苏滨海盐渍土资源已成为江苏省乃至全国珍贵的后备土地资源。但是该地区由于土壤成因、地形以及自然条件等原因，土壤盐分的空间分布差异较大，农业发展受阻[2]。迄今为止，滨海盐碱地改良主要采用水利工程、物理、化学以及生物改良等方法；其中水利工程、物理改良由于前期投入大、作用周期长等诸多限制条件，大规模实施有困难；而化学、生物改良成为滨海盐渍土改良的主要手段[3]。泥炭等有机质物料能够显著改善土壤结构、增加土壤肥力、修复重金属污染，在盐碱地改良中得到广泛应用[4]。

泥炭是沼泽中死亡植物残体转化积累形成的有机矿产资源[5]，是煤炭的前身，在俄罗斯、芬兰、加拿大、中国等地有着丰富的储量。目前已有泥炭成功改善内陆盐碱地的案例[6]，杨颂东[7]通过大棚试验证实，泥炭能够减缓设施土壤盐渍化，并提升作物产量。胡诚等[8]研究不同土壤改良措施对低产黄泥田土壤性质及水稻产量的影响，发现泥炭处理对土壤水溶性物质、胡敏酸含量、可提取腐殖物质总量提升明显。陈伏生等[9]利用盆栽水稻试验，研究分析泥炭和风化煤改良盐碱土的效应，发现泥炭能够改善土壤理化特性以及相关酶活，并能够提高水稻株高、饱满率及千粒重。泥炭蓬松多孔、腐殖酸含量丰富并具有微弱的酸性，能够解决滨海盐渍土高盐、高碱、养分瘠薄、土壤结构性差、保水保肥能力弱的问题[10-11]。对天然泥炭进行改性处理，能够使泥炭接入新的活性基团，活化原有的活性成分，因此泥炭改性技术已广泛应用于重金属、有机污染物治理[12-13]。截至目前，改性泥炭在滨海盐渍土上的应用鲜有报道。

本研究采用土培的方法，通过泥炭改性处理，研究了不同泥炭对滨海盐渍土物理、化学、生物性质的影响，旨在阐明不同泥炭对滨海盐渍土的改良作用，为滨海盐渍土开发利用及生态保育提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 改性泥炭的制备

供试原料为草本泥炭，产自我国吉林蛟河，其理化性质为：pH 4.5，含水率38.73%，灰分38.97%，阳离子交换量76.55 mmol/L，有机质259.8 g/kg，全钾8.30 g/kg，全磷1.05 g/kg，黄腐酸93.5 g/kg，黑棕腐酸115.4 g/kg，比表面积0.35 m2/g。

酸碱改性泥炭的制备参照前人[14-17]方法，酸改性泥炭制备：将原始泥炭与质量分数为10% ~ 15% 硝酸按1︰3的比例混合后，使用水浴锅在80 ~ 85 ℃ 下水浴40 min，再用KOH调节pH至中性后，使用去离子水洗涤，直至洗涤液pH为6 ~ 7，使用烘箱于105 ℃ 下烘至恒重。碱改性泥炭制备：将原始泥炭与1 mol/L的KOH溶液按1︰10比例混合后，使用水浴锅在80 ℃ 下水浴2 h，用盐酸调节pH至中性后，使用去离子水洗涤至无氯离子残留，并使用烘箱于105 ℃下烘至恒重。

1.2 泥炭的红外光谱测定及扫描电镜

红外光谱测定：将酸改性泥炭、碱改性泥炭和原始泥炭分别进行研磨过100目筛操作后，使用溴化钾压片法测定上述3种泥炭的红外光谱。

扫描电镜分析(scanning electron microscope，SEM)：取少量干燥泥炭粘于导电胶上，再置于标准真空镀膜机中喷镀金膜，并将镀金样品放于样品墩上，使用Hitachi S-3000N观察分析泥炭样品并进行拍摄。

1.3 供试土壤采集

供试土壤于2018年11月中旬采集自江苏省射阳县射阳港(120.4519 °E，33.8908 °N)，选择无植被覆盖地块，随机选取3个采样点，使用铁锹按照“S”布点法，挖取地下0 ~ 45 cm深度的土层。采集过程中，每个采样点分别挖取采集长宽高分别为10 cm、10 cm、20 cm的长方形柱体7个，共计21个，组成混合土样用于后续温室土培试验。

原始土壤样本pH 7.91，电导率8.42 mS/cm(测定温度为23.2 ℃)，有机质3.1 g/kg，有效磷7.81 mg/kg，速效钾410.97 mg/kg，碱解氮24.59 mg/kg，阳离子交换量171.40 mmol/kg，钠吸附比45.11。

1.4 温室土壤培养试验

将供试土壤筛去杂质后，分装至30个统一规格的盆内(外径215 mm，内径150 mm，高130 mm)，每盆1.5 kg，并均匀拌入3种泥炭。培养期间控制室温在20 ~ 30 ℃，并每隔2 ~ 3 d对土壤称重并补水以确保土壤持水率为最大持水率的40% ~ 80%，试验过程共计持续196 d。

试验结束后，在盆中随机选取3个采集点，每点间隔5 cm，在采集点上挖取直径2 cm、高5 cm的土柱，组成混合土样。各盆按上述方式采集土样并用于后续土壤相关指标分析。

试验处理：CK：空白，不作任何处理；A1、A2、A3：分别施入土量1%、2%、3% 的酸改性泥炭；B1、B2、B3：分别施入土量1%、2%、3% 的碱改性泥炭；C1、C2、C3：分别施入土量1%、2%、3% 的原始泥炭；每个处理均设置3个平行。

1.5 土壤理化性质测定

使用pH计测定土壤浸提液pH，土水比1︰2.5；采用低温外热重铬酸钾氧化–比色法测定土壤有机质含量；采用碳酸氢钠–钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；通过碱解扩散法–1/2 H2SO4标准液滴定测定土壤碱解氮含量；采用乙酸铵浸提土壤溶液，并通过火焰光度计测定土壤速效钾含量。

1.6 土壤酶活性测定

供试土壤中的碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶以及纤维素酶活性均使用苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒进行测定。

1.7 土壤团聚体平均重量直径测定

使用湿筛法测定供试土壤>2 mm、0.25 ~ 2 mm、0.053 ~ 0.25 mm、<0.053 mm粒径的质量，并通过以下公式计算土壤平均重量直径 (mean weight diameter，MWD)：

1.8 数据统计与分析

采用Origin 2018绘制傅里叶红外光谱图，并制作图例；使用Microsoft Excel 2013录入原始试验数据，并通过SPSS 24进行单因素方差分析(one-way AVONA)、多重比较及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 改性泥炭的物理结构及光谱学性质

原始泥炭及改性泥炭的傅里叶红外光谱如图1所示。3类泥炭在位于醇酚类O-H伸展的3 650 cm–1(图中a处)、代表饱和C-H伸展的2 920 cm–1和2 850 cm–1处(图中b、c处)、代表多糖类C-O伸展的1 030 cm–1处(图中d处)、代表酰胺C-O伸展的1 690 ~ 1 630 cm–1处(图中g处)以及代表不饱和C-H伸展的900 ~ 750 cm–1处(图中e处)呈现出共有吸收峰；此外酸改性泥炭产生特有波峰，分别为羧基伸展的特征区1 710 cm–1(图中f处)以及代表芳香族碳链伸展的1 540 cm–1(图中h处)。

1 000倍扫描电镜图片表明，原始泥炭尽管在研磨过筛后，其中的植物残体依旧能够被识别；酸改性泥炭能够识别的植物残体较少；碱改性泥炭尚无可辨别的植物残体(图2)；2 500倍扫描电镜图片表明，原始泥炭中的颗粒物较大且植物残体依旧可以辨别；酸改性泥炭颗粒较小颗粒凸起遍布表面；碱改性泥炭颗粒大小与酸改性相当，但较酸改性泥炭颗粒突起较少，显得更加平滑。

2.2 改性泥炭对滨海盐渍土理化性质的影响

泥炭对滨海盐渍土的理化性质产生了一定程度的影响(表1)。A2和A3处理的pH均为7.95，与CK差异显著(<0.05)，较CK提高了2.84%；其他试验组与CK相比无显著差异，其中添加碱改性泥炭和原始泥炭的试验组pH显著低于A2和A3(<0.05)，降幅为2.22% ~ 3.27%。

各处理的有机质含量相较CK均有一定程度的提高，除A1和B1以外的其他处理与CK差异显著(<0.05)，涨幅为39.56% ~ 178.97%。施加原始泥炭后，土壤有机质含量随添加量的增加而显著增加(< 0.05)，含量最高的C3较C1和C2分别提高了31.28% 和23.40%；在酸改性泥炭处理中，A2和A3显著高于A1(<0.05)，相较A1分别提高11.12% 和58.23%；而各碱改性泥炭处理之间无显著性差异。

常量营养元素方面，有效磷是土壤中重要的养分指标之一，能够在一定程度上反映供试土壤的磷供应水平。本次试验中B1、B2、B3、C1、C2处理有效磷含量均显著低于CK(<0.05)，降幅为9.21% ~ 24.88%，且碱改性处理的土壤有效磷含量低于原始泥炭处理；较高浓度酸改性泥炭处理(A2、A3)能够提升土壤有效磷含量，但并不显著。酸改性处理的速效钾含量显著高于CK和其他处理(<0.05)，且随添加量的增加显著升高，含量最高的A3较A1和A2分别提高了93.58% 和81.95%；而碱改性处理和原始泥炭处理与CK无显著差异。从试验结果来看，原始泥炭处理的碱解氮显著高于酸改性处理和碱改性处理(<0.05)，其中C3的碱解氮含量显著高于CK，较CK提高106.22%；而酸改性处理和碱改性处理均与CK无显著性差异。

2.3 改性泥炭对滨海盐渍土生物学性质的影响

施加3类泥炭对滨海盐渍土的酶活产生了一定程度的影响(表2)，酸改性处理的纤维素酶、过氧化氢酶和脲酶酶活显著低于原始泥炭处理和碱改性处理(<0.05)。

表1 改性泥炭对滨海盐渍土理化性质的影响

注：试验数据为平均值±标准误，同列数据小写字母不同表示处理间差异显著(<0.05)，下表同。

表2 改性泥炭对滨海盐渍土生物酶活的影响

各泥炭处理碱性磷酸酶活性均显著高于CK(< 0.05)，较CK涨幅为18.48% ~ 107.49%，其中酸改性泥炭处理对碱性磷酸酶活性提升最小。脲酶可以促进土壤中的尿素水解，故脲酶活性的增强不利于土壤肥力的维持，A1、A2、A3、B1处理的脲酶活性显著低于CK(<0.05)，较CK降幅为10.98% ~ 28.33%，其他处理较CK无显著差异。

过氧化氢酶能够分解土壤中的过氧化氢，使植物免受相应毒害作用，进而有利于植物生长，在盐土农业中也用于反映植物抗逆性。试验中，除B1和B2，其他处理过氧化氢酶活性均显著低于CK(<0.05)，降幅为11.01% ~ 27.50%；此外酸改性处理、碱改性处理的过氧化氢酶活性随泥炭添加量的增加而减小。

蔗糖酶能够将大分子的糖分解成植物易于吸收的葡萄糖和果糖，是反映土壤碳素循环的重要酶活。在土培试验中碱改性泥炭处理的蔗糖酶活性高于酸改性泥炭处理和原始泥炭处理，并显著高于CK(<0.05)，较CK增幅在46.42% ~ 71.28%；A1和A3处理蔗糖酶活性显著低于CK，降幅为37.04% 和24.42% (<0.05)，而其他处理与CK之间差异不显著。土壤纤维素酶能够将纤维素分解成葡萄糖，亦是衡量土壤肥力的重要指标之一。除B3外，其他处理纤维素酶活性显著低于CK(<0.05)，降低幅度为5.65% ~ 34.39%。

2.4 改性泥炭对滨海盐渍土团聚体结构的影响

平均重量直径(MWD)能够反映样品土壤中不同大小粒径的分布占比状况，得到的数值越大代表大粒径团聚体占比越多，土壤的水稳定性越高。从试验结果(图3)可以看出，泥炭处理的MWD均大于CK，其中B1处理MWD值最大，比CK高18.38%，但各泥炭处理间没有显著性差异。

2.5 土壤理化性质与酶活性相关性分析

采用双变量，选择皮尔逊系数进行相关性分析，双尾检验，最终获得各处理土壤理化性质与酶活性的相关性数据(表3)。pH与有效磷呈显著相关(<0.05)，与速效钾呈极显著正相关(<0.01)，与脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶呈极显著负相关(<0.01)。有机质仅与碱解氮有相关性，呈极显著正相关(< 0.01)。有效磷与速效钾呈极显著正相关(<0.01)，与过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶呈极显著负相关(< 0.01)。碱解氮与脲酶活性呈显著正相关(<0.05)。碱性磷酸酶与脲酶、蔗糖酶两者间均呈显著正相关(< 0.05)。脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和纤维素酶，除脲酶与蔗糖酶呈显著正相关外(<0.05)，其他任意两者间均呈极显著正相关(<0.01)。

表3 土壤理化性质与酶活性的相关性

注：表中*、** 分别表示相关性达<0.05 和<0.01显著水平(双尾)。

3 讨论

3.1 原始泥炭与改性泥炭红外光谱和电镜观察差异

原始泥炭与改性泥炭在理化性质上存在一定程度的差异，原始泥炭和碱改性泥炭不能溶解于水，而酸改性后的产物为液体，烘干后为黑色晶体状物质。在红外光谱上，3种泥炭在多个波段产生峰值，结合Hayes等人[18]对腐殖酸类的红外光谱分析可以得知：3种泥炭共有的成分有醇酚类、多糖类以及饱和烃类。酸改性泥炭在1 710 cm–1，1 690 ~ 1 630 cm–1和1 540 cm–1这3波段出现特征峰，根据该现象可以判断泥炭中在酸改性过程中产生了羧基、酰胺和芳香族化合物，这与魏世平等[19]的研究结果一致。汤垣伟[20]在进行改性泥炭试验时，成功将季铵基团接入泥炭，但由于接入量过低导致红外光谱未出现该基团的吸收峰，由此得知尽管碱改性泥炭与原始泥炭在红外光谱上非常接近，但依旧存在接入微量基团的可能性，需要进一步验证。

3.2 不同泥炭对滨海盐渍土物理、化学、生物性质的影响

泥炭在国内外土壤改良试验中被证实具有改良作用[21-25]，其改良作用共同表现为增加土壤中常量营养元素及有机质含量、降低土壤pH及盐分、改善土壤结构以及增加作物产量。尽管在本试验中未涉及作物种植试验，但泥炭对滨海盐土的改良效果与上述各试验结果在很大程度上是一致的，可见泥炭对滨海盐土的理化特性产生了一定的正向影响。

添加酸改性泥炭后供试土壤的pH显著升高，且速效钾含量显著高于其他处理，而速效钾与pH之间呈极显著正相关(<0.01)，可以得知过量的酸改性泥炭中过量的钾同样会加重供试土壤的盐碱化，导致pH上升，这与刘钦普等人[26]的研究结果接近；根据前人研究，酸改性能够增强泥炭的离子代换能力以及吸附性能[27]，因此在后续的中和过程中带入的大量钾离子会由于酸改性泥炭本身过强的离子吸附能力而难以除尽，从而造成上述现象。施加泥炭能够显著提高供试土壤的有机质含量，这与舒灏[28]的试验结果一致；试验中还出现了同浓度下施加原始泥炭的土壤有机质含量要显著高于酸改性泥炭处理这一情况，根据刘方春等人[29]的报道：高浓度、长时间的酸处理会降低褐煤腐殖酸的产出，由此推测是原始泥炭中的腐殖酸在酸改性过程中产生了一定程度上的损耗所致。姜右锦等人[30]在盐碱土盐分与营养元素的相关性研究中发现，盐碱化土壤有效磷含量与盐分含量呈显著正相关；而在本试验中酸改性泥炭会增加土壤盐分，碱改性泥炭与原始泥炭反之，这恰好解释了以下现象：施加酸改性泥炭能够提高土壤有效磷含量，而碱改性泥炭和原始泥炭却起到了相反作用。

赵秀娟等[31]指出：过量的钾会导致酶活显著下降，而本试验证实了这一说法；除去碱性磷酸酶外，施加酸改性泥炭的土壤酶活普遍低下，并且除碱性磷酸酶外的土壤酶活与速效钾呈显著负相关(<0.01)，说明当土壤中钾离子含量过高时，会对脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶及纤维素酶活性产生抑制作用。碱改性泥炭对土壤酶活的影响效果与原始泥炭接近，但对土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶活性的提升要高于原始泥炭，且对蔗糖酶的提升显著高于后者(< 0.05)；尽管造成上述现象的原因尚不明确，不过根据那乌莫娃和成绍鑫[32]的研究结果：改性后的腐殖酸拥有更高的生物活性，可以推测以上现象与碱改性泥炭附带的活性物质有关。与刘清泉等人[33]的研究结果相反，原始泥炭的施入对滨海盐土过氧化氢酶和脲酶活性有一定的抑制作用，并对其他转化酶类产生促进作用，该现象已在岳小红[34]、袁婉潼[35]和贺婧等[36]的研究中有所提及。值得注意的是，酸碱改性泥炭能够对过氧化氢酶和脲酶产生抑制作用，并且高浓度下的碱改性泥炭对转化酶也会产生促进作用，可见酸碱改性泥炭对土壤酶活的影响效果在一定程度上接近，至于本试验研究结果与刘清泉等人[33]研究结果相悖，推测是原始泥炭施加量不同导致，在刘清泉的试验中泥炭施加量在7% 以上，而本试验中原始泥炭的最大施入量仅为3%。

4 结论

1)酸改性泥炭较碱改性泥炭和原始泥炭显现出独特的特征峰，并能够提高滨海盐土有效磷含量，但在改性过程中难以除去过量的钾，致使土壤pH升高，酶活受到抑制。

2)碱改性泥炭较其他两者在扫描电镜下颗粒突起更少，质地更细；且能够显著降低滨海盐土的pH，提高各类土壤酶活性，改善土壤团聚体结构。

3)原始泥炭在红外光谱上与碱改性泥炭相近，但扫描电镜下颗粒较大；相较其他两者能够更好地提升土壤有机质含量及碱解氮，以及降低土壤pH；然而对土壤酶活提升并不明显。

4)pH、有效磷、速效钾与过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶这3类酶活产生显著相关性(<0.05)，在脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶4种酶活中，除脲酶与蔗糖酶表现为相关性显著外(<0.05)，其他任意两种酶活均呈极显著相关(<0.01)。

综上所述，酸改性泥炭、碱改性泥炭以及原始泥炭对滨海盐土的改良效果各有侧重，若综合考虑3种泥炭结构特性及对滨海盐土的改良效果，碱改性泥炭在温室土培试验中对滨海盐土的综合改良效果最佳。

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Remediating Coastal Saline Soil with Modified Peat

LIU Yenan, ZHOU Xiaohui, CHEN Ni, ZHAO Gengmao*

(College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University / Jiangsu Key Laboratory of Marine Biology, Nanjing 210095, China)

In order to clarify the remediation effect of different peats on coastal saline soil, indoor culture experiment was conducted with two kinds of modified peats. The alkali modified peat was close to the original peat in the infrared spectrum, while the acid modified peat produced a unique wave peak at 1 710 cm–1. The alkali modified peat particles had the least protuberance under scanning electron microscope, showing a more uniform texture. The alkali modified peat increased soil aggregates, while the original pea promoted the contents of organic matter and alkali-hydrolyzed nitrogen better than the modified peat. Alkali-modified peat reduced soil pH significantly, but acid-modified peat increased soil pH. Alkali modified peat enhanced the activities of soil catalase, sucrase and cellulase, while acid modified peat reduced soil enzyme activities and original peat had no obvious effect. Soil pH, available phosphorus and available potassium were significantly correlated with soil enzyme activities (<0.05). In conclusion, alkali modified peat has the best remediating effect on costal saline soil in reducing salinity, alkali, soil hardening but promoting nutrition and vitality.

Peat; Coastal saline soil; Soil enzyme activity; Soil aggregates

S156.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.03.027

刘叶楠, 周晓辉, 陈妮, 等. 改性泥炭对滨海盐渍土的改良作用研究. 土壤, 2021, 53(3): 654–660.

江苏省重点研发计划项目(BE2017337)、国家自然科学基金项目(31370422)和江苏省农业科技自主创新资金项目(CX(17)- 1001)资助。

(seawater@njau.edu.cn)

刘叶楠(1994—)，男，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事滨海盐渍土改良方面的研究。E-mail: lyncareer@163.com