生物炭添加对降低盐滩地有害离子及促进玉米生长效果研究

郭世龙，韩艳，王傲洁，常学礼，王铁军

（1.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000；2.鲁东大学资源与环境工程学院，山东 烟台 264025；3.潍坊中学，山东 潍坊 261031；4.内蒙古自治区水利科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

生物炭添加是改良盐碱土理化性质的有效方法，其效果从土壤理化性质改变与肥力提升以及农艺性状表现改善等诸方面都有显著作用，相关机制研究成为近些年来盐碱地改良研究的机遇与挑战［1-5］。其中生物炭（固态炭质残留物，在无氧或有限氧条件下于300至1000℃的温度下产生）添加导致的细菌内生菌对作物生长的促进、小麦和玉米产量增加等已经成为人们的共识［4-5］。已有研究明确指出，添加生物炭可有效改善受盐影响的土壤总孔隙率和持水量，改善盐分土壤的结构［3-6］，同时也能改善盐渍土的电导率、钠吸附比（SAR），提升土壤肥力［7-8］。这得益于生物炭具有结构疏松多孔且比表面积大、含氧活性基团多和营养元素丰富等特点。从添加生物炭种类选择来看，包括了低热解造纸厂废料、稻秸、向日葵杆和麦秸等材料［3，9］。

黄河三角洲地下水浅（平均为1.14 m）且矿化度高（含盐量平均值为14.3 g·L-1），盐渍土分布范围广。由于地形地貌属于闭合洼地和地下径流汇集区，土壤盐渍化越来越严重［10］。如何经济且高效解决土壤盐渍化问题已成为当地生态系统和农业可持续发展的关注焦点。考虑到生物炭制取的经济性和可行性［11］，本文以黄河三角洲滨海盐渍土玉米种植地为研究对象，通过秸秆还田、化肥施用、低剂量棉秆生物炭、玉米芯生物炭、芦苇生物炭添加进行比较分析。拟解决的科学问题是：通过与非生物炭施用比较，探讨生物炭施用对改善土壤理化性质的作用和促进玉米生长的机理。

1 研究区与方法

1.1 研究区

研究区位于东营市河口区仙河镇神仙沟流域，地理坐标118°41′03′～118°41′41′′E，37°56′42′′～37°56′59′′N。属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温12.3℃，年平均降水量692 mm，无霜期200天以上。该地区土壤剖面水盐垂直运动强烈有季节性的返盐和脱盐，由于长期间歇性海水浸泡，土壤主要为盐渍潮土和滨海盐渍土。土壤含盐量深层高于浅层，碱性盐成分为NaCl。地下水矿化度10～40 g·L-1，最高达200 g·L-1［12］。

1.2 试验材料

试验地位于黄河三角洲综合训练基地神仙沟流域，开荒、平整土地后布设实验小区，小区规格为1 m×1 m。2017年8月按S形线路采集耕层（0～20 cm）土壤，带回实验室经处理后测定土壤全盐量为10.791‰。试验所需的生物炭为校亮等［11］在田间曝氧环境下采用水-火联动技术田制备的棉秆生物炭、玉米芯生物炭、芦苇生物炭；亿邦生物发酵肥（氮磷钾≥15%、有机质≥15%、氨基酸≥8%、菌蛋白≥8%、有益菌2亿个·kg-1、有机物质≥50%）。

田间试验设置5个处理，分别为秸秆还田（T1）、秸秆还田+化肥施用（T2）、秸秆还田+减肥25%+限氧棉秆生物炭施加（T3）、秸秆还田+减肥25%+限氧玉米芯生物炭施加（T4）、秸秆还田+减肥25%+限氧芦苇生物炭施加（T5），每个处理3个重复，并设置无添加对照（CK）；生物炭与土壤添加比例为3 g·kg-1；试验小区每平方米常规化肥添加量为100 g。

1.3 试验方法

试验小区玉米播种时间为2017年8月13日，试验玉米品种为西途52，种子百粒重42.49 g，每个试验小区种植3行，每行7株；播种采用旋耕松土（2次，20 cm·次-1，旋耕过程中可将土壤与生物炭充分混匀）、犁沟下播的方式进行。玉米采样于2017年10月13日。玉米生物量采用刈割-质量法获取，具体操作为：采用1 m×1 m样方结合五点采样法在试验小区分别采集地上和地下的玉米生物样品，每个小区共计5个样点，样品采集完成后，置于纸质信封袋保存。105℃烘干15 min后85℃烘干4 h，称重。采集结束后，同时在各样方采集0～20 cm土层的土壤，取5个样方混合土样，作为各处理土壤样品。

电导率用电导率仪（雷磁DDSJ-308T电导率仪，上海雷磁有限公司）测定；土壤可溶性全盐测定采用残渣烘干法；浸提液中阳离子（Na+、Ca2+、Mg2+、K+）和阴离子（Cl-、SO42-）使用离子色谱法进行测定（ICS3000，Dionex）；钠吸附比（Sodium adsorption ratio，SAR）计算公式为：

式中C表示溶液中相应离子浓度，单位mmol·L-1。

数据分析采用Excel 2013和Origin 2018软件。

2 结果与分析

2.1 生物炭添加对土壤主要盐离子的影响

土壤的全盐含量是表征土壤含盐量大小及盐渍化程度高低的重要指标。土壤溶液中离子量的降低有助于缓解溶液渗透压，促进作物吸收水分和汲取养分。不同处理对土壤主要盐离子的影响不同（表1），从Na+来 看，T5处 理 减 少 最 多，由5.50 mmol·L-1减 少 到1.29 mmol·L-1，减 少 了76%；T2处 理 次 之，由5.50 mmol·L-1减少到2.09 mmol·L-1，减少了62%；其后依次为T4、T1和T3处理分别减少了47%、36%、27%。

表1 添加生物炭对离子浓度的影响Tab.1 Effect of biochar addition on ion concentration mmol·L-1

从K+来看，T4处理增加最多，由3.14 mmol·L-1增加到6.15 mmol·L-1，增加了95%；T3处理次之，由3.14 mmol·L-1增加到4.89 mmol·L-1，增加了55%；其后依次为T1和T5；但T2处理K+浓度由3.14 mmol·L-1减少到1.77 mmol·L-1，减少了42%。

从Mg2+来看，T1处理减少最多，由0.59 mmol·L-1减少到0.13 mmol·L-1，减少了77%；T5处理次之，由0.59 mmol·L-1减少到0.17 mmol·L-1，减少了71%；其后依次为T2、T3处理分别减少了43%和37%；而T4处理Mg2+浓度由0.59 mmol·L-1增加到1.56 mmol·L-1，增加了161%。

从Ca2+来看，T1处理减少最多，由1.02 mmol·L-1减少到0.13 mmol·L-1，减少了87%；T2处理次之，由1.02 mmol·L-1减少到0.16 mmol·L-1，减少了84%；其后依次为T3、T5和T4处理分别减少了81%、18%、2%。

从Cl-来看，T5处理减少最多，由4.81 mmol·L-1减少到1.07 mmol·L-1，减少了78%；T4处理次之，由4.81 mmol·L-1减少到2.21 mmol·L-1，减少了54%；其后依次为T2、T1和T3处理分别减少了48%、31%、25%。

从SO42-来看，T4处理减少最多，由2.02 mmol·L-1减少到0.53 mmol·L-1，减少了74%；T2处理次之，由2.02 mmol·L-1减少到0.57 mmol·L-1，减少了72%；其后依次为T5、T3和T1处理分别减少了71%、67%、42%。

以上结果表明生物炭添加有降低土壤中阳离子和阴离子量的作用。不同材质的生物炭的添加对土壤中阳离子和阴离子量的降低效果不同，且各处理间差异显著。尤其在限氧芦苇生物炭施加下，对盐碱地中Na+和Cl-浓度的降低作用最为显著。但K+含量随着不同生物炭的添加而增加。

2.2 生物炭添加改善土壤化学性质影响

2.2.1 生物炭添加对土壤电导率的影响土壤化学性质中，含盐量是一个重要的综合指标，土壤电导率可以直接反映出土壤盐分含量。生物添加对土壤电导率的影响如图1A所示，秸秆还田和化肥施用未对土壤电导率产生显著影响，但随着炭添加后土壤电导率降低较为明显，在T3和T4添加下土壤电导率降低效果最明显，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%；其后依次为T2、T1，分别降低了10%、3%。

2.2.2 生物炭添加对SAR的影响钠吸附比（SAR）是指钠与钙镁离子的相对数量，可以反映土壤交换性离子组成，也可以反映土壤交换性钠百分（exchangeable sodium percentage，ESP）［11］。SAR越大，钠离子相对于钙镁离子的量越大，而钙镁离子的量越小，对土壤及农作物的危害越大。黄河三角洲盐渍土中主要的危害为Na+和Cl-含量偏高，农作物生长发育受其影响最大。秸秆还田化肥施用和不同材质生物炭的添加改变了土壤溶液离子组成，危害最大的Na+含量相对下降而危害较小的Ca2+和Mg2+含量相对增加（图1）。由图1B可知，T1和T3处理下，Ca2+和Mg2+的含量下降较为显著而Na+含量下降较为一般，导致SAR相对于CK有较为明显的增加。T2、T4、T5处理的SAR分别较CK下降了31%、58%、52%。

图1 添加生物炭对土壤电导率（A）和SAR（B）的影响Fig.1 Effects of biochar addition on soil conductivity（A）and SAR（B）

2.3 生物炭添加对玉米生长影响

随着秸秆还田化肥施用和不同材质生物炭添加盐滩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处理下186 g·m-2增加到2454 g·m-2，增加了12.19倍，其次为T5处理下，由186 g·m-2增加到1710 g·m-2，增加了8.19倍。表明玉米芯和芦苇生物炭添加下对玉米生物量提升作用效果尤为明显。苗壮则高产，幼苗生物量的提升对后期玉米生物量的提升具有促进作用。

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

3 讨论与结论

在盐碱或钠盐土壤中使用有机改良剂，可以通过改善土壤理化性质对植物生长产生影响，提高作物产量［16］。本文采用的生物炭由黄河三角洲生物质制成，其富含各种营养元素、炭素和K+，并且生物炭可以增加土壤炭库、提升土壤肥力、调节土壤溶液中的盐分，故生物炭为黄河三角洲盐渍土改良提供了新的思路和技术选择。生物炭可作为许多土壤微生物的栖息地，有助于改善受盐影响的土壤。生物炭还可以加速盐分浸出，从而减少将盐浓度降低到适合植物生长所需的时间。此外，与其他有机修饰剂易于降解的分子相比，添加生物炭的土壤可提高有机分子的稳定性，从而有助于长时间地结合土壤团聚体，故施用生物炭可以加速盐分浸出、增加土壤孔隙度和阳离子性养分（例如，K，Ca，Mg，Zn，Mn），进而提高作物产量［17-18］。生物炭可能是多种养分的直接来源。研究表明，经过盐处理的生物炭改良过的土壤中，养分含量（尤其是Ca、Mg、K、N和P）显著增加［19］。

本研究表明，生物炭添加可以提高土壤溶液中钾的含量，有助于促进作物的生长。在T1到T5下处理Na+的浓度整体呈下降趋势，生物炭添加对降低盐滩地中有害离子的效果要优于秸秆还田和化肥施用。生物炭添加后土壤溶液中阳离子量的降低尤其是在芦苇炭处理下，Na+浓度的显著降低可能是得益于生物炭具有较大的比表面积（30 g·m-2）和较多羧基（1009 mmol·kg-1）、酚羟基（450 mmol·kg-1）含氧官能团，使其具备吸附剂的基本属性和较大的阳离子交换能力，能够有效吸附Na+并释放H+［9］。

生物炭的施用可使土壤孔隙度改善，促进土壤剖面中的Na+浸出从而降低SAR［12］。生物炭作为有机改良剂可能会增加根际CO2的分压，从而土壤中运出Ca2+来替代土壤胶体中的Na+降低SAR［13］。从SAR的变化结果可以得知，生物炭降低盐碱危害的效果与生物炭的类型有关，本研究结果表明玉米芯生物炭添加（T4）对减低盐渍危害作用效果最为显著。

土壤电导率的降低是由于生物炭添加后引起土壤孔隙度和水利传导的改善，加速了盐分的浸出。孙军娜等［8］发现生物炭的加入增加了盐渍土的孔隙度，使土壤容重降低。生物炭添加增加了土壤总有机炭和有效磷含量，且随着生物炭加入量增多而增大，与本研究的结果相一致。生物炭在土壤保水保肥、增加土壤孔隙度、改善土壤结构、增加营养元素方面具有优势，可为作物提高产量创造优势。

玉米生物量的增加与土壤中有害盐分离子的降低、土壤理化性质的改善密切相关。在芦苇生物炭施加下，玉米地上生物量较CK显著增加了8.19倍。土壤盐分离子、SAR的降低和土壤理化性质（pH和电导率）的改善是基础，生物炭提供的K+是关键，K+浓度的提升可以抵消Na+的不利影响，并在很大程度上缓解了盐胁迫，提高了玉米的耐盐性，促进玉米生物量的增加［13-15］。孔祥清等［7］通过在草甸盐渍土中添加玉米秸秆制成的生物炭，使大豆产量单株为CK（1.43 g·株-1）的2.22倍，是由于生物炭处理后增加了盐碱土的孔隙度，加速水分的渗透，改善盐碱土的物理化学性质，这与本研究的结果相一致。

本研究以富含羧基、羟基和C、N养分的棉秆生物炭、玉米芯生物炭和芦苇生物炭为原料，探讨低剂量添加不同类型生物炭对调节土壤溶液离子浓度和降低其含量的影响。在此基础上，引入钠吸附比（SAR）和电导率，从降低植株盐分危害和土壤质量的改善探讨了富含含氧官能团和营养元素的生物炭在减害和养分增效方面的作用，并以玉米生物量为指标验证其效果。生物炭添加下土壤溶液中有害盐离子浓度降低，钠吸附比（SAR）和电导率降低，有利于玉米生物量的增加。以3 g·kg-1玉米芯生物炭施用对玉米生物量增加作用效果最为显著，玉米地上生物量较T1提升了12.19倍，这可能与不同生物质生物炭施用有关。盐渍土中含盐量高，导致土壤质量恶化是影响作物产量的主要因素，可通过合理的施用不同生物质的生物炭来提升作物的产量。

综上所述，添加生物炭具有降低Na+浓度的作用，有助于降低土壤溶液中钠吸附比（SAR）和电导率，并明显提升K+浓度，缓解盐胁迫，提高了玉米的耐盐性，有助于玉米地上和地下生物量的增加。