生物炭对滨海滩涂区土壤理化特性的影响

王娟，黄成真，冯绍元，刘春成，李浩，韩启彪*

生物炭对滨海滩涂区土壤理化特性的影响

王娟1, 2，黄成真2，冯绍元2，刘春成1，李浩1，韩启彪1*

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业农村部节水灌溉工程重点实验室，河南 新乡 453002；2.扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

【目的】改善滩涂区土壤理化性质，降低耕层盐分，提高土壤肥力，提高滨海滩涂区盐渍土生产力，实现该区农业可持续发展。【方法】通过盆栽试验，设置普通生物炭（A）和酸改性生物炭（B）及其不同施量（2%、4%、8%）共6个处理，不添加生物炭作为对照（CK），研究了生物炭及其施量对土壤理化特性的影响。【结果】不同施量的生物炭均显著降低了土壤体积质量，增大了土壤孔隙度，有效提高了土壤的持水性能，且施量越高正效应越强，普通生物炭改善效果略优于酸改性生物炭。适量添加生物炭可增强土壤盐分淋洗，提高脱盐率，调节土壤pH值，添加2%酸改性生物炭处理（B2）土壤脱盐率最高，为72.05%，但高施量普通生物炭（A8）不利于土壤脱盐。添加生物炭显著提高了土壤有机质（SOM）和硝态氮量，试验组内以A8、B4处理有机质和硝态氮量较高。【结论】普通生物炭及酸改性生物炭均能有效降低滩涂区土壤含盐量并提高土壤肥力，综合考虑土壤水、盐、肥状况，适量的酸改性生物炭（4%）方案比较适宜研究区盐渍土改良利用。

酸改性生物炭；土壤体积质量；持水特性；脱盐率；土壤养分

0 引言

【研究意义】苏北平原地处我国东部沿海，拥有丰富的滩涂土地资源，其面积约占我国滩涂总面积的25%[1]。随着社会经济的不断发展，我国的耕地资源日益紧张，不断淤积的滩涂区土壤将成为重要的后备土地资源，因此，提高滩涂区土地资源利用率，对于缓解我国土地资源压力具有重要意义。滩涂区土壤肥力低、含盐量高，不利于作物吸收水分和养分[2]。因此，如何提升土壤肥力、降低耕层土壤含盐量，改善滩涂区土壤环境是发展该地区农业生产的关键问题。

【研究进展】目前，改善滩涂区土壤结构、促进土壤脱盐并提高肥力主要是通过完善灌排系统等工程措施和添加石膏、外源有机物（如生活污泥、蚯蚓粪）等农艺措施来实现[3-5]。其中，生物炭是生物质在高温缺氧条件下裂解碳化得到的产物，目前已被广泛应用于中低产农田的改良中[6]。生物炭能增强土壤透水性能、降低土壤体积质量[7]、有效改善土壤结构、提高土壤持水能力[8]。此外，生物炭可有效减少农田氮、磷等养分流失，延长供肥期，促进作物生长，提高化肥利用率[9-10]。总体来讲，生物炭在农田土壤改良以及土壤肥力提升方面已有不少研究成果，但生物炭对滨海滩涂区土壤的改良效应的研究不多。其中，张瑞等[11]通过盆栽试验发现生物炭能够降低滩涂区土壤电导率，提升土壤总碳、有机质量和土壤肥力。张继宁等[12]通过大田试验发现生物炭能有效提高滩涂区土壤碳、氮含量。酸改性生物炭是用酸溶液对普通生物炭进行处理后的产物，一般情况下适当的酸性能够增大生物炭的比表面积与孔隙度，增强其吸附能力，从而优化生物炭性质，拓宽其应用面[13-14]。【切入点】但普通生物炭和酸改性生物炭对滩涂区土壤结构、盐分淋洗及养分提升的影响效应及其机制目前尚不清楚。【拟解决的关键问题】基于此，设置盆栽试验，探究在滩涂区土壤中施加不同量生物炭及酸改性生物炭对土壤理化特性、盐分淋失及肥力提升的影响，以期为滩涂区土壤环境改良及其农业生产稳定发展提供理论依据和技术指导。

1 试验方案与研究方法

1.1 试验设计

试验用土取自江苏省东台市弶港镇条子泥垦区，土壤初始体积质量1.4 g/cm3，土壤饱和含水率38.7%，田间持水率24.6%，土壤溶液电导率为（2.020±0.016）mS/cm，初始含盐量（4.72±0.2）g/kg，pH值（8.51±0.05）。有机质（8.136±0.082）g/kg，碱解氮（13.06±1.29）mg/kg，水溶性有机碳小于0.5 mg/kg。使用马尔文激光粒度分析仪（MS-2000）检测土壤机械组成，其中黏粒（0～0.002 mm）占比7.44%，粉粒（0.002～0.02 mm）占比49.10%，砂粒（0.02～2 mm）占比43.46%，根据国际制土壤质地标准分类，土壤质地为粉砂质壤土。

试验使用的生物炭购自河南誉中奥农业科技有限公司，以小麦秸秆为源材料，制备条件为：温度550～600 ℃，时间4～6 h。生物炭初始体积质量0.19 g/cm3，比表面积9 m2/g，总孔隙度67.03%，通气孔隙度12.87%，持水孔隙度61.10%，pH值10.24，阳离子交换量60.8 cmol/kg。将购买的初始粒径2～4 mm的颗粒状生物炭研磨后过2 mm筛备用。酸改性生物炭制备参照李蕊宁等[15]，使用质量分数25%的磷酸溶液作为酸洗试剂，改性过程以生物炭与磷酸溶液1∶2为混合比例，溶液酸化时间0.5 h，酸化改性后使用纱布进行固液分离，并使用清水进行清洗，直至冲洗淋出液呈中性为止，将酸洗后的生物炭自然风干并研磨过2 mm筛备用。

试验用盆栽为口径21 cm，高25 cm的塑料小桶，底部钻有小孔排水，填土前铺设1层纱布防止排水孔堵塞。试验设计见表1，共设置7个处理，每个处理设3个重复。按照田间实测土壤体积质量1.40 g/cm3填土，填土前计算生物炭以及土壤用量，以3 cm为1层进行填土，填土高度20 cm。

表1 试验设计

供试作物为菠菜（L），选择耐热型的菠斯特TY7000F1品种，于2020年5月10日播种，每盆按“田”字状分布9个播种点，点距5 cm，每个点播种3粒菠菜种子，出苗后每点保留1株菠菜。试验开始前，根据土壤饱和含水率换算，按3 L/盆的定额对土壤进行灌溉洗盐。种植期间避雨，控制灌水量和灌水间隔，保证盆栽土壤含水率基本保持在60%田间持水率。播前每盆施底肥按657 kg/hm2施复合肥（(N)∶(P2O5)∶(K2O)=15%∶15%∶15%，总养分≥45%），生育期内保持菠菜其他栽培管理措施一致。

1.2 观测指标及计算

土壤体积质量利用环刀法测定，试验期末每盆取样3个，每个处理3次重复。土壤孔隙度由土壤体积质量计算，计算式为：

式中：为土壤孔隙度（%）；为实测土壤体积质量（g/cm3）；为土壤体积质量（g/cm3），取2.65 g/cm3。

土壤水分特征曲线采用压力膜仪进行测定，根据土壤体积质量实测值进行填土，利用特制的1 cm环刀进行试验，设定1、3、5、7、10（bar）5个吸力段，并结合Gardner经验公式[16]以及RETC软件（U.S. Salinity Laboratory, USDA, ARS, Riverside, California）对土壤水分特征曲线进行拟合，通过拟合方程计算土壤不同吸力下的含水率。Gardner计算式为：

式中：为土壤的含水率；为对应土壤吸力（kPa）；为参数。

土壤含水率通过烘干法测定。土壤电导率和pH值的测定方法为：将土样自然风干后磨碎过2 mm筛，以土水比1∶5提取土壤浸提液，采用沪制DDSJ-308A电导率仪测定电导率，采用沪制pHS-3C型pH计测定pH值。

土壤含盐量可根据下式通过电导率进行计算[17]：

=0.045+2.935，（3）

式中：为土壤含盐量（g/kg）；为土壤电导率（mS/cm）。

土壤脱盐率（%）通过播前及收获时土壤含盐量差值与播前土壤含盐量的比值计算得出。根据土壤农业化学分析方法[18]，分别采用紫外分光光度法检测土壤硝态氮量，重铬酸钾容量法-外加热法测定有机质量。

1.3 数据统计分析方法

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理，SPSS 17.0进行数理统计分析，Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤体积质量和孔隙度的影响

图1为各处理试验期末土壤体积质量和土壤孔隙度结果。由图1（a）可知，添加生物炭处理降低了土壤体积质量，其中A2、A8、B8处理土壤体积质量显著低于CK（<0.05），除CK外其他处理间差异不显著。整体来看，随生物炭施量的增加，土壤体积质量均略微增大后减小，普通生物炭处理的体积质量略小于同等施量的酸改性生物炭处理，其中以A8处理土壤体积质量最小。由图1（b）可知，土壤孔隙度结果与土壤体积质量正好相反，添加生物炭后土壤孔隙度均有所提高，低施量和高施量普通生物炭以及高施量酸改性生物炭处理土壤孔隙度显著高于CK（<0.05）。

图1 试验期末各处理土壤体积质量和土壤孔隙度

2.2 生物炭对土壤机械组成的影响

图2为试验期末不同生物炭施加量条件下的土壤机械组成。由图2可知，在土壤中添加生物炭与酸改性生物炭后，各处理土壤砂粒占比较CK均有所增加，粉粒和黏粒占比则有所下降。除添加高质量分数（8%）普通生物炭处理（A8）外，施加酸改性生物炭的处理土壤砂粒占比均高于添加普通生物炭的处理，而土壤粉粒占比则均低于添加酸改性生物炭处理。添加外源性生物炭对土壤黏粒占比的影响未表现出明显规律。普通生物炭试验处理，粉粒占比随生物炭施量的增加先增大后减小，砂粒占比则先减小后增大。相反的，酸改性生物炭试验处理，随酸改性生物炭施量的增加，粉粒占比先减小后增大，而砂粒占比趋势则正好相反。

图2 不同处理土壤机械组成

2.3 土壤水分特征曲线拟合及其水分特征值

为了进一步比较不同处理对土壤持水性能的影响，采取Gradner经验公式模型对土壤水分特征曲线进行拟合，拟合参数见表2。表2中参数反映了土壤持水能力的大小，各处理条件下拟合结果2均高于0.97，说明拟合效果很好。添加生物炭的各处理参数均高于CK，表明盐渍土中添加生物炭能不同程度的提高其持水能力。此外，随生物炭施量的提高，入渗参数逐渐增大，表明生物炭添加越多，土壤持水性能越好，其中A8处理下土壤持水能力最强。需要指出的是，随普通生物炭施量的增加，土壤持水能力增加幅度越来越大，而在相同施量增加情况下，酸改性生物炭处理的土壤持水能力略有升高后保持稳定，说明对于土壤持水能力的提高，普通生物炭的施量阈值可能高于酸改性生物炭。

表2 Gradner经验公式模型拟合参数结果

表3 不同处理条件下土壤水分特征值

Table 3 Soil moisture properties value under different treatments %

基于RETC软件拟合获得的参数，通过土壤水分特征曲线以及对其拟合的结果计算各处理下土壤不同的含水率，其中土壤吸力10、30、100、1 500 kPa分别对应毛管含水率、田间持水率、毛管断裂含水率和凋萎系数[19-20]，土壤最大有效含水率则为田间持水率与凋萎系数的差值。由表3可知，在滩涂区土壤中添加不同施量的普通生物炭和酸改性生物炭均不同程度地提高了土壤田间持水率等指标，土壤最大有效含水率也明显提高。整体来看，8%施量的普通生物炭对土壤水分各特征值的改善结果更好。酸改性生物炭试验组，除毛管断裂含水率随施量的增加表现为逐渐增大外，其他特征值随施量的变化趋势跟普通生物炭正好相反，且在2%施量下土壤最大有效含水率最高。此外，添加普通生物炭对土壤水分特征值的影响更大一些。

2.4 添加生物炭对盐渍土pH值及土壤脱盐的影响

表4为菠菜收获后土壤含盐量和pH值状况。由于在播种前进行了灌溉洗盐，与土壤初始含盐量（4.72 g/kg）相比，各处理土壤含盐量均大幅降低，除A8处理外，添加了生物炭处理的土壤含盐量均低于CK。酸改性生物炭不同施量条件下的土壤含盐量均低于普通生物炭不同施量处理，普通生物炭和酸改性生物炭组内土壤含盐量随生物炭施量的增加均呈现逐渐增加的趋势，以添加2%酸改性生物炭处理（B2）土壤脱盐率最高（72.05%）。

添加生物炭后土壤pH值均低于CK，但除B8处理外，各处理间差异未达到显著水平。总体来看，酸改性生物炭对pH值的影响大于普通生物炭。随着酸改性生物炭施量的增加，土壤pH值逐渐减小，B8处理土壤的pH值显著低于其他处理（<0.05），说明高施量的酸改性生物炭对土壤pH值的影响更大。与土壤初始pH值（8.51）相比，各处理土壤pH值均有所下降，这可能是由于在土壤中添加生物炭后提高了土壤的入渗能力，在灌水过程中，增强了盐分的淋出。A4、A8处理土壤pH值略高于A2处理，说明普通生物炭施量越高，对碱化土壤pH值的调节效果越弱。

表4 不同处理土壤含盐量和pH值

2.5 生物炭对土壤有机质和硝态氮的影响

图3为各处理土壤有机质和硝态氮。由图3（a）可知，添加生物炭后土壤有机质量均显著高于CK（＜0.05），添加普通生物炭处理的土壤有机质量均高于添加酸改性生物炭的处理，其中以A8处理土壤有机质量最高（8.55 g/kg），显著高于除A4处理外的其他处理（＜0.05）。各处理土壤硝态氮量如图3（b）所示，A8处理土壤硝态氮量显著高于A4处理外的其他处理（＜0.05），其余处理间差异不显著，随普通生物炭施量的增加，土壤硝态氮逐渐提高；与CK相比，A2、A3处理下土壤硝态氮量分别提高了5.74%、31.26%。添加酸改性生物炭对土壤硝态氮的影响不大，且在高施量条件下（B8）土壤硝态氮量反而低于CK。

图3 各处理土壤养分

3 讨论

由于生物炭的多孔结构及其较大的比表面积，在土壤中添加生物炭可以显著降低土壤体积质量，增大孔隙度并有效改善土壤结构，提高土壤的持水能力[8, 21]。本研究中，添加生物炭的处理土壤体积质量显著降低，土壤孔隙度增大，但变化趋势与生物炭添加量并非线性关系。本研究表明，添加外源性生物炭后土壤砂粒量增加，施加酸改性生物炭土壤砂粒占比均高于普通生物炭处理，这可能是由于生物炭进行酸改性后，中灰分量减少，大粒径生物炭量更高所导致的。添加生物炭后各处理持水能力均有所提高，且高施量生物炭对土壤水分特征值的影响更大，这一方面是由于生物炭改善了土壤孔隙结构，增加了土壤的持水能力，也可能是因为生物炭较强的吸附能力对水分子的吸附直接增加了土壤的持水量[22-23]。

生物炭能促进土壤盐分淋洗，显著提高土壤脱盐率，有效抑制盐分在土壤表层的积累，这与贾咏霖等[24]和孙运朋等[25]的研究结果是一致。本研究发现，较高施量的生物炭反而会增加土壤含盐量，这可能是因为生物炭有利于改善土壤结构，从而促进了盐分的淋洗，但生物炭本身也有一定的含盐量，较高的施量会导致大量盐分输入。此外，也有部分研究[26]指出，高施量的生物炭对土壤水分入渗具有阻滞现象，从而影响盐分的淋洗。

酸改性生物炭对土壤pH值的调节效果优于普通生物炭，这可能是因为酸改的过程增加了生物炭的含氧酸性官能团。普通生物炭施量越高，对碱化土壤pH值的调节效果越弱，因为普通生物炭本身的pH值（10.24）较高，添加量越高，对土壤pH值的贡献也会越大。在相关的入渗试验中发现，土壤pH值较本底值略有升高[27]，这与本文菠菜生长过程中pH值的变化结果不一致，这可能是因为入渗过程中，盐分淋洗比较充分，土壤中Ca2+大量流失，因受溶度积的支配作用，土壤中的CaCO3产生部分溶解，导致HCO3-升高，造成了土壤pH值升高[28-29]，而菠菜生长过程中的灌水量与入渗水量相比是比较小的，因此在菠菜生长过程中可能只发生了初始的盐分淋洗，并未发生CaCO3的溶解。

生物炭作为一种富碳有机质，其自身分解可形成腐殖质，有利于土壤肥力的提高，且生物炭吸附土壤中有机分子后通过表面催化活性促进小的有机分子聚合形成有机质[30]。另外，生物炭可提升土壤有机碳的稳定性，降低土壤有机碳矿化量[31]，从而提高土壤中有机碳量。本文所研究的作物为菠菜，菠菜对土壤的适应能力较强，作为叶菜，在生长过程中需要较多的氮肥和适当的磷肥和钾肥。本研究表明，生物炭的施用明显提高了土壤硝态氮和有机质量，这与孙运朋等[32]在田间玉米种植试验和高凤等[30]在白菜试验中的研究结果是一致的，在后续的研究中还应该进一步考虑作物因素对土壤肥力的影响。

4 结论

1）添加生物炭显著降低了土壤体积质量，增大了土壤孔隙度。普通生物炭对土壤结构的改善结果略优于酸改性生物炭，均在高施量情况下对土壤结构影响最大。添加生物炭后各处理持水能力均有所提高，且随着普通生物炭施量的增加，土壤持水能力持续增强。

2）除高施量普通生物炭处理（A8）外，添加生物炭均能降低土壤盐分，酸改性生物炭对盐分的调节作用优于普通生物炭，其中添加2%酸改性生物炭处理（B2）土壤脱盐率最高，为72.05%。添加生物炭后，土壤pH值均有所降低并趋于中性，但除高施量酸改性生物炭处理（B8）外，各处理间差异未达到显著水平。总体来看，酸改性生物炭对土壤pH值的影响大于普通生物炭。

3）添加生物炭能显著提高土壤有机质量，土壤有机质量随普通生物炭的施量增加持续升高，而随酸改性生物炭施量增加表现为先增大后减小，存在施量阈值。

综合考虑土壤水、盐、肥状况，适量的酸改性生物炭（4%）方案比较适宜研究区盐渍土改良和高效利用。

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Using Biochar Amendment to Improve the Physicochemical Properties of Soil in Coastal Tidal Area

WANG Juan1,2, HUANG Chengzhen2, FENG Shaoyuan2, LIU Chuncheng1, LI Hao1, HAN Qibiao1*

(1. Institute of Farmland and Irrigation, Chinese Academy of Agricultural Science/Key Laboratory of Water Saving Irrigation Project of Ministry of Agriculture, Xinxiang 453002, China; 2. College of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

【Objective】Coastal soils are rice in China but most of them are salinized. Improving their quality to facilitate crop growth is essential to safeguard the food security in China. The aim of this paper is to investigate the feasibility of using biochar amendment to improve physical and physicochemical properties of such soils. 【Method】The experiments were conducted using repacked pots; soil in the pots were amended with traditional biochar (A) or acidified biochar (B) applied at mass ratio ranging from 2% to 8%. Traditional remediation without biochar amendment was the control (CK). In each treatment, we measured the change in physical and physicochemical properties of the soils after a period of incubation. 【Result】Biochar amendment significantly reduced soil bulk density, increased soil porosity and the capacity of the soil to hold water, regardless of the biochar types. The improvement increased with biochar application ratio. On average, the traditional biochar was more effective than the acidified biochar. A moderate biochar amendment ratio enhanced salt leaching, improving desalination rate and reducing pH. Amending the soil with the acidified biochar at 2% ratio achieved the highest leaching rate - 72.05%, whereas amending the soil with the traditional biochar at 8% ratio was least effective. We also found that adding biochar significantly increased soil organic matter and nitrate nitrogen, especially the traditional biochar applied at 8% and the acidized biochar applied at 4%. 【Conclusion】Both traditional and acidified biochar can effectively reduce soil salinity and improve soil fertility in the coastal tidal area. Considering improvement in soil water and fertility as well as desalinization, the acidified biochar applied at the ratio of 4% was optimal.

acidified biochar; soil bulk density; soil water holding capacity; desalination; soil nutrient

王娟, 黄成真, 冯绍元, 等. 生物炭对滨海滩涂区土壤理化特性的影响[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(10): 125-130, 138.

WANG Juan, HUANG Chengzhen, FENG Shaoyuan, et al. Using Biochar Amendment to Improve the Physicochemical Properties of Soil in Coastal Tidal Area[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(10): 125-130, 138.

1672 - 3317（2022）10 - 0125 - 07

S156.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021563

2021-11-16

农业农村部节水灌溉工程重点实验室开放课题项目（FIRI202002-0301）；国家自然科学基金项目（51609209）；江苏省自然科学基金项目（BK20160471）

王娟，主要研究方向为水土资源高效利用与保护。E-mail: wangjuan@yzu.edu.cn

韩启彪，主要研究方向为节水灌溉技术与设备研究。E-mail: hanbiaoedu@126.com

责任编辑：白芳芳