微咸水灌溉下生物炭对滨海盐渍土玉米生理生长的影响

方明航，朱成立，黄明逸，翟亚明

（河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京 210098）

0 引 言

我国沿海地区存在大规模的次级土地资源，若能对其进行合理开发并组织农业生产，这对于提高我国耕地资源利用效率和保障粮食安全具有重大意义［1］。然而，长期不科学的土地利用方式与海水侵蚀致使滨海垦区土壤存在含盐量高且易产生盐渍化、结构不良导致矿物元素和养分流失等问题［2］。同时，我国可用于农业生产的淡水资源日益短缺，而滨海地区复垦将消耗大量淡水资源用于盐分淋洗和农业灌溉，这使得滨海滩涂地区农业灌溉用水供需矛盾日益突出［3］。滨海区丰富的微咸水已成为重要的淡水替代物，微咸水用于农田灌溉可缓解土壤干旱，弥补淡水资源不足，提高水资源利用效率并为作物生长提供所需要的水分［4，5］。但微咸水长期使用，易造成土壤含盐量上升，严重情况下甚至导致土壤盐碱化，造成作物生长受限、产量和品质的下降［6］。因此，探索科学适宜的盐渍土改良和微咸水利用方法对促进滨海地区水土资源利用具有深远意义。

国内外现有研究表明，将生物炭作为改良剂用于盐渍土改良和微咸水灌溉具有极大前景［7］。现代获取生物炭的常规方法是通过对植物生物质进行热裂解［8］，而制备的生物炭具有孔隙多、比表面积大、吸附能力强的特点［9］，这些优良的物理特性可有效提高土壤孔隙度、降低土壤容重，为微生物提供栖息地，促进土壤团聚体形成［10］，同时有效提升土壤的含水率和通透性，提高根系附近土壤含水量［11］。盐渍土中添加生物炭，会因为生物炭多孔隙结构和容重小的特点而对盐渍土进行改良，提高土壤孔隙度，后期在灌溉过程中促进盐渍土中部分钠离子随水份通过土壤孔隙排出［12］。此外生物炭自身携带较多的钙、镁、钾等离子，在盐渍土壤中进行离子交换并排出钠离子，降低钠吸附比［13］。同时帮助吸附土壤养分，降低土壤养分的流失，更进一步缓解盐渍土对植株根系的盐分胁迫［14］。盐渍土壤中有机碳含量亦随生物炭的添加而升高，而在植物生长过程中有机碳可有效促进植株营养物质累积，进而提高农作物产量［15］。勾芒芒等［16］发现，生物炭增强了植株对盐分的忍受程度、促进植株对土壤水分和养分的吸收利用、抑制植株对钠离子吸收、改善植株生理状况等。ALI等［17］发现，土壤中微生物群落结构会因为生物炭的施加而发生改变，这会改善植株体内激素状况，进一步影响叶片光合作用效率，最终提高产量。赵红玉等［18］研究表明生物炭通过改善土壤结构来提高微咸水灌溉下小麦对养分的吸收，提高小麦产量。USMAN等［19］研究发现，生物炭提高番茄叶片的气体交换参数，促进植株的养分摄取和植物激素的调节，并提高微咸水灌溉下番茄的质量。然而研究亦发现，生物炭在水土资源农业利用的作用与土壤质地、生物炭粒径及用量有紧密关系，周溶慧等［20］发现粉砂壤土中2.5%和5%施加量<1 mm粒径生物炭对土壤电导率的改变无显著性差异，砂壤土中2.5%施加量<1 mm粒径生物炭对番茄产量无明显提升，而生物炭不合理施用，易造成土壤改良效果不及预期及作物生理生长受到不良影响，王忠江等［21］发现0.5和1 mm粒径的生物炭对黑土田间持水量的提升效果差于0.25 mm粒径的生物炭，且0.5和1 mm粒径生物炭对持水量的影响并不显著。田丹等［22］发现添加量为0.15 g/g的0～2 mm生物炭对砂土孔隙度的影响无显著性差异。迮裕雯等［23］发现2.5%添加量的生物炭无法对对砂壤土进行有效改良，而施加质量分数为7.5%的生物炭更会堵塞土壤孔隙并导致盐分累积，抑制玉米生长生产。

目前，国内外对生物炭使用方法的研究较多，但多集中于生物炭的用量与方法上，而其粒径差异对盐渍土改良效果的影响机制尚不明朗，因此明确微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对盐渍土结构的影响作用，这对促进滨海地区微咸水和盐渍土这类次等水土资源的农业利用具有重要意义。本文以我国东部沿海垦区的粉砂壤土、砂壤土及玉米为研究对象进行盆栽试验，以期提高微咸水和盐渍土的农业使用效率，并为玉米增产提供合理生物炭施配建议。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于河海大学农业科学与工程学院节水园避雨棚内进行，节水园区属亚热带季风气候。试验期间，平均每天日照时间约为5.5 h，最高气温为38.9 ℃，最低为19.2 ℃，平均气温为28.4 ℃。

1.2 试验材料

供试作物为苏玉29号夏玉米，试验所用淡水来自江宁节水园区，含盐量约为0.12 g/L，电导率约为0.30 dS/cm，据分析取土地区地下浅层微咸水的盐分组成，现以硫酸钠、氯化钙、氯化钠和氯化镁按质量比2∶2∶1∶1与淡水溶解配置3 g/L浓度微咸水，淡水及微咸水主要性质见表1。

表1 试验淡水与微咸水主要性质Tab.1 Main properties of freshwater and brackish water

试验用土取自江苏省盐城市东台典型滨海垦区，质地为粉砂壤土和砂壤土，前茬作物为夏玉米，土壤及生物炭基本性质如表2，通过600 ℃热解小麦秸秆5 h使其炭化制成生物炭，并筛分为直径1～2 mm的生物炭和<1 mm的生物炭。

表2 粉砂壤土、砂壤土及粗、细生物炭主要性质Tab.2 Main properties of silty loam， sandy loam and coarse and fine biochar

1.3 试验设计

试验土质为粉砂壤土（简称F）与砂壤土（简称S），两种生物炭粒径分别为1～2 mm（简称粗粒径C）和<1 mm（简称细粒径X），3种生物炭添加量0%、2.5%和5%（分别记作0、2.5、5），试验共设12个处理，各重复3次，具体试验方案见表3。试验所用的两种盐渍土经过风干后过2 mm筛，再逐层均匀铺入直径35 cm、高60 cm的圆桶中，土体填筑高度为50 cm。圆桶底部铺聚酯网和5 cm砾石层，并设置5个相同尺寸的排水孔。将生物炭按粒径和添加量的不同分别拌入圆桶土壤中，并通过翻耕混入耕作层。玉米的生育期划分为4个阶段，即播种至六叶期（6月25日―7月21日）、六叶至抽雄期（7月22日―8月15日）、抽雄至吐丝期（8月16日―9月19日）、吐丝至成熟期（9月20日―10月20日）。为防止水肥胁迫影响试验，同时根据前期课题组试验基础及前人盐渍土玉米种植经验［23］，每桶播种前施用15 g尿素、5 g硫酸钾、15 g磷酸二氢钾和100 g有机肥料均匀混合到0～20 cm土壤中并灌溉充足淡水，使土壤含水率达到田间持水率的70% ～80%，播种时盆栽保持良好的水分确保种子萌发，CKF0和CKS0处理在玉米整个生育期均灌溉淡水，其余处理在玉米播种至六叶期灌溉淡水以确保幼苗正常生长，六叶期至成熟期灌溉3 g/L微咸水，具体灌水方法见表3。通过对盆栽称重得出所需灌溉水量，六叶期―抽雄期、抽雄期―成熟期的土壤含水率分别控制在田间持水率的70%～85%、75%～90%，成熟期后不灌水。试验结束后，粉砂壤土共灌水3 600 m3/hm2，砂壤土共灌水4 200 m3/hm2。

表3 试验方案设计表Tab.3 Test scheme design

1.4 测定项目及方法

收获后，用环刀和土钻分别对0～20 cm处土层取样，环刀土样置于105 ℃烘箱内24 h后，测定土壤容重，土壤孔隙度计算公式为ρ=1-d/D，其中ρ为孔隙度，%；d为土壤干容重，g/cm3；D为土壤比重［24］，取2.65 g/cm3。土钻所取的土样经自然风干、研磨后过1 mm筛，按土水质量比1∶1配置，提取土壤饱和浸提液，测定土壤饱和浸提液的电导率［20，23］用DS-307A型电导率仪。采用电感耦合等离子体质谱法［23］测定可溶性Na+、Ca2+、Mg2+、K+离子质量比。

播种后的83 d，于晴天观测日的9∶00-11∶00，采用LI-6800光合测定仪在1 000 μmol/（m2·s）下测量各处理第三片完全展开叶的净光合速率、气孔导度。使用手持式SPAD-502叶绿素仪在叶片中间随机测5个SPAD值取平均值作为叶绿素质量比。于第三片叶取样，采用TBA法［18］测定玉米叶片中的丙二醛质量比，分光光度法［20］测定过氧化氢质量比，并将烘干的0.5 g叶片磨碎后用10 mL过氧化硫消化，用蒸馏水配置100 mL溶液后，采用火焰光度法［23］测定Na+、K+质量比，并计算ωNa+/ωK+，采用酶联免疫吸附法［23］测定脱落酸质量比。

玉米成熟后，将玉米地上部分装入密封袋并在105 ℃烘箱内杀青2 h，再75 ℃烘干至恒重，得到地上干物质量、穗粒数、百粒质量和籽粒产量。

1.5 数据分析

使用WPS表格对数据进行记录和整理，使用spss20.0进行方差分析，制图用Origin2021软件。

2 结果与分析

2.1 微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对盐渍土部分理化特性的影响

图1为微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对不同盐渍土容重、孔隙度的影响。粉砂壤土中容重变化趋势：F0>FX2.5>FX5>FC2.5>FC5，砂壤土中容重变化趋势：S0>SX2.5>SC2.5>SX5>SC5，而土壤孔隙度变化趋势与容重变化趋势相反。表明土壤容重随生物炭的添加而降低，孔隙度则随生物炭添加而升高。粉砂壤土中，施加粗粒径、细粒径生物炭，土壤容重较F0处理降低幅度分别为11.5%～14.2%、4.7%～8.8%，土壤孔隙度较F0处理增加幅度分别为14.5%～17.9%、5.9%～11.1%。砂壤土中，施加粗粒径生物炭、细粒径生物炭，土壤容重较S0处理降低幅度分别为9.4%～14.4%、5.0%～10.1%，孔隙度较S0处理增加幅度分别为10.5%～16.0%、5.7%～11.2%。添加量相同时，粗粒径生物炭对降低土壤容重、提高孔隙度效果更显著，添加质量分数为5%的粗粒径生物炭对降低土壤容重、提高孔隙度效果最佳。

图1 微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对不同盐渍土容重、孔隙度的影响Fig.1 Effects of biochar particle size and dosage on bulk density and porosity of different saline soils under brackish water irrigation

表4为微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对不同盐渍土电导率、Na+、Ca2+、Mg2+、K+的影响。微咸水灌溉显著提高盐渍土电导率及Na+质量浓度，添加生物炭降低了电导率和Na+质量浓度，同添加量时，粗粒径生物炭对电导率和Na+质量浓度的降低幅度更大。粉砂壤土中，FC5处理的电导率和Na+质量浓度降低幅度最大，较F0处理分别降低14.3%、14.1%，砂壤土中，SC5处理的电导率和Na+质量浓度降低幅度最大，较S0处理分别降低13.7%、13.5%。砂壤土中SC5处理的电导率和Na+质量浓度与CKS0处理无显著性差异。两种盐渍土中的Ca2+、Mg2+和K+质量浓度随生物炭添加量的增加而升高。粉砂壤土中，FC5处理的Ca2+、Mg2+和K+质量浓度增幅最大，较F0处理增幅分别为20.6%、22.7%和22.5%。SC5处理与SX5处理的Ca2+、Mg2+和K+质量浓度无明显差异。砂壤土中，SX5处理的Ca2+、Mg2+和K+质量浓度增幅最大，较S0处理增幅分别为20.3%、24.1%和22.7%。同添加量时，粒径粗细对土壤离子含量有一定影响，除SC5与SX5处理外，粗粒径生物炭对土壤中Ca2+、Mg2+、K+质量浓度增幅更大。

表4 微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对不同盐渍土电导率、离子成分的影响Tab.4 Effects of biochar particle size and dosage on soil conductivity and cation composition of different saline soils under brackish water irrigation

2.2 微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对玉米生理指标的影响

图2为微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对不同盐渍土玉米叶片光和作用参数的影响。单独微咸水灌溉显著降低了盐渍土玉米叶片光和作用参数，粉砂壤土中，F0处理较CKF0处理的叶绿素质量分数、净光合速率、气孔导度降低幅度分别为15.2%、14.6%、15.0%，砂壤土中，S0处理较CKS0处理的叶绿素质量分数、净光合速率、气孔导度降低幅度分别为15.0%、15.2%、15.1%。两种盐渍土中添加质量分数为2.5%细粒径生物炭对玉米叶片光和作用参数无明显作用。同添加量时，粒径粗细对叶片光和作用有一定影响，除SC5与SX5处理外，粗粒径生物炭对玉米叶片光和作用参数增幅更大。两种盐渍土中添加质量分数为5%的粗粒径生物炭对提高玉米叶片光和作用效果最佳。粉砂壤土中，FC5处理对叶绿素质量分数、净光合速率和气孔导度增幅最大，较F0处理增幅分别为10.8%、9.9%和10.6%。砂壤土中，SX5处理对叶绿素质量分数、净光合速率和气孔导度增幅最大，较S0处理增幅分别为11.8%、11.9%和11.7%。

图2 微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对玉米叶片光和参数的影响Fig.2 Effect of biochar particle size and amount on maize leaf light and parameters under brackish water irrigation

表5为微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对玉米盐分胁迫、氧化应激的影响。生物炭降低了微咸水和盐渍土对作物的盐分胁迫并缓解植株氧的化应激。粉砂壤土中生物炭处理较F0处理ωNa+/ωK+和cMDA降低幅度分别为2.6%～8.8%和2.5%～8.7%。砂壤土中生物炭处理较S0处理ωNa+/ωK+和cMDA降幅分别为1.8%～7.4%和1.6%～8.0%。同添加量时，粒径粗细的不同对叶片盐分胁迫、氧化应激有一定影响，除砂壤土中SC5处理与SX5处理外，粗粒径生物炭对对ωABA、cH2O2降幅更大。粉砂壤土中，施加粗粒径生物炭、细粒径生物炭，ωABA较F0处理降低幅度分别为6.9%～8.6%、2.6%～5.2%，砂壤土中，施加粗粒径生物炭、细粒径生物炭，ωABA较S0处理降低幅度分别为4.4%～6.0%、1.7%～7.9%。粉砂壤土中，FC5处理的cH2O2降幅最大，较F0处理降低8.6%。砂壤土中，SX5处理的cH2O2降幅最大，较S0处理降低7.8%。两种盐渍土中添加质量分数为2.5%细粒径生物炭对叶片盐分胁迫、氧化应激无显著性作用。

表5 微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对玉米盐分胁迫、氧化应激的影响Tab.5 Effects of particle size and amount of biochar on salt stress and oxidative stress of maize under brackish water irrigation

2.3 微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对玉米产量指标的影响

表6为微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对玉米产量构成要素的影响。单独微咸水灌溉明显降低盐渍土玉米地上干物质质量，粉砂壤土中F0较CKF0处理的地上干物质质量平均降低10.0%，砂壤土中S0较CKS0处理的地上干物质质量平均降低10.0%。生物炭促进了盐渍土玉米产量的提升，粉砂壤土中FC5处理和砂壤土中SX5处理对地上干物质质量与籽粒产量促进效果最佳，粉砂壤土中较F0处理，FC2.5、FX2.5、FC5和FX5地上干物质质量增加4.9%、2.8%、7.7%和4.5%，籽粒产量增加4.9%、2.7%、7.6%和4.4%，砂壤土中较S0处理，SC2.5、SX5、SC5和SX5地上干物质质量增加2.8%、1.7%、3.9%和6.1%，籽粒产量增加1.7%、1.3%、2.8%和5.0%。同添加量时，粒径粗细对玉米产量指标有一定影响，除砂壤土中SC5处理与SX5处理外，粗粒径生物炭对提高玉米产质量增幅更大。粉砂壤土中，FC5处理的干物质质量和籽粒产量与淡水灌溉处理无显著性差异，FC5处理较CKF0处理干物质质量和籽粒产量分别平均降低3.1%、3.1%，砂壤土中，SX5处理较CKS0处理干物质质量和籽粒产量分别平均降低4.5%、4.6%。两种盐渍土中添加质量分数为2.5%细粒径生物炭对玉米穗粒数和百粒质量无显著性影响。

表6 微咸水灌溉下生物炭粒径及用量对玉米产量指标的影响Tab.6 Effect of the grain size and amount of biochar on corn yield under brackish water irrigation

3 讨 论

本试验中，在不同类型土壤中施加生物炭后土壤容重显著降低，总孔隙度增加，原因可能是生物炭的多孔结构和较小容重，添加进土壤后会使土壤孔隙增多，进而降低土壤容重，提高土壤总孔隙度。5%粗粒径生物炭凭借其施加量较多、粒径较大、孔隙更大的特性更有效降低容重、提升了孔隙度，并增强土壤的入渗和保水效果［25］。单独微咸水灌溉对两种盐渍土具有一定的淋洗效果，而施加生物炭则提升了微咸水对两种盐渍土壤的淋洗效果，两种盐渍土壤的电导率和Na+质量浓度降低效果与生物炭施加的量和粒径有关。在相同微咸水用量和同种生物炭粒径条件下，施加生物炭处理的土壤电导率和Na+质量浓度均较F0、S0更低且随着生物炭施加量的增加，其改良效果越好，相较细粒径生物炭，粗粒径生物炭对土壤电导率和Na+质量浓度的降低效果更显著，施加5%粗粒径生物炭对两种盐渍土电导率和钠离子降低效果最佳。这与周溶慧等［20］研究结果一致，原因可能是5%粗粒径生物炭含有少量的可溶性离子，同时粒径较粗会增大盐渍土孔隙，降低了土壤含盐量。在粉砂壤土中施加5%细粒径生物炭时，其土壤电导率与施加2.5%细粒径时无显著性差异，这是因为细粒径生物炭粒径较小，添加较多在粉砂壤土中会堵塞土壤原有的孔隙，对钠离子淋洗造成了阻碍［26］，砂壤土中SC5处理的土壤电导率较S0处理显著降低，较CKS0无显著性差异，这是因为土壤结构被添加的生物炭所改善，提水分入渗性能，促进盐分淋洗［27］。生物炭本身含有一定量的Ca2+、Mg2+和K+等阳离子，而这些阳离子具备一定的交换性，添加后不但提高了盐渍土壤中Ca2+、Mg2+、K+含量而且促进土壤中钠离子的排出，降低土壤盐碱化［28］。

光合作用是促进玉米作物地上干物质累积，影响作物产量的重要因素之一。本试验中，单独微咸水灌溉会抑制玉米叶片光合作用，原因可能是微咸水对玉米造成了盐分胁迫，钠离子影响光合活性导致叶片气孔导度下降，植株生长受限［29］，微咸水灌溉下，生物炭处理的盐渍土玉米，其叶绿素质量分数，净光合速率气孔导度均有所提升，这与朱成立等［2］研究结果一致，原因可能是生物炭改善了土壤环境，降低了玉米叶片ABA质量比，同时释放矿物质养分和促进钠离子的淋洗，进而降低微咸水和盐渍土中的Na+对玉米的盐分胁迫。较S0处理，砂壤土中施加2.5%细粒径生物炭其玉米光和作用参数无显著性变化，这可能是因为低添加量的细粒径生物炭易通过砂壤土的空隙而流失，无法进行有效改良。粉砂壤土中施加5%粗粒径生物炭和砂壤土中施加5%细粒径生物炭有效降低玉米盐分胁迫和提高叶片光合作用，这与高阳［30］等研究结果一致，原因可能是5%粗粒径生物炭有效改良了粉砂壤土粉粒多，透气性差，而砂壤土中空隙较大，施加较多粗粒径生物炭在有效淋洗Na+的同时，易造成水肥的流失，而施加5%细粒径生物炭可更好的填充空隙，既有效淋洗Na+，同时促进盐渍土保水保肥。盐分胁迫会导致植物产生氧化应激反应，致使作物产生过氧化氢物质，其对细胞代谢造成较大损伤，并抑制叶片的光合反应，造成玉米植株生长受限。在粉砂壤土中施加5%粗粒径生物炭和砂壤土中施加5%细粒径生物炭可有效降低微咸水和盐渍土对玉米的盐分胁迫，进而降低氧化应激产生的有害物质。

微咸水灌溉下，生物炭促进了盐渍土玉米产量的提升，相较于F0、S0处理，FC5、SX5处理显著提升了玉米的产量及其他产量特性；CKF0、CKS0处理与FC5、SX5处理的最终产量无显著性差异，这说明可以通过在粉砂壤土和砂壤土中添加适宜的生物炭，得到的最终产量与淡水灌溉处理无显著性差异，这与赵红玉等［18］研究发现一致，原因可能是生物炭的施加降低了微咸水和盐渍土壤中的不利因素，降低土壤电导率，提高总孔隙度和水稳性团聚体，改善土壤导水通气性能，促进微咸水及盐渍土的盐分淋洗效果，缓解微咸水灌溉引起的盐分胁迫，同时提高了盐渍土壤中Ca2+、Mg2+、K+含量。进而提升了盐渍土玉米产量。综上，粉砂壤土中添加5%的粗粒径生物炭、砂壤土中施加5%的细粒径生物炭对改良盐渍土壤和促进玉米产量提升效果最好。本试验研究仅一年期，后期需进一步展开长期试验研究和探讨。

4 结 论

主要结论如下：

（1）生物炭改善了两种滨海盐渍土的土壤性质，降低土壤容重、提高土壤孔隙度、Ca2+、Mg2+、K+质量浓度，并进一步降低微咸水灌溉下土壤电导率及Na+含量，电导率、Na+质量浓度分别降低3.0%～14.3%、4.1%～14.1%其中5%施加量1～2 mm粒径生物炭可有效促进微咸水和两种盐渍土中Na+的淋洗，而施加2.5%的<1 mm粒径生物炭对两种盐渍土的改良效果并不显著。

（2）生物炭降低了微咸水及盐渍土对玉米的盐分胁迫，缓解氧化应激，提高了微咸水灌溉下盐渍土玉米的光合作用。粉砂壤土中5%施加量1～2 mm粒径生物炭和砂壤土中5%施加量<1mm粒径生物炭对降低玉米盐分胁迫、缓解氧化应激、提高玉米光合作用效果最佳。

（3）在微咸水灌溉下，FC5处理的产量较CKF0仅下降3.1%，SX5处理的产量较CKS0仅下降4.6%。对粉砂壤和砂壤质地盐渍土改良所适宜的生物炭分别是5%施加量1～2 mm粒径，5%施加量<1 mm粒径，可为滨海地区盐渍土和微咸水资源开发利用提供参考。但仍需田间试验进一步探究。