生物质炭对设施菜地土壤盐渍化改良效应研究

摘要：为探明生物质炭对设施菜地土壤盐渍化的改良效应，本研究以谷物残茬（水稻秸秆、小麦秸秆）和木质材料（竹废弃物、香樟树残茬）作为生物质炭的原材料，探讨在不同原材料种类和施用量条件下，生物质炭施用对常州城郊设施菜地盐渍化土壤的影响。结果表明，在供试盐渍化土壤和栽培条件下，生物质炭可以被视为是一种值得推荐的土壤改良剂。相比于谷物残茬制备的生物质炭，供试设施菜地盐渍化土壤中施用木质材料制备的生物质炭（尤其是竹材料生物质炭），短期内显著降低了土壤电导率EC值，对受盐影响的设施菜地土壤中Na+、Cl-、NO3-浓度均起到了明显的消减作用，并且该改良效应随着竹材料生物质炭添加量的增加而增加〔添加量从0.5%（m/m）提升至1%（m/m）〕。

关键词：生物质炭；土壤盐渍化；土壤电导率；盐基离子

设施蔬菜种植作为一种可人为调控、受自然因素影响较少、对季节、地域、土壤条件等依赖性较低的蔬菜栽培模式，打破了蔬菜供应的季节限制和地域限制，为蔬菜产品的周年供应提供了保障。然而，相比于传统的露天种植，设施蔬菜是一种高温高湿无降水、高复种指数和高肥料投入的集约化种植方式，极易造成设施菜地土壤板结、酸化、养分累积和盐渍化，可能导致设施菜地减产，甚至绝产[1]。因此，改良设施菜地土壤，尤其是开展设施菜地土壤盐渍化治理是保证设施菜地生产力和可持续发展的重要措施。

国内外研究学者针对设施菜地土壤盐渍化改良已经开展了大量的技术研究和推广应用工作，主要的技术手段包括：机械化移除盐渍化表层土壤、深耕深翻、砂化土壤、淋洗与人工排水、有机/无机改良剂的使用、耐盐碱植物修复、均衡施肥、生物肥料应用等。在以上方法中，修复受盐影响的设施菜地土壤最直接和最经典的方法是机械移除盐聚集的表层土壤，从而裸露出低盐的底土，然而这样的技术应用费时费力，且不可持续。事实上，利用含盐量较低的灌溉水来淋洗设施菜地盐渍化土壤被认为是最有效的改良策略，然而这必将造成水资源的大量浪费，尤其是在今天淡水资源日益短缺的情形下显得难以接受。应用深耕深翻、砂化土壤、地膜覆盖、耐盐碱植物修复、均衡施肥、生物肥料应用等技术也存在经济成本较高、治理效果不显著不持续、需耗费大量人力物力等限制因素。因此，亟需高效、经济、环保、可持续的技术手段来解决这一难题。

生物质炭作为一种绿色清洁的功能型土壤改良材料，在新型生态循环农业生产中已表现出了巨大的应用潜力，在固碳减排、治理土壤重金属污染、改良土壤结构、提高土壤肥力、提升作物产量和品质、提高作物抗性上得到了国内外专家的普遍认可。作为一种由生物质材料在限氧或厌氧环境条件下，通过高温裂解得到的有机连续体产品，生物质炭的生产应用不仅减少了秸秆等农林废弃物直接焚烧等问题，而且它作为一种多孔的炭质材料在实现设施农业生产高效管理、资源节约、环境友好、农业增收方面发挥着重要作用[2]。已有的国内外研究结果表明，生物质炭对改善盐渍化土壤的物理、化学和生物学特性有显著的效果。然而，据了解目前基于生物质炭的设施菜地土壤盐渍化改良技术在常州地区进行试验研究和推广应用较少，在江苏省其他市区开展的应用研究所涉及的生物质炭种类也十分有限。为此，本试验选取谷物残茬（水稻秸秆、小麦秸秆）和木质材料（竹废弃物、香樟树残茬）作为生物质炭的原材料，探讨不同原材料种类和施用量条件下，生物质炭施用对常州城郊设施菜地土壤盐渍化的影响，旨在筛选出对设施菜地土壤盐渍化经济、有效的处理方式，以期为生物质炭改良设施菜地土壤盐渍化的应用推广提供参考与借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2022年6月至2023年11月在常州笙绿农业科技有限公司简易大棚内进行。供试作物为青菜，品种为上海青。上海青在南方地区可周年生产，一般移栽种植25～30 d即可陆续采收。

1.2 生物质炭制备

以谷物残茬（水稻秸秆、小麦秸秆）和木质材料（竹废弃物、香樟树残茬）为生物质炭原材料，经破碎后放置于热解回转窑中，以大约20 ℃/min的热解速率进行升温热解，最高热解温度设置为550～600 ℃，热解过程持续25～30 min。

1.3 试验设计

本试验共设置9个处理，分别为：T1：香樟树残茬生物质炭0.5%（m/m）、T2：香樟树残茬生物质炭1%（m/m）、T3：竹材料生物质炭0.5%（m/m）、T4：竹材料生物质炭1%（m/m）、T5：水稻秸秆生物质炭0.5%（m/m）、T6：水稻秸秆生物质炭1%（m/m）、T7：小麦秸秆生物质炭0.5%（m/m）、T8：小麦秸秆生物质炭1%（m/m）、CK：空白对照（不使用生物质炭）。每个处理设置3个重复，共计27个小区，单个小区面积10" m2，四周设置保护行，于2022年9月1日整地前均匀撒施生物质炭于试验小区表层土壤，然后翻耕整地做畦。生物质炭施用2周后将上海青移栽，上海青使用钵苗移栽，青菜行株距为20 cm×20 cm，移栽完成后浇定根水，试验期间试验地块不使用任何肥料农药，其余田间管理与当地常规生产相同。待试验实施1年后（且待蔬菜收获后）采集0～10 cm表层土壤进行实验室分析测定其化学性质。

1.4 测量指标

土壤电导率EC采用电导率电极在固体：水=1：5的比例悬浮液中测定；pH采用电位法测定；Na+和K+浓度采用微波等离子体原子发射光谱仪法测定；Cl-和NO3-浓度采用离子色谱法测定。

1.5 数据分析

试验数据采用SPSS 23.0进行统计分析，采用Duncan’s进行差异显著性分析。

2 结果与分析

由图1可知，设施菜地添加生物质炭处理土壤pH值较CK均有所增加。T8处理的pH值最高，较CK增加9.74%，其次是T7处理，较CK增加9.16%，再就是T6、T5、T2、T4、T1、T3处理，但经方差分析T2、T4、T5、T6、T7、T8处理土壤pH值均显著高于CK，仅T1和T3处理与CK间土壤pH值差异不显著。说明在该供试土壤和栽培条件下，添加供试生物质炭可提高中性设施菜地土壤pH值，尤其是谷物残茬生物质炭（小麦秸秆、水稻秸秆等），因其富含更多钙、镁、钾离子，可以交换降低土壤氢离子及交换性铝离子水平，从而更能明显地提高土壤的pH值。此外，本试验供试生物质炭最高热解温度为550～600 ℃，相较于低温热裂解的生物质炭，其具备更少的酸性挥发物及更多的灰分[3]，因而自身pH更高，可能对提高土壤pH值的贡献更加明显。

不同小写字母表示处理间差异显著（P lt; 0.05），无标注表示差异不显著。

由图2可知，设施菜地添加生物质炭处理土壤EC值较CK均有所减少。T4处理的EC值最低，较CK减少62.9%，其次是T2处理，较CK减少42.4%，再就是T3、T8、T6、T1、T7、T5处理，方差分析显示仅T5处理与CK间土壤EC值差异不显著，其余处理土壤EC值均显著低于CK。说明在该供试土壤和栽培条件下，添加供试生物质炭可降低设施菜地土壤盐度，尤其是木制材料生物质炭（竹废弃物、香樟树残茬等）。该试验结果与Camps-Arbestain 的研究结果保持一致，即在所有种类的生物质炭中，木质材料制备生物质炭有着最少的灰分含量，其对土壤盐度的改良效果最为优异。

不同小写字母表示处理间差异显著（P lt; 0.05），无标注表示差异不显著。

由图3可知，除T7和T8处理土壤K+离子浓度值显著大于CK，其余处理与CK间土壤K+离子浓度值差异均不显著。说明在该供试土壤和栽培条件下，添加供试小麦秸秆生物质炭可提高设施菜地土壤K+离子浓度值，这可能与该材料制备的生物质炭灰分中富含更多的K+有关。

由图4可知，T3和T4处理土壤Na+离子浓度值均显著小于CK，T8处理土壤Na+离子浓度值显著大于CK，其余处理与CK间土壤Na+离子浓度值差异不显著。说明在该供试土壤和栽培条件下，添加供试竹材料生物质炭可消减设施菜地土壤Na+离子胁迫，这可能与竹材料生物质炭相比其他生物质炭有更高的表面电荷以及更强的阳离子吸附能力有关。另外，添加供试小麦秸秆生物质炭达到1%（m/m）添加量时，施菜地土壤Na+离子胁迫有可能会加剧，这可能与小麦秸秆生物质炭灰分中含有更多的Na+离子有关。

由图5可知，仅有T3和T4处理土壤Cl-离子浓度值显著小于CK，其余处理与CK间土壤Cl-离子浓度值差异不显著。说明在该供试土壤和栽培条件下，添加供试竹材料生物质炭可消减设施菜地土壤Cl-离子胁迫，这可能与竹材料生物质炭相比其他生物质炭有更高的表面电荷有关。

由图6可知，T1和T2处理与CK间土壤NO3-离子浓度值差异不显著，其余处理土壤NO3-浓度值均显著小于CK。说明在该供试土壤和栽培条件下，添加供试竹材料、水稻秸秆和小麦秸秆生物质炭均可消减设施菜地土壤NO3-离子胁迫，这可能与生物质炭中含硝化抑制化合物（α-pine烯）、微生物毒性芳香类化合物（PHCs）等物质，对AOB等微生物生长活动造成不利影响有关。

3 讨论与结论

3.1 讨论

本试验发现，在供试盐渍化土壤和栽培条件下，生物质炭可以被视为是一种值得推荐的土壤改良剂。然而，值得关注的是，不同原料制备的生物质炭、不同的添加量均会导致不同的盐渍化改良效应。相比于谷物残茬原料制备的生物质炭，供试设施菜地盐渍化土壤中施用木质材料制备的生物质炭（尤其是竹材料生物质炭），短期内显著降低了土壤电导率EC值，对受盐影响的设施菜地土壤中Na+、Cl-、NO3-浓度均起到了明显的消减作用，并且该改良效应随着竹材料生物质炭添加量的增加而增加〔添加量从0.5%（m/m）提升至1%（m/m）〕。

3.2 结论

根据已有的国内外研究成果，生物质炭已被证明在固碳减排、治理土壤重金属污染、改良土壤结构、提高土壤肥力、提升作物产量和品质方面表现出巨大的应用潜力。考虑到部分研究结果发现，高剂量施用生物质炭会带来土壤盐度与碱度增加的可能，且该影响随着生物质炭制备原材料而变化。因此，如何制备及挑选合适的、可溶性盐含量低的生物质炭应用于实际生产，将成为未来的一个研究方向。

参考文献

[1 ]孔超.南京水田-设施菜地利用转化的土壤结构演变研究[D].中国科学院大学，2017.

[2] 孟军，张伟明，王绍斌，徐正进，陈温富.农林废弃物炭化还田技术的发展与前景[J]. 沈阳农业大学学报，2011，42（4）：387-392.

[4]" Chao K， Marta CA， She D， et al. Influence of the physical properties of pumice and biochar amendments on the soil mobile and immobile water： implications for use in saline environment[J]. Soil Research， 2022， 60（3）， 234-241.

[4] 高德才，张蕾，刘强，荣湘民，张玉平等.旱地土壤施用生物炭减少土壤氮损失及提高氮素利用率[J].农业工程学报，2014，30（6）：54-61.