生物有机材料对滨海盐碱土的改良效果

周文志， 孙向阳， 李素艳， 张 乐

(北京林业大学 林学院，北京 100083)

我国沿海地区分布着大量的盐碱土，面积约6.7×105hm2[1]。由于排水不畅、土壤贫瘠，这些盐碱地资源难以得到充分开发利用，造成大量土地资源的浪费。中捷农场位于河北省黄骅市，该区域的土壤多为盐渍化土壤，土壤结构差，养分贫瘠。同时，由于受到海水型地下水的影响，土壤中可溶性盐分含量较高，不利于农林业的发展。由于当地科研条件较差、技术落后，所开展的生态修复具有一定的盲目性，该区域的生态建设进展缓慢、效益低下，所以深入研究该区域的滨海盐碱土改良技术显得重要且迫切。

研究表明，化学改良措施可以在一定程度上增加滨海盐碱土的土壤孔隙度，减轻Na+毒害，增加土壤养分。但由于化学改良材料种类众多，许多化学改良剂对土壤有潜在的污染风险；因此，寻找合适的改良材料是目前重要的研究方向[2]。生物炭具有多孔结构，比表面积大，用作土壤调理剂，可降低土壤容重[3]、改善土壤结构与孔性[4]、提高土壤通透性[5]，实现改善盐渍化土壤的目的[6]。园林废弃物堆肥作为有机物料应用于土壤改良时，可以改善土壤的通透性，降低土壤pH值，提高土壤的肥力及微生物活性[7]。本研究针对河北省中捷农场地区盐碱土壤的特点，选用生物炭和园林废弃物堆肥作为滨海盐碱土的改良剂，通过室内土壤培养试验研究这2种材料及其组合对滨海盐碱土的改良效果，以期为该区域滨海盐碱土的改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所需园林废弃物堆肥制品，主要由白蜡、杨柳及杂草等植物的修剪残余物或凋落物采用二次堆肥法制成[8]。园林废弃物堆肥的EC值为6.76 mS·cm-1，pH值为7.91，堆肥中含有丰富的有机质和氮磷钾成分。供试生物炭为果木炭(在500 ℃高温厌氧条件下热解5 h制得)，由陕西亿鑫生物能源有限责任公司提供，主要成分为有机碳和矿质养分，pH值为9.12，EC值为12.73 mS·cm-1。

1.2 试验设计

试验于2017年2—11月在北京林业大学教学苗圃温室中进行，温度控制在20～25 ℃。采用土壤培养试验方法，设置园林废弃物堆肥和生物炭2个因素。参考张乐等[9]、岳燕等[10]的研究，设置园林废弃物堆肥施用水平为0、20、40、80 g·kg-1，分别用G0、G1、G2、G3代表，生物炭施用水平为0、10、20、40 g·kg-1，分别用B0、B1、B2、B3代表。两因素相互组合，试验共设置16个处理，各处理均重复3次。

选择土壤培养容器(口径25 cm、高度15 cm，底部保持透气)进行试验，将材料混合均匀后分层填装，每个土壤培养容器装土2 kg，经自然压实放置7 d后开始培养。培养期间，根据土壤质量变化调整土壤含水量，控制样品含水量为田间持水量的50%～70%(5 d补充1次水)，培养时间为9个月。

1.3 测定项目及方法

土壤有机质含量采用高温外加热氧化—容量法测定。采用容重环刀(直径5 cm、高5 cm)、饱和导水率环刀(直径6 cm、高4 cm)采集土壤样品，用于饱和导水率的测定。根据文献[12]计算钠吸附比(SAR)。

1.4 数据处理

采用IBM SPSS 18.0进行数据整理和分析，采用双因素方差分析(two-way ANOVA)探讨园林废弃物堆肥和生物炭对滨海盐碱土理化性质的影响。

2 结果与分析

2.1 生物炭和园林废弃物堆肥对滨海盐碱土pH的影响

如表1所示，培养结束后，各处理的土壤pH在8.04～8.58，以B0G3处理最低、B3G0处理最高。方差分析结果显示，生物炭、园林废弃物堆肥用量对土壤pH值均有显著(P<0.05)影响，但二者的交互作用对土壤pH值无显著影响。当园林废弃物堆肥施用量为0时，土壤pH随生物炭施用量的增加先显著(P<0.05)降低后显著(P<0.05)增加；当园林废弃物堆肥施用量为20、40 g·kg-1时，随生物炭施用量从0增加到20 g·kg-1，土壤pH无显著变化，但当生物炭施用量进一步增加到40 g·kg-1，土壤pH较先前的处理均显著(P<0.05)增加；当园林废弃物堆肥施用量为80 g·kg-1时，随生物炭施用量从0增加到10 g·kg-1，土壤pH无显著变化，但当生物炭施用量进一步增加到20、40 g·kg-1，土壤pH较先前的处理均显著(P<0.05)增加。在生物炭施用量固定的条件下，除B1水平下各处理土壤pH值无显著差异外，其他生物炭施用量下，G0处理的土壤pH值均显著(P<0.05)高于G2和G3处理，但G0与G1处理，以及G2和G3处理间无显著差异，说明当生物炭施用量为0、20、40 g·kg-1时，适当增加园林废弃物堆肥施用量可显著降低土壤pH值。

2.2 生物炭和园林废弃物堆肥对滨海盐碱土盐分指标的影响

2.2.1 对滨海盐碱土EC的影响

从表2可以看出，各处理的土壤EC值以B0G0处理最高、B1G2处理最低，两者差异显著。方差分析结果显示，生物炭、园林废弃物堆肥用量，以及二者的交互作用对土壤EC值均有显著(P<0.05)影响。当园林废弃物堆肥施用量为0、20 g·kg-1时，B0和B3处理的土壤EC值无显著差异，两者均显著(P<0.05)高于B1和B2处理；当园林废弃物堆肥施用量为40、80 g·kg-1时，B0、B1、B2处理的土壤EC值无显著差异，均显著(P<0.05)低于B3处理。当生物炭施用量为10、20 g·kg-1时，不同园林废弃物堆肥用量下土壤EC值无显著差异；当生物炭施用量为0时，G0处理的土壤EC值显著高于其他处理；当生物炭施用量为40 g·kg-1时，G0、G1、G2处理，以及G0、G1、G3处理的土壤EC值间均无显著差异，但G2处理的土壤EC值显著(P<0.05)低于G3处理。

表1生物炭和园林废弃物堆肥施用对滨海盐碱土pH的影响

Table1Effects of biochar and green waste compost application on pH of coastal saline soils

生物炭施用水平Application rate of biochar不同园林废弃物堆肥用量下的土壤pH值Soil pH value under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B08.35±0.10 cd8.28±0.06 cde8.10±0.10 gh8.04±0.05 hB18.22±0.05 efg8.24±0.05 def8.13±0.03 fgh8.11±0.05 fghB28.36±0.07 cd8.29±0.04 cde8.23±0.04 efg 8.20±0.06 efgB38.58±0.06 a8.49±0.05 ab8.39±0.07 bc8.33±0.07 cd

数据后无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters indicated significant difference atP<0.05.

2.2.2 对滨海盐碱土SAR的影响

SAR是评价土壤盐碱化程度的一项重要指标[12]，其值越大，表明对土壤的有害性越大。方差分析结果显示，生物炭、园林废弃物堆肥用量对土壤SAR均有显著(P<0.05)影响，但二者的交互作用对土壤SAR无显著影响。如表3所示，不施入任何改良材料的处理(B0G0)中SAR高达13.78，G2B3处理的SAR最低，两者差异显著(P<0.05)。当园林废弃物堆肥用量为0、20、40 g·kg-1时，添加生物炭的各处理(B1、B2、B3)土壤SAR相较不加生物炭的B0处理均显著(P<0.05)降低，但施用生物炭的各处理间土壤SAR无显著差异；当园林废弃物堆肥用量增加到80 g·kg-1时，不同生物炭用量下土壤SAR均无显著差异。说明在一定的园林废弃物堆肥用量下，适当

施用生物炭有助于改良土壤。当生物炭用量为0、10 g·kg-1时，G0处理的土壤SAR显著(P<0.05)高于G2和G3处理；当生物炭用量为40 g·kg-1时，G0处理的土壤SAR显著(P<0.05)高于G2处理，但与其他处理无显著差异；当生物炭用量为20 g·kg-1时，不同园林废弃物堆肥用量下的土壤SAR无显著差异。

表2生物炭和园林废弃物堆肥施用对滨海盐碱土EC的影响

Table2Effects of biochar and green waste compost application on EC of coastal saline soils mS·cm-1

生物炭施用水平Application rate of biochar不同园林废弃物堆肥用量下的土壤EC值Soil EC value under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B02.85±0.14 a2.39±0.07 cde2.09±0.14 fg2.34±0.18 defB12.22±0.11 efg2.03±0.16 fg1.93±0.12 g2.13±0.18 fgB22.35±0.10 def2.17±0.12 efg2.12±0.15 fg2.36±0.19 defB32.66±0.08 abc2.51±0.12 bcd2.39±0.16 cde2.74±0.19 ab

表3生物炭和园林废弃物堆肥施用对滨海盐碱土SAR的影响

Table3Effects of biochar and green waste compost application on SAR of coastal saline soils

生物炭施用水平Application rate of biochar不同园林废弃物堆肥用量下的土壤SAR Soil SAR value under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B013.78±0.94 a12.95±0.35 ab11.70±0.53 bc11.12±0.84 cdB111.88±0.71 bc11.13±0.54 cd10.55±0.96 de10.23±0.53 deB210.79±0.65 cde10.21±0.67 de10.85±0.66 cde11.12±0.65 cdB311.20±0.65 cd10.06±0.53 de9.73±0.95 e10.37±0.46 de

表4生物炭和园林废弃物堆肥施用对滨海盐碱土Cl-含量的影响

Table4Effects of biochar and green waste compost application on Cl-content of coastal saline soils g·kg-1

生物炭施用水平Application rate of biochar不同园林废弃物堆肥用量下的土壤Cl-含量Soil Cl- content under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B04.47±0.16 a4.04±0.41 ab3.50±0.43 cde3.42±0.30 cdeB13.74±0.39 bc3.30±0.39 cde2.94±0.37 e3.29±0.20 cdeB23.37±0.27 cde3.11±0.23 de3.26±0.27 cde2.94±0.26 eB33.56±0.30 bcd3.43±0.27 cde3.18±0.26 cde3.01±0.16 de

2.3 生物炭和园林废弃物堆肥对滨海盐碱土有机质含量的影响

如表6所示，除了B1G0处理的有机质含量与B0G0差异不显著之外，其他各处理的土壤有机质含量均显著(P<0.05)高于B0G0处理。各处理的土壤有机质含量以B3G3最高、B0G0最低。方差分析结果显示，生物炭、园林废弃物堆肥用量对土壤有机质含量均有显著(P<0.05)影响，但二者的交互作用对土壤有机质含量无显著影响。在生物炭施用水平保持一定的条件下，施用40或80 g·kg-1园林废弃物堆肥处理(G2、G3)的土壤有机质含量均显著(P<0.05)高于不施用园林废弃物堆肥的处理(G0)，且G2、G3处理的土壤有机质含量随园林废弃物堆肥施用量的增加而显著(P<0.05)增加。在园林废弃物堆肥施用水平保持一定的条件下，施20或40 g·kg-1生物炭处理(B2、B3)的土壤有机质含量均显著(P<0.05)高于不施用生物炭的处理(B0)，且当园林废弃物堆肥用量为40或80 g·kg-1时，B2、B3处理的土壤有机质含量随园林废弃物堆肥施用量的增加而显著(P<0.05)增加，但当园林废弃物堆肥用量为0或20 g·kg-1时，B2、B3处理的土壤有机质含量并无显著差异。总体而言，增加园林废弃物堆肥或生物炭用量均可提高土壤有机质含量。

生物炭施用水平Application rate of biochar不同园林废弃物堆肥用量下的土壤SO2-4含量Soil SO2-4 content under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B00.71±0.16 fg0.92±0.14 de1.23±0.08 bc1.46±0.17 aB10.67±0.08 fg0.99±0.14 cd1.05±0.14 cd1.18±0.03 bcB20.68±0.16 fg0.96±0.14 cde0.88±0.07 def1.15±0.14 bcB30.60±0.11 g0.77±0.10 efg1.01±0.12 cd1.06±0.07 cd

表6生物炭和园林废弃物堆肥施用对滨海盐碱土有机质含量的影响

Table6Effects of biochar and green waste compost application on soil organic matter content of coastal saline soils g·kg-1

生物炭施用水平Application rate of biochar不同园林废弃物堆肥用量下的土壤有机质含量Soil organic matter content under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B07.39±0.84 g10.08±1.55 f12.57±2.11 e15.56±0.45 cdB19.33±0.90 fg12.79±1.52 e14.17±0.28 de17.73±0.88 bcB212.20±1.07 e14.35±0.99 de15.28±1.33 d19.04±1.05 bB314.22±1.83 de15.20±1.15 d17.53±1.55 bc21.92±0.99 a

2.4 生物炭和园林废弃物堆肥对滨海盐碱土饱和导水率的影响

土壤饱和导水率是土壤被水饱和时，单位水势梯度下单位时间内通过单位面积的水量，是计算土壤剖面中水的通量和设计灌溉、排水系统工程的一个重要土壤参数，反映土壤质地、容重、孔隙分布，以及有机质含量等空间变量的影响。如表7所示，试验结束时，B0G0处理的土壤饱和导水率为1.16×10-4cm·s-1，其他各处理的土壤饱和导水率均显著(P<0.05)高于B0G0，其中以B1G2处理的土壤饱和导水率最大，达到4.08×10-4cm·s-1。方差分析结果显示，生物炭、园林废弃物堆肥用量，以及二者的交互作用对土壤饱和导水率均有显著(P<0.05)影响。当园林废弃物堆肥的施用量为0时，施用生物炭的处理(B1、B2、B3)土壤饱和导水率均显著(P<0.05)高于不施用生物炭的处理(B0)，且施用生物炭的处理(B1、B2、B3)间土壤饱和导水率无显著差异；当园林废弃物堆肥的施用量为20 g·kg-1时，施用生物炭的处理(B1、B2、B3)土壤饱和导水率均显著(P<0.05)高于不施用生物炭的处理(B0)，且B3处理的土壤饱和导水率显著(P<0.05)高于B1处理，但与B2处理无显著差异；当园林废弃物堆肥的施用量为40 g·kg-1时，B1处理的土壤饱和导水率显著高于B0和B3处理，但与B2处理无显著差异；当园林废弃物堆肥的施用量为80 g·kg-1时，各生物炭用量下土壤的饱和导水率无显著差异。当生物炭用量为0时，各处理的土壤饱和导水率随园林废弃物堆肥用量的增加而显著(P<0.05)增加；当生物炭用量为10 g·kg-1时，各处理的土壤饱和导水率随园林废弃物堆肥用量在0～40 g·kg-1增加而显著(P<0.05)增加，但当园林废弃物堆肥用量从40 g·kg-1增加到80 g·kg-1时，土壤饱和导水率无显著差异；当生物炭用量为2.0 g·kg-1时，G2和G3处理的土壤饱和导水率显著(P<0.05)高于G0和G1处理，但G0和G1处理间，以及G2和G3处理间，土壤饱和导水率无显著差异；当生物炭用量为40 g·kg-1时，各处理的土壤饱和导水率随园林废弃物堆肥用量在0～40 g·kg-1增加而显著(P<0.05)增加，但当园林废弃物堆肥用量从40 g·kg-1增加到80 g·kg-1时，土壤饱和导水率无显著差异，且G3处理的土壤饱和导水率同G1处理下亦无显著差别。

表7生物炭和园林废弃物堆肥施用对滨海盐碱土饱和导水率的影响

Table7Effects of biochar and green waste compost application on soil saturated hydraulic conductivity of coastal saline soils 10-4cm·s-1

生物炭施用水平Application rate of biochar不同园林废弃物堆肥用量下的土壤饱和导水率Soil saturated hydraulic conductivity under different application rates of green waste compostG0G1G2G3B01.16±0.13 g2.05±0.28 f3.24±0.37 cd3.72±0.19 abB11.91±0.26 f2.32±0.27 e4.08±0.35 a3.89±0.54 abB22.31±0.34 ef2.85±0.30 de3.79±0.44 ab3.59±0.21 bcB32.04±0.32 f3.02±0.38 d3.53±0.49 bc3.40±0.17 bcd

3 讨论

本研究表明，在生物炭施用量保持一定的条件下，除施用10 g·kg-1生物炭的水平下土壤pH无显著变化外，随着园林废弃物堆肥施用量增加到40或80 g·kg-1，土壤pH显著低于未施入园林废弃物堆肥的处理。施用园林废弃物堆肥之所以能够降低盐碱土的pH，这可能是因为施入土壤后，堆肥分解产生的腐殖酸类物质能够提升土壤的缓冲性能，从而使pH趋于中性，这与张涛[13]的研究结论一致。本研究还发现，在园林废弃物堆肥施用量一定的条件下，施入较高水平(40 g·kg-1)的生物炭能够显著升高土壤的pH，但在不施用园林废弃物堆肥的情况下，添加少量(10 g·kg-1)的生物炭，土壤pH显著下降。出现这种结果的原因可能是，少量生物炭的施入改善了未施用园林废弃物堆肥土壤的通透性，促进了土壤中盐分的淋溶，从而降低土壤的pH；然而随着生物炭施用量的增加，由于其本身pH过高而带来的影响超过了其通过改善土壤通透性而对土壤pH的降低作用，综合作用的结果使得土壤pH升高。

土壤的可溶性盐分含量与EC呈正比，所以EC可代替土壤含盐量用来评价土壤盐化程度。张洋[14]研究表明，施入园林废弃物堆肥可以降低土壤的盐化程度。在本研究中，单独施入适量水平的园林废弃物堆肥(如B0G1、B0G2处理)也可显著降低土壤EC。这是因为有机质的加入改善了土壤的通透性，促进了盐分的淋溶。然而，随着园林废弃物堆肥施用量的进一步增加，土壤EC并未进一步显著下降。这可能是因为园林废弃物堆肥本身含有大量的可溶性盐分，若施用量过高，可能会造成土壤中新积累的可溶性盐分超过淋溶损失，从而导致土壤EC升高。适宜的生物炭施入量可显著降低土壤的EC，这可能是因为生物炭对盐基离子具有吸附作用，同时还能通过改善土壤结构、增加盐基离子淋失而使土壤电导率降低。但当园林废弃物堆肥用量一致时，高生物炭施用量(40 g·kg-1)条件下的土壤电导率较低生物炭施用量(10 g·kg-1)条件下显著上升。这是由于生物炭本身亦含有大量的盐分，过量的生物炭投入亦会带来大量盐分的累积，其影响一旦超过土壤盐分的淋溶损失，就会使得土壤电导率呈现一定程度的上升。

对盐土和钠质土而言，SAR与碱化度(ESP)呈显著(P<0.05)的线性关系[15]，所以SAR也能够反映土壤的碱化程度。研究表明，生物炭的施用可显著降低土壤的SAR[16]，这与本试验结果相同。这可能是由于生物炭含有较多的交换性Ca2+，能将土壤胶体吸附的Na+代换下来，受到灌施淋洗会带走更多的钠离子，从而降低SAR。随着生物炭施用量的增加，生物炭的滞水性会降低水分的渗滤速度，从而减少钠离子的淋溶，有增加土壤SAR的风险。当生物炭用量为0或10 g·kg-1时，随着园林废弃物堆肥施入量的增加(40～80 g·kg-1)，土壤SAR显著降低。原因在于园林废弃物堆肥的施入改善了土壤结构，从而促进了土壤中钠离子的淋洗，降低了土壤SAR[17-18]。

本研究表明，在相同的园林废弃物堆肥用量条件下，增加生物炭用量可有效提高土壤有机质含量。这是因为：一方面，生物炭利用表面催化活性促进有机小分子聚合形成有机质[19]；另一方面，生物炭在缓慢分解的过程中，与土壤相互作用形成一种保护机制，可增强土壤有机质的氧化稳定性，有助于腐殖质的形成，进而促进土壤中有机质的积累[20]。园林废弃物堆肥产品作为一种有机改良材料，施入土壤之后可以有效提升土壤有机质含量。在本研究中，在相同的生物炭用量下，施用适量的园林废弃物堆肥能够显著增加滨海盐碱土中有机质的含量，这与王琳琳等[21]的研究结果一致。

饱和导水率作为表征土壤饱和渗透能力的重要指标，也是用来模拟土壤中水盐运移规律的重要参数。在本研究中，在相同的园林废弃物堆肥用量下，适当添加生物炭可显著提高土壤的饱和导水率，但生物炭用量过高时，土壤饱和导水量并不会进一步显著增加，甚至可能显著下降。原因可能在于试验所用的生物炭含有大量的孔隙，有助于在土壤内部形成连通孔隙，改善土壤的通透性，因而适量的生物炭会增加土壤的饱和导水率。施用40 g·kg-1的生物炭会引起土壤饱和导水率的下降，可能是由于生物炭过多引起了土壤水分黏滞系数的增加，入渗的水分先满足土壤孔隙中的吸附滞留，影响了土壤中水分的运移。南江宽[22]研究发现，有机物料的施用可有效增加土壤有机质的含量，改善土壤孔隙状况，但随着土壤有机质含量的增加，饱和导水率不再上升反而减小。在本研究中，饱和导水率随着园林废弃物堆肥施入量的增加呈上升趋势，但是，在施用了生物炭的条件下，80 g·kg-1园林废弃物堆肥处理与40 g·kg-1园林废弃物堆肥处理的饱和导水率差异不显著。这与前人的研究结果相似。