生物炭對咸淡輪灌下鹽漬土鹽分分布和玉米生長的影響

朱成立 呂 雯 黃明逸 翟亞明 強 超

(1.河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室， 南京 210098； 2.河海大學農業工程學院， 南京 210098)

0 引言

我國東部濱海灘涂資源是重要的后備土地資源[1]，為緩解人口與糧食壓力，對其進行開墾是擴展土地資源的有效途徑。但墾區土壤含鹽量較高，利用率低下[2]，較高的含鹽量使土壤具有高電導率、高鈉吸附比、低有機質含量等化學特征，土壤物理結構差，保肥能力不強，同時較高含鹽量會破壞植物光合系統反應中心，抑制光合作用，影響作物生長[3-4]，導致減產。由于海水入侵、對淡水過度開采以及降水時空分布不均，淡水資源短缺也是制約沿海灘涂資源開墾的另一個重要因素[5]。濱海地區微咸水儲量豐富，研究表明微咸水可以作為淡水替代品用于作物灌溉，然而微咸水灌溉會使作物受到不同程度鹽脅迫[6]，采用淡水和微咸水交替灌溉被認為是微咸水資源科學合理的利用方式[7]。提倡在作物抗鹽脅迫能力較弱的生育前期灌溉淡水，在作物抗鹽脅迫能力較強的生育后期灌溉微咸水，以減小高含鹽量對作物的不利影響[8]。然而濱海地區淡水資源短缺且時空分布不均勻，在作物生育前期無法完全保證充足的淡水灌溉，微咸水資源的農業利用受到較大限制。

生物炭具有多孔結構、大表面積和較高的陽離子交換能力，應用生物炭對鹽漬土改良有助于降低土壤含鹽量，減緩鹽脅迫[9-10]。生物炭還可以有效降低土壤容重，提高酸化土壤pH值，增加土壤通氣透水性，從而促進作物生長[11-13]。基于咸淡水交替灌溉和生物炭改良鹽漬土的相關研究成果，本文以濱海墾區種植廣泛且對鹽分中度敏感的玉米[14]為研究對象，通過不同微咸水礦化度、輪灌方式和生物炭施用量組合試驗，探究生物炭和不同咸淡交替灌溉模式共同作用對濱海墾區土壤鹽分分布以及玉米生理生長的影響，以期為濱海墾區耕地和微咸水資源高效可持續利用提供理論和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與材料

試驗于2017年7—11月在河海大學江寧校區南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室避雨棚內進行。試驗區(31°86′N，118°60′E)屬亞熱帶濕潤氣候。供試土壤于2017年3月取自江蘇省鹽城典型的濱海墾區耕作層，取土深度為0～15 cm，質地屬粉砂壤土，容重為1.5 g/cm3，田間持水率為34.4%，土壤電導率為3.82 dS/m。生物炭改良劑由山東泰然生物工程有限公司生產，為木屑于600℃下熱解制成，容重0.4 g/cm3，K+、Na+、Ca2+、Mg2+質量比分別為3.8、3.0、34.4、2.4 g/kg。供試土壤自然風干后過2 mm篩，分層壓實填裝入直徑30 cm、高50 cm的圓桶中，土體填裝高度均為40 cm。由于灌溉過程中土壤含水率均未超出田間持水率，故無排水與收集裝置。施加生物炭處理的上層(0～20 cm)部分為生物炭與土壤按碳土質量比5%均勻混合填裝。每桶上層5 cm為覆土，5～15 cm為肥料混合層，將25 g尿素、10 g硫酸鉀和10 g磷酸二氫鉀與土壤均勻混合。玉米品種選用“蘇玉29”，于7月1日播種，15 d后開始咸淡輪灌處理。

1.2 試驗設計

(1)玉米咸淡輪灌盆栽試驗

試驗以不同炭土質量比(0、5%)，不同咸淡水輪灌順序及微咸水礦化度為控制變量。根據玉米生長狀態以及季節性干旱因素將玉米生長時期均勻劃分為3個階段，即第15～45天(壯苗期)、第46～75天(拔節抽雄期)、第76～105天(灌漿期)，設置了3種咸淡水輪灌順序：SFF(壯苗期微咸水，拔節抽雄期和灌漿期淡水處理)、FSF(拔節抽雄期微咸水，壯苗期和灌漿期淡水處理)、FFS(灌漿期微咸水，壯苗期和拔節抽雄期淡水處理)。數字1、3、5表示礦化度，例如SFF1表示在壯苗期使用1 g/L微咸水灌溉。壯苗期土壤含水率控制在田間持水率的65%～80%，拔節抽雄期和灌漿期土壤含水率控制在田間持水率的75%～90%，成熟期不灌水，灌溉水量通過對照組稱量得到。淡水為試驗區灌溉系統自來水，礦化度為0.12 g/L。微咸水由淡水與NaCl(AR)制備而成。試驗各處理重復3次，共60個盆栽小區。

(2)生物炭Na+吸附試驗

在試管中配置好3種礦化度(1、3、5 g/L)與CK灌溉水各40 mL，加入0.5 g生物炭，每個處理重復3次。試管在振蕩器中勻速振蕩12 h再放入離心機中高速離心10 min。瀝去上層清液收集下層聚合物，并用X射線熒光光譜法測定Na+濃度。

1.3 灌水及其他管理措施

灌水管理：試驗開始前在盆栽桶壁套上遮光網，防止其溫度過高。灌溉水量通過對照組稱量得到，無生物炭處理共灌水24 L(壯苗期4次，拔節抽雄期和灌漿期各6次，每次灌水1.5 L)，施加生物炭處理共灌水31.5 L(壯苗期5次，拔節抽雄期和灌漿期各8次，每次灌水1.5 L)，灌溉水于傍晚通過灑壺均勻而緩慢灑入。

苗期管理：每桶撒3粒種，出苗后進行查苗補苗、定苗。

追肥管理：拔節抽雄期，每桶施尿素30 g，在植株旁打深穴，將肥料施入穴內然后培土。

除蟲管理：出穗后用噴霧器噴灑農藥，防治玉米螟危害。

1.4 指標測定方法

(1)土壤析出液含鹽量

灌溉結束后采用土鉆分層取土(0～20 cm、20～40 cm)，土樣經自然風干、充分研磨后過1 mm篩，按水土質量比1∶1配置，提取土壤飽和浸滴液，由DDBJ-350型電導率儀(上海INESA科學儀器有限公司)測定土壤析出液含鹽量。

(2)生物炭Na+吸附能力

用X射線熒光光譜法測定Na+濃度，生物炭Na+吸附能力計算公式為

A=B/(0.5×0.04)

(1)

式中A——生物炭Na+吸附量，mg/g

B——Na+初始濃度與最終濃度差值，mg/L

(3)玉米光合作用指標及葉綠素含量

從播種后每隔15 d測量玉米第3片完全展開葉片的光合氣體交換參數。采用TPS-2型便攜式光合作用測定系統(PP Systems，美國)在光強900～1 000 μmol/(m2·s)下測量各處理的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)，葉片水分利用效率(WUEL)采用Pn/Tr計算。

在距離葉片基部40%～60%的區域打圓形孔，孔徑10 mm，避開葉脈，記錄葉片質量m(mg)。用95%乙醇浸泡法，定容到25 mL，用分光光度計在波長665 nm與649 nm下測定混合液上清液部分吸光度A665、A649，葉綠素總含量計算公式為

C=Ca+Cb

(2)

其中

Ca=13.95A665-6.88A649

(3)

Cb=24.96A649-7.32A665

(4)

式中Ca——葉綠素a含量，mg/L

Cb——葉綠素b含量，mg/L

C——葉綠素總含量，mg/L

(4)玉米生長指標

每隔15 d測量玉米植株株高、葉面積至全生育期結束。株高采用卷尺測量；葉面積采用LI-3000A型葉面積儀測定第2片展開葉。

(5)玉米葉片水勢與葉片Na+/K+比

在3種灌溉模式下微咸水灌溉生育期結束后，取典型葉片，采用壓力室法測葉片水勢，采用火焰法測葉片中Na+、K+離子含量，并計算Na+/K+比。

(6)玉米產量及其構成要素

收獲時，測量玉米穗質量、籽粒質量，從穗粒中隨機取100粒，稱量得百粒質量；并收集玉米莖葉，105℃殺青后在70℃干燥箱中干燥至恒定質量，稱量計算地上干物質質量。

(7)耗水量與產量水分利用效率

玉米播種前和收獲后，用稱量法測定土壤含水率，由于玉米種在避雨盆栽中，且灌溉過程中土壤含水率不超過田間持水率，排水量可忽略不計，耗水量計算公式為

ET=I-ΔW

(5)

式中I——灌水量，mm

ΔW——土壤儲水量變化值，mm

玉米產量水分利用效率計算公式為

WUE=m1/ET

(6)

式中WUE——玉米產量水分利用效率，g/L

m1——單位面積籽粒質量，g/m2

1.5 數據分析

試驗數據采用Excel進行記錄與整理，使用SPSS 20統計程序對數據進行方差分析，采用Duncan法進行多重比較(α=0.05)，并采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤析出液含鹽量與生物炭Na+吸附能力變化

圖1(圖中B0表示無生物炭處理，B5表示5%生物炭處理，下同)為不同灌溉方式與不同生物炭處理下土壤析出液含鹽量變化。微咸水灌溉增加土壤析出液鹽分，且隨礦化度增高累積量顯著增加(P<0.05)，其中上層土壤(0～20 cm)增幅更為明顯。SFF5(B0)、FSF5(B0)與FFS5(B0)的上層土壤析出液含鹽量比CK分別增加0.38、0.77、0.60 g/kg，下層析出液含鹽量分別增加0.46、0.27、0.20 g/kg。由于后期淡水灌溉的淋洗，SFF模式上層鹽分含量最低，下層鹽分含量最高。FSF與FFS模式下出現鹽分表聚，需后續進行淡水淋洗以確保土壤可持續利用。施加生物炭后，在較高礦化度微咸水灌溉下，上層土壤析出液含鹽量的增幅顯著降低(P<0.05)，下層土壤析出液含鹽量增幅升高。SFF5(B5)、FSF5(B5)與FFS5(B5)的上層土壤含鹽量增幅比無生物炭施加時小，較CK分別增加40.8%、43.1%、25.9%，下層土壤含鹽量分別增加24.9%、52.8%、63.3%。

圖1 不同灌溉方式與不同生物炭處理下各土層土壤析出液含鹽量變化Fig.1 Changes of salt content in different soil layers eluate under different irrigation methods and biochar treatments

圖2(圖中不同小寫字母表示不同礦化度下生物炭Na+吸附能力差異顯著(P<0.05))為在不同礦化度下生物炭Na+吸附能力。結果表明，在高礦化度下生物炭的Na+吸附能力顯著提高(P<0.05)，更多的Na+被生物炭吸附于固體聚合物中，在5 g/L礦化度下吸附能力最高，為51.28 mg/g，這與AKHTAR等[15]研究結果一致。由于生物炭較強的吸附作用，Na+被從土壤溶液中吸附并固定于生物炭土壤聚合物中，土壤溶液含鹽量較低[10]。Na+使土壤顆粒分散，粘粒膨脹，破壞土壤團聚體結構，導致土壤導水能力降低[16]，生物炭對Na+的吸附作用可減少Na+對土壤結構的破壞，降低微咸水灌溉引起濱海圍墾區土壤發生次生鹽漬化的風險。

圖2 不同礦化度下生物Na+吸附能力變化Fig.2 Changes of biochar Na+ adsorption capacity under different salinities

2.2 施加生物炭對咸淡輪灌下玉米葉片水分利用效率及葉綠素含量的影響

圖3 不同灌溉方式與不同生物炭處理下玉米葉片水分利用效率與葉綠素含量的變化Fig.3 Changes of leaf water use efficiency and chlorophyll content of maize leaves under different irrigation methods and biochar treatments

不同灌溉方式與不同生物炭處理下玉米葉片水分利用效率(WUEL)及葉綠素含量見圖3(圖中*表示在0.05水平上差異顯著，** 表示在0.01水平上差異顯著，折線上方標注表示不同生物炭處理下差異顯著水平，下方標注表示在不同礦化度處理下差異顯著水平，下同)。從圖3中可知，低礦化度微咸水灌溉時輕微的鹽分脅迫激發玉米光合系統保護機制，導致葉片氣孔部分關閉，蒸騰速率(Tr)下降，葉綠素含量下降，但WUEL上升。SFF3(B0)與FFS3(B0)處理下，WUEL在壯苗期(第45天)、灌漿期(第105天)較CK上升1.7%、1.8%，葉綠素含量則分別減少12.0%、4.7%。 FSF3(B0)處理下WUEL與葉綠素含量在拔節抽雄期(第75天)分別下降4.4%、19.2%。高礦化度微咸水灌溉下非氣孔限制增強，伴隨著葉綠素退化，Pn下降遠大于Tr，所以WUEL較CK呈下降趨勢。SFF5(B0)、FSF5(B0)、FFS5(B0)分別較CK下降6.3%、11.5%、3.1%，葉綠素含量則分別下降20.0%、19.2%、11.2%。施加生物炭后，WUEL仍表現出低礦化度下增加、高礦化度下降低的趨勢，但減幅較小， SFF5(B5)、FSF5(B5)、FFS5(B5)處理的WUEL比CK減少5.1%、11.2%、2.7%，葉綠素含量降幅也有所減小，為6.3%、11.5%、3.1%。微咸水灌溉在玉米營養階段對其光合參數的抑制作用大于生殖階段，生物炭的施加顯著提高了各生長階段的光合參數(P<0.05)，且在高礦化度微咸水灌溉下改善效果更為突出。5 g/L微咸水處理下光合參數上升10.0%～15.4%，葉綠素含量上升21.9%～37.5%。

2.3 施加生物炭對咸淡輪灌下玉米株高、葉面積的影響

不同灌溉方式與不同生物炭處理下玉米株高、葉面積動態變化見圖4。隨時間推移，株高與葉面積逐漸增大，并分別于第90、75天達到峰值。微咸水灌溉帶入鹽分影響玉米生長，且礦化度越大，抑制越嚴重。SFF5(B0)、FSF5(B0)、FFS5(B0)株高較CK最大下降分別為13.77、32.47、9.75 cm，葉面積最大下降分別為28.75、91.82、14.92 cm2。灌漿期灌溉微咸水對玉米株高和葉面積影響最小，這可能是因為玉米在灌漿期主要進行生殖生長，其鹽分敏感程度較營養階段小。加入生物炭后，株高和葉面積均有顯著提高。SFF5(B5)、FSF5(B5)、FFS5(B5)株高最大降幅比無生物炭處理分別減小46%、8%、19.2%，葉面積最大降幅則分別減小48.4%、11.5%、22.4%。生育期結束后，最小株高和葉面積均出現于FSF模式下，FSF5(B5)處理的株高和葉面積比FSF5(B0)處理提高23.55%和16.8%，表明施加生物炭可以減小微咸水灌溉對玉米的鹽分脅迫影響程度。

2.4 施加生物炭對咸淡輪灌下玉米葉片水勢比的影響

圖5為不同灌溉方式與不同生物炭處理下玉米葉片水勢與Na+/K+比變化情況。微咸水灌溉帶入大量Na+，并且限制玉米對K+的吸收，導致葉片中Na+/K+比增加。5 g/L各處理在微咸水灌溉時期Na+/K+比均出現最大增幅，無生物炭處理時較CK分別增加2.35、1.90、0.84，壯苗期最大。加入生物炭后，相同生育期內，各參數處理間差異顯著(P<0.05)，5%生物炭處理的葉片水勢負值水平均小于0%生物炭處理。在3個生育期葉片最大Na+/K+比較無生物炭處理分別減小64.6%、60.1%、63.9%，生物炭的施加顯著降低玉米對Na+的吸收，并增加K+的吸收，有效緩解微咸水鹽脅迫。灌溉水礦化度的增加導致葉片水勢負值水平在各個生育期出現不同程度上升，升幅從小到大依次為灌漿期、拔節抽雄期、壯苗期，SFF5(B0)處理葉片水勢負值水平最高，為-1.62 MPa，分別高于拔節抽雄期、灌漿期20.9%、27.0%，表明鹽脅迫在壯苗期對玉米葉片水勢影響更大。

圖4 不同灌溉方式與不同生物炭處理下玉米株高、葉面積變化Fig.4 Changes of plant height and leaf area under different irrigation methods and biochar treatments

圖5 不同灌溉方式與不同生物炭處理下玉米葉片水勢與Na+/K+比變化Fig.5 Changes of leaf Na+/K+ and water potential under different irrigation methods and biochar treatments

2.5 施加生物炭對咸淡輪灌下玉米產量及產量水分利用效率的影響

表1列出了不同處理下玉米最終地上干物質質量、穗質量、百粒質量以及產量水分利用效率(WUE)。從表1中可以看出，玉米地上干物質質量、穗質量、百粒質量隨微咸水礦化度的增加而降低，且最小值均在FSF5(B0) 出現，與CK相比分別降低14.30%、11.54%、26.63%。施加生物炭處理所有指標均有大幅上升，與未施加生物炭相比，地上干物質質量、穗質量、百粒質量分別增加40.82%、39.48%、41.95%。壯苗期、拔節抽雄期灌溉5 g/L微咸水顯著降低玉米的最終產量，施加生物炭能顯著提高玉米的收獲指數，一定程度上緩解玉米減產。WUE與地上干物質質量呈現出相似的規律，無論是否施加生物炭，最小值均出現在FSF5處理。施加生物炭后，最小值比未施加生物炭時增加45.75%。壯苗期、拔節抽雄期灌溉微咸水WUE下降更為明顯，進一步驗證了玉米在其營養階段比生殖階段對鹽分更為敏感的結論。不同交替灌溉順序中，施加生物炭均能提高玉米WUE。SFF5(B0)、FSF5(B0)、FFS5(B0)的WUE較CK分別下降25.30%、35.74%、24.1%，施加生物炭后降幅減小為10.4%、14.5%、7.06%。

表1 不同灌溉方式與不同生物炭處理下玉米產量構成要素及產量水分利用效率Tab.1 Yield and yield water use efficiency under different irrigation methods and biochar treatments

注：數據為平均值±標準差。每列數值后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 討論

鹽脅迫是影響作物正常生長的重要因素，水土中鹽分過高是農業發展不可避免的障礙[17]。生物炭是一種在無氧環境條件下緩慢高溫分解而成富含碳的有機質，因其具有較大的氧化表面積以及特殊的多孔結構而對土壤有較好的改良作用[18]。生物炭包含大量K+、Ca2+、Mg2+[19]，一方面可作為作物礦物質養分的來源，另一方面其含有的Ca2+、Mg2+可交換鹽漬化土壤膠體吸附的Na+[20]。生物炭呈負電荷且具有多孔隙結構，其較高的Na+吸附能力可減少Na+對土壤結構的破壞，促進土壤顆粒的膠結與團聚作用，改善土壤團粒結構[21-22]，提高土壤透水性[23]，促進濱海圍墾區土地開墾活動[24-25]。在輪灌淡水過程中，無生物炭處理上層土壤溶液含鹽量仍保持較高水平，導致鹽脅迫持續時間較長，而5%生物炭處理中，大量鹽分隨淡水運移到土壤下層，進一步降低了表層土壤溶液含鹽量，從而減少鹽脅迫持續時間。

光合作用為玉米主要生理過程之一，對鹽脅迫反應敏感。低礦化度微咸水激發玉米保護機制，氣孔關閉，WUEL升高，高礦化度微咸水灌溉下非氣孔限制增強，WUEL下降[26]。高礦化度下光合性能改變與葉綠素降解有關[27]，葉綠素含量也隨礦化度增高而降低。受限的光合作用影響了玉米的生長，玉米在營養階段(壯苗期、拔節抽雄期)對鹽脅迫更為敏感，株高和葉面積受抑制，且礦化度越高抑制作用越大[28]。灌漿期玉米主要進行生殖生長，抗鹽脅迫能力較強，鹽脅迫的抑制效果不明顯。生物炭的施加減輕了微咸水灌溉對玉米光合系統的不利影響[29]，施加生物炭處理的玉米表現出較高WUEL，葉綠素含量也較高，且在敏感階段，這種緩解作用更為有效。

有研究表明，高礦化度下非氣孔限制所導致光合作用降低的原因是離子脅迫對植物光合機制或碳反應酶活性的影響[30]。MUNNS[31]也提出鹽脅迫對植物生長影響的兩階段模型：第1階段為水分脅迫，第2階段植株吸收Na+增多，造成離子毒害。在本研究中，施加生物炭處理的玉米葉片水勢負值水平較低，表明生物炭通過其較高的鹽吸附能力緩解滲透脅迫并能改善植物水分狀況。此外，因為玉米在營養階段對Na+抗斥能力差，所以在壯苗期和拔節抽雄期灌溉微咸水更易產生離子脅迫，Na+/K+比較高。施加生物炭處理下，由于生物炭吸附土壤溶液中的Na+，顯著降低玉米對Na+吸收，通過釋放礦質養分提高對K+吸收，輔助調節離子平衡[32]。

生物炭的施加可改善濱海鹽漬土鹽分狀態，減少Na+對土壤結構的破壞，促進玉米光合作用，減輕水分脅迫，避免離子毒害，最終增加地上干物質質量、穗質量、百粒質量以及產量水分利用效率，提高咸淡輪灌的效率與可行性。由于玉米在營養階段對鹽分更為敏感，此時灌溉微咸水對玉米生長不利，導致水分利用效率低，造成減產。已有交替灌溉研究倡導在生長前期用淡水，在耐鹽度較高的生長后期用微咸水灌溉。本研究發現，生物炭改良作用使高礦化度微咸水在敏感階段可供灌溉，壯苗期灌溉微咸水的玉米在后期生長過程中各參數明顯增長，最終比無生物炭改良處理具有更高的地上干物質質量、穗質量、百粒質量以及產量水分利用效率。

4 結論

(1)在高礦化度下生物炭表現出較高的Na+吸附能力，在5 g/L礦化度下吸附量最高為51.28 mg/g。生物炭將Na+從土壤溶液中固定，緩解土壤鹽分表聚，減小Na+對土壤結構的破壞。同時施加生物炭可改善植物水分狀況并緩解鹽脅迫造成的離子毒害，玉米葉片最大Na+/K+比下降64.6%。

(2)微咸水灌溉導致玉米光合參數與葉綠素含量下降，且在鹽分抗性相對薄弱的營養階段，抑制作用較生殖階段更為明顯。施加生物炭處理后，玉米各生長階段的光合參數與葉綠素含量較無生物炭處理顯著上升，5 g/L微咸水處理增益最大，光合參數上升10.0%～15.4%，葉綠素含量上升21.9%～37.5%。

(3)由于玉米在灌漿期主要進行生殖生長，灌溉微咸水對玉米株高和葉面積影響最小，施加生物炭在各個生育階段均有顯著增加。淡咸淡模式下用最高礦化度灌溉，株高和葉面積最小，加入生物炭后分別增加23.55%、16.8%。

(4)相較于“淡淡咸”模式，“咸淡淡”與“淡咸淡”灌溉模式下玉米產量及其構成要素下降更為明顯，加入生物炭后有顯著提高。最小值均出現在“淡咸淡”模式下5 g/L微咸水灌溉處理，與未施加生物炭相比，地上干物質質量、穗質量、百粒質量和產量水分利用效率分別增加40.82%、39.48%、41.95%、43.75%。