生物炭和園林廢棄物堆肥對濱海鹽堿土淋溶的影響

周文志， 孫向陽， 李素艷， 張 樂

(北京林業大學林學院，100083，北京)

濱海鹽堿地是在海洋和陸地的相互作用下，由大量泥沙沉積形成的連接陸地和海洋的緩沖地帶。在我國漫長的海岸線上，分布著大量的濱海鹽堿土，面積約67萬hm2[1]。由于鹽堿土有pH值高、通透性差、表層易板結、養分含量低等特點，使得鹽堿地區土壤條件惡劣、土地生產能力低，土地資源難以得到充分的開發，造成大量土地資源的浪費，從而加劇了沿海地區土地資源短缺的現狀。灌溉洗鹽是降低鹽漬化土壤鹽分含量最簡單有效的方法之一，提高灌溉洗鹽效率首要任務是改善土壤的通透性[2]。生物炭是生物質熱裂解反應的固體產物，可用作土壤調理劑，降低土壤密度[3]、改善土壤結構與孔性[4]、提高土壤通透性[5]、加快水分入滲和再分配[6]。堆腐后的園林廢棄物具有碳含量豐富且質地疏松的特點，可作為肥料和土壤調節劑，可促進土壤團粒結構的形成，降低土壤的pH，提高土壤的肥力及微生物活性[7]，改善土壤的通透性達到改良土壤效果[8-10]。

本研究通過室內淋溶脫鹽試驗，向河北省濱海地區典型鹽堿土的表層土壤(0～20 cm)中添加不同量生物炭和園林廢棄物堆肥，模擬測定淋溶液和土壤主要鹽分的含量。目的在于：1)了解添加不同量生物炭和園林廢棄物堆肥時，濱海鹽漬化土壤鹽分淋溶與脫鹽過程的特征及差異；2)了解生物炭和園林廢棄物堆肥在淋溶脫鹽過程中的作用，揭示生物炭和園林廢棄物堆肥的配施改良濱海鹽堿土的機理，有利于改善該區域濱海鹽堿土的現狀，為濱海城市的綠化及耕地鹽堿化改良提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

生物炭在500 ℃高溫厭氧條件下熱解5 h的果木炭，由陜西億鑫生物能源有限責任公司提供，主要成分為有機碳和礦質養分，其中Na+2.75 cmol/kg、K+11.26 cmol/kg、Ca2+14.21 cmol/kg、Mg2+1.26 cmol/kg，pH值為9.12，EC值為12.73 mS/cm。

1.2 試驗設計

本試驗采用的淋溶試驗裝置如圖1所示，以口徑12 cm高度10 cm底部帶孔的容器模擬土柱。容器底部墊2層紗布，防止漏土，盆下放置500 mL燒杯承接淋溶液。試驗共設置4個處理：CK處理，不添加任何材料；B處理，添加2%土壤質量分數的生物炭；G處理：添加5%土壤質量分數的園林廢棄物堆肥；BG處理：添加2%土壤質量分數的生物炭和5%土壤質量分數的園林廢棄物堆肥，各處理均重復3次。將過2 mm篩的風干土和改良材料充分混合均勻后，把500 g混合土樣分層填入容器之中，自然壓實。初次澆水150 mL，使土壤達到田間最大持水量，稱其初始質量。放入培養箱，在(25±1)℃恒溫培養，使土壤和改良材料充分融合，1周之后加水到飽和(以裸土飽和含水量為準)，之后開始淋溶。采用間歇式灌水的方式，以去離子水為水源，一次性給水100 mL(模擬約10 mm的降水量)，收集淋溶液，間隔1晝夜后，進行下一次淋溶，共進行6次。分析淋溶液以及淋溶后土壤的鹽堿指標。

圖1 淋溶試驗裝置圖Fig.1 Sketch map of leaching experiment

1.3 測定項目及方法

鈉吸附比(SAR, sodium adsorption ratio)是評價土壤鹽堿化程度的重要指標[15]，計算式為

(1)

1.4 數據處理

采用IBM SPSS 18.0進行相關數據的分析和處理。各處理之間采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和鄧肯法(Duncan)進行差異顯著性檢驗，顯著水平為0.05；采用Excel 2010進行作圖和制表分析。

2 結果與分析

2.1 淋溶液pH值的變化趨勢

圖2所示為不同處理下淋溶液pH值的變化趨勢。在淋溶試驗過程中，淋溶液的pH值變化較為明顯，這是因為濱海鹽堿土在脫鹽的過程中離子組成的變化會引起土壤性質的一系列改變，如鈉吸附比、堿化度、殘余碳酸鈉(residual sodium carbonate，RSC)等，由于室內淋溶脫鹽試驗的脫鹽程度更高，因此pH值的變化也相對更明顯。對CK而言，淋溶液的pH值隨著淋溶的進行先上升后下降，但變化趨勢不明顯，這反映了濱海鹽堿土在脫鹽過程中堿化的變化規律。B處理顯著提高了土壤的起始pH值，淋溶過程中明顯下降，pH值從8.82降低到8.37。G處理沒有明顯的改變土壤起始的pH值，但在淋溶過程中與CK相比明顯的抑制了土壤淋溶過程中pH值升高的現象，淋溶液的pH值從7.67升高至8.36后降低到8.24；G處理與CK的變化趨勢類似，但是變化幅度較小，pH峰值明顯小于CK。B處理和BG處理前期的pH值較大，這可能是由于生物炭中存在一定量的碳酸根離子，因此淋溶液的pH較高。在淋溶4次后，各處理的pH值的變化幅度較小，這是因為土壤中各成分達到一種相對平衡的狀態，并且含量很低。在整個淋溶過程中，淋溶4次之后，淋溶液的pH值均低于CK，試驗表明生物炭和園林廢棄物堆肥的添加能夠在一定程度上抑制土壤淋溶過程中的堿化，同時表明添加園林廢棄物堆肥的處理可以改善pH值。

CK：Without adding any material. B: Adding 2% soil mass fraction of biochar. G: Adding 5% soil mass fraction of garden waste compost. BG: Adding 2% soil mass fraction of charcoal +5% soil mass fraction of garden waste compost. The same as below. 圖2 不同處理下淋溶液pH的變化趨勢Fig.2 Changing trend of leaching solution pH in different treatments

2.2 淋溶液電導率的變化趨勢

電導率(EC)表征物質傳遞電流的能力，土壤EC值可用來表示土壤中可溶性鹽分的溶出狀況[16]。一般情況下，濱海鹽堿土中的水溶性離子的組成較為穩定，因此EC值可以在一定程度上反映鹽離子的含量[17]。鹽隨水動是土壤中水鹽運移的規律。如圖3所示，隨著淋溶的進行離子隨著淋溶液流出，土壤中的鹽分含量不斷減少。各處理淋溶液的電導率呈前期下降迅速，后期逐漸放緩。整體淋溶過程中與CK相比，添加改良材料的各處理淋溶液的電導率下降趨勢較快，表明添加生物炭和園林廢棄物堆肥的各處理的鹽分洗脫速率更快。淋溶效果最好的是BG處理，其次是B處理，最后是G處理。

圖3 不同處理下淋溶液電導率的變化趨勢Fig.3 Changing trend of leaching solution electrical conductivity (EC) in different treatments

2.3 淋溶液離子質量濃度的變化趨勢

圖4 不同處理下淋溶液中離子含量的變化趨勢Fig.4 Dynamic of ion contents in leaching solution in different treatments

圖5 淋溶液中離子質量濃度與電導率的相關性分析Fig.5 Correlation analysis between EC and three ions contents in leaching solution

2.4 淋溶液離子質量濃度與電導率的相關性分析

2.5 不同處理對淋溶后土壤鹽分指標的影響

表1表明，不同處理下淋溶后土壤的pH值存在顯著差異，pH值大小順序為B>CK>BG>G。G處理顯著低于CK，表明單獨添加園林廢棄物堆肥可以有效地降低濱海鹽堿土的pH值。B處理(添加2%土壤質量分數的生物炭)的pH值高于其他處理，可能是因為經過淋溶脫鹽之后土壤中的各成分含量較低，但是生物炭含有一定量的有機官能團(—COO—、—COOH、—O—、—OH等)，吸收土壤中的或水解離產生的H+，提高土壤的pH值[18]。

處理B、G和BG均能顯著降低土壤的EC值，與CK相比土壤EC值分別降低43.90%、34.15%、51.22%，但處理B、G和BG之間沒有呈現顯著性差異。淋溶結束后各組處理的土壤中易被淋溶的離子已淋溶得較為徹底，所以淋溶液的EC值在同一水平。但生物質純物理性的“摻雜”、物理化學的離子吸附與交換作用促進了土壤顆粒的膠結與團聚作用，改變土壤孔隙狀況，促進了淋溶效應，使添加生物炭組淋溶后土壤的EC值較低。園林廢棄物堆肥中的腐殖酸銨溶于水后形成親水膠體 ,它的羥基、羧基功能團與土壤中Ca2+發生凝聚反應，能夠促進土壤團聚體的形成，能夠有效改善土壤孔隙狀況，改善土壤結構促進鹽分的淋溶，降低了試驗組土壤的EC值。

表1 不同處理下淋溶后土壤的鹽分指標Tab.1 Salinity indexes of soil after leaching in different treatments

注：表中的數值為平均值±標準差，不同字母表示在0.05水平上差異顯著。Notes: The data in the table are mean ± standard deviation, and the different letters indicate significant differences at the 0.05 level. SAR stands for sodium adsorption ratio.

3 結論與討論

加入生物炭處理后，隨著淋溶次數的增加，淋溶液的pH值逐漸下降；加入園林廢棄物堆肥處理后，淋溶液的pH 值先升高后下降；同時加入生物炭和園林廢棄物堆肥的處理的pH值呈先下降后升高的趨勢，下降幅度小于單獨添加生物炭或園林廢棄物堆肥的處理。淋溶3次之前，加入園林廢棄物堆肥和生物炭的處理，EC值的下降速率明顯高于對照組。從平均斜率分析可以得出，同時加入生物炭和園林廢棄物堆肥的處理效果最好，其次是單獨添加生物炭，最后是園林廢棄物堆肥。

生物炭產生這種作用的原因和機理十分復雜，包括純物理性的“摻雜”效應，改變土壤孔隙狀況，物理化學的離子吸附與交換作用，如生物炭含有的 Ca2+、Mg2+等離子交換鹽漬化土壤膠體吸附的Na+，以及促進土壤顆粒的膠結與團聚作用，改善土壤團粒結構等，此外由于生物炭為多孔“剛性的”顆粒狀結構物質，可降低土壤密度，改善土壤孔隙狀況，提高土壤孔隙度，從而提高土壤透水性，促進鹽分隨水分運移，加快鹽分淋溶出土體，降低土壤含鹽量[19]。同時園林廢棄物堆肥堆腐過程中產生的腐殖酸類物質，例如腐殖酸銨溶于水后形成親水膠體，它的羥基、羧基功能團與土壤中Ca2+發生凝聚反應 ,能夠促進土壤團聚體的形成，能夠有效改善土壤孔隙狀況，改善土壤結構促進鹽分的淋溶，從而起到降低土壤EC值的作用。此外腐植酸的酸性可與鹽堿土的堿性中和,所以腐植酸可調節土壤的 pH值，例如硝基腐殖酸銨、硝基腐殖酸。