生物炭、有機肥連續(xù)施用對鹽堿土壤改良效果研究

王世斌，高佩玲,，趙亞東，相龍康，孟慶梅，劉 月

(1.山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255000；2.山東理工大學資源與環(huán)境工程學院，山東 淄博 255000)

關鍵字：中度鹽堿地；生物炭；有機肥；土壤改良；鈉吸附比；堿化度

黃河三角洲地區(qū)是我國重要的糧棉生產(chǎn)基地，該地區(qū)土地資源豐富，但常年受海潮淹沒，地下水位埋深淺且礦化度高，外加季節(jié)降雨不均、降雨量少、蒸發(fā)量大，使鹽分在土壤表層積聚，形成的鹽堿化土壤面積達24萬hm2，約占黃河三角洲全區(qū)面積的1/2[1]。鹽堿土壤是我國重要的后備土地資源[1-3]。因此，調(diào)控土壤的水鹽分布狀況、改良和合理開發(fā)利用鹽堿地，對我國濱海農(nóng)業(yè)灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

生物炭和有機肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及鹽堿地改良具有良好的實用價值。由作物秸稈制成的生物炭具有高穩(wěn)定性、多孔結(jié)構(gòu)獨特和大比表面積等特性，用于鹽堿土壤改良能夠起到降低土壤容重、促進團聚體形成、增加作物產(chǎn)量、改善土壤環(huán)境及鹽堿化程度的作用[4-5]；勾芒芒等[6-7]通過大田試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭處理能使0～20 cm土層的持水性能顯著提升，增幅可達40%；可使土壤含水率的極值比Ka和變異系數(shù)Cv降低，其值隨著生物炭施用的年限增加而減小；楊剛等[8]研究表明，施加生物炭能夠有效降低鹽堿土壤水溶性鹽分含量，同時具有降低土壤容重、改善土壤結(jié)構(gòu)的特性；朱建峰[4]、陳延華等[9]研究表明，適量施用生物炭能有效降低鈉吸附比(SAR)、堿化度(ESP)值和Na+的含量，增加Ca2+、Mg2+含量，對鹽堿土壤理化性質(zhì)的改良效果顯著，進而提高作物的產(chǎn)量，增產(chǎn)率達23.05%。有機肥作為一種綠色肥料，具有降低土壤容重、促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成、促使土壤保水增肥增產(chǎn)等性能[10-12]；張建兵等[13]研究表明，有機肥用于灘涂圍墾農(nóng)田明顯提升了表層土壤的保水性能，對降低土壤pH值及改善土壤環(huán)境效果顯著；石玉龍[14]、肖輝等[15]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中鹽分平衡取決于肥料帶入的鹽分量和蔬菜移除的鹽分量，適量減少總施肥量，增加有機肥的施用比例能有效減輕土壤鹽漬化程度；李玉、趙碩等[16-17]發(fā)現(xiàn)，在濱海鹽堿土中施用有機肥替代高量化肥能夠顯著降低土壤水溶性鹽分總量、pH、水溶性鈉和交換性鈉的比例，促使SAR和ESP值降低，有效抑制Na+毒害，使得小麥產(chǎn)量得到提高。目前，生物炭和有機肥用于鹽堿地改良雖然進行了一系列研究，但缺乏在冬小麥-夏玉米連作條件下多年連續(xù)施用生物炭和有機肥對鹽堿土壤水鹽分布及水溶性鹽基離子時空變化的對比分析。

黃河三角洲地區(qū)鹽堿地面積較大，由生物質(zhì)制成的富碳、富K+型生物炭及牲畜糞便較多且未合理開發(fā)利用，本文以黃河三角洲地區(qū)中度鹽堿土為研究對象，通過田間小區(qū)試驗，研究生物炭和有機肥在冬小麥-夏玉米連作系統(tǒng)中連續(xù)施用3 a后，對中度鹽堿土的土壤含水率、土壤含鹽量、鈉鈣鎂離子含量、SAR及ESP時空變化規(guī)律以及小麥產(chǎn)量的變化，對比分析生物炭和有機肥對鹽堿土壤的改良效果，以期為黃河三角洲地區(qū)鹽堿土壤的改良增產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年在山東省濱州濱城區(qū)中裕高效生態(tài)農(nóng)牧循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園(37°29′N，118°03′E)進行，氣候類型為溫帶大陸性季風氣候，多年平均地面溫度為14.7℃，年平均氣溫為12.7℃，平均日照時數(shù)為2632 h，年平均降雨量為564.8 mm，降雨多集中在6、7、8月。該地區(qū)土壤類型為中度鹽堿土，作物種植模式為冬小麥-夏玉米輪作；利用激光粒度儀(Malvern Mastersizer 3000型，英國)測定土壤砂粒、粘粒、粉粒占比分別為20.26%、2.96%、76.78%，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標準對試驗土壤質(zhì)地進行劃分，屬于粉砂質(zhì)壤土。試驗前土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗前土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗材料

試驗采用山東省銘宸環(huán)衛(wèi)設備有限公司生產(chǎn)的生物炭，是棉花秸稈在800℃下經(jīng)72 h熱解而成，容重0.297 g·cm-3，pH8.6，含碳量73%，含氮量0.9%，有效磷0.08%，有效鉀1.6%。

試驗采用灰黑色顆粒的有機肥，由山東甕福金谷化肥有限公司提供，主要成分為豬糞，pH6.7，有機質(zhì)含量>45.0%，N、P2O5、K2O總量≥5.0%。

1.3 試驗設計

試驗于2016年6月開始至2019年6月結(jié)束，采用冬小麥—夏玉米輪作種植模式，冬小麥于每年11月播種，次年6月收獲；夏玉米于每年6月播種，10月收獲。連續(xù)3 a設置6種不同的土壤改良方式，分別為：CK(僅施N 550 kg·hm-2·a-1和P2O5120 kg·hm-2·a-1)、C1(5 t·hm-2·a-1生物炭)、C2(10 t·hm-2·a-1生物炭)、C3(20 t·hm-2·a-1生物炭)、N1(7.5 t·hm-2·a-1有機肥)、N2(10 t·hm-2·a-1有機肥)，每個處理3次重復，共計18個小區(qū)，每個小區(qū)面積為14 m×10 m=140 m2。每個生育季的施肥方法：每個處理的氮肥、磷肥用量均為：N 550 kg·hm-2·a-1、P2O5120 kg·hm-2·a-1。由于生物炭和有機肥含有一定量的N和P，為滿足N 550 kg·hm-2·a-1和P2O5120 kg·hm-2·a-1的施用量，生物炭和有機肥處理N、P不足部分由尿素和磷酸二銨補充[14]，因土壤中K+含量較高，故不施鉀肥。生物炭、有機肥、磷肥及1/3的尿素作基肥在播種前一次性施入，其余2/3尿素用于追肥，基肥經(jīng)人工均勻撒施后立即旋耕，旋耕深度為15 cm[14]。除草、防病蟲等管理措施與當?shù)毓芾砟Ｊ揭恢隆?/p>

1.4 土壤采集

在2018年10月至2019年6月的冬小麥生育期內(nèi)采集土壤樣品，共分6個生育期：苗期、分蘗期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期；取土深度為0～40 cm[19]，利用土鉆分別在試驗區(qū)的0～20、20～40 cm土層采集土壤樣品[18-19]；一部分新鮮土樣用于測定土壤含水率，另一部分土樣經(jīng)自然風干后過2 mm篩，用于測定土壤含鹽量、水溶性Na+、Ca2+、Mg2+含量。

1.5 測定項目及方法

土壤含水率：采用烘干法[20]進行測定，在已稱重的鋁盒中放入20 g左右的鮮土，放入105℃的烘箱中烘干12 h后冷卻至室溫，立即稱重。

土壤含鹽量：利用電導率儀(DDS-11A，上海)測定土壤浸提液(水土比5∶1)電導率，并根據(jù)已測得的浸提液電導率值與質(zhì)量法[20]測得的土壤含鹽量建立的線性關系，將電導率值轉(zhuǎn)化為土壤含鹽量，具體公式[21]為：

y=2.160EC5∶1+0.303

(1)

式中,y為土壤含鹽量(g·kg-1)，EC5∶1為25℃下土壤浸提液電導率(mS·cm-1)。

水溶性Na+、Ca2+、Mg2+含量：取部分土壤浸提液(水土比5∶1)，利用A3AFG-12原子吸收分光光度計(PERSEE，北京)進行測定[20]；鈉吸附比(SAR)和堿化度(ESP)值計算公式[18]如下：

(2)

(3)

產(chǎn)量：依據(jù)農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范(作物分冊)進行測定[22]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計軟件Excel進行基本數(shù)據(jù)處理；采用SPSS的單因素方差分析(ANOVA)和顯著性分析法(LSD)檢驗處理間差異性；采用OriginPro 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭和有機肥對土壤含水率的影響

2018—2019年小麥生育季內(nèi)0～20 cm和20～40 cm土層土壤含水率動態(tài)變化如圖1、圖2所示；結(jié)果表明：整個生長季內(nèi)0～40 cm土層土壤含水率隨時間推移呈先增加后減小再增加的趨勢，其中返青期最高，原因是返青期之前進行了一次春灌，外加溫度及蒸發(fā)強度較低，導致返青期土壤含水率較高。0～20 cm土層中，同一生育期各處理的土壤含水率均大于CK，且隨施炭量的增加而增大，隨有機肥施加量增加而減小，其中，分蘗期、返青期、成熟期各處理與CK差異性顯著(P<0.05)，其余生育期差異不明顯；C1、C2、C3、N1、N2處理的土壤含水率平均值較CK分別提升了12.61%、17.98%、20.35%、7.60%、15.92%，其中，C3處理增幅最大。20～40 cm土層各處理土壤含水率較CK均呈下降趨勢，且隨生物炭和有機肥施加量的增加而減小，各處理在分蘗期、返青期、灌漿期及成熟期與CK差異顯著(P<0.05)，其余生育期差異不明顯，C1、C2、C3、N1、N2處理土壤含水率較CK分別降低了9.23%、4.39%、6.52%、5.55%、8.86%，C1處理降幅較大。綜上表明，摻生物炭或有機肥均可有效提升耕層土壤的保水蓄水能力，減少土壤水分的深層滲漏，生物炭對提升耕層土壤的保水蓄水性能要優(yōu)于有機肥，其中，C3處理效果最佳。

施生物炭和有機肥后土壤含水率的變異程度在統(tǒng)計學常用極值比Ka和變異系數(shù)Cv進行表征，Ka和Cv越小說明土壤含水率的變異程度越小、穩(wěn)定性越高，計算公式為：

Ka=Xmax/Xmin

(4)

(5)

由表2分析可知，隨著土層深度的增加，Ka和Cv總體呈降低趨勢，其原因是表層土壤受外界環(huán)境的影響較大，土層深度越大外界環(huán)境對其影響越小，故0～20 cm土層土壤含水率的變異程度大于20～40 cm；0～20 cm土層同一生育期的Ka和Cv均隨施炭量增加先降低后增加，其中C2處理的變異程度最小，有機肥處理的Ka和Cv要大于生物炭處理的，且隨有機肥施加量增加而增大；20～40 cm土層的Ka和Cv變化趨勢與0～20 cm土層一致。綜上所述，施加生物炭和有機肥均可減小剖面含水率的Ka和Cv，其中生物炭處理要優(yōu)于有機肥處理，且C2處理效果最優(yōu)，具有更穩(wěn)定的保水能力。

表2 各處理土壤含水率在土壤剖面的變異程度

2.2 生物炭和有機肥對土壤含鹽量的影響

土壤含鹽量是表征土壤鹽漬化程度的重要指標[18]。由圖3、圖4可知，各處理的土壤含鹽量隨時間推移均呈降低趨勢，在成熟期達到較低值。圖3表明，同一生育期下0～20 cm土層生物炭處理的土壤含鹽量明顯小于CK，且隨施炭量增加先降低后升高，C2處理的土壤含鹽量最低，但有機肥處理的土壤含鹽量均大于CK，且隨著有機肥的施加量增加而增大，在苗期出現(xiàn)最大值，其原因是有機肥自身含有一定鹽分，根據(jù)質(zhì)量守恒原則，有機肥施加后土壤含鹽量必然增加；C2、N1和N2處理與CK有顯著性差異(P<0.05)，其余處理差異不明顯，表明C2處理脫鹽效果明顯。圖4表明，同一生育期下20～40 cm土層各處理土壤含鹽量的變化趨勢與0～20 cm土層基本一致，且與CK在成熟期有顯著性差異(P<0.05)，其余時期差異性不明顯，表明生物炭和有機肥處理在成熟期均顯著降低了土壤含鹽量，但N1、N2處理在苗期、分蘗期、返青期、拔節(jié)期顯著高于CK。整個生育季0～20 cm和20～40 cm土層土壤含鹽量均表現(xiàn)為：N2>N1>CK>C3>C1>C2，其中C1、C2和C3處理在0～20 cm土層的土壤含鹽量較CK分別降低了5.23%、9.80%、3.56%，20～40 cm土層分別降低了4.05%、5.16%、5.15%。綜合分析可得，生物炭對0～40 cm土層鹽堿土壤的脫鹽效果要優(yōu)于有機肥，且C2處理脫鹽效果較優(yōu)。

2.3 生物炭和有機肥對Na+、Ca2+、Mg2+含量的影響

連續(xù)3 a施用生物炭和有機肥后，2018—2019年小麥生育期0～40 cm土層Na+、Ca2+和Mg2+含量時空變化如圖5所示。

在0～40 cm土層中，Na+含量隨著時間的推移總體呈下降趨勢，但最低值出現(xiàn)在返青期和拔節(jié)期，其原因是返青期前進行了一次春灌，土壤淋溶強烈，Na+與Ca2+、Mg2+發(fā)生置換后被沖刷淋溶進入土壤深層，導致上層土壤Na+含量較低，C1、C2、C3、N1、N2處理水溶性Na+含量比CK分別低12.04%、12.51%、11.49%、9.15%、4.59%，說明有機肥和生物炭均能有效降低土壤水溶性Na+含量，減輕土壤鹽堿化程度，但有機肥降鈉鹽效果略差于生物炭處理，C2處理效果較優(yōu)。由圖5可知，各處理的Ca2+、Mg2+含量隨時間推移總體呈下降趨勢，均在成熟期達到較低值。0～20 cm土層各處理的Ca2+、Mg2+平均含量表現(xiàn)為：N2>N1>C2>C1>C3>CK；20～40 cm土層的表現(xiàn)為：N2>N1>CK>C2>C1>C3。整體來說，0～40 cm土層C1、C2、C3、N1、N2處理的Ca2+含量分別比CK高4.07%、4.25%、1.98%、29.64%、53.42%，Mg2+含量分別比CK高8.83%、10.69%、4.37%、33.56%、48.90%。分析可得，生物炭和有機肥均能提升土壤中Ca2+、Mg2+含量，改善根系土壤的營養(yǎng)狀況，但有機肥處理對0～40 cm土層水溶性Ca2+、Mg2+的含量提升效果明顯，生物炭僅對0～20 cm土層提升效果明顯，且提升幅度略差于有機肥處理；綜合來看，生物炭處理對鹽堿土壤的改良效果較優(yōu)，在保證作物根系營養(yǎng)狀況的基礎上更有利于降低Na+的毒害。

2.4 生物炭和有機肥對鹽堿化土壤SAR、ESP的影響

2018—2019年小麥生育期0～40 cm土層SAR、ESP時空變化如圖6、圖7所示。SAR是劃分鈉質(zhì)和非鈉質(zhì)土壤的重要參數(shù)[18]，當SAR<10時，鈉害為低；當1018時，鈉害為高，本研究的土壤SAR小于10，所以為低鈉害[9,17]；由圖6可知，有機肥和生物炭處理顯著降低了0～40 cm土層的SAR值，且整個生育季內(nèi)各處理的SAR值隨時間推移呈降低趨勢，但在分蘗期、灌漿期出現(xiàn)峰值，這與分蘗期土壤蒸發(fā)量大、降雨量較少，灌漿期的小麥耗水量大、作物根系吸水帶動鹽分向上運移有關；0～20 cm土層的生物炭和有機肥處理對SAR的降幅大于20～40 cm土層；0～40 cm土層C1、C2、C3、N1、N2處理與CK相比平均值分別降低了15.81%、15.13%、12.67%、21.28%、23.61%，表明有機肥和生物炭處理均能夠降低土壤的SAR值，且有機肥處理略優(yōu)于生物炭處理。

ESP被用作堿土分類及堿化土壤改良的指標和依據(jù)[9]。3%

2.5 生物炭、有機肥對小麥產(chǎn)量的影響

由表3可得2019年各處理小麥產(chǎn)量在4 696.3～5 943.9 kg·hm-2之間，其中生物炭處理和N1處理產(chǎn)量顯著高于CK，較CK增產(chǎn)率達7.83%～20.97%，且隨著施炭量增加先增加后降低，N2處理的小麥產(chǎn)量要低于CK，其原因可能是土壤有機肥摻加后明顯提升了表層土壤含鹽量，對作物生長產(chǎn)生負面影響。綜合表明，生物炭處理對小麥增產(chǎn)效果優(yōu)于有機肥處理，其中C2處理的產(chǎn)量最高，較CK增產(chǎn)達20.97%。

表3 2019年小麥產(chǎn)量與增產(chǎn)率

3 討 論

土壤水是植物生長的必需水源，是地表水與地下水連接的紐帶[7]。生物炭具有親水和強吸附等特性，施入土壤后能提升土壤的保水性能、減少水分的深層滲漏，且隨施炭量增加而增強，有機肥能夠促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，進而提升鹽堿土壤對水分的吸持能力。本文研究發(fā)現(xiàn)生物炭和有機肥均顯著提高了0～20 cm土層土壤含水率，減少了水分滲漏，這與前人的研究結(jié)論基本一致[6-7,13-14]；本試驗通過土壤含水率的變異程度發(fā)現(xiàn)，施加生物炭和有機肥后土壤含水率的變化幅度及變異程度均呈減弱趨勢，表明生物炭和有機肥的施入增強了土壤持水的穩(wěn)定性，與勾芒芒等[6-7]的研究結(jié)論一致；綜合分析發(fā)現(xiàn)施生物炭10 t·hm-2·a-1的保水持水效果較優(yōu)。

土壤鹽分過高是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要障礙因子[20-24]。生物炭具有大比表面積、強吸附、陽離子交換性強等特性，有機肥具有改善土壤結(jié)構(gòu)、保水增肥、抑制鹽分表聚等特性，二者用于鹽堿農(nóng)田的改良均具有減輕土壤鹽堿程度的作用[6-8,13-16]。本研究發(fā)現(xiàn)在小麥生育季內(nèi)，生物炭處理與CK相比，明顯降低了土壤含鹽量，減輕了鹽脅迫對作物的不利影響，為作物提供了良好的土壤鹽分環(huán)境，有機肥含有的有機質(zhì)促使微生物活動頻繁，促使動植物與土壤微生物共存，改善了土壤環(huán)境，使得土壤中水、肥、鹽處于動態(tài)平衡中，但脫鹽效果不如生物炭處理，這與肖輝、朱成立等結(jié)論基本一致[15,24]；數(shù)據(jù)表明施生物炭10 t·hm-2·a-1的處理降鹽效果較好。

本研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭和有機肥處理對土壤水溶性鹽基離子的組成影響顯著，表現(xiàn)為降低Na+含量，增加Ca2+、Mg2+含量，這與生物炭和有機肥能夠促進土壤團狀顆粒的形成，增加土壤通透性、促使Ca2+、Mg2+與Na+發(fā)生置換、加快了Na+淋洗有關[4,15,16,25-27,]；但生物炭對Na+的降低效果優(yōu)于有機肥，對Ca2+和Mg2+含量的提升效果略差于有機肥，其原因是生物炭具有大孔隙結(jié)構(gòu)、大比表面積、獨特的羥基、羧基及苯環(huán)等官能團提高了土壤的陽離子交換，加速了土壤淋洗，而有機肥中Ca2+、Mg2+含量遠高于生物炭[17,25-27]。研究發(fā)現(xiàn)生物炭和有機肥處理對鹽堿土壤的SAR、ESP值降低效果明顯，減輕了土壤的堿化程度，降幅隨著施炭量增加先增加后減少，隨有機肥施加量增加而增加，這與相關研究結(jié)論基本一致[16-18,26-27]；其中有機肥對SAR和ESP值的降低幅度略優(yōu)于生物炭，其原因與有機肥中的Ca2+、Mg2+含量大于生物炭有關，但二者差異較小，綜合表明有機肥、生物炭均有利于降低土壤的堿化程度，使作物免受Na+的毒害。

本研究發(fā)現(xiàn)長期施加生物炭改善了鹽堿土壤的鹽分狀態(tài)，提高耕層中的水分含量，減少了土壤Na+的毒害，有利于小麥分蘗成穗及成穗結(jié)實，最終增加了小麥的產(chǎn)量、提高了鹽堿土壤改良的可行性，這與朱成立等人研究結(jié)論一致[8,24]；有機肥處理則隨著施加量的增加，產(chǎn)量呈降低趨勢，這與小麥在營養(yǎng)生長階段對土壤鹽分較為敏感、有機肥施加前期提升了0～20 cm土層土壤含鹽量有關；本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對鹽堿土壤的改良效應、小麥增產(chǎn)效果優(yōu)于有機肥，且施生物炭10 t·hm-2·a-1的效果較優(yōu)。

4 結(jié) 論

1)生物炭和有機肥處理均提升了0～20 cm土層土壤含水率，降低了20～40 cm土層土壤含水率，其中，生物炭處理優(yōu)于有機肥，且C3對土壤保水性能的提升效果最佳，減少了水分的深層滲漏；生物炭和有機肥均降低了土壤含水率的變異程度，C2處理降幅較大，具有更穩(wěn)定的保水性能。

2)相同條件下，生物炭施用后明顯降低了各土層的土壤含鹽量，且C2處理脫鹽效果較優(yōu)；有機肥處理降鹽效果不明顯，施用初期明顯提高了土壤含鹽量。

3)相較于有機肥處理，生物炭對水溶性Na+含量的降低效果更為明顯，C2處理的降低效果最優(yōu)，但對SAR、ESP值降低、對Ca2+、Mg2+含量提升的效果略差于有機肥處理。

4)生物炭對小麥增產(chǎn)效果顯著高于有機肥處理，且C2處理小麥產(chǎn)量最高，增產(chǎn)率達20.97%。

5)綜合分析，摻加生物炭處理能為作物生長提供更好的土壤水鹽環(huán)境，提高作物產(chǎn)量，對鹽堿土壤的改良效果優(yōu)于有機肥處理，其中，C2處理效果較優(yōu)。因此，黃河三角洲地區(qū)的鹽堿地改良建議采用摻加10 t·hm-2·a-1的生物炭處理。生物炭和有機肥對鹽堿土壤水、肥、鹽綜合調(diào)控將在后續(xù)研究中進一步分析。