生物炭和园林废弃物堆肥对滨海盐碱土淋溶的影响

周文志， 孙向阳， 李素艳， 张 乐

(北京林业大学林学院，100083，北京)

滨海盐碱地是在海洋和陆地的相互作用下，由大量泥沙沉积形成的连接陆地和海洋的缓冲地带。在我国漫长的海岸线上，分布着大量的滨海盐碱土，面积约67万hm2[1]。由于盐碱土有pH值高、通透性差、表层易板结、养分含量低等特点，使得盐碱地区土壤条件恶劣、土地生产能力低，土地资源难以得到充分的开发，造成大量土地资源的浪费，从而加剧了沿海地区土地资源短缺的现状。灌溉洗盐是降低盐渍化土壤盐分含量最简单有效的方法之一，提高灌溉洗盐效率首要任务是改善土壤的通透性[2]。生物炭是生物质热裂解反应的固体产物，可用作土壤调理剂，降低土壤密度[3]、改善土壤结构与孔性[4]、提高土壤通透性[5]、加快水分入渗和再分配[6]。堆腐后的园林废弃物具有碳含量丰富且质地疏松的特点，可作为肥料和土壤调节剂，可促进土壤团粒结构的形成，降低土壤的pH，提高土壤的肥力及微生物活性[7]，改善土壤的通透性达到改良土壤效果[8-10]。

本研究通过室内淋溶脱盐试验，向河北省滨海地区典型盐碱土的表层土壤(0～20 cm)中添加不同量生物炭和园林废弃物堆肥，模拟测定淋溶液和土壤主要盐分的含量。目的在于：1)了解添加不同量生物炭和园林废弃物堆肥时，滨海盐渍化土壤盐分淋溶与脱盐过程的特征及差异；2)了解生物炭和园林废弃物堆肥在淋溶脱盐过程中的作用，揭示生物炭和园林废弃物堆肥的配施改良滨海盐碱土的机理，有利于改善该区域滨海盐碱土的现状，为滨海城市的绿化及耕地盐碱化改良提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

生物炭在500 ℃高温厌氧条件下热解5 h的果木炭，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，其中Na+2.75 cmol/kg、K+11.26 cmol/kg、Ca2+14.21 cmol/kg、Mg2+1.26 cmol/kg，pH值为9.12，EC值为12.73 mS/cm。

1.2 试验设计

本试验采用的淋溶试验装置如图1所示，以口径12 cm高度10 cm底部带孔的容器模拟土柱。容器底部垫2层纱布，防止漏土，盆下放置500 mL烧杯承接淋溶液。试验共设置4个处理：CK处理，不添加任何材料；B处理，添加2%土壤质量分数的生物炭；G处理：添加5%土壤质量分数的园林废弃物堆肥；BG处理：添加2%土壤质量分数的生物炭和5%土壤质量分数的园林废弃物堆肥，各处理均重复3次。将过2 mm筛的风干土和改良材料充分混合均匀后，把500 g混合土样分层填入容器之中，自然压实。初次浇水150 mL，使土壤达到田间最大持水量，称其初始质量。放入培养箱，在(25±1)℃恒温培养，使土壤和改良材料充分融合，1周之后加水到饱和(以裸土饱和含水量为准)，之后开始淋溶。采用间歇式灌水的方式，以去离子水为水源，一次性给水100 mL(模拟约10 mm的降水量)，收集淋溶液，间隔1昼夜后，进行下一次淋溶，共进行6次。分析淋溶液以及淋溶后土壤的盐碱指标。

图1 淋溶试验装置图Fig.1 Sketch map of leaching experiment

1.3 测定项目及方法

钠吸附比(SAR, sodium adsorption ratio)是评价土壤盐碱化程度的重要指标[15]，计算式为

(1)

1.4 数据处理

采用IBM SPSS 18.0进行相关数据的分析和处理。各处理之间采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和邓肯法(Duncan)进行差异显著性检验，显著水平为0.05；采用Excel 2010进行作图和制表分析。

2 结果与分析

2.1 淋溶液pH值的变化趋势

图2所示为不同处理下淋溶液pH值的变化趋势。在淋溶试验过程中，淋溶液的pH值变化较为明显，这是因为滨海盐碱土在脱盐的过程中离子组成的变化会引起土壤性质的一系列改变，如钠吸附比、碱化度、残余碳酸钠(residual sodium carbonate，RSC)等，由于室内淋溶脱盐试验的脱盐程度更高，因此pH值的变化也相对更明显。对CK而言，淋溶液的pH值随着淋溶的进行先上升后下降，但变化趋势不明显，这反映了滨海盐碱土在脱盐过程中碱化的变化规律。B处理显著提高了土壤的起始pH值，淋溶过程中明显下降，pH值从8.82降低到8.37。G处理没有明显的改变土壤起始的pH值，但在淋溶过程中与CK相比明显的抑制了土壤淋溶过程中pH值升高的现象，淋溶液的pH值从7.67升高至8.36后降低到8.24；G处理与CK的变化趋势类似，但是变化幅度较小，pH峰值明显小于CK。B处理和BG处理前期的pH值较大，这可能是由于生物炭中存在一定量的碳酸根离子，因此淋溶液的pH较高。在淋溶4次后，各处理的pH值的变化幅度较小，这是因为土壤中各成分达到一种相对平衡的状态，并且含量很低。在整个淋溶过程中，淋溶4次之后，淋溶液的pH值均低于CK，试验表明生物炭和园林废弃物堆肥的添加能够在一定程度上抑制土壤淋溶过程中的碱化，同时表明添加园林废弃物堆肥的处理可以改善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. 图2 不同处理下淋溶液pH的变化趋势Fig.2 Changing trend of leaching solution pH in different treatments

2.2 淋溶液电导率的变化趋势

电导率(EC)表征物质传递电流的能力，土壤EC值可用来表示土壤中可溶性盐分的溶出状况[16]。一般情况下，滨海盐碱土中的水溶性离子的组成较为稳定，因此EC值可以在一定程度上反映盐离子的含量[17]。盐随水动是土壤中水盐运移的规律。如图3所示，随着淋溶的进行离子随着淋溶液流出，土壤中的盐分含量不断减少。各处理淋溶液的电导率呈前期下降迅速，后期逐渐放缓。整体淋溶过程中与CK相比，添加改良材料的各处理淋溶液的电导率下降趋势较快，表明添加生物炭和园林废弃物堆肥的各处理的盐分洗脱速率更快。淋溶效果最好的是BG处理，其次是B处理，最后是G处理。

图3 不同处理下淋溶液电导率的变化趋势Fig.3 Changing trend of leaching solution electrical conductivity (EC) in different treatments

2.3 淋溶液离子质量浓度的变化趋势

图4 不同处理下淋溶液中离子含量的变化趋势Fig.4 Dynamic of ion contents in leaching solution in different treatments

图5 淋溶液中离子质量浓度与电导率的相关性分析Fig.5 Correlation analysis between EC and three ions contents in leaching solution

2.4 淋溶液离子质量浓度与电导率的相关性分析

2.5 不同处理对淋溶后土壤盐分指标的影响

表1表明，不同处理下淋溶后土壤的pH值存在显著差异，pH值大小顺序为B>CK>BG>G。G处理显著低于CK，表明单独添加园林废弃物堆肥可以有效地降低滨海盐碱土的pH值。B处理(添加2%土壤质量分数的生物炭)的pH值高于其他处理，可能是因为经过淋溶脱盐之后土壤中的各成分含量较低，但是生物炭含有一定量的有机官能团(—COO—、—COOH、—O—、—OH等)，吸收土壤中的或水解离产生的H+，提高土壤的pH值[18]。

处理B、G和BG均能显著降低土壤的EC值，与CK相比土壤EC值分别降低43.90%、34.15%、51.22%，但处理B、G和BG之间没有呈现显著性差异。淋溶结束后各组处理的土壤中易被淋溶的离子已淋溶得较为彻底，所以淋溶液的EC值在同一水平。但生物质纯物理性的“掺杂”、物理化学的离子吸附与交换作用促进了土壤颗粒的胶结与团聚作用，改变土壤孔隙状况，促进了淋溶效应，使添加生物炭组淋溶后土壤的EC值较低。园林废弃物堆肥中的腐殖酸铵溶于水后形成亲水胶体 ,它的羟基、羧基功能团与土壤中Ca2+发生凝聚反应，能够促进土壤团聚体的形成，能够有效改善土壤孔隙状况，改善土壤结构促进盐分的淋溶，降低了试验组土壤的EC值。

表1 不同处理下淋溶后土壤的盐分指标Tab.1 Salinity indexes of soil after leaching in different treatments

注：表中的数值为平均值±标准差，不同字母表示在0.05水平上差异显著。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 结论与讨论

加入生物炭处理后，随着淋溶次数的增加，淋溶液的pH值逐渐下降；加入园林废弃物堆肥处理后，淋溶液的pH 值先升高后下降；同时加入生物炭和园林废弃物堆肥的处理的pH值呈先下降后升高的趋势，下降幅度小于单独添加生物炭或园林废弃物堆肥的处理。淋溶3次之前，加入园林废弃物堆肥和生物炭的处理，EC值的下降速率明显高于对照组。从平均斜率分析可以得出，同时加入生物炭和园林废弃物堆肥的处理效果最好，其次是单独添加生物炭，最后是园林废弃物堆肥。

生物炭产生这种作用的原因和机理十分复杂，包括纯物理性的“掺杂”效应，改变土壤孔隙状况，物理化学的离子吸附与交换作用，如生物炭含有的 Ca2+、Mg2+等离子交换盐渍化土壤胶体吸附的Na+，以及促进土壤颗粒的胶结与团聚作用，改善土壤团粒结构等，此外由于生物炭为多孔“刚性的”颗粒状结构物质，可降低土壤密度，改善土壤孔隙状况，提高土壤孔隙度，从而提高土壤透水性，促进盐分随水分运移，加快盐分淋溶出土体，降低土壤含盐量[19]。同时园林废弃物堆肥堆腐过程中产生的腐殖酸类物质，例如腐殖酸铵溶于水后形成亲水胶体，它的羟基、羧基功能团与土壤中Ca2+发生凝聚反应 ,能够促进土壤团聚体的形成，能够有效改善土壤孔隙状况，改善土壤结构促进盐分的淋溶，从而起到降低土壤EC值的作用。此外腐植酸的酸性可与盐碱土的碱性中和,所以腐植酸可调节土壤的 pH值，例如硝基腐殖酸铵、硝基腐殖酸。