不同盐渍土中生物炭对玉米生理生长的影响

迮裕雯，朱成立，黄明逸，赵红玉，翟亚明

(河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京210098)

沿海滩涂是重要的耕地后备资源，为了保障粮食安全，缓解人地矛盾，近50 a来，中国东部沿海地区通过滩涂围垦新增约2 600 km2土地[1].然而，滨海垦区土壤普遍存在盐渍化危害，土壤含盐量高且碱化程度大，过多的Na+严重危害了土壤结构和作物生长，而Ca，Mg，K等必要的矿物元素和有机质含量较低，抑制了土壤肥力.滨海盐渍土这类不利的特性成为了滨海垦区土壤农业利用的主要障碍因素.为改良此类土壤，实现农业可持续发展，可采用工程措施、生物措施、农业措施和化学措施[2]，但这些措施大多成本高、周期长、见效慢，如使用不当易对环境造成二次污染.

生物炭作为一种新型的土壤改良剂，是农业废弃生物质在缺氧或少氧条件下热解而成的稳定高碳产物，具有多孔结构、较大比表面积、丰富的表面氧化官能团和较高的阳离子交换能力[3-4].将生物炭用于滨海盐渍土改良，效果显著，能够降低土壤含盐量，减少Na+对土壤结构的破坏，改善土壤养分状况等.夏阳[5]研究发现，1.5%的生物炭施用量能够降低土壤盐度，提高土壤有机质质量比和碳氮比.ALI等[6]研究发现生物炭改善了盐渍土水力特性和微生物群落结构.生物炭还可以促进作物光合作用、降低作物氧化应激、调节植物激素、增加养分吸收等，从而促进作物生长[7-8].朱成立等[9]研究发现生物炭促进了玉米的光合作用，降低了玉米组织的Na+质量浓度，提高了K+质量浓度.黄磊等[10]研究发现生物炭能够缓解菖蒲过氧化物的积累，降低丙二醛(MDA)物质的量浓度.

不同质地滨海盐渍土理化性质存在较大差异，生物炭改良效果不尽相同，加之作物的生理特性和产量也与生物炭的配施方案息息相关.因此文中基于生物炭改良盐渍土的相关研究，以中国东部沿海垦区2种典型盐渍土(粉砂壤土和砂壤土)以及玉米为研究对象开展盆栽试验，进一步探究生物炭对2种滨海盐渍土理化特性和玉米生理生长的影响，初步筛选出适宜于不同滨海盐渍土的生物炭配施方案，为生物炭改良盐渍土提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年6月23日—10月20日在河海大学江宁节水园区的避雨棚内进行，试验区(118°60′ E ,31°86′ N)属亚热带湿润气候.试验期间平均气温为25.7 ℃，最高气温为38.3 ℃，最低气温为10.3 ℃，平均相对湿度为77.6%，平均日照5.5 h，平均风速2.46 m/s.

1.2 供试材料性质

供试土壤质地为粉砂壤土和砂壤土，取自江苏省盐城市东台典型滨海垦区(120°87′ E ，32°96′ N)，取土深度为20 cm.粉砂壤土砂粒、粉粒、黏粒质量分数分别为22.8%，62.5%，14.7%，土壤容重1.43 g/cm3，田间持水率为32.1 m3/m3，电导率为3.98 dS/m，pH值为8.36，有机质质量比为4.03 g/kg，砂壤土砂粒、粉粒、黏粒质量分数分别为60.3%，27.2%，12.5%，土壤容重1.29 g/cm3，田间持水率为27.3 m3/m3，电导率为3.35 dS/m，pH值为7.82，有机质质量比为3.25 g/kg.生物炭为小麦秸秆于550～600 ℃热解碳化4～6 h制成，容重为0.29 g/cm3，比表面积为9 m2/g，总孔隙度为67.03%，pH值为10.24，电导率为4.68 dS/m，阳离子交换量为60.8 cmol/kg.

1.3 试验设计

试验采用2×5全因素设计，对应2种土壤质地(粉砂壤土和砂壤土，以F和S表示)和5种生物炭施用量(0，25，50，75，100 g/kg，与0～20 cm土壤质量比)，共10个处理，设3个重复.2种供试土壤经自然风干后过2 mm筛，各处理按照初始田间容重(粉砂壤土1.43 g/cm3、砂壤土1.29 g/cm3)分3层，每层20 cm均匀填入直径35 cm，高65 cm的圆桶中，层面间土壤表面打毛，以保证不出现分层，圆桶底部配备有聚酯网、砾石层(5 cm)和4个排水孔.根据田间实际生产情况，通常将生物炭施于土壤表层，随后通过翻耕混入耕作层，因此本试验将生物炭及必要肥料(15 g尿素、100 g有机肥、5 g硫酸钾、15 g磷酸二氢钾)均匀混合到0～20 cm土壤中.

玉米品种为苏玉29，播种前所有盆栽保持良好的水分条件，土壤含水率达到田间持水率的70%～80%，以确保萌发和幼苗生长.玉米整个生育期均灌溉淡水，壮苗期土壤含水率控制在田间持水率的65%～80%，拔节抽雄期和灌浆期土壤含水率控制在田间持水率的75%～90%，成熟期不灌水，灌溉水量通过盆栽称重得到，相同土壤质地处理灌溉水量保持一致，粉砂壤土共灌水3 480 m3/hm2，砂壤土共灌水4 250 m3/hm2.

1.4 指标测定方法

土壤理化性质的测定：收获后采用环刀对0～20 cm土层取样，土钻对0～20，20～60 cm土层取样.

环刀土样置于105 ℃烘箱内24 h后，测定土壤容重，土壤孔隙度计算公式为

ρ=1-d/D,

(1)

式中：ρ为孔隙度，%；d为土壤干容重，g/cm3；D为土壤比重，取2.65 g/cm3.

土钻取得土样经自然风干、充分研磨后过1 mm筛，按照土水质量比1∶1配置，提取土壤饱和浸提液，使用DS-307A型电导率仪测定饱和浸提液的电导率.用电感耦合等离子体质谱法测定土壤可溶性Na+，K+，Ca2+，Mg2+离子质量比，采用重铬酸钾氧化还原滴定法测定0～20 cm土壤有机质质量比.

玉米光合作用指标及叶绿素质量比的测定：播种后的83 d，在晴天观测日的9:00—11:00，采用LI-6800光合测定仪在1 000 μmol/(m2·s)下测量各处理第三片完全展开叶片的净光合速率、气孔导度.通过手持式SPAD-502叶绿素仪(Minolta，日本)分别在叶片中间随机测定5个SPAD值，取平均值作为叶绿素质量比.

氧化应激参数的测定：播种后的83 d，在第三片完全展开叶片取样，测定氧化应激参数和盐分胁迫参数.采用TBA法测定玉米叶片中的丙二醛质量比；分光光度法测定过氧化氢质量比.

盐分胁迫参数的测定：将烘干的0.5 g叶片磨碎并用10 mL过氧化硫消化，用蒸馏水配置100 mL溶液后，采用火焰光度法测定Na+，K+质量比，并计算ωNa+/ωK+[6].采用酶联免疫吸附法(ELISA)测定脱落酸质量比.

产量测定：收获后，将地上部分在105 ℃烘箱内杀青后，在75 ℃烘箱干燥至恒定质量得到地上干物质质量，测定籽粒产量和百粒质量.由于试验在避雨大棚中进行，无降水和径流，排水量忽略不计.

作物蒸散量计算公式为

ET=I-ΔW，

(2)

式中：ET为作物蒸散量，m3/hm2；I为灌水量，m3/hm2；ΔW为土壤储水量变化值，m3/hm2.

玉米水分利用效率公式为

WUE=W/ET，

(3)

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；W为地上干物质质量，kg/hm2.

1.5 数据分析

试验数据用Excel进行记录和整理，采用SPSS 20.0统计软件进行方差分析，采用Origin 9.0软件制图.

2 结果与分析

2.1 生物炭对盐渍土理化特性的影响

图1为土壤质地和生物炭对盐渍土容重、孔隙度和有机质的影响，其中d为土壤容重，ρ为土壤孔隙度，wSOM为土壤有机质质量比,mC为生物炭添加量.采用F和S分别表示粉砂壤土和砂壤土，在0～20 cm土层，容重随生物炭的施用而降低，当添加量超过一定范围，砂壤土容重趋于稳定，粉砂壤土容重反而升高.F25,F50较F0降低了2.7%,6.2%，F75,F100较F0增长了1.4%,2.7%;S25,S50,S75,S100较S0降低了1.5%,3.7%,6.0%,5.2%.生物炭施用后，2种盐渍土孔隙度随生物炭量增加呈先上升后下降趋势，粉砂壤土中F50具有最大值，较F0增加了7.6%，砂壤土中S75具有最大值，较S0增加了6.5%.粉砂壤土和砂壤土中有机质质量比分别增加了17.0%～83.3%和7.3%～100.0%.

注：图中小写字母表示差异具有统计学意义(P<0.05)，下同

表1为不同土壤质地和添加生物炭对盐渍土电导率EC，Na+，K+，Ca2+和Mg2+的影响,其中h为土层厚度，[0,20]cm为生物炭添加层，(20，60]cm为无生物炭添加层.在0～20 cm土层，F25，F50的电导率较F0降低了5.0%，9.3%，而F75，F100增加了0.7%，3.9%；S25，S50，S75，S100的电导率较S0下降了2.0%，4.0%，6.4%，7.2%，且S75，S100间差异不具有统计学意义.随着生物炭量的增加，2种盐渍土的Na+质量浓度逐渐减小，K+，Ca2+和Mg2+质量浓度持续增大，而在砂壤土中，施加25 g/kg生物炭对各离子的质量浓度无明显影响.粉砂壤土中Na+质量浓度降幅为10.3%～30.0%，K+，Ca2+和Mg2+质量浓度增幅分别为45.1%～132.5%，7.5%～41.3%和11.0%～39.9%；砂壤土中Na+质量浓度降幅为4.4%～23.2%，K+，Ca2+和Mg2+质量浓度增幅分别为6.8%～122.6%，1.4%～24.6%和3.5%～37.6%.在20～60 cm土层，电导率，K+，Ca2+和Mg2+质量浓度变化规律与0～20 cm土层上述指标相似，但变化幅度较小.粉砂壤土中，F25，F50电导率较F0降低了1.6%，3.8%，F75，F100增加了0.5%，1.9%，Na+质量浓度降幅为6.2%～19.3%，K+，Ca2+和Mg2+质量浓度增幅分别为23.8%～87.1%，3.4%～15.2%和5.2%～15.7%；砂壤土中，电导率，Na+质量浓度降幅为0.6%～3.2%，2.4%～13.5%，K+，Ca2+和Mg2+质量浓度增幅分别为6.5%～71.7%，2.9%～13.5%和 2.0%～18.9%.

表1 不同滨海盐渍土中添加生物炭对土壤电导率、离子成分的影响Tab.1 Effect of biochar on electrical conductivity and ion content of different coastal saline soils

2.2 生物炭对玉米生理指标的影响

图2为土壤质地和生物炭对滨海盐渍土中玉米叶片光合作用的影响，其中A为净光合速率，Gs为气孔导度，SPAD为叶绿素质量分数.粉砂壤土中，玉米的净光合速率、气孔导度、叶绿素质量分数在施加25，50 g/kg生物炭时增长，在75，100 g/kg时下降，F50光合作用指标达到峰值，较F0分别增加了23.8%，29.9%，22.3%；砂壤土中，S25和S0的净光合速率、气孔导度、叶绿素质量分数差异并不具有统计学意义，但各光合参数在施加50，75，100 g/kg生物炭时显著增长，在S100达到峰值，较S0分别增长了32.5%，29.7%，29.8%，但S75和S100差异不具有统计学意义.

图2 不同滨海盐渍土中添加生物炭对玉米叶片光合作用参数的影响Fig.2 Effects of biochar in different coastal saline soils on photosynthesis parameters

表2为土壤质地和生物炭对滨海盐渍土中玉米叶片盐分胁迫和氧化应激参数的影响，其中ωABA为脱落酸质量比，cH2O2为过氧化氢物质的量浓度、cMDA为丙二醛物质的量浓度.随着生物炭添加量的增加，ωNa+/ωK+随之减小，粉砂壤土降幅为12.1%～47.5%，砂壤土降幅为2.9%～34.3%.粉砂壤土中，施加25,50 g/kg生物炭减少了叶片ABA的积累，较F0分别降低了18.6%和30.4%，而施加75,100 g/kg生物炭反而导致ABA质量比的增加；砂壤土中，ABA质量比随生物炭施用而减少，S25，S50，S75，S100较S0减少了5.7%，22.3%，37.9%，38.5%，但S0，S25间和S75，S100间差异均不具有统计学意义.叶片H2O2，MDA物质的量浓度对于土壤质地和生物炭的响应规律与ABA相似，H2O2，MDA物质的量浓度分别在F50和S100具有最小值，而F50较F0分别降低了29.0%，30.0%，S100较S0分别降低了29.6%，36.6%.

表2 不同滨海盐渍土中添加生物炭对玉米叶片盐分胁迫参数、氧化参数的影响Tab.2 Effects of biochar in different coastal saline soils on salt stress and oxidation parameters

2.3 生物炭对玉米产量指标的影响

表3为土壤质地和生物炭对玉米产量指标的影响，其中W为地上干物质质量，mH为百粒质量，mE为籽粒产量，WUE为水分利用效率.在粉砂壤土中，玉米产量指标值随着生物炭添加呈先增加后降低趋势，F50处理收获最佳，地上干物质质量、百粒质量、籽粒产量和水分利用效率较F0提高了21.1%，14.3%，27.3%和10.7%，而F100处理产量指标最差，较F0降低了14.6%，8.9%，16.6%和13.0%.在砂壤土中，玉米产量随生物炭添加量的增加而增加，25 g/kg生物炭施用下相对于S0的产量增幅不明显，S75和S100处理的地上干物质质量、百粒质量、籽粒产量、水分利用效率较S0分别增加了21.8%，10.0%，23.5%，15.3%和24.2%，11.9%，24.2%，16.3%，但S75，S100间差异不具有统计学意义.

表3 不同滨海盐渍土中添加生物炭对玉米产量构成要素及水分利用效率的影响Tab.3 Effects of biochar in different coastal saline soils on corn yield components and water use efficiency

3 讨 论

滨海盐渍土存在含盐量高、结构不稳定、肥力贫瘠等问题，不利于作物正常的生长发育，通过施加适量生物炭能够有效克服这些障碍因素.本试验中施加适量生物炭后，土壤容重、孔隙度显著降低，生物炭具备良好的多孔性和比表面积，可通过与土壤颗粒相互作用，促进土壤颗粒聚集，改善土壤压实程度，提高土壤孔隙度.土壤电导率和Na+质量浓度显著降低.这可能是生物炭施加改善了土壤的孔隙结构，提高了盐渍化土壤的入渗能力和阳离子交换能力，增加了土壤溶液Ca2+，Mg2+质量浓度，从而促进了Na+的置换和盐分离子的淋洗[11].玉米收获后，土壤中Ca2+，Mg2+，K+和有机质质量比随生物炭添加显著提高.这可能是施用的秸秆生物炭富含稳定的矿物质元素和有机碳，同时生物炭特殊的多孔网络结构和吸附-脱附过程提高了对土壤养分的缓释作用，可减少其淋失和挥发[12].

适量的生物炭提高了滨海盐渍土中玉米叶片的光合作用，A，Gs值有所增长，同时伴随着SPAD值的提高，这可能是生物炭改善了土壤环境进而降低了盐渍土对玉米的盐分胁迫危害.盐分胁迫主要以渗透和离子胁迫抑制作物生长，适宜生物炭施用下玉米叶片ABA质量比和ωNa+/ωK+值显著降低，意味着作物体内水分和离子状况的改善，进一步表明生物炭有利于缓解盐渍化土壤对玉米生长的不良影响.这可能是因为生物炭能够丰富土壤孔隙结构，提高了土壤有效水分含量，促进了作物根系吸水，使叶片ABA质量比下降[13].同时，生物炭促进了土壤Na+的淋洗，减少了根系对Na+的吸收，并释放矿物质养分，提高对Ca，Mg，K必要营养元素的吸收，从而缓解离子胁迫损伤.此外，盐分胁迫可诱发作物的氧化应激反应，导致活性氧含量累积.H2O2是作物体内主要活性氧产物，可破坏作物正常的细胞代谢，并通过限制卡尔文循环抑制光合作用，过量活性氧的累积可造成细胞膜脂过氧化，形成MDA等产物，抑制了蛋白质的合成及部分酶的活性.本研究发现适量生物炭显著降低了玉米叶片H2O2，MDA物质的量浓度这类氧化损伤参数，说明生物炭添加可以缓解盐分胁迫下作物氧化应激反应，降低活性氧含量和细胞膜损伤.

综上，生物炭有利于克服滨海盐渍土不良障碍因素，增加了土壤孔隙度，降低了土壤容重、电导率和Na+质量浓度，丰富了Ca2+，Mg2+，K+等矿物质元素，还增加了有机质质量比，改善了土壤肥力水平，提升了叶片光合性能，并缓解了盐分胁迫和氧化应激，最终促进了玉米的产量和产量特性.然而，不同质地下盐渍化土壤的生物炭施用效果各不相同，粉砂壤土中，生物炭增至75，100 g/kg时，对土壤改良及作物生长有负面影响，这可能是粉砂壤土主要由较高质量分数的粉粒和黏粒组成，孔隙度低，渗透性差，大量生物炭的施入易使粉砂壤土孔隙堵塞，水分入渗时间延长，使土壤盐分积聚、下层土壤有效水减少，导致玉米根系吸水困难、光合作用受阻、氧化损伤加剧，可见粉砂壤土适宜的生物炭添加量为50 g/kg.生物炭对砂壤土及玉米生理生长的促进效果随生物炭施用量增加而提高，然而25 g/kg生物炭的促进效果并不明显，可能是砂壤土含有较高占比的砂粒，持水保肥能力弱、孔隙度大，少量生物炭易通过砂砾孔隙流失而无法发挥改良作用，而75和100 g/kg间差异不具有统计学意义的原因可能是施加过量生物炭一定程度上也会造成砂壤土孔隙堵塞，导致土壤改良效果和玉米生理生产促进作用有限，因此砂壤土适宜的生物炭添加量为75 g/kg.

4 结 论

主要结论如下：

1) 生物炭施入后，滨海盐渍土主要障碍因素得到了改善，孔隙度增大，容重、电导率、Na+质量浓度下降，Ca2+，Mg2+，K+质量浓度和有机质质量比升高.较低添加量的生物炭对砂壤土的改良效果并不显著，但有利于粉砂壤土的改良，生物炭量过高反而导致粉砂壤土孔隙堵塞、盐分累积加剧.

2) 生物炭有利于提高盐渍土的玉米光合作用并缓解盐分胁迫和氧化应激.粉砂壤土中，生物炭增至75和100 g/kg时对玉米促进作用并不显著，甚至产生了不良影响；砂壤土中，生物炭对玉米的促进作用随添加量增加而增加，25 g/kg时效果较小，增至75和100 g/kg时效果明显，但两者间差异并不具有统计学意义.

3) 适量生物炭可以促进滨海盐渍土的玉米生产.粉砂壤土中，玉米产量指标在50 g/kg生物炭时达到峰值；砂壤土中，玉米产量指标在75和100 g/kg生物炭时得到显著提升.综合考虑生物炭改良效果和生产成本，粉砂壤和砂壤质地的盐渍土改良所适宜的生物炭施用量分别是50和75 g/kg，但仍需进行田间试验验证.