生物炭、有机肥连续施用对盐碱土壤改良效果研究

2021-06-28王世斌高佩玲赵亚东相龙康孟庆梅

干旱地区农业研究 2021年3期

王世斌，高佩玲,，赵亚东，相龙康，孟庆梅，刘月

(1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255000；2.山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博 255000)

关键字：中度盐碱地；生物炭；有机肥；土壤改良；钠吸附比；碱化度

黄河三角洲地区是我国重要的粮棉生产基地，该地区土地资源丰富，但常年受海潮淹没，地下水位埋深浅且矿化度高，外加季节降雨不均、降雨量少、蒸发量大，使盐分在土壤表层积聚，形成的盐碱化土壤面积达24万hm2，约占黄河三角洲全区面积的1/2[1]。盐碱土壤是我国重要的后备土地资源[1-3]。因此，调控土壤的水盐分布状况、改良和合理开发利用盐碱地，对我国滨海农业灌区的生态环境保护和农业可持续发展具有重要现实意义。

生物炭和有机肥用于农业生产及盐碱地改良具有良好的实用价值。由作物秸秆制成的生物炭具有高稳定性、多孔结构独特和大比表面积等特性，用于盐碱土壤改良能够起到降低土壤容重、促进团聚体形成、增加作物产量、改善土壤环境及盐碱化程度的作用[4-5]；勾芒芒等[6-7]通过大田试验发现，生物炭处理能使0～20 cm土层的持水性能显著提升，增幅可达40%；可使土壤含水率的极值比Ka和变异系数Cv降低，其值随着生物炭施用的年限增加而减小；杨刚等[8]研究表明，施加生物炭能够有效降低盐碱土壤水溶性盐分含量，同时具有降低土壤容重、改善土壤结构的特性；朱建峰[4]、陈延华等[9]研究表明，适量施用生物炭能有效降低钠吸附比(SAR)、碱化度(ESP)值和Na+的含量，增加Ca2+、Mg2+含量，对盐碱土壤理化性质的改良效果显著，进而提高作物的产量，增产率达23.05%。有机肥作为一种绿色肥料，具有降低土壤容重、促进土壤团粒结构形成、促使土壤保水增肥增产等性能[10-12]；张建兵等[13]研究表明，有机肥用于滩涂围垦农田明显提升了表层土壤的保水性能，对降低土壤pH值及改善土壤环境效果显著；石玉龙[14]、肖辉等[15]研究发现，土壤中盐分平衡取决于肥料带入的盐分量和蔬菜移除的盐分量，适量减少总施肥量，增加有机肥的施用比例能有效减轻土壤盐渍化程度；李玉、赵硕等[16-17]发现，在滨海盐碱土中施用有机肥替代高量化肥能够显著降低土壤水溶性盐分总量、pH、水溶性钠和交换性钠的比例，促使SAR和ESP值降低，有效抑制Na+毒害，使得小麦产量得到提高。目前，生物炭和有机肥用于盐碱地改良虽然进行了一系列研究，但缺乏在冬小麦-夏玉米连作条件下多年连续施用生物炭和有机肥对盐碱土壤水盐分布及水溶性盐基离子时空变化的对比分析。

黄河三角洲地区盐碱地面积较大，由生物质制成的富碳、富K+型生物炭及牲畜粪便较多且未合理开发利用，本文以黄河三角洲地区中度盐碱土为研究对象，通过田间小区试验，研究生物炭和有机肥在冬小麦-夏玉米连作系统中连续施用3 a后，对中度盐碱土的土壤含水率、土壤含盐量、钠钙镁离子含量、SAR及ESP时空变化规律以及小麦产量的变化，对比分析生物炭和有机肥对盐碱土壤的改良效果，以期为黄河三角洲地区盐碱土壤的改良增产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年在山东省滨州滨城区中裕高效生态农牧循环经济产业园(37°29′N，118°03′E)进行，气候类型为温带大陆性季风气候，多年平均地面温度为14.7℃，年平均气温为12.7℃，平均日照时数为2632 h，年平均降雨量为564.8 mm，降雨多集中在6、7、8月。该地区土壤类型为中度盐碱土，作物种植模式为冬小麦-夏玉米轮作；利用激光粒度仪(Malvern Mastersizer 3000型，英国)测定土壤砂粒、粘粒、粉粒占比分别为20.26%、2.96%、76.78%，根据国际制土壤质地分类标准对试验土壤质地进行划分，属于粉砂质壤土。试验前土壤的基本理化性质见表1。

表1 试验前土壤的基本理化性质

1.2 试验材料

试验采用山东省铭宸环卫设备有限公司生产的生物炭，是棉花秸秆在800℃下经72 h热解而成，容重0.297 g·cm-3，pH8.6，含碳量73%，含氮量0.9%，有效磷0.08%，有效钾1.6%。

试验采用灰黑色颗粒的有机肥，由山东瓮福金谷化肥有限公司提供，主要成分为猪粪，pH6.7，有机质含量>45.0%，N、P2O5、K2O总量≥5.0%。

1.3 试验设计

试验于2016年6月开始至2019年6月结束，采用冬小麦—夏玉米轮作种植模式，冬小麦于每年11月播种，次年6月收获；夏玉米于每年6月播种，10月收获。连续3 a设置6种不同的土壤改良方式，分别为：CK(仅施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有机肥)、N2(10 t·hm-2·a-1有机肥)，每个处理3次重复，共计18个小区，每个小区面积为14 m×10 m=140 m2。每个生育季的施肥方法：每个处理的氮肥、磷肥用量均为：N 550 kg·hm-2·a-1、P2O5120 kg·hm-2·a-1。由于生物炭和有机肥含有一定量的N和P，为满足N 550 kg·hm-2·a-1和P2O5120 kg·hm-2·a-1的施用量，生物炭和有机肥处理N、P不足部分由尿素和磷酸二铵补充[14]，因土壤中K+含量较高，故不施钾肥。生物炭、有机肥、磷肥及1/3的尿素作基肥在播种前一次性施入，其余2/3尿素用于追肥，基肥经人工均匀撒施后立即旋耕，旋耕深度为15 cm[14]。除草、防病虫等管理措施与当地管理模式一致。

1.4 土壤采集

在2018年10月至2019年6月的冬小麦生育期内采集土壤样品，共分6个生育期：苗期、分蘖期、返青期、拔节期、灌浆期、成熟期；取土深度为0～40 cm[19]，利用土钻分别在试验区的0～20、20～40 cm土层采集土壤样品[18-19]；一部分新鲜土样用于测定土壤含水率，另一部分土样经自然风干后过2 mm筛，用于测定土壤含盐量、水溶性Na+、Ca2+、Mg2+含量。

1.5 测定项目及方法

土壤含水率：采用烘干法[20]进行测定，在已称重的铝盒中放入20 g左右的鲜土，放入105℃的烘箱中烘干12 h后冷却至室温，立即称重。

土壤含盐量：利用电导率仪(DDS-11A，上海)测定土壤浸提液(水土比5∶1)电导率，并根据已测得的浸提液电导率值与质量法[20]测得的土壤含盐量建立的线性关系，将电导率值转化为土壤含盐量，具体公式[21]为：

y=2.160EC5∶1+0.303

(1)

式中,y为土壤含盐量(g·kg-1)，EC5∶1为25℃下土壤浸提液电导率(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原子吸收分光光度计(PERSEE，北京)进行测定[20]；钠吸附比(SAR)和碱化度(ESP)值计算公式[18]如下：

(2)

(3)

产量：依据农业气象观测规范(作物分册)进行测定[22]。

1.6 数据分析

采用统计软件Excel进行基本数据处理；采用SPSS的单因素方差分析(ANOVA)和显著性分析法(LSD)检验处理间差异性；采用OriginPro 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 生物炭和有机肥对土壤含水率的影响

2018—2019年小麦生育季内0～20 cm和20～40 cm土层土壤含水率动态变化如图1、图2所示；结果表明：整个生长季内0～40 cm土层土壤含水率随时间推移呈先增加后减小再增加的趋势，其中返青期最高，原因是返青期之前进行了一次春灌，外加温度及蒸发强度较低，导致返青期土壤含水率较高。0～20 cm土层中，同一生育期各处理的土壤含水率均大于CK，且随施炭量的增加而增大，随有机肥施加量增加而减小，其中，分蘖期、返青期、成熟期各处理与CK差异性显著(P<0.05)，其余生育期差异不明显；C1、C2、C3、N1、N2处理的土壤含水率平均值较CK分别提升了12.61%、17.98%、20.35%、7.60%、15.92%，其中，C3处理增幅最大。20～40 cm土层各处理土壤含水率较CK均呈下降趋势，且随生物炭和有机肥施加量的增加而减小，各处理在分蘖期、返青期、灌浆期及成熟期与CK差异显著(P<0.05)，其余生育期差异不明显，C1、C2、C3、N1、N2处理土壤含水率较CK分别降低了9.23%、4.39%、6.52%、5.55%、8.86%，C1处理降幅较大。综上表明，掺生物炭或有机肥均可有效提升耕层土壤的保水蓄水能力，减少土壤水分的深层渗漏，生物炭对提升耕层土壤的保水蓄水性能要优于有机肥，其中，C3处理效果最佳。

施生物炭和有机肥后土壤含水率的变异程度在统计学常用极值比Ka和变异系数Cv进行表征，Ka和Cv越小说明土壤含水率的变异程度越小、稳定性越高，计算公式为：

Ka=Xmax/Xmin

(4)

(5)

由表2分析可知，随着土层深度的增加，Ka和Cv总体呈降低趋势，其原因是表层土壤受外界环境的影响较大，土层深度越大外界环境对其影响越小，故0～20 cm土层土壤含水率的变异程度大于20～40 cm；0～20 cm土层同一生育期的Ka和Cv均随施炭量增加先降低后增加，其中C2处理的变异程度最小，有机肥处理的Ka和Cv要大于生物炭处理的，且随有机肥施加量增加而增大；20～40 cm土层的Ka和Cv变化趋势与0～20 cm土层一致。综上所述，施加生物炭和有机肥均可减小剖面含水率的Ka和Cv，其中生物炭处理要优于有机肥处理，且C2处理效果最优，具有更稳定的保水能力。

表2 各处理土壤含水率在土壤剖面的变异程度

2.2 生物炭和有机肥对土壤含盐量的影响

土壤含盐量是表征土壤盐渍化程度的重要指标[18]。由图3、图4可知，各处理的土壤含盐量随时间推移均呈降低趋势，在成熟期达到较低值。图3表明，同一生育期下0～20 cm土层生物炭处理的土壤含盐量明显小于CK，且随施炭量增加先降低后升高，C2处理的土壤含盐量最低，但有机肥处理的土壤含盐量均大于CK，且随着有机肥的施加量增加而增大，在苗期出现最大值，其原因是有机肥自身含有一定盐分，根据质量守恒原则，有机肥施加后土壤含盐量必然增加；C2、N1和N2处理与CK有显著性差异(P<0.05)，其余处理差异不明显，表明C2处理脱盐效果明显。图4表明，同一生育期下20～40 cm土层各处理土壤含盐量的变化趋势与0～20 cm土层基本一致，且与CK在成熟期有显著性差异(P<0.05)，其余时期差异性不明显，表明生物炭和有机肥处理在成熟期均显著降低了土壤含盐量，但N1、N2处理在苗期、分蘖期、返青期、拔节期显著高于CK。整个生育季0～20 cm和20～40 cm土层土壤含盐量均表现为：N2>N1>CK>C3>C1>C2，其中C1、C2和C3处理在0～20 cm土层的土壤含盐量较CK分别降低了5.23%、9.80%、3.56%，20～40 cm土层分别降低了4.05%、5.16%、5.15%。综合分析可得，生物炭对0～40 cm土层盐碱土壤的脱盐效果要优于有机肥，且C2处理脱盐效果较优。

2.3 生物炭和有机肥对Na+、Ca2+、Mg2+含量的影响

连续3 a施用生物炭和有机肥后，2018—2019年小麦生育期0～40 cm土层Na+、Ca2+和Mg2+含量时空变化如图5所示。

在0～40 cm土层中，Na+含量随着时间的推移总体呈下降趋势，但最低值出现在返青期和拔节期，其原因是返青期前进行了一次春灌，土壤淋溶强烈，Na+与Ca2+、Mg2+发生置换后被冲刷淋溶进入土壤深层，导致上层土壤Na+含量较低，C1、C2、C3、N1、N2处理水溶性Na+含量比CK分别低12.04%、12.51%、11.49%、9.15%、4.59%，说明有机肥和生物炭均能有效降低土壤水溶性Na+含量，减轻土壤盐碱化程度，但有机肥降钠盐效果略差于生物炭处理，C2处理效果较优。由图5可知，各处理的Ca2+、Mg2+含量随时间推移总体呈下降趋势，均在成熟期达到较低值。0～20 cm土层各处理的Ca2+、Mg2+平均含量表现为：N2>N1>C2>C1>C3>CK；20～40 cm土层的表现为：N2>N1>CK>C2>C1>C3。整体来说，0～40 cm土层C1、C2、C3、N1、N2处理的Ca2+含量分别比CK高4.07%、4.25%、1.98%、29.64%、53.42%，Mg2+含量分别比CK高8.83%、10.69%、4.37%、33.56%、48.90%。分析可得，生物炭和有机肥均能提升土壤中Ca2+、Mg2+含量，改善根系土壤的营养状况，但有机肥处理对0～40 cm土层水溶性Ca2+、Mg2+的含量提升效果明显，生物炭仅对0～20 cm土层提升效果明显，且提升幅度略差于有机肥处理；综合来看，生物炭处理对盐碱土壤的改良效果较优，在保证作物根系营养状况的基础上更有利于降低Na+的毒害。

2.4 生物炭和有机肥对盐碱化土壤SAR、ESP的影响

2018—2019年小麦生育期0～40 cm土层SAR、ESP时空变化如图6、图7所示。SAR是划分钠质和非钠质土壤的重要参数[18]，当SAR<10时，钠害为低；当1018时，钠害为高，本研究的土壤SAR小于10，所以为低钠害[9,17]；由图6可知，有机肥和生物炭处理显著降低了0～40 cm土层的SAR值，且整个生育季内各处理的SAR值随时间推移呈降低趋势，但在分蘖期、灌浆期出现峰值，这与分蘖期土壤蒸发量大、降雨量较少，灌浆期的小麦耗水量大、作物根系吸水带动盐分向上运移有关；0～20 cm土层的生物炭和有机肥处理对SAR的降幅大于20～40 cm土层；0～40 cm土层C1、C2、C3、N1、N2处理与CK相比平均值分别降低了15.81%、15.13%、12.67%、21.28%、23.61%，表明有机肥和生物炭处理均能够降低土壤的SAR值，且有机肥处理略优于生物炭处理。

ESP被用作碱土分类及碱化土壤改良的指标和依据[9]。3%

2.5 生物炭、有机肥对小麦产量的影响

由表3可得2019年各处理小麦产量在4 696.3～5 943.9 kg·hm-2之间，其中生物炭处理和N1处理产量显著高于CK，较CK增产率达7.83%～20.97%，且随着施炭量增加先增加后降低，N2处理的小麦产量要低于CK，其原因可能是土壤有机肥掺加后明显提升了表层土壤含盐量，对作物生长产生负面影响。综合表明，生物炭处理对小麦增产效果优于有机肥处理，其中C2处理的产量最高，较CK增产达20.97%。

表3 2019年小麦产量与增产率

3 讨论

土壤水是植物生长的必需水源，是地表水与地下水连接的纽带[7]。生物炭具有亲水和强吸附等特性，施入土壤后能提升土壤的保水性能、减少水分的深层渗漏，且随施炭量增加而增强，有机肥能够促进土壤团粒结构的形成，进而提升盐碱土壤对水分的吸持能力。本文研究发现生物炭和有机肥均显著提高了0～20 cm土层土壤含水率，减少了水分渗漏，这与前人的研究结论基本一致[6-7,13-14]；本试验通过土壤含水率的变异程度发现，施加生物炭和有机肥后土壤含水率的变化幅度及变异程度均呈减弱趋势，表明生物炭和有机肥的施入增强了土壤持水的稳定性，与勾芒芒等[6-7]的研究结论一致；综合分析发现施生物炭10 t·hm-2·a-1的保水持水效果较优。

土壤盐分过高是农业发展的重要障碍因子[20-24]。生物炭具有大比表面积、强吸附、阳离子交换性强等特性，有机肥具有改善土壤结构、保水增肥、抑制盐分表聚等特性，二者用于盐碱农田的改良均具有减轻土壤盐碱程度的作用[6-8,13-16]。本研究发现在小麦生育季内，生物炭处理与CK相比，明显降低了土壤含盐量，减轻了盐胁迫对作物的不利影响，为作物提供了良好的土壤盐分环境，有机肥含有的有机质促使微生物活动频繁，促使动植物与土壤微生物共存，改善了土壤环境，使得土壤中水、肥、盐处于动态平衡中，但脱盐效果不如生物炭处理，这与肖辉、朱成立等结论基本一致[15,24]；数据表明施生物炭10 t·hm-2·a-1的处理降盐效果较好。

本研究发现，施加生物炭和有机肥处理对土壤水溶性盐基离子的组成影响显著，表现为降低Na+含量，增加Ca2+、Mg2+含量，这与生物炭和有机肥能够促进土壤团状颗粒的形成，增加土壤通透性、促使Ca2+、Mg2+与Na+发生置换、加快了Na+淋洗有关[4,15,16,25-27,]；但生物炭对Na+的降低效果优于有机肥，对Ca2+和Mg2+含量的提升效果略差于有机肥，其原因是生物炭具有大孔隙结构、大比表面积、独特的羟基、羧基及苯环等官能团提高了土壤的阳离子交换，加速了土壤淋洗，而有机肥中Ca2+、Mg2+含量远高于生物炭[17,25-27]。研究发现生物炭和有机肥处理对盐碱土壤的SAR、ESP值降低效果明显，减轻了土壤的碱化程度，降幅随着施炭量增加先增加后减少，随有机肥施加量增加而增加，这与相关研究结论基本一致[16-18,26-27]；其中有机肥对SAR和ESP值的降低幅度略优于生物炭，其原因与有机肥中的Ca2+、Mg2+含量大于生物炭有关，但二者差异较小，综合表明有机肥、生物炭均有利于降低土壤的碱化程度，使作物免受Na+的毒害。

本研究发现长期施加生物炭改善了盐碱土壤的盐分状态，提高耕层中的水分含量，减少了土壤Na+的毒害，有利于小麦分蘖成穗及成穗结实，最终增加了小麦的产量、提高了盐碱土壤改良的可行性，这与朱成立等人研究结论一致[8,24]；有机肥处理则随着施加量的增加，产量呈降低趋势，这与小麦在营养生长阶段对土壤盐分较为敏感、有机肥施加前期提升了0～20 cm土层土壤含盐量有关；本研究发现，生物炭对盐碱土壤的改良效应、小麦增产效果优于有机肥，且施生物炭10 t·hm-2·a-1的效果较优。