不同有机隔层对滨海盐碱地水盐运动调控及肥力恢复效力的影响

2021-08-19朱协军

建筑施工 2021年4期

朱协军

上海园林（集团）有限公司上海 200335

利用滨海盐碱地施行人工造林工程是当下大部分沿海城市提高沿海撂荒土地利用效率、进行水土保持、构建城市景观带较为常见的做法[1]。滨海土壤由于特殊的地形位置，土壤性状受气候及地下水调控明显，极易形成泛盐碱特征[2]。在大部分滨海土地撂荒区域，高蒸发量下快速的耕层盐分返析速率所形成的盐离子胁迫及强降雨量下水分养分快速淋湿所形成的肥力匮乏是高效利用滨海土壤进行绿化工程的最大阻碍[3-5]。滨海盐碱地造林工程常见选育树种多为高耐盐植物，如落羽松、水杉等，虽然高耐盐植物能够在耐受阈值范围内伴随盐胁迫进入生命史，但如果水盐运动趋势过分恶劣或者伴之而来的肥力滞后效应，也会极大影响成林速度，甚至导致幼株死亡[6-8]。

于造林工程前先期进行一段时间的滨海盐碱土壤人工改良，能够在一定程度上有效调控土壤水盐运动趋势，加大土壤养分库肥力供应能力，常见诸如秸秆地膜-夹层覆盖阻隔法等，而废弃作物秸秆根据类型、养分含量、腐解速率等不同往往呈现出不同的水盐调控效力，其过程往往缓慢并且受土壤类型及土壤微生物区系构成制约[9-10]。将作物秸秆炭质化形成秸秆生物炭能够有效提高秸秆在土壤中的养分释放速率，由于生物炭多孔疏松的结构特性及强吸附性能，在降低土壤容重、阻断地下水的毛细上升、加大降雨下渗速率等方面应该更具优势[11-15]。总体来看，目前将不同作物废弃秸秆的生物炭用于调控盐碱地水盐运动的研究较少，将其与母质秸秆进行对比的研究未见报道。因此，本研究以中度滨海盐碱土壤为对象，研究利用周边水稻秸秆及其生物炭在等碳量输入水平下对中度盐碱土在0～40 cm土层水盐运动及土壤肥力恢复的效果，以期为上海滨海盐碱土壤区进行人造林工程前的土壤改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试样地

试验于2018年11月在老港人造林工程内的中度撂荒盐碱土内进行。该造林工程主要分布在两港大道以东的临港地区，区域内土壤盐分含量区间为0.4～0.6 g/kg，部分区域超过8 g/kg，半数土地pH值范围是8.0～8.5，少数土地pH值超过9，属于典型的中度滨海盐碱土壤。临港地区土壤盐渍化成因众多，存在由于地势低洼、地下水位偏高、蒸腾强烈等原生盐渍化作用，也存在沿海鱼塘过度建设等次生盐渍化作用，随降雨周期出现季度性脱盐与反盐过程。

1.2 试验设计

试验安排在微区进行，微区面积为1 m×1 m=1 m2。微区于2018年11月修建，先将各微区开槽深挖至1 m处，利用耐腐蚀工程塑料隔板阻隔，消除各微区底层土壤之间的交互影响，工程塑料隔板露出地表40 cm。由于人造林选育树种幼苗期间根系深度一般不超过40 cm，因此，为了保证各微区0～40 cm背景盐分及土壤理化性质一致，将所有微区对应深度土壤挖出并充分混合后重新分配，保证将每个微区上下夹层之间的土壤质量控制在1 000 kg左右。

试验设水稻秸秆上覆下埋（S＋S）、水稻秸秆生物炭上覆下埋（C＋C）、撂荒（CK）3个处理，每个处理3个一重复，随机区组排列。秸秆选自周边农户自种水稻储备秸秆，根据水稻秸秆生物炭制备最佳条件，以5 K/min的升温速度委托公司在峰值400 ℃裂解温度下进行2 h升温裂解。根据所选水稻秸秆及其生物炭含碳量水平（表1），折算后按照相同碳土比（0.1%，即1 000 kg土壤添加1 kg碳源）当量在不同微区40 cm深度进行预埋并在表面进行覆盖，S＋S处理秸秆粉碎至5～10 cm长度后进行均匀铺设，C＋C处理生物炭经过2 mm过筛后均匀铺设。2018年12月试验周期开始，根据老港人造林工程管理办法进行为期一年的常规农艺管理。

表1 供试土壤、材料理化性质

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤pH值、水分、盐分

2018年12月—2019年12月，逐月采用土钻在各微区取0～40 cm土样5处（有秸秆和生物炭覆盖的处理在秸秆及生物炭下取样），充分混匀后利用四分法取保留土壤带回实验室进行土壤水分和盐分含量测定。土壤水分含量用烘干法测定，为质量含水量。土样烘干后磨碎，过2 mm筛，以1∶5的土水比提取土壤溶液上清液，用电导率仪DDS-307测定土壤电导率，根据公式计算出土壤盐分含量（g/kg）＝电导率×0.064×5×10/1 000，再根据公式计算出各时期土壤盐溶质浓度（g/L）＝盐分含量/水分含量×10。

1.3.2 土壤养分、容重

土壤全量与速效养分参考土壤农化分析手册，采样方式同上。有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；全氮采用重铬酸钾-硫酸消化法测定；速效磷采用碳酸氢钠比色法测定；速效钾采用原子吸收分光光度法测定；以上所用土壤样品均为移除砾石和植物残茬后过100目筛（筛孔约0.15 mm）风干土样。土壤容重与毛管孔度能够良好反映土壤盐碱化水平，因此常用作表征盐碱地恢复的重要指标。本文中表层土壤容重采用环刀法原位采样带回实验室进行检测，土壤毛管孔度采用环刀吸湿法进行测试。

1.3.3 试验数据处理

试验数据均采用SPSS18.0进行统计分析，单因素方差分析采用LSD法，所有图形均由SigmaPlot制作。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值变化特征

土壤pH值变化特征因不同处理趋势各异，撂荒土壤pH值在3月份达到最高值8.52（图1），这可能是由于春季蒸腾作用强烈，撂荒土壤地表由于强烈积盐作用导致碱度协同提高而引发的。

图1 土壤pH值变化

秸秆生物炭偏碱性，呈明显的生物学惰性，因此相较于CK处理，C＋C处理在一年内对耕层土壤pH值并无显著性调控并维持在一个相对稳定的状态。和同月份CK处理相比，S＋S处理从1月份开始便能够显著降低土壤pH值，在3月份达到最大降幅，达到0.51个单位，降幅比为5.98%，通过一年的处理，S＋S处理稳定调控土壤pH值至7.97，同比降幅达到2.92%。S＋S处理由于采用水稻秸秆深埋与覆盖，所形成的40 cm夹层在年内通过不断腐解形成的腐植酸可能是导致pH值稳定下降的主要原因。

2.2 土壤含水量、容重变化特征

土壤含水量及容重是影响土壤盐分含量的重要指标。3种处理一年内的土壤含水量均呈现先升高后降低的趋势，并在雨季达到最高值（图2），分别为22.5%（CK处理、7月份）、27.8%（C＋C处理、6月份）、27.2%（S＋S处理、7月份）。

图2 土壤含水量

区别于土壤pH值变化趋势，和同月份CK处理比较，2种处理均能够在试验开始后第1个月内显著提高土壤含水量，由于表面覆盖与深埋措施大大降低了蒸腾作用并有效切断部分毛细通道，抑制地下水快速上升，所以在调控土壤含水量方面具有比较快速、直接的效果；C＋C处理在初始月份内（2019年1月—2019年3月）较S＋S处理拥有更好的保水效果，但随着试验周期的深入，该差距被缩小，这可能是由于冬季降雨量较小，而生物炭得益于更加优秀的表面吸附力与张力，因此能够迅速固持水分而导致[16]。CK处理土壤容重年末同比增幅3.7%，符合盐碱土壤在自然撂荒状态土壤板结化程度提高的趋势（图3）；C＋C处理与S＋S处理自2019年4月份开始显著降低土壤容重，最低值分别为1.22 g/cm3（C＋C处理、7月份）、1.24 g/cm3（S＋S、10月份），最终年末同比降幅为4.4%（C＋C处理）、3.7%（S＋S处理）。

图3 土壤容重

2.3 土壤盐分含量变化特征

关于土壤盐分变化，3种处理趋势一致，均呈现升高—降低—平稳过渡的态势。和pH值变化类似，CK处理在3月份达到最高盐度含量4.88 g/kg，符合盐碱地在春季强烈蒸腾作用下盐含量急速上升的原则。和同月份CK处理比较，C＋C处理与S＋S处理均能够显著抑制耕层土壤盐分含量的快速升高，其中，S＋S处理整体控盐效果较为缓和，最终降幅为4.1%。C＋C处理能够进一步降低耕层土壤盐分含量，最终降幅为9.1%（图4）。

图4 全盐量

水稻秸秆与其生物炭能够发挥一定的控盐效果，一方面是由于深埋阻断了部分毛细管通道，抑制地下水过快上升；另一方面，所形成地膜能够有效保持蒸腾季的土壤含水量，并通过提高土壤孔度提高在雨季的下渗径流速度，加速盐分向下淋洗[17]。

由结果可知，生物炭比其母质拥有更高的控盐效果，由于高温裂解所形成的生物炭拥有比其母质更高的比表面积，因此在提高土壤孔度方面更具效力，同时，由于生物炭中交换性Ca2+、Mg2+浓度较高，能将土壤胶体吸附的Na+进行置换，从而降低盐碱化程度。

2.4 土壤有机碳含量变化特征

等碳量输入前提下，和同月份CK处理比较，经过2个月的稳定期，从2019年2月开始，C＋C处理与S＋S处理均能够显著提高土壤的有机碳含量，一年的最终增幅分别为75.7%（C＋C处理）、53.4%（S＋S处理）。在2019年5月、7月、9月、12月，同S＋S处理比较，C＋C处理进一步显著提高了有机碳含量。秸秆经过高温裂解后，所形成的生物炭能够进一步吸附土壤中的有机分子，通过表面催化活性促进小的有机分子聚合形成有机质。随着在土壤中滞留时间的变长，表面钝化后的生物炭与土壤作用形成保护基质，能够维持有机质的氧化稳定性，提高土壤有机碳的积累，因此相较于其母质秸秆，生物炭可能拥有更好的固碳潜力[18]。

2.5 土壤全氮含量变化特征

CK处理土壤全氮含量先降低后升高，在7月份达到最低值（0.32 g/kg），最终降幅20%。和有机碳变化特征类似，C＋C处理与S＋S处理下的土壤全氮含量经过2个月稳定期后呈爆发式提高，最高值分别为1.90 g/kg（C＋C处理、9月份），2.21 g/kg（S＋S处理、8月份），同比最终增幅分别为171%（C＋C处理）、217%（S＋S处理）。区别于有机碳含量的变化特征，从2019年3月份开始，S＋S处理下全氮含量均高于同月份的C＋C处理，这可能是因为生物炭在高温裂解过程中损失了部分氮素而导致其在土壤中作为氮源提供者稍显劣势[19]。

2.6 土壤速效养分变化特征

土壤速效养分特征趋势明显，和同月份CK处理比较，不同处理均呈现递增趋势。速效磷最大值为23.32 g/kg（C＋C处理、8月份）、22.06 g/kg（S＋S处理、10月份）；速效钾最大值为196.35 g/kg（C＋C处理、8月份）、185.59 g/kg（S＋S处理、7月份）。C＋C处理与S＋S处理在相同月份的速效养分并无显著性差异。