生物炭、河沙对盐碱土水盐、氮素及玉米产量的影响

王世斌，高佩玲,*，相龙康，郭祥林，吕庆鑫，孟庆梅

生物炭、河沙对盐碱土水盐、氮素及玉米产量的影响

王世斌1，高佩玲1,2*，相龙康1，郭祥林1，吕庆鑫1，孟庆梅2

（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）

【】探究连续施用生物炭与河沙1 a和3 a对黄河三角洲地区中度盐碱土的改良效果、氮素及夏玉米产量的影响。采用田间小区试验，共设置CK、C1[5 t/(hm2·a)生物炭]、C2[10 t/(hm2·a)生物炭]、C3[20 t/(hm2·a)生物炭]、S1（5%沙）、S2（10%沙）、S3（15%沙）7个处理。①施加生物炭对掺炭层土壤含水率提升效果显著，施用1 a较CK增加2.20%～7.34%，第3年较CK增加5.08%～16.38%。其中，C3处理效果较优；随施沙量增加，掺沙层的土壤含水率呈降低趋势。②3 a累积效应下，掺沙处理土壤降盐效果要优于生物炭处理，掺沙10%～15%的脱盐效果较好，较CK脱盐率达15.52%，且3 a累积效果优于1 a。③施加生物炭能明显提高0～40 cm土层的硝态氮（第1年：10.34%～60.60%；第3年：14.24%～41.92%）、铵态氮量（第1年：0.96%～16.96%；第3年：-4.56%～7.37%），其中，C3处理增幅显著，掺沙处理则仅提升了20～40 cm土层氮素量。④生物炭处理对夏玉米产量的提升优于掺沙处理，第3年较第1年增幅为2.40%～19.86%，且随施炭量增加而增大。添加生物炭对盐碱地的改良效果、氮素量及作物产量的提升要优于掺沙，且3 a的累积效果较优，因此，建议对黄河三角洲地区的中度盐碱地长期掺加20 t/(hm2·a)的生物炭。

中度盐碱土；土壤改良剂；生物炭；河沙；土壤含盐量；硝态氮；铵态氮

0 引言

【研究意义】黄河三角洲地处渤海之滨黄河入海口沿岸，自然条件优越，土地资源丰富[1]，但常年受海潮淹没，地下水水位偏高、矿化度大，外加降水时空分布不均、蒸降比大，加重了土壤盐碱化，盐碱化土地面积高达44.29万hm2[1-3]。土壤盐碱化会造成土壤板结、养分比例失衡、肥效下降及作物减产等后果，已成为阻碍该地区农业经济可持续发展的重要制约因子[3]。因此，合理调控盐碱土的水、肥、盐分布状况，对改善农业土壤环境、提高作物产量具有重要的理论及现实意义。

【研究进展】近些年，学者们聚焦于如何利用改良剂降低盐碱土壤的盐分、提高土壤肥力、改善土壤环境[4]。生物炭和河沙作为常用的土壤改良剂，具有来源广、价格低廉等特点，备受国内外学者的关注[4]。有研究表明，盐碱土中施用生物炭后能够起到降低土壤体积质量，促进团聚体形成，改善土壤环境的作用[4-5]；高海英等[6]发现施炭量低于80 t/hm2时，土壤入渗率随着施炭量增加而减小，饱和质量含水率、毛管持水率随之增加，土壤的持水性能增强。朱成立等[7]研究发现，生物炭具有多孔构造、大比表面积、强吸附特性，在盐碱土改良方面能有效调控土壤盐分，减缓盐胁迫，为滨海盐渍区的作物生长提供良好的土壤环境。刘美菊等[8]发现，在贫瘠的山坡地中施加生物炭，可有效提高作物产量、产值和氮素的利用效率，减少氮素的淋失，且土壤氮素表观损失量随施炭量的增加呈降低趋势。物理掺沙用于盐碱地改良，能够起到蓄水保墒，降盐压碱的作用，王荧等[9]、宋日权等[10]研究发现土壤掺砂能提高掺砂层以下土壤含水率和水分利用效率，且随着掺砂比例增加而增大。Mathur等[11]认为土壤掺沙可以提高深层土壤含水率、抑制表层土壤水分蒸发、减缓表层土壤的返盐程度、降低土壤盐分。叶茂等[12]、马彦霞等[13]对凉山地区的红壤进行掺砂性客土改良发现，掺砂改良具有改善土壤质地，提高土壤通透性，平衡养分的作用，当掺砂土量为10%时，有利于土壤速效磷和速效钾的释放，对促进烤烟的生长发育效果显著，产量最高，但随着砂土量的增加，土壤有机质和碱解氮量呈下降趋势。【切入点】综上所述，前人对掺沙和掺生物炭改良盐碱地有了一定的研究，但多集中在单一掺沙或掺生物炭方面，缺乏二者对盐碱土改良效果的对比分析；且以往的研究主要针对单一水盐或氮素方面，缺乏2种改良剂对盐碱土水、盐及氮素的综合改良效果研究。

【拟解决的关键问题】我国年产作物秸秆约8亿t，其中40%被用于焚烧，若将其生物质炭化可有效缓解环境与农业生产之间的矛盾[14]。黄河三角洲地区的盐碱地为典型滨海盐渍土类型，具有分布广泛、盐、碱、板、瘦等特点[15]，且该区河沙资源储量丰富、开发利用较少，因此，将黄河三角洲地区的农业秸秆及黄河泥沙进行资源化再利用，对该区盐碱地实现节水-降盐-增肥的绿色改良具有重要意义。基于此，以黄河三角洲地区中度盐碱土为研究对象，参照土柱、盆栽试验的2种改良剂添加量进行田间小区试验，研究了盐碱土壤连续施用河沙和生物炭对土壤含水率、土壤含盐量、硝态氮及铵态氮量的影响，对比分析了2种改良剂对夏玉米的增产效果，以期为黄河三角洲地区盐碱土壤水-肥-盐综合调控、农业环境改善、作物增产及改良剂的长期施用提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年在山东省滨州市滨城区中裕产业园内（北纬37°29′，东经118°03′）进行，该地区为温带大陆性季风气候，年均降水量为564.8 mm，多集中在7—8月，年平均气温12.7 ℃，该研究区自20世纪70年代就开始冬小麦-夏玉米轮作耕种。试验前利用Mastersizer3000型激光粒度仪（英国Malvern）测定土壤砂粒、黏粒、粉粒占比为20.26%、2.96%、76.78%，根据国际制土壤质地分类对试验土壤质地进行划分，属于粉砂质壤土。试验前土壤体积质量为1.39 g/cm3，田间持水率为28.62%，pH值为8.19，其余基本理化性质见表1；2016年与2018年5—9月滨城区降水量对比见图1。

表1 试验前土壤的基本理化性质

1.2 试验材料

为了减少河沙中杂质对试验的影响，将河沙进行淘洗、晾干及过筛处理，利用Mastersizer3000型激光粒度仪测定河沙颗粒组成为砂粒：87.74%，粉粒：12.2%，黏粒：0.06%。

生物炭为山东省铭宸环卫设备有限公司生产，为棉花秸秆在800 ℃经72 h热解而成，是不完全燃烧生成的黑色粉末，pH：8.6，密度：0.297 g/cm3，含碳量：73%，含氮量：0.9%。

1.3 试验设计

试验于2016年6月—2018年10月进行（冬小麦于每年的10月播种，次年6月收获，夏玉米于每年的6月播种，10月收获）。试验设置对照CK、C1[5 t/(hm2·a)生物炭]、C2[10 t/(hm2·a)生物炭]、C3[20 t/(hm2·a)生物炭]、S1(5%沙)、S2(10%沙)、S3(15%沙)7个处理，每个处理重复3次，共计21个小区，小区面积为14.5 m×8 m=116 m2，其中河沙为质量比[16]。耕作前将河沙、生物炭均匀撒施在土表后，立即旋耕，深度为20 cm。生物炭、河沙在每一生育季均施加。每个生育季施肥：土壤中K+量较高，不施钾肥，所有处理氮肥、磷肥用量均为：N: 550 kg/(hm2·a)、P2O5: 120 kg/(hm2·a)，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[15]。磷肥及1/3的尿素作基肥在播种前1次性施入，其余2/3的尿素用于追肥。所有处理的其余管理与当地管理模式一致。根据夏玉米的生育期进行取样[15]，取土深度为40 cm[15]，每20 cm分层取扰动土和原状土，原状土取回后测定土壤体积质量和田间持水率，扰动土取回后，一部分鲜土用于测定土壤含水率、NH4+-N和NO3--N，另一部分经风干、碾压、过1 mm筛测定土壤含盐量，在成熟后测定各处理的玉米产量。

1.4 测定项目及方法

土壤含水率：烘干法[15]测定，在已称质量的铝盒中放入20 g左右的鲜土，在105 ℃的烘箱中烘干12 h，冷却至常温立即称质量。

土壤含盐量：将风干土样碾压、过1 mm筛，制得水土比为5∶1的土壤浸提液，利用电导率仪（DDS-11A，上海）测定土壤浸提液的电导率值，并根据拟合公式[16]将电导率值转化为土壤含盐量，计算式为：

=2.1605:1+0.303，（1）

式中：为土壤含盐量（g/kg）；5:1为25 ℃下土壤浸提液的电导率值（水土比为5∶1）（mS/cm）；

NH4+-N、NO3--N量：称取10 g的新鲜土样，置于装有50 mL 0.01 mol/L的Ca2Cl溶液的塑料瓶中，振荡1 h后过滤，利用AA3流动分析仪（Braun and Lübbe, Norderstedt, Germany）测定[14]。

玉米产量：每个小区随机选3个2 m×2 m的小区，放在105 ℃杀青30 min，于75 ℃下烘干至恒质量。

1.5 数据分析

利用Excel进行数据整理，利用Origin 9.0进行绘图，利用单因素方差分析比较各处理的差异。

2 结果与分析

2.1 表层掺沙、生物炭对土壤含水率的影响

玉米属于盐分中度敏感作物，耐盐性较差，苗期是整个生育期的关键期，对盐胁迫较敏感，易导致苗弱或成活率低，影响后期的作物产量，三叶期是玉米苗期的第一阶段，因此三叶期、收获期的土壤状况研究具有重要意义[17]。图2中不同字母均表示同一生育期内不同处理间差异性显著（<0.05）。2016年、2018年玉米三叶期及收获期土壤表层掺沙、生物炭条件下0～40 cm土层土壤含水率如图2所示。

图2 2016年和2018年各处理土壤含水率

由图2（a）可以看出，生物炭处理的土壤含水率均大于CK，且随着施炭量增加而增大，与CK相比，2016年的C1、C2、C3处理平均值分别提升2.20%、3.77%、7.34%，2018年提升5.08%、10.01%、16.38%；掺沙处理的土壤含水率则呈相反趋势，下层土壤含水率高于表层，其原因是土壤表层掺沙增加了土壤孔隙度，改善了土壤结构，促使水分向下层土壤运移。图2（b）中，生物炭处理的土壤含水率略低于CK，但差异性不显著，其原因是生物炭施加后提升了0～20 cm土层保水性能，减少了水分的深层渗漏；掺沙处理因提升了表层土壤的入渗性能，水分大量下移，使得20～40 cm土层S1、S2、S3处理2016年的土壤含水率较CK分别提升了0.09%、0.82%、6.81%，2018年分别提升2.41%、3.52%、10.73%。数据表明施炭后有效地提升了掺加层土壤的保水性能，掺沙处理则对20～40 cm土层土壤含水率有所提升，且2种改良剂施用的累积效果明显。综上表明，掺生物炭处理对0～20 cm土层土壤含水率提升效果显著，C3处理效果较优。

2.2 表层掺沙、生物炭对土壤含盐量的影响

2016、2018年玉米三叶期及收获期土壤表层掺沙、生物炭条件下0～40 cm土层土壤含盐量如图3所示。由图3可知，随着时间延长各处理的土壤含盐量均呈降低趋势，在2018年的玉米季末达到最低值。图3（a）中，生物炭处理的土壤含盐量在生育季前期大于CK，具体表现为：C3处理>C2处理>C1处理>CK，在生育季末期土壤含盐量小于CK，其原因是生物炭自身带有一定盐分，施入之后使土壤含盐量增加，在季末时，作物生长将土壤中部分盐分带走，外加降雨淋滤，使得表层土壤含盐量降低；掺沙处理的土壤含盐量在2016年与CK相比，S1、S2、S3处理平均值降低了10.03%、12.54%、10.82%，2018年较CK分别降低15.27%、18.99%、19.66%，2018年的降幅明显高于2016年，其原因是土壤掺沙改善了土壤结构，增加了土壤入渗性能，外加2018年降水量较大，使表层土壤盐分降幅较大。图3（b）中，生物炭处理的土壤含盐量与CK差异不明显，总体表现为C3处理>C1处理>C2处理>CK；掺沙处理的土壤含盐量均小于CK，但由于0～20 cm土层土壤盐分随水向下运移，使得该层掺沙处理的含盐量的降低幅度小于0～20 cm土层。综上所述，生物炭处理的土壤含盐量在2018年季末均低于1.38 g/kg，但降低效果略差于掺沙处理，掺沙处理对0～40 cm土层土壤含盐量降低效果显著且3 a累积降低幅度较大，S3处理降盐效果较优，能为作物提供良好的生长条件。

图3 2016年和2018年各处理土壤含盐量

2.3 表层掺沙、生物炭对铵态氮量变化的影响

图4为0～40 cm土层NH4+-N量变化，因在每个生育季播种前均会施加尿素，故所有处理的NH4+-N量在玉米生育季前期较高，在生育季末达到较低值。图4（a）中，生物炭处理的土壤NH4+-N量要高于CK，且呈随着施炭量增加而增大，与CK相比，C1、C2、C3处理分别增加4.20%、8.44%、13.32%，其中2016年分别增加-5.40%、17.71%、14.87%，2018年分别增加14.79%、-1.76%、11.63%；掺沙处理呈反趋势，随着掺沙比例增加而减少。图4（b）中，各处理土壤NH4+-N量随时间变化趋势与0～20 cm土层一致，各处理平均表现为：C2处理>C1处理>C3处理>CK>S3处理>S1处理>S2处理。图4（c）中，生物炭处理显著增加了土壤NH4+-N量，对0～20 cm土层的增幅大于20～40 cm，且随施炭量增加而增大，掺沙处理则呈相反趋势。生物炭处理能够显著提高0～40 cm土层土壤NH4+-N量，且在降水量较多的情况下仍可保证NH4+-N量一定的提升，为提高作物对NH4+-N的利用提供了保障，C3处理平均最高，较CK提升了9.12%。

图4 施加生物炭和河沙条件下土壤NH4+-N量

2.4 表层掺沙、生物炭对硝态氮量变化的影响

图5为施加生物炭和河沙条件下土壤NO3--N量，图5（a）中，掺沙处理的土壤NO3--N量在玉米生育期初高于生育期末，且随着掺沙比例的增加呈下降趋势，与CK相比，S1、S2、S3处理分别降低1.56%、21.92%、43.60%；掺生物炭处理则呈相反趋势，这与玉米季水热条件良好，生物炭施加后有利于土壤微生物和农作物的利用，促进了土壤硝化作用有关[14]，C1、C2、C3处理比CK分别增加3.24%、26.56%、48.85%，其中2016年分别增加10.31%、44.61%、53.08%，2018年分别增加-12.46%、-13.40%、39.40%，2016年整体大于2018年，其原因为：NO3--N带有负电荷，因负吸附而易存在于土壤溶液中，外加2018年降雨量较大，易造成NO3--N流失。图5（b）中，各处理土壤NO3--N量在生育季初期大于CK，其中，掺沙处理的NO3--N量随掺沙比例增加呈增大趋势，且2018年NO3--N量较CK增幅显著高于2016年，原因是掺沙能提升0～20 cm土层的通透性，在降水的淋滤作用下，部分NO3--N运移至20～40 cm土层。由图5（c）可知掺沙处理仅对20～40 cm土层土壤NO3--N量提升显著，而生物炭处理能提升0～40 cm土层的土壤NO3--N量，且随施炭量增加而增大，其中，C3处理在降雨量较大情况下仍可保证NO3--N量的提升，较CK提升了50.13%。

图5 施加生物炭和河沙条件下土壤NO3--N量

2.5 表层掺沙、生物炭对玉米产量的影响

表2为2016年和2018年的玉米产量，2016年各处理的玉米产量在9 726.6～10 350.1 kg/hm2之间，较CK相比，生物炭处理增产0.92%～2.96%，掺沙处理增产2.02%～6.41%；2018年各处理的玉米产量在10 007.4～11 255.3 kg/hm2之间，C3处理产量最高，较CK提高19.95%，掺沙处理较CK增产3.65%～12.47%，且随施炭量和掺沙比例增加而增大。由表中增产率可知，掺生物炭和掺沙均可提升夏玉米的产量，且随着施炭量增加呈增大趋势，其中C3处理产量最大，增产率为19.86%，高于其他处理，掺沙处理的增产率分别为4.53%、3.90%、8.85%。综上所述，掺生物炭处理对夏玉米的增产效果优于掺沙处理，C3处理增产效果显著。

表2 施加生物炭和河沙下的夏玉米产量

3 讨论

本试验研究发现，生物炭处理显著提升了0～20 cm土层土壤含水率，降低了20～40 cm土层土壤含水率，减少了水分的深层渗漏和流失，且随施炭量增加呈增大趋势，这与勾芒芒等[19]研究的生物炭能够提升表层土壤持水性能结论一致。掺沙处理能够降低土壤体积质量、增大土壤孔隙度，能够降低表层土壤含水率，提升深层土壤含水率，且随着施沙量增加而增大，这与宋日全等[9-12]研究结论一致。本试验发现掺生物炭后明显提升了表层土壤的持水性能，减少水分的深层渗漏，且长时间施用的累积效果显著，这对缺水地区水资源的高效利用具有一定的指导意义，其中C3处理的效果较优。

研究表明，掺沙后明显减少了表层盐分的积累，提高了土壤脱盐效率，能有效促进灌溉水及降雨对上层土壤盐分的淋洗，这与张宇航等[16]对黄河三角洲地区的中度盐碱土掺沙试验研究结论一致；试验发现，掺生物炭后在生育期初提升了土壤含盐量，且随施炭量增加而增大，其原因是生物炭本来含有一定的盐分，根据质量守恒原则，施加后提升0～20 cm土层土壤含盐量，在生育期末各处理均呈降低趋势，这与朱成立等[7]研究掺加生物炭在生育季末期降低了土壤含盐量的结论一致。结果表明，掺沙处理的土壤含盐量略小于生物炭处理，且随掺沙量增加而降低，S3处理的脱盐效果较优，较生物炭处理低10.97%～14.57%。

本研究发现生物炭处理的NH4+-N在玉米生育季前期较高，在生育期末较低，而NO3--N量则在玉米生育季前期低于生育期末，这与玉米季土壤水热条件适宜，促进了土壤微生物及农作物对氮素的利用有关[14,20]；生物炭施加促进了土壤氮素的矿化，增加了土壤无机氮量，且随施炭量增加呈增大趋势[14,21-22]。掺沙处理的NO3--N和NH4+-N量在生育期末呈下降趋势，且随着施加量增加而减少，其原因是掺沙改变了土壤的颗粒组成，增加了土壤入渗性能[23]，加速了氮素的淋洗及渗漏，最终呈现生育季末掺沙处理的表层土壤NO3--N、NH4+-N量均小于CK。综合来看，生物炭处理对提高土壤氮素量，减少氮素的流失效果要优于掺沙，且C3处理效果较优。

本研究发现，与CK相比，掺沙和生物炭3 a后提升玉米产量0.60%～19.95%显著高于施用1 a的0.92%～6.41%，这与Niazi等[24]发现掺沙可提高小麦和水稻的产量，与刘世杰等[25]、车艳鹏等[26]发现在黑土中施炭能够提高大豆产量的结论一致；2016年与2018年各处理产量对比发现掺生物炭处理的增产效果优于掺沙处理，且20 t/(hm2·a)生物炭增产效果最优，达19.86%。

4 结论

1）与CK相比，掺沙处理0～20 cm土层土壤含水率下降，但对20～40 cm土层土壤含水率提升效果明显，生物炭则提高了0～20 cm土层蓄水能力，减少了水分的深层渗漏，其中C3处理效果较优，增幅达11.81%。

2）掺沙处理对0～40 cm土层的脱盐效果略优于生物炭处理，二者在生育季末均降低了土壤含盐量，能为作物提供良好的土壤环境。

3）与CK相比，施生物炭对NO3--N和NH4+-N量提升效果显著，能减少氮素的流失，而掺沙仅能提升20～40 cm土层土壤氮素量，且提升效果不及生物炭处理；C3处理效果较优，较CK增幅达50.13%（NO3--N）、9.12%（NH4+-N）。

4）掺沙和生物炭处理均能提高玉米产量，生物炭处理增产（2.40%～19.86%）显著高于掺沙处理（3.90%～8.85%），其中，C3处理的增幅最大。

5）生物炭处理对盐碱土壤的改良、土壤氮素量及作物产量的提升效果优于掺沙处理，且多年累积效果显著，其中C3处理效果较优。因此，对黄河三角洲地区的中度盐碱土建议长期施用20 t/(hm2·a)的生物炭进行改良。

[1] 李燕丽, 熊勤学, 卢碧林, 等. 渍害胁迫下小麦SPAD的高光谱监测方法研究[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(12): 41-48.

LI Yanli, XIONG Qinxue, LU Bilin, et al. Monitoring of wheat SPAD under waterlogging stress based on hyperspectral technology[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(12): 41-48.

[2] 赵红霞, 吴海涛, 翟红莲, 等. 黄河三角洲盐碱地造林技术的研究综述[J]. 安徽农业科学, 2015, 43(26): 70-72.

ZHAO Hongxia, WU Haitao, ZHAI Honglian, et al. Review of Afforestation Techniques in the Yellow River Delta[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2015, 43(26): 70-72.

[3] 李新, 焦燕, 杨铭德. 用磷脂脂肪酸(PLFA)谱图技术分析内蒙古河套灌区不同盐碱程度土壤微生物群落多样性[J]. 生态科学, 2014, 33(3): 488-494.

LI Xin, JIAO Yan, YANG Mingde. Microbial diversity of different saline-alkaline soil analyzing by PLFA in the Hetao area of Inner Mongolia[J]. Ecological Science, 2014, 33(3): 488-494.

[4] 王凡, 屈忠义. 生物炭对盐渍化农田土壤的改良效果研究进展[J]. 北方农业学报, 2018, 46(5): 68-75.

WANG Fan, QU Zhongyi. Progress research on the improvement effect of biochar on salinized farmland soil[J]. Journal of Northern Agriculture, 2018, 46(5): 68-75.

[5] 曹雨桐, 佘冬立. 施用生物炭和聚丙烯酰胺对海涂围垦区盐碱土水力性质的影响[J]. 应用生态学报, 2017, 28(11): 3 684-3 690.

CAO Yutong, SHE Dongli. Effects of biochar and PAM application on saline soil hydraulic properties of coastal reclamation region[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(11): 3 684-3 690.

[6] 高海英, 何绪生, 耿增超, 等. 生物炭及炭基氮肥对土壤持水性能影响的研究[J]. 中国农学通报, 2011, 27(24): 207-213.

GAO Haiying, HE Xusheng, GENG Zengchao, et al. Effects of biochar and biochar-based nitrogen fertilizer on soil water-holding capacity[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(24): 207-213.

[7] 朱成立, 吕雯, 黄明逸, 等. 生物炭对咸淡轮灌下盐渍土盐分分布和玉米生长的影响[J]. 农业机械学报, 2019, 50(1): 226-234.

ZHU Chengli, LYU Wen, HUANG Mingyi, et al. Effects of biochar on coastal reclaimed soil salinity distribution and maize growth with cycle fresh and saline water irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(1): 226-234.

[8] 葛少华. 生物炭与化肥氮配施对植烟土壤特性和烤烟生长的影响[D]. 郑州: 河南农业大学, 2018.

GE Shaohua. Effects of biochar and nitrogen fertilizer application on tobacco planting soil characteristics and tobacao growth[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2018.

[9] 王荧, 郭航, 李娟, 等. “改排为蓄”和“覆沙改良”整治前后盐碱地微观结构研究[J]. 灌溉排水学报, 2019, 38(S1): 75-78.

WANG Ying, GUO Hang, LI Juan, et al. Influence of different soil organic reconstruction methods on microstructure of saline-alkali soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(S1): 75-78.

[10] 宋日权, 褚贵新, 冶军, 等. 掺砂对土壤水分入渗和蒸发影响的室内试验[J]. 农业工程学报, 2010, 26(S1): 109-114.

SONG Riquan, CHU Guixin, YE Jun, et al. Effects of surface soil mixed with sand on water infiltration and evaporation in laboratory[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(S1): 109-114.

[11] MATHUR O P, MATHUR S K, TALATI N R. Effect of addition of sand and gypsum to fine-textured salt-affected soils on the yield of cotton and jower (Sorghum) under Rajasthan Canal Command Area conditions[J]. Plant and Soil, 1983, 74(1): 61-65.

[12] 叶茂, 周初跃, 郭东锋, 等. 客土改良对土壤质地及烟株生长发育的影响[J]. 安徽农业科学, 2013, 41(8): 3 359-3 361.

YE Mao, ZHOU Chuyue, GUO Dongfeng, et al. Effects of sandy soil exchange on soil texture and tobacco growth and development[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2013, 41(8): 3 359-3 361.

[13] 马彦霞, 王晓巍, 张玉鑫, 等. 河西绿洲区菜田掺沙对土壤理化性状和甘蓝生长的影响[J]. 核农学报, 2017, 31(11): 2 265-2 272.

MA Yanxia, WANG Xiaowei, ZHANG Yuxin, et al. Effects of addition of sand on the physical and chemical properties of the Hexi Corridor soil and growth and yield of cabbage[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2017, 31(11): 2 265-2 272.

[14] 孙运朋, 杨劲松, 姚荣江, 等. 生物炭和黄腐酸对滨海滩涂盐碱地土壤性质的提升[J]. 中国农业科技导报, 2019, 21(8): 115-121.

SUN Yunpeng, YANG Jinsong, YAO Rongjiang, et al. Effects of biochar and fulvic acid application on soil properties in tidal flat reclamation region[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2019, 21(8): 115-121.

[15] 石玉龙, 刘杏认, 高佩玲, 等. 生物炭和有机肥对华北农田盐碱土N2O排放的影响[J]. 环境科学, 2017, 38(12): 5 333-5 343.

SHI Yulong, LIU Xingren, GAO Peiling, et al. Effects of biochar and organic fertilizer on saline-alkali soil N2O emission in the North China plain[J]. Environmental Science, 2017, 38(12): 5 333-5 343.

[16] 张宇航, 高佩玲, 张晴雯, 等. 中度盐碱土掺沙对土壤水盐运移和夏玉米生长的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2019(2): 83-90.

ZHANG Yuhang, GAO Peiling, ZHANG Qingwen, et al. Effect of mixing sand with surface soil on moderately salinized soil water-salt transport and summer maize growth[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2019(2): 83-90.

[17] KAYA C, TUNA A L, OKANT A M. Effect of foliar applied kinetin and indole acetic acid on maize plants grown under saline conditions[J]. Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 2010, 34(6): 529-538.

[18] 赵连东. 咸淡水组合灌溉模式下盐碱土水盐分布及改良效果的试验研究[D]. 淄博: 山东理工大学, 2017.

ZHAO Liandong. Experimental study on water and salt distribution and improvement effect of saline alkali soil under combined brackish and fresh water irrigation[D]. Zibo: Shandong University of Technology, 2017.

[19] 勾芒芒, 屈忠义. 生物炭与化肥互作对土壤含水率与番茄产量的影响[J]. 农业机械学报, 2018, 49(11): 283-288.

GOU Mangmang, QU Zhongyi. Coupling effect of biochar and fertilizer on soil water content and tomato yield[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(11): 283-288.

[20] NELISSEN V, RÜTTING T, HUYGENS D, et al. Maize biochars accelerate short-term soil nitrogen dynamics in a loamy sand soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2012, 55: 20-27.

[21] 石玉龙, 高佩玲, 刘杏认, 等. 生物炭和有机肥施用提高了华北平原滨海盐土微生物量[J]. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(4): 555-567.

SHI Yulong, GAO Peiling, LIU Xingren, et al. Increased microbial biomass in coastal saline fields of North China Plain by application of biochar and organic manure[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(4): 555-567.

[22] KAMEYAMA K, MIYAMOTO T, SHIONO T, et al. Influence of sugarcane bagasse-derived biochar application on nitrate leaching in calcaric dark red soil[J]. Journal of Environmental Quality, 2012, 41(4): 1 131-1 137.

[23] SAUER T J, LOGSDON S D. Hydraulic and physical properties of stony soils in a small watershed[J]. Soil Science Society of America Journal, 2002, 66(6): 1 947-1 956.

[24] NIAZI B H, AHMED M, HUSSAIN N, et al. Comparison of Sand, Gypsum and Sulphuric Acid to Reclaim a Dense Saline Sodic Soil[J]. International Journal of Agriculture & Biology, 2001, 2(3): 234-236.

[25] 刘世杰, 窦森. 黑碳对玉米生长和土壤养分吸收与淋失的影响[J]. 水土保持学报, 2009, 23(1): 79-82.

LIU Shijie, DOU Sen. The effects of black carbon on growth of maize and the absorption and leaching of nutrients[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(1): 79-82.

[26] 车艳朋, 魏永霞. 生物炭对黑土区大豆节水增产及土壤肥力影响研究[J]. 中国农村水利水电, 2016(1): 55-58.

CHE Yanpeng, WEI Yongxia. The impact of biochar on soybean in the black soil zone growth and soil fertility[J]. China Rural Water and Hydropower, 2016(1): 55-58.

Amending Saline-Alkali Soils with Biochar or Fluvial Sand to Improve Bioavailable Nitrogen and Yield of Summer Maize

WANG Shibin1, GAO Peiling1, 2*, XIANG Longkang1, GUO Xianglin1, LYU Qingxin1, MENG Qingmei2

(1. School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China;2. School of Resources and Environmental Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China)

【】Soil salinity and alkalinity is a common abiotic stress affecting crop growth worldwide. The objective of this paper is to investigate the efficacy of amending the soil with biochar or fluvial sand to improve nitrogen bioavailability and yield of summer maize.【】A three-year plot experiment was conducted at a field in the Yellow River delta. There were three biochar treatments: 5 t/(hm2·a) (C1), 10 t/(hm2·a) (C2), 20 t/(hm2·a) (C3), and three sand amendment treatments (w/w): 5%(S1), 10% (S2) and 15% (S3); the control (CK) was no amendment. In each treatment, we measured the changes in soil water content, soil salinity, nitrate and ammonium, as well as the final maize yield.【】①Amending the soil with biochar, especially C3, was more effective than with sand to improve the 0～20 cm soil water content; compared with CK, it increased the soil content by 2.20%～7.34% in the first year and 5.08%～16.38% in the third year. ②Amendment with sand, especially S2 and S3, was more effective than with biochar to desalinize the soils; compared with CK, it increased soil desalination by up to 15.52% three years after the amendment. ③Compared with CK, amendment with biochar increased nitrate content in 0～40 cm soil by 10.34%～60.60% in the first year and 14.24%～41.92% in the third year, while in the meantime increased ammonium content by 0.96%～16.96% and -4.56%～7.37% in the first and third year respectively. Overall, C3 was most effective in improving mineral nitrogen content. In contrast, amendment with sand increased mineral nitrogen in 20～40 cm soil but at the expense of mineral nitrogen in the top 0～20 cm soil. ④Amendment with biochar was more effective in improving maize yield, with the yield in the third year increasing by 2.40%～19.86% compared with that in the first year. It was found that the yield increase was proportional to the biochar application.【】Amending the saline-alkali soil with biochar improved mineral nitrogen and its bioavailability to crop, and the improvement increased as time elapsed. For the experiments conducted at the field in the Yellow River delta, the most effective amendment was adding 20 t/(hm2·a) of biochar to the soil.

moderate saline-alkali soil; soil amendment; biochar; fluvial sand; desalination; nitrate; ammonium

王世斌, 高佩玲, 相龙康, 等. 生物炭、河沙对盐碱土水盐、氮素及玉米产量的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(9): 17-23.

WANG Shibin, GAO Peiling, XIANG Longkang, et al. Amending Saline-Alkali Soils with Biochar or Fluvial Sand to Improve Bioavailable Nitrogen and Yield of Summer Maize[J]. Journal of Irrigation and Drainage 2021, 40(9): 17-23.

S156.4；S27

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021080

1672 – 3317（2021）09 - 0017 - 07

2021-03-03

山东省自然科学基金项目（ZR2020ME251）；国家自然科学基金项目（41703099）；淄博市校城融合项目（2019ZBXC245）

王世斌（1997-），男，山东青岛人。硕士研究生，主要从事农业水土工程研究。E-mail: 924859407@qq.com

高佩玲（1973-），女，新疆石河子人。教授，博士，主要从事水文、水资源及农业水土研究。E-mail: gaoplxj@163.com

责任编辑：白芳芳