不同粒径及用量生物炭对盐渍土和番茄的影响

周溶慧，朱成立，黄明逸，张 帆，翟亚明

（河海大学农业科学与工程学院，南京 210098）

0 引 言

土壤盐碱化是阻碍农业发展的重要问题之一，我国盐碱地集中分布于东北、中北、西北、华北和滨海五大区，约有0.067 亿hm2盐碱地有农业改良利用潜力［1］。其中滨海地区由于海水浸渍和不合理的土地利用模式，垦区土壤易产生盐渍化、结构不良及养分缺乏等问题。因此探索合理的方法来改良滨海盐渍土对滨海地区作物优质高效生产具有重要意义。

生物炭是以生物质为原料，热裂解反应产生的固体残留物，具有多孔隙结构、巨大的比表面积及较强的吸附能力［2］，可提高土壤孔隙率、降低土壤容重并促进土壤团聚体形成［3］。生物炭添加在盐渍土中，土壤孔隙度的增加可促进土壤Na+浸出，降低电导率和钠吸附比，土壤Mg2+和Ca2+含量增加，取代Na+，降低土壤钠吸附比［4］，从而降低对作物的盐渍胁迫。生物炭可大幅提升土壤有机碳含量，促进营养物质转化。生物炭的强离子交换能力可吸附盐渍土壤养分，降低养分的淋溶损失［5］，提升土壤养分含量和有效性从而提高农作物产量［6］。已有研究表明［7］，生物炭对盐碱土改良效果与土壤盐碱特征、生物炭原材料、热解温度和工艺、生物炭施用量和施用时间有关。迮裕雯等［8］发现，质量分数5%的生物炭添加量可有效改良粉砂壤盐渍土，而砂壤盐渍土中改良效果最佳生物炭添加量为7.5%。此外，作物产量与品质可反映土壤改良情况，果才佳等［9］发现，盐碱土中施加生物炭到2%时番茄产量显著提升。张瑞［10］发现，生物炭的施加可显著提升盐碱土中小白菜品质。近年来，生物炭改良盐渍土研究变量多为施加量或与有机肥配施［11-13］，生物炭粒径对盐渍土的改良效果的影响研究较少，因此明确生物炭的施加量及粒径与滨海盐渍土间互作关系将有利于促进土地盐碱化改良与滨海地区农业优质高效发展。

本文以江苏省滨海垦区为研究区域，以两种典型滨海盐渍土（砂壤土和粉砂壤土）为研究对象，开展“不同粒径小麦秸秆生物炭+淡水灌溉”盆栽试验，探究两种代表性质地滨海盐渍土在不同生物炭施加量及粒径条件下土壤物化性质改变情况，为改良滨海盐渍土及提升番茄作物产量与品质的合理生物炭施配比提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于河海大学江宁节水园区的避雨棚内进行。年平均气温15.7 ℃，平均年日照时数约为2 200 h，最高气温为41.2 ℃，最低气温为-12.6 ℃，平均相对湿度为76%，平均风速2.32 m/s。

1.2 供试材料性质

试验番茄品种选用产量大、抗病性强且适应盐碱地的粉冠1号。

据课题组前期研究，供试土壤选用粉砂壤和砂壤质地的2种典型滨海盐渍土，分别取自江苏省盐城东台滨海垦区（32°96′N，120°87′E）新旧两块农田［15］。土壤及生物炭基本性质如表1，所示参照全国第二次土壤普查养分分级标准（按全国统一划分的六级制分级），两种盐碱土有机质均属第六级（0～6 g/kg），全氮均属第六级（全氮＜0.5 g/kg），可见滨海盐碱土壤属盐碱含量高，养分缺乏土壤。生物炭为小麦秸秆于550～600 ℃热解炭化4～6 h 制成，筛分为直径1～2 mm 和＜1 mm 两种，本文分析与讨论中分别称为粗粒径、细粒径。

表1 滨海盐渍土及生物炭主要特性Tab.1 Main properties of coastal saline soils and biochars

1.3 试验设计

试验于2019年2-7月进行，2019年2月13日在温室大棚中覆膜育苗，3月15日选取长势良好且一致的幼苗移栽于盆栽中，试验过程中定期进行植株调整，5月14日保留3 个果穗打顶。

前人试验的表明［8，9］，改良盐碱土的生物炭施加量在5%以内较为经济。试验设置两种质地土壤（粉砂壤土：F，砂壤土：S），3 种生物炭添加量（0%：0、2.5%：2.5 和5%：5），两种生物炭粒径（1～2 mm：C，称为粗粒径，＜1 mm：X，称为细粒径）。试验方案见表2，共10 个处理，各处理重复3 次，共30 个盆栽小区。其中生物炭添加量为生物炭质量占0～20 cm 土层土壤烘干质量的百分比。两种供试土壤粉砂壤土和砂壤土经自然风干后过2 mm 筛，分层压实填装入直径30 cm，高50 cm 的圆桶中，土体填筑高度为40 cm，每层的土壤容重根据其在田地中的原始值进行控制。每个圆桶底部配备有聚酯网、砾石层（5 cm）和4 个排水孔（直径2 cm）。将粒径1～2 mm 的生物炭（粗粒径，C）和＜1 mm的生物炭（细粒径，X）分别拌合入圆桶土壤中（0～20 cm），土壤采取人工拌合的方式模拟旋耕机拌合过程。移栽前在每桶0～20 cm 土层内施用10g 尿素（CO（NH2）2），3 g 硫酸钾（K2SO4），10 g 磷酸二氢钾（KH2PO4），80 g 有机肥料（4%N、4%P 和4%K），第1、2穗果实膨大期每桶分别随水追施尿素5 g。

表2 试验方案设计表Tab.2 Test Scheme Design

移栽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%，以确保幼苗生长。番茄整个生育期均灌溉淡水，每隔3 d 测定一次对照组土壤含水率，当其土壤含水率低于60%田间持水量时，灌水至90%田间持水量，并保证相同土壤质地处理灌溉水量保持一致，粉砂壤土共灌水3 020 m3/hm2，砂壤土共灌水3 850 m3/hm2。

1.4 指标测定方法

土壤理化性质的测定：成熟采摘期后使用土钻取0～20 cm的土层，土样经风干、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（上海仪电科学仪器股份有限公司，中国）测定土壤饱和浸提液的电导率EC。用电感耦合等离子体质谱法（perkin-Elmer，美国）测定可溶性Na+、Ca2+和Mg2+的含量。测定0～20 cm土壤有机碳含量（重铬酸钾氧化还原滴定法），测定有效氮含量（碱解扩散法），测定速效钾（乙酸铵萃取法）；速效磷含量（0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法）。钠吸附比（SAR）计算公式［16］如下：

三相比为土壤固相、液相和气相间的容积百分比。用称量法测定土壤含水率，于收获后（距最后一次灌水5 d）使用环刀法测定土壤容重（g/cm3）和毛管孔隙度，根据《土壤物理性质测定法》［17］以式（2）计算出土壤总孔隙度，再用公式（3）计算三相比。

式中：ρ为土壤总孔隙度，%；d为土壤容重，g/cm3；m单位容积中的固相部分所占%=1-ρ，g/cm3；w为土壤含水率，以容积%表示。

测番茄产量：果实采摘结束后，称量各盆栽内单果重并累计得到产量Y。测番茄品质指标［18］：可溶性固形物（用美国奥利龙0～20%手持糖度计测定）、可溶性糖（用蒽酮比色法测定）、可滴定酸（用酸碱滴定法测定）和维生素C（用钼蓝比色法测定），糖酸比采用公式（4）计算。每个重复均从第2 果穗上选取3 个完全成熟的果实测定，结果取平均值。

1.5 数据分析

采用spss20.0 统计软件进行方差分析，采用Duncan 法进行多重比较（α=0.05），并采用Origin9.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭添加量及粒径对盐渍土部分物理特性的影响

图1（a）为生物炭添加量及粒径对不同盐渍土的容重d的影响。粉砂壤土中容重变化趋势：F0＞FX2.5＞FX5≈FC2.5＞FC5，砂壤土中容重变化趋势：S0≈SX2.5＞SC2.5＞SX5＞SC5。表明土壤容重随生物炭的施用而降低。除砂壤土中2.5%细粒径生物炭处理外，土壤容重均与对照有显著性差异。粉砂壤土中，施加粗粒径（1～2 mm）生物炭、细粒径（＜1 mm）生物炭，土壤容重较对照（F0）分别降低8.3%～12.2%、3.3%～7.2%。砂壤土中，施加粗粒径生物炭、细粒径生物炭，土壤容重较对照（S0）分别降低5.5%～11.2%、1.7%～7.8%。同添加量时，粗粒径生物炭对两种盐渍土容重降低效果更显著。两种盐渍土施加5%粗粒径生物炭对土壤容重降低效果最佳。

图1 生物炭添加量及粒径对不同盐渍土容重、三相比的影响Fig.1 Effects of biochar addition and particle size on bulk density and three phase ratio of different saline soils

观察最后一次灌水5天后的盆栽土壤三相比可较准确观察土壤改良状况。由图1（b）可知，两种盐渍土固相比例随生物炭的施加而显著降低。粉砂壤土各处理土壤液相比例在34.0%～39.8%之间，气相比例在9.3%～15.9%之间。粉砂壤土中，施加生物炭处理液气相比例与无生物炭处理差异显著，其中FC5 处理气相比例增幅最大，增加5 个百分点左右。砂壤土中各处理土壤液相比例在33.0%～39.0%之间，气相比例在15.8%～19.7%之间。砂壤土中，施加生物炭处理液相比例与无生物炭处理差异显著，其中SX5处理液相比例增幅最大，增加6%左右。

2.2 生物炭添加量及粒径对盐渍土部分化学特性的影响

表3为生物炭添加量及粒径对不同盐渍土电导率EC、钠吸附比SAR的影响。0～20 cm 土层中，土壤电导率与钠吸附比随生物炭的施加而降低，除SX25 处理外均与对照有显著性差异。粉砂壤土中，FC5 处理的电导率和钠吸附比降幅最大，分别较F0处理降低9.8%、27.5%。砂壤土中，SC5处理的电导率和钠吸附比降幅最大，分别较S0 处理降低8.6%、26.8%。粉砂壤土中，施加2.5%与5%细粒径生物炭两处理的电导率无显著性差异。同添加量时，粗粒径生物炭对电导率和钠吸附比的降低效果更好。土壤中有机碳、有效氮、速效磷及速效钾含量随生物炭的施加而增加。粉砂壤土中，FX5 处理的有机碳、有效氮、速效磷及速效钾含量的增幅最大，分别较F0 处理增加25.7%、37.5%、50.1%和78.1%。砂壤土中，SX5处理的有机碳、有效氮、速效磷及速效钾含量的增幅最大，分别较S0 处理增加40.9%、56.7%、90.9%和83.9%。同添加量时，粒径粗细对土壤养分含量有一定影响，总体细粒径生物炭对土壤养分含量提升较大。

表3 生物炭添加量及粒径对不同盐渍土土壤电导率、钠吸附比和速效养分的影响Tab.3 Effects of biochar addition and particle size on soil conductivity，sodium adsorption ratio and available nutrients in different saline soils

2.3 生物炭添加量及粒径对番茄产质量的影响

不同生物炭添加量及粒径对不同盐渍土番茄产量的影响如图2所示。粉砂壤土中添加生物炭处理的番茄产量较对照显著增加，FC2.5、FX2.5、FC5 和FX5 产量增加9.0%、7.5%、20.6%和7.0%。砂壤土中添加生物炭处理的番茄产量除SX25处理外均较对照显著增加，SC2.5、SC5 和SX5 产量增加8.1%、7.8%和19.8%。

图2 生物炭添加量及粒径对不同盐渍土番茄产量的影响Fig.2 Effects of biochar addition and particle size on tomato yield in different saline soil

生物炭对番茄果实品质的影响如表4所示。粉砂壤土中，施加生物炭处理番茄品质指标较无生物炭处理显著提升。FC5处理番茄品质指标显著高于其余粉砂壤土中施加生物炭处理，番茄可溶性固形物、可溶性糖和VC 浓度较F0 处理分别提升33.7%、18.0%和11.0%。砂壤土中施加生物炭到5%时番茄品质显著提升，番茄可溶性固形物、可溶性糖、VC 和可滴定酸浓度较S0 处理分别提升26.0%～27.3%、10.8%～13.8%、8.68%～10.0%和25.5%～27.5%。各处理番茄糖酸比无显著性差异。

表4 生物炭添加量及粒径对不同盐渍土番茄果实品质的影响Tab.4 Effects of biochar addition and particle size on tomato fruit quality in different saline soils

3 讨 论

生物炭自身容重较小，土壤中施加生物炭可有效降低土壤容重［19］。土壤三相组成的优化可提高土壤的入渗性和持水性，提高保水保肥能力并以此增强土壤肥力、提升通透性［20］，从而促进作物生长。本文中不同土壤质地、不同生物炭添加量及粒径对土壤部分物理特性影响显著，土壤容重随生物炭的施加而降低。与对照相比，5%粗粒径生物炭对两种盐渍土的容重降低效果最佳，粉砂壤土降低了12.2%，砂壤土降低了11.2%。是由于5%粗粒径生物炭凭借其施加量较多、粒径较大且孔隙较多的特性进一步降低容重、提升孔隙度，从而提升土壤入渗和持水能力［21］。此外，2.5%细粒径生物炭处理的土壤容重和三项组成与无生物炭处理相比无明显优化，这与迮裕雯等［8］的研究一致，可能是低添加量细粒径生物炭易通过砂壤土的空隙流失而无法对其进行改良。魏永霞［22］等发现，连续两年施加50 t/hm2生物炭时草甸黑土土壤结构得以最大程度地改善，过量则使土壤结构松散。本试验中，土壤初始固相比例较大，施加生物炭使固相比例降低，液相与气相比例增加，土壤结构更为合理。粉砂壤土的水分扩散率主要受孔隙度（液相与气相之和）影响［23］。粉砂壤土中，5%粗粒径生物炭处理较无生物炭处理土壤气相比例增幅最大，可较好改善粉砂壤土扩散率低、透气性差的问题。砂壤土中，5%细粒径生物炭处理较无生物炭处理土壤液相比例增幅最大。表明施加适量的细粒径生物炭可显著提升砂壤土的持水性能。

试验表明盐渍土电导率及钠吸附比随生物炭的施加逐渐降低，这与已有研究一致［24，25］。添加5%粗粒径生物炭对滨海盐渍土盐分降低效果最佳。粗粒径生物炭的施加对土壤电导率和钠吸附比的降幅更大，是由于粗粒径生物炭自身可溶性离子较少［26］，且孔隙较大可更好地降低土壤容重，增加孔隙度，从而增强了盐分的淋洗效果［27］。此外，粉砂壤土中施加5%细粒径生物炭时土壤电导率与2.5%时无显著性差异，可能是过量细粒径生物炭施加在粉砂壤土中会堵塞通气孔隙，降低盐分淋洗效果。另外，生物炭不仅能将碳素稳定封存在土壤碳库中［28］，还具有吸持土壤氮素作用，其中的磷、钾元素能迅速补充土壤磷钾含量［29］。有效提升土壤肥力。本实验中，提升土壤有机碳、有效氮、速效磷和速效钾含量最佳的是施加5%细粒径生物炭的砂壤土处理。是由于5%细粒径生物炭含可溶性灰分更多，有利于直接补充养分并吸附更多养分离子，提升肥力。对比发现砂壤土中施加生物炭处理养分提升效果优于粉砂壤土中处理。这与砂壤土大孔隙多，持水持肥能力差，养分更易流失有关。

生物炭可显著提升番茄产量［30］，也有研究认为高生物炭施入量会降低番茄的产量和品质［6］。本实验中，除砂壤土中施加2.5%细粒径生物炭处理产量较对照无显著提升外，其余施加生物炭处理产量均显著增加。是由于生物炭一方面改善土壤盐渍化进而降低番茄生长时的盐分胁迫，另一方面吸附养分减少淋失，使养分缓释［31］，更契合番茄长期需肥的特性。砂壤土中，2.5%细粒径生物炭处理的土壤物化性质较无生物炭处理改良效果不显著，故产量无显著性差异。与对照相比，粉砂壤土中5%粗粒径生物炭处理与砂壤土中5%细粒径生物炭处理的产量增幅分别最大，并且这两者都是显著地（p＜0.05）大于其他处理，具有统计学意义。表明这两种土壤中施加5%生物炭对番茄产量促进效果最佳，这与高阳等［32］研究的生物炭施加量一致；表明粉砂壤土中施加适量粗粒径生物炭对番茄产量促进效果更佳，可能是由于粉砂壤土粉粒多，土壤透气性差，施加适量粗粒径生物炭可更好地增强透气性，促进番茄根系生长从而提升产量；表明砂壤土中施加适量细粒径生物炭对番茄产量促进效果更佳，可能是由于砂壤土大空隙多，保水保肥能力较差，施加适量细粒径生物炭可更好填充大空隙，土壤保水保肥能力提升从而提升产量。

试验中施加生物炭处理的番茄可溶性固形物、可溶性糖、VC 和可滴定酸浓度在粉砂壤土中较对照均显著增加，在砂壤土中仅在5%施加量时显著增加。粉砂壤土中，施加5%粗粒径生物炭的处理番茄品质最佳。因为该处理番茄生长末期的土壤有机碳、有效氮、速效磷和速效钾含量最高，可更有效提高番茄可溶性固形物、可溶性糖和VC 含量［33，34］。砂壤土中，施加生物炭达5%时可有效增加土壤养分、提升养分有效性，达到增产提质效果。本试验发现盐渍土中施加生物炭对番茄糖酸比无显著性影响，邵光成［35］等研究也表明，渍水条件下施加生物炭对番茄糖酸比无显著性影响。总的来说，粉砂壤土施用5%粗粒径生物炭对番茄产质量提升效果最佳，砂壤土施用5%细粒径生物炭对番茄产质量提升效果最佳。

本实验生物炭添加量施用水平仅有3 个，粒径梯度仅有2个，仍需进一步细分施加量和粒径梯度，并进行田间试验验证土壤改良效果。但也为不同质地的滨海盐渍土改良提供了思路，粉砂壤土中施加5%的1～2 mm 粒径生物炭和砂壤土中施加5%的＜1 mm 粒径生物炭对土壤改良及番茄产质量提升效果最佳。

4 结 论

主要结论如下：

（1）生物炭的施加能明显改良滨海垦区土壤，使得盐渍土土壤容重降低、三相比结构优化。5%施加量时，粉砂壤土中施加1～2 mm 粒径生物炭和砂壤土中施加＜1 mm 粒径生物炭土壤三相比结构最优。生物炭使土壤电导率和钠吸附比下降。收获后，土壤有机碳、有效氮、速效磷和速效钾含量随生物炭量增加而升高。同添加量条件下，土壤容重和电导率受1～2 mm 粒径生物炭影响更大，下降效果更明显；土壤养分含量受＜1 mm粒径生物炭影响较大，有一定提升作用。

（2）适量生物炭的添加通过改良盐碱土物化性质促进番茄产量和品质指标的提升。产量方面，粉砂壤土中5%施加量1～2 mm 粒径生物炭处理产量提升最多，较对照提升20.6%。砂壤土中5%施加量＜1 mm 粒径生物炭处理产量提升最多，较对照提升19.8%。品质方面，添加生物炭可增加番茄果实的可溶性固形物、可溶性糖、维生素C 和可滴定酸浓度，而糖酸比无显著性差异。总之，粉砂壤土中5%施加量1～2 mm 粒径生物炭处理以及砂壤土中5%施加量＜1mm 粒径生物炭处理的番茄产质量提升效果最佳，但仍需田间试验进一步探究。