椰壳生物炭对海南滨海土壤的改良效果

邓晓 ，武春媛 ，杨桂生 ，李怡 ，李勤奋 *

1.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，海南 海口 571101；2.国家农业环境儋州观测实验站，海南 儋州 571737；3.海南省热带生态循环农业重点实验室，海南 海口 571101

中国盐渍土面积大，分布广，特别是滨海地区，土地盐渍化问题十分严峻，已成为土壤环境的重点难题（王宇超等，2012）。滨海地区过高的土壤含盐量是制约土地复垦的关键因素，其不利于作物生长发育，导致作物生长衰退，甚至脱水枯死，使土壤资源难以利用，严重影响农业生产（Wu et al.，2009）。

土壤改良是高效利用盐渍土资源的重要途径，现阶段的盐渍土改良措施主要包括物理、工程、化学和生物措施等。物理措施的本质是通过改变土壤物理结构或者实施地表覆盖等方式来实现土壤水盐运动的调控，主要目的是降低土壤水分蒸发，抑制土壤返盐，增强淋盐效果（马晨等，2010）；工程措施的实质是利用大型机械辅助修建排盐设施，建立完善的灌排系统（王荧等，2019）。上述两类方法见效快，但是工程量大、成本高、受限于水资源、推广起来有一定难度。化学措施的本质是通过向土壤施加化学改良剂等来改善盐渍土土壤结构，增加养分含量，调节土壤酸碱，提高盐基代换容量，加强土壤缓冲能力。常用的化学改良剂主要有磷石膏、脱硫石膏等含钙类和风化煤、硫酸亚铁、糠醛渣等酸性类两类（张济世，2017）。该措施成本昂贵、使用不当易对环境造成二次污染。生物措施的本质是通过种植耐盐植物或施加有机物料等来改良盐渍土（耿泽铭，2013；王涵，2018）。通过种植耐盐作物进行改良，是一种生态环境效益好、可持续性强的改良措施，但选育适合当地生境的耐盐品种时间长，改良见效慢。而施加有机物料能改良盐渍土结构，补充营养物质，提高土地养分积累与供应能力，巩固脱盐效果，防止再度盐渍化（王涵，2018）。目前趋向于利用生物措施特别是施加有机物料来进行盐渍土改良。

生物炭是生物质在绝氧或厌氧条件下热解产生的富碳有机物料，具有多级的孔隙结构、比表面积巨大、稳定性高、阳离子交换量（CEC）高、成本低廉且高度环保等优势。在改良土壤品质、净化水源、吸附重金属和修复环境污染等方面表现出巨大潜力（刘玉学等，2009；彭碧媛等，2017；徐家伊等，2019；王向辉等，2020；周琦等，2020）。有研究表明，在结构性差、持水能力差的盐碱土中施用生物炭能显著降低土壤的残余含水率和水分扩散率，增加土壤饱和含水率和田间持水量，在沿海地区的盐碱土中添加生物炭能提高土壤的总有效孔隙度和半径>100 µm的有效孔隙度（魏永霞等，2016；曹雨桐等，2017）。生物炭的灰分物质及碱性基团能显著提高酸性土壤的pH值，但少量的生物炭能够降低盐碱土壤的pH值和含盐量，提高土壤有机质、C/N和 CEC（夏阳，2015）。所以生物炭是提升盐渍土壤肥力的潜在改良剂。

椰子是中国典型的热带地区经济作物，随着椰子产业的发展，在生产过程中产生的椰壳是一种丰富的热带农业废弃物资源。椰壳生物炭性能优于多数生物炭，可广泛应用于土壤改良和污染物吸附等（王亚琢等，2021；宋玥言等，2021；张太平等，2021）。然而，目前缺乏关于以热带农业废弃资源椰壳为前驱材料烧制的生物炭对热带滨海盐渍土改良效果的相关报道。本研究针对海南滨海盐渍土壤理化性质差、肥料利用率低和作物长势弱等问题，通过盆栽试验，探究不同配比的椰壳生物炭处理对海南滨海盐渍土盐度、pH值、有机质、有效养分、酶活性和微生物多样性的影响，旨在为椰壳生物炭应用于滨海盐渍土改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年4—5月在中国热带农业科学院海口试验基地温室大棚内进行，供试空心菜品种为台湾竹叶空心菜；供试土壤采自海南省文昌市兰溪村（19°59′24.5″N，110°37′16.6″E）0—20 cm 耕作层土壤，风干后过2 mm筛备用。其pH值为6.34，盐分 3.36 g·kg−1（中度盐渍化土壤），有机质 17.1 g·kg−1，全 N 0.683 g·kg−1，有效 P 60.01 mg·kg−1，速效 K 192.4 mg·kg−1。供试椰壳生物炭（600 ℃裂解产物）购自海南文昌某公司，其pH值为9.68，CEC为 4.36 cmol·kg−1，全 N 2.81 g·kg−1，全 P 1.50 g·kg−1，全 K 15.3 g·kg−1。

1.2 试验设计

设置5种不同椰壳生物炭与滨海土壤体积比处理进行盆栽试验，分别为 0꞉20、1꞉20、2꞉20、3꞉20和4꞉20，每种处理3次重复。每盆植株栽培条件与管理方式相同，椰壳生物炭与过2 mm筛的风干土混合均匀后直接用于种植空心菜，每天浇水1次，30 d后记录空心菜叶片数并采收空心菜同时采集土壤样品。整株空心菜连根拔起将根部冲洗干净后晾干称量空心菜重量，土壤样品分成3份，一份过2 mm 筛后保存于−80 ℃用于土壤微生物多样性测定；一份风干后过1 mm筛用于测定土壤盐分、pH值、有机质、全N、有效P和速效K含量；一份过40目筛用于测定土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和酸性转化酶活性。

1.3 测定方法

土壤理化性状采用常规分析方法，参考《土壤农业化学分析方法》测定（鲁如坤，2000）。其中pH采用酸度计法；有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法；全N采用高氯酸-硫酸消化法；有效P采用0.5 mol·L−1NaHCO3浸提钼锑抗比色法；速效 K 采用NH4Ac浸提-火焰光度法；土壤盐分参照农业行业标准（NY/T 1121.16—2006）进行测定；各种土壤酶活指标均采用试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司，www.cominbio.com）分析测定；土壤微生物多样性采用高通量测序方法，将每种处理的 3次重复试验的土壤样品分别采用土壤基因组 DNA提取试剂盒 DP336（天根生化科技有限公司，北京）提取土壤总DNA，使用紫外分光光度计测定DNA的质量和浓度。然后采用通用引物 338F（ 5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′） 和 806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）扩增细菌16S rRNA基因V3—V4区。根据PCR产物浓度将3次重复的 PCR产物进行等量混样，充分混匀后使用1%的琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物，对目的条带使用琼脂糖凝胶回收试剂盒纯化回收产物。文库构建和测序委托北京百迈客生物科技有限公司完成。

1.4 数据处理方法

应用 Excel 2010进行数据统计和图表制作和SPSS 19.0进行数据方差分析，采用Duncan多重比较法进行差异显著性检测。使用UCLUST算法确定具有 97%序列相似性的系统类型的操作分类单元（OTUs）（Tan，et al.，2019），应用百迈客生物云平台（https://international.biocloud.net）开展多样性指数、物种分类及RDA冗余分析。

2 结果与分析

2.1 椰壳生物炭对空心菜生长的影响

由表1可知，在不施用任何肥料的条件下添加体积比为 1꞉20—4꞉20的椰壳生物炭后均能促进空心菜根系的生长，提高空心菜的叶片数和单株空心菜重量。平均每株叶片数增加19.7%—29.6%，均达极显著水平（P<0.01）；平均每株植株鲜重提高43.2%—59.7%，除了添加体积比为3꞉20的处理达极显著水平（P<0.01），其他3种处理均达显著水平（P<0.05）；平均每株地下部根重提高 81.3%—118.8%，均达极显著水平（P<0.01）。

表1 椰壳生物炭对空心菜生长的影响Table 1 Effects of coconut shell biochar on growth of water spinach

2.2 椰壳生物炭对滨海土壤pH和盐度的影响

图1表明，在椰壳生物炭添加体积比为1꞉20—4꞉20的范围内，土壤pH值随椰壳生物炭添加量的增加而增加。未添加椰壳生物炭的土壤种植空心菜后仍为酸性土壤（pH值为 6.35），添加比例为 1꞉20—4꞉20的椰壳生物炭种植空心菜以后土壤变为中性土壤（pH值为7.43—7.51），pH值提升1.08—1.16个单位，且均达极显著水平（P<0.01）。但椰壳生物炭添加比例2꞉20与3꞉20两种处理之间和添加比例3꞉20与4꞉20两种处理之间的差异均不显著（P>0.05）。滨海土壤的盐分含量随椰壳生物炭添加体积比的增加而逐渐降低。添加体积比为1꞉20的处理土壤盐分降低 5.9%，但效果不显著（P>0.05）；添加体积比为2꞉20—4꞉20 3种处理的土壤盐分降低6.83%—14.9%，均达显著水平（P<0.05），其中 3꞉20和 4꞉20两种处理的盐分含量降低达极显著水平（P<0.01），但两种处理之间的差异不显著。

图1 椰壳生物炭对滨海土壤pH和盐分的影响Figure 1 Effects of the coconut-shell biochar on pH and salinity in coastal soil

2.3 椰壳生物炭对滨海土壤有机质和养分含量的影响

由图 2a可知，在不施用任何肥料的条件下添加体积比为1꞉20—4꞉20的椰壳生物炭后滨海土壤的有机质含量得到明显提高（P<0.01），提高率达42.4%—153%。且土壤有机质含量随椰壳生物炭添加体积比的增加而逐渐增加，添加体积比为1꞉20—4꞉20 4种处理之间对有机质的提升差异也达极显著水平（P<0.01）。图2b—d表明，添加体积比为1꞉20—4꞉20的椰壳生物炭后，滨海土壤的养分含量也得到极显著提高（P<0.01），土壤的全 N、有效 P和速效 K含量分别提高了 32.1%—36.7%、35.0%—44.6%和 70.0%—220%。不同处理对滨海土壤的全N、有效P和速效K的促进作用均随椰壳生物炭添加体积比的增加而提高。该结果与王卫民（2018）等和何秀峰（2020）报道的结果基本一致。然而，椰壳生物炭添加体积比为 2꞉20、3꞉20 和 4꞉20 3 种处理之间对土壤全 N的提高差异不显著（P>0.05）；添加体积比为1꞉20—4꞉20 4种处理之间对土壤有效P的提高差异不显著（P>0.05）；但添加体积比为1꞉20—4꞉20 4种处理之间对土壤速效K的提高差异达极显著水平（P<0.01）。

图2 椰壳生物炭对滨海土壤有机质及养分的影响Figure 2 Effects of the coconut-shell biochar on contents of organic matter and nutrients in coastal soil

2.4 椰壳生物炭对滨海土壤酶活性的影响

由图3可知，添加体积比为1꞉20—4꞉20的椰壳生物炭对土壤酶活性的影响各不相同。土壤脲酶和酸性磷酸酶活性随椰壳生物炭施用量的增加而降低（图3a和图3b），土壤脲酶活性降低了13.7%—38.9%，酸性磷酸酶活性降低了24.8%—39.2%，均达极显著水平（P<0.01）；土壤过氧化氢酶活性在椰壳生物炭添加体积比为2꞉20—4꞉20的处理中均得到极显著增强（P<0.01），增强率达21.3%—71.1%，以添加体积比为 3꞉20的处理增强效果最好，但与2꞉20的处理没有明显的差异（见图 3c）；土壤酸性转化酶活性在椰壳生物炭添加体积比为1꞉20的处理中得到极显著增强，提高率达23.1%（P<0.01），但添加体积比为2꞉20—4꞉20范围内的土壤酸性转化酶活性随椰壳生物炭施用量的增加而降低，降低率达18.2%—29.4%，且均达显著水平（P<0.05）（图3d）。

图3 椰壳生物炭对滨海土壤酶活性的影响Figure 3 Effects of the coconut-shell biochar on enzyme activities in coastal soil

2.5 椰壳生物炭对滨海土壤微生物多样性的影响

2.5.1 椰壳生物炭对滨海土壤细菌Alpha多样性指数的影响

由表2可见，滨海土壤施用椰壳生物炭种植空心菜后细菌丰富度和多样性均得到明显提高。细菌丰富度指数ACE和Chao1指数分别提高了6.50%—14.4%和3.50%—11.9%。在添加体积比为1꞉20—3꞉20范围内，土壤细菌的ACE指数和Chao1指数随椰壳生物炭施用量增加而提高，椰壳生物炭添加体积比为4꞉20时土壤细菌的ACE指数和Chao1指数又略有降低，但明显高于不添加椰壳生物炭的对照处理。土壤细菌多样性指数 Shannon指数在椰壳生物炭添加体积比为 1꞉20—3꞉20范围内提高了 3.34%—3.56%，在椰壳生物炭添加体积比为1꞉20—4꞉20范围内细菌多样性指数随椰壳生物炭施用量增加而降低，但均高于不添加椰壳生物炭的对照处理。

表2 椰壳生物炭对滨海土壤细菌Alpha多样性指数的影响Table 2 Effects of the coconut-shell biochar on bacterial Alpha diversity indices in coastal soil

2.5.2 椰壳生物炭对滨海土壤细菌群落组成的影响

UPGMA聚类分析表明，添加1꞉20—4꞉20的椰壳生物炭的4种处理C12、C22、C32和C42在收获空心菜后土壤细菌群落聚为一个分支，未施用椰壳生物炭的处理 CK2收获空心菜后的土壤细菌群落聚为另一个分支（见图4）。说明添加椰壳生物炭处理的滨海土壤细菌群落结构发生明显的改变。同时，施用椰壳生物炭的处理在种植空心菜后土壤中与碳氮循环能力相关细菌的芽单胞菌科（Gemmatimonadaceae）和亚硝化单胞菌科（Nitrosomonadaceae）等的丰度明显提高（图5），比未施用椰壳生物炭的处理分别提高了 44.3%—67.2%和 229%—243%。表明施用椰壳生物炭后可以增强滨海土壤的碳氮循环能力，更有益于作物的生长。

图4 门水平上的细菌相对丰度聚类树（非加权距离法）Figure 4 Cluster tree of relative abundance of bacteria at phylum level (unweighted distance method)

图5 科水平上的细菌物种丰度热图（TOP15）Figure 5 Heatmap of bacterial species abundance at the family level

2.5.3 RDA冗余分析

RDA冗余分析结果表明，土壤盐度（Salt）、pH值、有机质（SOM）、全 N（TN）、有效 P（AP）、速效 K（AK）、土壤脲酶（S-UE）、酸性磷酸酶（S-ACP）和过氧化氢酶（S-CAT）是影响土壤细菌群落结构的关键参数（见图 6a—c）。添加体积比1꞉20—4꞉20椰壳生物炭的4种处理中土壤芽单胞菌科（Gemmatimonadaceae）和亚硝化单胞菌科（Nitrosomonadaceae）的丰度与土壤pH、SOM、TN、AP、AK、S-CAT均呈正相关关系，但与土壤 Salt却呈负相关关系；土壤pH、SOM、TN、AP、AK、S-CAT与土壤Salt也呈负相关关系。芽单胞菌和亚硝化单胞菌与土壤的碳氮循环能力密切相关（王宇佳，2017），说明滨海盐渍土中添加椰壳生物炭降低土壤盐度是通过增强土壤的碳氮循环能力来实现的，而土壤碳氮循环能力的增强是通过有机质与有效养分含量的提高以及土壤过氧化氢酶活性的增强来实现的。结果同时表明土壤盐度与土壤细菌丰富度指数（ACE和 Chao1）和多样性指数（Shannon）也呈明显的负相关关系（图 6d），说明椰壳生物炭也通过提高滨海土壤细菌丰富度和多样性来实现土壤盐分的降低。

图6 土壤细菌群落结构与环境因子的RDA分析Figure 6 RDA analysis between soil bacterial community and environmental factors

3 讨论

土壤有机质是土壤肥沃度的一个重要指标，它不仅能为作物提供所需的各种营养元素，同时对土壤团粒结构的形成、土壤水分、养分的供应和保持土壤肥力的演变产生重要影响，也对土壤盐分的组成和性质、盐渍土的改良产生重要影响（张凌云等，2006）。生物炭比表面积大、孔隙发达、官能团丰富，同时吸附性和蓄集能力强（Lashari et al.，2015），唐光木等（2011）研究发现施用生物炭也能显著提高新疆灰漠土的有机质含量，何秀峰等（2020）研究表明生物炭混施和穴施都能增加土壤有机质含量。本研究结果也显示，施用椰壳生物炭后土壤有机质含量显著增加，这与椰壳生物炭本身是一种富含有机碳的物质并能提高土壤对养分的吸持能力有关，也证实了炭化的植物残体有助于土壤有机质的积累（Middelburg et al.，1999）。

氮、磷、钾是植物生长必须的营养元素，滨海盐渍土肥力低下，尤其是缺氮（张凌云等，2006）。本研究发现施入椰壳生物炭后显著提高了滨海土壤的全N、有效P和速效K含量，且添加量越多效果越佳。由于生物炭的多孔结构，可以改善土壤呼吸状况，土壤中碳氮比升高，能够抑制氮素的微生物转化、反硝化作用，从而促进土壤中氮含量的增加（郭伟等，2011）。生物炭的多孔特性和巨大的比表面积也有利于土壤对 NH3和 NO3−的吸附，有效降低农田土壤氨的挥发，显著减少硝态氮的淋失，从而降低氮素损失，还能氧化NH4+，促进硝化微生物的活性，从而提高硝化速率（Mizuta et al.，2004；刘玉学等，2009）。椰壳生物炭能提升土壤有效P和速效K含量也与它本身性质有关，生物炭施入土壤能增强土壤阳离子交换量，有效减少土壤中磷和钾的淋溶损失和促进土壤有机态 P的矿化（Lehmann et al.，2003）。尽管磷以阴离子形式存在于土壤中，生物炭对其也具有很强的吸附能力（高敬尧等，2016）。这些特性使生物炭成为独一无二能够有效降低农田土壤N、P等养分流失，提高作物产量的物质，并由此减少化肥施用量，降低农田养分流失对水环境造成的污染（Liu et al.，2018）。

土壤酶主要来源于微生物，与土壤微生物数量及土壤呼吸强度有重要关系，能够反映土壤肥力水平。生物炭具有较强的吸附特性，既能够吸附反应底物促进酶促反应，提高酶活性；也能够吸附保护酶促反应结合位点，抑制酶促反应，降低酶活性（Czimczik et al.，2007）。本研究发现施加椰壳生物炭显著提高了土壤过氧化氢酶活性，却降低了土壤脲酶和酸性磷酸酶活性。过氧化氢酶促进土壤中过氧化氢的分解，防止它对生物体产生毒害作用。施加椰壳生物炭能显著提高土壤过氧化氢酶活性，是因为椰壳生物炭通过提高土壤有机质含量为微生物活动提供了能源物质，也为酶促反应提供了丰富的底物，从而提高了土壤过氧化氢酶活性。施加椰壳生物炭降低了土壤脲酶和酸性磷酸酶活性，这可能是由于椰壳生物炭吸附酶分子对酶促反应结合位点形成保护，而阻止酶促反应的进行（Lehmann et al.，2011），具体原因还有待证实。

细菌作为土壤中数量最多的微生物类群，能够及时感知土壤养分、pH等外界条件的变化，从而反映土壤质量的变化（Shen et al.，2010）。本研究发现施加椰壳生物炭可以优化土壤细菌群落结构，提高细菌的多样性和丰富度，且细菌的多样性和丰富度与土壤 pH、SOM、TN、AP、AK、S-CAT均呈正相关关系。这就说明椰壳生物炭的多孔性和对水肥的吸附性为微生物的生长与繁殖创造了良好的环境（Warnock et al.，2010；Ameloot et al.，2013；Zheng et al.，2016；郑慧芬等，2019）。

4 结论

芽单胞菌和亚硝化单胞菌（与土壤碳氮循环能力有关）的丰度在添加椰壳生物炭后明显提高，且与土壤pH、SOM、TN、AP、AK、S-CAT均呈正相关关系，但与土壤盐度呈负相关关系。说明椰壳生物炭能通过提高土壤养分含量、优化微生物群落结构和增强过氧化氢酶活性来降低土壤盐度。

添加2꞉20—3꞉20的椰壳生物炭能明显改善滨海土壤的pH值，显著提高滨海土壤有机质、全N、有效P、速效K含量和过氧化氢酶活性，同时对土壤细菌群落的丰富度和多样性提高也优于其他处理，并能显著降低滨海土壤的盐分含量，促进作物的生长。考虑经济成本和实际效果，建议应用椰壳生物炭与盐渍土体积比为2꞉20—3꞉20的用量来改良海南滨海盐渍土。