两种生物炭对滨海盐碱土的改良效果_赵维彬.pdf

生态环境学报 2023,32(4):678-686 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：浙江省重点研发计划项目（2021C02038）；国家自然科学基金青年基金项目（32101370）作者简介：赵维彬（1998 年生），男，硕士研究生，主要从事土壤改良材料研发和观赏植物生理方面的研究。E-mail:*通讯作者：肖江（1987 年生），男，副研究员，博士，主要从事土壤改良材料的研发，土壤重度重金属污染生态修复方向的研究。E-mail: 收稿日期：2022-10-28 两种生物炭对滨海盐碱土的改良效果 赵维彬1,2，唐丽1，王松3，刘玲玲3，王树凤2，肖江2*，陈光才2 1.中南林业科技大学林学院，湖南 长沙 410000；2.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 310000；3.台州市林业技术推广总站，浙江 台州 318000 摘要：近年来，生物炭作为土壤改良剂在降低盐碱土壤盐分、养分流失和改善土壤性质方面具有良好表现。为更好发挥生物炭在盐碱土壤改良方面的应用潜力，选用骨炭（AB）和竹炭（PB）为改良材料，以浙江省台州市重度滨海盐碱土为研究对象，设置 4 种不同施用量（0、2%、5%、8%，w/w），通过室内土培实验，研究并分析骨炭和竹炭这两种生物炭在不同施用量下对滨海盐碱土壤的理化性质和养分含量的影响效果及可能规律，以筛选最佳处理，为生物炭应用于滨海盐碱土壤改良提供基础科学依据。结果表明，两种生物炭对盐碱土均具有一定的改良效果，（1）随骨炭施用量增加，盐碱土的土壤有机质（SOM）、总氮（TN）、总磷（TP）、碱解氮（AN）和有效磷（AP）含量呈现上升的趋势，添加 2%8%的骨炭，较对照（CK）相比分别提高了 43.9%125%、61.1%238%、632%1973%、49.3%155%和 42.9%89.2%；（2）随竹炭施用量增加，土壤理化性质得到明显改善，添加 8%的竹炭时，土壤含水量、孔隙度和阳离子交换量（CEC）较对照（CK）提高了 8.37%、1.59%和 179%，土壤容重和含盐量降低了 6.03%和 22.7%，土壤 SOM 含量显著提升了 535%。综上，两种生物炭均能起到改善盐碱土壤结构和提高土壤持水能力、降低土壤盐碱程度并抑制土壤养分流失的作用，其中，骨炭适用于提高盐碱土壤的孔隙结构和养分含量，而竹炭有更强的提升盐碱土壤的理化性质的能力。考虑到经济成本和施用效果，5%施用量的骨炭是进行滨海盐碱土养分含量及有效性的改良的理想选择，5%施用量的竹炭是改良盐碱土壤理化性质的理想选择。关键词：生物炭；竹炭；骨炭；滨海盐碱土；土壤性质；土壤养分 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.04.005 中图分类号：S156.4;S152.7;X144 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2023）04-0678-09 引用格式：赵维彬,唐丽,王松,刘玲玲,王树凤,肖江,陈光才,2023.两种生物炭对滨海盐碱土的改良效果J.生态环境学报,32(4):678-686.ZHAO Weibin,TANG Li,WANG Song,LIU Lingling,WANG Shufeng,XIAO Jiang,CHEN Guangcai,2023.Improvement effect of two biochars on coastal saline-alkaline soil J.Ecology and Environmental Sciences,32(4):678-686.盐碱土因盐分高、紧实度大和有效养分低等障碍因子会导致土壤结构退化、生产力下降和植物成活率低，严重限制当地的农业资源发展和生态环境安全（毛庆莲等，2020）。受绵长的海岸线和人为活动的影响，我国东部沿海地区土壤盐碱化程度正不断加剧（20000 km2），严重威胁中国滨海土壤生态安全和环境，亟需一种长效、绿色、稳定、可行的改良措施（杨劲松等，2022）。现阶段对盐碱土改良措施主要有物理、生物和化学等措施，物理改良措施如通过秸秆覆盖、淋洗、铺设暗管等的方式，通过改变土壤物理结构调控土壤水盐运移来抑制表土盐分累积、增强土壤淋洗效果、降低土壤盐分以达到保墒抑盐的效果，但工程量大和成本昂贵使其难在滨海盐碱地区大面积推广应用（赵英等，2022）；生物改良措施是通过栽植耐盐植物或施用微生物菌剂来减轻土壤盐分累积并提高土壤养分，此措施具有对环境良好、可持续强的优点，但见效慢、耗时长（李金彪等，2014）；而利用脱硫石膏、硫酸亚铁、风化煤和废弃物堆肥产物等土壤改良剂以改善盐碱土壤质量的化学改良措施，可有效调节土壤酸碱、增加土壤养分并降低盐含量，但仍存在稳定性差、易降解、改良效果不全面等问题（陈义群等，2008；Li et al.，2020）。因此目前趋于利用稳定、有效、绿色和低成本的土壤改良剂来进行盐碱土改良。生物炭（Biochar）是由生物质在无氧或限氧条件下热解（700）制成具有高表面积、多孔结构、高 CEC、含氧官能团（如羟基、羧基和羰基等）和赵维彬等：两种生物炭对滨海盐碱土的改良效果 679 较高的养分含量（如 N、P、K 等）的稳定富碳材料（袁帅等，2016；Zhang et al.，2022）；在改良滨海盐碱土方面，施用生物炭会提高土壤的孔隙度和持水能力，如施用 5%的玉米秸秆生物炭使滨海盐碱土壤含水量提高 6.41%（Duan et al.，2021；邓晓等，2022）；生物炭的施用还可以提高土壤 CEC（韩剑宏等，2019），如在滨海盐碱土中施用 60 thm2麦秸生物炭，土壤 CEC 增加 82.0%（Cui et al.，2022）；另外，生物炭含有的有机物质和灰分组分可提高土壤肥力、碳储存、养分含量及有效性，显著改善了土壤养分含量（Xiao et al.，2016；Luo et al.，2018；卜晓莉等，2019），如 2.0%和 2.5%的木质生物炭施用可使沿海盐碱土 NO3-N 含量增加 95.6%和73.9%，AP 含量增加了 98.4%和 103.7%，土壤 SOM含量增加了 4.5 倍和 4.9 倍（He et al.，2020）。生物炭的制备原料较广泛，如秸秆、凋落物、木屑、城市污泥、畜禽粪便和动物骨骼等农林牧业废弃物，而对盐碱土的改良效果与生物炭制备原料密切相关（Tomczyk et al.，2020），由于不同原料对热裂解的反应不同，使生物炭的结构、孔隙度、比表面积、灰分和养分含量等理化性质受制备原材料的影响而产生显著差异，对土壤的改良效果也不尽相同（Saran et al.，2009）。如动物原料主要以动物蛋白（如明胶、胶原蛋白）和多糖（如淀粉、蛋白质等）组成，而植物原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成（Bordoloi et al.，2020；Um-e-Laila et al.，2021）。研究表明，由动物骨骼废弃质衍生的骨炭较其他生物炭相比含有更多的钙、磷等养分，是提升土壤肥力和养分含量的潜在改良剂（Azeem et al.，2021；Yang et al.，2022）；而竹炭具有丰富的孔隙结构，比表面积大且吸附能力较强，可用于吸附污染物和改善土壤结构（Wang et al.，2008；Ouyang et al.，2014）。目前生物炭在盐碱土修复中受到广泛的关注，然而鲜有对骨炭和竹炭在滨海盐碱土壤中施用效果的相关研究报道。因此，本研究的主要目的：（1）探究不同施用量的骨炭和竹炭对浙江滨海重度盐碱土壤理化性质和养分含量的影响效果；（2）初步提出了动物源生物炭和植物源生物炭对盐碱土改良效果的潜在影响规律，以期为生物炭应用于滨海盐碱土壤改良提供基础科学依据。1 材料与方法 1.1 试验材料 试验于 2021 年 410 月在中国林业科学研究院亚热带林业研究所温室大棚中进行（浙江省杭州市富阳区，1195747E，30347N），该场地为亚热带季风性湿润气候，降水充沛，光照充足。全年平均气温 17.8，平均相对湿度 70.3%，年降水量1454 mm，年日照时数 1765 h。供试土壤采集于浙江省台州市温岭沿海地区（无 作 物 生 长 和 农 业 管 理）的 滨 海 盐 碱 土（1213532E，283459N）。采集后的土壤去除杂质后，经风干碾碎过 2 mm 筛网，并混匀处理后放置于密封袋中备用，其 pH 值为 8.89，含盐量为 8.23 gkg1，该地土壤属重度盐碱化土（盐分为 4.58 gkg1）（董合忠等，2012），其基本特征见表 1。两种供试生物炭分别是以内蒙古牛骨为原料制备的骨炭（购买自青岛立洲化工有限公司，500 高温裂解制成，过 2 mm 筛）和以竹材为原料的竹炭（购买自杭州临安姚氏炭业有限公司，600 下高温裂解 1 h 制成，过 2 mm 筛）。两种供试生物炭基本特征见表 2。1.2 试验设计 土培试验周期为 6 个月，从 2021 年 4 月中旬表 2 试验生物炭基本特征 Table 2 The basic properties of biochars 理化性质 骨炭(AB)竹炭(PB)比表面积/(m2g1)57.17 760 孔隙大小/nm 11.4 3.07 pH 7.93 9.24 EC/(Scm1)CEC/(cmolkg1)929 4.47 714 1.24 w(C)/(mgg1)104 418 w(灰分)/%89.6 58.2 w(N)/(mgg1)26 2.14 w(P)/(mgg1)21.2 0.081 w(Na)/(mgg1)1.03 0.287 w(Mg)/(mgg1)0.66 0.085 w(Ca)/(mgg1)38.85 0.43 w(K)/(mgg1)0.129 0.765 表 1 试验土壤基本特征 Table 1 The basic properties of soil in present study 土壤性质 试验地土壤 容重/(gcm3)1.47 含水量/%30.87 孔隙度/%41.89 pH 8.89 w(盐分)/(gkg1)8.23 CEC/(cmolkg1)2.21 w(SOC)/(gkg1)12.41 w(TN)/(gkg1)w(TP)/(gkg1)w(AN)/(mgkg1)0.72 1.08 31.16 w(AP)/(mgkg1)24.06 680 生态环境学报 第32卷第4期（2023年4月）至 2021 年 10 月中旬，依据不同类型生物炭和施用量（土壤质量 w/w）共设置 7 组处理：（1）对照 CK，不添加任何生物炭；（2）AB2，添加 2%的骨炭；（3）AB5，添加 5%的骨炭；（4）AB8，添加 8%的骨炭；（5）PB2，添加 2%的竹炭；（6）PB5，添加 5%的竹炭；（7）PB8，添加 8%的竹炭，每组处理设置 10 个重复。将生物炭与盐碱土混匀后装入圆柱形土培塑料盆（15 cm 深20 cm 顶部直径15 cm 底部直径），每盆装土 2.5 kg。整个土培过程在温室环境下的中进行，经 6 个月处理后，收集各处理盐碱土样并充分混匀，测定土壤理化指标和养分含量。1.3 样品采集和测定方法 6 个月处理后，采集各处理 015 cm 深的土样，经自然风干，研磨粉碎过 2 mm 筛，存储待测。土壤理化指标和养分含量的测定采用常规分析方法（鲍士旦，2000）。采用环刀法测定土壤容重；通过 105 下烘干处理 8 h 的重量损失来确定土壤含水量；采用浸水法来测定土壤孔隙度；土壤 pH 采用土水比为 1:2.5（w/V）的土壤悬浊液，使用雷磁pH 计（PHS-3G）进行测定；土壤电导率（EC）用雷磁电导率仪（DDS-307A）对土水比为 1:5（m/V）的土壤悬浊液进行测定，根据 EC 值与土壤含盐量之间的关系获得土壤含盐量；CEC 采用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法进行测定；TN 根据凯氏定氮法进行测定；AN 采用碱解扩散法进行测定；T