生物炭对草地盐碱土盐碱化特征和土壤养分的影响

摘 要：受气候和人为不合理扰动等因素的影响，草原土壤出现了大面积的盐碱化，严重威胁畜牧业生产和生态安全。以重度退化的草地盐碱土为试验对象，研究不同类型生物炭对草地盐碱土盐碱化特征和土壤养分的影响。研究结果表明：与对照相比，改性生物炭的添加在不同程度上降低了盐碱土的盐碱化特征指标（pH值、土壤总碱度、可溶性钠离子质量摩尔浓度、交换性钠离子质量摩尔浓度、土壤碱化度），且降低幅度与添加比例成正比；不同类型生物炭的添加对盐碱土的养分影响较小。总的来说，施用氯化钙改性生物炭可通过缓解土壤盐碱化改善土壤养分状况，从而起到刺激土壤微生物与环境因子的相互作用。

关键词：改性生物炭；盐碱土；盐碱化特征；土壤养分

中图分类号：S156.4 文献标志码：B 文章编号：1674-7909-（2023）13-126-5

0 引言

盐碱化是土壤健康最严重的威胁之一［1］，尤其是在年降水量少、蒸发量大、地下水位高及水质高矿化的地区［2］。地下水会携带大量的可溶性盐随地下水蒸发至土壤表层，使表层土壤中CO32-和HCO3-累积，土壤pH值升高，导致土壤盐碱化［3］。目前，土壤盐碱化已成为阻碍全球农业生产的主要因素之一，使全球农业生产损失惨重［4］。

截至2019年，我国盐碱地总面积达9 913万hm2，约占国土总面积的10%［5］，而且仍以每年25万hm2的速度增加，导致粮食每年减产207亿kg。草地生态系统大部分都处于年降水量较少的区域。近年来，由于开发利用和管理不当，我国草地盐碱化问题愈发严重［6］，草地植被多样性和生产力下降［7］，严重影响畜牧业发展和生态安全，急需对草地盐碱土进行改良，以提升土地质量，保障农业生产安全和生态安全。

近年来，利用农业废弃物制备的生物炭修复退化土壤越来越受到人们的关注［8］。生物炭本身富含碳元素，其灰分中含有植物生长所需矿质元素，应用于土壤中可增强土壤通透性，增加土壤碳库存，改善土壤养分状况［9］，因而其在土壤改良方面有着广阔的应用前景［10］。相关研究发现，生物炭表面携带的含氧官能团如-COOH、-OH［11］等可以与土壤胶体中吸附的盐基离子发生置换反应，吸附盐碱土中最具代表性的Na+，从而起到改善土壤盐碱化的作用［12］。与传统添加石膏及采用生物技术改良盐碱土相比，生物炭中部分酸性基团与土壤阳离子之间存在静电吸引力，可构建Ca2+、Mg2+等离子交联桥从而置换出与土壤胶体结合的Na+［13］，吸收包括可溶性盐在内的许多物质，减轻土壤返盐，有效降低土壤碱化度［14］，缓解土壤中可溶性盐对植物根系的胁迫［15］。

制备生物炭的材料类型、热解温度及制备方式在一定程度上决定了生物炭的理化性质和土壤改良效果［16-18］。有研究表明，Ca2+改性的生物炭改变了生物炭原有的表面特征官能团数量及内部晶体晶型，增强了离子代换作用［19］和向土壤中释放H+的可能［20］，在降低滨海盐碱土表层Na+含量上取得了不错的效果。草地盐碱土的形成与滨海盐碱土的形成存在一定的差异，利用不同裂解温度的生物炭或不同裂解温度后Ca2+改性的生物炭对草地盐碱土进行改良可能会取得不同的效果，但目前相关研究较少。在许多草地系统盐碱性退化不断加剧的背景下，有必要对其进行相关研究。因此，笔者分析不同类型生物炭对草地盐碱土盐碱化特征和土壤养分的影响，研究不同类型的生物炭对重度盐碱化的草地土壤的改良效果，以期为生物炭在草地盐碱土改良方面的应用提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤

供试土壤取自河北省张家口市沽源县国家草地生态系统野外观测站盐碱化草地表层土壤（0～30 cm）。取样土壤为栗钙土，经过测定，土壤总碱度为311.49 cmol/kg，交换性Na+质量分数为3.69 g/kg，交换性Ca2+质量摩尔浓度为12.14 cmol/kg，pH值为10.25，全量碳、氮、磷质量分数分别为21.0、1.2、1.4 g/kg，可溶性有机碳质量分数为330.89 mg/kg，无机氮质量分数为13.42 mg/kg，速效磷+质量分数为3.15 mg/kg。

1.1.2 生物炭

以小麦秸秆为原材料，利用450 ℃和600 ℃两个裂解温度分别制备得到低温热裂解的生物炭（WB450）和高温热裂解的生物炭（WB600），然后用粉碎机将WB450和WB600粉碎过筛，作为原始的生物炭备用。

制备钙改性生物炭时，分别取一定量的WB450和WB600，按1 g生物炭加入0.5 mol/L的氯化钙溶液15 mL制备溶液混合物，接着在25 ℃下用振荡器以125 r/min震荡24 h滤出生物炭，在105 ℃下烘48 h，接着在200 ℃下复热解1 h，即制备得到不同裂解温度负载钙基的改性生物炭，分别命名为MWB450、MWB600。

1.2 试验设计

试验在温室开展，将制备好的WB450、MWB450、WB600、MWB600分别按照3种添加比例（质量分数为0%、2%、4%）施入试验土壤中并混匀，然后转移至直径20 cm、高15 cm的土培试验盆进行土壤培养试验。整个试验共设计9个处理，分别为CK（0%）、L2（WB450，2%）、L4（WB450，4%）、H2（WB600，2%）、H4（WB600，4%）、LM2（MWB450，2%）、LM4（MWB450，4%）、HM2（MWB600，2%）、HM4（MWB600，4%），每个处理重复3次。在培养周期内维持土壤田间持水量为60%，培养至80 d，采样测定相关理化指标。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 生物炭理化性质

不同类型的生物炭制备完成后，测定生物炭电导率、pH值、灰分质量分数、碳（C）质量分数、氢（H）质量分数、氮（N）质量分数、氧（O）质量分数、比表面积、孔隙面积、孔隙大小。

将生物炭与超纯水按照1∶20的质量比混合，用pH计测定pH值；利用电导率仪测定生物炭电导率；将生物炭样品放入750 ℃马弗炉中煅烧6 h，测定灰分质量分数；利用CHNOS元素分析仪（Vario EL Ⅲ，Elementar Analysensysteme GmbH，德国）分析测定生物炭中的C质量分数、H质量分数、N质量分数、O质量分数；利用高性能比表面及微孔分析仪测定（BSD-PM）分析生物炭的比表面积、孔隙面积、孔隙大小。

1.3.2 土壤盐碱化特征

将添加了生物炭的盐碱土培养至80 d，采样测定土壤pH值、电导率，以及其碳酸根离子（CO32-）、碳酸氢根离子（HCO3-）、可溶性钠离子（WS-Na+）、交换性钠离子（EX-Na+）、交换性钾离子（EX-K+）、交换性钙离子（EX-Ca2+）、交换性镁离子（EX-Mg2+）的质量摩尔浓度。

采用1.0∶2.5土水比测定土壤pH值；采用1∶5土水比测定土壤电导率；取土壤浸提液用酚酞和溴酚蓝双指示剂滴定法测定土壤中CO32-、HCO3-质量摩尔浓度；使用ICP-OES测定土壤中WS-Na+、EX-Na+、EX-K+、EX-Ca2+、EX-Mg2+质量摩尔浓度。

根据测定的数值，利用公式（1）和公式（2）计算土壤总碱度（TA）和土壤碱化度（ESP）。

TA=CO32-质量摩尔浓度+HCO3-质量摩尔浓度 （1）

ESP=EX-Na+质量摩尔浓度/（EX-Na+质量摩尔浓度+EX-K+质量摩尔浓度+EX-Ca2+质量摩尔浓度+EX-Mg2+质量摩尔浓度）×100% （2）

1.3.3 土壤养分

将添加了生物炭的盐碱土培养至80 d，采样测定土壤总碳（Total Carbon，TC）、总氮（Total Nitrogen，TN）、总磷（Total Phosphorus，TP）、可溶性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、有效磷（Available Phosphorous，AP）等质量分数。

利用碳氮分析仪（Thermo Fisher Scientific，Italy）测定土壤TC、TN质量分数；利用NaOH热熔法测定土壤TP质量分数；利用总有机碳分析仪（multi N/C-3100）测定土壤DOC质量分数；使用流动化学分析仪（AA3/FIA Compact，Germany）测定土壤NH4+-N质量分数、NO3--N质量分数；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤AP质量分数。

1.4 数据处理与分析

利用Excel对数据进行整理，利用SPSS软件对试验数据进行方差分析和多重比较。

2 试验结果与分析

2.1 不同类型生物炭理化性质

由表1可知，不同类型生物炭的理化性质存在差异。在不改性的情况下，低温裂解生物炭（WB450）的C质量分数明显高于高温裂解生物炭（WB600）；在改性后，改性的低温裂解生物炭（MWB450）的C质量分数也明显高于改性的高温裂解生物炭（MWB600）。总的来看：改性生物炭（MWB450、MWB600）的C质量分数低于对应的非改性生物炭（WB450、WB600）；改性生物炭中的H、O和灰分质量分数都比对应的非改性生物炭高，但是非改性生物炭中的N质量分数高于对应的改性生物炭；低温裂解非改性生物炭（WB450）的N质量分数明显高于高温裂解非改性生物炭（WB600）；相对于低温裂解生物炭（WB450、MWB450），高温裂解生物炭（WB600、MWB600）具有更高的pH值、电导率和比表面积，更小的孔径面积和孔隙大小；在改性后，生物炭的电导率、pH值、孔隙大小和孔隙面积均降低，比表面积一定程度增加。

2.2 不同类型生物炭添加对土壤盐碱化特征的影响

由表2可知，与对照（CK）相比，非改性生物炭的添加（L2、L4、H2、H4处理）对草地盐碱土的pH值没有显著影响，但改性生物炭的添加（LM2、LM4、HM2、HM4处理）显著降低了盐碱土的pH值。在添加比例相同情况下，不同裂解温度改性生物炭的添加对土壤pH值具有相似的影响效应，且高温裂解改性生物炭添加比例为4%时（HM4处理），土壤pH值降幅最大。

与对照（CK）相比，非改性生物炭的添加并未使土壤电导率发生显著改变，但改性生物炭的添加一定程度降低了土壤电导率，尤其是高温裂解改性生物炭的添加（HM2、HM4处理）使土壤电导率降幅较大。

与对照（CK）相比，非改性生物炭的添加对土壤总碱度没有显著影响，但改性生物炭的添加显著降低了土壤总碱度，而且降幅与添加比例呈正相关，与裂解温度无明显关联。

与对照（CK）相比，非改性生物炭的添加对土壤中CO32-、HCO3-质量摩尔浓度没有显著影响，但改性生物炭的添加降低了土壤中CO32-、HCO3-的质量摩尔浓度，尤其改性生物炭的添加比例为4%时（LM4、HM4处理），土壤中CO32-、HCO3-的质量摩尔浓度下降幅度较大。

除L4处理外，与对照（CK）相比，不同类型生物炭的添加均使土壤中WS-Na+、EX-Na+质量摩尔浓度有不同程度的下降。与对照（CK）相比，非改性生物炭的添加未使土壤中EX-Ca2+质量摩尔浓度发生显著变化，改性生物炭的添加使土壤中EX-Ca2+质量摩尔浓度有不同程度的增加。

与对照（CK）相比，非改性生物炭的添加未使土壤碱化度发生显著变化，但改性生物炭的添加降低了土壤碱化度，而且降幅与添加比例呈正相关，与裂解温度无明显关联。这说明改性生物炭更有利于降低土壤盐碱化程度，而生物炭裂解温度对土壤盐碱化特征影响较小。

2.3 不同类型生物炭添加对土壤养分的影响