生物炭和園林廢棄物堆肥對(duì)濱海鹽堿土淋溶的影響

周文志， 孫向陽(yáng)， 李素艷， 張 樂(lè)

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京)

濱海鹽堿地是在海洋和陸地的相互作用下，由大量泥沙沉積形成的連接陸地和海洋的緩沖地帶。在我國(guó)漫長(zhǎng)的海岸線上，分布著大量的濱海鹽堿土，面積約67萬(wàn)hm2[1]。由于鹽堿土有pH值高、通透性差、表層易板結(jié)、養(yǎng)分含量低等特點(diǎn)，使得鹽堿地區(qū)土壤條件惡劣、土地生產(chǎn)能力低，土地資源難以得到充分的開(kāi)發(fā)，造成大量土地資源的浪費(fèi)，從而加劇了沿海地區(qū)土地資源短缺的現(xiàn)狀。灌溉洗鹽是降低鹽漬化土壤鹽分含量最簡(jiǎn)單有效的方法之一，提高灌溉洗鹽效率首要任務(wù)是改善土壤的通透性[2]。生物炭是生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)的固體產(chǎn)物，可用作土壤調(diào)理劑，降低土壤密度[3]、改善土壤結(jié)構(gòu)與孔性[4]、提高土壤通透性[5]、加快水分入滲和再分配[6]。堆腐后的園林廢棄物具有碳含量豐富且質(zhì)地疏松的特點(diǎn)，可作為肥料和土壤調(diào)節(jié)劑，可促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，降低土壤的pH，提高土壤的肥力及微生物活性[7]，改善土壤的通透性達(dá)到改良土壤效果[8-10]。

本研究通過(guò)室內(nèi)淋溶脫鹽試驗(yàn)，向河北省濱海地區(qū)典型鹽堿土的表層土壤(0～20 cm)中添加不同量生物炭和園林廢棄物堆肥，模擬測(cè)定淋溶液和土壤主要鹽分的含量。目的在于：1)了解添加不同量生物炭和園林廢棄物堆肥時(shí)，濱海鹽漬化土壤鹽分淋溶與脫鹽過(guò)程的特征及差異；2)了解生物炭和園林廢棄物堆肥在淋溶脫鹽過(guò)程中的作用，揭示生物炭和園林廢棄物堆肥的配施改良濱海鹽堿土的機(jī)理，有利于改善該區(qū)域?yàn)I海鹽堿土的現(xiàn)狀，為濱海城市的綠化及耕地鹽堿化改良提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

生物炭在500 ℃高溫厭氧條件下熱解5 h的果木炭，由陜西億鑫生物能源有限責(zé)任公司提供，主要成分為有機(jī)碳和礦質(zhì)養(yǎng)分，其中Na+2.75 cmol/kg、K+11.26 cmol/kg、Ca2+14.21 cmol/kg、Mg2+1.26 cmol/kg，pH值為9.12，EC值為12.73 mS/cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用的淋溶試驗(yàn)裝置如圖1所示，以口徑12 cm高度10 cm底部帶孔的容器模擬土柱。容器底部墊2層紗布，防止漏土，盆下放置500 mL燒杯承接淋溶液。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理：CK處理，不添加任何材料；B處理，添加2%土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的生物炭；G處理：添加5%土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的園林廢棄物堆肥；BG處理：添加2%土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的生物炭和5%土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的園林廢棄物堆肥，各處理均重復(fù)3次。將過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土和改良材料充分混合均勻后，把500 g混合土樣分層填入容器之中，自然壓實(shí)。初次澆水150 mL，使土壤達(dá)到田間最大持水量，稱其初始質(zhì)量。放入培養(yǎng)箱，在(25±1)℃恒溫培養(yǎng)，使土壤和改良材料充分融合，1周之后加水到飽和(以裸土飽和含水量為準(zhǔn))，之后開(kāi)始淋溶。采用間歇式灌水的方式，以去離子水為水源，一次性給水100 mL(模擬約10 mm的降水量)，收集淋溶液，間隔1晝夜后，進(jìn)行下一次淋溶，共進(jìn)行6次。分析淋溶液以及淋溶后土壤的鹽堿指標(biāo)。

圖1 淋溶試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Sketch map of leaching experiment

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

鈉吸附比(SAR, sodium adsorption ratio)是評(píng)價(jià)土壤鹽堿化程度的重要指標(biāo)[15]，計(jì)算式為

(1)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS 18.0進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和處理。各處理之間采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和鄧肯法(Duncan)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著水平為0.05；采用Excel 2010進(jìn)行作圖和制表分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淋溶液pH值的變化趨勢(shì)

圖2所示為不同處理下淋溶液pH值的變化趨勢(shì)。在淋溶試驗(yàn)過(guò)程中，淋溶液的pH值變化較為明顯，這是因?yàn)闉I海鹽堿土在脫鹽的過(guò)程中離子組成的變化會(huì)引起土壤性質(zhì)的一系列改變，如鈉吸附比、堿化度、殘余碳酸鈉(residual sodium carbonate，RSC)等，由于室內(nèi)淋溶脫鹽試驗(yàn)的脫鹽程度更高，因此pH值的變化也相對(duì)更明顯。對(duì)CK而言，淋溶液的pH值隨著淋溶的進(jìn)行先上升后下降，但變化趨勢(shì)不明顯，這反映了濱海鹽堿土在脫鹽過(guò)程中堿化的變化規(guī)律。B處理顯著提高了土壤的起始pH值，淋溶過(guò)程中明顯下降，pH值從8.82降低到8.37。G處理沒(méi)有明顯的改變土壤起始的pH值，但在淋溶過(guò)程中與CK相比明顯的抑制了土壤淋溶過(guò)程中pH值升高的現(xiàn)象，淋溶液的pH值從7.67升高至8.36后降低到8.24；G處理與CK的變化趨勢(shì)類似，但是變化幅度較小，pH峰值明顯小于CK。B處理和BG處理前期的pH值較大，這可能是由于生物炭中存在一定量的碳酸根離子，因此淋溶液的pH較高。在淋溶4次后，各處理的pH值的變化幅度較小，這是因?yàn)橥寥乐懈鞒煞诌_(dá)到一種相對(duì)平衡的狀態(tài)，并且含量很低。在整個(gè)淋溶過(guò)程中，淋溶4次之后，淋溶液的pH值均低于CK，試驗(yàn)表明生物炭和園林廢棄物堆肥的添加能夠在一定程度上抑制土壤淋溶過(guò)程中的堿化，同時(shí)表明添加園林廢棄物堆肥的處理可以改善pH值。

CK：Without adding any material. B: Adding 2% soil mass fraction of biochar. G: Adding 5% soil mass fraction of garden waste compost. BG: Adding 2% soil mass fraction of charcoal +5% soil mass fraction of garden waste compost. The same as below. 圖2 不同處理下淋溶液pH的變化趨勢(shì)Fig.2 Changing trend of leaching solution pH in different treatments

2.2 淋溶液電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)

電導(dǎo)率(EC)表征物質(zhì)傳遞電流的能力，土壤EC值可用來(lái)表示土壤中可溶性鹽分的溶出狀況[16]。一般情況下，濱海鹽堿土中的水溶性離子的組成較為穩(wěn)定，因此EC值可以在一定程度上反映鹽離子的含量[17]。鹽隨水動(dòng)是土壤中水鹽運(yùn)移的規(guī)律。如圖3所示，隨著淋溶的進(jìn)行離子隨著淋溶液流出，土壤中的鹽分含量不斷減少。各處理淋溶液的電導(dǎo)率呈前期下降迅速，后期逐漸放緩。整體淋溶過(guò)程中與CK相比，添加改良材料的各處理淋溶液的電導(dǎo)率下降趨勢(shì)較快，表明添加生物炭和園林廢棄物堆肥的各處理的鹽分洗脫速率更快。淋溶效果最好的是BG處理，其次是B處理，最后是G處理。

圖3 不同處理下淋溶液電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)Fig.3 Changing trend of leaching solution electrical conductivity (EC) in different treatments

2.3 淋溶液離子質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)

圖4 不同處理下淋溶液中離子含量的變化趨勢(shì)Fig.4 Dynamic of ion contents in leaching solution in different treatments

圖5 淋溶液中離子質(zhì)量濃度與電導(dǎo)率的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis between EC and three ions contents in leaching solution

2.4 淋溶液離子質(zhì)量濃度與電導(dǎo)率的相關(guān)性分析

2.5 不同處理對(duì)淋溶后土壤鹽分指標(biāo)的影響

表1表明，不同處理下淋溶后土壤的pH值存在顯著差異，pH值大小順序?yàn)锽>CK>BG>G。G處理顯著低于CK，表明單獨(dú)添加園林廢棄物堆肥可以有效地降低濱海鹽堿土的pH值。B處理(添加2%土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的生物炭)的pH值高于其他處理，可能是因?yàn)榻?jīng)過(guò)淋溶脫鹽之后土壤中的各成分含量較低，但是生物炭含有一定量的有機(jī)官能團(tuán)(—COO—、—COOH、—O—、—OH等)，吸收土壤中的或水解離產(chǎn)生的H+，提高土壤的pH值[18]。

處理B、G和BG均能顯著降低土壤的EC值，與CK相比土壤EC值分別降低43.90%、34.15%、51.22%，但處理B、G和BG之間沒(méi)有呈現(xiàn)顯著性差異。淋溶結(jié)束后各組處理的土壤中易被淋溶的離子已淋溶得較為徹底，所以淋溶液的EC值在同一水平。但生物質(zhì)純物理性的“摻雜”、物理化學(xué)的離子吸附與交換作用促進(jìn)了土壤顆粒的膠結(jié)與團(tuán)聚作用，改變土壤孔隙狀況，促進(jìn)了淋溶效應(yīng)，使添加生物炭組淋溶后土壤的EC值較低。園林廢棄物堆肥中的腐殖酸銨溶于水后形成親水膠體 ,它的羥基、羧基功能團(tuán)與土壤中Ca2+發(fā)生凝聚反應(yīng)，能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，能夠有效改善土壤孔隙狀況，改善土壤結(jié)構(gòu)促進(jìn)鹽分的淋溶，降低了試驗(yàn)組土壤的EC值。

表1 不同處理下淋溶后土壤的鹽分指標(biāo)Tab.1 Salinity indexes of soil after leaching in different treatments

注：表中的數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同字母表示在0.05水平上差異顯著。Notes: The data in the table are mean ± standard deviation, and the different letters indicate significant differences at the 0.05 level. SAR stands for sodium adsorption ratio.

3 結(jié)論與討論

加入生物炭處理后，隨著淋溶次數(shù)的增加，淋溶液的pH值逐漸下降；加入園林廢棄物堆肥處理后，淋溶液的pH 值先升高后下降；同時(shí)加入生物炭和園林廢棄物堆肥的處理的pH值呈先下降后升高的趨勢(shì)，下降幅度小于單獨(dú)添加生物炭或園林廢棄物堆肥的處理。淋溶3次之前，加入園林廢棄物堆肥和生物炭的處理，EC值的下降速率明顯高于對(duì)照組。從平均斜率分析可以得出，同時(shí)加入生物炭和園林廢棄物堆肥的處理效果最好，其次是單獨(dú)添加生物炭，最后是園林廢棄物堆肥。

生物炭產(chǎn)生這種作用的原因和機(jī)理十分復(fù)雜，包括純物理性的“摻雜”效應(yīng)，改變土壤孔隙狀況，物理化學(xué)的離子吸附與交換作用，如生物炭含有的 Ca2+、Mg2+等離子交換鹽漬化土壤膠體吸附的Na+，以及促進(jìn)土壤顆粒的膠結(jié)與團(tuán)聚作用，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等，此外由于生物炭為多孔“剛性的”顆粒狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，可降低土壤密度，改善土壤孔隙狀況，提高土壤孔隙度，從而提高土壤透水性，促進(jìn)鹽分隨水分運(yùn)移，加快鹽分淋溶出土體，降低土壤含鹽量[19]。同時(shí)園林廢棄物堆肥堆腐過(guò)程中產(chǎn)生的腐殖酸類物質(zhì)，例如腐殖酸銨溶于水后形成親水膠體，它的羥基、羧基功能團(tuán)與土壤中Ca2+發(fā)生凝聚反應(yīng) ,能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，能夠有效改善土壤孔隙狀況，改善土壤結(jié)構(gòu)促進(jìn)鹽分的淋溶，從而起到降低土壤EC值的作用。此外腐植酸的酸性可與鹽堿土的堿性中和,所以腐植酸可調(diào)節(jié)土壤的 pH值，例如硝基腐殖酸銨、硝基腐殖酸。