生物炭和河沙对盐碱土壤水盐分布和小麦生长的影响

Effect of biochar and river sand on water-salt distribution and wheat growth in saline soils

摘要

目的 探究生物炭与河沙对黄河三角洲地区盐碱土的改良效果。 方法 通过大田试验，分析了盐碱化土壤在生物炭和河沙作用下，土壤水盐的时空运移及冬小麦生长情况和产量。试验设置：CK、S₁（136 t/（hm²·a）河沙）、S₂（272 t/（hm²·a）河沙）、S₃（408 t/（hm²·a）河沙）、C₁（5 t/（hm²·a）生物炭）、C₂（10 t/（hm²·a）生物炭）、C₃（20 t/（hm²·a）生物炭）7个处理。 结果 对于土壤平均含水率，在0~20 cm土层C₂处理最高为15.13%，在20~40、40~60 cm土层S₃处理最高分别为17.35%、20.53%，生物炭和河沙处理均能影响土壤水分分布，前者主要增加表层土壤含水率，后者则对增加深层土壤含水率效果较好。而对于土壤含盐量，生物炭处理会增加初期的土壤含盐量，但返青期后含盐量会持续降低，土壤平均含盐量在0~20、20~40 cm土层S₃处理最低，在40~60 cm土层C₂处理最低。从冬小麦生育初期到收获期的含盐量变化来看，0~20、20~40、40~60 cm土层降盐率最高的处理分别为S₂（32.34%）、C₂（29.86%）、C₁（12.38%），其中河沙处理在40~60 cm土层发生积盐。根据冬小麦生长和产量情况，生物炭与河沙均能促进冬小麦生长及增产，其中生物炭对促进冬小麦初期的生长有更好的效果，各处理中C₂处理冬小麦产量最高，为5 815.4 kg/hm²，比CK增产20.46%，S₃处理产量为5 795.1 kg/hm²，均显著高于CK。 结论 综上所述，对于盐碱土的改良效果，生物炭C₂处理效果最好，河沙S₃处理效果次之，可因地制宜选择合适的改良方法。

Abstract

Objective This study was to investigate the impact of biochar and river sand on the enhancement of saline soils in the Yellow River Delta region. Method A field experiment was conducted to analyze the spatial and temporal transport of soil water and salt，as well as the growth and yield of winter wheat in saline soils under the influence of biochar and river sand.The experiment consisted of seven treatments:CK (control),S₁ (136 t/(hm²·a) of river sand)，S₂ (272 t/(hm²·a) of river sand),S₃ (408 t/(hm²·a) of river sand)，C₁ (5 t/(hm²·a) of biochar)，C₂ (10 t/(hm²·a) of biochar) and C₃ (20 t/(hm²·a) of biochar). Result Our results showed that treatment C₂ exhibited an average soil moisture content of 15.13% in the 0~20 cm soil layer，while treatment S₃ displayed values of 17.35% and 20.53% in the 20~40 and 40~60 cm soil layers，respectively.Both biochar and river sand treatments can affect the distribution of soil moisture.Biochar primarily increased the water content in the surface soil，while river sand was more effective in increasing water content in the deeper soil layers.Concerning soil salinity，the application of biochar initially increased soil salinity，but it subsequently decreased after the revitalization stage.The average soil salinity was lowest in treatments S₃ within the 0~20 and 20~40 cm soil layers，and lowest in treatment C₂ within the 40~60 cm soil layer.Analyzing the change in salinity of winter wheat from the early fertility stage to harvest，the treatments with the highest reduction in the 0~20，20~40 and 40~60 cm soil layers were S₂ (32.34%)，C₂ (29.86%) and C₁ (12.38%)，respectively.However，the river sand treatment resulted in salt accumulation in the 40~60 cm soil layer.The growth and yield of winter wheat indicated that both biochar and river sand promoted its growth and yield，with biochar being more effective in promoting the initial growth.Treatment C₂ yielded the highest winter wheat yield at 5 815.4 kg/hm²，which was 20.46% higher than the control (CK)，while treatment S₃ yielded 5 795.1 kg/hm²，both significantly higher than CK. Conclusion In conclusion，this study found that C₂ treatment was the most effective，followed by S₃ treatment，in enhancing saline soils.Therefore，the selection of an appropriate improvement method should be based on local conditions.

Graphical abstract

关键词

生物炭 / 河沙 / 盐碱土 / 土壤含水率 / 土壤含盐量 / 冬小麦

Key words

biochar / river sand / saline soil / soil water content / soil salinity / winter wheat

Author summay

吴畏，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

盐碱地的特点是土体中含有较多的盐碱成分，造成土壤质量下降，使大多数植物的生长受到不同程度抑制^［1］。黄河三角洲地区作为我国重要的农业产区，分布着大量的盐碱地，土壤盐碱化一直制约着该区域农业生产发展。目前，该区域人口持续增长，资源不均衡、土地供需矛盾日益突出，如何有效改良和利用盐碱地资源，已成为促进黄河三角洲地区农业发展的关键问题^［2-4］。针对盐碱土壤，通过生物改良和化学改良等措施可取得一定的效果，但同时，这些改良措施也存在见效较慢、易产生土壤次生盐渍化和二次污染等问题^［5-6］。生物炭是由有机物料热解而成，属于可再生资源，用于盐碱地改良可以起到改善土壤结构，提高土壤肥力和减轻盐胁迫的作用^［7-9］。研究表明，生物炭可以减少土壤水分蒸发，增加土壤的持水能力，从而提高水资源的利用效率^［10］。Ali等^［11］在滨海盐碱土中施用生物炭发现其有效改善了盐碱土壤的理化性质、提高了土壤质量。Zhao等^［12］研究表明松嫩平原苏打盐碱地添加玉米秸秆生物炭可以降低土壤盐分、pH和Na⁺含量，增加阳离子交换量、有机质和养分含量。同时Yuan等^［13］研究发现生物炭灰分中含有一定的Ca²⁺、Mg²⁺等离子，可以置换土壤中的Na⁺ 使盐分更易淋洗，加速土壤的排盐过程，并随着用量的增大洗盐效果增强。黄河三角洲为冲积平原，并且临近黄河，河沙资源丰富易得^［14］，研究表明土壤表层掺沙改变了土壤的颗粒组成，可以加快土壤水分入渗，减少地表径流，减少土壤蒸发^［15］。Miao等^［16］对河套灌区重度盐碱土进行掺沙改良发现：适当掺沙可以增加土壤水分入渗能力，同时能够保证土壤的脱盐能力和持水能力。有研究表明，施用生物炭增加了掺炭层的土壤含水率，而施用河沙则增加了掺沙层以下的土壤含水量，两种改良方法均利于土壤保水降盐，但河沙处理降盐效果更好^［17］。

目前，使用生物炭或河沙对盐碱地进行改良已取得了一定的研究成果，但对两者改良盐碱地的异同研究还较少。基于以上分析，本研究选用了生物炭和河沙对黄河三角洲地区盐渍化土壤进行改良研究。通过大田试验，探讨了生物炭和河沙对黄河三角洲盐碱地土壤的水盐分布规律以及土壤pH变化情况的影响，并且以冬小麦的生长指标为表征对象，对比分析各处理间的差异，以期为黄河三角洲盐碱地降盐培肥和作物增产提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省滨州市滨城区，气候类型为温带大陆性季风气候，年平均气温为12.7 ℃，试验期内降水主要集中在4~5月。试验区地下水pH为7.93，可溶性盐含量为2.08 g/kg，其中阳离子以Na⁺为主，阴离子以HCO₃^-为主。试验区土壤基本理化性质见表1，土壤颗粒组成见表2，根据国际土壤质地分类标准，土壤质地为粉砂质壤土。

1.2 试验材料

试验所用生物炭为棉花秸秆在800 ℃下通过72 h热解而成，密度为0.297 g/cm³，pH值为8.6，EC_5：1为1.56 mS/cm，含碳量为73%，含氮量为0.9%，比表面积为12.5 m²/g；试验所用河沙取自当地黄河河沙，经过晾干、过筛处理后施用，土壤和河沙粒度分析见表2。

1.3 试验设置

试验设置：CK（空白对照）、S₁（136 t/（hm²·a）河沙）、S₂（272 t/（hm²·a）河沙）、S₃（408 t/（hm²·a）河沙）、C₁（5 t/（hm²·a）生物炭）、C₂（10 t/（hm²·a）生物炭）、C₃（20 t/（hm²·a）生物炭）共7个处理，每个处理重复 3 次，共有 21 个小区，每个小区的面积为14.5 m×8 m=116 m²。生物炭和河沙施用方式为地表撒施后旋耕20 cm，冬小麦品种为济麦22，小麦于2017年10月16日播种，2018年6月4日收获，试验期间的管理措施如播种、除草等均与当地农田管理方式一致。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 土壤及小麦样品的采集

小麦各生育期内，每个小区选取3个采样点，按照0~20、20~40、40~60 cm 3个层次进行土壤样品采集；并随机选取30株冬小麦，测定株高、干物质积累量。

1.4.2 土壤及小麦样品的测定

土壤含水率：用精确度为0.01 g的电子天平称取铝盒质量，然后取10~20 g新鲜土样置于铝盒内称质量。将样品放入烘箱，在105 ℃下烘干10 h，取出冷却至室温后称质量，计算出土壤含水率。

土壤全盐量：取过2 mm筛的风干土5 g，放入离心管中，加入25 mL去离子水，振荡3 min，静置澄清后，使用电导率仪测定溶液的电导率，再根据当地土壤浸提液电导率与土壤含盐量的关系，将电导率转化为土壤全盐量，具体的转化公式为：

y=2.160EC_5∶1+0.303（1）

式中：y为土壤全盐量，g/kg；EC_5：1为25 ℃下水土比为5∶1的土壤浸提液电导率，mS/cm。

土壤降盐率：计算方法为：

\mathrm{土壤}\mathrm{降盐}\mathrm{率}=\frac{\mathrm{初始}\mathrm{含盐}\mathrm{量}-\mathrm{收获}\mathrm{期含}\mathrm{盐量}}{\mathrm{初始}\mathrm{含盐}\mathrm{量}}（2）

小麦生长指标：用直尺测量样品植株的株高。将植株样本置于托盘中，放入烘箱，在105 ℃下杀青30 min后，于75 ℃下烘干至恒质量，用电子天平称量干物质质量。

小麦产量：冬小麦收获时，在每个小区随机选取2 m×2 m的采样区，进行测产。

1.5 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2019进行数据整理，利用Origin 2019软件绘图，采用SPSS 25.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭和掺沙对土壤水盐变化的影响

2.1.1 各处理作用下土壤水分随时间的变化规律

由图1及表3可知，各处理的土壤含水率变化趋势相近，但在不同土层深度，各处理含水率存在一定差异。其中，在0~20 cm土层，各处理平均含水率在12.43~15.13%之间，大小关系为C₂>C₃>C₁>S₁>CK>S₂>S₃，在2018年5月，C₂和S₃处理含水率差值最大为4.23%，生物炭处理的土壤含水率在整个生育期均高于CK和河沙处理，增加了表层土壤的含水率；20~40 cm土层中，各时期生物炭与河沙处理的土壤含水率差别不大，各处理平均含水率均高于CK，且C₂和S₃处理与CK具有显著性差异（P<0.05）；在40~60 cm土层，土壤平均含水率大小为河沙>生物炭>CK，S₂和S₃处理显著高于其余处理（P<0.05），河沙处理增加了深层土壤的含水率。

2.1.2 各处理作用下土壤盐分随时间的变化规律

由图2可知，与CK相比，0~40 cm土层中，河沙处理的土壤含盐量均有明显降低，而生物炭处理在试验初期会造成土壤含盐量小幅增加，但在进入返青期后，生物炭会持续降低土壤含盐量。在0~20 cm土层，随着土壤含水率的增加，在2018年5月各处理含盐量达到最低值，与4月相比，生物炭处理和河沙处理的土壤盐分下降率分别为14.13%、18.09%、13.41%和17.34%、18.29%、18.71%，说明在改良剂添加层，河沙对土壤盐分的淋洗效果优于生物炭，并且随着河沙施用的增加，淋洗效果增强；在20~40 cm土层中，土壤含盐量整体表现为CK>生物炭>河沙，各处理差值最大处在2018年5月，各处理的排序为CK>C₁>C₃>S₁>C₂>S₂>S₃，生物炭和河沙处理均显著低于CK，且S₃显著低于其它处理，与CK的含盐量差值为0.65 g/kg，具有较好的降盐效果；在40~60 cm土层中，土壤含盐量整体表现为河沙>CK>生物炭。说明河沙处理对添加层土壤的盐分淋洗效果优于生物炭，但会增加深层土壤的含盐量。

2.2 不同处理作用下土壤盐分的空间变化规律

2.2.1 不同处理对土壤降盐的影响

为进一步探求不同处理的降盐情况，对试验初期和冬小麦收获后，各处理的土壤含盐量进行统计分析，其结果如表4所示。在0~20 cm土层中，各处理的降盐率为S₂>C₃>C₂>S₃>S₁>C₁>CK，其中S₂处理降盐率为32.34%，显著高于其余处理（P<0.05）；在20~40 cm土层，各处理的降盐率为C₂>C₃>S₃>C₁>S₂>CK>S₁，其中C₂与其余处理有显著性差异（P<0.05）；对于深层土壤（40~60 cm），作物收获前后土壤盐分变化值小于耕作层，其中，C₁、C₂降盐率显著高于CK，而河沙处理在此深度积盐。

2.2.2 不同土层间的土壤盐分分布规律

在冬小麦生育期内对同一处理在不同土层间的含盐量进行数据分析，可以探究不同处理对土壤盐分垂直分布的影响。对0~20 cm土层和20~40 cm土层、20~40 cm土层和40~60 cm土层的土壤含盐量进行相关性分析，结果见表5，可知在0~20 cm和20~40 cm土层间，C₁、C₂和S₃表现出显著相关性（P<0.05），C₃表现出极显著相关性（P<0.01）；20~40 cm和40~60 cm两层土壤中，C₁、C₂为显著相关（P<0.05），河沙处理中S₁、S₂相关性较小，且S₃为负相关，说明河沙处理中，0~20 cm土层在淋洗土壤盐分减少时，40~60 cm土层土壤盐分开始积累。

综上分析可知，生物炭和河沙处理均能能降低盐渍化土壤含盐量，其中生物炭处理在施用初期会造成土壤盐分短暂增加，但返青期后土壤含盐量会持续下降，降盐效果随施用量的增加先增强后减弱，C₂处理降盐效果最好；河沙处理通过提高添加层土壤的入渗能力，促进了表层土壤盐分的淋洗，随着施用量的增加，淋洗效果增强，促进土壤盐分向深层迁移，但会在40~60 cm深度发生积盐。

2.3 生物炭和河沙对作物生长的影响

由表6~8可知，在小麦苗期，各处理的小麦株高和干物质重均无差异性。在分蘖期，与CK相比，生物炭处理和河沙处理均提高了小麦株高，但各处理间的株高和干物质重均无显著性差异。在返青期和拔节期，各处理的干物质重和株高均显著高于CK（P<0.05）；在灌浆期，生物炭处理和河沙处理的冬小麦干物质重显著高于CK，同时生物炭处理和河沙处理的株高均高于CK，其中河沙处理与CK有显著性差异（P<0.05），而生物炭处理与CK无显著性差异。在成熟期，各处理株高和干物质重均显著高于CK（P<0.05）。与CK相比，各处理均显著提高了冬小麦产量，其中C₂与S₃处理的冬小麦产量显著高于其他处理（P<0.05），C₂处理的产量最高，比CK增产20.46%。综合分析冬小麦的生长情况，施用生物炭和河沙能够促进冬小麦生长，增加冬小麦产量，其中C₂与S₃处理增产效果较好。

3 讨论

3.1 生物炭和河沙对盐碱地土壤水分分布的影响

土壤持水能力受土壤颗粒组成及孔隙度的影响，施加生物炭能够改善土壤理化性质，从而提高土壤持水能力，增加土壤含水率。本研究中，在0~20 cm土层，生物炭处理土壤含水率高于CK和河沙处理，这与黄成真等^［18］研究发现添加生物炭能够提高0~20 cm土层含水率的结果一致，其原因可能是因为生物炭具有巨大的比表面积，在吸附土壤水的同时能够形成胶体，减少水分的蒸发和过多入渗，从而增加表层土壤的含水率。亓波等^［15］研究发现土壤掺沙可以提高土壤的入渗能力，增加深层土壤含水率，土壤入渗能力随着掺沙比例的提高而增大，与本研究结果一致，其原因可能是河沙能改变土壤的颗粒组成，使土壤孔隙度增大，增强土壤入渗能力，从而使表层土壤含水率降低。施用生物炭增加了添加层的土壤含水率，而施用河沙增加了土壤深层含水率，原因可能是两种添加物对添加层土壤的作用不同，生物炭增加了表层土壤的保水性，而河沙增加了表层土壤的入渗能力，从而造成两种不同的结果。

3.2 生物炭和河沙对盐碱地土壤盐分分布的影响

土壤盐分是影响作物生长的重要因素，也是评价土壤质量的重要指标。添加生物炭及河沙均能降低土壤盐分，但两者作用效果及机理不同。添加生物炭会使初期土壤表层含盐量升高，是因为生物炭自身所含盐分较多，但返青期后即低于CK，且土壤深层含盐量较低，其降盐机理可能是生物炭改善了土壤物理结构，增加了土壤孔隙度，促进土壤盐分向下淋洗；生物炭改变了土壤化学性质，降低了土壤水溶性盐含量，同时，生物炭自身带有的Ca²⁺、Mg²⁺，减轻了钠害并进一步提高了土壤肥力^［19-20］。添加河沙降低了土壤表层含盐量，但增加了深层含盐量，其原因可能是河沙能够疏松盐碱土壤，加快水分入渗，使土壤盐分更容易向深层淋洗，同时，由于河沙破坏了添加层土壤毛管，减少了水盐向表层的运移。

3.3 生物炭和河沙对作物生长的影响

添加生物炭与河沙均能降低土壤盐分，增加土壤含水率，对作物生长具有积极的作用，但两者对作物生长指标的影响并不完全相同。本研究结果表明掺加河沙能够增加冬小麦干物质量及株高，并使产量显著增加，这与张宇航等^［21］研究发现掺沙处理能够促进玉米生长并增产的结果一致。而与河沙处理相比，添加生物炭处理的冬小麦株高及生物量在生育初期更高，但生育期末较低，其原因可能是河沙只是对土壤物理性质产生影响，而生物炭可以一定程度上改变土壤化学性质，增加土壤表层水分含量及肥力，对作物初期生长更有益，并使生物量更多的集中于籽粒发育，从而取得更高的产量^［22］。

4 结论

盐碱土中添加生物炭及河沙均能提高土壤含水率，生物炭处理的土壤表层含水率较高，其中C₂处理效果最好，而河沙处理的土壤深层含水率较高（S₃处理效果最好）。生物炭和河沙对土壤降盐均有积极作用，生物炭处理会使土壤表层含盐量在初期暂时增加，但后续含盐量会持续降低，而河沙处理会在土壤深处（40~60 cm）发生积盐，需要结合一定的排盐措施。对于作物生长及产量而言，生物炭与河沙均能促进作物生长和增产，而生物炭处理更能促进作物苗期的生长，并取得较高的产量，其中C₂处理产量最高为5 815.4 kg/hm²，较CK增产20.46%。综上所述，本研究中最适合滨州地区盐碱土的改良方法为C₂（10 t/（hm²·a）生物炭）处理，但S₃（408 t/（hm²·a）河沙）处理效果也较好，可根据当地实际情况进行选择。

参考文献

[1] 杨劲松，姚荣江，王相平，等.中国盐渍土研究：历程、现状与展望［J］.土壤学报，2022，59（1）：10-27.

[2] 朱伟，杨劲松，姚荣江，等.黄河三角洲中重度盐渍土棉田水盐运移规律研究［J］.土壤，2021，53（4）：817-825.

[3] 董亮，田慎重，孙泽强，等.黄河三角洲盐碱地土壤改良剂小麦效果研究［J］.农村经济与科技，2019，30（1）：1-3.

[4] 郝继祥，王一帆，邹荣松，等.黄河三角洲盐碱地改良对冬春地下水盐运动的影响［J］.农业科技与信息，2021（17）：22-24.

[5] 孙泽强，董晓霞，王学君，等.鲁北平原咸水滴灌对土壤水盐分布和棉花产量的影响［J］.干旱地区农业研究，2014，32（5）：12-17.

[6] 赵永敢，王淑娟，李彦，等.脱硫石膏改良盐碱土技术发展历程与展望［J］.清华大学学报（自然科学版），2022，62（4）：735-745.

[7] Liang J， Li Y， Si B，et al.Optimizing biochar application to improve soil physical and hydraulic properties in saline-alkali soils［J］.Science of the Total Environment，2021，771：144802.

[8] 刘淼，王志春，杨福，等.生物炭在盐碱地改良中的应用进展［J］.水土保持学报，2021，35（3）：1-8.

[9] 王志丹，代晓华，刘吉利，等.生物炭对宁夏干旱地区玉米生长及产量的影响［J］.甘肃农业大学学报，2022，57（1）：74-82.

[10] 董飞，闫秋艳，段增强，等.生物炭对不同浇水条件下冬小麦产量及水分利用效率的影响［J］.华北农学报，2020，35（1）：149-157.

[11] Ali S， Rizwan M， Qayyum M F，et al.Biochar soil amendment on alleviation of drought and salt stress in plants：a critical review［J］.Environmental Science and Pollution Research，2017，24（14）：12700-12712.

[12] Zhao W， Zhou Q， Tian Z，et al.Apply biochar to ameliorate soda saline-alkali land，improve soil function and increase corn nutrient availability in the Songnen Plain［J］.Science of The Total Environment，2020，722：137428.

[13] Yuan J H， Xu R K， Zhang H.The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures［J］.Bioresource Technology，2011，102（3）：3488-3497.

[14] 宋静茹，杨江，王艳明，等.黄河三角洲盐碱地形成的原因及改良措施探讨［J］.安徽农业科学，2017，45（27）：95-97+234.

[15] 亓波，李靖江，高崧，等.掺沙对盐渍土土块崩解和土壤盐分淋洗的影响机理［J］.水土保持学报，2021，35（6）：369-375.

[16] Miao Q， Zhou L， Gonçalves J M，et al.Effects of sand addition to heavy saline-alkali soil on the infiltration and salt leaching in hetao irrigation district，China［C］∥Biology and Life Sciences Forum.Multidisciplinary Digital Publishing Institute，2021.

[17] 相龙康，高佩玲，张晴雯，等.不同改良剂对滨海盐碱化土壤水盐运移特性的影响［J］.排灌机械工程学报，2020，38（9）：945-950.

[18] 黄成真，王娟，仲昭易，等.普通生物炭和酸改性生物炭对盐渍土入渗、蒸发过程的影响［J］.中国农村水利水电，2020（11）：138-142.

[19] 杨刚，周威宇.生物炭对盐碱土壤理化性质、生物量及玉米苗期生长的影响［J］.江苏农业科学，2017，45（16）：68-72.

[20] Major J， Rondon M， Molina D，et al.Maize yield and nutrition during 4 years after biochar application to a Colombian savanna oxisol［J］.Plant and Soil，2010，333（1）：117-128.

[21] 张宇航，高佩玲，张晴雯，等.中度盐碱土掺沙对土壤水盐运移和夏玉米生长的影响［J］.中国土壤与肥料，2019（2）：83-90.

[22] 梁晓艳，衣葵花，李萌，等.生物炭对盐碱地藜麦根系生长及生理特性的影响［J］.山东农业科学，2020，52（12）：24-29.

基金资助

山东省自然科学基金项目(ZR2020ME251)

国家自然科学基金项目(41703099)

淄博市校城融合项目(2019ZBXC245)