生物炭与脱硫石膏配施对龟裂碱土理化性质的影响

Effects of Biochar and Desulfurization Gypsum on the Physicochemical Properties of Cracked Alkaline Soils

摘要

为研究生物炭与脱硫石膏配施对龟裂碱土的改良效果，以宁夏平罗地区龟裂碱土为研究对象，通过田间小区试验，设置对照（CK）、施加生物炭（C）、施加脱硫石膏（T）、混施生物炭和脱硫石膏（T+C）4个处理，研究不同处理对龟裂碱土理化性质及高粱产量的影响。结果表明：单施生物炭、脱硫石膏及混施生物炭与脱硫石膏处理均降低土壤碱化度、pH和容重，增加土壤有机质、铵态氮质量比以及作物产量。单施生物炭对土壤理化性质的影响最显著，其中土壤硝态氮质量比、阳离子交换量、速效钾质量比较CK分别显著增加168.83%、55.81%、110.09%，较单施脱硫石膏分别增加253.99%、3.08%、81.75%，较混施脱硫石膏和生物炭分别增加了152.21%、19.64%、89.26%。单施脱硫石膏可以显著提升高粱生长指标，使籽粒产量较CK显著增加18.99%。2种改良剂单施对龟裂碱土理化性质的改善及高粱产量的提高的效果较两者配施更优。

Abstract

This study investigates the effects of biochar and desulfurization gypsum on improving cracked alkaline soils， specifically focusing on those in the Pingluo region of Ningxia. A field plot experiment was conducted with four treatments： control （CK）， application of biochar （C）， application of desulfurization gypsum （T）， and a combined application of biochar and desulfurization gypsum （T+C）. The effects of these treatments on the physicochemical properties of the cracked alkaline soils and sorghum yields were assessed. The results indicate that all three treatments reduce soil alkalinity， pH， and bulk density， while increasing soil organic matter， ammonium nitrogen content， and crop yield. The single application of biochar results in significant increases in soil nitrate nitrogen， cation exchange capacity， and available potassium by 168.83%， 55.81%， and 110.09%， respectively， compared to CK； by 253.99%， 3.08%， and 81.75% compared to T； and by 152.21%， 19.64%， and 89.26% compared to T+C. Additionally， the single application of desulfurization gypsum significantly improves sorghum growth metrics， leading to an 18.99% increase in grain yield compared to CK. Overall， the individual applications of biochar and desulfurization gypsum are more effective in enhancing the physicochemical properties of cracked alkaline soils and increasing sorghum yields than their combined application.

Graphical abstract

关键词

生物炭 / 脱硫石膏 / 龟裂碱土 / 高粱 / 土壤理化性质

Key words

biochar / desulfurized gypsum / cracked alkaline soil / sorghum / soil physicochemical properties

土壤盐碱化是土壤退化的主要类型之一，严重影响着土地资源的开发和利用，威胁着耕地红线以及粮食生产^[1]。盐碱化土地是重要的后备耕地资源。我国目前各类可利用盐碱地资源约有3 670万hm²，其中具有较好农业开发价值、近期具备农业改良利用潜力的盐碱地面积为667万hm^2[2]。龟裂碱土是一种典型的钠质碱土^[3]，在我国西北地区分布广泛，其中宁夏境内龟裂碱土分布面积约为13万hm²。由于其结构性差、导水率低、高度碱化、土壤紧实度高，导致植物有效利用水减少，植物生长困难、存活率低^[4]，因此研究龟裂碱土的改良方法，通过改善龟裂碱土理化性质来提高宁夏地区作物产量对守牢18亿亩（1亩=667 m²）耕地红线，保障粮食安全具有重要意义。

土壤改良剂在盐碱化土壤改良中被广泛应用。生物炭由于其丰富的多孔结构和良好的吸附性，已被广泛应用于盐碱地改良中。生物炭的多孔结构不仅可以改善土壤的容重与孔隙结构^[5]，还能提高土壤的通透性、含水量、持水能力^[6]和团聚体含量^[7]，为土壤微生物提供适宜的生存环境。有研究表明，施加生物炭能显著提高土壤有机质和速效养分含量^[8]，同时提升作物农艺性状、产量以及氮肥利用效率^[9]。此外，生物炭较强的吸附能力和自有养分能减少土壤养分的流失从而保持土壤肥力，这不仅能够提高土壤质量，还可以保障植物的生长，提高作物的产量与品质^[10]。脱硫石膏不仅可以代换土壤中的钠离子，降低土壤pH和碱化度，从而改良盐碱地性质，还可以作为燃煤脱硫废弃物资源化利用的一种途径。有研究表明，施用脱硫石膏能显著改善盐碱土的理化性质并提高作物产量^[11-13]，施加脱硫石膏到新疆盐碱土中，可显著降低土壤容重和孔隙度^[14]，使0~20 cm土壤有机碳和速效钾含量分别增加18.0%和51.0%^[15]。施用脱硫石膏还可以使新疆重度盐碱土上种植的小麦增产16.7%^[16]，苏打盐碱土（碱化度39.2%）上种植的水稻产量提升近５倍^[17]。此外，脱硫石膏与γ-PGA（聚谷氨酸）混施可显著降低土壤pH，促进Na⁺、Cl^-等有害离子的淋洗，增加SO₄^2-、Ca²⁺、Mg²⁺等离子的浓度，同时提高土壤中全氮含量和磷含量^[1]。

目前，关于生物炭和脱硫石膏在盐碱土改良方面的研究多集中在对海滨盐渍土、苏打盐碱土的改良上，而利用生物炭与脱硫石膏配施对龟裂碱土进行改良利用的研究较少。为此，本试验以宁夏平罗县龟裂碱土为研究对象，研究生物炭与脱硫石膏配施对龟裂碱土理化性质及高粱产量的影响，旨在为宁夏西大滩地区龟裂碱土改良利用和作物增产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于宁夏石嘴山市平罗县西大滩，106°13'~106°26'E、38°45'~38°55'N，海拔1 091~1 102 m，气候类型为典型温带大陆性气候，冬冷夏热，日照时间长，蒸发强烈，干旱少雨，春冬季风沙大，无霜期短而多变，平均降水量为183.8 mm，年平均日照时间为2 800~3 200 h，年均气温为8.5 ℃。试验区采用滴灌方式灌溉。试验前盐碱土（0~20 cm土层）基本理化性质如表1所示。

1.2 试验材料

试验所用生物炭购买于宁夏荣华生物质新材料科技有限公司，为玉米秸秆生物炭，由玉米秸秆在厌氧条件、450 ℃下热裂解2.5 h制成，pH为9.26，其中w（碳）为70.1%，w（氮）为0.6%。脱硫石膏购买于宁夏石嘴山马莲台发电厂，为灰白色粉末，主要成分为CaSO₄·2H₂O，w（CaSO₄·2H₂O）=810.2 g·kg^-1，pH为7.83，电导率为1 846 μS·cm^-1。种植高粱品种为晋杂22，购自宁夏种子有限公司。

1.3 试验设计

试验于2023年4—10月进行，共设置4个处理，分别为C：单独施加生物炭（1 t·667^-1 m^-2）；T+C：生物炭+脱硫石膏混合配施（1 t·667^-1 m^-2+300 kg·667^-1 m^-2）；T：单独施加脱硫石膏（300 kg·667^-1 m^-2）；CK：对照，不施加任何改良剂。底肥施用复合肥50 kg·667^-1 m^-2，加入改良剂后。进行深翻将其与0~20 cm的土壤混匀。每个处理重复3次，采用完全随机区组排列，共计12 个小区，小区面积为18 m²（3.6 m×5 m）。高粱于5月2日开始播种，采用穴播，播种量为1.5 kg·667^-1 m^-2，行距60 cm、株距20 cm。在高粱拔节期追施复合肥50 kg·667^-1 m^-2。在高粱整个生育期内，灌水方式为地上滴灌，灌水定额为40 m³·667^-1 m^-2，播种后灌水1 次，在拔节期和抽穗扬花期每10 d灌水1 次。

1.4 样品采集与测定

在高粱抽穗扬花期采样，采用对角线采样法，在每个小区用土钻采集0~20 cm土样，土壤样品混匀后用自封袋封好，带回实验室备用。

将采集的所有土壤样品剔除根系、砾石等杂物，在室内自然风干，然后用碾压棒碾碎过2 mm。使用梅特勒-托利多台式pH计（FE-28型瑞士）测定pH（m_土∶m_水=1∶5）；用梅特勒-托利多台式电导率仪（FE-38型，瑞士）测定土壤电导率，土壤含盐量根据何文寿等^[18]研究的公式进行换算。

参照土壤农化分析方法^[19]测定土壤理化性质相关指标。土壤容重（SBD）的测定采用环刀法；土壤有机质（OM）的测定采用重铬酸钾外加热法；阳离子交换量（CEC）的测定采用乙酸钠-火焰光度法；以交换性Na⁺与土壤阳离子交换量的百分比计算碱化度（ESP）。

土壤铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）用氯化钾溶液（c=2 mol/L）浸提后，使用连续流动分析仪测定质量比。土壤速效磷（AP）和总磷（TP）用NaHCO₃溶液（c=0.5 mol/L）浸提，采用钼锑抗分光光度法测定质量比；速效钾质量比（AK）采用乙酸铵浸提火焰光度法测定；全钾质量比（TK）采用火焰分光光度法测定；全氮质量比（TN）使用自动定氮仪测定；水解性氮质量比（HN）采用碱解扩散法测定。

1.5 数据处理

采用Excel 2019和Origin 2024软件进行数据处理和图表绘制。采用SPSS软件进行单因素方差分析，采用Canoco 5软件进行RDA分析及制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭与脱硫石膏配施对土壤容重、质量含水率和团聚体的影响

由表2可知，处理T+C的土壤质量含水率较CK增长1.27%，C和T的土壤含水率较CK有所降低。C、T、T+C的土壤容重较CK分别降低7.35%、6.62%、6.62%，但均无显著差异。由表3可知，各处理的不同粒径中5.00~10.00 mm粒径的占比最大，为优势粒级。与CK相比，处理C、T、T+C的5.00~10.00 mm粒径占比有不同程度增加，T+C的增幅最大，增加了13.04%；C、T、T+C的>10.00 mm粒径占比小于CK，而其余粒径占比均大于CK。可见，脱硫石膏与生物炭配施可以提高土壤质量含水率，改善土壤团聚体占比。单施生物炭使土壤容重的降幅最大。

2.2 生物炭与脱硫石膏配施对土壤盐碱指标的影响

不同处理0~20 cm土层土壤pH的变化如图1所示，C、T+C的土壤pH较CK分别降低5.28%、2.83%。

ESP的大小反映了土壤盐碱化的程度，是评价土壤盐碱化的常用指标。不同处理对土壤ESP的影响如图2所示。C、T、T+C的ESP较CK分别降低23.1%、13.1%、11.9%，说明土壤盐碱化程度由中度转变为轻度，单施生物炭处理使土壤碱化度的降幅最大。

土壤盐分质量比关系着土壤养分转化和植物对土壤养分的吸收利用。图3为不同处理土壤盐分质量比的变化特征，脱硫石膏与生物炭配施处理的土壤盐分质量比较CK降低4.86%，但单施生物炭和单施脱硫石膏处理使土壤盐分质量比有所增加。

2.3 生物炭与脱硫石膏对土壤养分的影响

如表4所示，不同改良措施下土壤AP、AK、NO₃^--N、TN、TK的质量比均有不同程度的增加。与CK相比，C、T的AP质量比分别增加40.74%、28.57%，其中C的AP质量比增长得最为显著，但生物炭与脱硫石膏配施反而降低了AP质量比；C、T、T+C的AK质量比分别增加110.09%、15.60%、11.01%，各处理间的差异均具有统计学意义；C的HN质量比增加了30.67%。

T+C、T的TN质量比较CK分别提高3.95%、9.21%，2组处理间的差异具有统计学意义。与CK相比，各处理的土壤TK质量比较CK显著增加，T+C较CK增加31.48%。C、T的有机质质量比分别较CK增加8.68%、1.22%。各处理的土壤阳离子交换量较CK分别增加55.81%、51.16%、30.23%，且差异均具有统计学意义。与CK相比，C和T+C的硝态氮质量比分别增加168.83%、6.59%，C、T、T+C的铵态氮质量比分别增加26%、12%、10%，且与CK间的差异具有统计学意义。由于生物炭本身含有一定量的氮、磷、钾等元素，可以直接为植物提供养分，因此添加生物炭对土壤中氮、磷、钾等主要养分的有效性有显著提升的作用。

2.4 生物炭与脱硫石膏配施对高粱产量的影响

如表5所示，与CK处理相比，施加改良剂对高粱株高、穗长、千粒质量均有显著影响，其中添加改良剂后株高和穗长有显著增加，C和T的株高分别增加4.01、7.12 cm，而T+C的略有降低。与CK相比，C、T、T+C的穗长分别增加1.61、2.75、3.22 cm，籽粒产量分别增加8.03%、8.99%、5.01%，C、T处理的千粒质量分别增加15.15%、19.42%。施加脱硫石膏处理的产量显著（P<0.05）高于其他处理，说明龟裂碱土中添加脱硫石膏的增产效果显著。

2.5 高粱产量与土壤理化指标的关系

各处理高粱产量与土壤理化指标的RDA分析结果如图4所示。土壤CEC、TN、AP、盐分质量比对产量的影响显著，各物理化学指标与产量之间存在不同程度的相关性。其中土壤盐分质量比、OM、AK、AP、CEC、TN、TK、NH₄⁺-N均与产量呈正相关关系，各指标对产量的影响程度大小依次为CEC、AP、盐分质量比、NH₄⁺-N、TK、OM、AK、TN。

土壤pH、ESP、SBD、TP、HN与产量呈负相关关系，其中土壤ESP、SBD与产量显著负相关。这说明土壤碱化度和土壤容重过高，均不利于高粱的生长。土壤盐分质量比与土壤AP、AK、OM、NO₃^--N、CEC、NH₄⁺-N呈正相关关系，说明土壤AP、OM、AK等质量比的增加会造成盐分积累。

从上述分析可以得出，高粱产量受土壤阳离子交换量、盐分质量比、速效磷质量比、铵态氮质量比的影响最为显著。

3 讨论

3.1 生物炭与脱硫石膏配施对龟裂碱土理化性质的影响

土壤容重、团聚体是评价土壤结构的重要物理指标。单施生物炭有效降低了土壤容重，提高了土壤大团聚体占比。生物炭通过增加盐碱地中有机碳与无机物的含量从而有助于有机分子结合多价阳离子和黏土颗粒，而无机物中的Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺等阳离子又能与盐碱地中的钠离子发生交换作用，抑制土壤胶体的分散，以此促进土壤发生絮凝，通过土壤絮凝来促进土壤团聚体的形成和稳定。李敏^[5]向盐碱地中施用5%的秸秆生物炭，显著降低了土壤容重并提高持水能力。Dong等^[20]研究发现，生物炭的施用会提高土壤团聚体稳定性，并减少盐碱土中大团聚体（>1 000 μm）的破碎，这与本研究的结果相符。Kim等^[21]发现施用钙离子含量高的生物炭后，盐碱地的土壤团聚体含量得到增加，持水能力也随之提高。

盐碱土的化学性质主要受土壤pH和ESP的影响。混施脱硫石膏和生物炭处理与单施生物炭处理显著降低了土壤pH和ESP。大量研究表明，盐碱地土壤pH较高主要与土壤高盐分有关，生物炭添加到盐碱土中，土壤阳离子交换量显著增加，同时通过增大土壤孔隙度和持水能力来减少盐碱地土壤中的钠盐，土壤碱化度也会随之降低^[22]。生物炭自身的pH是影响土壤pH的主要因素。生物炭也会通过改善土壤结构来促进土壤盐分的淋洗从而使土壤pH和ESP降低^[10]。

脱硫石膏改良盐碱地的原理就是利用大量的Ca²⁺将盐碱土中的交换性Na⁺置换出来，从而降低土壤ESP和pH^[23]。肖国举等^[24]研究发现，碱土含盐量与脱硫石膏施加量成正比，土壤盐分质量比会随着脱硫石膏施加量的增加而增加。本试验中添加脱硫石膏降低了龟裂碱土的pH，但使土壤盐分质量比有所增加，这可能是脱硫石膏施加量过大引起的。本试验未设置脱硫石膏不同施加量处理，所以脱硫石膏最适施加量与龟裂碱土含盐量的响应关系还有待进一步研究。由于脱硫石膏中Ca²⁺含量大，可置换出大量的Na⁺，形成的Na₂SO₄呈中性，降低了Na⁺离子的水解，因此龟裂碱土的土壤pH、ESP有所下降，但添加脱硫石膏使土壤含盐量增加，这是因为在西北干旱地区，土壤水分不足导致脱硫石膏溶解慢，溶解度低，产生的水溶性Ca²⁺较少，不能大量置换出碱土中的交换性Na^+[25-26]。研究表明，盐碱地改良中脱硫石膏配合其他改良剂施用对盐碱地的改良效果较好^[16-17]。本试验中脱硫石膏和生物炭混施有效减少了土壤容重，土壤大团聚体占比较大，有效减少了土壤pH和ESP。这与韩剑宏等^[27]的研究结果较为一致。

3.2 生物炭与脱硫石膏配施对龟裂碱土土壤养分的影响

单施生物炭和单施脱硫石膏处理显著提升了土壤速效养分（AP、AK）质量比，且添加生物炭显著提升了土壤OM质量比，但对土壤全氮、总磷、全钾质量比的影响较小。研究发现，生物炭本身含有大量的有机物质，能够通过改善土壤养分状况和微生物生存环境来提高土壤微生物活力，进而通过微生物产生的大量分泌物使土壤团粒胶结，从而提升土壤养分固持^[28]，而且生物炭表面的含氧官能团（氨基、羧基等）可有效减少养分淋失，增加土壤有机碳、有效磷和速效钾。生物炭中含有NO₃^--N、NH₄⁺-N和含氧官能团等各种形态的氮，从而提高了土壤中的氮含量，且生物炭较大的比表面积具有较强吸附氮的能力，这提高了氮的转化效率，同时抑制了盐碱化带来的氨挥发，减少了土壤氮素流失^[29]，这与本试验结果相符。

张子璇等^[30]按10 t/hm²施用脱硫石膏，同时配合秸秆还田，对滨海盐碱土进行改良，发现土壤有机质、速效磷、碱解氮和速效钾含量分别较对照高12.7%、69.9%、65.0%和31.0%。这与本试验结果相符。另有研究表明，生物炭改善了土壤结构，其所带的负电荷能提高土壤阳离子交换量，从而减少土壤养分的流失^[31]。

混施脱硫石膏和生物炭处理虽然显著提升了土壤全钾和全氮质量比，但对土壤养分的影响不如单施生物炭处理。这是因为脱硫石膏配合酸性改良剂施入土壤中，酸性环境促进了脱硫石膏溶解，进而促进其离子的交换作用，通过改善土壤理化性质来增加土壤有机质含量。本研究使用的生物炭为碱性，构成的碱性环境不利于脱硫石膏溶解，因此影响混施生物炭和脱硫石膏对土壤养分的改良效果。

3.3 生物炭与脱硫石膏配施对高粱产量的影响

作物产量是衡量农业生产水平的重要指标^[32]。本试验中，施用改良剂提高了龟裂碱土的高粱穗长和产量，其中单施脱硫石膏处理对龟裂碱土高粱的增产作用最大。研究表明，脱硫石膏在改善土壤性状和提高作物产量方面效果显著^[16，23]，施用脱硫石膏不仅可以降低土壤pH和碱化度，还可以使水稻增产984.1 kg/hm²。有研究发现，脱硫石膏与其他改良剂、耕作措施等相结合，对盐碱土作物产量提升的效果更显著^[33-34]。屈忠义等^[31]研究发现，脱硫石膏和秸秆还田较对照分别增产30.68%、21.94%，这与本试验的结果相符。

本试验通过设置4个处理，研究施加改良剂对龟裂碱土理化性质和高粱生长的影响，结果显示单施生物炭处理对龟裂碱土理化性质的改良效果最佳，脱硫石膏处理明显提高了高粱产量。

4 结论

1）脱硫石膏与生物炭配施可提升土壤含水量，改善土壤团聚体结构并降低土壤盐分质量比。单施生物炭对土壤容重的降幅最大，可显著降低土壤pH和碱化度。

2）施用改良剂可显著改善龟裂碱土肥力。单施生物炭提升土壤养分含量的效果最佳。

3）单施脱硫石膏可显著增加高粱的穗长和籽粒产量，增产效果显著，能为高粱的生长提供更好的生存环境。

综合来看，单施生物炭对龟裂碱土的理化性质有较大改善，单施脱硫石膏可使高粱有效增产，两者配施效果低于两者单施。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFD1900603-06)

国家自然科学基金项目(52360029)

宁夏自然科学基金项目(2023AAC03111)